电机学电子讲稿2010-4交流绕组.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第四章 交流绕组,二一年,电机学课程讲稿,胡雪松,huxs,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,1/3,4.1.1,同步发电机工作原理,导体感应电势,2/3,4.1.1,同步发电机工作原理,“同步”的含义,3/3,4.1.2,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,4.2.4,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,在相同的导体数下能获得较大的电动势和磁动势,电动势与磁动势的波形尽量接近正弦波,对多相绕组，要求各相绕组对称,导体应具有一定的截面积，以承受足够的电流,绕组有一定的绝缘强度，以承受足够的电压,运行中有良好的散热性能,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,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。,1/8,4.2.4,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,q,3/8,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,y,1,7/8,一个元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,y,1,=,短距绕组,y,1,4.2.4,基本术语,合成节距,y,8/8,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。,1/3,4.3.1,双层叠绕组,双层叠绕组示例,2/3,Q=24，2p=4，y,1,=5/6,4.3.1,双层叠绕组,双层叠绕组的特点,3/3,最多并联支路数为,2,p,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,2/4,Q=24，2p=4，y,1,=5/6,4.3.2,双层波绕组,联结过程,3/4,4.3.2,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,4.4.3,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,1/6,4.4.1,导体的电动势,气隙磁场基波,2/6,4.4.1,导体的电动势,导体感应电势瞬时值,3/6,4.4.1,导体的电动势,每极,磁通量,4/6,4.4.1,导体的电动势,导体切割磁场的线速度,5/6,4.4.1,导体的电动势,导体电动势有效值,6/6,4.4.2,整距线圈的电动势,单匝,线圈的电动势,1/2,4.4.2,整距线圈的电动势,多匝线圈的电动势,2/2,4.4.3,短距线圈的电动势,多匝短距线圈的电动势,1/2,4.4.3,短距线圈的电动势,基波节距因数（基波短距系数）,2/2,4.4.4,极相组的电动势,极相组内元件电动势的叠加,1/3,4.4.4,极相组的电动势,基波分布因数（基波分布系数）,2/3,4.4.4,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,2/9,4.5.1,整距元件的磁动势,整距元件磁动势分布规律,3/9,4.5.1,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,5/9,4.5.1,整距元件的磁动势,整距元件磁动势的傅里叶分解,6/9,4.5.1,整距元件的磁动势,整距元件磁动势的基波幅值,7/9,4.5.1,整距元件的磁动势,整距元件磁动势分解示意图,8/9,4.5.1,整距元件的磁动势,整距元件磁动势动画,9/9,4.5.2,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,3/4,4.5.2,整距元件极相组的磁动势,磁动势的基波分布因数,4/4,4.5.3,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,1/4,4.5.4,短距分布绕组每相磁动势,双层短距绕组等效联结图,2/4,4.5.4,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,3/4,4.5.4,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,4/4,4.5.5,脉振磁动势的分解,分解的公式表达,1/3,4.5.5,脉振磁动势的分解,分解的波形表达,2/3,4.5.5,脉振磁动势的分解,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,2/8,4.6.1,基波磁动势的合成,A,相脉振磁动势的分解,3/8,4.6.1,基波磁动势的合成,B,相脉振磁动势的分解,4/8,4.6.1,基波磁动势的合成,C,相脉振磁动势的分解,5/8,4.6.1,基波磁动势的合成,三相合成磁动势,6/8,4.6.1,基波磁动势的合成,三相合成磁动势的幅值,7/8,4.6.1,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,1/10,4.6.3,谐波磁动势简介,三相绕组合成,次谐波磁动势,2/10,5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-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。,