交流电机电枢绕组的电动势和磁动势

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,8-,*,第六章,交流电机的绕组 磁势和电势,1,6,.1 交流电机的基本工作原理,6,.2 交流电机绕组的磁势,6,.3 交流电机绕组的感应电势,2,同步电机和异步电机在基本结构、励磁方式和运行特性上存在很大差别，但其工作原理是基本相同的，尤其在电机的绕组、磁势和电势等问题上，存在许多共性问题。,交流电机的分类,同步电机：,交流电机,异步电机：,同步电机的转速与所接电源的频率存在着一种严格不变的关系,主要用作,发电机,异步电机与所接电源的频率不存在这种关系,主要用作,电动机,3,6.1 交流电机的基本工作原理,6.1.1 交流电机的基本工作原理,1）同步电机的基本工作原理,4,同步电机感应电势的频率？,当电机有,p,对极时，则转子旋转一圈，感应电势交变,p,次，,f = p,；,如果转子每分钟转速为,n,，,则转子每秒钟旋转,n/60,转，因此，感应电势每秒钟交变,pn/60,次，即电势的感应频率为：,当转子是一对磁极时，转子旋转一圈， 绕组中的感应电势交变一次；,f =1,5,2）三相异步电动机的工作原理,磁铁,闭合,线圈,6,磁极旋转,导线切割磁力线产生感应电动势,导线长,磁感应强度,切割速度,（右手定则）,闭合导线产生电流,i,（左手定则）,通电导线在磁场中受力,7,1. 线圈跟着磁铁转两者转动方向一致,结论：,异步,2. 线圈比磁场转得慢,8,异步电动机的工作原理,流入,三相对称绕组,三相对称电流,一定极数旋转磁场,产生,转子绕组感应电势,电流,转子转向同旋转磁场转向相同,实现,机电能量转换,旋转磁场作用,电磁转矩,旋转磁场,9,6.1.2 旋转磁场的产生,A,Y,C,B,Z,异步机中，旋转磁场代替了旋转磁极,()电流出,(,)电流入,X,10,A,X,Y,C,B,Z,A,X,B,Y,C,Z,合成磁场方向：,向下,11,X,B,Z,A,Y,C,A,X,Y,C,B,Z,A,X,Y,C,B,Z,同理分析，可得,其它电流角度下,的磁场方向：,N,N,12,旋转方向,：取决于三相电流的相序。,改变电机的旋转方向：换接其中两相。,旋转磁场的旋转方向,13,旋转磁场的转速,大小,一个电流周期，旋转磁场（即定子磁场）在空间转过360。则同步转速（即旋转磁场的速度）为：,A,X,Y,C,B,Z,A,X,Y,C,B,Z,A,X,Y,C,B,Z,14,极对数和转速的关系,15,如果是两对极,旋转磁场的转速为n=60f/2，即绕组中电流变化一周，也就是时间相位上变化了360,0,（电角度）时，旋转磁场在空间转过半圈，即旋转了180,0,（机械角度）。,如果是p对极，旋转磁场的转速为,电角度= p机械角度,16,异步电动机转速和旋转磁场同步转速的关系,电动机转速（即转子转速）:,电机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，,但,异步,电动机,无转矩,转子与旋转磁场间没有相对运动,无转子电动势（转子导体不切割磁力线）,无转子电流,提示,：,如果,17,三相异步电动机的同步转速,极对数,每个电流周期,磁场转过的空间角度,同步转速,18,特点：,1）对称三相绕组流过对称三相电流建立旋转磁场；,2）合成磁场的幅值不变，在旋转过程中，其幅值的轨迹是一个圆，故称为圆形旋转磁场。,3）当一相电流达到最大值时，合成磁场的幅值恰好在该项绕组的轴线上。,4）旋转磁场的转向由超前电流的绕组转向滞后电流的绕组。,5）旋转磁场的转速和电源频率成正比，与极对数成反比。,19,6.2,定子三相绕组,6.2.1 定子三相绕组的基本要求,（1）通三相对称交流电后，建立起具有一定大小和一定极数的旋转磁场；,（2）旋转磁场在空间的分布波形接近正弦波；,（3）旋转磁场在绕组中所感应的电势是对称的；,（4）用铜量少，绝缘性好，机械强度可靠和散热条件好；,（5）制造工艺简单，维修方便。,20,6.2.2 定子三相绕组的分类,相数分,单相,两相,三相,每极每相槽数,整数槽绕组,分数槽绕组,槽内层数分,单层绕组,双层绕组,同心式绕组,链式绕组,交叉式绕组,叠绕组,波绕组,21,1) 定子三相绕组的基本知识,A,X,Y,C,B,Z,N,S,A,X,B,Y,C,Z,线圈,：组成交流绕组元件，由一匝或多匝导线串联而成。,极矩,：两相邻磁极轴线之间距离，用槽数表示,=Z/2p,。,线圈节矩,y,：,一个线圈的两个有效边之间所跨距离，用槽数表示,y,=Z/2p,。,每极每相槽数,q,：,每一个极面下每相所占槽数，,q,=Z/2pm,槽距角,：相邻槽之间所对应的电角度，,=360,0,p/Z,22,2）单层叠绕组的构成,1. 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。,实例：Z24（槽）、m3（相）、2p4（极）的单层叠绕组,基本步骤：,每极每相槽数,23,24,3） 连线圈和线圈组,将,一对极域,内属于,同一相,的某,两个线圈边,连成一个线圈，共有,q,个线圈。,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。,25,线圈组连接,26,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。,最大并联支路数,a,p,。,连相绕组,27,将三个构造好的单相绕组连成完整的三相绕组；,接法或,Y,接法；,连三相绕组,28,29,4）三相双层绕组,构造方法和步骤（举例：Q=24,2p=4,整距,m=3),绕制一个三相四极24槽的双层叠绕组,（1）计算极距,（2）选择节距,为改善磁势和电势波形，节约用铜，选,y,1,=6,（3）计算每极每相槽数,（4）计算槽距角,30,4）三相双层绕组,构造方法和步骤（举例：Q=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。,31,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 。,32,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。,33,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,34,交流绕组的构成：导体,-,线圈,-,线圈组,-,一相绕组,-,三相绕组 。,6.3.1 相绕组中的基本电动势,6.3 交流绕组的感应电动势,35,感应电势随,时间,变化的波形和磁感应强度在,空间,的分布波形相一致。,只考虑磁场基波时，感应电势为,正弦波,。,1) 导体中的感应电势,感应电势的波形,36,感应电势的大小,导体感应电势,导体与磁场的相对速度：,磁感应强度峰值和平均值之间的关系：,感应电势最大值：,感应电势的有效值：,37,绕组中均匀分布着许多导体，这些导体中的感应电势,有效值，频率，波形,均相同；但是他们的,相位,不相同。,导体感应电势小结：,38,整距线圈中的感应电势,2) 线圈中的感应电势,线圈的两个有效边处于磁场中相反的位置，其感应电势相差,180,电角度。,整距线圈的感应电势：,考虑到线圈的匝数后：,39,线圈的两个有效边在磁场中相距为,y,1,其感应电势相位差是,180-,电角度。,短距线圈中的感应电势,短距角：,短距线圈的感应电势：,短距系数：,短距系数小于,1,，故短距线圈感应电势有所损失；但短距可以削弱高次谐波,.,40,每对极下属于同一相的,q,个线圈，构成一个线圈组。图中,q=3,每个线圈的感应电势由两个线圈边的感应电势,矢量相加,而成。,整个线圈组的感应电势由所有属于该组的导体电势矢量相加。,3）线圈组的感应电势,41,42,矢量式,分布系数：,线圈组的电势,：,线圈组的感应电势,43,4) 一相绕组的电势,单层绕组的相电势,单层绕组每对极每相,q,个线圈，组成一个线圈组，共,p,个线圈组。,若,p,个线圈组全部并联则相电势,=,线圈组的电势,若,p,个线圈组全部串联则相电势,=p,倍 线圈组电势,实际线圈组可并可串，总串联匝数,相电势：,44,双层绕组每对极每相有,2q,个线圈，构成两个线圈组，共,2p,个线圈组；,这,2p,个线圈组可并可串，总串联匝数,6) 双层绕组的电势,双层绕组要考虑到短距系数,：,k,dp,=k,d,k,p,绕组的绕组系数,45,三相绕组由在空间错开,120,电角度对称分布的三个单相绕组构成，三相相电势在,时间上相差,120,度电角度,。,三相线电势与相电势的关系：,三角形接法，线电势,=,相电势,；,星形接法,，,7) 三相绕组的电势,46,正弦分布的以转速,n,旋转的旋转磁场，在三相对成交流绕组中会感应出三相对称交流电势；,感应电势的波形同磁场波形，为正弦波；,感应电势的频率为,f=(pn/60)Hz,；,相电势的大小为,绕组系数,三相绕组电势总结,47,6.3.2 相绕组中的高次谐波电动势,由于种种原因（定转子铁芯开槽、主极的外形、铁心的饱和、气隙磁场的非正弦分布）， 主极磁场在气隙中不一定是正弦分布， 此时绕组的感应电动势中， 除基波外还有一系列高次谐波电动势。,通常，主极磁场的分布与磁极中心线相对称，,故气隙磁场中含有奇次空间谐波。,1、3、5,48,1）主极磁场产生,次谐波的性质,极对数为基波的倍，极距为基波的,1/,，随主极一起以同步转速在空间移动。即,谐波频率：,谐波电动势的有效值：,为,次谐波的磁通量,为,次谐波的绕组系数,49,齿谐波电动势,有一种谐波,与一对极下的齿数Z/p之间有特定的关系。 称为,齿谐波。,特点：谐波绕组因数恰等于基波的绕组因数。,50,2）相电动势和线电动势大小,相电动势的有效值：,线电动势的有效值：,三相绕组接成,Y,或,， 对于对称的三相系统， 各相电动势的三次谐波时间上同相， 幅值相等。,Y,连接， 三次谐波互相抵消； 连接， 三次谐波形成环路，,E,3,完全消耗与环流的电压降。,线电动势：,51,3）谐波的弊害,高次谐波：,对于发电机，电动势波形变坏， 降低供电质量；,本身杂散损耗增大， 效率下降， 温升增高；,对邻近线路产生干扰。,52,4）消除谐波的方法,根据,减小 或 可降低谐波，对齿谐波采用其它措施。,（1）采用短距绕组,适当地选择线圈的节距， 使得某一次谐波的短距系数等于或接近零， 达到消除或减弱该次谐波的目的。,53,从上式看，要消弱谐波磁势,要消除,5,次谐波,不过分消弱基波，应选用尽可能接近全距的短节距,所以,2k=,-1,此时,换言之， 为了消除第,次谐波， 只要选比整距短 的短距线圈,54,消除5次谐波的跨距选择,55,短距绕组往往采用 , 主要考虑同时减小5次、7次谐波。,对于5次谐波， 选用,对于7次谐波， 选用,（2）采用分布绕组,就分布绕组来说， 每极每相槽数q越多， 抑制谐波电动势的效果越好， 但q增多， 意味总槽数增多， 电机成本提高。,采用分布绕组,56,采用短距和分布绕组的方法主要针对齿谐波以外的一般高次谐波， 对于齿谐波，它的绕组系数等于基波绕组系数， 不能采用通用的短距和分布绕组的方法。,对于齿谐波， 可采用斜槽， 采用分数槽的方法进行消除。,另外也可在电机设计过程中， 通过减小槽开口和槽形设计等方法进行高次谐波的减弱或消除。,齿谐波的消除,57,6.4 交流绕组建立的磁动势,6.4.1 交流电机定子单相绕组的磁势,1）单个整距集中绕组的磁势,一个整距线圈在异步电机中产生的磁势,58,任意时刻,X,A,X,X,幅值为脉振的,注意,要把磁势的空间分布规律和随时间变化的规律区别清楚。全距线圈磁势的空间分布是一个矩形波，用,x,来表示空间位置，时间变化规律用,t,来表示。,59,脉振磁势可以表示为,为幅值,按照富立叶级数分解的方法可以把矩形波分解为基波和一系列谐波,基波幅值为：,高次谐波的幅值为,矩形波脉振磁势的分解,60,基波在空间按正弦分布；在时间上，任何一个位置的磁势都按正弦变化。所以基波是一个正弦分布的正弦脉振磁势。其表达式为：,61,磁势可用富氏级数对磁势的矩形波进行分解,基波磁势的幅值,与横坐标x对应的电角度,各奇次谐波的幅值，,表示谐波次数,62,整距线圈产生的脉振磁势方程为,63,2）整距分布线圈组的磁势,q,个整距线圈组成的线圈组的基波合成磁势的幅值,每个整距线圈基波磁势的幅值,64,k,d1,基波磁势的分布系数,k,d1,1,k,q,为次谐波,磁势的分布系数,同理，可推出线圈组各高次谐波磁势的幅值,F,q,65,例：一台四极三相异步电机，定子槽数Z=36，试计算基波、5次和7次谐波磁势的分布稀疏,。,解：,基波分布系数,5次谐波分布系数,7次谐波分布系数,66,为改善电机的性能，总是希望定子磁势波行尽可能地接近正弦波，为改善电势波形，采用分布绕组就可以起到改善磁势波形的作用，如采用60,0,相带绕组。,集中绕组q=1 k,q1,=k,q3,=k,q5,=1,分布绕组q=3,=60/3=20,0,k,q1,=0.96,k,q3,=0.217,k,q5,=0.177,由此可知，采用分布绕组后，基波磁势消弱不多，但高次谐波含量都大为消弱，所以说采用分布绕组后可以改善磁势的波形。,67,2） 整距分布绕组的磁势,由,q,个线圈构成的线圈组，由于线圈与线圈之间错开一个槽距角，称为分布绕组。,取单个线圈的基波进行分析（为正弦脉振磁势），,q,个正弦脉振磁势在空间依次错开一个槽距角；,线圈组的磁势为,：,68,双层短距绕组的磁势,双层整距绕组可以等效为两个整距单层绕组,两个等效单层绕组在空间分布上错开一定的角度，这个角度等于短距角；,双层短距绕组的磁势等于错开一个短距角的两个单层绕组的磁势在空间叠加。,69,双层短距绕组的磁势为：,70,如果只看每对极产生的磁动势， 与上面的两极电机完全一样， 所以多极电机只研究每对极磁动势就行了。,一相绕组的总磁动势平均作用于各个磁极， 单相绕组磁动势， 不是一相绕组的总磁动势， 而是作用于一个磁极的磁动势。,-90,0,90,0,270,0,71,3、 单相绕组磁势的统一表达式,为了统一表示相绕组的磁势，引入每相电流,I,、,每相串联匝数,N,1,等概念。,统一公式：,单相绕组产生的基波磁势仍然是正弦脉振磁势，磁势幅值位置与绕组轴线重合，时间上按正弦规律脉振。,72,单相绕组产生的谐波磁势也是正弦脉振磁势，时间上按正弦规律脉振。,考虑单相绕组电流产生的谐波磁势， 其统一表达式为：,73,3）短距线圈的线圈组磁势,高次谐波除用分布绕组可消弱外，采用短距绕组亦可达到这一目的。所以，实际中线圈的节距一般为短距。,74,磁势的大小和波形仅取决于槽内有效边的分布情况以及导体中的电流，而与线圈边的连接次序无关，故把短距线圈分成全距分布绕组。,两个单层全距绕组,在空间错开,电角度。,角恰好等于线圈节距缩短的距离。 ,=0,，上下两层重叠，为全距绕组。,75,k,y1,基波磁势短距系数,各整距线圈线圈组基波磁势矢量的矢量和,各整距线圈线圈组基波磁势矢量的算术和,76,同理可推出,次谐波的合成磁势,K,y1,谐波磁势的短距系数,从上式看，要消弱谐波磁势,要消除,5,次谐波,77,不过分消弱基波，应选用尽可能接近全距的短节距,所以 2k=,-1,此时,当节距,y,1,比整距缩短,/,时，即可消除 次谐波磁势，故采用短局限劝阻，亦可改善磁势波形。,78,绕组由集中改为分布,绕组由整距改为短距,k,w1,基波绕组系数,79,4) 相绕组的磁势,相绕组的磁势并不是整个绕组的安匝数，而是每对极下相绕组的合成磁势。,若把一相绕组全部连成串联，每相串联匝数为N=2pqN,y,次谐波磁势的幅值,F,为,80,如空间坐标原点取在相绕组的轴线处，单相绕组的磁势方程为：,81,单相绕组的磁势性质为：,（1）单相绕组的磁势是一种在空间位置固定，幅值随时间变化的脉振磁势，基波及所有谐波磁势的幅值，在时间上都以绕组中电流变化的频率脉振。,（2）单相绕组基波磁势幅值的位置与绕组轴线相重合。,（3）单相绕组的脉振磁势中，,基波磁势的幅值为,次谐波磁势的幅值为,谐波次数越高，磁势幅值越小。,异步电动机的定子绕组多采用分布短距绕组，因而合成磁势中，谐波含量大为减少。所以，一般分析问题时，只考虑基波的作用。,82,3.3.2 三相绕组的磁势,三相绕组由三个单相绕组所构成，三个单相绕组结构完全相同，只是在空间互差120,0,电角度。A、B、C三个单相绕组所产生的磁势波逐点相加，得三相绕组的合成磁势。,1）三相绕组基波合成磁势,三相绕组可看作，用三个有效匝数为Nk,w1,/p，轴线在空间互差120,0,电角度的集中整距线圈去代替两极电机中的三相绕组。,83,当对称三相交流电流通过对称三相绕组，三相绕组分别产生幅值相等、时间上相位互差120,0,电角度的脉振磁势，而三相绕组产生的三个脉振磁势时间上也互差120,0,电角度。,基波磁势的表达式为：,空间分布规律,时间变化规律,84,利用三角公式,85,F,1,基波三相绕组合成磁势的幅值,86,将两个瞬时的磁势波形进行比较，可知其幅值未变，但向前推移了,0,角，f,1,(x,t)表示一个幅值正弦分布的正向行波。由于定子内腔为圆柱形，故f,1,(x,t)为沿气隙圆周的连续推移，形成旋转磁势波。,87,旋转磁场波的推移速度，用波上任一点可确定,波幅点F,1,速度为,电流变化一次，磁势波向前推移2,。,定子内圆周长,88,由 知,当,某相电流达到最大值时，三相旋转磁场的幅值就将移到该相绕组的轴线处,例如：,A相电流最大,B相电流最大,此时,F,1,在 ，即,B,相绕组轴线处,同理有,C,相,89,关于旋转磁势的进一步讨论,三相对称交流绕组通过三相对称交流电流时，三个反向旋转磁势在空间错开,120,电角度相互抵消，三个正向旋转磁势在空间同相位，合成一个圆形旋转磁势。,圆形旋转磁势的幅值为,：,圆形旋转磁势的转速为,：,当某相电流达到最大值时，旋转磁势的波幅刚好转到该线绕组的轴线上，旋转磁势的转向,:,由带有超前电流的相转向带有滞后电流的相。,90,如三相电流为负序,磁场的旋转方向改变,91,正向推移旋转磁场 反向推移旋转磁场,知：一个正弦分布的脉振磁势可以分解成两个波长相同、幅值相等、推移方向相反的旋转磁时，幅值为脉振幅值的1/2，转速为同步转速。,三相绕祖基波合成磁势可理解为：把A、B、C三相脉振磁势进行分解后，三个反向旋转磁势相互抵消而消失，三个正向旋转磁势互相叠加而加强，合成为一正向推移、幅值为3/2F,1,的旋转磁势波。,92,2) 三相绕组的高次谐波磁势,把三个单相绕组的高次谐波磁势相加，可得三相绕组的高次谐波合成磁势。,三次,谐波,三相绕组各相的3次谐波脉振磁势在空间是同相位。,这个结论可推广到,6k3的谐波次数。,93,5次谐波,5,次谐波也是旋转磁场，按基波分析方法也可得,5,次谐波的推移速度，可知其旋转速度为,7,次谐波,结论可推广到,6k1次和6k1次的谐波。,94,可推出：,(1),=3k (=3,9,15) f,=0,=6k-1 (=5,11),反向旋转磁场,=6k+1 (=7,13),正向旋转磁场,95,3）三相异步电动机的定子磁场,在前已分析过异步电动机的主磁场是由对称三相绕组通以对称三相电流后使气隙中产生了一旋转磁场，其转速为n,0,=60f/p。通过我们对定子磁势绕组的分析，了解到这种旋转磁场是由三相基波合成磁势所建立的。,三相合成磁势中还含有各次谐波，从而建立谐波磁势，但是采取了一些措施（分布绕组、短距绕组）使谐波磁势很小，主要的三次谐波又不存在，所以对电机影响不大，可忽略不计，一般把谐波磁场作为漏磁场来处理。,96,第六章,结 束,97,