电机与电力拖动第6章(交流电机的共同理论)

交流电机基础第六章交流电机的共同理论绕组、电势和磁势交流电机绕组构成原则三相单层绕组*三相双层绕组交流电机绕组磁势交流电机绕组电势交流电机的共同理论绕组、电势和磁势本章要求：掌握交流电机三相绕组构成原则。能够绘制三相单层同心式分布绕组展开图。掌握基波磁场下集中、分布绕组线圈组电势计算。熟悉基波磁场下双层、短距分布绕组相电势计算。掌握单相绕组产生脉振磁势及其主要结论。熟练掌握单相绕组产生脉振磁势基波可以分解为两个转向相反的旋转磁势。掌握三相绕组产生旋转磁势的条件、性质及其主要结论。熟练掌握三相对称绕组产生圆形旋转磁势基波的大小、转向、速度。交流电机同步发电机同步电动机同步电机异步发电机(性能较差）异步电动机异步电机同步电机异步电机异步电机特点：结构简单、制造方便、运行可靠、价格低廉，但它是感性负载，使电网功率因数变坏，调速性能差。两种型式的交流电机在涉及的理论、基本结构原理方面具有下面三个共同部分：◆交流绕组的基本结构◆交流绕组中感应的电动势◆交流绕组产生的磁动势一、同步发电机工作原理定子绕组如图排列；转子磁极在外力作用下旋转，定子绕组切割气隙磁场，产生电势。上下第一节交流电机ZCBYXANSn电势频率p60nffN=50Hzn转子每分钟的转速，p极对数p=1,n=3000rpm;p=2,n=1500rpm;p=3,n=1000rpm;AnN1S1N2S2上下60fnp或同步发电机定子结构上下二、异步电动机的工作原理n有功i2SNn1e2femT原理视频第二节三相交流电机的定子绕组异步电动机的工作磁场（主磁场）是一种旋转磁场，是依靠定子绕组中通以交流电流来建立的。因此，定子上的三相绕组必须保证当它通以三相交流电流后，其所建立的旋转磁场具有一定的极数、一定的大小，并且在空间的分布波形接近正弦波形，而且由该旋转磁场在绕组本身中所感应的电动势也是对称的。这种旋转磁场由旋转磁动势来建立，那么对磁场的要求，也就是对磁动势的要求。交流电机包含异步机和同步机。其定子结构相同，都由定子铁芯和定子绕组组成；它们的绕组、电势、磁势都相同。一、交流绕组构成原则1、每相绕组产生的相电势应为正弦，且数值尽可能大。2、各相绕组的电势、电阻和电抗在数值上尽可能相等，感应电势在相位上也要对称，即在时间上互差120º电角度。上下3、端接线尽可能短，节约铜线，减小损耗。4、元件制造方便，嵌线工艺方便，便于保证质量和节约制造工时。二、绕组基本知识•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•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：pZ21112pmZq•相带：是指一相绕组在一个磁极下连续所占的范围。•机械角：电机圆周空间角度为360°或为2π弧度，称这种角度为机械角。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。•分析：每一磁极占180°电角度，三相绕组的每相绕组在一个极下只占三分之一，即60°相带。P=2时，绕组的排列A1每对磁极下，都应有一个ABC三相绕组，其排列顺序在一对磁极下应对称。B1Z1X1C1Y1A2Z2B2X2C2Y2结论：三相绕组排列顺序为：每对磁极下，六个绕组边在空间沿转子转向排列顺序为：A、Z、B、X、C、Y；且互差60º电角度。上下电角度=机械角度pA1X1每相绕组不可能放在一个槽中，应均匀放在相邻的几个槽中，串联在一起。每极每相槽数q=总槽数Z2pmP：极对数；m：相数。上下线圈节距Y1:一个线圈的两个有效边之间的距离。p2Zy1总槽数总电角度槽距角Z360p上下绕组编绕方法有：同心式和叠绕AX同心式AX叠绕上下单匝二、三相单层交流绕组一交流机：Z=24，P=2，m=3，画出单层同心式绕组展开图。1、画出结构图，标出槽号A1B1Z1X1C1Y1A2Z2B2X2C2Y21234567891011121314151617181920212223242、标出AZBXCY的位置232224pm2Zq上下每相绕组由两个线圈组组成。如:A1X1，A2X2；组成A相。其中A1X1，A2X2感应的电势相同。每个线圈组由两个线圈组成，1，2；7，8；组成A1X1线圈组。上下3、画出绕组展开图13，14；19，20；组成A2X2线圈组。A1B1Z1X1C1Y1A2Z2B2X2C2Y2123456789101112131415161718192021222324621pZyA1B1Z1X1C1Y1A2Z21234567891011121314151617181920212223241234567891011121314151617181920A1X1A2X2AX绕组展开图上下当定子每相绕组AX、BY、CZ匝数相同，六个绕组端在空间沿转子转向排列顺序为：A、Z、B、X、C、Y；且互差60º电角度时，三相电势为对称电势。.AXE.BYE.CZE电角度=机械角度p上下第三节交流定子绕组的电动势气隙磁场分布增加BA气隙磁场可分解为正弦波5,3,131sin...3sinsin)(BBBB上下一、导体电势bA导体A中电势为：5,3,1sinlvBlvBeAL：导体A的有效长度；v：导体A相对于磁场的运动速度。B是旋转的，旋转的角频率为，则导体A相对磁密的空间电角度=t。5,3,1AlvtsinBe上下1、导体中基波电势tsinEtsinBvlem111A导体中基波幅值lvBE1m1bAB1BP将正弦基波磁场等效为矩形波：10101pB2)cosB(1dsinB1B|每极基波磁通平均值：lB2SB1p111l2B2fp260nv11m1f2lfl2E导体中基波有效值111122.222ffEEm上下2、导体中谐波电势fEmf22.2E上下3、导体感应电势与磁通的相量关系112.22Ejf+A+j.1.1E二、线圈电势和短距系数1、整距匝电势该匝基波电势：.AE.XE一匝线圈由两个导体边，相距。设电势出为正，两个基波电势的大小相等，相位差180º。.AE.XE该匝谐波电势：..tf44.4jE上下.1.X.A.1tf44.4jEEE2、整距线圈电势AXNy设线圈由Ny匝组成，则线圈电势为一匝电势的Ny倍。基波电势：.1y.1ty.1yfN44.4jENE谐波电势：.y.yfN44.4jE上下3、短距匝电势线圈的两个导体边相距y1。设短距比=y1/则两个基波电势大小相等，相位差180º。.AE.XE+j该匝基波电势：1y.1.1A.X.A.1tkf44.4j2sinf44.4j2sinE2EEEKy1=sin/2:基波短距系数短距Ny匝线圈基波电势：1y.1y.1ykfN44.4jE谐波电势：y.y.ykfN44.4jEnXASN上下谐波短距系数：2sinky结论：为了消除第次谐波电势，使线圈节距缩短次谐波的一个极距，即y1=(1-1/)。如：要消除第3次谐波电势，则y1=(1-1/3)=(2/3)0sin2323sink3y上下三、线圈组（极相组）电势和分布系数：线圈组由q个槽中线圈串联而成。设q=3，三个线圈基波电势分别为：.,,E,E,E.3y.2y.1y相位差一个槽距角大小相等.1yE.2yE.3yER线圈组电势应是q个线圈电势的相量和。.3y.2y.1y.1qEEEEA1X1相量合成时有一个外接圆。上下2/sin2ER1yR2sin2qsinE2qsinR2E1y1q1q1y1y1qkqE2sinq2qsinqEE同在一个槽中总电势叫基波分布系数2sinq2qsink1q上下1w1y1q1y1y1q1y1qkfqN44.4kkfqN44.4kqEE基波绕组系数2sinq2qsinkq谐波分布系数上下四、消弱谐波电势不良影响的方法（1）使气隙磁场沿电枢表面的分布尽量接近正弦波。（2）利用三相对称绕组的连接来消除线电动势中的三次及其倍数次奇次谐波。（3）采用短距绕组来消弱高次谐波电动势。每相绕组根据极相组串联或并联关系，可计算出总等效匝数为N，则相电势为：1w11kfN44.4E单层绕组：yqNapN极对数并联支路数双层绕组：yqNap2N上下第四节脉振磁动势与旋转磁动势磁场由磁动势产生，磁场大小、性质由F决定。当交流绕组中有电流通过时，其会产生磁动势，在空间，形成磁场。上下异步电动机工作时三相对称绕组流过三相对称电流产生旋转磁场。旋转磁场由旋转磁动势决定，这个旋转磁动势实际上是由单相绕组磁动势合成的。因此，分析旋转磁动势之前，需先分析单相绕组流过交流电流时所产生的磁动势。一、单相绕组的脉振磁动势集中绕组AX通入电流itcosIim当时间t确定，F=Ni，在空间应为方波。it0AXfyF=Ni上下1.整距集中绕组的磁动势o0tooo单相整距集中绕组的脉振磁势ooo60to90to120te0oo180tiAXF=Nit06090120180上下整距线圈所产生的磁动势在空间分布波形是一个矩形波,其周期是两个极距,其幅值等于磁回路所包围全电流的一半（iNy/2）。)232(21)22(21)(iNiNfyy上下..02232AAX转子定子Afa12kiN2.用傅里叶级数分解矩形波磁动势02232fa12kiN412kiN3次谐波5次谐波44141()cos()cos(3)cos(5)35kkkfafafafa上下结论:1.基波磁动势的幅值为4/πfk，是矩形波磁动势的4/π倍；谐波磁动势幅值为基波幅值的1/ν倍；2.基波磁动势波长与原矩形波长一样，磁极对数亦相同；谐波的波长为基波的1/ν，极对数为基波的ν倍。44141()cos()cos(3)cos(5)35kkkfafafafa上下磁动势的空间谐波3.单相绕组基波脉振磁动势设AX中通入交流电为：则每极磁势表达式为：)5cos513cos31(cos42)(iNfytIi1cos2tINtfycos)5cos513cos31(cos422)(，上下3.谐波分析对周期性变化的矩形波分布的磁势，用傅氏级数进行谐波分析，可分解成为：式中v=1，3，5…为谐波系数，系数Cv为tCtfy11,3,51coscos),(2sin2241vINCyvtINtfycos)5cos513cos31(cos422)(，上下tFtINfyyy1111coscoscoscos224yyyININF0.92241tFtINfyyy1313cos3coscos3cos22431yyyININF0.3224313基波磁势为：为基波磁势最大幅值。三次谐波磁势为：三次谐波磁势最大幅值。上下五次谐波和高次谐波tFtINfyyy1515cos5coscos5cos22451yyyININF0.18224515五次谐波磁势为：五次谐波磁势最大幅值。还有七次、九次、十一次等高次谐波磁势。上下fyfy1fy3oxfy5/3/5矩形磁势曲线分解为一系列谐波it0AX上下谐波次数越高，其幅值就越小。为了改善波形，除基波以外，考虑消除三、五、七次谐波，由于三次谐波及三的倍数次谐波在绕组连接成三相对称绕组