第4章-交流电机绕组的基本理论

第四章交流绕组的基本理论交流旋转电机可以分为同步电机和异步电机两类。同步电机和感应电机虽然励磁方式和运行特性有很大的差别，但电机内部发生的电磁现象和机电能量转换的原理却基本上是相同的，存在共性的问题，本章所要论述的是：交流电机绕组的连接规律、正弦分布磁场下绕组的电动势、非正弦分布磁场下的谐波电动势及其抑制和通有正弦电流时绕组产生的磁动势。这些问题为后文研究感应电机和同步电机的运行性能提供基础。2006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明{{{交流电机同步电机异步电机(感应电机)转子结构隐极同步电机凸极同步电机同步电机主要用作发电机，也有用作电动机和调相机。换向器型感应电机绕线型感应电机笼型感应电机笼型感应电机应用最为普遍；感应电机主要用作电动机，很少作为发电机使用，风力发电机中有采用感应电机。2006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明发电机定子2006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明汽轮发电机转子2006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明msinaBBtsinsincamcmeBlvBlvtEtsinsin(120)sin(240)AmBmCmeEteEteEt2006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明2006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明鼠笼式异步电动机定子2006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明鼠笼式异步电动机转子2006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明2006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明第四章交流绕组的基本理论主要内容交流电机绕组的连接规律正弦分布磁场下绕组的电动势谐波电动势及其抑制方法单相绕组产生的磁动势三相绕组产生的磁动势2006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明4.1.1基本要求:感应电动势导通电流产生电磁转矩所以其构成原则也基本相同。4.1交流电机的基本要求和分类交流绕组尽管形式多样，但其基本功能相同:2006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明交流绕组基本要求:1.在一定的导体数下，有合理的最大绕组合成电动势和磁动势；2.各相的相电动势和相磁动势波形力求接近正弦波，即要求尽量减少它们的高次谐波分量；3.对三相绕组，各相的电动势和磁动势要求对称（大小相等且相位上互差120°），并且三相阻抗也要求相等；4.绕组用铜量少，绝缘性能、散热条件好；5.机械强度好，绕组的制造、安装和检修要方便。2006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明4.1.2绕组的分类按槽内层数分按相数分每极每相槽数{{{{{单层绕组双层绕组链式绕组交叉式绕组同心式绕组叠绕组波绕组两相绕组三相绕组多相绕组单相绕组整数槽分数槽绕组2006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明4.1.3相关绕组概念的介绍1.极对数：指电机主磁极的对数，通常用p表示。2006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明2.机械角度：一个圆周真正的空间角度为机械角度360°2006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明3.电角度：在电机理论中，我们把一对主磁极所占的空间距离，称为360°的空间电角度。电角度=极对数×机械角度。2006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明Zp3604.槽距角：相邻两槽间的距离用电角度表示，叫做槽距角，用α表示。2006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明pZ2用槽数表示2Dp用空间长度表示5.极距：指电机一个主磁极在电枢表面所占的长度。2006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明6.每极每相槽数：在交流电机中，每极每相占有的平均槽数q是一个重要的参数，如电机槽数为Z，极对数为p，相数为m。则得：pmZq2q=1的绕组称为集中绕组，q1的绕组称为分布绕组。2006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明4.1.4槽电动势星形图例：下图是一台三相同步发电机的定子槽内导体沿电枢内圆周的分布情况，已知2p=4,电枢槽数Z=36,转子磁极逆时针方向旋转，试绘出槽电动势星形图。槽电动势星形图：当把电枢上各槽内导体按正弦规律变化的电动势分别用相量表示时，这些相量构成一个辐射星形图，槽电动势星形图是分析交流绕组的有效方法，下面我们用具体例子来说明。2006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明2p=4,电枢槽数Z=3600036023602036pZ解：先计算槽距角：设同步电机的转子磁极磁场的磁通密度沿电机气隙按正弦规律分布，则当电机转子逆时针旋转时，均匀分布在定子圆周上的导体切割磁力线，感应出电动势。由于各槽导体在空间电角度上彼此相差一个槽距角α，因此导体切割磁场有先有后，各槽导体感应电动势彼此之间存在着相位差，其大小等于槽距角α。2006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明2006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明2006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明槽电动势星形图的一个圆周的距离使用电角度360°，即一对磁极的距离。所以，1—18号相量和19—36重合。一般来说,当用相量表示各槽的导体的感应电动势时,由于一对磁极下有Z/P个槽,因此一对磁极下的Z/P个槽电动势相量均匀分布在360°的范围内,构成一个电动势星形图.2006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明4.2三相单层绕组一、相关概念:定义:定子或转子每槽中只有一个线圈边的三相交流绕组称为三相单层绕组。1.线圈（元件）：是构成绕组的基本元件，它由Nc根线匝串联而成，线圈中嵌放在槽内的部分称为有效线圈边，线圈边之间的连接部分称为端部。如图：y1：线圈的第一节距，常用槽数来进行表示。2006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明y1=τ整距线圈y1τ短距线圈y1τ长距线圈τττy1y1y12006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明2.单层绕组：三相交流绕组由于每槽中只包含一个线圈边，所以其线圈数为槽数的一半。三相单层绕组比较适合于10KW以下的小型交流异步电机中，很少在大、中型电机中采用。3.分类：按照线圈的形状和端部连接方法的不同，三相单层绕组主要可分为链式、同心式和交叉式等型式。2006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明4.分相：由于绕组为三相绕组，因此还需把各槽导体分为三相，在槽电动势星形图上划分各相所属槽号。分相的原则是使每相电动势最大，并且三相的电动势相互对称。通常三相绕组使用60°分相法，即把槽电动势星形图6等分，每一等分称为一个相带，依次分别为A、Z、B、X、C、Y相带，如下所示：2006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明相带极数AZBXCY第一极数123456789101112131415161718第二极数1920212223242526272829303132333435362006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明等元件单层绕组—1→10→2→11→3→12—2006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明交叉式连接—2→10→3→11→19→12—2006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明同心式连接—1→12→2→11→3→10—2006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明4.3三相双层绕组双层绕组：指电机每一槽分为上下两层，线圈（元件）的一个边嵌在某槽的上层，另一边安放在相隔一定槽数的另一槽的下层的一种绕组结构。双层绕组的线圈结构和单层绕组相似，但由于其一槽可安放两个线圈边，所以双层绕组的线圈数和槽数正好相等。根据双层绕组线圈形状和连接规律，三相双层绕组可分为叠绕组和波绕组两大类。下面仅介绍叠绕组。2006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明叠绕式：任何两个相邻的线圈都是后一个“紧叠”在另一个上面，故称为叠绕组。双层叠绕组的主要优点在于：a)可以灵活地选择线圈节距来改善电动势和磁动势波形；b)各线圈节距、形状相同，便于制造；c)可以得到较多的并联支路数；d)可采用短距线圈以节约端部用铜。2006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明主要缺点在于：a)嵌线较困难，特别是一台电机的最后几个线圈；b)线圈组间连线较多，极数多时耗铜量较大。一般10kW以上的中、小型同步电机和异步电机及大型同步电机的定子绕组采用双层叠绕组。下面我们通过具体例子来说明叠绕组的绕制方法。2006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明三相交流电机Z=36，2p=4，试绘制a=2的三相双层叠绕组展开图。例4-236023602036pZ363243Zqpm1369724Zyp，取解：先计算：2006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明（2）画出电动势星形图2006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明极对各相槽号AZBXCY第一对极1，2，34，5，67，8，910，11，1213，14，1516，17，18第二对极19，20，2122，23，2425，26，2728，29，3031，32，3334，35，36（3）分相将同一磁极下属于同一相带的线圈依次连成一个线圈组则A相可得四个线圈组，分别为1-2-3，10-11-12，19-20-21，28-29-30。同理B、C两相也各有4个线圈组。四个线圈组的电动势的大小相等，但同一相的两个相带中的线圈组电动势相位相反。（4）绘制绕组展开图:2006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明线圈组的串并连接2006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明三相双层波绕组的展开图2006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明4.4正弦分布磁场下绕组的电动势若气隙中磁场的分布是正弦的，那么交流绕组中感应的电动势也是正弦的，而事实上气隙中磁场不可能做到绝对的正弦分布，实际上只要求电动势波形接近正弦波就能满足工程实际的需要。一个非正弦分布的磁场可以分解为基波磁场和一系列高次谐波磁场，先分析基波磁场下绕组感应的电动势，再分析高次谐波磁场感应的高次谐波电动势。导体电动势匝电动势线圈电动势线圈组电动势相电动势2006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明1.导体电动势tEtlvBlvBeclmmclsinsin1fnpv2602当气隙磁场的磁通密度Bδ在空间按正弦波分布时，设其最大磁密为Bm1，则：Bδ=Bm1sinα当导体切割气隙磁场时：lfBlvBEEmmmc111c1222其中：所以导体电动势的有效值为：2006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明11012sinavmmBBxdxB正弦波磁通密度的平均值为：2006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明1avBl11122.222cEff每极磁通为：都代入上式：lfBlvBEEmmmc111c122212avmBB2006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明2.线圈电动势和短距系数111)(121cccytEEEE11()1112224.44tycEEff其有效值为：线圈一般由Nc匝构成，当Nc=1时，为单匝线圈。(1)单匝时：y1=τ称为整距线圈。由于整距线匝两有效边感应电动势的瞬时值大小相等而方向相反，故整距线匝的感应电动势为：2006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明1y)'('1111)1(1ccccytEEEEEＮＳτy11cE1cE1cE1cE1tEo1cE1cE1tEo1cE所以短距线匝的电动势为：对于y1τ的短距线圈，其有效边的感应电动势相位差2006年3月20日星期一武汉大学电气工程学院应黎明111111)(144.42sin22sin22180cos21fkyEEEEycccyt其中ky1称为线圈的短距系数，其大小为