交流電機(jī)繞組的基本理論.ppt

1、第四章 交流電機(jī)繞組的基本理論,是交流電機(jī)（感應(yīng)電機(jī)和同步電機(jī)）的共同問題,三相交流繞組的結(jié)構(gòu)； 三相交流繞組產(chǎn)生的磁勢分析； 三相交流繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電勢分析；,一、基本要求： 電氣要求： 1、繞組產(chǎn)生的電動(dòng)勢（磁動(dòng)勢）接近正弦波 -諧波分量少。 2、三相繞組的基波電動(dòng)勢對稱 3、一定導(dǎo)體數(shù)下，產(chǎn)生盡可能大的基波電動(dòng)勢,4.1 交流繞組的基本要求,二、設(shè)計(jì)原則： 1、正弦分布磁場在導(dǎo)體中產(chǎn)生正弦波電動(dòng)勢 2、用槽電勢星形圖分布保證三相繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢對稱 3、采用600相帶可獲得盡可能大的基波電動(dòng)勢,三、 交流電機(jī)的電樞繞組,基本概念：, 線圈（繞組元件）：是構(gòu)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(jié)。線圈可以區(qū)分為多匝線圈和單匝線圈。,與線圈相關(guān)的概念包括： 有效邊；端部；線圈節(jié)距等, 極距：沿定子鐵心內(nèi)圓每個(gè)磁極所占的范圍； 用長度表示/用槽數(shù)表示；, 電角度： 轉(zhuǎn)子鐵心橫截面是一個(gè)圓，其幾何角度為360度。 從電磁角度看，一對N,S極構(gòu)成一個(gè)磁場周期，即1對極為360電角度；,繞組基本概念（1）,電機(jī)的機(jī)對數(shù)為p時(shí)，氣隙圓周的角度數(shù)為p 360電角度。,單層繞組一個(gè)槽中只放一個(gè)元件邊； 雙層繞組一個(gè)槽中放兩個(gè)元件邊。,單層繞組和雙層繞組,一個(gè)槽所占的電角度數(shù)稱為槽距電角，用1表示； 一個(gè)槽所占的機(jī)械角度數(shù)稱為槽距角，用表示； 每個(gè)極域內(nèi)每相所占的槽數(shù)稱為每極每相槽

3、數(shù)，用q表示。,槽距角，相數(shù)，每極每相槽數(shù),均勻原則：每個(gè)極域內(nèi)的槽數(shù)（線圈數(shù)）要相等，各相繞組在每個(gè)極域內(nèi)所占的槽數(shù)應(yīng)相等； 對稱原則：三相繞組的結(jié)構(gòu)完全一樣，但在電機(jī)的圓周空間互相錯(cuò)開120電角度。 電勢相加原則：線圈兩個(gè)圈邊的感應(yīng)電勢應(yīng)該相加；線圈與線圈之間的連接也應(yīng)符合這一原則。 如線圈的一個(gè)邊在N極下，另一個(gè)應(yīng)在S極下。,四、交流繞組的構(gòu)成原則,交流繞組,同心式繞組,鏈?zhǔn)嚼@組,交叉鏈?zhǔn)嚼@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(dòng)勢星形圖和相帶劃分,體（槽號）是如何分配的。,現(xiàn)以一臺相數(shù) ，極數(shù) ，槽數(shù) 的定子來說明槽內(nèi)導(dǎo)體的感應(yīng)電動(dòng)勢和屬于各相的導(dǎo),定子每極每相槽

4、數(shù)：,式中，,Z 定子槽數(shù)；,p 極對數(shù)；,m 相數(shù)。,相鄰兩槽間電角度：,此角亦是相鄰槽中導(dǎo)體感應(yīng)電動(dòng)勢的相位差。,（2）、槽電動(dòng)勢的星形圖,槽內(nèi)導(dǎo)體感應(yīng)電動(dòng)勢的相量圖，亦稱為槽電動(dòng)勢星形圖。,以A相位例，由于 ，故A相共有12個(gè)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(gè)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(gè)相帶各占 電角度。,兩相繞組。由此可得到一

5、個(gè)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(gè)相帶內(nèi)的所有導(dǎo)體電動(dòng)勢相量正向串聯(lián)起來，得到相電動(dòng)勢。,1200相帶：,如圖,實(shí)例：Z=24，2p=4，整距，m=3 雙層疊繞組,分極分相： 將總槽數(shù)按給定的極數(shù)均勻分開（N、S極相鄰分布）并標(biāo)記假設(shè)的感應(yīng)電勢方向； 將每個(gè)極域的槽數(shù)按三相均勻分開。三相在空間錯(cuò)開120電角度。,4.2 三相交流繞組,每極每相槽數(shù),根據(jù)給定的線圈節(jié)距連線圈（上層邊與下層邊合一個(gè)線圈）； 以上層邊所在槽號標(biāo)記線圈編號； 將同一極域內(nèi)屬于同一相的某兩個(gè)線圈邊連成一個(gè)線圈（共有q個(gè)線圈，為什么？）； 將同一極域內(nèi)屬于同一相的

6、q個(gè)線圈連成一個(gè)線圈組（共有多少個(gè)線圈組？）； 以上連接應(yīng)符合電勢相加原則 。,連線圈和線圈組,將屬于同一相的2p個(gè)線圈組連成一相繞組，并標(biāo)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(shù)a2p 按照同樣的方法構(gòu)造其他兩相。 連三相繞組。 將三個(gè)構(gòu)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(jī)械旋轉(zhuǎn)磁場(如:旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機(jī)的磁場) 電氣旋轉(zhuǎn)磁場,三相對稱交流繞組通入三相對稱交流電流會(huì)產(chǎn)生電氣旋轉(zhuǎn)磁場； 交流繞組處于旋轉(zhuǎn)磁場中, 切割旋轉(zhuǎn)磁場，產(chǎn)生感應(yīng)電勢。,旋轉(zhuǎn)磁場是交流電機(jī)工作的基礎(chǔ)。在交流電機(jī)理論中有兩種旋轉(zhuǎn)磁場：,4.3 交流繞組的電動(dòng)勢,4.3.1 正弦分布

7、磁場下的繞組電動(dòng)勢,動(dòng)畫2極機(jī)械旋轉(zhuǎn)磁場,動(dòng)畫 2極電氣旋轉(zhuǎn)磁場,交流繞組的構(gòu)成：導(dǎo)體-線圈-線圈組-一相繞組-三相繞組 。,感應(yīng)電勢隨時(shí)間變化的波形和磁感應(yīng)強(qiáng)度在空間的分布波形相一致。 只考慮磁場基波時(shí)，感應(yīng)電勢為正弦波。,一、導(dǎo)體中的感應(yīng)電勢,感應(yīng)電勢的波形,磁場轉(zhuǎn)過一對極，導(dǎo)體中的感應(yīng)電勢變化一個(gè)周期； 磁場旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)過p（電機(jī)的極對數(shù)）對磁極； 轉(zhuǎn)速為n（r/min)的電機(jī)，每秒鐘轉(zhuǎn)過(pn/60)對極； 導(dǎo)體中感應(yīng)電勢的頻率 f=(pn/60)Hz. 問題：四極電機(jī)，要使得導(dǎo)體中的感應(yīng)電勢為50Hz,轉(zhuǎn)速應(yīng)為多少？,感應(yīng)電勢的頻率,感應(yīng)電勢的大小,導(dǎo)體感應(yīng)電勢 導(dǎo)體與磁場的相對速度

8、：,磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值和平均值之間的關(guān)系： 感應(yīng)電勢最大值： 感應(yīng)電勢的有效值：,繞組中均勻分布著許多導(dǎo)體，這些導(dǎo)體中的感應(yīng)電勢有效值，頻率，波形均相同；但是他們的相位不相同。,導(dǎo)體感應(yīng)電勢小結(jié)：,整距線圈中的感應(yīng)電勢,二、線圈中的感應(yīng)電勢,線圈的兩個(gè)有效邊處于磁場中相反的位置，其感應(yīng)電勢相差180電角度。,整距線圈的感應(yīng)電勢：,考慮到線圈的匝數(shù)后：,線圈的兩個(gè)有效邊在磁場中相距為y1,其感應(yīng)電勢相位差是180-電角度。,短距線圈中的感應(yīng)電勢,短距角：,短距線圈的感應(yīng)電勢：,短距系數(shù)：,短距系數(shù)小于1，故短距線圈感應(yīng)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(gè)線圈，構(gòu)成一個(gè)線圈

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

10、由在空間錯(cuò)開120電角度對稱分布的三個(gè)單相繞組構(gòu)成，三相相電勢在時(shí)間上相差120度電角度。 三相線電勢與相電勢的關(guān)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(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場，在三相對成交流繞組中會(huì)感應(yīng)出三相對稱交流電勢； 感應(yīng)電勢的波形同磁場波形，為正弦波； 感應(yīng)電勢的頻率為 f=(pn/60)Hz ；,相電勢的大小為,繞組系數(shù),三相繞組電勢總結(jié),4.3.2 在非正弦分布磁場下電動(dòng)勢中的諧波,由于種種原因（定轉(zhuǎn)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(shí)繞組感應(yīng)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(chǎn)生次諧波的性質(zhì),極對數(shù)為基波的倍，極距為基波的1/ ，隨主極一起以同步轉(zhuǎn)速在空間移動(dòng)。即,諧波頻率：,諧波電動(dòng)勢的有效值：,為次諧波的繞組系數(shù)：,為次諧波的磁通量：,齒諧波電動(dòng)勢,特點(diǎn)：諧波繞組因數(shù)恰等于基波的繞組因數(shù)。,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(dòng)勢和線電動(dòng)勢大小,三、諧波的弊害,高次諧波： 對于發(fā)電機(jī)，電動(dòng)勢波形變壞， 降低供電質(zhì)量； 本身雜散損耗增大， 效率下降， 溫升增高； 對鄰近線路產(chǎn)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(dāng)?shù)剡x擇線圈的節(jié)距， 使得某一次諧波的短距系數(shù)等于或接近零， 達(dá)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(yīng)選盡可能接近于整距的短節(jié)距。即2k1，,對于,此時(shí)，,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(shí)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(shù)q越多， 抑制諧波電動(dòng)勢的效果越好， 但q增多， 意味總槽數(shù)增多， 電機(jī)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(shù)等于基波繞組系數(shù)，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?jǐn)?shù)槽的方法進(jìn)行消除。,另也可在電機(jī)設(shè)計(jì)過程中， 通過減小槽開口和槽形設(shè)計(jì)等方法進(jìn)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(dòng)勢,一、單個(gè)整距集中繞組的磁勢 一個(gè)整距線圈在異步電機(jī)中產(chǎn)生的磁勢,4.4.1 單相繞組的脈振磁動(dòng)勢,磁力線穿過轉(zhuǎn)子鐵心，定子鐵心和兩個(gè)氣隙 相對于氣隙而言，由于鐵心磁導(dǎo)率極大，其上消耗的磁勢降可以忽略不計(jì) ，線圈在一個(gè)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(gè)位置固定，幅值隨時(shí)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(shù)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(shí)間上，任何一個(gè)位置的磁勢都按正弦變化。所以基波是一個(gè)正弦分布的正弦脈振磁勢。其表達(dá)式為：,二、 整距分布繞組的磁勢,由q個(gè)線圈構(gòu)成的線圈組，由于線圈與線圈之間錯(cuò)開一個(gè)槽距角，稱為分布繞組。,取單個(gè)線圈的基波進(jìn)行分析（為正弦脈振磁勢），q個(gè)正弦脈振磁勢在空間依次錯(cuò)開一個(gè)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(gè)整距單層繞組

15、,兩個(gè)等效單層繞組在空間分布上錯(cuò)開一定的角度，這個(gè)角度等于短距角；,雙層短距繞組的磁勢等于錯(cuò)開一個(gè)短距角的兩個(gè)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(dá)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(shù)N1等概念。,統(tǒng)一公式：,單相繞組產(chǎn)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(shí)間上按正弦規(guī)律脈振。,單相繞組產(chǎn)生的諧波磁勢也是正弦脈振磁勢，時(shí)間上按正弦規(guī)律脈振。,考慮單相繞組電流產(chǎn)生的諧波磁勢， 其統(tǒng)一表達(dá)式為：,4.4.2 三相繞組的基波合成磁動(dòng)勢,單相正弦脈振磁勢的分解：,設(shè)A相繞組通過電流：,其基波磁勢為:,F最高點(diǎn)的運(yùn)行

16、軌跡為xt ，即最高點(diǎn)的位置隨時(shí)間以角速度運(yùn)動(dòng)。 F最高點(diǎn)的運(yùn)行軌跡為xt ，即最高點(diǎn)的位置隨時(shí)間以角速度運(yùn)動(dòng)。,F+波是一個(gè)旋轉(zhuǎn)波，在氣隙空間以角度速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為：,單相正弦脈動(dòng)磁勢可以分解為兩個(gè)轉(zhuǎn)向相反的旋轉(zhuǎn)磁勢。,一、三相基波磁勢合成旋轉(zhuǎn)磁勢,三相對稱電流：,三相對稱電流通過三相對稱繞組時(shí)各自產(chǎn)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(shí)將產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁勢。,圓形旋轉(zhuǎn)磁勢的幅值為：,二、圖解法： Wt=00 Wt=1200 Wt=2400 電流：首端流進(jìn)，末端流出，為正值。 逆時(shí)針轉(zhuǎn),改變旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向的方法：調(diào)換任意兩相電源線（改變相序）,旋轉(zhuǎn)磁勢,Wt=00,Wt=

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

18、種磁動(dòng)勢稱圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢。,二、橢圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)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(dòng)勢波幅的軌跡是一個(gè)橢圓，這種磁動(dòng)勢稱橢圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢。見圖4.15 電流不對稱，將其 分解為正序、負(fù)序、 零序分量。,圖4.15,4.4.4 諧波磁動(dòng)勢一、 三次諧波磁動(dòng)勢,三次諧波磁動(dòng)勢的極對數(shù)是基波的三倍， 三相繞組各自建立的三次諧波磁動(dòng)勢表達(dá)式,三相合成的三次諧波磁動(dòng)勢,三相合成的三次諧波磁動(dòng)勢為零。 這個(gè)結(jié)論可推廣到6k3的諧波次數(shù)。,（2）五次諧波磁動(dòng)勢的極對數(shù)是基波的五倍， 三相繞組各自建立的五次諧波磁動(dòng)勢表達(dá)式,二、五次諧波磁動(dòng)勢,三相合成五次諧

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