6.交流电机共同理论

2020/3/281交流电机的共同理论2020/3/282交流电机的共同理论交流电机绕组及其感应电动势交流绕组的磁动势交流电机的绕组及其感应电动势一、交流电机的基本原理二、交流绕组三、绕组的感应电动势四、谐波电动势及其削弱方法序2020/3/284序•交流电机：*异步电机*同步电机•同步与异步*旋转磁场：定子三相定子绕组流过三相电流，形成旋转磁场（后面将详细讨论）。*电机实际转速n＝同步转速n0：同步电机*电机实际转速n≠同步转速n0：异步电机2020/3/285一、工作原理、分类、结构*先讲结构*后讲原理2020/3/2861.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•(1)定子铁芯电机磁路的一部分*希望较强的磁场*导磁好、损耗小*硅钢片*内表面开槽：放绕组2020/3/287•(2)定子绕组：电机电路部分•线圈•按一定规律放放在定子槽中•单层绕组、双层绕组•(3)机座：用作固定与支撑定子铁芯2020/3/288•2.转子•同步机与异步机转子不一样•铁芯*外表面开槽•绕组2020/3/2892.同步电机•定子绕组：对称三相绕组•转子：励磁绕组•原理：励磁绕组＝＞通往直流电＝＞外力合转子旋转＝＞转子旋转磁场＝＞穿过气隙＝＞切割定子绕组＝＞三相感应电势＝＞当接负载＝＞电流＝＞电能输出2020/3/2810二、交流绕组•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*按槽内层数分：†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2020/3/2811基本概念：•线圈是组成交流绕组的单元，由一匝或多匝串联而成。•极距是指每一磁极所占定子内圆周的距离，即有•节距y是指线圈两有效边之间的距离。单层绕组是整距绕组，即有y=τ*у=τ称为整距，уτ称为短距，уτ称为长距•槽距角：相邻两槽之间的角度•每极每相槽数q是指一个磁极下一相绕组所占有的槽数，即有：•相带：是指一相绕组在一个磁极下连续所占的范围（60度电角度）。•电角度与机械角度*机械角度:电机圆周在几何上分成360°*电角度:电势变化一个周期(360电角度)。对于一对磁极由N→S→N变化一周相当于360°电角度或为2π电弧度。当电机有p对磁极时，电角度=p×机械角pZ21112pmZq1360Zp2020/3/2812交流绕组基本要求:•1三相基波电动势和磁动势要对称。即结构相同，阻抗相等，空间位置互差120度电角度。•2在一定的导体数下，获得较大的基波电动势和磁动势，尽量减小或消除谐波分量。•3用材省、绝缘性能好、机械强度高、散热条件好。•4提高导线的利用率,提高制造的工艺性。2020/3/2813绕组展开图•表示定子绕组的连接关系•主要两种：单层、双层•画法：*计算极距*每极每相槽数*计算相带数、分相带†相带数=总槽数/q或=极数*3即：6p*构成线圈*构成线圈组（极相组）*构成相绕组：反相串联†（不同极面下线圈组的电流方向相反）2020/3/2814三相单层绕组（了解）•每槽只有一个线圈边，所以线圈数等于槽数之半。结构和嵌线较简单，适用于10kv以下的小型交流电机。分为同心式、交叉式、链式绕组•例：已知z1＝24，2p＝4，试绘制一个并联支路数a＝1的三相链式单层绕组展开图。•步骤：1.极距＝62.槽距角＝30度3.每极每相槽数＝24.绘制电动势星形图5.按60度相带法分相6.绘制绕组展开图pZ211360Zp112pmZq2020/3/2815相带与电势星形图2020/3/2816*例：Z1=24，2p=4123456789101112131415161718192021222324A1X1A2X2zabcxy2020/3/281720ΠШa178131914І2b5111217231824ІΠШ64ΠШc9151621322І10三相单层等元件绕组的原理（p=2）线圈连接顺序2020/3/2818三相双层绕组•每绕组两有效边•每槽有上下两个线圈边（属于不同的线圈），所以当一个线圈的上层边放在某槽上层时，下层边则放在相隔节距y1的槽的下层，即线圈数等于槽数。•整距、短距绕组•例：Q1=24，2p=4•τ=24/4=6•q=24/(2mp)=24/(2*3*2)=2•12个相带•A-Z-B-X-C-Y-A-Z-B-X-C-Y2020/3/28192020/3/2820并联支路数•条件:不改变同极相组内的电流方向2020/3/2821关于绕组一些概念复习•一根导体（一匝线圈的一个有效边）•一匝线圈•一个线圈•一个极相组（一个线圈组）•相绕组（一相绕组）•电机绕组（三相绕组）•并联支路数•每相串联匝数•极数•极相组数（每相）2020/3/2822•例：某交流电机定子绕组，Z1=24，2p=4，y=5/6τ，a=2，Ny=10，m=3•求：•一匝线圈有几个有效边•一相线圈有几匝；•一个极相组有几个线圈，几匝线圈•一相有几个极相组，几个线圈，几匝线圈•并联支路数•每相串联匝数•一个电机有几相、几个极相组、几个相绕组2020/3/2823三、交流绕组的感应电势2020/3/2824•3.1一根导体感应电势•定子是圆筒形铁心，槽内有导体A，铁心中间有可以旋转的主磁极。2020/3/2825导体A切割磁力线产生感应电势大小为：sin111vlBvlbemtEtEm1111sin2sin•设定子内表面槽中嵌放导体A，有效长度为l（m），转子只有一对磁极，它由原动机拖动以恒定转速n1（r/min）逆时针旋转，沿气隙圆周方向分布的基波磁密波形，大小为：•式中Bδ1m为基波气隙磁密幅值（最大值）。sin11mBb2020/3/28262020/3/2827•在一对磁极情况下，导体A每经过一对主磁极，其中的感应电势经历一个周期。当电机转子上有p对主磁极，电机每旋转一圈，导体A中的基波感应电势变化p周，则导体A中的基波感应电势频率为：•当电机的极对数p和转速n1一定时，f1频率便为固定的数值。）（Hz60pnf2020/3/2828•导体的基波感应电势最大值为：其中，气隙磁密的平均值：为气隙每极基波磁通量•导体基波电动势（有效值）为：1111222flBlvBEmmmmavBB112)(22.222111111VffEEm111122fflBav12020/3/28293.2整距线匝感应电势2020/3/28302020/3/2831•两导体A、X就构成了整距线匝。它们中的感应电势总是大小相等，方向相反。整距线匝基波感应电势为：•用相量表示时：eeeE2EEE2020/3/2832•整距线匝基波感应电势瞬时表达式为：•整距线匝基波感应电势有效值为：tEtEeTmTT11111sin2sin11111144.422.222ffEEAT2020/3/28333.3整距线圈感应电势线圈是由Ny匝线匝串联而成，即匝数Ny整距线圈的基波感应电势瞬时值为：tEtEeymyy11111sin2sin)(44.4111VNfEyy比较：与变压器相同形式区别：磁通大小变化与相对运动“切割”2020/3/28343.4短距线圈感应电势•如果线圈的节距y1τ，则为短距线圈，令短距线圈的节距y1=yπ，其中0y1，短距线圈的基波感应电势有效值为：•绕组基波短距系数：111111144.42sin44.42sin2yyyAykNfyNfyEE2sin1yky2020/3/28352020/3/2836基波短距系数含义•基波短距系数，它是一个小于1的数，其含义是：短距线圈要比整距线圈的基波感应电势小。可以这样认为：把实际的短距线圈看成是整距线圈，则它等效匝数为Nykp，而不是Ny。短距线圈时的感应电动势与整距时的感应电动势相比需打的折扣。2020/3/28373.5整距分布线圈组感应电势•如果在定子内圆表面槽中均匀嵌放三个匝数为Ny的整距线圈头尾连接，相互串联形成线圈组，称为整距分布线圈组，相邻线圈的槽距角是α。2020/3/283811111144.4qyqyqkqNfkqEE2sin2sin1qqkq绕组的基波分布系数：各个线圈的感应电动势的大小、波形均相同，只是在时间上依次相差α电角度：相位不同。线圈组的总电动势为q个线圈电动势的和（相量和）整距分布线圈的基波感应电势为：)1(01111qEEEEyyyq2020/3/2839•基波分布系数是一个小于1的数，其含义是：分布放置的线圈要比将各线圈集中放置在一个槽中的基波感应电势小。可以这样认为：把实际q个分布放置的整距线圈，看成是集中放置的，但它们的总等效匝数为qNykq1，而不是qNy。基波分布系数含义2020/3/2840*2p个极•(双层绕组)每相有*2p个线圈组，每个线圈组有q个线圈*2pq个线圈，每个线圈有Ny匝线圈*2pqNy匝线圈•2p个线圈组可串联、并联（视需要）•并联支路数：a（最少是1，最多为2p）•每相串联匝数：•单层绕组：并联支路数与每相串联匝数apqNNy2apqNNy3.6一相绕组感应电势2020/3/2841•单层绕组：采用分布整距形式•每相绕组串联匝数为：•每相的基波感应电势有效值为：apqNNy11111144.4qkNfE2020/3/2842•双层绕组：采用短距分布形式•每相绕组串联匝数为：•每相的基波感应电势有效值为：••为基波绕组系数。apqNNy211111144.4wkNfE111yqwkkk2sin2sin1qqkq2sin11yky2020/3/2843•电机的磁场并不完全为正弦分布（空间）•付氏分解：基波与各次谐波•设υ为谐波次数，则谐波感应电势频率为：•相电动势中次谐波电动势有效值：•对应的谐波绕组系数为：2sin2sinvqvqkqvvwvvvNkfE44.4v3.7谐波电动势qvyvwvKKK2sinvykyv1ff2020/3/2844线电势•由三角形、星形接法决定（基波）•注意：线电势中不含3k次谐波电势（因同相位）。三相交流绕组Y接或Δ接时，由于三次谐波以及三的倍数次谐波电势在时间相位上同相，故三相线电势中无三次或三的倍数次谐波。2020/3/2845谐波电势的减小•1.波形畸变率：•2.谐波电势的减小*气隙磁场接近正弦波*短距绕组*分布绕组*Y、Δ连接（线电势中不含有3K次谐波）12242322UUUUUKNu2020/3/2846采用短距、分布绕组的目的•交流绕组采用短距和分布的结构，可削弱每相电动势中的谐波分量，使绕组感应电势接近正弦波。使电动势波得到改善。*虽短距系数、分布系数均不大于1，使基波电势减小*因为对谐波来说：对应的更小，所以具有明显的抑制作用。2020/3/2847•例：E1＝100,E3=30,E5=20,E7=10•则谐波系数为•若各谐波电动势的绕组系数分别为：•kw1＝0.96,kw3=0.3,kw5=0.2,kw7=0.1•则对应的电动势分别为：•E1＝96,E3=9,E5=4,E7=1•则谐波系数为%4.37100102030%1002221272523EEEEk%31.1096149%1002221272523EEEEk2020/3/2848磁动势、磁场2020/3/2849一、单相绕组的磁势-脉振磁势•1、整距绕组磁势•由于空气隙的磁阻远远大于定、转子铁芯中的磁阻，可认为磁势全部降落在两个气隙上，即作用在每个空气隙的磁势为全部磁势的一半（iNy/2）磁势波形为矩形波。当线圈AX中电流为余弦交流电则：tIi1cos2tINiNtfyyy1cos2221),(每极磁势的幅值是