电机学交流电机的理论的共同问题.pptx

交流绕组的构成原则也可以解释为均匀原则：每个极域内的槽数（线圈数）要相等，各相绕组在每个极域内所占的槽数应相等每极槽数用极距表示每极每相槽数对称原则：三相绕组的结构完全一样，但在电机的圆周空间互相错开120电角度。如槽距角为，则相邻两相错开的槽数为120/。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。如线圈的一个边在N极下，另一个应在S极下。第1页/共70页 二、分类二、分类按相数 ：单相和多相绕组；按槽内层数：单层和双层； 按每极下每相槽数：整数槽和分数槽； 按绕法：叠绕组和波绕组。等第2页/共70页 的三相交流电机，其定子绕组大多采用kwPN10（1）可以选择最有利的节距，并同时采用分布绕组， （3）端部形状排列整齐，有利于散热和增强机械（2）所有线圈具有相同的尺寸，便于制造；主要优点：特点：绕组的线圈数等于槽数。 4 4.2 .2 三相双层绕组三相双层绕组双层绕组。（双层绕组和单层绕组的比较、交流绕组的模型）以改善电动势和磁动势的波形；强度。第3页/共70页一、槽电动势星形图和相带划分一、槽电动势星形图和相带划分3m42p36Q 体（槽号）是如何分配的。 现以一台相数 ，极数 ，槽数 的定子来说明槽内导体的感应电动势和属于各相的导第4页/共70页1 1、概念、概念定子每极每相槽数： 3322362pmQq式中， Q 定子槽数； p 极对数； m 相数。相邻两槽间电角度： 20363602360Qp此角亦是相邻槽中导体感应电动势的相位差。第5页/共70页电角度磁场每转过一对磁极，电势变化一个周期，称为（一个周期）360电角度。在电机中一对磁极所对应的角度定义为360电角度。（几何上，把 一 圆 周 所 对 应 的 角 度 定 义 为 360 机 械 角度。）磁极对数为p圆周机械角度为360电角度为 p*360 第6页/共70页把每对极所对应的定子槽等分为六个等分。依次称为a、c、b、a、c、b相带，各相绕组放在各自的相带范围内通常三相绕组都是60相带绕组相带为了三相绕组对称，在每个极面下每相绕组应占有相等的范围。第7页/共70页2 2、槽电动势的星形图、槽电动势的星形图 如图41表示36槽内导体感应电动势的相量图，亦称为槽电动势星形图。 以A相位例，由于 ，故A相共有12个槽 相带：每极下每相所占的区域。1A2AA相带： 1、2、3线圈组（ ） 与19、20、21（ ）X相带： 10、11、12 （ ）1X 与28、29、30（ ） 2X 将四个线圈组按照一定的规律连接，即可得到A相绕组。3q第8页/共70页第9页/共70页第10页/共70页AZBNoImageXCY图4 41 1 三相双层绕组的槽电动势星形图(36,24)Qp第11页/共70页相带槽号极 对ABCXYZ1,2,34,5,67,8,910,11,12 13,14,15 16,17,1819,20,2122,23,24 25,26,27 28,29,30 31,32,33 34,35,36第一对极下（1槽18槽）第二对极下（19槽36槽）表4-1 各个相带的槽号分布 第12页/共70页1 35 7 9 11 13151719 21232527 293133351 2 310 11 1219 20 2128 29 30N NN NS SS S图4-2 三相双层叠绕组的A绕组的展开图第13页/共70页 -1-2-3- -10-11-12-19-20-21- -28-29-30-图：A相绕组线圈的连接图（一条并联支路）123192021101112282930图4-3 A相绕组线圈的连接图（两条并联支路）1A1X2A2XXXAA1A1X2A2X第14页/共70页4.3三相单层绕组单层每槽中只放置一层元件边，元件数等于槽数的一半，无需层间绝缘，结构和嵌线较简单单层绕组只适用于10kW以下的小型异步电动机，其极对数通常是pl,2,3,4单层绕组通常有链式、交叉式和同心式等三种不同排列方式第15页/共70页单层绕组：构造方法和步骤分极分相:将总槽数按给定的极数均匀分开（N,S极相邻分布）并标记假设的感应电势方向。将每个极的槽数按三相均匀分开。三相在空间错开120电角度。连线圈和线圈组：将一对极域内属于同一相的某两个圈边连成一个线圈（共有q个线圈，为什么？）将一对极域内属于同一相的q个线圈连成一个线圈组（共有多少个线圈组？）以上连接应符合电势相加原则连相绕组：将属于同一相的p个线圈组连成一相绕组，并标记首尾端。串联与并联，电势相加原则。连三相绕组：将三个构造好的单相绕组连成完整的三相绕组Y接法或者接法。第16页/共70页极 对相 带acbacb第一对极1,23,45,67,89,1011,12第二对极13,14 15,16 17,18 19,20 21,22 23,24例如：相数m3，极数2p4，槽数Z24槽距角极距=Z/2p=24/4=6Z每极每相槽数q 22 pmp * 360=30Z第17页/共70页第18页/共70页* 连成三相绕组第19页/共70页1.同心式绕组第20页/共70页y 5 62.链式绕组第21页/共70页y=8y=73.交叉式绕组第22页/共70页 4 4. .4 4正弦磁场下交流绕组的感应电动势正弦磁场下交流绕组的感应电动势一、导体的感应电动势1 1、电动势的波形、电动势的波形tEtlvBblvesin2sin112 2、正弦电动势的频率、正弦电动势的频率感应电动势的频率： 60pnf 同步转速： pfn60第23页/共70页导体的感应电动势 气隙磁通密度分布图气隙磁通密度分布图tEtlvBblvesin2sin11基波电动势基波电动势Blve 电动势频率电动势频率: :60pnf 电动势电动势大小大小: :1122. 2fE tEtlvBblvesin2sin11谐波电动势谐波电动势fEtEtlvBlvbe22. 2sin2sin第24页/共70页3 3、导体电动势的有效值、导体电动势的有效值 lBlBav12 将 代入上式得导体电动势 为 1122. 2222flBfElfBflBE11222第25页/共70页 二、整距线圈的电动势二、整距线圈的电动势11112EEEEc匝电势11)1(144. 42fEEcNc单匝线圈电动势的有效值cN1144. 4ccfNE 线圈有 匝，则线圈电动势为第26页/共70页三、短距线圈的电动势，节距因数三、短距线圈的电动势，节距因数短距线圈的节距 ，用电角度表示时，节距为 1y1801y单匝线圈的电动势为 111110EEEEEc据相量图中的几何关系，得单匝线圈电动势的第27页/共70页1111144. 490sin22180cos2pfkyEE 为线圈的基波节距因数，表示线圈短距时感应电动势比整距时应打的折扣， 1pk90sin1)(1)(1111yEEkycycp有效值 为) 1(1cNcE第28页/共70页四、分布绕四、分布绕组组的电动势，分布因数和绕组因数的电动势，分布因数和绕组因数 个线圈的合成电动势 为1qE2sin21qREq式中， 外接圆的半径。2sin21cER R把 代入上式，得 111112sin2sin2sin2sindcccqkqEqqEqEEq第29页/共70页 绕组线电动势计算、分布因数 基波电动势1y11114.44q (q= )yE=fqN k第30页/共70页 式中， 个线圈电动势的代数和； 1cqEq 绕组的基波分布因数， 2sin2sin111qqqEEkcqd1dk 的意义：由于绕组分布在不同的槽内，使得1dkq1qEq1cqE11dk个分布线圈的合成电动势 小于 个集中线圈的合成电动势 ，由此所引起的折扣 。第31页/共70页一个极相组的电动势为111111)(44. 444. 4wcdpcqkqNfkkfNqE式中， 个线圈的总匝数； cqN 绕组的基波绕组因数。111dpwkkk 的意义：既考虑绕组短距、又考虑绕组分布时，1wkq整个绕组的合成电动势所须的总折扣。第32页/共70页五、相电动势和线电动势五、相电动势和线电动势 设一相绕组的总串联匝数为 ，则一相的电动势应 为 N1E11144. 4wfNkE第33页/共70页短距绕组、分布绕组对电动势波形的影响090224 44ksin()sinksinE.fNkkyqpyqyqq对V次谐波：1pp nn p nff604.5感应电动势中的高次谐波感应电动势中的高次谐波第34页/共70页谐波的弊害使电动势波形变坏，发电机本身能耗增加，从而影响用电设备的运行性能 干扰临近的通讯线路 消除谐波电动势的方法因为Ev=4.44fNRwvv所以通过减小KWr或r可降低Er 1.采用短距绕组 2.采用分布绕组，降低。3.改善主磁场分布4.斜曹或斜极 第35页/共70页第36页/共70页第37页/共70页第38页/共70页1 1单层集中整距绕组的磁动势单层集中整距绕组的磁动势 一台两极气隙均匀的交流电机一台两极气隙均匀的交流电机, ,一个整距一个整距绕组通入交流电流绕组通入交流电流, ,线圈磁动势在某瞬间的分线圈磁动势在某瞬间的分布如图布如图, ,由全电流定律得由全电流定律得: :iNiHdly4.64.6通有正弦电流时单相绕组的磁动势通有正弦电流时单相绕组的磁动势第39页/共70页整距线圈整距线圈磁通势的空间分布 第40页/共70页 忽略铁心磁阻忽略铁心磁阻, ,磁动势完全降落在两磁动势完全降落在两个气隙上个气隙上. .每个气隙的磁动势为每个气隙的磁动势为: :ttyyyyycosFcosIN21iN21fm 空间分布为空间分布为矩形波矩形波, ,随时间按随时间按正弦规律正弦规律变变化化. .变化变化频率为电流频率频率为电流频率。 空间位置不变而幅值和方向随时间变化的磁动势称为空间位置不变而幅值和方向随时间变化的磁动势称为脉动磁脉动磁动势动势。第41页/共70页 整距线圈的每极磁通势方程式为 fc（x，t）=(1/2 )icNc =(2/2)IcNccost =Fcmcost 这种空间位置固定不动而大小 和极性随电流交变的磁通势和磁场, 称为脉振磁通势和脉振磁场。 （2）矩形波磁通势的分解 整距线圈每极磁通势瞬时值的表达式为 fc（x，t）=0.9INc（cos(/)x-1/3 cos3(/)x +1/5 cos5(/)x+）sint 矩形波磁通势分解矩形波磁通势分解成基波及谐波分量成基波及谐波分量第42页/共70页 2. 2.线圈组的磁通势线圈组的磁通势 （1）整距分布线圈组的磁通势 整距分布线圈组的基波磁通势为 Fqm1 =qFcm1 kp1 =0.9（qINc）kp1 （2）短距分布线圈组的磁通势 短距分布线圈组的基波磁通势的最大幅值为 Fym1 =0.9（2qINc）kp1k d1=0.9（2qIN c）kw1 3. 3.单相绕组的磁通势单相绕组的磁通势 相绕组每极磁通势的瞬时值表达式为 fp1（x，t）=Fpm1costcos(s)第43页/共70页一相绕组的磁动势为swipNkfcos2411则单相绕组的基波磁动势为tFtIpNktfsswscoscoscoscos224),(111式中， 单相绕组基波磁动势的幅值，1F111119 . 0224IpNkIpNkFww一相绕组的磁动势为第44页/共70页 单相绕组的基波磁动势在空间随角按余弦规律 单相绕组的基波磁动势为脉振磁动势，其脉振频率 取决于电流的频率。分布，在时间上随按余弦规律脉振。第45页/共70页第46页/共70页矩形波磁动势可能分解为基波和一系列高次谐波矩形波磁动势可能分解为基波和一系列高次谐波: :133yyyyftFtFtFt( , )coscoscoscos.coscos.基波磁动势为基波磁动势为: :1420 92yyyFN I. N I 11yyftFt( , )coscos基波磁动势最大值为基波磁动势最大值为: : 整距绕组基波磁动势在空间按余弦分布，幅值位于绕组轴线，整距绕组基波磁动势在空间按余弦分布，幅值位于绕组轴线，空间每一点的磁动势大小按正弦规律变化空间每一点的磁动势大小按正弦规律变化仍然为仍然为脉动磁动势脉动磁动势。第47页/共70页单相脉动磁动势的分解即一个脉动磁动势可以分解成两个幅值大小相等的磁动势。即一个脉动磁动势可以分解成两个幅值大小相等的磁动势。ttt1111111122+-f ( ,t) F coscosF cos()F cos()= f ( ,t)+ f ( ,t)先分析)cos(21),(11tFtf取幅值点分析2t;22,0?t; 0,2?t;22, ?txt)(x,f1p22第48页/共70页可见(1)(1)单相绕组的基波磁动势为脉动单相绕组的基波磁动势为脉动, ,它可以分解为大小相等、它可以分解为大小相等、转速相同而转向相反的两个旋转磁场。转速相同而转向相反的两个旋转磁场。(2)(2)反之反之, ,满足上述性质的两个旋转磁动势的合成即为脉满足上述性质的两个旋转磁动势的合成即为脉动磁动势。动磁动势。（3）由于正方向或反方向的旋转磁动势在旋转过程中，大）由于正方向或反方向的旋转磁动势在旋转过程中，大小不变，两矢量顶点的轨迹为一圆形，所以这两个磁动势为小不变，两矢量顶点的轨迹为一圆形，所以这两个磁动势为圆形旋转磁动势。圆形旋转磁动势。第49页/共70页磁动势的矢量表示法磁动势的矢量表示法 长度代表磁动势幅值，位置代表磁动势正幅值所在的位置。+jI第50页/共70页三相的合成磁动势：三相的合成磁动势： 取取A A相绕组轴线位置作为空间坐标原点、以相序的方向作为相绕组轴线位置作为空间坐标原点、以相序的方向作为x x的参考方向、的参考方向、A A相电流为零时作为时间起点，则三相基波磁动相电流为零时作为时间起点，则三相基波磁动势为：势为：)34cos(21)cos(21)32cos()32cos()34cos(21)cos(21)32cos()32cos()cos(21)cos(21coscos111111111111tFtFtFftFtFtFftFtFtFfCBA11132f (,t) =Fcos(t-) = F cos(t-)可见：三相合成磁动势也是一个可见：三相合成磁动势也是一个圆形旋转磁动势圆形旋转磁动势。 交流电机三相对称绕组交流电机三相对称绕组, , 通入三相对称电流，磁动势是三相通入三相对称电流，磁动势是三相的合成磁动势。的合成磁动势。 4.7 4.7 通有三相电流时三相绕组的磁动势通有三相电流时三相绕组的磁动势第51页/共70页 产生圆形旋转磁动势的条件：产生圆形旋转磁动势的条件：一是三相或多相对称绕组；二一是三相或多相对称绕组；二是三相或多相对称电流。两个条件有一个不满足，即产生椭圆形是三相或多相对称电流。两个条件有一个不满足，即产生椭圆形旋转磁动势。旋转磁动势。 三相对称绕组通入三相对称电流，产生的基波合成磁动势是一个幅值恒定不变的圆形旋转磁动势，它有以下主要性质(1)(1)幅值是单相脉动磁动势最大幅值的幅值是单相脉动磁动势最大幅值的3/23/2倍。倍。(2)(2)转向由电流相序决定转向由电流相序决定, ,从载有超前电流相转到载有滞后电从载有超前电流相转到载有滞后电流相流相. .(3)(3)转速决定于电流的频率和电机的磁极对数转速决定于电流的频率和电机的磁极对数pfn601(4)(4)当某相电流达最大值时当某相电流达最大值时, ,旋转磁动势的波幅位置刚好转到该旋转磁动势的波幅位置刚好转到该相绕组的轴线位置上相绕组的轴线位置上第52页/共70页三相绕组基波合成磁动势为)cos(),(11sstFtf式中， 三相绕组基波磁动势的幅值。1FIpNkIpNkFFww111135. 19 . 02323第53页/共70页 为了分析旋转磁动势的旋转方向，设三相对称电流按余弦规为了分析旋转磁动势的旋转方向，设三相对称电流按余弦规律变化，律变化，U U 相电流最大时为计时点，电流取首进尾出为正，电相电流最大时为计时点，电流取首进尾出为正，电流波形和各时刻旋转磁动势的位置如图所示：流波形和各时刻旋转磁动势的位置如图所示：U2U1W2V1W1V21n第54页/共70页用图解法分析用图解法分析不同时刻三相合成磁动势不同时刻三相合成磁动势 合成磁动势的转向是从载有超前电流的相转到载有滞后电合成磁动势的转向是从载有超前电流的相转到载有滞后电流的相。流的相。第55页/共70页空间矢量图空间矢量图取A相电流为最大值时CI+jBIAI+A0+B+C第56页/共70页 三相绕组的合成r次谐波磁动势 由谐波磁动势在气隙中建立各自的谐波磁场为： 对称三相系统中不存在3的奇数次倍谐波磁动。cos()fFt( , )cos()mBtBt)240cos()240cos()120cos()120cos(coscostFftFftFfCBA第57页/共70页第58页/共70页第59页/共70页三相双层分布短距绕组的磁动势三相双层分布短距绕组的磁动势11qqkF1qFy1q11qkqFFy1 1、整距分布线圈组的磁动势、整距分布线圈组的磁动势 r r次谐波脉振磁动势的最大振幅为：次谐波脉振磁动势的最大振幅为： 每个绕组由每个绕组由q q 个线圈串联构成，依次在定子圆周空间错开个线圈串联构成，依次在定子圆周空间错开槽距角槽距角,绕组的基波磁动势为绕组的基波磁动势为q q个线圈基波磁动势的空间矢量个线圈基波磁动势的空间矢量和：和：2sin2sinqqkq第60页/共70页2.2.双层短距分布绕组的磁动势双层短距分布绕组的磁动势 双层短距分布绕组的基波磁动势为两个等效绕组基波磁动双层短距分布绕组的基波磁动势为两个等效绕组基波磁动势的相量和，用短距系数计及绕组短距的影响：势的相量和，用短距系数计及绕组短距的影响：Ikk)qN2(0.9kF2F1q1y1y1q1py第61页/共70页3. 3.双层分布短距一相绕组产生的磁动势双层分布短距一相绕组产生的磁动势 一相双层分布短距绕组在每对极下，由分布着的q对这样的线圈组成，因此一相双层分布短距绕组的基波磁动势为： 一相r次双层分布短距绕组的谐波磁动势为：111119 . 0,coscoswAkpINFtFfkpINFtFfA19 . 01,coscos第62页/共70页4. 4.三相双层分布短距绕组产生的磁动势三相双层分布短距绕组产生的磁动势 三相合成基波磁动势三相合成基波磁动势 3 3次及次及3 3的整数倍谐波，三相合成磁动势为零的整数倍谐波，三相合成磁动势为零。 r=6k-1r=6k-1次谐波，三相合成磁动势次谐波，三相合成磁动势 r=6k+1r=6k+1次谐波，三相合成磁动势次谐波，三相合成磁动势pIkNFtFf1111135.1),cos()cos(tFf)cos(tFfpIkNFr1135. 11第63页/共70页第64页/共70页交流电机的基本工作原理，对交流绕组的要求交流电机的基本工作原理，对交流绕组的要求 1交流电机的基本工作原理 交流电机分为同步电机与异步电机同步发电机：交流电能几乎都来自于同步发电机同步电动机：大型不需要调速的生产机械，优点调节励磁电流来改善电网的功率因数。异步电动机：电力系统的主要负载。异步发电机：电压和频率随负载变化不易控制。电力电子技术的引进使得同步电动机与异步发电机得到了越来越多的应用。第65页/共70页同步电机的基本工作原理同步发电机的基本工作原理同步发电机的基本工作原理大小大小：01104 44wE.fN k 频率频率：60pnf 励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁场，原动机拖动转子以转速场，原动机拖动转子以转速 旋转时，其旋转时，其磁场切割定子绕组而感应交流电动势磁场切割定子绕组而感应交流电动势 . . n0E相序相序：由转子的转向决定。：由转子的转向决定。波形波形：由：由 可知，波形可知，波形取决于取决于 的空间分布。的空间分布。( x )eBlv ( x )B第66页/共70页U2U1W2V1W1V2NSn发电机的物理过发电机的物理过程可用图示表示程可用图示表示第67页/共70页异步电动机的基本工作原理异步电动机的基本工作原理U2U1W2V1W1V21nn转动原理1 1、电生磁、电生磁：三相对称绕组通三相对称绕组通往三相对称电流产生圆形旋转往三相对称电流产生圆形旋转磁场。磁场。2 2、磁生电、磁生电：旋转磁场切割旋转磁场切割转子导体感应电动势和电流。转子导体感应电动势和电流。3 3、电磁力、电磁力：转子载流（有功转子载流（有功分量电流）体在磁场作用下受分量电流）体在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转，将电能转化驱动电动机旋转，将电能转化为机械能。为机械能。1160 fnp第68页/共70页第69页/共70页感谢您的观看！第70页/共70页