第10章交流电机的绕组和电动势.ppt

第十章 交流电机的绕组和电动势,本章首先介绍同步电机和异步电机的简单工作原理，然后以同步发电机为例研究定子绕组里的电动势。,首先分析最简单的三相集中整距绕组，然后分析分布和短距绕组，并说明其对电动势大小和波形的影响。,§10-1 交流电机的工作原理，对绕组的基本要求,1、交流电机的基本工作原理,之前已讲过，交流电机包括同步电机和异步电机两大类。,同步电机一般作发电机使用，现在国内外所用的交流电几乎都是同步电机发出的。 异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械，虽然也能作发电机使用，但由于存在一定的缺点用得很少。,1、交流电机的基本工作原理,图 10-1 最简单的同步发电机模型,1）同步电机的基本工作原理,电机由原动机拖动其旋转，原动机主要有两种：汽轮机和水轮机。,如图10-1，同步发电机由定子和转子两大部分组成。定子铁心的内圆所开槽内嵌放着导体，把这些导体按一定规律连接起来，叫定子绕组，也叫电枢绕组，故定子又称为电枢。,转子铁心上装有主磁极，主磁极上绕有励磁绕组，通以直流电时，各磁极就表现出一定的极性。,1）同步电机的基本工作原理,1）同步电机的基本工作原理,原动机拖动转子旋转，主磁极旋转并切割定子绕组，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的交变电势。,导体感应电势的方向用右手定则判定，导体A在图10-1（a）位置时方向出纸面，旋转至图（b）位置时方向变为进纸面了，即导体A每经过一对主极感应电势瞬时方向变化一个周期。,1）同步电机的基本工作原理,感应电势的频率为每秒电势变化的周期数。实际的电机转子有 p 对极，转子每转一圈，有 p 对主极经过导体，导体中的感应电势变化 p个周期。,式中n1称为同步转速，单位为r/min。,因此感应电势的频率决定于同步电机的转速n1 和极对数p ，频率 。,一般将同步发电机的定子绕组设计成三相绕组，发出三相交流电供用户使用。,2）异步电机的基本工作原理,以异步电动机为例，从电机的结构上看，异步电机的定子铁心和定子绕组与同步电机完全一样，只是转子结构不同。 同步电机转子上是主磁极，在励磁绕组里通直流电主磁极便表现出极性，而异步电机的转子是 由转子铁心和转子绕组构成的。,2）异步电机的基本工作原理,下面以鼠笼型电机为例简单说明异步电机的工作原理。,图 10-2 最简单的鼠笼型 异步电机模型,如图10-2，在转子的外表面所开槽内嵌放导体。各个导体两端伸出转子铁心以外并用两个端环分别将其彼此连接起来，形成一个短路的绕组。,2）异步电机的基本工作原理,图 10-2 最简单的鼠笼型 异步电机模型,当三相对称定子绕组中流过 三相电流时产生旋转磁场，为直观，可把磁场想象成旋转磁极，如图10-2中的N、S极，假设磁极逆时针方向旋转，转速为n1。,旋转磁极使转子导体内感应电势，从而有电流流过转子导体，电流方向与感应电势方向相同。,2）异步电机的基本工作原理,图 10-2 最简单的鼠笼型 异步电机模型,载流导体A、B在磁场中会受到电磁力作用，其方向用左手定则判断，如图10-2，此时产生逆时针方向的电磁转矩并带动转子逆时针方向转动，转速为n。,不能。如果n=n1，转子导体与旋转磁场之间就没有相对运动，导体中就没有感应感应电势了，也就不能产生电磁转矩。,n能否等于n1呢？,1、交流电机的基本工作原理,由上可知，同步电机和异步电机在运行原理和结构上有很多不同，但它们之间也有许多相同之处，例如交流绕组的构成及其感应电动势和磁动势。因此，下面我们将着重对交流电机的共同问题给予讲解。 掌握这部分内容，对后面学习异步电机和同步电机的原理有很大好处。,2、对交流绕组的要求,和变压器相仿，在交流电机中要进行能量的转换必须要有绕组。,交流绕组的种类很多，其主要分类方法有：,（1）按槽内层数分，可分为单层和双层绕组。 其中，单层绕组又可分为链式、交叉式和同心式绕组；双层绕组又可分为叠绕组和波绕组。,2、对交流绕组的要求,（3）按每极每相槽数，可分为整数槽和分数槽绕组。,尽管交流绕组种类很多，但由于三相双层绕组能较好地满足对交流绕组的基本要求，所以现代动力用交流电机一般多采用三相双层绕组。,（2）按相数分，可分为单相、两相、三相及多相绕组。,2、对交流绕组的要求,（1）在一定的导体数下，能得到较大的基波电动势和基波磁动势。,一般来说，对交流绕组有以下一些基本要求:,（2）各相的电动势和磁动势波形应接近正弦波，即要求尽量减少它们的高次谐波分量。,（3）对三相绕组，各相的电动势和磁动势要求对称（大小相等且相位上互差120°），并且三相阻抗也要求相等。,2、对交流绕组的要求,（5）绕组的制造、安装和检修要方便。,总之，上述对交流电机电枢绕组的要求，可归纳为对绕组感应电动势和产生磁动势的要求。电枢绕组就是根据以上要求进行安排的。,（4）绕组用铜量少，绝缘性能和机械强度可靠，散热条件好。,§10-2 三相单层集中整距绕组,首先介绍与电机绕组相关的几个基本概念。,1）电角度的概念,2）槽距角,3）每极每相槽数,4）相带,5）节距 y1,6）线圈组,当交流电机磁极对数为 p 时， 定子一周内电角度为：360°×p,如: p = 1 360°×1 = 360°（电角度）,而极距总是 = 180°电角度，与极对数 p 无关。,如: p = 2 360°×2 = 720°（电角度）,1）电角度的概念,槽距角 a 为每相邻线圈边之间的电角度或两槽之间的槽距角（单位为电角度）。,定子一周总的电角度为：360°×p,则每槽占电角度：,2）槽距角,例如：槽数Q= 24，磁极对数 p = 2,3）每极每相槽数q,每极每相槽数 q =1是集中绕组， 每极每相槽数 q1是分布绕组。,如变压器就属于集中绕组，它相当于在一个很深的槽中纵向放入若干导体。纵向看各导体空间位置一致。,纵向看,变压器集中绕组示意图,对交流电机来说，当 q = 2 时，每相有两个在空间错开一个a 槽距角的线圈相串联，称为分布绕组（横向看，线圈不重叠。）,3）每极每相槽数q,相带是每极每相所占的电角度。一般相带为：,例如： q = 2，a=30°则相带为：2×30°= 60°,每极三相占电角度：3× 60°= 180°= ,4）相带,= 60°,节距表征线圈构造，是一个线圈的两条有效线圈边之间相隔的槽数。用 y1 表示。,当 y1= 时，是整距绕组，y1时，是短距绕组。短距绕组可构成双层绕组，在交流电机中采用双层绕组可改善电机的电动势波形。,5）节距 y1,例如，当每极每相槽数 q = 2，说明线圈组有两个相邻元件串联组成。,q = 3，线圈组有三个相邻元件串联组成。,6）线圈组,Q = 6 ， p=1,线圈q =1时的分布图,绕组在定子槽中的分布及线圈的形状图,Q = 6 ， p=1,线圈q =1时的分布图,·,×,×,·,·,A,X,Y,Z,B,C,三相交流线圈分布示意图,A,C,B,×,X、Y、Z,一根导体电动势,线圈电动势,线圈组电动势,短距因数,分布因数,一相支路电动势,串、并联,电动势分析推导过程,1、导体感应电动势,1）直线坐标与角坐标,2）主极磁场基波的空间分布,3）导体感应电动势的计算式,x,a,磁密空间分布有两种坐标,角坐标与直线坐标关系为：,1）直线坐标与角坐标,线速度与角速度的关系为：,1）直线坐标与角坐标,方波分布磁密及傅氏级数分解,Bm,a,Bm,B1m,B3m,B5m,黑色表示方波分布磁密，幅值为Bm。,红色表示正弦基波分布磁密，幅值为B1m。,绿色表示三次谐波磁密，幅值B3m=1/3B1m,紫色表示五次谐波磁密，幅值B5m=1/5B1m,方波磁密可用傅氏级数分解为正弦基波及各次谐波。,空间分布与空间电角度对应，电角度随时间变化而变化。,2）主极磁场基波的空间分布,空间正弦分布，即不同空间电角度所对应的磁密值不同。,2）主极磁场基波的空间分布,3）导体感应电动势的计算式,3）导体感应电动势的计算式,关于 的推导：,3）导体感应电动势的计算式,当磁场在空间按正弦规律分布时，一根导体中的感应电势也随时间按正弦规律交变。 一根导体感应电势的有效值与每极磁通量和频率的乘积成正比。 槽中空间位置不同的导体，它们所感应的电势的幅值和有效值是一样的，但瞬时值是不同的。空间位置不同的两根导体，其感应电势在时间上的相位差，等于它们在空间位置上相差的电角度。,2、整距线匝感应电动势,一个线匝有两根导体A与X，两导体相距一个极距，称整距线匝，它的两个引出线分别叫做头和尾。,整距线匝的基波感应电动势,2、整距线匝感应电动势,整距线匝当一根导体处于N极中心下，另一根导体必定处于S极中心下，故它们的基波感应电势总是大小相等，方向相反。,整距线匝基波电动势 eT1 的正方向规定为从尾端指向首端。则：,2、整距线匝感应电动势,相量图如右图所示，可见整距线匝基波电动势的有效值为：,同样，线匝里感应的3次、5次、7次等谐波电动势有效值分别等于它们的导体电动势有效值的两倍。,3、整距线圈感应电动势,两线圈边之间的距离称为节距，用y1表示。右图 y1 = ()为整距线圈。当y1时叫长距线圈，电机中一般不用长距线圈。,线圈一般由 NK 匝组成，NK=1 时是单匝线圈，NK1 时是多匝线圈。,3、整距线圈感应电动势,整距线圈基波电动势有效值为：,整距线圈电动势 eK1 的正方向规定为从尾端指向首端。,3次、5次、7次谐波电动势有效值分别为：,4、三相单层集中整距绕组,三相交流电是三相对称的，所谓三相对称是指三相基波电动势的最大值（有效值）一样大，在相位上互差 120°电角度用相量表示，三相的基波电动势分别为 、 、 。,4、三相单层集中整距绕组,根据需要三相对称绕组可联成星形或三角形，如右图。,为产生三相对称的基波电势，要求绕组是三相对称绕组。图（c）是最简单的三相对称绕组，每相只有一个整距线圈，所以又叫集中绕组。每槽只放一个线圈边，为单层绕组。,4、三相单层集中整距绕组,除基波电动势，还有一系列奇次谐波电动势。下面分析3次谐波电动势，三次谐波电动势幅值比基波电动势小，频率是基波的3倍。,对3次谐波电动势，三相电势相位上互差3×120°360°电角度，它们同相位，则三相的3次谐波电动势相等。,如右图，当三相绕组为Y联结时，3次谐波线电动势为零。,4、三相单层集中整距绕组,即Y联结时线电动势中没有3次谐波分量。同样，线电动势中也不存在3的倍数次谐波电动势。,如右图，当三相绕组为D联结时，在三角形回路里能产生电流 。,为各相的3次谐波阻抗。,4、三相单层集中整距绕组,3次谐波线电压为：,由此可见，不管三相对称绕组是Y联结还是D联结，线电压里都不存在3的倍数次谐波电压。,但对D联结的三相对称绕组，由于三角形回路里有电流，会引起附加损耗，降低电机效率，故现代大型同步发电机的电枢绕组多采用Y联结。,思考？,单层整距集中绕组能否满足交流绕组要求？ 答：不能。存在5、7、11次等高次谐波线电压，不能使线电压接近正弦，需想办法削去各高次谐波电势；此外集中绕组发热集中，散热困难。,§10-3 三相单层分布绕组,三相单层集中整距绕组运行时发热集中，散热困难，在实际电机中很少采用，而三相单层分布绕组用得较多，它能有效利用电枢表面空间，便于绕组散热。,单层绕组的优点是，嵌线方便；绕组分布能起到削弱电动势及磁动势中谐波的作用，从而提高了电机的性能。,1、电动势星形相量图,电动势星形相量图：按照相邻两导体的基波电动势相差 a 电角度的规律，把电枢上各槽内导体电动势分别用相量表示，这些相量构成一个辐射星形图。,电动势星形相量图是分析交流绕组的有效方法，下面我们用具体例子来说明。,1、电动势星形相量图,一台交流电机，转子极对数p2，定子上均匀分布了24个槽，即Q24，每槽放一根导体，由原动机拖动逆时针方向以n1恒速旋转，试画出电动势星形相量图。,先计算槽距角：,1、电动势星形相量图,顺转向看，导体1在空间超前导体24 30°电角度，因此导体1基波电动势相量在时间相量图上将滞后导体24 30°电角度。,1、电动势星形相量图,从电动势星形相量图可以看出： 电动势星形图的一个圆周的距离使用电角度3600，即一对磁极的距离。所以，1-12号相量和13-24重合，即有p对极星形相量图就要重复p次。,2、利用星形相量图安排单层分布绕组,60°相带（每极每相所占电角度)法：将星形图分成6等份，即每等份为60°电角度，这60°范围内的相量及其对应的导体将属于一相的。,为了分相带方便，先计算每极每相槽数q：,下面按相带的各相所属槽号写出顺序表。,注意：三相绕组在空间位置上彼此相隔120°电角度。每相绕组两线圈边隔180°电角度。,按相带的各相所属槽号的顺序表如下：,2、利用星形相量图安排单层分布绕组,2、利用星形相量图安排单层分布绕组,A相带的一个槽和 X 相带的一个槽嵌放一个整距线圈（元件）。如1 - 7，2 - 8，13 - 19，14 - 20。,A相带每对极两个线圈串联构成一个线圈组，q = 2，表示一个线圈组有两个相邻线圈串联。,2、利用星形相量图安排单层分布绕组,图10-17 单层绕组的一相绕组展开图,2、利用星形相量图安排单层分布绕组,如果要求发电机发出的电动势高，可以把属于同一相的线圈按照瞬时电动势叠加的规律串联起来，叫一路串联绕组。,如果要求发电机发出的总电流大些，可以采用并联绕组，即把A1、A2相联， X1、X2相联，成为两路并联绕组。两路并联绕组发出的电动势为A1X1线圈组的电动势，而发出的总电流则是每个并联支路电流的两倍。,怎样将同一相的线圈组组成一相绕组呢？,2、利用星形相量图安排单层分布绕组,对于单层绕组，一对极下6个相带可以组成3个线圈组，如果一个p对极电机，每相应有p个线圈组，可以根据需要将它们进行串并联。应该说明，单层绕组并联的最大支路数为ap。,单层绕组一个线圈有两根导体，每根导体嵌放在一个槽内，故三相单层绕组的线圈数等于总槽数的一半。,B相、C相的绕组联结方法与A相完全一样。,1、当 q = 3，p = 3，每相并联支路数 a = 1。 每相有多少个线圈组串联？ 每线圈组有多少线圈串联？ 每相有多少线圈串联？,答：每相有 3 个线圈组串联。 每线圈组有 3 个线圈串联。 每相有 9 个线圈串联。,例题,例题,2、三相单层绕组 q = 4，p = 4，并联支路数a = 4，问总槽数 Q为多少？,答：Q =q×p×3×2 = 4×4×3×2 = 96（槽）,B,每支路有4个线圈串联。,C,三相单层分布绕组小结,1、单层绕组为整距绕组；,2、每相每对极有一个线圈组；,3、一个线圈组有 q 个线圈串联；,4、p 对磁极，每相有 p 个线圈组；,5、各线圈组可以并联、串联，最大并联支路数 为 amax = p。,3、绕组相电动势计算、分布因数,1）整距分布线圈组的基波电动势,由上例可知，单层分布绕组中线圈组有 q 个整距线圈串联，它们分布在相邻槽中。 每个电动势相量相差 a (槽距角）相位。 所以线圈组的电动势等于 q 个串联线圈电动势的相量和。,注意：不是代数和 q Ey1。,q = 3 的线圈组,a,a,r,a,a,a,1）整距分布线圈组的基波电动势,r为多边形外接圆半径。,1）整距分布线圈组的基波电动势,1）整距分布线圈组的基波电动势,为基波分布因数，是一个小于1的数。即整距线圈分布时的总基波电动势比集中时的基波电动势小。,从感应基波电动势有效值大小上看，整距线圈分布时的线圈组的等效总匝数为 。,整距线圈分布时的线圈组的总基波电动势有效值为：,2）整距分布线圈组的谐波电动势,因此 次谐波的分布因数为：,整距线圈各基波电动势相量之间相位差为 ，各 次谐波电动势之间的相位差则变为 。,不难看出， 越大，分布因数越小，即采用分布绕组后，基波电动势有效值减小不多，高次谐波电动势有效值大大减小，可以改善电动势波形。,3）三相单层分布绕组相电动势的计算,（1）基波电动势,绕组的并联支路数用 a 表示，每相每条支路共有 p/a 个线圈组串联在一起，则每相基波电动势有效值为：,由前面分析可知，每对极下的线圈组的基波电动势有效值为： 。,式中N1为一相绕组串联匝数。,3）三相单层分布绕组相电动势的计算,（2）谐波电动势,每对极下每相的线圈组中谐波电动势有效值为：,各相谐波电动势有效值为：,§10-4 三相双层分布短距绕组,双层绕组是指定子的每个槽里放两个线圈边，每个线圈边为一层，故双层绕组的线圈总数等于定子槽数。,双层绕组的优点是线圈可以任意短距，如果短距设计得适当，对改善电动势波形有好处，所以现在容量在10KW以上得交流电机大都采用双层分布短距绕组。,1、短距线圈的电动势,1）基波电动势,右图为一短距线圈，线圈的节距 ，其中y为一大于0小于1的数。,导体及整个线圈的基波电动势相量图如左图， 分别是线圈两有效边导体的基波电动势相量。,1、短距线圈的电动势,1）基波电动势,由相量图得短距线圈的基波电动势相量为：,短距线圈的基波电动势有效值为：,1、短距线圈的电动势,当把线圈作成短距时，基波节距因数小于1，只有整距线圈时（y1）基波节距因数为1。,式中， 为基波节距因数。,2）谐波电动势,短距线圈的谐波电动势有效值为：,同前， 次谐波的节距因数为 。,2、三相双层分布短距绕组的安排,下面用一个具体例子来说明。,已知三相电机定子槽数Q=36,，2p=4，节距y1=7槽，并联支路数a=1，联成三相双层短距分布绕组联接图。,步骤如下：,（1）计算槽距角。,2、三相双层分布短距绕组的安排,右图为短距线圈基波电动势星形图。,（2）画基波电动势星形相量图。,注意：对双层绕组的基波电动势星形图，每个相量代表一个短距线圈的基波电动势，而不是导体电动势。,2、三相双层分布短距绕组的安排,每极每相槽数q为：,（3）按60°相带法分相。,y1=7槽，短距。,2、三相双层分布短距绕组的安排,（4）画绕组展开图。,首先根据给定线圈的节距，把属于同一线圈的上下层边连成线圈。如，第1槽的上层边与第8槽的下层边相联，叫第1线圈，把上层边在第2槽的线圈叫第2线圈，依此类推，如图10-22所示。,然后根据之前划分的相带，把每个相带里的线圈彼此串联起来，构成极相组。所谓极相组，即每相每极下由q个线圈串联组成的线圈组。图10-22仅画出了A相的极相组。,2、三相双层分布短距绕组的安排,（4）画绕组展开图。,图 10-22 三相双层短距分布绕组的一相绕组展开图。,2、三相双层分布短距绕组的安排,（5）确定绕组的并联支路数。,本例中要求a1，即把如图10-22中属于A相的4个极相组串联起来即可。,图10-22中每相有4个极相组，根据需要，可以把它们并联，也可以把它们串联起来。并联支路数最少是a1，最多是a4。双层绕组的并联支路数最多是a=2p。,3、三相双层分布短距绕组的电动势计算,1）基波电动势,短距线圈的基波电动势有效值为：,极相组基波电动势有效值为：,相绕组基波电动势有效值为：,3、三相双层分布短距绕组的电动势计算,1）基波电动势,式中N1为每相串联匝数：,为基波绕组因数：,3、三相双层分布短距绕组的电动势计算,2）谐波电动势,短距线圈 次谐波电动势有效值为：,相绕组 次谐波电动势有效值为：,极相组 次谐波电动势有效值为：,式中 是谐波次数； 是 次谐波的绕组因数。,q= 2，y = 5/6，三相双层，60°相带，求三次谐波和七 次谐波的短距系数和分布系数。,解：,例题：,例题：,比较：,例题：,总结：减少高次谐波电动势的方法,（一） 使主磁极对应的气隙不均匀，削弱谐波，改善主磁场分布,（二）采用短距绕组削弱高次谐波电动势,（三）采用分布绕组削弱高次谐波电动势,（四） 采用 Y 形接法消除 3次及 3 的奇倍次数谐波电动势,主极磁场正弦分布产生的基波电动势,主极磁场非正弦分布引起的谐波电动势,bp,a,Bm,（一） 使主磁极对应的气隙不均匀，削弱谐波，改善主磁场分布（正弦）,若 次谐波,则：,例如要消除 5 次谐波电动势， 等于 5。,（二）采用短距绕组削弱高次谐波 电动势,短距系数：,y1节距太短，不可取。,长节距，费铜材料。,（二）采用短距绕组削弱高次谐波 电动势,（二）采用短距绕组削弱高次谐波 电动势,结论：要想消除次谐波，应选比整距短了/的节距。,例如：q = 6,可见采用分布绕组，5 次、7 次谐波电动势削弱许多。,（三）采用分布绕组削弱高次谐波 电动势,3 次谐波相位差：,Y 形接法，线电动势中无 3 次谐波及3的奇倍次数谐波电动势（9，15 次）。,（四） 采用 Y 形接法消除 3 次及 3 的 奇倍次数谐波电动势,减少高次谐波电动势的方法,结论： 同步发电机一般采用Y接法，故选择绕组节距时主要考虑的是削弱5次和7次谐波（即y=5/6） 交流电机多采用三相双层短距分布绕组， Y接法。,S10-3 S10-5 S10-8 S10-9 X10-7 X10-23,本章习题,本章习题,某三相交流电机，为双层短距分布绕组，Q=36、 y4/5，Nk3、支路数a2、2p4，试计算： （1）每相每支路有多少个线圈串联？ （2）采用短距分布绕组后，5次、7次谐波电动势 相对于整距时分别被削弱了多少？,