交流电机统一问题.pptx
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1、n交流电机概述n交流电机工作原理n交流电机电枢绕组概念n交流电机电枢绕组构成n交流电机电枢绕组磁场()n交流电机电枢绕组电势()n电机的基本概念和分类n异步电机简述n同步电机简述1 交流电机概述1.1 电机的基本概念和分类 电机是依据电磁感应定律和电磁力定律,由电路和磁路构成的能实现机电能量转换或信号传递与转换的装置。e=B l vf=B l i机械能机械能电电 能能电路电路磁路磁路1 交流电机概述n(1)主要作电动机使用 n(2)主要优点q结构简单 制造容易q坚固耐用 运行可靠q价格低廉q有较高的效率q相当好的工作特性 n(3)缺点q目前尚不能经济地在较大范围内平滑调速q必须从电网吸收滞后的
2、无功功率1.2 异步电机简述 n(4)分类:CRH3和谐号动车组北车唐山厂生产线车间定子绕组定子绕组 笼型转子笼型转子绕线型异步电动机的转子绕线型异步电动机的转子 n(1)主要作发电机使用n(2)常见类型q三相同步发电机q自控式同步电动机q磁阻同步电动机q永磁同步电动机q步进电动机n(3)主要应用场合 电力系统:发电机、变压器、输电线1.3 同步电机简述 火力发电(电能的产生)火力发电(电能的产生)热电厂热电厂 1 煤传送带煤传送带 2 加煤机加煤机 3 粉碎机粉碎机 4 锅炉锅炉 5 煤渣煤渣 6 空气预热器空气预热器 7 静电除尘静电除尘 8 烟囱烟囱 9 汽轮机汽轮机 10 冷凝器冷凝器
3、 11变压器变压器 12 冷却塔冷却塔 13 发电机发电机 14 输电线输电线大型汽轮机n感应电机的基本原理n同步电机的基本原理2 交流电机基本原理 2.1 感应电机基本原理n定子磁场以速度n0旋转n转子导体与定子磁场相对转速nn转子导体感生电动势n转子导体形成回路,产生电流n转子导体受电磁力,形成电磁转矩n推动转子以转速n顺n0方向旋转2 交流电机基本原理感应电机原理特点n必须有一个旋转的磁场(实现能量转换的前提)n旋转磁场与转子导体存在转速差,即n0(必要条件,异步)n转子导体形成回路(ei0,产生电流)n建立转矩的电流由感应产生(称为感应电机)n感应电机最重要的参数:转差率n问题问题 如
4、何使定子磁场旋转起来?如何使定子磁场旋转起来?2.2 同步电机基本原理n原动机拖动转子磁场以速度n0旋转(相对定子)n定子导体与转子磁场相对转速为n0n定子导体感生电动势n定子绕组带负载,有电流流过n定子电流产生旋转磁场,速度为n0n转子导体受电磁力,形成电磁转矩,和拖动转矩平衡(绕线式转子)n把机械功率转换为电功率V1 V2 W2 W1 U1 U2 N S+Uf If同步电机原理特点n转子励磁电流是直流,磁场的旋转由原动机拖动 实现,此转速决定电机的电动势频率n转子磁场与定子绕组的转速差为n,在定子绕组中感应电动势n定子绕组带负载时形成回路,有电流流过,此电 流产生旋转磁场,转速和转子磁场转
5、速相同(同 步,称为同步电机)n建立电磁转矩和拖动转矩平衡 n单线圈集中绕组n4极单线圈绕组n三相绕组接法n交流绕组基本量n三相绕组的排列和联结方法n三相绕组的形式n交流绕组中的特别处理3 交流电机绕组概念n绕组空间三相对称:任意相旋转120度整倍数与另一相完全重合n三相2极单线圈绕组U、V、W3 交流电机电枢绕组概念(1)(1)单线圈集中绕组单线圈集中绕组(2)4极单线圈绕组极单线圈绕组n由3个线圈增加到6个,依次滞后60度机械角度对称分布(3)三相绕组的接法三相绕组的接法(4)交流绕组的基本量交流绕组的基本量n线圈n节距:整距、短距、长距n极距线圈:在电机制造过程中,构成交流绕组的基本单元
6、一般不是导体而是线圈。线圈是串联好的两根导体或多根导体,相应地称为单匝线圈或多匝线圈。(a)单匝线圈 (b)多匝线圈 (c)多匝线圈简易画法 节距:一个线圈的两个有效边在铁心圆周表面上所跨的距离称为节距,用符号y1表示,一般以槽数计。y1 y1 极距:一个磁极在铁心圆周表面上所占的范围称为极距,用符号表示,通常以用槽数或长度计。n各个线圈的感应电动势有效值相等n相邻线圈的感应电动势相位差为槽距电角1 n单层绕组的线圈节距均为整距(5)三相绕组的形式三相绕组的形式n单层绕组q同心式q链式q交叉链式q叠式n双层绕组q叠式q波式n同心绕组:n链式绕组:n单层叠绕组n双层叠绕组n双层波绕组 (6)绕组
7、构成中的特别处理绕组构成中的特别处理n为消除电动势和磁动势中的谐波,在绕组 构成中应采用短距方法和分布方法。n分布方法:一个槽中的集中绕组,分别按 一定的规律放于多个槽中;n短(长)距方法:要消除的谐波为 次 时,绕组的节距值为:分布绕组短距绕组4 交流绕组构成n交流绕组的基本要求n基本物理量和概念n三相单层绕组n三相双层绕组n小结同步发电机原理结构示意图导体导体导体导体 交流绕组交流绕组交流绕组交流绕组4.1 交流绕组的基本要求n交流绕组的基本要求 绕组产生的电动势(磁动势)接近正弦波。三相绕组的基波电动势(磁动势)必须对称。在导体数一定时能获得较大的基波电动势(磁动势)4.2 基本物理量和
8、概念(1)电角度电角度 磁密在空间为正弦分布,一对磁极便对应于一个完整正弦波,相当于360。如果磁极极对数是p,整个圆周有p个完整正弦波,相当于p 360。从几何的观点来看,整个圆周只有360。圆周的空间几何角度称为机械角度,而圆周上对应于磁场分布的角度称为电工角度,简称为电角度。电角度电角度p机械角度机械角度 槽槽距距电电角角1:相相邻邻两两槽槽中中导导体体感感应应电电动动势势的的相相位位差差。槽槽距距角角:相相邻邻两两槽槽之之间间的机械角度。的机械角度。(2)槽距角和槽距电角槽距角和槽距电角例图中:例图中:Z=36 各槽导体感应电动势大小相等,相邻槽导体电动势相位差相同。将各槽导体电动势相
9、量画在一起,组成一个星形,称为槽电动势星形图。(3)槽电动势星形图槽电动势星形图(4)相带相带120相带 60相带n120相带n60相带三相双层绕组120相带三相单层绕组无120相带连接法三相双层绕组60相带三相单层绕组60相带n由于60度相带产生的合成电动势要比120度相带产生的合成电动势大,故一般采用60度相带。60度相带120度相带m为交流绕组相数,为交流绕组相数,三相绕组,三相绕组,m3。(5)每极每相槽数每极每相槽数q 在电机制造过程中,构成交流绕组的基本单元一般不是导体而是线圈。线圈是串联好的两根导体或多根导体,相应地称为单匝线圈或多匝线圈.(a)单匝线圈 (b)多匝线圈 (c)多
10、匝线圈简易画法 一个线圈的两个有效边在铁心圆周表面上所跨的距离称为节距,用符号y1表示,一般以槽数计。y1(6)线圈:线圈:(7)节距:节距:y1 一个磁极在铁心圆周表面上所占的范围称为极距,用符号表示,通常以用槽数或长度计。n各个线圈的感应电动势有效值相等n相邻线圈的感应电动势相位差为槽距电角1 n单层绕组的线圈节距均为整距(8)极距:极距:单层叠绕组单层叠绕组A相展开图,并联支路数相展开图,并联支路数a=1。线圈线圈线圈线圈线圈组线圈组线圈组线圈组每相绕组中,相邻的线圈串联在一起,称为一个线圈组。一个线圈组中的线圈个数为每极每相槽数q。(9)线圈组:线圈组:每相的各个线圈组的感应电动势有效
11、值相等,相位同相或反相。采用串并联方式形成a条并联支路。a=1a=2单层绕组每相最大并联支路数 amax=p(极对数)(10)并联支路数并联支路数(1)三相单层集中整距绕组三相单层集中整距绕组n三相绕组感应三相对称基波电动势4.3 三相单层绕组nA B C三绕组等效整距线圈nEA EB EC 互差120时间电角度A B C三绕组互差120空间电角度n每相只有一个整距线圈,两根引出线 A X B Y C Z 星接或三角接 n由于每相只有一个集中整距线圈,定子上每个槽里只放一个圈边,因此叫做三相集中单层整距绕组n感应电动势波形不理想,电枢表面空间没有充分利用【例例】一台交流电机定子槽数一台交流电机
12、定子槽数Z=36,极数,极数2p=4,并,并联支路数联支路数a=1,试绘制三相单层绕组展开图。,试绘制三相单层绕组展开图。步骤:画槽电动势星形图;分相;构成线圈;构成线圈组;画绕组展开图。(2)三相单层分布绕组三相单层分布绕组首先计算定子相邻两槽之间的槽距电角1画基波电动势星形相量图 先假设定子槽里只放一根导体,并规定导体感应基波电动势的正方向出纸面为正。按60相带法分相n根据基波电动势星形相量图,把相关槽里的导体分配到3个相里,从而连接成三相对称绕组n图中每 60相带中有3个槽导体,每相每极下的槽数画绕组的连接图n将图沿轴剖开,展成一个平面n1,2,3槽和19,20,21槽属于A相带n10,
13、11,12槽和28,29,30槽属于X相带nA与X相带之间相距180空间电角度n1和10 2和11 3和12连接成整距线圈n由于都属于A相(X也属于A相),可以互相串连,引出线A1X1 同理,得到A2X2分磁极标注电动势方向嵌线圈构成线圈组连接头和尾头尾头尾A1A2X1X2单层叠绕组三相展开图,并联支路数单层叠绕组三相展开图,并联支路数a=1。单层同心式绕组A相展开图,并联支路数a=1。n同心式绕组主要用于二极小型感应电机中n优点:下线方便,端部重叠层数较少,便于布置,散热亦好n缺点:线圈大小不等,绕制不便,端部长n三相单层绕组的线圈数等于总槽数的一半;双层绕组是指定子上每个槽里能放两个圈边,
14、每个圈边为一层,因此电机线圈的总数等于定子总槽数。n优点是线圈能够任意短距,对改善电动势的波形有好处4.4 三相双层绕组【例例】一台交流电机定子槽数一台交流电机定子槽数Z=36,极数,极数2p=4,并联,并联支路数支路数a=2,y1=7,试绘制三相双层叠绕组展开图。,试绘制三相双层叠绕组展开图。步骤:画槽电动势星形图;分相;构成线圈;构成线圈组;画绕组展开图。计算槽距电角画基波电动势星形相量图 注意:双层绕组的基波电动势星形相量图,每个相量代表一个短距线圈的电动势,而不是导体电动势按60相带法分相n将前图中的相量分成6等分,逆相量旋转方向上分别标注A,Z,B,X,C,Yn每相每极下的槽数画绕组
15、连接图n36根等长,等距的实线和相应的虚线n实线代表槽内上层的圈边n虚线代表槽内下层的圈边n根据给定线圈的节距,把属于同一线圈的上下层圈边连成线圈n如第1槽上层圈边与第8槽下层圈边相连(中间相隔7个槽),成为第1线圈。n同样,把上层在第2槽的线圈叫做第2线圈,依此类推。n根据图中划分的相带,把属于同一相的线圈串连起来就构成一相的绕组。双层叠绕组展开图(y1=7,a=2)。AXNSNS双层叠绕组双层叠绕组A相展开图相展开图(y1=7,a=2)。双层叠绕组每相有2p(极数)个线圈组,可串可并每相最大并联支路数 amax=2p首首首首尾尾尾尾三相双层波绕组?1-(8)-19-(26)-2-(9)-2
16、0-(27)-3-(10)-21-(28)N1N1N1N2N2N210-(17)-28-(36)-11-(18)-29-(1)-12-(20)-30-(2)S1S1S1S2S2S2串或并4.5 交流绕组小结(1 1)交流绕组与直流绕组的区别)交流绕组与直流绕组的区别n直流绕组:无头无尾闭合绕组,对外通过换向器和电刷连接,各支路在磁场中的位置不变,构成各支路的元件数目不变,但是元件号不断变化n交流绕组:对外连接点是固定的(2 2)单层绕组和双层绕组的比较)单层绕组和双层绕组的比较单层绕组:q线圈数是槽数的一半,绕线和嵌线工作少q每个槽只有一个线圈,无需层间绝缘q一般都是整距绕组,不易短距谐波削弱
17、q电噪音和铁损耗较大q一般用于10kW小型电动机双层绕组:q线圈数等于槽数q各线圈尺寸一样,嵌线方便,可以灵活选择线圈节距,改善电磁性能和减少电噪音q一般用于大中型电机n单相绕组磁动势q单层集中相绕组的磁动势q单层分布相绕组的磁动势q双层短距分布相绕组的磁动势 n三相绕组合成磁动势基波n三相绕组合成磁动势谐波n圆形和椭圆形旋转磁动势n交流电机主磁通、漏磁通和漏电抗5 交流绕组磁场(1 1)单层集中相绕组的磁动势单层集中相绕组的磁动势 uA相通交流电流i后,将产生一个2极磁场。u每根磁力线所构成的磁通闭合回路的磁动势均为iNc。u略去定、转子铁心中的磁阻,该磁动势消耗在两个气隙中,每个气隙中消耗
18、的磁动势为iNc/2。uZ=6,p=1,三相单层绕组。q=1,相当于集中绕组,每相只有1个整距线圈。5.1 单相绕组磁动势u磁动势波形为矩形波。当线圈电流i随时间按正弦规律交变时,矩形波的高度为 u u矩形波的高度和正负随时间变化,变化的快慢取决于电流的频率。u将气隙圆周展开,得到磁动势沿圆周的空间分布波形。气隙圆周某点的磁动势表示由该定子磁动势所产生的气 隙磁通通过该点气隙的磁压降。u将坐标原点取在线圈AX的中心线上,利用傅里叶级数将该磁动势波形展开为如下级数形式u=1称为基波,=3,5,7.称为谐波。u在空间的任何一点,磁动势大小随时间按正弦规律变化。这种空间位置固定不动,但波幅的大小和正
19、负随时间变化的磁动势称为脉振磁动势。u基波磁动势表达式u基波磁动势沿气隙圆周有p个完整的正弦波,极对数为p 例如Z=12,p=2的三相单层绕组。q=1,每相有2个整距线圈。4极电机单层绕组(极电机单层绕组(q=1)的脉振磁动势)的脉振磁动势(2 2)单层分布相绕组的磁动势)单层分布相绕组的磁动势 u以Z=18,p=1的三相单层绕组为例。每相有1个线圈组,q=3,每个线圈组有3个整距线圈。A1X1、A2X2、A3X3串联成一个线圈组,构成A相绕组。uA相通交流电流i后,产生一个2极磁场。u采用磁动势迭加原理,三个线圈分别产生矩形波磁动势。磁动势波形一样,依次位移槽距电角1度。u各线圈磁动势的基波
20、分量为空间分布正弦波,既是时间相量,又是空间向量u磁动势空间矢量的长度代表幅值的大小,矢量的位置代表幅值所处的空间位置。u将三个矩形波叠加起来,得到分布绕组磁动势波形阶梯波阶梯波。u合成磁动势为脉振磁动势。u合成磁动势基波幅值位于线圈组的中心线上。u将坐标原点取在线圈组的中心线上,基波磁动势波表达式为u将各线圈的基波磁动势矢量相加得到分布相绕组磁动势基波矢量。u考虑到一般情况,对于q个线圈构成的线圈组,与线圈组电动势的推导相似,可推导出单层分布相绕组合成磁动势基波幅值为 ukq1为基波磁动势的分布系数分布绕组磁势合成n线圈组合成磁势n绕组分布系数n线圈组合成磁势n绕组分布系数基波磁动势分布系数
21、同样,对高次谐波磁动势Z=18,p=1的三相单层绕组为例。每相有1个线圈组,每个线圈组有3个整距线圈,q=3。采用分布绕组特点n采用分布绕组后,线圈组基波、谐波磁势幅值均下降,下降比例等于分布系数n谐波磁势下降比例远大于基波n合成磁势较接近正弦波(3 3)短距绕组的磁动势)短距绕组的磁动势短距绕组磁势合成将短距绕组形成的磁动势看成是整距绕组磁动势的合成。两个整距线圈磁动势幅值均为Fq1,相互间的位移为角。两矢量相加,得到短距绕组的磁动势基波磁动势短距系数代表采用短距线圈后磁动势比整距时打的折扣同样,对于高次谐波磁动势基波磁动势短距系数短距系数特点n极距:一个磁极覆盖的范围n第一节距y1:一个线
22、圈两个元件边的跨距n短距角n短距系数n基波和谐波均被消弱,基波损失小于谐波n问题q若消除5次谐波y1应为多少?q普通三相电机y1应取多少合适?基波磁动势绕组系数若绕组既是分布绕组又是短距绕组,则需打两个折扣谐波磁动势绕组系数(4 4)双层短距分布相绕组的磁动势)双层短距分布相绕组的磁动势 u以Z=18,p=1,y1=7的三相双层绕组为例。每相有2个线圈组,q=3,每个线圈组有3个短距线圈。线圈A1X1、A2X2、A3X3成一个线圈组,线圈A4X4、A5X5、A6X6构成一另个线圈组。uA相通交流电流i后,产生一个2极磁场。u采用磁动势迭加原理,A1A6中电流单独作用,将A1A4、A2A5、A3
23、A6分别看成是一个线圈,形成了一个单层整距分布绕组;X1X6中电流单独作用,将X1X4、X2X5、X3X6分别看成是一个线圈,形成另一个单层整距分布绕组。u两个单层分布绕组产生的磁动势如前面分析,均为阶梯波。u两个阶梯波合成即得相绕组磁动势仍为阶梯波。u相绕组磁动势为脉振磁动势。u将两个单层整距分布绕组的基波磁动势矢量相加得到相绕组磁动势基波矢量。u相绕组磁动势基波幅值uFm1称为相绕组脉振磁动势的振幅,它表示相绕组脉振磁动势幅值的最大值kw1=ky1kq1为 基波磁动势绕组系数 I=aIc为相电流有效值 N=为双层绕组每相串联总匝数 双层叠绕组双层叠绕组A相展开图相展开图(y1=7,a=2)
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