18电机学－同步电机的基本知识和结构交流绕组和电动势1

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1、同步电机的基本知识和结构7-1概述 什么是同步电机同步电机：是一种旋转的交流电机，它的转子转速n与电动势频率f之间保持严格不变的关系。同步发电机，发出的电动势频率 f 满足f=pn60(Hz)同步电动机，转子转速满足n = 60 fp(r /min) 同步电机的运行方式作为发电机运行 将机械能转换为电能汽轮发电机原动机是汽轮机水轮发电机原动机是水轮机其它柴油发电机、风力发电机等作为电动机运行 将电能转换为机械能提高电网功率因数调速问题作为调相机运行 基本不进行有功功率的转换，调节无功功率，提高电网功率因数电机的可逆性原理作为发电机运行 将机械能转换为电能作为调相机运行 基本不进行有功功率的转换

2、，调节无功功率，提高电网功率因数7-2同步电机的基本工作原理 同步发电机基本构成：定子、转子、气隙、励磁绕组、电枢绕组。横截面图。凸极式、隐极式。YCN.n1SZBNSCYB.Zn1AXAX作为发电机运行时，用一原动机拖动转子旋转，转子励 磁绕组中通入直流电，从而在气隙中产生一旋转的磁场， 该磁场切割定子上的电枢导体，电枢绕组便感应出交流 电动势。三相单层整距集中绕组小容量电机n1ZBS.NCYAX设气隙磁密按正弦分布，则在定子三相绕组里感应出正弦变化的三相电动势，交流电动势的频率取决于电机的极对数 p 和转子转速 n，若电机为一对极，当转子旋转一周时，导体中感应电动势变化一个周波。n1ZBS

3、.NCYAX考察电枢导体 A 的感应电动势。e = B l v ，右手定则。导体相对于磁场的运动方向。YC.N.n1SZBYCSNn 1ZBAXAXe = E max电枢导体 A 处径向磁密等于0 e = 0Y.CSNn1ZBYCNSn 1ZBAXAXe = E max电枢导体 A 处径向磁密等于0 e = 0交流电动势的频率取决于电机的极对数 p 和转子转速n，若电机为一对极，当转子旋转一周时，导体中感应电动势变化一个周波。若为 p对极，当转子旋转一周时，导体感应电动势变化 p个周波。设转子每分钟旋转 n转，则对 p 对极电机，导体感应电动势每分钟变化 pn个周波，每秒钟变化 pn/60个周

4、波，这就是电动势的频率。f=pn60(Hz)注：我国电力系统，规定交流电的频率为50Hz，因此极对数和转速有如下固定关系n = 60 50 =p3000p(r /min) 同步电动机如果同步电机作为电动机运行，则必须在定子三相绕组 上加上三相交流电压，三相交流电流流过定子绕组，会 在电机里产生旋转磁场，当励磁绕组加上直流励磁电流 时，转子好象是一个磁铁，于是旋转磁场带动这个磁铁， 按旋转磁场的转向和转速旋转，从而实现把电能转换成 机械能的目的。这时转子的转速 n 为n = 60 fp(r /min) “同步”的概念同步电机无论作为发电机还是电动机运行，当极数一定时，它的转速 n 和频率 f 之

5、间保持严格不变的关系，用电机专业术语说，叫做“同步”，所以这种电机叫同步电机 。7-3同步电机的基本结构汽轮发电机转子 特点：转速高，转轴细长，由高机械强度和导磁性能较好的合金钢锻成，并且和转轴作成一个整体，为隐极式转子。作用：固定励磁绕组，产生励磁磁场。定子特点：固定定子绕组，由硅钢片叠成。作用：感应电势，通过电流，实现机电能量转换。机座固定定子铁心7-3同步电机的基本结构水轮发电机转子特点：转速低，转轴短粗，为凸极式转子。作用：固定励磁绕组，产生励磁磁场。定子特点：固定定子绕组，由硅钢片叠成。作用：感应电势，通过电流，实现机电能量转换。机座固定定子铁心7-5同步电机的额定值额定容量 SN

6、或额定功率 PN同步发电机：额定容量SN是指出线端的额定视在功率， 一般以千伏安(kVA)或兆伏安(MVA即百万伏安)为单位；而额定功率PN是指发电机输出的额定有功功率， 一般以千瓦(kW)或兆瓦(MW，即百万瓦)为单位。同步电动机：PN是指轴上输出的有效机械功率，也用千瓦(kW)或兆瓦(MW)来表示。对于同步调相机，则用线端的额定无功功率来表示其容量。以千乏(kVAR)或兆乏(MVAR)为单位。7-5同步电机的额定值额定电压UN指在额定运行时电机定子三相线电压，单位为伏(V) 或千伏(kV)。额定电流IN指电机在额定运行时流过定子绕组的线电流，单位为安(A)。 额定功率因数 cosN指电机在

7、额定运行时的功率因数。 额定效率N指电机额定运行时的效率。对三相交流发电机PN= SNcosjN=3U N INcosjN对三相交流电动机PN=3U N INcosjNhN交流电机的绕组和电动势8-1交流绕组的基本概念 交流绕组的性能要求1）良好的导电性能；2）一定导体数下，获得较大的基波电动势和基波磁动势；3）在三相绕组中，对基波而言，三相电动势必须对称，即三相的幅值相等而 相位互差120度电角度，并且三相的阻抗也要求相等；4）电动势和磁动势波形力求接近正弦波，为此要求电动势和磁动势中的谐波分量尽量小；5）用铜量少，绝缘性能和机械强度可靠，散热条件好；6）制造工艺简单，检修方便。 关于交流绕

8、组的基本概念实用的交流绕组由分布地嵌在定子槽内的许多线圈组成， 一个线圈有 wc匝，每匝有两根导体，线圈的直线部 分放在槽里，因它切割气隙磁场产生感应电动势，故称 有效边，露在槽外的前后端连接线，称为端部，它不切 割气隙磁场，仅起连接有效边的作用，如图所示。c1）电角度因磁场每转过一对磁极时，导体的基波电动势变化一个周期，在电路理论中，定义一个周期为360度时间电角度或 2 时间电弧度，所以把一对极所张的空间角度称为 360 度空间电角度或 2空间电弧度，若电机有 p 对极，则整个定子内圆有p360 度空间电角度，而在几何学中把一个圆周对应的空间角度称为 360 度机械角度，所以电角度el 和

9、机械角度mec 之间的关系应为a el=p amec时间电角度：绕组感应电动势随时间交变、一个周期（指基波）对应 360度时间电角度。空间电角度：绕组的空间分布、绕组磁动势随空间周期性分布、一个周期（指基波）对应 360 度空间电角度。YCN.n1SZB绕组的空间分布电角度之差恰恰就等于其感应AX电动势的时间电角度之差。2）每极每相槽数 q指定子槽数三相电机中，为了保证电气上的对称，每相绕组所占的槽数应该相等，并且均匀分布。因此，要形成2p 个极的电机，应将定子总槽数Z分为2p个等分，每极下的槽数为Z2p，每极下的槽数再按m 相分，(一般m=3)，所以每极每相槽数为集中绕组：q=1 分布绕组：

10、q1q=Z2 pm整数槽绕组：q整数分数槽绕组：q分数3）槽间角1指定子槽相邻两槽相隔的空间电角度称为槽间角，用1表示。当总槽数为Z，极对数为 p 时，槽间角为a1 =p 360oZ4）相带每极下一相绕组所占的宽度称为相带，相带用电角度表示。由于每极每相所占的槽数为q，而槽间角为1 ， 对于三相绕组 ，一个相带所占的电角度为qa1=Z2 pmp 360oZ= 360o2 3= 60o称为60度相带绕组一对极下有六个相带，为了获得三相对称电动势， 各绕组在空间相隔120 度电角度，因此六个相带可依次命名为A、Z、B、X、C、Y，图 (a)为一对极电机的相带排列情况。图(b)为两对极电机的情况。图

11、中A与X， B与Y，C与Z相带的导体,处于不同极性的磁极下,相隔180度电角度，故电动势方向相反。YCAA60xXZBCXYBAZ60ZABYXC5）极距沿电枢表面相邻两个磁极轴线之间的距离称为极距， 极距有三种表示法：1）用电枢圆周长表示，单位为米或厘米；t = pD / 2 p2）用电枢槽数表示，单位为槽/极；3）用空间电角度表示；t = Z/ 2 pt = 180o电角度或p 电弧度6）节距y1y = 910一个线圈两有效边之间的距离称为节距，一般用槽数表示。如图所 示线圈，若它的一个边放在第1槽， 另一个边放在第10个槽，则节距y 9，为了使线圈电动势最大或接近最大，线圈的节距应等于或

12、近于极距。整距绕组：y 短距绕组： y ，端接较长，较少采用。交流电机的绕组和电动势8-2三相单层绕组 单层绕组的特点单层绕组，每个定子槽内只放一个线圈边，每一个线圈需占用两个槽，整个绕组的线圈数等于总槽数的一半。由于每槽内仅放置一个线圈边，不需要层间绝缘，这就提高了槽的利用率，同时也没有层间绝缘击穿的问题， 提高了电机工作的可靠性，此外单层绕组嵌线也比较方便，但由于节距受到一定的限制，不能利用它来改善电动势和磁动势波形，因此单层绕组一般用在lOkW以下的异步电动机中。交流电机的绕组和电动势8-2三相单层绕组 三相单层集中整距绕组三相绕组是由三个单相绕组组成的，为了使三相绕组感应的电动势幅值相

13、等，相位互差120度电角度，要求三个相绕组的匝数必须相等，而且每相绕组的轴线应彼此互差120 度空间电角度，例如一台p=1的电机，电枢槽数Z=6，则每极每相槽数 q=Z/2pm=6/231(集中绕组)，取节距y=Z/2p=3(整距),若连成单层绕组， 其绕组排列如图所示。Y6C51ASN4X2Zn3B电势正方向为了表示各线圈的位置和连接，通常采用所谓绕组展 开图，它是把定子沿轴向剖开，然后把它展开，每一 槽用一直线表示，槽上编以号码，按照节距连成线圈。这就是 最简单的三相单层集中整距绕组展开图。121203456120XZYACB1 Y6C51ASN4X2Zn3B1Y6C51ASN4X2Zn3

14、B16514SN2n31234561AZBXCYA16514SN2n3n1234561AZBXCYAn1234561AZBXCYA1234561121203456120XZYACB按照需要，三相绕组可以连成星形或三角形，图为星形联结；若接成三角形，则按AZ、BX、CY或AY、BZ、CX连接然后由A、B、C引出。槽电势星形图：连成的绕组能否得到三相对称电动势呢？可以作三相绕组电动势相量的方法来说明。因槽间角 a1=60 度60电角度，若规定导体电动势穿1进纸面为正，则该瞬间1槽导体电动势为正的最大，当转子转62过槽间角后，2槽导体电动势才最大，因此2槽导体电动势落后于l槽导体电动势 60度电角度

15、，这样依次作出相差60度电角度53的所有槽导体基波电动势相量，所得的相量图称为槽电动势星4形图。如图所示。Y6C51ASN4X2Zn3B电势正方向转子以同步速旋转，电角速度？电角频率。转过 60 度空间电角度所160需要的时间？时间电角度？62534A-411201205-21203-6C1槽导体与4槽导体串联组成 整距线圈构成A相绕组，由于1槽导体与4槽导体处于不同的极性下，因此A相电动势应为1槽导体电动势与4槽 导体电动势的相量差。同理， B相电动势应为3槽导体电动势与6槽导体电动势的相量差，C相电动势应为5槽导体电动势与2槽导体电动B势的相量差，如图所示，可知三相绕组的基波电动势为三相对称电动势。A-411201205-21203-6CB集中整距绕组的优缺点：简单，但感应的电动势波形不 好，而且由于绕组集中，运行时发热集中，散热不良， 再加上电枢表面空间利用率低，所以一般采用分布绕组。