ch16A 交流绕组及电势
合集下载
交流电机电枢绕组的电动势与磁通势
B
Z A
X Y
C C
Y
X
A
Z
B
二、交流绕组的排列和联接
3、确定相带 每个极距内有一个组，每个组内含有的槽 数即为每极每相槽数 q Q1 2 pm 2 。每个 极距内属于同相槽所占有的区域称为“相 带”。可见，每个相带为60度电角度。 4、画定子槽的展开图
1 23 4 56
910 17 21 15 13 18 22 14 16 19 23 11 12 20 24
Bm L
相电动势求出以后，根据星形或三角形的接法，可以求出线电动势。
三相六极异步电动机，额定频率50Hz。已 知定子槽数36，绕组为单层整距分布绕组， 每相两条支路，每个线圈的匝数为40匝， 每相绕组的基波感应电势为200V，求每极 磁通量。
Q 36 q 2 2 pm 2 3 3
1三相基波合成磁动势是一个旋转磁动势转速为同步转速旋转方向决定于电流的相序即从超前电流相转到滞后电流相二三相绕组的磁动势旋转磁动势当对称三相绕组中通过对称三相电流时所建立的三相基波合成磁动势的性质如下
交流电机电枢绕组的 电动势与磁通势
电枢
是电机中机电能量转换的关键部分。 直流电机电枢：转子 交流电机电枢：定子
交流电机电枢绕组的要求
能感应出有一定大小而波形为正弦的电动势 三相电机：三相电动势对称 因此，电枢绕组每一个线圈除了有一定的匝数
外，还要在定子内圆空间按一定的规律分布与 连接。 安排绕组时，既能满足电动势要求，又能满足 绕组产生磁通势的要求。
6.1 交流电机电枢绕组的电动势
本节讨论：由正弦分布、以同步转速旋转的旋转磁场在定子绕 组中所感应产生的电动势。
交流电机的绕组、电动势和磁动势
N极面
S极面
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
N
NS
S
N
S
A
X
单层绕组的特点： (1)最大并联支路数等于极对数； (2)不能利用短距绕组消除高次谐电势和磁势； (3)线圈数少，绕线和嵌线的工时少； (4)无层间绝缘，下线方便，槽利用率高；
YA Z B
C
X
例 3：Q＝36，2P＝4，绘制 a=1的三相单层交叉式 绕组展开图。
1、计算绕组参数； 2、画槽电动势星形图，划分相带； 3、连接A相绕组，画A相绕组展开图； 4、画B、C相绕组展开图。
例 4 ：Q=24；2P=2；要求绘制三相单层同心式绕组。
18槽2极单层同心式绕组（a=1）
A
B
C
X
Y
Z
24 槽 4 极单层整距绕组
绕组结构参数？ y=？τ=？ q=？ α=？
24槽4极单层整距绕组
三相4极24槽单层整距绕组
两个图的区别？ 三相4极24槽单层链式绕组
判断：绕组的结构型式及绕组结构参数
τ
τ
τ
τ
1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021222324
同步电机
异步电机
同步电机：多用作发电机，也用作电动机，可改 变电网功率因数。
异步电机：主要用作电动机，只有特殊场合才用 作发电机。
两种类型的交流电机涉及三个共同部分：
◆交流绕组的基本结构 ◆交流绕组中感应的电动势 ◆交流绕组产生的磁动势
5.1 交流电机的基本工作原理
一、同步发电机的基本工作原理
二、异步电动机的基本工作原理
交流绕组的感应电动势
• 每对极下属于同一相的q个线圈，构成一个线圈组。图中q=3 • 每个线圈的感应电势由两个线圈边的感应电势矢量相加而成。 • 整个线圈组的感应电势由所有属于该组的导体电势矢量相加。
线圈组的感应电势
• 矢量式
E E E E yz y1 y2 y3
• 分布系数：
k q1 分布绕组的感应电势 集中绕组的感应电势 sin
通常，主极磁场的分布与磁极中心线相对称， 故气隙磁 场中含有奇次空间谐波。 ＝1、3、5…
1、主极磁场产生次谐波的性质
• 极对数为基波的倍，极距为基波的1/ ，随主极一起 以同步转速在空间移动。即
p p ;
;
n n 1
• 谐波频率：
f
p n 60
N1 每相总匝数 并联支路数 ＝ pqN a
y
• 相电势：
E 4 .44 fN 1 1 k
q1
双层绕组的电势
• 双层绕组每对极每相有2q个线圈，构成两个线圈组， 共2p个线圈组； • 这2p个线圈组可并可串，总串联匝数
N1 每相总匝数 并联支路数 ＝ 2 pqN a
y
• 双层绕组要考虑到短距系数：
感应电势的大小
• 导体感应电势
E n max B lv
• 导体与磁场的相对速度：
v 2 p n/ 60
• 磁感应强度峰值和平均值之间的关系： B
2
Bp;
• 感应电势最大值：
• 感应电势的有效值：
E n max
2
B p l 2 f f ( l ) f
交流绕组的感应电动势
旋转磁场是交流电机工作的基础。在交流电机理论中有两种旋 转磁场： (1) 机械旋转磁场 通过原动机拖动磁极旋转可以产生机械旋转磁场；
线圈组的感应电势
• 矢量式
E E E E yz y1 y2 y3
• 分布系数：
k q1 分布绕组的感应电势 集中绕组的感应电势 sin
通常，主极磁场的分布与磁极中心线相对称， 故气隙磁 场中含有奇次空间谐波。 ＝1、3、5…
1、主极磁场产生次谐波的性质
• 极对数为基波的倍，极距为基波的1/ ，随主极一起 以同步转速在空间移动。即
p p ;
;
n n 1
• 谐波频率：
f
p n 60
N1 每相总匝数 并联支路数 ＝ pqN a
y
• 相电势：
E 4 .44 fN 1 1 k
q1
双层绕组的电势
• 双层绕组每对极每相有2q个线圈，构成两个线圈组， 共2p个线圈组； • 这2p个线圈组可并可串，总串联匝数
N1 每相总匝数 并联支路数 ＝ 2 pqN a
y
• 双层绕组要考虑到短距系数：
感应电势的大小
• 导体感应电势
E n max B lv
• 导体与磁场的相对速度：
v 2 p n/ 60
• 磁感应强度峰值和平均值之间的关系： B
2
Bp;
• 感应电势最大值：
• 感应电势的有效值：
E n max
2
B p l 2 f f ( l ) f
交流绕组的感应电动势
旋转磁场是交流电机工作的基础。在交流电机理论中有两种旋 转磁场： (1) 机械旋转磁场 通过原动机拖动磁极旋转可以产生机械旋转磁场；
交流电机的绕组和电动势(3)
A
X
（2）当q为奇数，每个相带的槽不能均分。
举例：Z=36，2p=4，m=3。（q=3）
槽号 相带 第一对极 第二对极
A 1,2,3 19,20,21
Z 4,5,6 22,23,24
B 7,8,9 25,26,27
X 10,11,12 28,29,30
C 13,14,15 31,32,33
Y 16,17,18 34,35,36
特点：两个线圈的节距不相等，同一相线圈端部不交叠，布
置和嵌线方便，常用于小型两极异步电机。
4）交叉式绕组： 欲将电机绕组连成链式结构：
（1）当q=偶数，可把每个相带的槽分成两半连成链式绕组。
S1
N1
S2
N2
AZ B X CY A Z B XC Y
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
S1
N1
S2
N2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 1 2
头
尾头
尾头
尾头
尾
A
X
三相单层交叉式绕组展开图（A相）
每对极下依次按“二大一小”交叉排列，这种绕组称为单层
N1
S2
N2
AZ B
XC Y AZ B XC Y
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
ZA
B
C
X
交流电机的绕组和电动势(2)
10
S2
11 12 13
17
16 15 14
AZBXC
1,2 3,4 5,6 7,8 9,10 13,14 15,16 17,18 19,20 21,22
Y 24
12 2311
2210
C
Y
11,12
21 9 8
20
X
23,24
A
13 1 14
2
315
Z
4 16
5 17
6
7 19
18 B
3. 绘制绕组展开图 流程： 1）画出槽展开图并标号；
举例：1 60 集中整距绕组: 规定电动势穿进纸面为正
A
4
6
C
电动势
1
Y
5 正方向
1
1 S
A
X
6
N
4
600
2
1200
1200
2
B
Z
3
5
5
3 2
1200
3
4
电动势星形图
C
6
三相对称电势
B
二、三相单层分布绕组
举例：一交流电机定子槽数Z=24，极数2P=4，绘制三相单层 分布绕组的电动势星形图及绕组展开图。
2）链式绕组：各线圈的排列形如长链，故称链式绕组。
S1
N1
S2
N2
AZ B X C Y AZ B XC Y
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
A
X
三相单层链式绕组展开图（A相）
特点：端接较短，可节省铜线，常用于4极、6极及部分8极小
12.交流绕组及其电动势和磁势
第七章交流绕组及其电动势和磁势（一）本章重点1. 三相单层绕组的排列规律与联接方法，能画出单层绕组各种形式的展开图。
2. 三相双层短距绕组的排列规律与联接方法。
3. 交流绕组电势表达式，以及采用短距、分布绕组对消除谐波的作用。
3. 脉振磁势、旋转磁势的特性及其产生的条件。
（二）本章难点绕组磁势的性质和特点。
（三）本章考点三相单层绕组的展开图、交流绕组电势表达式，以及绕组系数的计算。
（四）自学指导1. 交流电机可分为两大类，即异步电机和同步电机但它们的定子绕组是相同的。
本章着重介绍交流绕组的电势和磁势，在学习中要注意把交流电机的电磁关系与变压器进行比较。
2. 交流绕组的主要型式有三相单层绕组和三相双层绕组两种，它们的构成原则是一致的，最主要的是使旋转磁势在绕组中的感应电势获得最大的基波电势而尽可能地削弱谐波电势，并保证三相电势对称。
搞清交流绕组的排列规律和联接方式，通过三相单层和双层短距绕组的介绍，掌握交流绕组节距的计算、绕组的联接和展开图的绘制方法。
3. 当定子绕组切割正弦分布的旋转磁势便产生感应电势，分析的方法是从导体电势开始到线圈组进而到一相绕组。
必须注意把导出的感应电势的表达式和变压器线圈电势表达式进行比较。
掌握交流绕组感应电势的计算方法，理解绕组的短距系数、分布系数及绕组系数的含义，以及分布和短距绕组对消除高次谐波电势的作用。
4. 绕组磁势的性质和特点是这一章的难点内容，必须注意。
（1）单相绕组的磁势是一个脉振磁势。
其基波磁势是一个正弦分布的脉动磁势，它可以分解为两个个具有同一同步转速、幅值相等且保持不变，但旋转方向相反的正弦分布旋转磁势。
（2）在对称的三相绕组中通以对称的三相正序电流时，产生的合成磁势为正向旋转磁势，三相绕组中通以负序电流，则合成的结果为反向旋转磁势。
（3）三相绕组合成磁势的基波为旋转磁势波，要注意其幅值、转向和转速。
5. 交流绕组产生的磁势和绕组切割磁场而产生的感应电势，都是在绕组中发生的电磁规象。
交流电机绕组及其感应电动势
p 360 2 360 30 电角度 Z 24
图6－7 槽内导体沿定子圆周分布情况
设同步电机的转子磁极磁场的磁通密度沿电机 气隙按正弦规律分布，则当转子逆时针方向旋转时， 均匀分布在定子圆周上的导体切割磁力线，感应电 动势，此电动势随时间按正弦规律变化。对每一槽 中的导体而言，磁场转过一对磁极，导体感应电动 势变化一个周期，即 电角度。而各槽中的导体 360 在空间上相差一个槽距角电角度，所以导体切割磁 场时有先后之分，各槽导体感应的电动势彼此之间 有相位差，大小等于槽距角。
图6－5
线圈
根据节距的大小，有：整距绕组，y ；短 距绕组，y ；长距绕组， 。 y 为了使每个线圈能获得最大的电动势，节距一 般应接近极距。长距绕组和短距绕组均能削弱高次 谐波电动势或磁动势，但因为长距绕组的端接线较 长，所以很少采用，短距绕组使用较多。
7）相带
每一磁极下，每相绕组所占有的电角度称为 绕组的相带，可表示为：
由于气隙相等每个气如果流入线圈的电流是随时间按正弦规律变化的交流电那么磁动势矩形波的幅值也随时间按正弦规律变化其值为脉振磁动势的频率取决于流过线圈中电流的频率最大值为对于空间按矩形波分布的脉振磁动势可按傅立叶级数分解为基波和一系列奇次谐波的磁动sinsin3sin5sinsinsinsin3sinsin5图626整距线圈的矩形波磁动势分解为基波和谐波整距线圈的矩形波磁动势分解为基波和谐波每线圈组由q个线圈串联各线圈在空间依次相距电角度q个线圈就产生q个空间依次相距电角度的矩形波磁动势把每个磁动势进行矢量相加得到线圈组的合成磁动势
P 360 Z
5）每极每相槽数
指每相绕组在每个磁极下平均占有的槽数，表示为：
Z q 2 Pm
图6－4 极距、每极每相槽数和槽距角
图6－7 槽内导体沿定子圆周分布情况
设同步电机的转子磁极磁场的磁通密度沿电机 气隙按正弦规律分布，则当转子逆时针方向旋转时， 均匀分布在定子圆周上的导体切割磁力线，感应电 动势，此电动势随时间按正弦规律变化。对每一槽 中的导体而言，磁场转过一对磁极，导体感应电动 势变化一个周期，即 电角度。而各槽中的导体 360 在空间上相差一个槽距角电角度，所以导体切割磁 场时有先后之分，各槽导体感应的电动势彼此之间 有相位差，大小等于槽距角。
图6－5
线圈
根据节距的大小，有：整距绕组，y ；短 距绕组，y ；长距绕组， 。 y 为了使每个线圈能获得最大的电动势，节距一 般应接近极距。长距绕组和短距绕组均能削弱高次 谐波电动势或磁动势，但因为长距绕组的端接线较 长，所以很少采用，短距绕组使用较多。
7）相带
每一磁极下，每相绕组所占有的电角度称为 绕组的相带，可表示为：
由于气隙相等每个气如果流入线圈的电流是随时间按正弦规律变化的交流电那么磁动势矩形波的幅值也随时间按正弦规律变化其值为脉振磁动势的频率取决于流过线圈中电流的频率最大值为对于空间按矩形波分布的脉振磁动势可按傅立叶级数分解为基波和一系列奇次谐波的磁动sinsin3sin5sinsinsinsin3sinsin5图626整距线圈的矩形波磁动势分解为基波和谐波整距线圈的矩形波磁动势分解为基波和谐波每线圈组由q个线圈串联各线圈在空间依次相距电角度q个线圈就产生q个空间依次相距电角度的矩形波磁动势把每个磁动势进行矢量相加得到线圈组的合成磁动势
P 360 Z
5）每极每相槽数
指每相绕组在每个磁极下平均占有的槽数，表示为：
Z q 2 Pm
图6－4 极距、每极每相槽数和槽距角
交流绕组中的感应电势
f 60 ( Hz )
若电机为p对极，则转子每旋转一周，导体中感应电势将交变p 次，此时电势频率为
f pns ( Hz ) 60
在我国工业用标准频率为50Hz，所以 当 p 1
p2
7
时
时
n s 3000 r/min
n s 1500 r/min
60 f ns p
3. 导体电势有效值
5
设主极磁场在气隙内按正弦规律分布(实际主极磁场还含有大量谐波)
b B1 sin
B1：磁场幅值 ：离开原点的电角度
坐标取在转子上，原点位于极间位置。
为方便分析，把主极视为不动，导体向转向相反的方向旋转，则导 体中的感应电动势是交流电动势。
设t=0时，导体位于极间、将要进入N极的位置，转子旋转的角频率
20
, k y电 机的主极磁场
90 , k q
q sin 2 q sin 2
相电动势： E E E E
2 1 2 3 2 5
· E
线电动势：
a
a3
· I
c3
· E
b
b3
3Δ
c
· E
E 3 I 3 Z 3
22
3.高次谐波电动势的抑制
改善发电机设计方案，使磁极磁场沿电枢表面 尽量呈正弦波规律分布； 发电机三相绕组采用Ｙ连接； 采用短距绕组； 采用分布绕组。
23
短距绕组削弱高次谐波
y1=4τ/5
y1=τ
5次谐波电动势最大
5次谐波电动势为零
24
令：k y sin
1 y1 1 可以完全消除次谐波电动势。
qNc为q个线圈的总匝数；kw1为绕组的基波绕组因数，等 于基波节距因数和基波分布因数乘积
若电机为p对极，则转子每旋转一周，导体中感应电势将交变p 次，此时电势频率为
f pns ( Hz ) 60
在我国工业用标准频率为50Hz，所以 当 p 1
p2
7
时
时
n s 3000 r/min
n s 1500 r/min
60 f ns p
3. 导体电势有效值
5
设主极磁场在气隙内按正弦规律分布(实际主极磁场还含有大量谐波)
b B1 sin
B1：磁场幅值 ：离开原点的电角度
坐标取在转子上，原点位于极间位置。
为方便分析，把主极视为不动，导体向转向相反的方向旋转，则导 体中的感应电动势是交流电动势。
设t=0时，导体位于极间、将要进入N极的位置，转子旋转的角频率
20
, k y电 机的主极磁场
90 , k q
q sin 2 q sin 2
相电动势： E E E E
2 1 2 3 2 5
· E
线电动势：
a
a3
· I
c3
· E
b
b3
3Δ
c
· E
E 3 I 3 Z 3
22
3.高次谐波电动势的抑制
改善发电机设计方案，使磁极磁场沿电枢表面 尽量呈正弦波规律分布； 发电机三相绕组采用Ｙ连接； 采用短距绕组； 采用分布绕组。
23
短距绕组削弱高次谐波
y1=4τ/5
y1=τ
5次谐波电动势最大
5次谐波电动势为零
24
令：k y sin
1 y1 1 可以完全消除次谐波电动势。
qNc为q个线圈的总匝数；kw1为绕组的基波绕组因数，等 于基波节距因数和基波分布因数乘积
第六章 交流绕组及其电动势和磁动势
Z
3,4, 15,16
B
5,6 17,18
X
7,8 19,20
C
Y
9,10 11,12 21,22 23,24
表： 各个相带的槽号分布
4、连接绕组
以A相为例，由于三相等分，故A相共有8个槽 相带：每极下每相所占的区域。
1—7—2—8（线圈组）
13—19—14—20（线圈组）
将两个线圈组按照一定的规 律连接，即可得到
尾 X1 头 A1
A2
尾
头
X2
5、确定并联支路数
一绕组有a条支路，一条支路由若干个线圈组 路串联组成。
单层绕组线圈组的个数有p个 单层绕组最多可并联的支路数a有p个
一个极相组(线圈组)的电动势为
6、相电动势
一绕组有a条支路，一条支路由若干个线圈组路串联 组成。一相绕组的基波电动势为一条支路的基波电动 势
两极电机电角度
a) 图 13
四极电机电角度
3.导体电动势的有效值
将
代入上式得导体电动势
为
4.正弦电动势的频率 感应电动势 单匝线圈电动势的有效值
三. 整距线圈感应电动势
一个线圈有Ny匝线匝串联构成，其基波电动 势有效值为：
Ey=4.44 fNyφ
Eq Ey1 Ey2 Ey3
a
2R sin q
qEy
2qR sin
2 a
Ey3
2
Ey1
/2
Ey2
Eq
q / 2 o
q个线圈的合成电动势
为
式中，
R 代入上式，得
－外接圆的半径。把
式中，
－ 个线圈电动势的代数和； －绕组的基波分布系数，
的意义：由于绕组分布在不同的槽内，
电机学3交流绕组的电动势和磁动势
第2篇 交流电机的共同问题
第五章 交流绕组和电动势 第六章 交流绕组的磁动势
李艳
第五章 交流绕组和电动势
5.1交流电机的基本工作原理及对绕组的要求 5.2三相单层集中整距绕组及其电动势 5.3三相单层分布绕组及其电动势 5.4三相双层分布短矩绕组及其电动势
第六章 交流绕组的磁动势
6.1单层集中整距绕组的磁动势
基波磁动势最大值为:
4 2 F NI 0 . 9 NI y 1 y y 2
整距绕组基波磁动势在空间按余弦分布，幅值位于绕组轴线， 空间每一点的磁动势大小按正弦规律变化——仍然为脉动磁动势。
单相脉动磁动势的分解
1 1 f(, t ) F c o s t c o s F c o s ( t ) F c o s ( t ) 1 1 1 1 2 2 + = f(, t ) + f(, t ) 1 1
5.4三相双层分布短距绕组及其电动势
短距线圈的电动势
E 4 . 4 4 f N Φ k y 1 ( y ) y 1 1 y 1
1
2 B m1 l
E y y 1 ( y τ ) 0 1 k s in ( 9 0 ) y 1 E τ y 1 ( y τ )
ห้องสมุดไป่ตู้
称为短距系数： 线圈短距时电动势 比整距时打的一个 折扣．
Z q 2 pm
• 7.相带：60度相带——将一个磁极分成m份，每份 所占电角度 120度相带——将一对磁极分成m份，每份 所占电角度 • 8.极相组——将一个磁极下属于同一相（即一个 相带）的q个线圈，按照一定方式串联成一组，称 为极相组（又称为线圈组）。 • 9.线圈组数 = 线圈个数/ q
第五章 交流绕组和电动势 第六章 交流绕组的磁动势
李艳
第五章 交流绕组和电动势
5.1交流电机的基本工作原理及对绕组的要求 5.2三相单层集中整距绕组及其电动势 5.3三相单层分布绕组及其电动势 5.4三相双层分布短矩绕组及其电动势
第六章 交流绕组的磁动势
6.1单层集中整距绕组的磁动势
基波磁动势最大值为:
4 2 F NI 0 . 9 NI y 1 y y 2
整距绕组基波磁动势在空间按余弦分布，幅值位于绕组轴线， 空间每一点的磁动势大小按正弦规律变化——仍然为脉动磁动势。
单相脉动磁动势的分解
1 1 f(, t ) F c o s t c o s F c o s ( t ) F c o s ( t ) 1 1 1 1 2 2 + = f(, t ) + f(, t ) 1 1
5.4三相双层分布短距绕组及其电动势
短距线圈的电动势
E 4 . 4 4 f N Φ k y 1 ( y ) y 1 1 y 1
1
2 B m1 l
E y y 1 ( y τ ) 0 1 k s in ( 9 0 ) y 1 E τ y 1 ( y τ )
ห้องสมุดไป่ตู้
称为短距系数： 线圈短距时电动势 比整距时打的一个 折扣．
Z q 2 pm
• 7.相带：60度相带——将一个磁极分成m份，每份 所占电角度 120度相带——将一对磁极分成m份，每份 所占电角度 • 8.极相组——将一个磁极下属于同一相（即一个 相带）的q个线圈，按照一定方式串联成一组，称 为极相组（又称为线圈组）。 • 9.线圈组数 = 线圈个数/ q