电机学3交流绕组的电动势和磁动势

退 出,第五章 交流绕组和电动势,第六章 交流绕组的磁动势,第2篇 交流电机的共同问题,第五章 交流绕组和电动势,5.1交流电机的基本工作原理及对绕组的要求,5.2三相单层集中整距绕组及其电动势,5.3三相单层分布绕组及其电动势,5.4三相双层分布短矩绕组及其电动势,第六章 交流绕组的磁动势,6.1单层集中整距绕组的磁动势,6.2三相双层分布短距绕组的磁动势,6.3椭园形磁动势,5.1交流电机的基本工作原理，对交流绕组的要求,1,交流电机的基本工作原理,交流电机分为同步电机与异步电机,同步发电机：交流电能几乎都来自于同步发电机,同步电动机：大型不需要调速的生产机械，优点调节励磁电流来改善电网的功率因数。,异步电动机：电力系统的主要负载。,异步发电机：电压和频率随负载变化不易控制。,电力电子技术的引进使得同步电动机与异步发电机得到了越来越多的应用。,同步电机的基本工作原理,同步发电机的基本工作原理,大小,：,频率,：,励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁场，原动机拖动转子以转速 旋转时，其磁场切割定子绕组而感应交流电动势 .,相序,：由转子的转向决定。,波形,：由 可知，波形取决于 的空间分布。,U2,U1,W2,V1,W1,V2,发电机的物理过程可用图示表示,异步电动机的基本工作原理,U2,U1,W2,V1,W1,V2,n,转动原理,1、电生磁,：,三相对称绕组通往三相对称电流产生圆形旋转磁场。,2、磁生电,：,旋转磁场切割转子导体感应电动势和电流。,3、电磁力,：,转子载流（有功分量电流）体在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转，将电能转化为机械能。,异步电机的,工作原理,定子绕组通入三相交流电流,旋转磁场,切割转子绕组,转子绕组产生感应电势,转子中产生感应电流,转子电流与磁场作用,产生电磁转矩,运转,问题:旋转磁场又是如何产生的呢?,2.对交流绕组的要求,（1）导体数一定的情况下，能得到较大的基波电动势和基波磁动势。,（2）电动势和磁动势的波形要接近正弦形，谐波分量要小。,（3）三相绕组对称（节距、匝数、线径相同、空间互差电角度）（即保证各相电动势磁动势对称，电阻电抗相同）,（4）铜耗减小，用铜量减少。,（5）绝缘可靠、机械强度高、散热条件好、制造简单，维修方便。,5.2 三相单层集中整距绕组及其电动势,1导体的感应电动势,2整距线匝的感应电动势,3整距线圈的感应电动势,4三相单层集中整距绕组,1导体的感应电动势,气隙磁通密度分布图,基波电动势,电动势频率:,电动势,大小:,谐波电动势,2整距线匝的感应电动势,3整距线圈的感应电动势,基波电动势的有效值,：,谐波电动势的有效值,：,4 三相单层集中整距绕组,三相单层集中整距绕组由三个线圈组成，一个线圈构成一相绕组。,无论三相对称绕组是Y接还是D接，线电压里不存在3次谐波或3的整数倍次谐波电压。,在D接的三相对称绕组由于有循环电流，会引起附加损耗，降低电机的效率。,补充：交流绕组的分类,按相数分为：单相、三相、多相,按槽内层数分为：单层（同心式、链式、交叉式）、双层（叠绕组、波绕组）、单双层,每极每相槽数q：整数槽、分数槽,基本概念,1.极距：,2.线圈节距y： 整距y=； 短距y。,3.槽距角（电角度）：,4.每极每相槽数q:,5. 电角度=p360=p机械角度,计量电磁关系的角度称为电角度（电气角度）。电机圆周在几何上占有角度为360，称为机械角度。而从电磁方面看，一对磁极占有空间电角度为360。一般而言，对于p对极电机，电角度=p机械角度。,6.并联支路数a,7.相带：60度相带将一个磁极分成m份，每份所占电角度,120度相带将一对磁极分成m份，每份所占电角度,8.极相组将一个磁极下属于同一相（即一个相带）的q个线圈，按照一定方式串联成一组，称为极相组（又称为线圈组）。,9.线圈组数 = 线圈个数/ q,5.3三相单层分布绕组及电动势,电动势星形相量图,一对极下的各槽导体组成360度星形相量图,Z=24,p=2单层绕组,利用星形相量图安排单层分布绕组,略槽距角、每极每相槽数、相带。下图为Z=36,绕组线电动势计算、分布因数,基波电动势,线圈组电动势及分布系数,q个线圈组成，集中绕组：,分布绕组：,分布系数：,绕组系数：,相电动势和线电动势,设一相绕组的串联匝数为N（即一条支路的串联匝数）则一相的感应电动势,对于单层绕组，因为每相有p个线圈组所以每相串联匝数,对于双层绕组，因为每相有2p个线圈组所以每相串联匝数,式中:a为并联支路数,5.4,三相双层分布短距绕组及其电动势,短距线圈的电动势,称为,短距系数,：线圈短距时电动势比整距时打的一个折扣,短距绕组、分布绕组对电动势波形的影响,对V次谐波,：,感应电动势中的高次谐波,因为磁场波形相对于磁极中心线左右对称，所以谐波磁场中无偶次谐波（见P114图4-14），故=3，5，7，9，11,一、高次谐波电动势,谐波电动势,谐波磁场的极对数：p =p,p激波磁场的极对数,谐波磁场的极距： =/,激波磁场的极距,谐波磁场的槽距角：d =d,谐波磁场的转速：nr = ns主磁极的转速（同步转速）,谐波感应电动势的频率：fv= pv* nv/60 = vp ns/60=vf1,谐波感应电动势的节距因数kpv,谐波感应电动势的分布因数kdv,谐波感应电动势的绕组因数kwv= kpv kdv,谐波电动势（相值）,Ev = 4.44 fNRwrr,2、齿谐波电动势,齿谐波谐波次数v与一对极下的齿数Q1/p具有特定关系的谐波,即v = Q1/p1=2mq1的谐波,齿谐波的特点,kWV（V=2mq1）= kW1,3、谐波的相电动势和线电动势,E = EL,EL中三次及3的倍数次谐波。因为3k次谐波电动势同相位、幅值相同，所以星接时线电动势为零角接时产生环流，环流产生的压降恰好被抵消。,谐波的弊害,使电动势波形变坏，发电机本身能耗增加，从而影响用电设备的运行性能,干扰临近的通讯线路,消除谐波电动势的方法,因为Ev=4.44fNRwvv所以通过减小KWr或r可降低Er,1.采用短距绕组,2.采用分布绕组，降低。,3.改善主磁场分布,4.斜曹或斜极,第六章交流绕组的磁动势,6.1单层集中整距绕组的磁动势,6.2三相双层分布短距绕组的磁动势,6.3椭圆形磁动势,6.1,单层集中整距绕组的磁动势,6.1.1,单层集中整距绕组的一相磁动势,一台两极气隙均匀的交流电机,一个整距绕组通入交流电流,线圈磁动势在某瞬间的分布如图,由全电流定律得:,忽略铁心磁阻,磁动势完全降落在两个气隙上.每个气隙的磁动势为:,空间分布为,矩形波,随时间按,正弦规律,变化.变化,频率为电流频率,。,空间位置不变而幅值和方向随时间变化的磁动势称为,脉动磁动势,。,矩形波磁动势可能分解为基波和一系列高次谐波:,基波磁动势为:,基波磁动势最大值为:,整距绕组基波磁动势在空间按余弦分布，幅值位于绕组轴线，空间每一点的磁动势大小按正弦规律变化仍然为,脉动磁动势,。,单相脉动磁动势的分解,即一个脉动磁动势可以分解成两个幅值大小相等的磁动势。,先分析,取幅值点分析,可见,(1)单相绕组的基波磁动势为脉动,它可以分解为大小相等、转速相同而转向相反的两个旋转磁场。,(2)反之,满足上述性质的两个旋转磁动势的合成即为脉动磁动势。,（3）由于正方向或反方向的旋转磁动势在旋转过程中，大小不变，两矢量顶点的轨迹为一圆形，所以这两个磁动势为圆形旋转磁动势。,磁动势的矢量表示法,长度代表磁动势幅值，位置代表磁动势正幅值所在的位置。,+j,6.1.2,三相单层集中整距绕组磁动势,三相的合成磁动势：,取A相绕组轴线位置作为空间坐标原点、以相序的方向作为x的参考方向、A相电流为零时作为时间起点，则三相基波磁动势为：,可见：三相合成磁动势也是一个,圆形旋转磁动势,。,交流电机三相对称绕组, 通入三相对称电流，磁动势是三相的合成磁动势。,为了分析旋转磁动势的旋转方向，设三相对称电流按余弦规律变化，U 相电流最大时为计时点，电流取首进尾出为正，电流波形和各时刻旋转磁动势的位置如图所示：,U2,U1,W2,V1,W1,V2,用图解法分析不同时刻三相合成磁动势,合成磁动势的转向是从载有超前电流的相转到载有滞后电流的相。,产生圆形旋转磁动势的条件：,一是三相或多相对称绕组；二是三相或多相对称电流。两个条件有一个不满足，即产生椭圆形旋转磁动势。,三相对称绕组通入三相对称电流，产生的基波合成磁动势是一个幅值恒定不变的圆形旋转磁动势，它有以下主要性质,(1)幅值是单相脉动磁动势最大幅值的3/2倍。,(2)转向由电流相序决定,从载有超前电流相转到载有滞后电流相.,(3)转速决定于电流的频率和电机的磁极对数,(4)当某相电流达最大值时,旋转磁动势的波幅位置刚好转到该相绕组的轴线位置上,空间矢量图,取A相电流为最大值时,+j,+A,+B,+C,三相绕组的合成r次谐波磁动势,由谐波磁动势在气隙中建立各自的谐波磁场为：,对称三相系统中不存在3的奇数次倍谐波磁动。,6-2三相双层分布短距绕组的磁动势,1、整距分布线圈组的磁动势,r次谐波脉振磁动势的最大振幅为：,每个绕组由q 个线圈串联构成，依次在定子圆周空间错开槽距角,绕组的基波磁动势为q个线圈基波磁动势的空间矢量和：,2.双层短距分布绕组的磁动势,双层短距分布绕组的基波磁动势为两个等效绕组基波磁动势的相量和，用短距系数计及绕组短距的影响：,3.双层分布短距一相绕组产生的磁动势,一相双层分布短距绕组在每对极下，由分布着的q对这样的线圈组成，因此一相双层分布短距绕组的基波磁动势为：,一相r次双层分布短距绕组的谐波磁动势为：,4.三相双层分布短距绕组产生的磁动势,三相合成基波磁动势,3次及3的整数倍谐波，三相合成磁动势为零,。,r=6k-1次谐波，三相合成磁动势,r=6k+1次谐波，三相合成磁动势,