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1、福州大学电气工程与自动化学院电机学教研组,电机学多媒体课件系列,2007.1,第二篇 交流电机的共同问题,第六章 交流电机绕组及其感应电动势,第六章 交流电机绕组及其感应电动势6.1 旋转电机的基本作用原理6.2 交流绕组6.3 绕组的感应电动势6.4 谐波电动势及其削弱方法,目 录,第一节 旋转电机的基本作用原理,1、旋转电机是一种以磁场为耦合场的连续旋转的机电装置。,*其中一方产生磁场，另一方输出电动势或电磁转矩,交流电机虽然在运行原理和结构上有很多不同，但其交流绕组构成及其感应电动势和磁动势等问题存在相同之处。,三相交流绕组的结构三相交流绕组产生的感应电动势三相交流绕组产生的磁动势 (第
2、七章）,一、同步电机,定子: 铁芯和三相对称绕组ax、by 、cz，,转子: 铁芯和励磁绕组，通直流电流产生气隙主磁场,当原动机带动转子旋转,气隙主磁场随转子旋转并切割定子绕组，产生感应电动势.,绕组模型,同步电机定子,同步电机转子,二、异步电机,转子: 铁芯和闭合的交流绕组组成,定子: 由铁芯和三相交流绕组组成。,常用的转子绕组由转子导条和两端的端环组成形似鼠笼的闭合绕组,异步电动机,异步电动机定子,异步电动机转子,三相异步电动机的基本作用原理:,定子加三相交流电产生气隙旋转磁场切割转子绕组产生感应电动势和电流转子带电导体和旋转磁场作用产生电磁转矩驱动转于转动,旋转磁场的产生,三相交流对称绕
3、组的基本要求:三相交流绕组匝数相同、空间位置互差1200电角度能产生较大的基波电动势和磁动势,尽量减少或消除高次谐波分量绕组用铜量少、绝缘性能和机械强度可靠、散热好绕组的制造、安装和检修要方便,交流绕组：产生电动势、磁动势和产生电磁转矩的载体,第二节 交流绕组,(1)电角度： ：在电机理论中，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P机械角度,1 、交流绕组相关术语,极对数： 指电机主磁极的对数，通常用 p 表示,机械角度：一个圆周真正的空间角度为机械角度360,（2）相带：一个极下每相绕组所占的范围(如下三相） 60o相带将一个磁极分成三份，每份所占电角度 1
4、20o相带将一对磁极分成三份，每份所占电角度,（3）每极每相槽数q ：每个极内每相所占的槽数 如电机槽数为Z，极对数为p，相数为m，则： q=1的绕组称为集中绕组，q1的绕组称为分布绕组,（4）槽距角 ：相邻两槽的距离用电角度表示,（5）极距：指电机一个主磁极在电枢表面所占的长度 槽数： 空间长度：,(6)线圈（元件）：是构成绕组的基本单元。绕组就是线圈按一定规律的排列和联结。线圈可以区分为多匝线圈和单匝线圈。,单层绕组:一个槽中只放一个元件边 双层绕组:一个槽中放两个元件边,(8)单层绕组和双层绕组,(9)槽电动势星形图：,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，构成一个辐射
5、星形图，称槽电动势星形图。,（1）均匀原则：每极内的槽数（线圈数）要相等，各相绕组在每极内所占的槽数应相等；（2）对称原则：三相绕组的结构完全一样，但在电机的圆周空间互相错开120o电角度。（3）电势相加原则：线圈两个圈边的感应电势应该相加；线圈与线圈之间的连接也应符合这一原则。即：线圈的一个边在N极下，另一个应在S极下。,2、交流绕组的构成原则,交流绕组,同心式绕组,链式绕组,交叉链式绕组,等元件式整距叠绕组,3、交流绕组的形式,用途： 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。适合于10kW以下的小型交流异步电机。,分类：链式、同心式和交叉式等型式 (*按连接和端接不同分类）,
6、定义: 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。,一、三相单层绕组,三相单层绕组的构成,例：Z24（槽）、m3（相）、2p4（极）的单层叠绕组,1.计算:,分极：=Z/(2P)（N、S极相邻分布）标记假设的感应电动势方向（相邻极下方向相反）分相：q=Z/(2Pm)，,2.画绕组展开图的步骤：(等元件整距绕组),(4)连接线圈：在一对极内根据y=连线圈（共pq个）,(5)连接线圈组：在一对极内属于同一相的q个线圈连成一个线圈组（共p个）,以上连接应符合电势相加原则,X1,(6)连相绕组:根据电动势相加原则,将同一相的线圈组按并联支路数a连成相绕组，并标记首尾端。最大并联支路数a=P。
7、,(7)连三相绕组:将三个单相绕组连成完整的三相绕组（ 接法或Y接法）,三相在空间错开1200电角度,3、三相单层链式绕组展开图（以A相为例）,适用于q=2、p1的小型异步电机从形式上y短距（实质上仍为整距）最大并联支路数a=2P,4、三相单层同心式绕组展开图（以A相为例）,适用于p=1的小型异步电机从形式上y短距(实质上仍为整距),缩短端部,节省铜线最大并联支路数a=2,5、三相单层交叉式绕组展开图（以A相为例）,1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35,适用于q=3的小型异步电机从形式上y短距(实质上仍为整距),缩短端部,节省铜线,二
8、、三相双层绕组,定义：指每槽分上下两层，线圈一个边放在某槽的上层，另一边放在相隔一定槽数的另一槽的下层,分类：叠绕组和波绕组（*根据线圈形状和连接规律）,特点：双层绕组的线圈数和槽数正好相等,A、叠绕组：相邻两个线圈后一个“紧叠”在前一个之上,优点：1）可灵活选择线圈节距来改善电动势和磁动势波形2）各线圈节距、形状相同，便于制造3）可以得到较多的并联支路数4）可采用短距线圈以节约端部用铜,缺点:1）嵌线较困难，特别是一台电机的最后几个线圈2）线圈组间连线较多，极数多时耗铜量较大,用途：一般10kW以上的中、小型交流电机,实例：Z=24，2p=4，m=3，a=2 ，整距的双层叠绕,双层叠绕组的构
9、成,1.计算：,2.画绕组展开图的步骤：,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24,分极：=Z/(2P)（N、S极相邻分布）标记假设的感应电动势方向（相邻极下方向相反）分相：q=Z/(2Pm)，,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24,(4)连接线圈：在一对极内根据y=连线圈（共2pq个）,(5)连接线圈组：在每极内属于同一相的q个线圈连成一个线圈组（共2p个）,以上连接应符合电势相加原则,1 2 3 4 5 6 7 8 9
10、10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24,以a=1为例,(6)连相绕组:根据电动势相加原则,将同一相的2P个线圈组按并联支路数a连成相绕组，并标记首尾端。最大并联支路数a=2P。,3、短距（y=5、a=2)的情况上层边不变，下层边由y决定，y(短距)短距角：=（-y）端接连接较短，节省铜线可改善电动势和磁动势波形,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24,课时小结,1、旋转电机的基本结构？旋转磁场的产生？ （电磁式和机械式）2、交流绕组的相关术语？3、画交流绕组展
11、开图步骤？（重点）4、试比较单、双层绕组的异同点？ （重点） （提示：定义、用途、总线圈数、总线圈组数、并联支路数、短距现象、谐波影响）,旋转磁场是交流电机工作的基础。(1)机械旋转磁场:通过原动机拖动磁极旋转 (2)电磁旋转磁场:三相绕组通入三相对称交流电,第三节 绕组的感应电动势,设：气隙旋转磁场基波分量是空间分布正弦波,交流绕组处于旋转磁场中，切割旋转磁场，产生感应电势,1、导体感应电势：e=Blv感应电势e(t)的波形和B(x)在空间的分布波形相一致只考虑磁场基波时，感应电势为正弦波,一、导体中的感应电势,磁场转过一对极，导体中的感应电势变化一个周期 磁场旋转一周，转过p（电机的极对数
12、）对磁极 转速为n（r/min)的电机，每秒钟转过(pn/60)对极 导体中感应电势的频率：f=(pn/60)Hz,2、感应电势的频率,绕组中均匀分布着许多导体，这些导体中的感应电势有效值、频率、波形均相同；但是他们的相位不相同。,3、 不同导体感应电势,4、感应电势的大小,导体感应电势 导体与磁场的相对速度：,磁感应强度峰值和平均值之间的关系： 感应电势最大值： 感应电势的有效值：,5、槽电动势星形图：,槽电动势星形图的一个圆周的距离为电角度3600每对极的电动势相量出现重合每个圆周有均匀Z/P个槽电动势相量,1、整距线圈的感应电动势,二、线圈的感应电动势,两圈边磁场极性相反，感应电动势大小
13、相同、相位差1800,整距线圈的感应电动势：,x,两圈边跨距为y1，短距角为，其感应电动势相位差是（180-）电角度,2、短距线圈的感应电动势,短距角：,短距线圈感应电动势：,短距系数：,短距系数恒小于1，故短距线圈感应电动势有所损失；但可以削弱高次谐波（见下节介绍）。,每相每对极下有q个线圈 线圈组感应电动势由该组所有导体电动势矢量和,三、线圈组的感应电动势,矢量式:,R,分布系数：,线圈组的电动势：,绕组因数：,四、一相绕组的相电动势,1、单层绕组的相电动势,单层绕组共有p个线圈组 若p个线圈组全部并联则相电动势 = Eq若p个线圈组全部串联则相电动势 = pEq实际线圈组可并可串，定义每
14、相总串联匝数N如下：,相电动势：,双层绕组共有2p个线圈组 这2p个线圈组可并可串，每相总串联匝数N如下：,2、双层绕组的电动势,双层绕组要考虑到短距系数：,五、三相绕组的线电动势,三相相电动势在时间上相差120o电角度 三相线电动势与相电动势的关系： 三角形接法： 线电动势 = 相电动势 星 形 接 法：,感应电动势的波形同磁场波形，为正弦波 感应电动势的频率： f=(pn/60),相电动势的大小：,绕组系数,六、三相绕组电动势总结,每相串联匝数,讨论1：单层交流绕组是否存在短距现象？,画出两种接法的线圈连接顺序图进行比较,结论：Kp1=1,讨论2：60o相带和120o相带的比较(P101例
15、6-1),主极磁场在气隙中除了正弦基波外，还有一系列高次谐波，所以绕组感应电动势也会含有高次谐波。 主极磁场的分布与磁极中心线相对称，故气隙磁场中含有奇次空间谐波。 1、3、5,1、主极磁场产生次谐波的性质:,第四节 谐波电动势及其削弱方法,谐波频率：,谐波电动势的有效值：,为次谐波的磁通量:,为次谐波的绕组系数:,2.相电动势和线电动势,相电动势的有效值：,线电动势的有效值：,三相绕组相电动势的三次谐波同幅值同相位 Y连接时： 连接时：,线电动势：,线电动势：,使发电机电动势波形发生畸变使电机本身的附加损耗增加，效率降低，温升增高使输电线上的线损增加，并对邻近的通信线路或电子装置产生干扰可能
16、引起输电线路的电感和电容发生谐振，产生过电压使感应电机产生附加损耗和附加转矩，影响其运行性能,3.高次谐波的弊害,使气隙磁场沿电枢表面的分布尽量接近正弦波形用三相对称绕组的联结来消除线电动势中的3次及其3奇数倍次谐波电动势用短距绕组来削弱高次谐波电动势采用分布绕组削弱高次谐波电动势采用斜槽或分数槽绕组削弱齿谐波电动势,4、谐波电动势的削弱方法,（1）采用短距绕组,选择线圈的节距使得某一次谐波的短距系数等于或接近零， 达到消除或减弱该次谐波的目的。,q越大，抑制谐波电动势的效果越好但 q 增多，意味总槽数增多，电机成本提高。,(2)采用分布绕组,例：q=1，Kd1=Kd3=Kd5=Kd7=1 q=2， Kd1=0.965， Kd3=0.707， Kd5=0.259q=6， Kd1=0.957， Kd3=0.644， Kd5=0.195,（3）齿谐波电动势及其消除,有一种谐波,它与一对极下的齿数Z/p之间有特定的关系。 称为齿谐波,特点：谐波绕组因数恰等于基波的绕组因数。,课时小结,1、交流绕组在正弦波磁场下产生的感应电动势的大小？（注意各物理量的意义）（重点）2、交流绕组绕组因数的表达式？3、谐波磁场下产生的感应谐波电动势的表达式？4、谐波电动势的危害？如何削弱或消除谐波电动势（重点）？,Back,