电机第四章交流机一般部分

第四章交流绕组及其电动势和磁动势本章讨论交流电机中共同的理论，研究交流绕组的联结规律；交流绕组的感应电动势；感应电动势中的高次谐波。交流绕组通过电流时所产生的磁势。§4.1交流绕组的构成原则和分类绕组构成电机的电路部分，是电机的重要部件。交流绕组的构成原则基本相同，这些原则是：1、合成电动势和磁动势的波形要接近于正弦形，且幅值要大；2、对三相绕组，各相的电动势和磁动势要对称（大小相等，相位相差120º电角度），电阻电抗要平衡；3、绕组的铜耗小，用铜量少；4、绕组绝缘要可靠，机械强度，散热条件要好，制造方便。ACBYAZX交流绕组从相数分有单相和多相绕组；从槽内层数分有单层和双层绕组；按每极下槽数分可分为整数槽和分数槽绕组；按绕法分有叠绕组和波绕组。本章重点介绍三相双层整数槽绕组。§4.2三相双层绕组双层绕组是指每槽中放置上、下两个线圈边，双层绕组优点：1、可以选择最有利的节距，并同时采用分布绕组，以改善电动势和磁动势波形。3、端部形状排列整齐，有利于散热和增强机械强度2、所有线圈具有同样大的尺寸，便于制造。Q——总槽数m——相数P——极对数pmQq2一、槽电动势星型图和相带划分1、电角度在电机理论中需把机械角度化为电角度，电角度是机械角度乘以极对数P。1.名词q2、每极每相槽数用槽数表示：pQ2pD2度弧度QpQp36024、极距3、槽距角（用电角度表示）用长度单位表示：D——电枢圆周半径5、槽电动势星型图槽中导体电势向量图。334362pmQq2036360236360p例：槽数Q=36极数2P=4相数m=3则：每极下每相占三个槽。6、相带每极下每相所占区域称为相带。如图：叠绕组优点：短距时端部可以节省用铜量，缺点是最后几圈线圈的嵌线比较困难，极间连线较长。叠绕组主要应用于电压、电流不太大的中、小型交流电机定子绕组中。叠绕组：是指绕组嵌线时，相邻的两个串联线圈中，后一个线圈紧叠在前一个线圈上。二、叠绕组叠绕组和波绕组线圈在叠绕组中，每一个极相组内部的线圈是依次串联的，不同磁极下的各个极相组之间按需要可以并联也可以串联，对于双层绕组而言，相邻的极相组A和极相组B应反向联接，即首—首相连，尾—尾相连。同时各极相组之间还可并联，或串联后并联（依电机对支路数要求而定）双层叠绕组最多并联支路数等于2P。§4.3正弦磁场下交流绕组的感应电动势在正弦交变磁场作用下，绕组中会感应交流电势。线圈又是由两个有效边和端接部分组成的,极相绕组又是由q个线圈串联而成的，相绕组是由极相绕组串并联而成的，所以分析相绕组电动势顺序是：导体的感应电动势——线圈的感应电动势——极相组的感应电动势——相绕组的感应电动势。一、导体的感应电动势图4-7气隙磁场正弦分布时导体内的感应电动势a)两极交流发电机b)主极磁场在空间的分布c)导体中感应电动势波形1.电动势的波形.设主磁场在气隙中正弦分布：ttBbsin1sin1Bb导体感应电势为：tEtlvBblvesin2sin11——导体的有效长度；——导体“切割”主极磁场速度——导体感应电势有效值lv1ElvBE1121在磁场正弦分布、主极转速恒定的情况下，定子导体中感应电动势随时间按正弦规律变化，如图4-7c)所示。60pnf2、正弦电动势频率snsn工业用标准为50Hz，所以转速和极对数乘积应为60f＝3000。当p=1时=3000转/分，p=2时=1500转/分，称此转速为同步转速，flBE11212BBavlBlBav1123、导体电动势有效值2/11lvBEfnpnDv260260代入上式：11122.22ffE二、整距线圈的电动势''1E'1E1cE1y整距线圈的节距，所以线圈的一个有效边在N极下什么位置另一有效边就在S极下的对应位置，两个有效边的电动势总是大小相等、方向相反的，就一匝而言，匝电动势应等于两有效边电动势和之差。所以单匝线圈电动势的有效值应为：1''1'112EEEEc11)1(144.42fEEcNcE1/E1//1144.4ccfNEcN若线圈有匝，则线圈电动势为：三、短距线圈的电动势、节距因数/0/11//1/11EEEEEc1801yy当时，线圈为短距线圈，节距为，如图4-8c所示。如线圈为单匝两根导体中的电动势在时间相位上相差角，则单匝线圈的电动势应为：E1/-E1//E1//EC111111)1(144.490sin22180cos21pNckfyEEEc11144.4pcckfNE90sin11ykp由图可知，单匝短距线圈的电动势有效值为：称为线圈的基波节距因数。若线圈为匝，则有效值为:cN四、分布绕组的电动势、分布因数和绕组因数1cE每极下属于同一相的线圈有个，个线圈串联组成一个相组，相串联的个线圈的电动势有效值均相等且为，但各电动势之间互差角（为槽距角），极相数的合成电动势应为这q线圈电动势相量的相量和，qqq1qE如图4-10所示。O为线圈电动势相量所组成的正多边形外接圆的圆心，圆半径为R。由图可见：)(2sin21ACDqREq由图可知：)(2sin21OBCERc将R代入上式：111112sin2sin2sin2sindcccqkqEqqEqEE是q个线圈的合成电动势的代数和。2sin2sin1qqkd11dk11111144.444.4kqNfkkqNfEcdpcq111pdkkk____1dk称为绕组的基波分布因数。所以极相组的电动势：1k——绕组的基波绕组因数1k是既考虑短距，又考虑分布时，整个绕组合成电动势所须打的折扣。五、相电动势和线电动势整个电机共有2p个极，这些极下属于同一相的极相组可以串联，也可以并联，视设计需要而定，组成一定的并联支路。设一相绕组的总串联匝数为N，则一相的电动势应为11144.4fNkE对于双层绕组：apqsapqNNc2对于单层绕组：apqsapqNNcs——每槽匝数§4.4感应电动势中的高次谐波一、高次谐波感应电势实际电机气隙不一定是正弦分布，所以绕组中感应电势除基波外还有一系列高次谐波感应电动势。与基波电动势相同分析，高次谐波感应电动势vwvvvNkfE44.4vf其中：——v次谐波电动是的频率则:vnnvppvsvv16060vfnvpnpfsvvv——v次谐波磁场每极磁通量vlBvvv2dvpvwvkkk90sin1yvkpv2sin2sinvqqvkdv齿谐波电动势：由于电机内部齿槽的存在，使得气隙磁场分布发生改变，感应出齿谐波电势。齿谐波特点是谐波绕组因数与基波绕组因数相等。1)12(wmqvwvkk计及谐波时相电动势和线电动势相电动势：252321EEEE线电动势：272521EEEELY星型接法时，线电势中不存在三及三的倍数次谐波电动势。三角形接法时，三次谐波电势会在闭合的三角形内部形成环流3I33333ZEI333EZI33ZI3E所以完全消耗与环流在阻抗上引起的压降。所以线端也不会出现三次谐波电压，但三角形内部的三次谐波电流会引起杂散损耗，所以一般交流发电机采用Y接法而不采用接法。谐波的弊害：使发电机的电动势波形变坏，降低供电质量，影响电气设备的运行性能，电机本身杂散损耗增加，效率下降，温升升高，电机噪音增加，同时还会产生无线电干扰二、消弱谐波方法1、采用短距绕组761y541yvvy110pvk取则可以消除v次谐波，因为651y通常为同时消弱5、7次谐波取消除7次谐波采用如消除5次谐波采用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越多，电机成本将提高，一般62q3、改善主磁场分布合理选择极靴外形，使气隙磁场接近于正弦。4、采用斜槽消弱齿谐波。一般沿电机轴向斜过一个齿距。§4.5通过正弦电流时单相绕组的磁动势为简化分析，假设：①定、转子铁芯的磁导率。忽略铁芯中磁压降。②定、转子之间的气隙均匀。③槽内电抗集中于槽中心处，槽开口的影响忽略不计。Fe分析顺序：整距线圈的磁动势分布绕组的磁动势相绕组磁动势。一、整距线圈的磁动势利用安培环路定律，忽略铁芯部分磁压降，则线圈磁动势将全部消耗在两个气隙内。若气隙均匀，则气隙各处磁场势均为。图4-17一个整距线圈的磁动势a)整距线圈所产生的磁场b)整距线圈的磁动势磁动势为周期性矩形波，幅值为2cciN将周期性矩形波进行分解，得其基波分量sccciNfcos24122cccciNFiNFIHdl2322222scccsccciNfiNf图4-18两组整距线圈形成的四极线圈a)磁场分布b)磁动势分布二、分布绕组的磁动势1、整距分布绕组的磁动势合成电动势是一个阶梯波分布的磁动势。阶梯波可以分解为正弦基波与一系列谐波的和，三个整距线圈的基波磁动势，其幅值大小相等，空间互差电角度，三个基波磁动势逐点相加，即为合成磁势的基波分量。q个基波磁动势相加，由于基波磁动势按正弦规律分布，所以q个基波磁动势之和，也就是互差电角度的q个矢量之和与基波电动势合成相似。sdccdcqkiqNkqffcos241111考虑到参数N（每相串联匝数）sdqipNkfcos24112、短距分布绕组的磁动势swspdqipNkikpNkfcos24cos2411111801y所以双层短距分布绕组的基波磁动势为1qf1qf——基波磁动势的绕组因数三、单相绕组的磁动势1、单相绕组的基波磁动势:一相绕组的磁动势等于一个极相组的磁动势。坐标原点位于每相绕组的轴线上。则单相绕组基波磁动势可写成：swqipNkffcos24111tIisin2tFtpNkItfswscoscoscos224),(111IpNkIpNkFww1119.0224——单相绕组基波磁动势的幅值。这种从空间看轴线固定不动，从时间上看其瞬时值不断随时间在正、负幅值之间脉振的磁动势，称为脉振磁动势磁动势的脉振频率决定于电流的频率。不同瞬间单相绕组的基波脉振磁动势波。图4-21不同瞬间时单相绕组的基波磁动势2、单相绕组的谐波磁势除正弦基波外，阶梯波磁势分解结果还有一系列谐波磁动势存在，谐波磁动势表达式：谐波磁动势从空间上看，是一个按v次谐波分布，随时间按ωt的余弦规律脉振的脉振磁势。IpNkvIpNkvFvtFvtIpNkvfwvwvvsvswvv9.012241coscoscoscos2241§4.6三相对称绕组通对称电流时磁动势一、三相绕组的基波合成磁动势三相对称绕组是指三相绕组结构相同，空间互差120º电角度的三相绕组。tIiAcos2)240cos(2tIiC)120cos(2tIiBtFfsAcoscos11)240cos()240cos(11tFfsC)120cos()120cos(11tFfsB则：同时，由于三相绕组通对称电流：111),(1CBAtffffs三相绕组的基波合成磁动势)]120cos()[cos(21)]240cos()[cos(21)]cos()[cos(21111),(1sssssstttFttFttFfs)cos(1),(1sttFfs其中：IpNkIpNkFFww111135.19.02323三相绕组产生的基波合成磁动势幅值大小不变，但随时间，