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1、电机学交流绕组的电动势和磁动势本讲稿第一页，共五十五页第五章 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6.2三相双层分布短距绕组的磁动势 6.3椭园形磁动势 本讲稿第二页，共五十五页5.1交流电机的基本工作原理，对交流绕组的要求1交流电机的基本工作原理 交流电机分为同步电机与异步电机同步发电机：交流电能几乎都来自于同步发电机同步电动机：大型不需要调速的生产机械，优点调节励磁电流来改善电网的功率因数。异步电动机：电力系统的
2、主要负载。异步发电机：电压和频率随负载变化不易控制。电力电子技术的引进使得同步电动机与异步发电机得到了越来越多的应用。本讲稿第三页，共五十五页同步电机的基本工作原理同步发电机的基本工作原理同步发电机的基本工作原理大小大小：频率频率：励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁场，原动机拖动转子以转速场，原动机拖动转子以转速 旋转时，其旋转时，其磁场切割定子绕组而感应交流电动势磁场切割定子绕组而感应交流电动势 .相序相序：由转子的转向决定。：由转子的转向决定。波形波形：由：由 可知，波形可知，波形取决于取决于 的空间分布。的空间分布。本讲稿第四页，共五十五页U2U1W2V1W
3、1V2发电机的物理过程发电机的物理过程可用图示表示可用图示表示本讲稿第五页，共五十五页异步电动机的基本工作原理异步电动机的基本工作原理U2U1W2V1W1V2n转动原理1 1、电生磁、电生磁：三相对称绕组通往三三相对称绕组通往三相对称电流产生圆形旋转磁场。相对称电流产生圆形旋转磁场。2 2、磁生电、磁生电：旋转磁场切割转子旋转磁场切割转子导体感应电动势和电流。导体感应电动势和电流。3 3、电磁力、电磁力：转子载流（有功分转子载流（有功分量电流）体在磁场作用下受电磁量电流）体在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转，将电能转化为机械能。动机旋转，将电能转
4、化为机械能。本讲稿第六页，共五十五页异步电机的异步电机的工作原理工作原理工作原理工作原理定子绕组通入三相交流电流定子绕组通入三相交流电流定子绕组通入三相交流电流定子绕组通入三相交流电流旋转磁场旋转磁场旋转磁场旋转磁场切割转子绕组切割转子绕组切割转子绕组切割转子绕组转子绕组产生感应转子绕组产生感应转子绕组产生感应转子绕组产生感应电势电势电势电势转子中产生感应转子中产生感应转子中产生感应转子中产生感应电流电流电流电流转子电流与磁转子电流与磁转子电流与磁转子电流与磁场作用场作用场作用场作用产生电磁转矩产生电磁转矩产生电磁转矩产生电磁转矩运转运转运转运转问题问题问题问题:旋转磁场又是如何产生的呢旋转磁
5、场又是如何产生的呢旋转磁场又是如何产生的呢旋转磁场又是如何产生的呢?本讲稿第七页，共五十五页2.对交流绕组的要求（1）导体数一定的情况下，能得到较大的基波电动势和基波磁动势。（2）电动势和磁动势的波形要接近正弦形，谐波分量要小。（3）三相绕组对称（节距、匝数、线径相同、空间互差电角度）（即保证各相电动势磁动势对称，电阻电抗相同）（4）铜耗减小，用铜量减少。（5）绝缘可靠、机械强度高、散热条件好、制造简单，维修方便。本讲稿第八页，共五十五页5.2 三相单层集中整距绕组及其电动势1导体的感应电动势2整距线匝的感应电动势3整距线圈的感应电动势4三相单层集中整距绕组本讲稿第九页，共五十五页1导体的感应
6、电动势导体的感应电动势气隙磁通密度分布图气隙磁通密度分布图基波电动势基波电动势电动势频率电动势频率:电动势电动势大小大小:谐波电动势谐波电动势本讲稿第十页，共五十五页本讲稿第十一页，共五十五页2 2整距线匝的感应电动势整距线匝的感应电动势3 3整距线圈的感应电动势整距线圈的感应电动势 基波电动势的有效值基波电动势的有效值：谐波电动势的有效值谐波电动势的有效值：本讲稿第十二页，共五十五页4 4 三相单层集中整距绕组三相单层集中整距绕组 三相单层集中整距绕组由三个线圈组成，一个线圈构成一三相单层集中整距绕组由三个线圈组成，一个线圈构成一相绕组。相绕组。无论三相对称绕组是无论三相对称绕组是Y Y接还
7、是接还是D D接，线电压里不存在接，线电压里不存在3 3次谐次谐波或波或3 3的整数倍次谐波电压。的整数倍次谐波电压。在在D D接的三相对称绕组由于有循环电流，会引起附加接的三相对称绕组由于有循环电流，会引起附加损耗，降低电机的效率。损耗，降低电机的效率。本讲稿第十三页，共五十五页补充：交流绕组的分类按相数分为：单相、三相、多相按槽内层数分为：单层（同心式、链式、交叉式）、双层（叠绕组、波绕组）、单双层每极每相槽数q：整数槽、分数槽基本概念1.极距：2.线圈节距y：整距y=；短距y。3.槽距角（电角度）：本讲稿第十四页，共五十五页本讲稿第十五页，共五十五页本讲稿第十六页，共五十五页本讲稿第十七
8、页，共五十五页本讲稿第十八页，共五十五页4.每极每相槽数q:5.电角度=p360=p机械角度计量电磁关系的角度称为电角度（电气角度）。电机圆周在几何上占有角度为360，称为机械角度。而从电磁方面看，一对磁极占有空间电角度为360。一般而言，对于p对极电机，电角度=p机械角度。6.并联支路数a本讲稿第十九页，共五十五页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本讲稿第二十页，共五十五页5.35.3三相单
9、层分布绕组及电动势三相单层分布绕组及电动势电动势星形相量图一对极下的各槽导体组成360度星形相量图Z=24,p=2单层绕组利用星形相量图安排单层分布绕组略槽距角、每极每相槽数、相带。下图为Z=36本讲稿第二十一页，共五十五页绕组线电动势计算、分布因数基波电动势本讲稿第二十二页，共五十五页本讲稿第二十三页，共五十五页线圈组电动势及分布系数 q个线圈组成，集中绕组：分布绕组：分布系数：绕组系数：本讲稿第二十四页，共五十五页相电动势和线电动势 设一相绕组的串联匝数为N（即一条支路的串联匝数）则一相的感应电动势 对于单层绕组，因为每相有p个线圈组所以每相串联匝数 对于双层绕组，因为每相有2p个线圈组所
10、以每相串联匝数 式中:a为并联支路数本讲稿第二十五页，共五十五页5.4三相双层分布短距绕组及其电动势三相双层分布短距绕组及其电动势短距线圈的电动势称为称为短距系数短距系数：线：线圈短距时电动势比整圈短距时电动势比整距时打的一个折扣距时打的一个折扣本讲稿第二十六页，共五十五页短距绕组、分布绕组对电动势波形的影响对V次谐波：本讲稿第二十七页，共五十五页感应电动势中的高次谐波感应电动势中的高次谐波因为磁场波形相对于磁极中心线左右对称，所以谐波磁场中无偶次谐波（见P114图4-14），故=3，5，7，9，11一、高次谐波电动势谐波电动势谐波磁场的极对数：p=p p激波磁场的极对数谐波磁场的极距：=/激
11、波磁场的极距谐波磁场的槽距角：d =d 本讲稿第二十八页，共五十五页谐波磁场的转速：nr=ns主磁极的转速（同步转速）谐波感应电动势的频率：fv=pv*nv/60=vp ns/60=vf1谐波感应电动势的节距因数kpv 谐波感应电动势的分布因数kdv谐波感应电动势的绕组因数kwv=kpv kdv谐波电动势（相值）Ev=4.44 fNRwrr本讲稿第二十九页，共五十五页2、齿谐波电动势齿谐波谐波次数v与一对极下的齿数Q1/p具有特定关系的谐波 即v=Q1/p1=2mq1的谐波齿谐波的特点 kWV（V=2mq1）=kW1 3、谐波的相电动势和线电动势E =ELEL中三次及3的倍数次谐波。因为3k次
12、谐波电动势同相位、幅值相同，所以星接时线电动势为零角接时产生环流，环流产生的压降恰好被抵消。本讲稿第三十页，共五十五页谐波的弊害使电动势波形变坏，发电机本身能耗增加，从而影响用电设备的运行性能干扰临近的通讯线路 消除谐波电动势的方法因为Ev=4.44fNRwvv所以通过减小KWr或r可降低Er 1.采用短距绕组 2.采用分布绕组，降低。3.改善主磁场分布4.斜曹或斜极 本讲稿第三十一页，共五十五页本讲稿第三十二页，共五十五页本讲稿第三十三页，共五十五页本讲稿第三十四页，共五十五页第六章交流绕组的磁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6.2三相双层分布短距绕组的磁动势6.3椭
13、圆形磁动势本讲稿第三十五页，共五十五页6.1单层集中整距绕组的磁动势单层集中整距绕组的磁动势6.1.1单层集中整距绕组的一相单层集中整距绕组的一相磁动势磁动势 一台两极气隙均匀的交流电机一台两极气隙均匀的交流电机,一个整距绕一个整距绕组通入交流电流组通入交流电流,线圈磁动势在某瞬间的分布如线圈磁动势在某瞬间的分布如图图,由全电流定律得由全电流定律得:本讲稿第三十六页，共五十五页 忽略铁心磁阻忽略铁心磁阻,磁动势完全降落在两个气隙磁动势完全降落在两个气隙上上.每个气隙的磁动势为每个气隙的磁动势为:空间分布为空间分布为矩形波矩形波,随时间按随时间按正弦规律正弦规律变化变化.变化变化频率为电流频率频
14、率为电流频率。空间位置不变而幅值和方向随时间变化的磁动势称为空间位置不变而幅值和方向随时间变化的磁动势称为脉动磁动势脉动磁动势。本讲稿第三十七页，共五十五页本讲稿第三十八页，共五十五页矩形波磁动势可能分解为基波和一系列高次谐波矩形波磁动势可能分解为基波和一系列高次谐波:基波磁动势为基波磁动势为:基波磁动势最大值为基波磁动势最大值为: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的磁动势大小按正弦规律变化仍然为仍然为脉动磁动势脉动磁动势。本讲稿第三十九页，共五十五页单相脉动磁动势的分解即一
15、个脉动磁动势可以分解成两个幅值大小相等的磁动势。即一个脉动磁动势可以分解成两个幅值大小相等的磁动势。先分析取幅值点分析本讲稿第四十页，共五十五页可见(1)(1)单相绕组的基波磁动势为脉动单相绕组的基波磁动势为脉动,它可以分解为大小相等、它可以分解为大小相等、转速相同而转向相反的两个旋转磁场。转速相同而转向相反的两个旋转磁场。(2)(2)反之反之,满足上述性质的两个旋转磁动势的合成即为脉动磁满足上述性质的两个旋转磁动势的合成即为脉动磁动势。动势。（3）由于正方向或反方向的旋转磁动势在旋转过程中，大小不变，两矢）由于正方向或反方向的旋转磁动势在旋转过程中，大小不变，两矢量顶点的轨迹为一圆形，所以这
16、两个磁动势为圆形旋转磁动势。量顶点的轨迹为一圆形，所以这两个磁动势为圆形旋转磁动势。本讲稿第四十一页，共五十五页磁动势的矢量表示法磁动势的矢量表示法 长度代表磁动势幅值，位置代表磁动势正幅值所在的位置。+j本讲稿第四十二页，共五十五页6.1.2 6.1.2 三相单层集中整距绕组磁动势三相单层集中整距绕组磁动势三相的合成磁动势：三相的合成磁动势：取取A A相绕组轴线位置作为空间坐标原点、以相序的方向作为相绕组轴线位置作为空间坐标原点、以相序的方向作为x x的的参考方向、参考方向、A A相电流为零时作为时间起点，则三相基波磁动势为：相电流为零时作为时间起点，则三相基波磁动势为：可见：三相合成磁动势
17、也是一个可见：三相合成磁动势也是一个圆形旋转磁动势圆形旋转磁动势。交流电机三相对称绕组交流电机三相对称绕组,通入三相对称电流，磁动势是三相的合成磁动势。通入三相对称电流，磁动势是三相的合成磁动势。本讲稿第四十三页，共五十五页 为了分析旋转磁动势的旋转方向，设三相对称电流按余弦规律变化，为了分析旋转磁动势的旋转方向，设三相对称电流按余弦规律变化，U U 相电流最大时为计时点，电流取首进尾出为正，电流波形和各时刻旋转磁动相电流最大时为计时点，电流取首进尾出为正，电流波形和各时刻旋转磁动势的位置如图所示：势的位置如图所示：U2U1W2V1W1V2本讲稿第四十四页，共五十五页用图解法分析用图解法分析不
18、同时刻三相合成磁动势不同时刻三相合成磁动势 合成磁动势的转向是从载有超前电流的相转到载有滞后电流的合成磁动势的转向是从载有超前电流的相转到载有滞后电流的相。相。本讲稿第四十五页，共五十五页 产生圆形旋转磁动势的条件：产生圆形旋转磁动势的条件：一是三相或多相对称绕组；二是三一是三相或多相对称绕组；二是三相或多相对称电流。两个条件有一个不满足，即产生椭圆形旋转磁动相或多相对称电流。两个条件有一个不满足，即产生椭圆形旋转磁动势。势。三相对称绕组通入三相对称电流，产生的基波合成磁动势是一个幅值恒定不变的圆形旋转磁动势，它有以下主要性质(1)(1)幅值是单相脉动磁动势最大幅值的幅值是单相脉动磁动势最大幅
19、值的3/23/2倍。倍。(2)(2)转向由电流相序决定转向由电流相序决定,从载有超前电流相转到载有滞后电流相从载有超前电流相转到载有滞后电流相.(3)(3)转速决定于电流的频率和电机的磁极对数转速决定于电流的频率和电机的磁极对数(4)(4)当某相电流达最大值时当某相电流达最大值时,旋转磁动势的波幅位置刚好转到该相绕组旋转磁动势的波幅位置刚好转到该相绕组的轴线位置上的轴线位置上本讲稿第四十六页，共五十五页空间矢量图空间矢量图取A相电流为最大值时+j+A+B+C本讲稿第四十七页，共五十五页三相绕组的合成r次谐波磁动势由谐波磁动势在气隙中建立各自的谐波磁场为：对称三相系统中不存在3的奇数次倍谐波磁动
20、。本讲稿第四十八页，共五十五页本讲稿第四十九页，共五十五页本讲稿第五十页，共五十五页6-26-2三相双层分布短距绕组的磁动势三相双层分布短距绕组的磁动势1 1、整距分布线圈组的磁动势、整距分布线圈组的磁动势 r r次谐波脉振磁动势的最大振幅为：次谐波脉振磁动势的最大振幅为：每个绕组由每个绕组由q q 个线圈串联构成，依次在定子圆周空间错开槽距角个线圈串联构成，依次在定子圆周空间错开槽距角,绕组的基波磁动势为绕组的基波磁动势为q q个线圈基波磁动势的空间矢量和：个线圈基波磁动势的空间矢量和：本讲稿第五十一页，共五十五页2.2.双层短距分布绕组的磁动势双层短距分布绕组的磁动势 双层短距分布绕组的基
21、波磁动势为两个等效绕组基波磁动势的相双层短距分布绕组的基波磁动势为两个等效绕组基波磁动势的相量和，用短距系数计及绕组短距的影响：量和，用短距系数计及绕组短距的影响：本讲稿第五十二页，共五十五页3.3.双层分布短距一相绕组产生的磁动势双层分布短距一相绕组产生的磁动势一相双层分布短距绕组在每对极下，由分布着的q对这样的线圈组成，因此一相双层分布短距绕组的基波磁动势为：一相r次双层分布短距绕组的谐波磁动势为：本讲稿第五十三页，共五十五页4.4.三相双层分布短距绕组产生的磁动势三相双层分布短距绕组产生的磁动势三相合成基波磁动势三相合成基波磁动势3 3次及次及3 3的整数倍谐波，三相合成磁动势为零的整数倍谐波，三相合成磁动势为零。r=6k-1r=6k-1次谐波，三相合成磁动势次谐波，三相合成磁动势r=6k+1r=6k+1次谐波，三相合成磁动势次谐波，三相合成磁动势本讲稿第五十四页，共五十五页本讲稿第五十五页，共五十五页