交流电机的共同理论

第四章交流电机的共同理论•交流电机和交流绕组•交流绕组的构成原则•三相单层绕组•三相双层绕组•正弦磁场下交流绕组的感应电动势•通有正弦电流时单相绕组的磁动势•通有对称三相正弦电流时三相绕组的磁动势第一节交流电机和交流绕组一、交流电机的分类同步电机：定子绕组电流频率和转子转速存在严格不变的关系。主要用作发电机。异步电机：定子绕组电流频率和转子转速存在严格不变的关系。主要用作电动机。定子结构（包括铁心和绕组）相同。二、同步电机和异步电机的异同点1）不同点•基本工作原理•基本结构•励磁方式2）相同点若将同步电机的转子换成异步电机的转子，则完全可以作为异步电机运行。本章就这个相同点进行讨论。三、交流绕组的作用1）旋转磁场切割三相对称绕组，产生对称三相电动势。2）三相对称绕组通对称三相电流，产生旋转磁场。这两个作用在同步电机或异步电机的定子绕组中都同时存在。第二节交流绕组的构成原则必须对线圈进行分相（划分成A、B、C三相）、再按一定的规律连成三相绕组。一、线圈连接的基本要求1）三相绕组中产生的电动势（或磁动势）要对称（大小相等、相位互差120度）。2）三相绕组中产生的电动势（或磁动势）要尽可能的大。二、确保电动势对称1）机械角度、电角度磁极旋转一圈，在空间上转过3600，此为机械角度。线圈边中的电动势交变两个周期，即在相位上经过7200，此为电角度。NNSSewt180036007200电角度=机械角度X极对数2）槽距角：相邻槽相距的电角度。磁场旋转时，定子槽中的线圈边感应出的电动势大小相等，但是相位不同。0360pZNNSS14槽中线圈边电动势的相位差等于槽之间相距电角度。1号槽与4号槽相距1800电角度。1号槽与4号槽中线圈边的电动势反相。以36槽、4极交流电机为例。3）槽电动势星形图00036023602036pZ4）分相CAB1200相带相带内所有线圈边正向串联，分别得到每相电动势：•BE•AE•CE该三相电动势大小相等，互差1200。600相带A相带内所有线圈边正向串联，X相带内所有线圈边正向串联，两相带再反向串联，得到A相电动势。600相带的合成电动势比1200相带的合成电动势大。三、确保合成电动势最大第三节三相单层绕组一、特点：•每槽中只放置一层线圈边•结构和嵌线较简单•电势和磁势波形不如双层绕组•适用于10kW以下的小型异步电机，p=1~4已知一4极交流电机，定子24槽、并联支路数为1，试绘制三相单层绕组的平面展开图。1）绘制槽电势星形图NNSS123456789101112131415161718192021222324234567891011121314151617181920212223241二、三相单层绕组的连接规律：2）按600相带进行分相234567891011121314151617181920212223241AZBXCY3）平面展开图极距：一个极在定子圆周上所跨过的槽数。节距：线圈的两边在定子圆周上所跨过的槽数。整距：节距等于极距。246222Zp123456789101112131415161718192021222324AX若并联支路数为2123456789101112131415161718192021222324AX每极每相槽数单层绕组最大并联支路数=极相组数=极对数极相组极相组数的线圈数=每极每相槽数123456789101112131415161718192021222324AX链式绕组：形式上是一种短距绕组。链式绕组仅适用于q为偶数的交流绕组。•不同绕组型式只不过是元件的构成方式不同或者导体连接先后次序不同。•构成绕组的导体所占的槽号是相同的，都在属于两个相差180。的相带内。•从每相电势看，不管怎样连接，只要并联支路数不变，则总的电动势不变。单层绕组形式上可为短距，但实质为整距！第四节三相双层绕组一、特点：•每槽中有2个线圈边，分上下两层放置。•线圈的一个圈边放在上层，另一圈边在另一槽的下层。•线圈数等于槽数•有叠绕组和波绕组之分已知一4极交流电机，定子24槽、并联支路数为2，试绘制三相双层绕组的平面展开图（整距）。1）绘制槽电势星形图234567891011121314151617181920212223241二、三相双层绕组的连接规律：NNSS1234567891011121314151617181920212223242）按600相带进行分相234567891011121314151617181920212223241AZBXCY3）平面展开图246222Qp123456789101112131415161718192021222324AX若并联支路数为1双层绕组最大并联支路数=极相组数=极数若并联支路数为4为了节省材料，改善电动势和磁动势波形，使其更接近于正弦波，双层绕组一般采用短距。每个极相组都由q个线圈串联而成，该q个线圈互差一个槽距角。已知一4极交流电机，定子36槽、并联支路数为1，试绘制三相双层绕组的平面展开图（短距）。369222Qp1y8第五节正弦磁场下交流绕组的感应电动势一、正弦分布的磁场2ffNIH0Hb02ffNIb气隙磁场磁感应强度是气隙长度的函数。取原点o，将电机定子铁心展开，可以得到气隙磁场的磁感应强度空间分布曲线。NSboO代表到原点o的距离，用电角度表示。只要合理设计磁极形状，就可以使得气隙中磁感应强度呈正弦分布。二、正弦电动势磁极旋转，气隙磁场随之旋转，定子绕组就产生感应电动势。气隙磁场以角速度旋转切割导体，相当于气隙磁场不动，导体以角速度旋转切割气隙磁场。NSbo经过任意时间t后，气隙磁场旋转了电角度。NSbot0tNSbott时刻气隙磁场不动，导体旋转了电角度。t相当于任意时刻t，导体感应电动势瞬时值为：111sin2sineblvBlvtEt正弦分布的气隙磁场恒速旋转，则定子导体中感应电动势为正弦波形。导体中感应电动势的频率为多少？导体中感应电动势的频率为pn1/60。•若气隙旋转磁场为1对极，则旋转一周，导体中感应电动势交变1次。•若气隙旋转磁场为p对极，则旋转一周，导体中感应电动势交变p次。•p对极气隙旋转磁场以n1(r/min)旋转，则一分钟旋转n1周，导体中感应电动势交变pn1次;一秒钟交变pn1/60次。三、导体电动势有效值111sin2sineblvBlvtEt11112222BlvfEBlfBl2260260DnDpnvfpNboavB11012sindavBBttB12avEfBll为磁感应强度半个周波的面积。l11122.222ff为一个磁极下的磁通量。四、整距线圈的电动势有效值1n''''c11112EEEEc11124.44EEf整距线圈的两个线圈边的感应电动势反相。若为单匝整距线圈若为Nc匝整距线圈c11124.44cEEfN五、短距线圈的电动势有效值0001113601801802pyyyQQp1n'1E''1EcE''1E槽距角为：'''00c1110EEEEE'1E''1E1cE''1E0c1111802cos2sin22EEE1sin12pkc1111124.44pcpEEkfNk短距线圈的电动势有效值为：为线圈的基波节距因数，它表示线圈短距时的感应电动势与整距时相比所打的折扣，即：1pk1101()111(=)90sinsin2cypcyEykE采用短距绕组，电动势有效值减小，但是当旋转磁场中含有谐波磁场时，短距绕组能有效抑制谐波磁场所产生的谐波电动势。六、线圈组（极相组）的电动势有效值每个极相组都由q个线圈串联而成，该q个线圈互差一个槽距角。1qE2cE3cE1cE1qE2cE3cE1cEq1c1c2c3EEEEq12sin()2qERc12sin2ERc1q1c1sin()2sin()2sinsin22qEqEqEqq1sin()2sin2qkqq1q1c1q11p11q1p14.44k4.44()kccEkqEkqfNfqNk为绕组的基波分布因数，它表示分布绕组后的感应电动势与集中绕组相比所打的折扣，即：q1kq1q1c1sin()21sin2qEkqEqw1p1q1kk1kq1q1c1q11p11q1p14.44k4.44()kccEkqEkqfNfqNk为绕组的基波绕组因数，它表示短距分布绕组的感应电动势与整距集中绕组相比所打的折扣。w1k极相组的感应电动势为：q11w14.44()cEfqNk七、相绕组的电动势有效值设电机每相绕组有ａ条并联支路，每条并联支路由ｃ个极相组串联而成。相绕组电动势为：1q11w11w14.44()4.44cEcEfcqNkfNkcNcqNABCXYZ为每相绕组的一条支路所串联的线圈总匝数。ac已知电机总匝数和每相并联支路数，相绕组串联总匝数为多少？ABCXYZac3Na总匝数第六节通有正弦电流时单相绕组的磁动势一、基本假设•绕组电流为正弦量•不计齿槽效应，气隙均匀。•忽略铁心中的磁压降定子铁心转子铁心气隙二、整距线圈的磁动势2cccNif两极磁势SNAXNc匝整距线圈通以正弦电流ic，形成两极磁场。线圈的磁动势全部降落在两段气隙。气隙均匀，气隙各处的磁动势值均等于线圈磁动势的一半，即：取线圈轴线处为原点o，代表到原点o的距离，用电角度表示，可以得到线圈磁动势空间分布函数，即：OsSNAXss,2223,222cccccNifNi当-当将电机定子铁心展开，可以得到线圈磁动势空间分布曲线。AXAs2232cf02ccNi2ccNi2）ic将是正弦交流电流，线圈磁动势的幅值随时间按正弦规律变化，因此线圈磁动势也是时间函数。1）线圈磁动势以线圈边为分界线，是空间函数。脉振磁动势AXAs2232cf02ccNi2ccNiAXAs2232cf02ccNi2ccNi线圈磁动势空间分布曲线为矩形波，其可以分解为基波和一系列奇次空间谐波。1s4cos2cccNif基波磁动势为：三、单层整距线圈组（极相组）的磁动势1cF2cF1cF1qF1cF2cF1cF1qFq12sin()2qFRc12sin2FRc1q1c1c1q1sin()2sin2sin()2sin2FqFqqFqFkq1111s4cos2ccqqcqNifkqfkq四、双层短距线圈组的磁动势双层短距线圈组的磁动势可以看成上下两层整距线圈组的叠加。01-y180q1Fq2Fp1Fp1q10011q1q1q1p12cos2yy2cos(1)902sin902FFFFFkp1q1p11sp11p1sw1s422cos22244coscos22ccqccccqNiffkkqkqNiqNikkk五、单相绕组的磁动势相绕组由极相组串并联构成，相电动势由若干极相组电动势相加而成；相绕组磁动势与极相组串并联无关，就等于一个极相组的磁动势。1w1s24cos2ccqNifk相绕组磁动势为：短距双层绕组的磁动势相当于同等匝数的整距单层集中绕组通过相同电流产生的磁动势打了kw1的折扣。•可用集中绕组表示•相绕组基波磁动势在气隙中按余弦规律分布•脉振、驻波、脉振频率已知电机每极每相槽数、极对数和每相并联支路数，相绕组串联总匝数为多少？ABCXYZac2()cqNNpa双层绕组()cqNNpa单层绕组相绕组磁动势为：1w1s4cos2ccqNifkciia1w1sw1s4cos24co