安徽大學(xué)電機(jī)學(xué)第二篇-交流電機(jī)的共同理論上半部

1、第6章 交流電機(jī)的電樞繞組及其電動(dòng)勢(shì)第7章 交流繞組的磁動(dòng)勢(shì),第二篇 交流電機(jī)理論的共同問(wèn)題,第6章 交流電機(jī)的電樞繞組及其電動(dòng)勢(shì),6.1 交流繞組的要求和分類(lèi) 6.2 槽電動(dòng)勢(shì)星形圖 6.3 三相單層繞組（難點(diǎn)） 6.4 三相雙層繞組（難點(diǎn)） 6.5 氣隙磁場(chǎng)正旋分布時(shí)繞組的電動(dòng)勢(shì)（重點(diǎn)） 6.6 非正弦分布磁場(chǎng)下電動(dòng)勢(shì)高次諧波及其削弱方法,6.1 交流繞組的要求和分類(lèi),(1) 電動(dòng)勢(shì)和磁動(dòng)勢(shì)的勢(shì)波形要盡量接近正弦波， 諧波含量要盡量小。 (2) 三相繞組的電動(dòng)勢(shì)、磁動(dòng)勢(shì)要對(duì)稱(chēng)，電阻、電 抗要平衡。 (3) 繞組利用率要高。在繞組用銅量一定時(shí)，要獲得較大的基波電動(dòng)勢(shì)和磁動(dòng)勢(shì)；在電動(dòng)勢(shì)、磁動(dòng)勢(shì)

2、要求一定時(shí)，用銅量要節(jié)省，銅耗要小。 (4) 絕緣可靠，機(jī)械強(qiáng)度高，散熱條件好，制造方便。,交流繞組的分類(lèi):,按繞法分類(lèi) 疊繞組、波繞組 按槽內(nèi)層數(shù)分類(lèi) 單層繞組、雙層繞組 按相數(shù)分類(lèi) 單相繞組、三相繞組、多相繞組,三相交流繞組模型,A相軸,C,A,B,Z,Y,X,B相軸,C相軸,A,B,C,定子繞組,定子鐵心和繞組:,S,S,N,N,三相交流繞組構(gòu)成（單層繞組）,1個(gè)線(xiàn)圈 (Nc匝),1個(gè)線(xiàn)圈組 (q個(gè)線(xiàn)圈),單匝線(xiàn)圈 (2根導(dǎo)體),1根導(dǎo)體,A,X,Nc=4,q=3,2p=4,1相繞組總匝數(shù)pqNc,極相組,疊繞組線(xiàn)圈,多匝線(xiàn)圈,單匝線(xiàn)圈,散 嵌 線(xiàn) 圈,成 型 線(xiàn) 圈,（1）三相交流繞組

3、的術(shù)語(yǔ),相數(shù)：m=3 槽數(shù)：Q=36 極數(shù)：2p=4 極距：=Q/2p=9（槽） 每極每相槽數(shù)：q=Q/2mp=/m=3（槽） 注意：q=1稱(chēng)為集中繞組；q1稱(chēng)為分布繞組 機(jī)械角度：實(shí)際幾何角度 電角度：電角度=p機(jī)械角度 定子導(dǎo)體中感生電勢(shì)變化所對(duì)應(yīng)的角度。定子導(dǎo)體中電勢(shì)變化一個(gè)周期，為360o電角度。對(duì)于p對(duì)極，機(jī)械上旋轉(zhuǎn)一周，導(dǎo)體電勢(shì)變化p個(gè)周期。,6.2 槽電動(dòng)勢(shì)星形圖,槽距機(jī)械角度：0=360/Q=10 槽距電角度：=p360/Q=20(槽距角),槽電動(dòng)勢(shì)星形圖：把電樞上各槽內(nèi)導(dǎo)體感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)用相量表示，所構(gòu)成的星狀圖。,相帶：每極下每相所占的區(qū)域。 將360度圓周分成六等分，每等分占

4、60度，稱(chēng)為60度相帶。這種分法可以保證三相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)稱(chēng)，且合成電動(dòng)勢(shì)較大，是常用的方法。 也可以將360度圓周分成三等分，每等分占120度，稱(chēng)為120度相帶，但這種分法獲得的電動(dòng)勢(shì)較小，不常用。,16,槽電動(dòng)勢(shì)星形圖與繞組相帶,60相帶繞組,120相帶繞組,節(jié)距：線(xiàn)圈元件的兩邊所跨過(guò)的（圓周）距離稱(chēng)為節(jié)距（第一節(jié)距）,節(jié)距y1=：整距線(xiàn)圈 節(jié)距y1：長(zhǎng)距線(xiàn)圈,6.3三相單層繞組,每槽中只放一條線(xiàn)圈邊的繞組為單層繞組。優(yōu)點(diǎn)：線(xiàn)圈數(shù)少、制造工時(shí)省、無(wú)槽內(nèi)絕緣、槽利用率高。缺點(diǎn)：不能利用短距來(lái)削弱電動(dòng)勢(shì)和磁動(dòng)勢(shì)諧波，槽漏抗大。 按照線(xiàn)圈形狀和端部接法不同分為：鏈?zhǔn)健⑼氖胶徒徊媸饺N。 例1：已

5、知一交流電機(jī)定子槽數(shù)Z24，極數(shù)2p=4，并聯(lián)支路數(shù)a=1，試?yán)L制三相單層繞組展開(kāi)圖。,解：,2、畫(huà)出槽電動(dòng)勢(shì)星形圖,1、主要參數(shù),3、分相,4、繪制繞組,N,N,S,S,Z,A,X,B,Y,C,單層疊繞組,A,X,B,Y,C,Z,N,S,N,S,單層鏈?zhǔn)嚼@組,比較：,N,S,N,S,A,X,同心式繞組,例2：已知一交流電機(jī)定子槽數(shù)Z36，極數(shù)2p=4，并聯(lián)支路數(shù)a=1，試?yán)L制三相單層繞組展開(kāi)圖。,注意：,雖然從表面上看，有些線(xiàn)圈為長(zhǎng)距線(xiàn)圈，有些為短距線(xiàn)圈，但是從總體上看，這幾種聯(lián)接方式都是從“疊繞”變換過(guò)來(lái)，實(shí)際上都是整距分布繞組。因此，各相最大并聯(lián)支路數(shù)等于極對(duì)數(shù)。,6.4 三相雙層繞組,

6、三相雙層繞組指電機(jī)每一槽分為上下兩層，線(xiàn)圈的一個(gè)邊嵌在某個(gè)槽的上層，另外一邊安放在相隔一定槽數(shù)的另外一個(gè)槽的下層的一種繞組結(jié)構(gòu)。其線(xiàn)圈數(shù)和槽數(shù)相等。槽電動(dòng)勢(shì)星圖中數(shù)字代表線(xiàn)圈而不是導(dǎo)體。 主要分為：疊繞組和波繞組兩大類(lèi)。,6.4.1 疊繞組,特點(diǎn)：兩個(gè)相臨線(xiàn)圈都是后一個(gè)“緊疊”在另外一個(gè)上面，故稱(chēng)疊繞組。 優(yōu)點(diǎn)：1）可以靈活地選擇線(xiàn)圈節(jié)距來(lái)改善電動(dòng)勢(shì)和磁 動(dòng)勢(shì)波形；2）各線(xiàn)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(xiàn)圈以節(jié)約端部用銅。 缺點(diǎn)：1）嵌線(xiàn)較困難，特別是一臺(tái)電機(jī)的最后幾個(gè)線(xiàn)圈； 2）線(xiàn)圈組間連線(xiàn)較多，極數(shù)多時(shí)耗銅量較大。 一般10KW以上的中、小型同步電

7、機(jī)和異步電機(jī)及大型同步電機(jī)的定子繞組采用雙層疊繞組。,例：一臺(tái)三相交流電機(jī)，已知Z=24,2p=4，繪制a=2的三相雙層疊繞組展開(kāi)圖。,并聯(lián)支路：,N,N,S,S,a=2,A,X,整距繞組y=6,N,N,S,S,a=1,a=2,A,X,短距繞組y=5,6.4.2 波繞組,波繞組連接特點(diǎn)是把所有同一極性下（N或S極）屬于同一相的線(xiàn)圈按一定順序串聯(lián)起來(lái)組成一個(gè)線(xiàn)圈組。常用在多極、支路導(dǎo)線(xiàn)截面積較大的交流電機(jī)，可節(jié)約極間連接用銅線(xiàn)。 不管極對(duì)數(shù)多少，其一相下有且只有兩個(gè)線(xiàn)圈組，可以進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)，構(gòu)成相繞組。連接的項(xiàng)圈呈波浪形前進(jìn)，故稱(chēng)為波繞組。,6.5 正弦分布磁場(chǎng)下繞組的電動(dòng)勢(shì),在交流電機(jī)中，一

8、般要求電機(jī)繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間作正弦變化，這就要求電機(jī)氣隙中磁場(chǎng)沿空間為正弦分布。要得到完全嚴(yán)格的正弦波磁場(chǎng)很難實(shí)現(xiàn)，但是可以采取各種方法使磁場(chǎng)盡可能接近正弦波。在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，常用波形正弦性畸變率來(lái)控制電動(dòng)勢(shì)波形的近似程度。,6.5.1 導(dǎo)體電動(dòng)勢(shì) 當(dāng)磁場(chǎng)為正弦分布時(shí)，,導(dǎo)體中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間也按正弦規(guī)律變化，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小為：,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值為：,對(duì)于正弦分布磁場(chǎng)，每極磁通為：,用磁通表示的磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大幅值為：,導(dǎo)體相對(duì)于磁場(chǎng)的速度為：,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率為：,導(dǎo)體感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值：,為磁場(chǎng)相對(duì)于導(dǎo)體的轉(zhuǎn)速,6.5.2 線(xiàn)圈電動(dòng)勢(shì)和短距系數(shù),整距線(xiàn)圈的電動(dòng)勢(shì),單匝線(xiàn)圈電勢(shì)：,

9、單匝線(xiàn)圈電動(dòng)勢(shì)的有效值：,線(xiàn)圈有 匝，則線(xiàn)圈電動(dòng)勢(shì)為,短距線(xiàn)圈的節(jié)距 ，用電角度表示時(shí)，節(jié)距為:,單匝線(xiàn)圈的電動(dòng)勢(shì)為,據(jù)相量圖中的幾何關(guān)系，得單匝線(xiàn) 圈電動(dòng)勢(shì)。,為線(xiàn)圈的基波節(jié)距因數(shù)，表示線(xiàn)圈短距時(shí)感應(yīng) 電動(dòng)勢(shì)比整距時(shí)應(yīng)打的折扣：,其有效值 為:,有Nc匝時(shí)：,6.5.3 線(xiàn)圈組電動(dòng)勢(shì)和分布系數(shù),由于每極（雙層）或每對(duì)極（單層）下有q個(gè)線(xiàn)圈串聯(lián)，組成線(xiàn)圈組，因此線(xiàn)圈組電動(dòng)勢(shì)等于q個(gè)串聯(lián)線(xiàn)圈電動(dòng)勢(shì)之和。,分析一個(gè)極相組內(nèi)q個(gè)線(xiàn)圈的合成電動(dòng)勢(shì)Eq1,Ey2,Ey1,Ey3,極相組的合成電動(dòng)勢(shì),槽距角為a,Ey1,Ey2,Ey3,q個(gè)線(xiàn)圈的合成電動(dòng)勢(shì)Eq1為,式中， 外接圓半徑。,把R代入上式，得,

10、Ey1,Ey2,Ey3,由,可得：,6.5.4 相電動(dòng)勢(shì)和線(xiàn)電動(dòng)勢(shì)： 在多極電機(jī)中每相繞組均由處于不同極下一系列線(xiàn)圈組構(gòu)成，這些線(xiàn)圈組既可串聯(lián)，也可并聯(lián)。此時(shí)繞組的相電動(dòng)勢(shì)等于此相每一并聯(lián)支路所串聯(lián)的線(xiàn)圈組電動(dòng)勢(shì)之和。,如果設(shè)每相繞組的串聯(lián)匝數(shù)（即每一并聯(lián)支路的總匝數(shù)）為N，每相并聯(lián)支路數(shù)為a時(shí)，相電動(dòng)勢(shì)為：,6.6 非正弦分布磁場(chǎng)下電動(dòng)勢(shì)中的高次諧波及其削弱方法,6.1 磁極磁場(chǎng)非正弦分布所引起的諧波電動(dòng)勢(shì),相電動(dòng)勢(shì)：,線(xiàn)電動(dòng)勢(shì)：,連接：,連接：,交流發(fā)電機(jī)一般采用,高次諧波電動(dòng)勢(shì)的危害：,使發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)波形變壞，影響供電質(zhì)量； 使發(fā)電機(jī)附加損耗增加，效率降低，溫升增高； 使感應(yīng)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生

11、有害的附加轉(zhuǎn)矩和損耗； 對(duì)附近的通訊線(xiàn)路產(chǎn)生電磁干擾； 可能引起輸電線(xiàn)路諧振，引起輸電線(xiàn)路的過(guò)電壓。,6.2.2 磁場(chǎng)非正弦分布引起的諧波電動(dòng)勢(shì)削弱方法,（1）使氣隙磁場(chǎng)沿著電樞表面盡量接近正弦 （2）利用三相對(duì)稱(chēng)繞組的連接來(lái)消除電動(dòng)勢(shì)中的3次及其倍數(shù)次奇次諧波電動(dòng)勢(shì)。,（3）采用短距繞組削弱高次諧波電動(dòng)勢(shì),為了同時(shí)兼顧削弱5次和7次諧波電動(dòng)勢(shì)，一般?。簓15/6,（4）采用分布繞組來(lái)削弱高次諧波電動(dòng)勢(shì),三相60度相帶整數(shù)槽繞組分布因數(shù),電樞鐵心表面開(kāi)有槽，尤其大型電機(jī)幾乎都是開(kāi)口槽，使得氣隙磁通的波形會(huì)受到電樞齒槽的影響（齒下氣隙較小，磁導(dǎo)大；而槽口處氣隙較大，磁導(dǎo)?。瑥亩绊戨姌欣@組感應(yīng)

12、電動(dòng)勢(shì)波形，產(chǎn)生較強(qiáng)的齒諧波。,（5）采用斜槽或分?jǐn)?shù)槽來(lái)削弱齒諧波電動(dòng)勢(shì),對(duì)同步發(fā)電機(jī)的空載電勢(shì)波形進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在q為整數(shù)的時(shí)候，存在次數(shù)為 齒諧波，其中次數(shù)為(Q/p)1=2mq1的高次諧波(一階齒諧波)較強(qiáng)；對(duì)氣隙較小的小型同步發(fā)電機(jī)，這種諧波更加突出。這就是所謂的“齒諧波”電動(dòng)勢(shì)。 齒諧波與基波有相同的短距系數(shù)和分布系數(shù)。,增大q值，使齒諧波次數(shù)增高，其影響就較小。汽輪發(fā)電機(jī)由于極數(shù)少，q值大，所以齒諧波影響不大；水輪發(fā)電機(jī)q值小，又不易增大，需采用其他措施。 斜槽削弱諧波 “斜槽”是將電樞齒槽沿軸向扭斜一定 的距離，使每根導(dǎo)體各部分感應(yīng)的齒諧 波電動(dòng)勢(shì)相位不同，相互抵消一部分， 從而

13、大大削弱齒諧波電動(dòng)勢(shì)；當(dāng)然也會(huì) 影響基波和其他諧波成分。,將槽內(nèi)導(dǎo)體看作是由無(wú)窮多（n）短直導(dǎo)體串聯(lián)構(gòu)成，每?jī)筛噜彾讨睂?dǎo)體的電動(dòng)勢(shì)之間有一個(gè)極小的相位差（0），再依照繞組分布系數(shù)的推導(dǎo)方法可得斜槽系數(shù)的表達(dá)式。,整根導(dǎo)體扭斜的電角度：,用導(dǎo)體扭斜的距離表示：,次諧波斜槽系數(shù)：,采用斜槽（消除v次諧波的條件）：,且,消除(2mq+1)次齒諧波：,消除(2mq-1)次齒諧波：,同時(shí)削弱兩種齒諧波：,通常，斜槽斜一個(gè)齒距！,分?jǐn)?shù)槽來(lái)削弱,在大容量低轉(zhuǎn)速電機(jī)中，q不可能太大，通常采用分?jǐn)?shù)槽繞組來(lái)削弱諧波。 由于q為分?jǐn)?shù)，則齒諧波的次數(shù)一般都是分?jǐn)?shù)或偶數(shù)，而主極磁場(chǎng)中僅含有奇次諧波，從而避免了出現(xiàn)齒諧波電動(dòng)勢(shì)。 分析表明，分?jǐn)?shù)槽繞組對(duì)其他高次諧波也有較好的抑制作用，大大改善電動(dòng)勢(shì)波形。,2mq1,例題：1.為了消除相電動(dòng)勢(shì)中5次諧波，如果采用短距方法