三相交流繞組

1、三相交流繞組1第1頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日繞組構成了電機的電路部分，是電機的核心，必須對交流繞組的構成和連接規(guī)律有一個清楚的了解。4-1交流繞組的構成和分類一、交流繞組的構成原則對交流繞組的基本要求：（1）電動勢和磁動勢波形要接近正弦波，也就是基波電動勢和 基波磁動勢大，諧波電動勢和磁動勢盡可能小。 （2）對三相繞組各相的電動勢、磁動勢必須對稱，電阻 電抗要平衡。（3）繞組銅耗小，用銅量少。 （4）絕緣可靠，機械強度高，散熱條件要好，制造方便。 2第2頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日本章主要介紹三相整數槽繞組。二、交流繞組的分類按相數

2、分單相三相按每極每相槽數分整數槽 分數槽按槽內層數分單層 雙層同心式 交叉式 鏈式 疊繞 波繞3第3頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日對于10kw以上的三相交流電機，其定子繞組一般均采用雙層繞組。 雙層繞組每個槽內有上、下兩個線圈邊，分別稱為上層邊和下層邊。一個線圈的一個邊放在某槽的上層，另一個邊則放在下層，相隔的槽數稱為節(jié)距，用y1表示。4-2 三相雙層繞組 在雙層繞組中線圈數正好等于槽數。4第4頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日一、雙層繞組的優(yōu)點 1、可選擇最有利的節(jié)距，以改善電動勢、磁動勢波形； 2、線圈尺寸相同便于制造； 3、端部形狀排列

3、整齊，有利于散熱和增加機械強度。 二、交流繞組的基本知識 1、電角度與機械角度 電機圓周在幾何上為360度，這個角度稱為機械角度。在電機中磁場變化一個周期，即經過N、S一對磁極就稱為360度電角度。若電機有p對極，整個圓周就是p3600電角度。電角度=P機械角度5第5頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日2、線圈 圖片 7 線圈由一匝或多匝導線繞成。3、節(jié)距 線圈兩邊所跨定子圓周上的槽數，用y1表示，y1應接近電機的極距 極距 4、槽距角 相鄰槽之間的電角度 有效邊端部首端末端6第6頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日返回7第7頁，共97頁，2022年

4、，5月20日，17點27分，星期日5、每極每相槽數 m:相數 p:極對數 即每一個極下每相所占的槽數三、槽電動勢星形圖和相帶劃分 當把各槽內導體感應的電動勢分別用矢量表示時，這些矢量構成一個輻射星形，稱為槽電動勢星形圖。例：一臺三相4極36槽電機，試繪出槽電動勢星形圖并劃 分相帶。槽電動勢8第8頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日返回9第9頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日1、繪槽電動勢星形圖123456789101112131415161718若氣隙中有一正弦分布的旋轉磁場，則槽內導體的感應電動大小相等，相位依次相差一個槽距角。10第10頁，共9

5、7頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日2、劃分相帶 (每極下每相所占有的區(qū)域稱為相帶) 以A相為例，A相在每極下應占有3個槽，整個定子中A相共有12個槽，為使合成電動勢最大，在第一個N極下取1、2、3三個槽作為A相帶，在第一個S極下取10、11、12三個槽作為X相帶。1、2、3三個槽向量間夾角最小，合成電動勢最大，而10、11、12三個槽分別與1、2、3三個槽相差一個極距，即180度電角度，這兩個線圈組（極相組）反接以后合成電動勢代數相加，其合成電動勢最大。同理將19、20、21和28、29、30也劃為A相，然后把這些槽里的線圈按一定規(guī)律連接起來，即得A相繞組。A: 1 2 3 1

6、9 20 21 X: 10 11 12 28 29 3011第11頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日同理，為了使三相繞組對稱，應將距A相120度處的7、8、9、16、17、18和25、26、27、34、35、36劃為B相。而將距A相240度處的13、14、15、22、23、24和31、32、33、4、5、6劃為C相，由此得一對稱三相繞組。每個相帶各占60度電角度 ，如圖4-2（a）所示，稱為60度相帶繞組。B: 7 8 9 25 26 27 X: 16 17 18 38 35 36C: 13 14 15 31 32 33 Z: 4 5 6 22 23 26 12第12頁

7、，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日也可按圖4-2（b）所示分相，得到一個對稱的120度相帶繞組。因120度相帶合成電動勢較60度相帶合成電動勢小，所以一般采用60度相帶繞組。 圖42（b）13第13頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日繪制繞組展開圖的步驟是： a、繪槽電動勢星形圖 b、劃分相帶 c、把各相線圈按一定規(guī)律連接成對稱三相繞組。四、繪制繞組展開圖 根據線圈的形狀和連接規(guī)律，雙層繞組可分為疊繞組和波繞組兩類。14第14頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日1、疊繞組 任何兩個相鄰的線圈都是后一個疊在前一個上面的，稱為疊繞組

8、。例：繪制4極3相36槽的雙層疊繞組展開圖。解：繪制槽電動勢星形圖和相帶劃分同上，取y1=8。15第15頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日電機學圖1/疊繞組.SWF16第16頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日按相鄰極下電流必須相反的原則，將各極相組連接起來，構成相繞組，圖中實線為上層邊，虛線為下層邊。 由于N極下的極相組A與S極下的極相組X的電動勢相位相反，電流方向也相反，應將極相組A和極相組X反向串聯(lián)或反向并聯(lián)。由于每相的極相組數等于極數，所以雙層疊繞組的最大并聯(lián)支路數等于2p。如上例中電機為4極，有4個極相組，所以最大并聯(lián)支路數a =4實際支

9、路數通常小于2p，且2p必須是a的整數倍。17第17頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日a=118第18頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日最大并聯(lián)支路數a=419第19頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日2、波繞組 兩個相鄰的線圈成波浪形前進，如圖所示，波繞組的連接規(guī)律是把所有同一極性（如N1,N2）下屬于同一相的線圈按波浪形依次串聯(lián)起來組成一組，在把另一極性（S1,S2）下的屬于同一相的線圈按波浪形依次串聯(lián)起來，組成另一組，最后根據需要把這兩組接成串聯(lián)或并聯(lián)。構成相繞組。 為合成節(jié)距 20第20頁，共97頁，2022年，5月

10、20日，17點27分，星期日例：將前述3相4極36槽y1=8的繞組繞成波繞組。 繪制波繞組展開圖的步驟與疊繞組完全相同，該例題槽電動勢星形圖和相帶劃分與前例完全相同，如右圖所示。21第21頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日電機學圖1/波繞組1.SWF22第22頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日每繞完一周后人為地后退一個槽，才能使繞組繼續(xù)繞下去。若A相從3號線圈起，則3號線圈一導體邊放在3號槽上層用實線表示，另一導體邊放在11號槽下層用虛線表示（y1=8）然根據y =18,3號線圈應與21號線圈連接，其繞組展開圖如圖所示。1-2-3 10-11-1

11、2 19-20-21 28-29-30A1X1A2X223第23頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日一路串聯(lián)24第24頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日單層繞組每槽只有一個線圈邊，所以線圈數等于槽數的一半。這種繞組下線方便，槽利用率高（無層間絕緣）。分同心式、鏈式和交叉式，本節(jié)介紹單層繞組連接規(guī)律，現(xiàn)分別說明如下：一、同心式 同心式繞組由不同節(jié)距的同心線圈組成 。以兩極三相 24槽電機為例說明。4-3 三相單層繞組 分相：A 23 24 1 2 X 11 12 13 14 B 7 8 9 10 Y 19 20 21 22 C 15 16 17 18

12、 Z 3 4 5 625第25頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日單層整距繞組，23-11，24-12，1-13，2-14為4個整距線圈，串聯(lián)后構成一個線圈組。線圈組的電動勢大小與線圈邊串聯(lián)次序無關，因此可把2-11，1-12，23-14，24-13分別構成線圈。26第26頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日同心式優(yōu)點：下線方便，端部的重疊層數較少，便于布置，散熱好。 缺點：線圈的大小不等、繞制不便。27第27頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日二、鏈式繞組 鏈式繞組的線圈具有相同的節(jié)距。就整個繞組外形來看，一環(huán)套一環(huán)，形如長鏈

13、。鏈式線圈的節(jié)距恒為偶數。例：三相6極36槽繪制鏈式繞組展開圖 1號向右連，36號向左連，且節(jié)距相等，然后用極間連線（紅線）按相鄰極下電流方向相反的原則將六個線圈反向串聯(lián)，得A相繞組。28第28頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日鏈式繞組本質上就是q=2的同心式繞組。29第29頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日例：三相四極36槽定子，繪制交叉式繞組展開圖 三、交叉式繞組 30第30頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日在交流電機氣隙中有一以ns轉速旋轉的旋轉磁場。本節(jié)討論旋轉磁場在空間正弦分布時，交流繞組中感應電動勢的計算公式。

14、由于旋轉的磁場切割定子繞組，所以在定子繞組中將產生感應電動勢。 4-4 正弦磁場下交流繞組的感應電動勢 一相繞組的電動勢 = 一條支路的電動勢導體的感應電動勢 線圈的感應電動勢 線圈組（極相組）的感應電動勢 一相繞組感應電動勢31第31頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日一、導體的感應電動勢 如圖為一臺兩極交流發(fā)電機，轉子是直流勵磁形成的主磁極（簡稱主極）定子上放有一根導體，轉子由原動機拖動以后，形成一旋轉磁場。定子導體切割該旋轉磁場感應電動勢。32第32頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日設主極磁場在氣隙內按正弦規(guī)律分布，則： B1：磁場幅值 ：離

15、開原點的電角度 可認為導體以角頻率反向旋轉，當時間為t時，導體轉過，且=t，則導體感應電動勢為：1、電動勢的波形33第33頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日由上式可見導體中感應電動勢是隨時間正弦變化的交流電動勢 。34第34頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日2、正弦電動勢的頻率f 若p =1 ，電角度=機械角度 ，轉子轉一周感應電動勢交變一次，設轉子每分鐘轉ns轉（即每秒轉ns/60轉），于是導體中電動勢交變的頻率應為： 若電機為 P 對極，則轉子每旋轉一周，導體中感應電動勢將交變 P 次，此時電動勢頻率為：在我國工業(yè)用標準頻率為50Hz，所以當

16、35第35頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日3、導體電動勢有效值 ：平均磁密：每極磁通。 36第36頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日二、整距線圈的感應電動勢 ，則線圈的一根導體位于N極下最大磁密處時，另一根導體恰好處于S極下的最大磁密處。所以兩導體感應電動勢瞬時值總是大小相等，方向相反，設線圈匝數NC=1，則整距線圈的電動勢為37第37頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日若線圈有NC匝，則 三、短距線圈的電動勢，節(jié)距因數 y1 因此節(jié)距小于180 兩導體中的感應電動勢不是差180度，而是相差 節(jié)距因數（基波） 38第38頁

17、，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日 若為NC匝表示線圈采用短距后感應電動勢較整距時應打的折扣 當時，1當 時，例如： 可見采用短距線圈后對基波電動勢的大小稍有影響，但當主磁場中含有諧波時，它能有效地抑制諧波電動勢，所以一般交流繞組大多采用短距繞組。39第39頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日四、線圈組的電動勢、分布因數和繞組因數 每極下每相有一個線圈組，由q個線圈組成，且各個線圈依次相差電角度如q=3 40第40頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日q個線圈分布在不同槽內，使其合成電動勢小于q個集中線圈的合成電動勢qEc1，所以

18、kd16時，分布因數的下降已不明顯，所以一般選6q2，圖4-20表示不同q值時，諧波分布因數的變化情況。64第64頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日（3）削弱諧波磁場凸極同步電機改善磁極極靴外型，隱極同步電機勵磁繞組合理的分布，使磁極磁場沿電樞表面分布接近于正弦波。（4）三次和三的倍數次諧波的消除 三相繞組可接成三角形或星形。 凸極電機以上方法均不能削弱齒諧波電動勢。65第65頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日2、齒諧波電動勢減小的方法 對于齒諧波，由于其繞組因數與基波繞組因數相同，不能采用短距和分布的方法削弱它。目前采用以下幾種方法削弱齒諧波電

19、動勢： （1）采用斜槽 采用斜槽后，同一根導體內的各個小段在磁場中的位置互不相同，所以同一導體各段感應電動勢不同，與直槽相比，導體中的感應電動勢有所變化，理論分析證明采用斜槽可有效削弱齒諧波電動勢，但對基波和其他諧波也有削弱作用，為計及這一影響，在計算電動勢時，除了考慮節(jié)距因數和分布因數外，還應考慮斜槽因數。66第66頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日為了推導斜槽因數，把斜槽內導體看為無限多根短直導體的串聯(lián)。相鄰直導體間有一微小的相位差（0）短直導體數q，而q=，為整根導體斜過的電弧度，仿照分布因數的推導方法，可導出斜槽因數?；ǖ男辈垡驍禐椋?7第67頁，共97頁，2

20、022年，5月20日，17點27分，星期日若導體斜過的距離用c來表示時， 次諧波的斜槽因數為 ：從以上可見，如用斜槽消除 次諧波，應使即68第68頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日取 為了使 ，這兩個齒諧波都得到削弱。2mq：為一對極下的槽數，tZ：齒距。即斜過的距離等于一個齒距。 只要使斜過的距離等于該次空間諧波的2倍極距，諧波電動勢相互抵消。所以，要消除齒諧波電動勢應取采用斜槽后，可使齒諧波大大削弱。斜槽主要用于中、小型電機中。 69第69頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日(2) 采用分數槽 在多極同步發(fā)電機（例如水輪發(fā)電機）中，常常采用分數

21、槽繞組來削弱齒諧波。由于每極每相槽數q=分數，所以齒諧波次數 一般為分數或偶數，而主極磁極中僅含有奇次諧波，即不存在齒諧波磁場，也就不存在齒諧波電動勢。(3) 采用半閉口槽和磁性槽楔 在小型電機中采用半閉口槽，中型電機中采用磁性槽楔來減小由于槽開口而引起的氣隙磁導變化和齒諧波。但采用半閉口下線工藝復雜。70第70頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日因組成一相繞組的基本單元是線圈，所以在分析單相磁動勢時，我們先從分析一個線圈的磁動勢入手，進而分析一個線圈組的磁動勢，最后推出一相繞組產生的磁動勢。 4-6 正弦電流下單相繞組的磁動勢 一、整距線圈的磁動勢 下圖表示一臺兩極電機

22、，設定子上有一整距線圈AX，匝數NC 當通入交流電ic時，電流方向如圖所示。71第71頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日由全電流定律即作用于任何一閉合回路的磁動勢等于它所包圍的全電流。因磁力線通過兩個氣隙，如不計鐵磁材料中的磁壓降，則磁動勢 全部消耗在氣隙中，經過一次氣隙，消耗磁動勢為 。72第72頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日如將磁力線出定子進轉子作為磁動勢正方向 整距線圈在氣隙內形成一個矩形分布的磁動勢波，其矩形的高度是時間的函數。當時 高度達最大值；當 矩形波高度為零。當電流變?yōu)樨撝禃r，兩個矩形波的高度跟著變號，正變負，負變正。73第7

23、3頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日這種空間位置固定不動，但波幅的大小隨時間而變化的磁動勢為脈振磁動勢。下圖表示節(jié)距等于1/4周長的兩組整距線圈形成四極磁場時的情況，其磁動勢波形仍為矩形波，但極數為4。插入動態(tài)圖電機學圖1/4-28.SWF插入動態(tài)圖電機學圖1/4-24DONG.SWF74第74頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日應用富氏級數可將矩形波進行分解得： 該磁動勢波分解為基波和一系列奇次諧波，其中基波磁動勢的幅值是矩形波的 倍， 次諧波的幅值是基波的 倍。 分別為基波和諧波磁動勢的最大值。由于波形的對稱性，富氏級數中只含余弦項的奇次諧波。

24、磁動勢即是時間的函數又是空間的函數，所以是時空函數。分析時往往對時間和空間分別考慮：固定時間看磁動勢在空間的分布；固定空間，看磁動勢隨時間的變化。75第75頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日二、線圈組的磁動勢 每個線圈組是由若干個節(jié)距相等，匝數相同，依次沿定子圓周錯開同一角度的線圈串聯(lián)而成，下面按整距線圈組和短距線圈組兩種情況分別分析線圈組的磁動勢。1、整距線圈的線圈組磁動勢 q個整距線圈組串聯(lián)構成線圈組，q個線圈在空間依次相隔的電角度。線圈組的合成磁動勢并不等于每個線圈磁動勢的q倍，而是等于q個線圈磁動勢的矢量和。求合成磁動勢的方法與求線圈組電動勢方法相同。下面以q=

25、3為例進行分析。76第76頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日77第77頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日Kd1：基波分布因數78第78頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日2、短距線圈的線圈組磁動勢 雙層繞組中常采用短距。若線圈為整距時，上層與下層的磁動勢可直接相加，即 而短距時，不能用代數和，而是矢量和。例如一臺2極18槽，y1=8的雙層短距繞組。就產生磁動勢而言，可以把上層邊和下層邊各看成一個整距線圈組。兩個整距線圈組在空間互差 電角度，因此不能直接相加。79第79頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日

26、采用短距和分布繞組，磁動勢的變化：繞組分布后所形成的磁動勢較集中繞組減小。采用分布和短距后，可有效削弱諧波，從而改善磁動勢波形。80第80頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日三、單相繞組的磁動勢脈振磁動勢 由于各對極下磁動勢的分布完全相同，所以一相繞組的磁動勢是指每對極下的磁動勢。對于單層繞組，qNC所產生的磁動勢脈振磁動勢 電機學圖1/4-24dong.swf81第81頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日而對于雙層繞組，應為2qNC所產生的磁動勢對于單層和雙層繞組，一相繞組磁動勢的表達式可統(tǒng)一為82第82頁，共97頁，2022年，5月20日，17點

27、27分，星期日單相繞組的磁動勢是一種空間位置固定，幅值隨時間變化的脈振磁動勢，其脈振頻率取決于電流的頻率。磁動勢是時空函數。1. 性質：脈振磁動勢。 基波2. 最大值 次諧波3. 脈振頻率：電源頻率。4. 軸線：繞組的軸線。這里的諧波磁動勢是基波電流產生的。83第83頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日前面分析了單相繞組的磁動勢為一脈振磁動勢。將三個單相磁動勢相加，即得三相繞組的合成磁動勢。為了清楚的理解由單相到三相合成時，脈振磁動勢如何變?yōu)樾D磁動勢，用解析法和圖解法兩種方法進行分析。一、三相繞組的基波合成磁動勢 1、解析法： 單相磁動勢為： 當對稱三相繞組中，通入對稱

28、三相電流時，由于三相繞組在空間互差1200，三相電流在空間上互差1200。4-7 正弦電流下三相繞組的磁動勢 84第84頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日若把空間坐標原點取在A相繞組軸線上，A相電流達到最大值的瞬間為時間起始點，則A，B，C三相繞組各自產生的脈振磁動勢基波的表達式為：85第85頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日三相基波合成磁動勢是一個圓形旋轉磁動勢。轉速：電流變化一個周期，磁動勢波推移2電弧度，電 流頻率為f 時，每秒轉過的電弧度為2f ，轉速為： 86第86頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日三相繞組的基波

29、合成磁動勢：性質：圓形旋轉磁動勢。幅值：轉速：轉向：由電流的超前相轉向電流的滯后相。瞬時位置：哪一相電流達到最大值，合成磁動勢的軸線與哪一相繞組的軸線重合。多相對稱繞組流過多相對稱電流時，產生的合成磁動勢為圓形旋轉磁動勢。電機學圖1三相合成磁動勢.SWF87第87頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日2、圖解法下面用圖解法分析三相基波合成磁勢。88第88頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日89第89頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日90第90頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日91第91頁，共97頁，2022年，5月20日，17點27分，星期日當對稱三相繞組中通入對稱三相電流時，基波