电机学电子讲稿2010-4交流绕组.ppt

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1、第四章第四章 交流绕组交流绕组二二一一年年电机学课程讲稿电机学课程讲稿 胡雪松4.1 交流电机工作原理4.2 交流绕组基础知识4.3 三相双层绕组4.4 基波电动势4.5 单相绕组磁动势4.6 三相绕组磁动势第四章 交流绕组4.1.1 同步发电机工作原理 4.1.2 感应电动机工作原理4.1 交流电机工作原理4.1.1 同步发电机工作原理简单同步发电机模型1/34.1.1 同步发电机工作原理导体感应电势2/34.1.1 同步发电机工作原理“同步”的含义3/34.1.2 感应电动机工作原理简单感应电动机模型4.2.1 交流绕组的作用4.2.2 交流绕组的一般要求4.2.3 槽电动势星形图4.2.

2、4 基本术语4.2 交流绕组基础知识4.2.1 交流绕组的作用切割磁场产生感应电动势流过电流产生磁动势“电机的心脏”（电枢）4.2.2 交流绕组的一般要求1)在相同的导体数下能获得较大的电动势和磁动势2)电动势与磁动势的波形尽量接近正弦波3)对多相绕组，要求各相绕组对称4)导体应具有一定的截面积，以承受足够的电流5)绕组有一定的绝缘强度，以承受足够的电压5)运行中有良好的散热性能6)制造简单，安装、检修方便4.2.3 槽电动势星形图以某个槽中导体的基波电动势为参考相量，画出各槽导体电动势基波相量，构成一个星形的结构。4.2.4 基本术语电角度一对极所占有的空间角度定为360电角度。电角度=p

3、机械角度无论电机极对数是多少，都有转子转过360电角度，则感应电动势变化一个周期；在一定时间内，转子转过多少电角度，电动势的相位就变化多少度。1/84.2.4 基本术语槽距电角2/8相邻两槽之间跨过的电角度4.2.4 基本术语每极每相槽数q3/8每相绕组在每个极下所占据的槽数4.2.4 基本术语相带4/8每相绕组在每个极下所连续占据区域称为相带。为了获得更大的基波电势，通常采用60 相带。4.2.4 基本术语极相组5/8每个相带内的元件串联起来，称为一个极相组。4.2.4 基本术语极距6/8相邻两极中心线在电枢表面所跨过的距离，常用槽数或弧长为单位。4.2.4 基本术语绕圈节距y17/8一个元

4、件的两个元件边在电枢表面所跨过的距离。采用与极距相同的单位。整距绕组 y1=短距绕组 y1 4.2.4 基本术语合成节距y8/8串联的两个元件对应元件边之间的距离。4.3.1 双层叠绕组4.3.2 双层波绕组4.3.3 双层绕组的特点4.3 三相双层绕组4.3.1 双层叠绕组联结特点先将每个极相组中的所有元件依次串联，再将各个极相组以一定的方式串联或并联起来构成一相绕组。1/34.3.1 双层叠绕组双层叠绕组示例2/3Q=24，2p=4，y1=5/64.3.1 双层叠绕组双层叠绕组的特点3/3最多并联支路数为2p极相组之间连接规律为“首-首”或“尾-尾”相连中小型同步电机和感应电机的绕组元件一

5、般为多匝，大型汽轮发电机一般为单匝连接线较长，并需要许多绝缘套管，当极数多、匝数少时连接线耗铜相对较多；最后几个元件的嵌线也较为困难4.3.2 双层波绕组联结特点1/4对任意一相而言，先把所有同一极性下的元件串联起来构成一组，再把所有另一极性下的元件串联起来构成另一组，最后将这两组元件串联或并联构成一相绕组。4.3.2 双层波绕组双层波绕组示例2/4Q=24，2p=4，y1=5/64.3.2 双层波绕组联结过程3/44.3.2 双层波绕组双层波绕组的特点4/4一般情况下，并联支路数为1或者2极相组之间连接规律为“首-尾”相连由于合成节距始终为2倍极距，因此单匝波绕组不会节约端部用铜不需要组间连

6、线；嵌线较容易，绑扎固定简单广泛用于大中型水轮发电机定子绕组和绕线式感应电机转子绕组4.3.2 双层绕组的特点双层绕组的优点1/2所有元件具有相同尺寸，制造方便；端部形状整齐，有利于散热和增加机械强度可以根据需要选择元件节距，通常采用短距以抑制电动势和磁动势谐波，并能节约端部用铜（单匝波绕组除外）短距绕组部分槽内导体不属于同一相，可减小槽漏抗4.3.2 双层绕组的特点双层绕组的缺点2/2槽内上、下元件边之间需要加层间绝缘，槽的利用率较单层绕组低元件总数等于总槽数，线圈制造和嵌放的工时较长现代10kW以上的交流电机，其定子一般都采用双层绕组。4.4.1 导体的电动势4.4.2 整距线圈的电动势4

7、.4.3 短距线圈的电动势4.4.4 极相组的电动势4.4.5 相电动势4.4 基波电动势4.4.1 导体的电动势磁场模型1/64.4.1 导体的电动势气隙磁场基波2/64.4.1 导体的电动势导体感应电势瞬时值3/64.4.1 导体的电动势每极磁通量4/64.4.1 导体的电动势导体切割磁场的线速度5/64.4.1 导体的电动势导体电动势有效值6/64.4.2 整距线圈的电动势单匝线圈的电动势1/24.4.2 整距线圈的电动势多匝线圈的电动势2/24.4.3 短距线圈的电动势多匝短距线圈的电动势1/24.4.3 短距线圈的电动势基波节距因数（基波短距系数）2/24.4.4 极相组的电动势极相

8、组内元件电动势的叠加1/34.4.4 极相组的电动势基波分布因数（基波分布系数）2/34.4.4 极相组的电动势极相组电动势3/3基波绕组系数4.4.5 相电动势双层绕组相电动势有效值双层绕组每相串联匝数4.5.1 整距元件的磁动势4.5.2 整距元件极相组的磁动势4.5.3 整距分布绕组每相磁动势4.5.4 短距分布绕组每相磁动势4.5.5 脉振磁动势的分解4.5 单相绕组磁动势4.5.1 整距元件的磁动势基本假设1/9定、转子铁心的磁导率为无穷大，即认为铁心内的磁压降可忽略不计；气隙均匀；槽内电流集中于槽中心处，槽开口的影响忽略不计。4.5.1 整距元件的磁动势整距元件磁动势模型2/94.

9、5.1 整距元件的磁动势整距元件磁动势分布规律3/94.5.1 整距元件的磁动势整距元件磁动势的变化规律4/9如果电流随时间按余弦规律变化，即则磁动势空间位置固定不动，波幅随时间变化（脉振磁动势），物理学上称为驻波。脉振频率与电流频率相同。4.5.1 整距元件的磁动势整距元件磁动势表达式5/94.5.1 整距元件的磁动势整距元件磁动势的傅里叶分解6/94.5.1 整距元件的磁动势整距元件磁动势的基波幅值7/94.5.1 整距元件的磁动势整距元件磁动势分解示意图8/94.5.1 整距元件的磁动势整距元件磁动势动画9/94.5.2 整距元件极相组的磁动势极相组磁动势的合成方法1/4方法一将q个整距

10、元件所产生的矩形波磁动势逐点相加，得到阶梯波形的合成磁动势，再利用傅立叶分解对其进行频谱分析。方法二先将各个整距元件的矩形波磁动势分解为基波和各次谐波，再将q个元件的基波和各次谐波分别叠加，得到合成的基波和各次谐波。4.5.2 整距元件极相组的磁动势极相组磁动势的分布规律2/4阶梯波形，最大振幅为单个元件的q倍；轴线在极相组等效轴线处。4.5.2 整距元件极相组的磁动势极相组的基波磁动势幅值3/44.5.2 整距元件极相组的磁动势磁动势的基波分布因数4/44.5.3 整距分布绕组每相磁动势极相组磁动势与每相磁动势的关系1/2由于各对极下的磁动势分别作用于一个分支磁路，所以，每相磁动势应等于每对

11、极下该相电流总的磁动势。对单层绕组来说，每相绕组的磁动势就等于一个极相组的磁动势；对于双层绕组，每相磁动势等于两个极相组的磁动势。4.5.3 整距分布绕组每相磁动势双层整距分布绕组的每相磁动势2/2每相串联匝数每相电流4.5.4 短距分布绕组每相磁动势双层短距绕组联结示意图1/44.5.4 短距分布绕组每相磁动势双层短距绕组等效联结图2/44.5.4 短距分布绕组每相磁动势双层短距绕组磁动势基波短距因数3/44.5.4 短距分布绕组每相磁动势双层短距绕组每相磁动势基波幅值4/44.5.5 脉振磁动势的分解分解的公式表达1/34.5.5 脉振磁动势的分解分解的波形表达2/34.5.5 脉振磁动势

12、的分解分解的矢量表达3/3动画程序4.6.1 基波磁动势的合成4.6.2 基波磁动势的性质4.6.3 谐波磁动势简介4.6 三相绕组磁动势4.6.1 基波磁动势的合成一般规定1/8三相绕组完全对称布置；三相电流完全对称；以A相绕组轴线为空间坐标的原点，并以顺着相序的方向作为空间坐标轴线的正方向；以A相电流达到最大值的瞬间作为时间坐标系的原点（时间的零点）。4.6.1 基波磁动势的合成三相脉振磁动势表达式2/84.6.1 基波磁动势的合成A相脉振磁动势的分解3/84.6.1 基波磁动势的合成B相脉振磁动势的分解4/84.6.1 基波磁动势的合成C相脉振磁动势的分解5/84.6.1 基波磁动势的合

13、成三相合成磁动势6/84.6.1 基波磁动势的合成三相合成磁动势的幅值7/84.6.1 基波磁动势的合成三相合成磁动势的矢量解释8/8以A相电流达到最大值瞬间（t=0）为例4.6.2 基波磁动势的性质语言描述1/4三相对称绕组中通入三相对称电流时，产生的合成磁动势为圆形旋转磁动势。4.6.2 基波磁动势的性质动画演示2/4动画程序4.6.2 基波磁动势的性质主要特点3/4合成基波磁动势的幅值不变，为基波脉振磁动势最大振幅的1.5倍；其旋转方向由电流超前的相绕组轴线转向电流滞后的相绕组轴线，当某相电流达到最大值时，合成磁场轴线与该相绕组轴线重合；旋转速度为同步速度。4.6.2 基波磁动势的性质推

14、论4/4在m相对称绕组中通有对称m相电流时，得到的合成磁动势为圆形旋转磁动势；其幅值为单相磁动势的m/2倍，转速为同步转速，旋转方向由电流超前相绕组轴线转向电流滞后相绕组轴线。4.6.3 谐波磁动势简介三相脉振磁动势次谐波表达式1/104.6.3 谐波磁动势简介三相绕组合成次谐波磁动势2/105次谐波7次谐波4.6.3 谐波磁动势简介三相绕组合成3次谐波磁动势3/10各相正向旋转分量幅值相等、相位互差120，三相之和为0；各相反向旋转分量幅值相等、相位互差120，三相之和为0；三相对称绕组通入三相对称电流时，合成的3次谐波动势之和为0，再次体现出三相绕组的好处。4.6.3 谐波磁动势简介=6k

15、-3 (k=1,2,3,)4/10不难看出，当在对称三相绕组中通入对称三相电流时，以下次数的谐波磁动势分量都不存在。4.6.3 谐波磁动势简介三相绕组合成5次谐波磁动势5/10表达式4.6.3 谐波磁动势简介三相绕组合成5次谐波磁动势的特点6/10为圆形旋转磁动势；幅值是单相5次谐波振幅的3/2倍；旋转方向与基波磁动势相反，简称反转磁动势；旋转速度为基波磁动势的1/5。4.6.3 谐波磁动势简介=6k-1 (k=1,2,3,)7/10当在对称三相绕组中通入对称三相电流时，以下次数的谐波磁动势分量都有类似5次谐波的结果。4.6.3 谐波磁动势简介三相绕组合成7次谐波磁动势8/10表达式4.6.3 谐波磁动势简介三相绕组合成7次谐波磁动势的特点9/10为圆形旋转磁动势；幅值是单相7次谐波振幅的3/2倍；转向与基波磁动势相同，转速为基波的1/7；对空间任意一点，当基波达到正的最大值时，7次谐波达到负的最大值。4.6.3 谐波磁动势简介=6k+1 (k=1,2,3,)10/10当在对称三相绕组中通入对称三相电流时，以下次数的谐波磁动势分量都有类似7次谐波的结果。