电机学交流电机的绕组及其感应电动势

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二篇 交流电机的共同问题,第六章 交流电机的绕组及其感应 电动势,第一节基本结构、分类、工作原理,一、基本结构,定子与转子两大部分：,1,、定子,固定不动的部分,铁芯、绕组、机坐,同步机与异步机转子结构不一样,铁芯,外表面开槽,绕组,2,、转子,交流电机：产生或使用交流电能的旋转电机。,两大类：,同步电机,转子的速度,等于,同步速度,异步电机,转子的速度,不等于,同步速度,同步速,旋转磁场的转速,二、分类,三、同步电机,（放在第四篇讨论）,定子绕组：对称三相绕组,转子：励磁绕组,原理：励磁绕组通与直流励磁电流原动机拖动转子旋转产生转子旋转磁场穿过气隙切割定子绕组感应三相电势当接负载感应电流电能输出,四、异步电机工作原理,（放在第三篇讨论）,静止起动,对称的三相电流,=,对称三相绕组,=,旋转磁场,B,1,=B,1,切割转子导条（因为转子静止）,=,感应电势,E,2,=,（因为转子闭合）感应电流,I,2,=B,1,与,I,2,作用,=,电磁转矩,T,=,当,T,T,0,T,L,时，转子从静止开始起动,其中：,T,0,空载转矩,T,L,负载转矩,第二节 交 流 绕 组,交流绕组概述,作用：,通入电流磁场（电动机）,磁场与定子绕组切割电势电流（发电机）,分类（类型）,相数：单相、三相,层数：,单层：同心式、交叉式、链式,双层：叠绕组、波绕组,宽度：整距、短距,分布性：分布绕组、集中绕组,交流绕组的基本概念,绕组：,按一定规律排列和连接的线圈的总称,要求,磁势和,电势的波形为正弦波形,；,要求磁势和电势三相对称，,三相电压对称,；,电力系统都,有统一的标准频率,，我国规定工业标准频率为,50Hz,。,在一定的导体数下，获得较大的基波电势和基波磁势。,交流绕组的构成原则,均匀原则,：每个极域内的槽数（线圈数）要相等，各相绕组在每个极域内所占的槽数应相等,每极槽数用极距,表示,每极每相槽数,对称原则,：三相绕组的结构完全一样，但在电机的圆周空间互相错开,120,电角度。,如槽距角为,，则相邻两相错开的槽数为,120/,。,电势相加原则,：线圈两个圈边的感应电势应该相加；线圈与线圈之间的连接也应符合这一原则。,如线圈的一个边在,N,极下，另一个应在,S,极下。,元件,(,线圈,),术语,1,：,电角度,磁场每转过一对磁极，电势变化一个周期，称为（一个周期）,360,电角度。在电机中,一对磁极所对应的角度定义为,360,电角度,。（几何上，把一圆周所对应的角度定义为,360,机械角度。）,磁极对数为,p,圆周机械角度为,360,电角度为,p*360 ,术语,2,：,相带,为了三相绕组对称，,在每个极面下每相绕组应占有相等的范围,相带,。,每个极对应于,180,电角度，如电机有,m,相，则每个相带占有 电角度。三相电机,m,3,，其相带为,60,，按,60,相带排列的绕组称为,60,相带绕组。,60,相带绕组,把,每对极,所对应的定子槽等分为六个等分。依次称为,a,、,c,、,b,、,a,、,c,、,b,相带，各相绕组放在各自的相带范围内,术语,3,：,每极每相槽数,q,每个极面下每相占有的槽数,。已知总槽数,Z,、极对数,p,和相数,m,为，则,q1,分布绕组,整数槽绕组,q,为整数,分数槽绕组,q,为分数,术语,4,：,槽距角,相邻两槽之间的,电角度,已知总槽数,Z,、极对数,p,p * 360,=,Z,圆周的电角度,术语,5,：,极距,相邻两磁极对应位置两点之间的圆周距离,几何尺寸,每极所对应的定子内圆弧长,设,D,为定子内圆直径。,槽数表示极距：,即基波磁场每极所对应的槽数,术语,6,：,节距,y (,跨距,),表示元件的宽度。元件放在槽内，其宽度可,用元件两边所跨越的槽数表示,。,分析工具：槽导体电势星形图,把电枢上各槽内导体按正弦规律变化的电势分别用矢量表示，构成一辐射星形图,相距,360,度电角度，导体电势时间上同相位,相带与电势星形图,一、三相单层绕组,单层,每槽中只放置一层元件边，,元件数等于槽数的一半,，无需层间绝缘，结构和嵌线较简单,单层绕组只适用于,10kW,以下的小型异步电动机，其极对数通常是,p,l,2,3,4,单层绕组通常有链式、交叉式和同心式等三种不同排列方式,单层绕组：构造方法和步骤,分极分相,:,将总槽数按给定的极数均匀分开（,N,S,极相邻分布）并标记假设的感应电势方向。,将每个极的槽数按三相均匀分开。三相在空间错开,120,电角度。,连线圈和线圈组：,将一对极域内属于同一相的某两个圈边连成一个线圈（共有,q,个线圈，为什么？）,将一对极域内属于同一相的,q,个线圈连成一个线圈组（共有多少个线圈组？）,以上连接应符合电势相加原则,连相绕组：,将属于同一相的,p,个线圈组连成一相绕组，并标记首尾端。,串联与并联，电势相加原则。,连三相绕组：,将三个构造好的单相绕组连成完整的三相绕组,接法或者,Y,接法。,例如：相数,m,3,，极数,2p,4,，槽数,Z,24,每极每相槽数,q, ,2,槽距角,=30,极距,=Z/2p=24/4=6,说明：,属于,a,相,8,个槽，即,l,、,2,、,7,、,8,、,13,、,14,、,19,、,20,根据槽导体电势星形图，按电势相加原则构成元件，每个元件都是整距，,y=6,槽，即每元件的跨距为,6,个槽，同为单层，每相每对极可以连接成一个元件组。,2,对极，每相,2,个元件组，,1728,，,13,一,19,一,1420,。,元件组之间可串联或并联形成不同并联支路数,单层绕组每相有,p,个元件组，如串联方式连接，则并联支路,a,1,，相电势,E=pEq,，相电流,I,Ic,。每相功率,P,EI,pEqIc,。,* 连成三相绕组,二、链式绕组,链式绕组适用于,q=2,，,p,1,的小型异步电机。例如,m,3,，,p,2,，,Z=24,，,q,2,，,a=30,链式绕组的每个元件都是短距。从相电势和磁势角度看,具有整距性质,三、交叉式绕组,交叉式绕组适用于,q,3,的小型异步电机,例如：,m,3,，,p=2,，,q,3,。,定子槽数,Z=2mpq=2*3*2*3,36,槽距角,a=p*360/Z=20,属于,a,相的元件有,1,、,2,、,3,、,10,、,ll,、,12,、,19,、,20,、,21,、,28,、,29,、,30,共,12,个元件边,y=8,y=7,210,，,311,相连，是节距为,8,的（大）线圈,1219,相连，节距为,7,的（小）线圈,2028,，,2129,相连，节距为,8,的大线圈,301,相连，节距为,7,的小线圈。,依次二大一小交叉布置为交叉式绕组,b,相和,c,相的连接规律与,a,相完全一样，,a=20,，相间相差,6,个槽。如第,2,槽为,a,相首端，则,b,相首端是第,8,槽，,c,相首端是第,14,槽。,三、同心式绕组,对于,p,l,的小型三相异步电动机和单相异步电动机，每极每相槽数,q,较大，采用同心式绕组嵌线,例如：,m,3,，,p=1,，,q,4,。则定子槽数,Z=2mpq,2*3*l*4,24,，槽距角,a,15,属于,a,相的有,8,个元件边，把,1,与,12,相连构成一个大线圈，,2,与,11,相连构成一个小线圈。这,一大一小组成一个同心式线圈组,。,13,与,24,相连，,14,与,23,相连组成另一同心式线圈组。然后把两个线圈组反向串联，以保证电势相加,属于,a,相的有,8,个元件边，把,1,与,12,相连构成一个大线圈，,2,与,11,相连构成一个小线圈。这,一大一小组成一个同心式线圈组,。,13,与,24,相连，,14,与,23,相连组成另一同心式线圈组。然后把两个线圈组反向串联，以保证电势相加,在外形上有多种绕组型式：元件节距可以整距、短矩或长距，合理选用绕组型式，可以节省铜线，简化工艺。,分析相电势,：采用槽电势星形图。绕组型式不同只不过是元件构成方式不同、导体连接先后次序不同，而构成绕组的导体所占的槽号是相同的，都在属两个相差,180,电角度的相带内，,三相单层绕组的节距因数均为,1,，具有整距绕组性质,优点：,绕组因数中只有分布因数，基波绕组因数较高，,无层间绝缘，槽利用率高,缺点：,对削弱高次谐波不利,，无法改善电势波形和磁势波形，漏电抗较大,使用：一般用于,10kW,以下小功率电机。（功率较大或对波形要求较高的电机，通常采用双层绕组。）,小结：,三相,单层绕组,二、三相双层绕组,双层,每槽中有两个元件边，分为上下两层放置。靠近槽口的为上层，靠近槽底部为下层。,每个元件均有一个边放在上层，一个边放在另一槽的下层,，相隔距离取决于节距。,元件的总数等于槽数,，每相元件数即为槽数的三分之一。,构造方法和步骤（举例：,Z=24,2p=4,整距,m=3),分极分相,:,将总槽数按给定的极数均匀分开（,N,S,极相邻分布）并标记假设的感应电势方向；,将每个极域的槽数按三相均匀分开。三相在空间错开,120,电角度。,连线圈和线圈组,：,根据给定的线圈节距连线圈（上层边与下层边合一个线圈）,以上层边所在槽号标记线圈编号。,将同一极域内属于同一相的某两个圈边连成一个线圈（共有,q,个线圈，为什么？）,将同一极域内属于同一相的,q,个线圈连成一个线圈组（共有多少个线圈组？）,以上连接应符合电势相加原则,连相绕组：,将属于同一相的,2p,个线圈组连成一相绕组，并标记首尾端。,串联与并联，电势相加原则。 按照同样的方法构造其他两相。,连三相绕组,将三个构造好的单相绕组连成完整的三相绕组,接法或者,Y,接法,例：设相数,m,3,，极数,2p,4,，槽数,Z,24,，则每极每相槽数,q,2,，槽距角,a,30,步骤,：,绘槽电势星形图,分相,使各相电势最大，且三相电势对称,绘绕组元件平面展开图,首先画出等距离的,24,根平行线段以表示,槽号,表示各元件的上层边,。在实线近旁画出虚线以表示下层元件边。把各槽按顺序编号，取槽号作为上层边的代号，取槽号加注上标,作为下层边代号。,整矩绕组,：跨距,y,6,，每个元件的上层边与下层边相距,6,个槽。例如第,l,槽的上层边应与第,7,槽的下层边接成一个元件。同理,2-8,，,3-9,，,4-10,，,.,相连，共计有,24,个元件。,a,相,8,个元件分成,4,个元件组，各元件组的连接规律为,l-7-2-8,，,7-13-8-14,，,13-19-14-20,，,19-1-20-2,，分别用,I,、,、,、,表示。,当磁场切割绕组时，该四个元件组的电势大小相等，,I,、,组电势时间上同相，,、,IV,组电势与,I,、,组电势反相。,各元件组可以串联、并联、或一半串联后再并联。相绕组可以有不同连接方式，,当通以电流形成,4,极磁场,。,短距绕组,取,y,5,，每个元件跨,5,个槽，,a,相的,4,个元件组，分别是,l-6-2-7,，,7-12-8-13,，,13-18-14-19,，,19-24-20-l,短距时，在某些槽中，其上层元件边与下层元件边可能不属一相，在这些槽中，上层与下层之间有较大电位差，应加强层间绝缘。,短距时，同一相的上、下层导体错开了一个距离，用短距角,表示，表示一个元件的上层导体电势和下层导体电势的相位差是,180-,电角度，合成电势时应计及节距因数,kp,。,第三节 绕组的感应电动势,正弦磁场下绕组的感应电势,元件电势,元件组电势,绕组相电势,1,单层绕组,2,双层绕组,一、元件的电势,电势决定于磁场的大小与分布以及磁场与元件间的相对运动,设气隙磁场按正弦规律分布，则每极磁通,气隙磁场每转过一对磁极，线圈中的电势便经历一个周期。电势的频率用每秒转过的磁极对数表示。,极对数,p,，转速,n (r/min),，则频率,t=0,元件匝链一个磁极的全部磁通,元件中的感应电势,e=-Nd/dt,设元件匝数为,Nc,，感应电势的瞬时值为,有效值,整距线圈,导体,a,与导体,a,相距一个极距，即,180,电角度,元件电势为,短距线圈,导体,a,与导体,a,相距非一个极距（差一短距角,）,元件电势为,Ea,Ea,-Ea,Ec,短距元件电势,短距元件的电势小于整距元件的电势,设短距角为,电角度,节距因数,二、元件组电势,电机采用分布绕组，每元件组有,q,个元件，元件组电势即为,q,个元件的电势之和。,通常各元件匝数相等，所以各元件电势的幅值相等，由于各元件空间位置依次相位差,a,电角度，各元件电势的时间相位差也为,a,角度。,p=3,的元件组,分布因数,k,d,元件组各电势的相量和与代数和的比值,元件组电势,绕组因数,k,N,=k,d,k,p,，,反映分布和短距对电势的影响,N,c,q,为一个元件组串联匝数,三、绕组的相电势,1,单层绕组,每对极每相有一个元件组,p,对极电机，每相有,p,个元件组，可以串联、并连或混合连接。如有,a,条并联支路，则每相电势为,单层绕组每相串联匝数,绕组的相电势,2,双层绕组,每对极每相有,2,个元件组,p,对极电机，每相有,2p,个元件组，可以串联、并连或混合连接。,有,a,条并联支路,双层绕组每相串联匝数,每相,串联,匝数,设每槽导体数为,S,，对单层绕组,Nc=S,，双层,Nc=S/2,N,为每相实有串联匝数,Nk,N,为有效串联匝数，,k,N,反映绕组因采用短距和分布而使每相电势减小的程度,感应电势与绕组匝链磁通的相位关系,即感应电势在时间上滞后磁通,90,。,变压器：主磁通本身随时间变化,旋转电机：气隙磁密波大小不变，随时间绕绕组而旋转,第四节 谐波电动势及其削弱方法,一、非正弦磁场下绕组的感应电势,以三相凸极同步电机为例,磁场是由转子电流激励产生的,气隙磁通密度实际是一个平顶波，可分解出基波和各奇次谐波,(,由于对称性,),基波磁场和各次谐波磁场均随转子而旋转,在定子绕组中不仅感应基波电势，还感应有各次谐波电势。,1,N,N,N,S,S,S,S,S,S,S,S,N,N,N,N,N,谐波电势,例,6-2 p102,二、谐波电势的影响,高次谐波电势对电势大小影响较小,主要影响电势的波形,在基波电势上叠加有高次谐波电势使波形变坏,引起发电机损耗增加，温升增高、效率降低。,在输电线路上，谐波电势产生高频干扰，使输电线路时近的通信设备不能正常工作。,输电线路自身有电感和电容，在某一高频条件下，将产生自激振荡而产生过电压。,在异步电机中产生有害的附加转矩和损耗,三、消除和减小高次谐波电势的方法,从磁场角度,：使气隙磁场接近正弦分布，如采用适当的极靴宽度和不均匀的气隙长度,(,磁极中心气隙较小，磁极边缘的气隙较大,),、励磁绕组的分布范围,从绕组方面,：采用短距、分布绕组,从谐波性质,：当接成星形连接时，在线电势中不可能出现,3,次及其,3,的倍数次谐波电势。,小结,交流绕组的组成原则,获得较大的基波电势，尽量减少谐波电势，且保持三相电势对称，同时考虑节约铜线和具有良好的工艺性,。,分析绕组的基本方法,槽导体电势星形图,，通过槽电势相量的分析可以了解三相绕组的形成和特性。,交流绕组的型式很多，应该掌握几种常用三相单层、双层绕组的构成方式和特点。通常小功率电机多采用单层绕组，功率较大的多为双层短距绕组，以削弱高次谐波、改善电势和磁势波形。,绕组电势的计算公式与变压器线圈电势的相类似。由于绕组型式不同，,相电势计算时必须考虑分布因数和节距因数,。,由于气隙磁场并不完全按正弦规律分布，存在谐波电势，对电机运行不利。,思考题,6-3,为什么单层绕组采用短距（,y,）只是外形上的短距，实际上仍是整距性质,6-4,改变每相绕组元件组的连接方式，即串并联数，相电势有何变化，电机功率如何变化？,6-6,为什么交流电机常采用分布和短距绕组？,