1、第四章 交流電機繞組的基本理論,是交流電機（感應電機和同步電機）的共同問題,三相交流繞組的結構； 三相交流繞組產生的磁勢分析； 三相交流繞組產生的感應電勢分析；,一、基本要求： 電氣要求： 1、繞組產生的電動勢（磁動勢）接近正弦波 -諧波分量少。 2、三相繞組的基波電動勢對稱 3、一定導體數下，產生盡可能大的基波電動勢,4.1 交流繞組的基本要求,二、設計原則： 1、正弦分布磁場在導體中產生正弦波電動勢 2、用槽電勢星形圖分布保證三相繞組的感應電動勢對稱 3、采用600相帶可獲得盡可能大的基波電動勢,三、 交流電機的電樞繞組,基本概念：, 線圈（繞組元件）：是構成繞組的基本單元。繞組就是線圈按

2、一定規(guī)律的排列和聯(lián)結。線圈可以區(qū)分為多匝線圈和單匝線圈。,與線圈相關的概念包括： 有效邊；端部；線圈節(jié)距等, 極距：沿定子鐵心內圓每個磁極所占的范圍； 用長度表示/用槽數表示；, 電角度： 轉子鐵心橫截面是一個圓，其幾何角度為360度。 從電磁角度看，一對N,S極構成一個磁場周期，即1對極為360電角度；,繞組基本概念（1）,電機的機對數為p時，氣隙圓周的角度數為p 360電角度。,單層繞組一個槽中只放一個元件邊； 雙層繞組一個槽中放兩個元件邊。,單層繞組和雙層繞組,一個槽所占的電角度數稱為槽距電角，用1表示； 一個槽所占的機械角度數稱為槽距角，用表示； 每個極域內每相所占的槽數稱為每極每相槽

3、數，用q表示。,槽距角，相數，每極每相槽數,均勻原則：每個極域內的槽數（線圈數）要相等，各相繞組在每個極域內所占的槽數應相等； 對稱原則：三相繞組的結構完全一樣，但在電機的圓周空間互相錯開120電角度。 電勢相加原則：線圈兩個圈邊的感應電勢應該相加；線圈與線圈之間的連接也應符合這一原則。 如線圈的一個邊在N極下，另一個應在S極下。,四、交流繞組的構成原則,交流繞組,同心式繞組,鏈式繞組,交叉鏈式繞組,等元件式整距疊繞組,交流繞組的形式,雙層疊繞組,五、槽電動勢星形圖和相帶劃分,體（槽號）是如何分配的。,現以一臺相數 ，極數 ，槽數 的定子來說明槽內導體的感應電動勢和屬于各相的導,定子每極每相槽

4、數：,式中，,Z 定子槽數；,p 極對數；,m 相數。,相鄰兩槽間電角度：,此角亦是相鄰槽中導體感應電動勢的相位差。,（2）、槽電動勢的星形圖,槽內導體感應電動勢的相量圖，亦稱為槽電動勢星形圖。,以A相位例，由于 ，故A相共有12個槽,相帶：每極下每相所占的區(qū)域。,A相帶： 1、2、3線圈組（ ）,與19、20、21（ ）,X相帶：,10、11、12 （ ）,與28、29、30（ ）,將四個線圈組按照一定的規(guī)律連接，即可得到A相繞組。,600相帶：,如圖,同理，B相距離A相 電角度處，C相距離A相,電角度處，可按圖所劃分的相帶連成B、C,相帶繞組：每個相帶各占 電角度。,兩相繞組。由此可得到一

5、個三相對稱繞組。,采用600相帶可獲得較大的基波電勢,每等份1200（稱1200相帶），將每個相帶內的所有導體電動勢相量正向串聯(lián)起來，得到相電動勢。,1200相帶：,如圖,實例：Z=24，2p=4，整距，m=3 雙層疊繞組,分極分相： 將總槽數按給定的極數均勻分開（N、S極相鄰分布）并標記假設的感應電勢方向； 將每個極域的槽數按三相均勻分開。三相在空間錯開120電角度。,4.2 三相交流繞組,每極每相槽數,根據給定的線圈節(jié)距連線圈（上層邊與下層邊合一個線圈）； 以上層邊所在槽號標記線圈編號； 將同一極域內屬于同一相的某兩個線圈邊連成一個線圈（共有q個線圈，為什么？）； 將同一極域內屬于同一相的

6、q個線圈連成一個線圈組（共有多少個線圈組？）； 以上連接應符合電勢相加原則 。,連線圈和線圈組,將屬于同一相的2p個線圈組連成一相繞組，并標記首尾端。 串聯(lián)與并聯(lián)，依照電勢相加原則。 最大并聯(lián)支路數a2p 按照同樣的方法構造其他兩相。 連三相繞組。 將三個構造好的單相繞組連成完整的三相繞組。,連相繞組,連三相繞組,機械旋轉磁場(如:旋轉磁極式同步電機的磁場) 電氣旋轉磁場,三相對稱交流繞組通入三相對稱交流電流會產生電氣旋轉磁場； 交流繞組處于旋轉磁場中, 切割旋轉磁場，產生感應電勢。,旋轉磁場是交流電機工作的基礎。在交流電機理論中有兩種旋轉磁場：,4.3 交流繞組的電動勢,4.3.1 正弦分布

7、磁場下的繞組電動勢,動畫2極機械旋轉磁場,動畫 2極電氣旋轉磁場,交流繞組的構成：導體-線圈-線圈組-一相繞組-三相繞組 。,感應電勢隨時間變化的波形和磁感應強度在空間的分布波形相一致。 只考慮磁場基波時，感應電勢為正弦波。,一、導體中的感應電勢,感應電勢的波形,磁場轉過一對極，導體中的感應電勢變化一個周期； 磁場旋轉一周，轉過p（電機的極對數）對磁極； 轉速為n（r/min)的電機，每秒鐘轉過(pn/60)對極； 導體中感應電勢的頻率 f=(pn/60)Hz. 問題：四極電機，要使得導體中的感應電勢為50Hz,轉速應為多少？,感應電勢的頻率,感應電勢的大小,導體感應電勢 導體與磁場的相對速度

8、：,磁感應強度峰值和平均值之間的關系： 感應電勢最大值： 感應電勢的有效值：,繞組中均勻分布著許多導體，這些導體中的感應電勢有效值，頻率，波形均相同；但是他們的相位不相同。,導體感應電勢小結：,整距線圈中的感應電勢,二、線圈中的感應電勢,線圈的兩個有效邊處于磁場中相反的位置，其感應電勢相差180電角度。,整距線圈的感應電勢：,考慮到線圈的匝數后：,線圈的兩個有效邊在磁場中相距為y1,其感應電勢相位差是180-電角度。,短距線圈中的感應電勢,短距角：,短距線圈的感應電勢：,短距系數：,短距系數小于1，故短距線圈感應電勢有所損失；但短距可以削弱高次諧波。,每對極下屬于同一相的q個線圈，構成一個線圈

9、組。圖中q=3 每個線圈的感應電勢由兩個線圈邊的感應電勢矢量相加而成。 整個線圈組的感應電勢由所有屬于該組的導體電勢矢量相加。,線圈組的感應電勢,矢量式,分布系數：,線圈組的電勢：,線圈組的感應電勢,三、一相繞組的電勢,單層繞組的相電勢,單層繞組每對極每相q個線圈，組成一個線圈組，共p個線圈組。 若p個線圈組全部并聯(lián)則相電勢=線圈組的電勢 若p個線圈組全部串聯(lián)則相電勢=p 倍 線圈組電勢 實際線圈組可并可串，總串聯(lián)匝數,相電勢：,雙層繞組每對極每相有2q個線圈，構成兩個線圈組，共2p個線圈組； 這2p個線圈組可并可串，總串聯(lián)匝數,雙層繞組的電勢,雙層繞組要考慮到短距系數：,為繞組系數,三相繞組

10、由在空間錯開120電角度對稱分布的三個單相繞組構成，三相相電勢在時間上相差120度電角度。 三相線電勢與相電勢的關系： 三角形接法：線電勢=相電勢； 星形接法：,三相繞組的電勢,正弦分布的以轉速n旋轉的旋轉磁場，在三相對成交流繞組中會感應出三相對稱交流電勢； 感應電勢的波形同磁場波形，為正弦波； 感應電勢的頻率為 f=(pn/60)Hz ；,相電勢的大小為,繞組系數,三相繞組電勢總結,4.3.2 在非正弦分布磁場下電動勢中的諧波,由于種種原因（定轉子鐵芯開槽、主極的外形、鐵心的飽和、氣隙磁場的非正弦分布）， 主極磁場在氣隙中不一定是正弦分布， 此時繞組感應電勢除基波還有一系列高次諧波電勢。 通

11、常，主極磁場的分布與磁極中心線相對稱， 故氣隙磁場中含有奇次空間諧波： 1、3、5,一、主極磁場產生次諧波的性質,極對數為基波的倍，極距為基波的1/ ，隨主極一起以同步轉速在空間移動。即,諧波頻率：,諧波電動勢的有效值：,為次諧波的繞組系數：,為次諧波的磁通量：,齒諧波電動勢,特點：諧波繞組因數恰等于基波的繞組因數。,交流繞組合成相電勢:,交流繞組線電勢,星形,三角形,二、相電動勢和線電動勢大小,三、諧波的弊害,高次諧波： 對于發(fā)電機，電動勢波形變壞， 降低供電質量； 本身雜散損耗增大， 效率下降， 溫升增高； 對鄰近線路產生干擾。,四、消除諧波的方法 （1）采用短距繞組,（1）采用短距繞組,

12、適當地選擇線圈的節(jié)距， 使得某一次諧波的短距系數等于或接近零， 達到消除或減弱該次諧波的目的。,例：為消除5次諧波，,從不過分消除基波和用銅考慮， 應選盡可能接近于整距的短節(jié)距。即2k1，,對于,此時，,換言之， 為了消除第次諧波， 只要選比整距短 的短距線圈,跨距的選擇（1）,消除5次諧波的跨距選擇,線圈節(jié)距縮短1/v,能削弱v次諧波.3、5、7 Y1=5/6,短距繞組往往采用 , 主要考慮同時減小5次、7次諧波。,對于5次諧波， 選用,對于7次諧波， 選用,（2）采用分布繞組,就分布繞組來說， 每極每相槽數q越多， 抑制諧波電動勢的效果越好， 但q增多， 意味總槽數增多， 電機成本提高。,

13、(2)采用分布繞組,采用短距和分布繞組的方法主要針對齒諧波以外的一般高次諧波， 對于齒諧波繞組系數等于基波繞組系數，不能采用通用的短距和分布繞組的方法。,齒諧波可采用斜槽、分數槽的方法進行消除。,另也可在電機設計過程中， 通過減小槽開口和槽形設計等方法進行高次諧波的減弱或消除。,齒諧波的消除,4.4 交流繞組的磁動勢,一、單個整距集中繞組的磁勢 一個整距線圈在異步電機中產生的磁勢,4.4.1 單相繞組的脈振磁動勢,磁力線穿過轉子鐵心，定子鐵心和兩個氣隙 相對于氣隙而言，由于鐵心磁導率極大，其上消耗的磁勢降可以忽略不計 ，線圈在一個氣隙上施加的磁勢為：,如果通過線圈的電流為正弦波， 則矩形波的高

14、度也將按正弦變化。,脈振磁勢,一個位置固定，幅值隨時間按正弦變化，脈振磁勢。,脈振磁勢可以表示為,為幅值,按照付立葉級數分解的方法可以把矩形波分解為基波和一系列諧波,基波幅值為：,高次諧波的幅值為,脈振磁勢的分解,基波在空間按正弦分布；在時間上，任何一個位置的磁勢都按正弦變化。所以基波是一個正弦分布的正弦脈振磁勢。其表達式為：,二、 整距分布繞組的磁勢,由q個線圈構成的線圈組，由于線圈與線圈之間錯開一個槽距角，稱為分布繞組。,取單個線圈的基波進行分析（為正弦脈振磁勢），q個正弦脈振磁勢在空間依次錯開一個槽距角；,線圈組的磁勢為：,（2）雙層短距繞組的磁勢,雙層整距繞組可以等效為兩個整距單層繞組

15、,兩個等效單層繞組在空間分布上錯開一定的角度，這個角度等于短距角；,雙層短距繞組的磁勢等于錯開一個短距角的兩個單層繞組的磁勢在空間疊加。,雙層短距繞組的磁勢為：,三、 單相繞組磁勢的統(tǒng)一表達式,為了統(tǒng)一表示相繞組的磁勢，引入每相電流I、每相串聯(lián)匝數N1等概念。,統(tǒng)一公式：,單相繞組產生的基波磁勢仍然是正弦脈振磁勢，磁勢幅值位置與繞組軸線重合，時間上按正弦規(guī)律脈振。,單相繞組產生的諧波磁勢也是正弦脈振磁勢，時間上按正弦規(guī)律脈振。,考慮單相繞組電流產生的諧波磁勢， 其統(tǒng)一表達式為：,4.4.2 三相繞組的基波合成磁動勢,單相正弦脈振磁勢的分解：,設A相繞組通過電流：,其基波磁勢為:,F最高點的運行

16、軌跡為xt ，即最高點的位置隨時間以角速度運動。 F最高點的運行軌跡為xt ，即最高點的位置隨時間以角速度運動。,F+波是一個旋轉波，在氣隙空間以角度速旋轉，轉速為：,單相正弦脈動磁勢可以分解為兩個轉向相反的旋轉磁勢。,一、三相基波磁勢合成旋轉磁勢,三相對稱電流：,三相對稱電流通過三相對稱繞組時各自產生的磁勢：,三相合成磁勢為：,三相對稱交流繞組通過三相對稱電流時將產生圓形旋轉磁勢。,圓形旋轉磁勢的幅值為：,二、圖解法： Wt=00 Wt=1200 Wt=2400 電流：首端流進，末端流出，為正值。 逆時針轉,改變旋轉磁場轉向的方法：調換任意兩相電源線（改變相序）,旋轉磁勢,Wt=00,Wt=

17、1200,Wt=2400,Wt=3600,性質2：電流在時間上經過多少電角度， 旋轉磁動勢在空間轉過同樣數值的電角度。,性質1：三相合成磁動勢的基波是一波幅恒定不變的旋轉波。,圓形旋轉磁勢的轉速為：,性質4：旋轉磁動勢由超前相電流所在相繞組軸線轉向滯后相電流所在的相繞組軸線。 當某相電流達到最大值時，旋轉磁勢的波幅剛好轉到該線繞組的軸線上。,性質3： 旋轉磁動勢的轉速為同步轉速。,性質5： 改變電流的相序，則旋轉磁動勢改變方向。,4.4.3 圓形和橢圓形旋轉磁動勢,一、圓形旋轉磁動勢：對稱三相繞組中流過對稱三相電流，氣隙中合成磁動勢是一個幅值恒定、轉速恒定的旋轉磁動勢，其波幅的軌跡是一個圓，這

18、種磁動勢稱圓形旋轉磁動勢。,二、橢圓形旋轉磁動勢：對稱三相繞組中流過不對稱三相電流（或不對稱三相繞組中流過對稱三相電流），氣隙中合成磁動勢波幅的軌跡是一個橢圓，這種磁動勢稱橢圓形旋轉磁動勢。見圖4.15 電流不對稱，將其 分解為正序、負序、 零序分量。,圖4.15,4.4.4 諧波磁動勢一、 三次諧波磁動勢,三次諧波磁動勢的極對數是基波的三倍， 三相繞組各自建立的三次諧波磁動勢表達式,三相合成的三次諧波磁動勢,三相合成的三次諧波磁動勢為零。 這個結論可推廣到6k3的諧波次數。,（2）五次諧波磁動勢的極對數是基波的五倍， 三相繞組各自建立的五次諧波磁動勢表達式,二、五次諧波磁動勢,三相合成五次諧

19、波磁動勢,五次諧波磁動勢性質： 轉速為基波轉速的1/5； 轉向與基波轉向相反； 幅值：,結論可推廣到6k1次的諧波。,（3）七次諧波磁動勢的極對數是基波的七倍， 三相繞組各自建立的七次諧波磁動勢表達式,三、七次諧波磁勢,三相合成七次諧波磁動勢,七次諧波磁動勢性質： 轉速為基波轉速的1/7； 轉向與基波轉向相同； 幅值,結論可推廣到6k1次的諧波。,交流繞組建立的磁動勢總結,同步轉速的概念： 電源頻率f=50Hz,旋轉磁勢的轉速為某些固定值，如2極電機為3000r/min;這些固定的轉速叫同步轉速。,同步轉速,三、定子三相繞組建立的磁場,在氣隙中以同步速n1旋轉的基波磁動勢及一系列以各種不同轉速旋轉的諧波磁動勢在氣隙中形成各自的旋轉磁場?；ù艌鰹椋?若氣隙均勻， 基波磁場也是以同步速旋轉的圓形磁場； 忽略鐵耗，