chap6交流電機(jī)繞組及其感應(yīng)電動(dòng)勢

交流電機(jī)的共同問題之,第六章 交流電機(jī)的繞組及其感應(yīng)電動(dòng)勢,交流電機(jī)的繞組,交流電機(jī)：產(chǎn)生或使用交流電能的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。 兩大類： 同步電機(jī)速度等于同步速 異步電機(jī)速度不等于同步速,同步速旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速,例：三相同步電機(jī)（磁極對數(shù)p=1),定子、轉(zhuǎn)子、空氣隙,設(shè)磁場在氣隙中按正弦分布,設(shè)轉(zhuǎn)子以恒定速度旋轉(zhuǎn) 定子繞組中所匝鏈的磁通按正弦規(guī)律變化，其感應(yīng)電勢按正弦規(guī)律變化。 由于各相匝數(shù)相等，從而各相電勢的大小相等，由于各相繞組空間分布彼此相距120，從而三相電勢時(shí)間相位差120滿足了三相電勢對稱要求。,三相電勢對稱,例： p=2,每相兩個(gè)線圈，a1-x1、a2-x2屬于a相，b1-y1、b2-y2屬于b相，c1-z1、c2-z2屬于c相。 各相的兩個(gè)線圈的分布： 空間上相距一對磁極 電勢看兩個(gè)線圈交鏈的磁通變化規(guī)律完全相同，因而感應(yīng)電勢完全相同（幅值一致，時(shí)間上同相位）。,例：三相異步電機(jī),電磁過程（圖例） 異步電動(dòng)機(jī)定子上有三相對稱的交流繞組； 三相對稱交流繞組通入三相對稱交流電流時(shí)，將在電機(jī)氣隙空間產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場； 轉(zhuǎn)子繞組的導(dǎo)體處于旋轉(zhuǎn)磁場中； 轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁力線，并產(chǎn)生感應(yīng)電勢，判斷感應(yīng)電勢方向。 轉(zhuǎn)子導(dǎo)體通過端環(huán)自成閉路，并通過感應(yīng)電流。 感應(yīng)電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生電磁力，判斷電磁力的方向。 電磁力作用在轉(zhuǎn)子上將產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，并驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。 根據(jù)以上電磁感應(yīng)原理，異步電動(dòng)機(jī)也叫感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。,交流繞組的基本概念,繞組：按一定規(guī)律排列和連接的線圈的總稱 要求磁勢和電勢的波形為正弦波形； 要求磁勢和電勢三相對稱，三相電壓對稱； 電力系統(tǒng)都有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)頻率，我國規(guī)定工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)頻率為50Hz。 在一定的導(dǎo)體數(shù)下，獲得較大的基波電勢和基波磁勢。,交流繞組的構(gòu)成原則,均勻原則：每個(gè)極域內(nèi)的槽數(shù)（線圈數(shù)）要相等，各相繞組在每個(gè)極域內(nèi)所占的槽數(shù)應(yīng)相等 每極槽數(shù)用極距表示 每極每相槽數(shù) 對稱原則：三相繞組的結(jié)構(gòu)完全一樣，但在電機(jī)的圓周空間互相錯(cuò)開120電角度。 如槽距角為，則相鄰兩相錯(cuò)開的槽數(shù)為120/。 電勢相加原則：線圈兩個(gè)圈邊的感應(yīng)電勢應(yīng)該相加；線圈與線圈之間的連接也應(yīng)符合這一原則。 如線圈的一個(gè)邊在N極下，另一個(gè)應(yīng)在S極下。,元件(線圈),術(shù)語1：電角度,磁場每轉(zhuǎn)過一對磁極，電勢變化一個(gè)周期，稱為（一個(gè)周期）360電角度。在電機(jī)中一對磁極所對應(yīng)的角度定義為360電角度。（幾何上，把一圓周所對應(yīng)的角度定義為360機(jī)械角度。） 磁極對數(shù)為p 圓周機(jī)械角度為360 電角度為 p*360 ,術(shù)語2：相帶,為了三相繞組對稱，在每個(gè)極面下每相繞組應(yīng)占有相等的范圍相帶。 每個(gè)極對應(yīng)于180電角度，如電機(jī)有m相，則每個(gè)相帶占有 電角度。三相電機(jī)m3，其相帶為60，按60相帶排列的繞組稱為60相帶繞組。,60相帶繞組 把每對極所對應(yīng)的定子槽等分為六個(gè)等分。依次稱為a、c、b、a、c、b相帶，各相繞組放在各自的相帶范圍內(nèi),術(shù)語3：每極每相槽數(shù)q,每個(gè)極面下每相占有的槽數(shù)。已知總槽數(shù)Z、極對數(shù)p和相數(shù)m為，則 q1分布繞組 整數(shù)槽繞組q為整數(shù) 分?jǐn)?shù)槽繞組q為分?jǐn)?shù),術(shù)語4：槽距角,相鄰兩槽之間的電角度 已知總槽數(shù)Z、極對數(shù)p p * 360 = Z,圓周的電角度,術(shù)語5：極距,相鄰兩磁極對應(yīng)位置兩點(diǎn)之間的圓周距離 幾何尺寸每極所對應(yīng)的定子內(nèi)圓弧長 設(shè)D為定子內(nèi)圓直徑。 槽數(shù)表示極距： 即基波磁場每極所對應(yīng)的槽數(shù),術(shù)語6：節(jié)距 y (跨距),表示元件的寬度。元件放在槽內(nèi)，其寬度可用元件兩邊所跨越的槽數(shù)表示。,分析工具：槽導(dǎo)體電勢星形圖 把電樞上各槽內(nèi)導(dǎo)體按正弦規(guī)律變化的電勢分別用矢量表示，構(gòu)成一輻射星形圖,相距360度電角度，導(dǎo)體電勢時(shí)間上同相位,三相單層繞組,單層每槽中只放置一層元件邊，元件數(shù)等于槽數(shù)的一半，無需層間絕緣，結(jié)構(gòu)和嵌線較簡單 單層繞組只適用于10kW以下的小型異步電動(dòng)機(jī)，其極對數(shù)通常是pl,2,3,4 單層繞組通常有鏈?zhǔn)?、交叉式和同心式等三種不同排列方式,單層繞組：構(gòu)造方法和步驟,分極分相: 將總槽數(shù)按給定的極數(shù)均勻分開（N,S極相鄰分布）并標(biāo)記假設(shè)的感應(yīng)電勢方向。 將每個(gè)極的槽數(shù)按三相均勻分開。三相在空間錯(cuò)開120電角度。 連線圈和線圈組： 將一對極域內(nèi)屬于同一相的某兩個(gè)圈邊連成一個(gè)線圈（共有q個(gè)線圈，為什么？） 將一對極域內(nèi)屬于同一相的q個(gè)線圈連成一個(gè)線圈組（共有多少個(gè)線圈組？） 以上連接應(yīng)符合電勢相加原則 連相繞組： 將屬于同一相的p個(gè)線圈組連成一相繞組，并標(biāo)記首尾端。 串聯(lián)與并聯(lián)，電勢相加原則。 連三相繞組： 將三個(gè)構(gòu)造好的單相繞組連成完整的三相繞組 接法或者Y接法。,例如：相數(shù)m3，極數(shù)2p4，槽數(shù)Z24 每極每相槽數(shù)q 2 槽距角 =30 極距=Z/2p=24/4=6,說明：,屬于a相8個(gè)槽，即l、2、7、8、13、14、19、20 根據(jù)槽導(dǎo)體電勢星形圖，按電勢相加原則構(gòu)成元件，每個(gè)元件都是整距，y=6槽，即每元件的跨距為6個(gè)槽，同為單層，每相每對極可以連接成一個(gè)元件組。 2對極，每相2個(gè)元件組，1728，13一19一1420。 元件組之間可串聯(lián)或并聯(lián)形成不同并聯(lián)支路數(shù) 單層繞組每相有p個(gè)元件組，如串聯(lián)方式連接，則并聯(lián)支路a1，相電勢E=pEq，相電流IIc。每相功率PEIpEqIc。,* 連成三相繞組,一、鏈?zhǔn)嚼@組,鏈?zhǔn)嚼@組適用于q=2，p1的小型異步電機(jī)。例如m3，p2，Z=24，q2，a=30,鏈?zhǔn)嚼@組的每個(gè)元件都是短距。從相電勢和磁勢角度看具有整距性質(zhì),二、交叉式繞組,交叉式繞組適用于q3的小型異步電機(jī) 例如：m3，p=2，q3。 定子槽數(shù)Z=2mpq=2*3*2*336 槽距角a=p*360/Z=20,屬于a相的元件有1、2、3、10、ll、12、19、20、21、28、29、30共12個(gè)元件邊,210，311相連，是節(jié)距為8的（大）線圈 1219相連，節(jié)距為7的（?。┚€圈 2028，2129相連，節(jié)距為8的大線圈 301相連，節(jié)距為7的小線圈。 依次二大一小交叉布置為交叉式繞組 b相和c相的連接規(guī)律與a相完全一樣，a=20，相間相差6個(gè)槽。如第2槽為a相首端，則b相首端是第8槽，c相首端是第14槽。,三、同心式繞組,對于pl的小型三相異步電動(dòng)機(jī)和單相異步電動(dòng)機(jī)，每極每相槽數(shù)q較大，采用同心式繞組嵌線,例如：m3，p=1，q4。則定子槽數(shù)Z=2mpq2*3*l*424，槽距角a15 屬于a相的有8個(gè)元件邊，把1與12相連構(gòu)成一個(gè)大線圈，2與11相連構(gòu)成一個(gè)小線圈。這一大一小組成一個(gè)同心式線圈組。13與24相連，14與23相連組成另一同心式線圈組。然后把兩個(gè)線圈組反向串聯(lián)，以保證電勢相加,屬于a相的有8個(gè)元件邊，把1與12相連構(gòu)成一個(gè)大線圈，2與11相連構(gòu)成一個(gè)小線圈。這一大一小組成一個(gè)同心式線圈組。13與24相連，14與23相連組成另一同心式線圈組。然后把兩個(gè)線圈組反向串聯(lián)，以保證電勢相加,在外形上有多種繞組型式：元件節(jié)距可以整距、短矩或長短，合理選用繞組型式，可以節(jié)省銅線，簡化工藝。 分析相電勢：采用槽電勢星形圖。繞組型式不同只不過是元件構(gòu)成方式不同、導(dǎo)體連接先后次序不同，而構(gòu)成繞組的導(dǎo)體所占的槽號是相同的，都在屬兩個(gè)相差180電角度的相帶內(nèi)，三相單層繞組的節(jié)距因數(shù)均為1，具有整距繞組性質(zhì) 優(yōu)點(diǎn)：繞組因數(shù)中只有分布因數(shù)，基波繞組因數(shù)較高，無層間絕緣，槽利用率高 缺點(diǎn)：對削弱高次諧波不利，無法改善電勢波形和磁勢波形，漏電抗較大 使用：一般用于10kW以下小功率電機(jī)。（功率較大或?qū)Σㄐ我筝^高的電機(jī)，通常采用雙層繞組。）,小結(jié)：三相單層繞組,三相雙層繞組,雙層每槽中有兩個(gè)元件邊，分為上下兩層放置?？拷劭诘臑樯蠈樱拷鄣撞繛橄聦?。每個(gè)元件均有一個(gè)邊放在上層，一個(gè)邊放在另一槽的下層，相隔距離取決于節(jié)距。 元件的總數(shù)等于槽數(shù)，每相元件數(shù)即為槽數(shù)的三分之一。,構(gòu)造方法和步驟（舉例：Z1=24,2p=4,整距,m=3) 分極分相: 將總槽數(shù)按給定的極數(shù)均勻分開（N,S極相鄰分布）并標(biāo)記假設(shè)的感應(yīng)電勢方向； 將每個(gè)極域的槽數(shù)按三相均勻分開。三相在空間錯(cuò)開120電角度。 連線圈和線圈組： 根據(jù)給定的線圈節(jié)距連線圈（上層邊與下層邊合一個(gè)線圈） 以上層邊所在槽號標(biāo)記線圈編號。 將同一極域內(nèi)屬于同一相的某兩個(gè)圈邊連成一個(gè)線圈（共有q個(gè)線圈，為什么？） 將同一極域內(nèi)屬于同一相的q個(gè)線圈連成一個(gè)線圈組（共有多少個(gè)線圈組？） 以上連接應(yīng)符合電勢相加原則 連相繞組： 將屬于同一相的2p個(gè)線圈組連成一相繞組，并標(biāo)記首尾端。 串聯(lián)與并聯(lián)，電勢相加原則。 按照同樣的方法構(gòu)造其他兩相。 連三相繞組 將三個(gè)構(gòu)造好的單相繞組連成完整的三相繞組 接法或者Y接法,例：設(shè)相數(shù)m3，極數(shù)2p4，槽數(shù)Z24，則每極每相槽數(shù)q2，槽距角a30 步驟： 繪槽電勢星形圖 分相使各相電勢最大，且三相電勢對稱 繪繞組元件平面展開圖 首先畫出等距離的24根平行線段以表示槽號表示各元件的上層邊。在實(shí)線近旁畫出虛線以表示下層元件邊。把各槽按順序編號，取槽號作為上層邊的代號，取槽號加注上標(biāo)作為下層邊代號。,整矩繞組：跨距y6，每個(gè)元件的上層邊與下層邊相距6個(gè)槽。例如第l槽的上層邊應(yīng)與第7槽的下層邊接成一個(gè)元件。同理2-8，3-9，4-10，.相連，共計(jì)有24個(gè)元件。,a相8個(gè)元件分成4個(gè)元件組，各元件組的連接規(guī)律為l-7-2-8，7-13-8-14，13-19-14-20，19-1-20-2，分別用I、表示。,當(dāng)磁場切割繞組時(shí)，該四個(gè)元件組的電勢大小相等，I、組電勢時(shí)間上同相，、IV組電勢與I、組電勢反相。 各元件組可以串聯(lián)、并聯(lián)、或一半串聯(lián)后再并聯(lián)。相繞組可以有不同連接方式，當(dāng)通以電流形成4極磁場。,短距繞組,取y5，每個(gè)元件跨5個(gè)槽，a相的4個(gè)元件組，分別是l-6-2-7，7-12-8-13，13-18-14-19，19-24-20-l,短距時(shí)，在某些槽中，其上層元件邊與下層元件邊可能不屬一相，在這些槽中，上層與下層之間有較大電位差，應(yīng)加強(qiáng)層間絕緣。 短距時(shí)，同一相的上、下層導(dǎo)體錯(cuò)開了一個(gè)距離，用短距角表示，表示一個(gè)元件的上層導(dǎo)體電勢和下層導(dǎo)體電勢的相位差是180-電角度，合成電勢時(shí)應(yīng)計(jì)及節(jié)距因數(shù)kp。,正弦磁場下繞組的感應(yīng)電勢,元件電勢 元件組電勢 繞組相電勢 1單層繞組 2雙層繞組,一、元件的電勢,電勢決定于磁場的大小與分布以及磁場與元件間的相對運(yùn)動(dòng) 設(shè)氣隙磁場按正弦規(guī)律分布，則每極磁通 氣隙磁場每轉(zhuǎn)過一對磁極，線圈中的電勢便經(jīng)歷一個(gè)周期。電勢的頻率用每秒轉(zhuǎn)過的磁極對數(shù)表示。 極對數(shù)p，轉(zhuǎn)速n (r/min)，則頻率,t=0,元件匝鏈一個(gè)磁極的全部磁通,元件中的感應(yīng)電勢 e=-Nd/dt,設(shè)元件匝數(shù)為Nc，感應(yīng)電勢的瞬時(shí)值為 有效值,元件中的感應(yīng)電勢 e=Blv,設(shè)原點(diǎn)在轉(zhuǎn)子上B=0處， 即t=0時(shí)，B=0 分析導(dǎo)體a t=0時(shí)，Ba=0，ea=Balv 經(jīng)過時(shí)間t，轉(zhuǎn)動(dòng)了t，Ba=Bmsint， ea=Balv= Bmlvsint 有效值,整距線圈 導(dǎo)體a與導(dǎo)體a相距一個(gè)極距，即180電角度， 元件電勢為,ea=Balv= Bmlvsint,短距線圈 導(dǎo)體a與導(dǎo)體a相距非一個(gè)極距（差一短距角） 元件電勢為,Ea,Ea,-Ea,Eaa,短距元件電勢,短距元件的電勢小于整距元件的電勢 設(shè)短距角為電角度 節(jié)距因數(shù),二、元件組電勢,電機(jī)采用分布繞組，每元件組有q個(gè)元件，元件組電勢即為q個(gè)元件的電勢之和。 通常各元件匝數(shù)相等，所以各元件電勢的幅值相等，由于各元件空間位置依次相位差a電角度，各元件電勢的時(shí)間相位差也為a角度。,p=3的元件組,分布因數(shù) kd,元件組各電勢的相量和與代數(shù)和的比值,元件組電勢,繞組因數(shù)kN=kdkp，反映分布和短距對電勢的影響 Ncq為一個(gè)元件組串聯(lián)匝數(shù),三、繞組的相電勢,1單層繞組 每對極每相有一個(gè)元件組 p對極電機(jī)，每相有p個(gè)元件組，可以串聯(lián)、并連或混合連接。如有a條并聯(lián)支路，則每相電勢為 單層繞組每相串聯(lián)匝數(shù),繞組的相電勢,2雙層繞組 每對極每相有2個(gè)元件組 p對極電機(jī)，每相有2p個(gè)元件組，可以串聯(lián)、并連或混合連接。有a條并聯(lián)支路 雙層繞組每相串聯(lián)匝數(shù),每相串聯(lián)匝數(shù),設(shè)每槽導(dǎo)體數(shù)為S，對單層繞組Nc=S，雙層Nc=S/2 N為每相實(shí)有串聯(lián)匝數(shù) NkN為有效串聯(lián)匝數(shù)，kN反映繞組因采用短距和分布而使每相電勢減小的程度,感應(yīng)電勢與繞組匝鏈磁通的相位關(guān)系,即感應(yīng)電勢在時(shí)間上滯后磁通 90。 變壓器：主磁通本身隨時(shí)間變化 旋轉(zhuǎn)電機(jī)：氣隙磁密波大小不變，隨時(shí)間繞繞組而旋轉(zhuǎn),繞組因數(shù)計(jì)算舉例,電機(jī)每極下有9槽，試計(jì)算下列情況下的繞組分布因數(shù) （1）繞組分布在9槽中； （2）繞組占每極2/3槽（即120相帶）； （3）三個(gè)相等繞組分布在60 相帶中。,解：由題中條件，即q=9 （1）繞組分布在槽中，則槽距角為 分布因數(shù),解：（2）120 相帶，q=6，q=120 ， =20 分布因數(shù),解：（3）三相繞組60 相帶，q=9/3=3，q=60 ， =20 分布因數(shù),非正弦磁場下 繞組的感應(yīng)電勢,以三相凸極同步電機(jī)為例 磁場是由轉(zhuǎn)子電流激勵(lì)產(chǎn)生的 氣隙磁通密度實(shí)際是一個(gè)平頂波，可分解出基波和各奇次諧波(由于對稱性) 基波磁場和各次諧波磁場均隨轉(zhuǎn)子而旋轉(zhuǎn) 在定子繞組中不僅感應(yīng)基波電勢，還感應(yīng)有各次諧波電勢。,1,諧波電勢,例6-2 p102,諧波電勢的影響,高次諧波電勢對電勢大小影響較小 主要影響電勢的波形 在基波電勢上疊加有高次諧波電勢使波形變壞 引起發(fā)電機(jī)損耗增加，溫升增高、效率降低。 在輸電線路上，諧波電勢產(chǎn)生高頻干擾