交流电机电枢绕组的电动势 电子教案.doc

第六章交流电机电枢绕组的电动势与磁动势
交流电机包括同步电机和异步电机两大类。同步电机和异步电机的运行原理和结构有很多不同之处,也有很多相同之处。在分别阐述同步电机和异步电机之前,先把他们的共同之处加以分析,即交流电机电枢绕组及其电动势和磁动势。本章侧重于电枢绕组的电动式和磁动势的分析,对于电枢绕组,只作简单介绍。
电枢是电机中机电能量转化的关键部分,直流电机电枢指转子部分,而交流电机的电枢是指的定子部分。
对交流电机电枢绕组的要求,首先是能感应出有一定大小而波形为正弦的电动势,对三相电机来说,要求三相电动势对称。为此,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动势的要求。
交流电机电枢绕组的电动势
交流电机电枢绕组感应电动势问题的分析,对同步电机或异步电机都实用。为了便于理解,在下面的分析中,用一台同步发电机来进行分析,所的结论都能应用到异步电动机上。
导体电动势
(a)是一台简单的交流同步发电机模型。它的定子是一个圆筒形的铁芯,在靠近铁心内表面的槽里,插了一根导体A。圆筒形铁芯中间放了可以旋转的主磁极。主磁极可以是永久磁铁,也可以是电磁铁,磁极的极性用N,S表。(a)是从轴向看的示意图,
但是一定要记住,这台电机的定子铁芯、导体A以及磁极在轴向有一定的长度,用表示。
用原动机拖着主磁极以恒定速度n相对于定子逆时针方向旋转,放在定子上的导体A与主磁极之间有了相对运动。根据电磁感应定律,导体A中会感应电动势。
为了写出数学表达式,在转子的表面上放上直角坐标,坐标原点任选在两个主磁极的中间,纵坐标代表气隙磁密B的大小,横坐标表示磁极表面各点距坐标原定的距离,用角度衡量。整个坐标随着转子移到旋转。(b)是把图(a)所示模型在导体A出沿轴向剖开,并展成直线的图形。由于角度是衡量转自表面的空间距离,所以是空间角度。再点击里,把把一对主磁极表面所占的空间距离用空间角度表示,并定为(或弧度)。它与电机整个转子表面所占的空间几何角度(弧度)是有区别的。前者叫空间电角度,用表示;后者较机械角度,用表示。如果电机只有一对主磁极(两个磁极算一对),空间电角度与机械电角度二者相等。如果电机有
对主磁极,即对极电机,对应的空间电角度为,而机械角度永远为。他们之间的关系为
分析点击的原理时,都用空间电角度这个概念,不用机械角度,这点希望读者要十分明确。
为了用曲线或公式表达气隙磁密以及导体中的感应电动势,还应规定他们的正方向。假设气隙磁通从磁极到定子为正,对应的磁密也为正,反之为负。(b)中所示导体A的感应电动势出直面为证,用⊙表示。
电机气隙磁通是由转子励磁绕组中通入直流励磁电流产生的。当主磁极逆时针方向旋转时,气隙磁通以及对应的气隙磁密也随之移到旋转。
假设电机的气隙中只有波长等于一对主磁极极距、沿气隙圆周方向分布为正弦形的磁密波,称为基波磁密,(b)所示。用公式表示为
式中是气隙磁密的最大值。
根据电磁感应定律知道,导体切割感应线所产生感应电动势的大小为
式中为气隙磁密;
为切割磁感线的导体长度;
为导体垂直切割磁感应线的相对速度。
感应电动势的瞬时实际方向,用右手定则确定。
已知转子逆时针方向旋转的转速为(),用电角度速度表示为
在求导体中的感应电动势时,显然可以看成转子不动而导体A以角速度朝相反方向旋转。(b)所示直角坐标上,就是沿着+a的方向以角速度移动。在此,(b)所示坐标原点的瞬间,作为实践的起点,即
当时间过了秒后,导体A一道a处,这时
该处的气隙磁密为
于是导体A中感应的基波电动势瞬时值为
式中为导体中基波感应电动势的最大值;
为基波感应电动势的有效值。
可见,导体中感应的基波电动势随时间变化的波形,决定于气隙中磁密的分布波形。导体中随时间按正弦规律变换的电动势,(a)所示。如果用电角度作为衡量电动势变化的时间,(b)中,导体从坐标原点位移到空间电角度处所需的时间就是时间电角度,且二者的数值相等,即在空间上所位移的电角度等于所经历的时间电角度
。
(b)中看出,导体A每经过一对主磁极,其中感应电动势便经历一个周期。用表示定子上导体A中感应基波电动势的频率(即每秒基波电动势变化的周数)。当电机的转子每转一圈,由于转子上有对主磁极,导体A中基波电动势变化了周,已知电机每秒转了转,所以导体A基波电动势的频率为
式中的单位为。
从上式看出,当电机的极对数与转速一定时,频率就是固定的数值。我国电力系统规定频率。为此,当即对数时,;时,,余类