第二篇交流電機的共同理論問題

1、第二篇交流電機的共同理論問題第1頁，共92頁，2022年，5月20日，20點32分，星期日 和變壓器相仿，在交流電機中要進行能量的轉(zhuǎn)換必須要有繞組。交流繞組盡管形式多樣，但其基本功能相同，即感應(yīng)電動勢、導通電流和產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，所以其構(gòu)成原則也基本相同。一般來說，對交流繞組有以下一些基本要求:（1）在一定的導體數(shù)下，有合理的最大繞組合成電動勢和磁動勢。（2）各相的相電動勢和相磁動勢波形力求接近正弦波，即要求盡量減少它們的高次諧波分量。（3）對三相繞組，各相的電動勢和磁動勢要求對稱（大小相等且相位上互差120），并且三相阻抗也要求相等。（4）繞組用銅量少，絕緣性能和機械強度可靠，散熱條件 （5）繞

2、組的制造、安裝和檢修要方便。第2頁，共92頁，2022年，5月20日，20點32分，星期日6.1.2 繞組的分類:由于交流電機應(yīng)用范圍非常廣，不同類型的交流電機對繞組的要求也各不相同，因此交流繞組的種類也非常多。其主要分類方法有：（1）按槽內(nèi)層數(shù)分，可分為單層和雙層繞組。其中，單層繞組又可分為鏈式、交叉式和同心式繞組；雙層繞組又可分為疊繞組和波繞組。（2）按相數(shù)分，可分為單相、兩相、三相及多相繞組。（3）按每極每相槽數(shù)，可分為整數(shù)槽和分數(shù)槽繞組。盡管交流繞組種類很多，但由于三相雙層繞組能較好地滿足對交流繞組的基本要求 ，所以現(xiàn)代動力用交流電機一般多采用三相雙層繞組。第3頁，共92頁，2022年

3、，5月20日，20點32分，星期日6.2 槽電動勢星形圖6.2.1 相關(guān)概念的介紹:（1）極對數(shù)：指電機主磁極的對數(shù)，通常用p表示。（2）電角度：在電機理論中，我們把一對主磁極所占的空間距離，稱為360的空間電角度。 （3）機械角度：一個圓周真正的空間角度為機械角度360。很明顯，電角度=極對數(shù)機械角度。（4）槽距角：相鄰兩槽間的距離用電角度表示，叫做槽距角，用 表示。第4頁，共92頁，2022年，5月20日，20點32分，星期日（5）極距：極距指電機一個主磁極在電樞表面所占的長度。其表示方法很多，可用槽數(shù)： 空間長度（6）每極每相槽數(shù)：在交流電機中，每極每相占有的平均槽數(shù)q是一個重要的參數(shù)，

4、如電機槽數(shù)為Z，極對數(shù)為p，相數(shù)為m。則得： q=1的繞組稱為集中繞組，q1的繞組稱為分布繞組。 第5頁，共92頁，2022年，5月20日，20點32分，星期日6.2.2 槽電動勢星形圖： 槽電動勢星形圖：當把電樞上各槽內(nèi)導體按正弦規(guī)律變化的電動勢分別用相量表示時，這些相量構(gòu)成一個輻射星形圖，槽電動勢星形圖是分析交流繞組的有效方法，下面我們用具體例子來說明。 例：下圖是一臺三相同步發(fā)電機的定子槽內(nèi)導體沿電樞內(nèi)圓周的分布情況，已知2p=4,電樞槽數(shù)Z=24,轉(zhuǎn)子磁極逆時針方向旋轉(zhuǎn)，試繪出槽電動勢星形圖。第6頁，共92頁，2022年，5月20日，20點32分，星期日解：先計算槽距角： 設(shè)同步電機的

5、轉(zhuǎn)子磁極磁場的磁通密度沿電機氣隙按正弦規(guī)律分布，則當電機轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)時，均勻分布在定子圓周上的導體切割磁力線，感應(yīng)出電動勢。由于各槽導體在空間電角度上彼此相差一個槽距角，因此導體切割磁場有先有后，各槽導體感應(yīng)電動勢彼此之間存在著相位差，其大小等于槽距角。 第7頁，共92頁，2022年，5月20日，20點32分，星期日第8頁，共92頁，2022年，5月20日，20點32分，星期日 從槽電動勢星形圖上我們可以看出： 槽電動勢星形圖的一個圓周的距離使用電角度3600，即一對磁極的距離。所以，112號相量和1324重合。一般來說,當用相量表示各槽的導體的感應(yīng)電動勢時,由于一對磁極下有Z/P個槽,因此

6、一對磁極下的Z/P個槽電動勢相量均勻分布在3600的范圍內(nèi),構(gòu)成一個電動勢星形圖.第9頁，共92頁，2022年，5月20日，20點32分，星期日6.3 三相單層繞組和雙層繞組 定義:定子或轉(zhuǎn)子每槽中只有一個線圈邊的三相交流繞組稱為三相單層繞組。一、相關(guān)概念: 1、 線圈（元件）：是構(gòu)成繞組的基本元件，它由Nc根線匝串聯(lián)而成，線圈中嵌放在槽內(nèi)的部分稱為有效線圈邊，線圈邊之間的連接部分稱為端部。如圖： Y1：線圈的第一節(jié)距，常用槽數(shù)來進行表示。 第10頁，共92頁，2022年，5月20日，20點32分，星期日y1 =，則稱線圈為整距線圈，y1為長距。2、單層繞組： 三相交流繞組由于每槽中只包含一個

7、線圈邊，所以其線圈數(shù)為槽數(shù)的一半。三相單層繞組比較適合于10KW以下的小型交流異步電機中，很少在大、中型電機中采用。3、 分類：按照線圈的形狀和端部連接方法的不同，三相單層繞組主要可分為鏈式、同心式和交叉式等型式。第11頁，共92頁，2022年，5月20日，20點32分，星期日第12頁，共92頁，2022年，5月20日，20點32分，星期日 介紹一個相關(guān)概念： 分相：由于繞組為三相繞組，因此還需把各槽導體分為三相，在槽電動勢星形圖上劃分各相所屬槽號。分相的原則是使每相電動勢最大，并且三相的電動勢相互對稱。通常三相繞組使用60分相法，即把槽電動勢星形圖6等分，每一等分稱為一個相帶，依次分別為A、

8、Z、B、X、C、Y相帶，如 下所示：第13頁，共92頁，2022年，5月20日，20點32分，星期日 相帶極數(shù) A Z B X C Y第一極數(shù) 1 23 45 67 89 1011 12第二極數(shù)13 1415 1617 1819 20 21 22 23 24第14頁，共92頁，2022年，5月20日，20點32分，星期日第15頁，共92頁，2022年，5月20日，20點32分，星期日 雙層繞組：指電機每一槽分為上下兩層，線圈（元件）的一個邊嵌在某槽的上層，另一邊安放在相隔一定槽數(shù)的另一槽的下層的一種繞組結(jié)構(gòu)。雙層繞組的線圈結(jié)構(gòu)和單層繞組相似，但由于其一槽可安放兩個線圈邊，所以雙層繞組的線圈數(shù)和

9、槽數(shù)正好相等。根據(jù)雙層繞組線圈形狀和連接規(guī)律，三相雙層繞組可分為疊繞組和波繞組兩大類。下面僅介紹疊繞組。第16頁，共92頁，2022年，5月20日，20點32分，星期日 疊繞式：任何兩個相鄰的線圈都是后一個“緊疊”在另一個上面，故稱為疊繞組。 雙層疊繞組的主要優(yōu)點在于：1）可以靈活地選擇線圈節(jié)距來改善電動勢和磁 動勢波形；2）各線圈節(jié)距、形狀相同，便于制造；3）可以得到較多的并聯(lián)支路數(shù)；4）可采用短距線圈以節(jié)約端部用銅。第17頁，共92頁，2022年，5月20日，20點32分，星期日主要缺點在于：1）嵌線較困難，特別是一臺電機的最后幾個線圈；2）線圈組間連線較多，極數(shù)多時耗銅量較大。一般10K

10、W以上的中、小型同步電機和異步電機及大型同步電機的定子繞組采用雙層疊繞組。下面我們通過具體例子來說明疊繞組的繞制方法。第18頁，共92頁，2022年，5月20日，20點32分，星期日三相交流電機Z=24，2p=4，試繪制a=2的三相雙層疊繞組展開圖。解：先計算：（2）畫出電動勢星形圖（3）分相第19頁，共92頁，2022年，5月20日，20點32分，星期日（4）繪制繞組展開圖: 將同一磁極下屬于同一相帶的線圈依次連成一個線圈組則A相可得四個線圈組，分別為1-2，7-8，13-14，19-20。同理B、C兩相也各有4個線圈組。四個線圈組的電動勢的大小相等，但同一相的兩個相帶中的線圈組電動勢相位相

11、反 .第20頁，共92頁，2022年，5月20日，20點32分，星期日第21頁，共92頁，2022年，5月20日，20點32分，星期日6.5 正弦分布磁場下繞組的電動勢在交流電機中，一般要求電機繞組中的感應(yīng)電動勢隨時間作正弦變化，這就要求電機氣隙中磁場沿空間為正弦分布。要得到完全嚴格的正弦波磁場很難實現(xiàn)，但是可以采取各種結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸使磁場盡可能接近正弦波，例如從磁極形狀、氣隙大小等方面進行考慮。在國家標準中，常用波形正弦性畸變率來控制電動勢波形的近似程度。本節(jié)首先研究在正弦分布磁場下定子繞組中感應(yīng)出的電動勢，我們先看一個導體內(nèi)的電動勢的大小，在看線圈內(nèi)的。第22頁，共92頁，2022年，5月2

12、0日，20點32分，星期日一、 導體電動勢： 當氣隙磁場的磁通密度B在空間按正弦波分布時，設(shè)其最大磁密為Bm1，則： B= Bm1sin 當導體切割氣隙磁場時：其中：所以導體電動勢的有效值為：第23頁，共92頁，2022年，5月20日，20點32分，星期日又因為正弦波磁通密度的平均值為：每極磁通為：都帶入上式： 這是一個導體內(nèi)的電動勢， 下面我們展開看線圈內(nèi)的。 第24頁，共92頁，2022年，5月20日，20點32分，星期日二、線圈電動勢和短距系數(shù)： 線圈一般由Nc匝構(gòu)成，當Nc=1時，為單匝線圈。1、單匝時： 稱為整距線圈。如圖所示：由于整距線匝兩有效邊感應(yīng)電動勢的瞬時值大小相等而方向相反

13、，故整距線匝的感應(yīng)電動勢為：y1= 第25頁，共92頁，2022年，5月20日，20點32分，星期日其有效值為：而對于 的短距線圈，其有效邊的感應(yīng)電動勢相量相位差 所以短距線匝的電動勢為： y1 IBNBkN1,則A、B兩相的磁動勢分別為:其中:第86頁，共92頁，2022年，5月20日，20點32分，星期日 可見,此時的A,B相繞組所產(chǎn)生 的磁動勢的大小并不相等,下面我們用空間矢量法來進行分析: 在t=90瞬間，仍將兩相磁動勢的基波各自分解為正、反向的兩個旋轉(zhuǎn)磁動勢，然后將每個旋轉(zhuǎn)磁動勢用一個旋轉(zhuǎn)的空間矢量來表示。第87頁，共92頁，2022年，5月20日，20點32分，星期日顯然，正轉(zhuǎn)合成

14、基波磁動勢是一個圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢。而反轉(zhuǎn)合成基波磁動勢等于 :反轉(zhuǎn)合成基波磁動勢仍為圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢。與前面對稱情況下不同的是這時反轉(zhuǎn)合成基波磁動勢的幅值不為零。第88頁，共92頁，2022年，5月20日，20點32分，星期日 既然在電機里同時存在著正、反轉(zhuǎn)合成基波磁動勢，就應(yīng)該把它們相加起來，從而得出 總磁動勢。由于 和 的旋轉(zhuǎn)方向相反， 因此只能在固定某個瞬間相加,如圖所見: *我們可以發(fā)現(xiàn)，合成磁動勢的軌跡是一個橢 圓，因此被稱為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢。當 和 同相時，為橢圓的長軸；當 和 反方向時為橢圓的短軸。第89頁，共92頁，2022年，5月20日，20點32分，星期日第90頁，共92頁，2022年，5月20日，20點32分，星期日 另外，橢圓形磁動勢的旋轉(zhuǎn)方向和正轉(zhuǎn)磁動勢的旋轉(zhuǎn)方向相同，即仍從電流領(lǐng)先相繞組向電流滯后相繞組旋轉(zhuǎn)。但橢圓型磁動勢的轉(zhuǎn)速不是均勻的，其平均轉(zhuǎn)速為第91頁，共92頁，2022年，5月20日