同步电机-交流绕组的电动势和磁动势

1
6
60°
2
5
3
4
转子以同步速旋转，电角速度＝电角频率。转过 60 度空间电角度所需要的时间＝时间电角度
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
槽电势星形图： 1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。 集中整距绕组的优缺点：简单，但感应的 C 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。
§7-2 同步电机的基本工作原理
同步发电机
Y C
Y C
.
A
N
S
n1 Z
N
X
A
.
S
n1 B Z
X
B
e =- E max
电枢导体 A 处径向磁密等于0 e=0
同步电机的基本知识和结构
§7-2 同步电机的基本工作原理
同步发电机
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 个周波，这就是电 动势的频率。
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=6/2×3 ＝ 1( 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。
2）用电枢槽数表示，单位为槽/极；
Z / 2p
180电角度或 电弧度 3）用空间电角度表示；
交流电机的绕组和电动势
§8-1 交流绕组的基本概念
关于交流绕组的基本概念
6）节距y 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 1 最大，线圈的节距应等于或近于极距。 整距绕组：y＝ τ
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
6 Y 1 A 2 Z
C
5 4
电势正方向
S
n
N
B
X
3
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
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，1 按照节距连成线圈，如图所示，这 就是 最简单的三相单层集中整距绕 组展开图。
ωc
交流电机的绕组和电动势
§8-1 交流绕组的基本概念
关于交流绕组的基本概念
1）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 2π 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 2π空间电弧度，若电机有 p 对极，则整个定 子内圆有 p×360 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αel 和机械 角度αmec 之间的关系应为
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。
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)．
Z q 2 pm
集中绕组：q=1
分布绕组：q>1

整数槽绕组：q＝整数 分数槽绕组：q＝分数
交流电机的绕组和电动势
§8-1 交流绕组的基本概念
关于交流绕组的基本概念
3）槽间角α1 指定子槽 相邻两槽相隔的空间电角度称为槽间角，用 α1表示。当总槽 数为Z，极对数为p时，槽间角为
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4）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α1 ， 对于三相绕组 ， 一个相带所占的电角度为
同步电机的基本知识和结构
§7-5 同步电机的额定值
额定功率因数 cosφN
指电机在额定运行时的功率因数。
额定效率η
N
指电机额定运行时的效率。
对三相交流发电机
对三相交流电动机
PN S N cos N 3U N I N cos N
PN 3U N I N cos N N
交流电机的绕组和电动势
60 f n (r / min) p
―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 。
同步电机的基本知识和结构
§7-3 同步电机的基本结构
汽轮发电机
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。 转子 作用：固定励磁绕组，产生励磁磁场。 特点：固定定子绕组，由硅钢片叠成。 定子 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。
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。
交流电机的绕组和电动势
§8-1 交流绕组的基本概念
关于交流绕组的基本概念
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。
Y
C X x B B
A Z
C Y
X B Z
AA
° 60
60 °
A B X C Y
Z
交流电机的绕组和电动势
§8-1 交流绕组的基本概念
关于交流绕组的基本概念
5）极距τ 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：
D / 2 p 1）用电枢圆周长表示，单位为米或厘米；
p 360 1 Z

Z p 360 360 q1 60 2 pm Z 23

称为60度相带绕组。
交流电机的绕组和电动势
§8-1 交流绕组的基本概念
关于交流绕组的基本概念
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。
Y
C
N
.
n1
S
X
Z
B
同步电机的基本知识和结构
§7-2 同步电机的基本工作原理
同步发电机
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。
Y C
Y C
A
.
Z
S
N
.
n1
S
X
A
.
N
n1 B Z
X
B
e = E max
电枢导体 A 处径向磁密等于0 e = 0
同步电机的基本知识和结构
pn f ( Hz ) 60
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
60 50 3000 n (r / min) p p
同步电机的基本知识和结构
§7-2 同步电机的基本工作原理
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
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。
Y C
Y C
A
N
.
n1
S
X
A
N
n1
S
Z
B
Z
.
B
X
同步电机的基本知识和结构
§7-2 同步电机的基本工作原理
同步发电机
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。设气隙磁 A 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。
§8-1 交流绕组的基本概念
关于交流绕组的基本概念
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 Z／ 2p，每极下的 槽数再按m相分，(一般 m=3)，所以每极每相槽数为


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。
同步电机的基本知识和结构
§7-5 同步电机的额定值
额定容量SN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，一般以干伏安(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。
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 1 60 电角 度，若规定导体电动势穿进纸面为正，则 图8- 4(a)所示瞬间1槽导体电动势为正的最 大，当转子转过 1 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，这样依次作出相差 1 电角度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形图。如图 所示。
2
120°
3
4
120°
5
6
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 X Z Y 形，则按A－Z、B－X、C－Y或A－ B A C Y、B－Z、C－X连接．然后由A、B、 图8-4 三相单层集中整距绕组 C引出。
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
§7-1 概述
同步电机的运行方式

汽轮发电机－原动机为汽轮机 作为发电机运行－把机械能转换成电能 水轮发电机－原动机为水轮机 其它原动机带动的发电机－柴油发电机，风力发电机等 作为电动机运行－把电能转换成机械能 作为调相机运行－向电网发送无功功率

同步电机的基本知识和结构
§7-2 同步电机的基本工作原理
el p mec
交流电机的绕组和电动势
§8-1 交流绕组的基本概念
关于交流绕组的基本概念
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。
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；
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。 对同步发电机，发出的电动势频率f满足
f pn ( Hz ) 60
对同步电动机，转子转速满足
n
60 f (r / min) p
同步电机的基本知识和结构
y=9
10
短距绕组： y< τ
长距绕组： y> τ，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