第3章三相同步电机
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电工与电子技术基础第2版习题参考答案第3章
习题3.1 某三相同步发电机，三相绕组连接成星形时的线电压为10.5kV ，若将它连接成三角形，则线电压是多少？若连接成星形时，B 相绕组的首末端接反了，则3 个线电压的有效值 U AB 、U BC 、U CA 各是多少？解：三相绕组连接成星形时U L =3U P ，线电压为10.5kV ，则每相绕组的电压为6.06kV ，若连接成三角形U L =U P ，则线电压为6.06kV 。
若连接成星形时，B 相绕组的首末端接反了，则B 相相电压的相位与原来的相差1800， 根据相量计算可得U AB =6.06 kV 、U BC =6.06 kV 、U CA =10.5 kV 。
3.2 题3.2 图所示的三相对称电路，线电压U L =380V ，每相负载Z = 6+j8Ω，试求相电压、相电流和线电流，并画出电压和电流的相量图。
题3.2 图解：由题意：负载作星接U l =3U p 因U l =380V ，则U a =U b =U c = = 220 （V ）设U a = 220/0°（V ）因相电流即线电流，其大小为：.220/0°I A == 22/−53°(A) 6 + j 8.I B = 22/−173ο(A).I C = 22/67°(A) 此时的相量图略。
3.3 有一电源和负载都是星形连接的对称三相电路，已知电源相电压为220V ，负载每相阻抗Z = Ω10 ，试求负载的相电流和线电流。
3 380第3 章三相交流电路习题解答77解：负载的相电压等于电源的相电压：U p = 220（V）U P 220(A)I l = I p = = = 22Z 103.4 已知星形联接的对称三相负载，每相阻抗为40∠25°（Ω）；对称三相电源的线电压为380Ｖ。
求: 负载相电流，并绘出电压、电流的相量图。
解：ＵAB ＝380ＶＺ＝40∠25°Ω（１）三相对称电源接入三相对称负载令U A ＝２２０∠０°Ｖ则相线电流I A =U A ／Z＝５.５∠-２５°ＶI B ＝５.５∠－１４５°ＶI c ＝５.５∠９５°Ｖ(2) 矢量图如图所示。
第3章 发电机及调节器
爪极式无刷交流发电机结构原理及磁路 1-定子绕组; 2-定子铁心; 3、4-爪极； 5-磁场绕组； 6-轴；7-前端盖；8-后端盖；9-外壳；10-磁轭托架
第3章 交流发电机及电压调节器
汽车电气设备构造与维修
• 3)爪极式无刷交流发电机的优缺点 • 优点是：结构简单、维护工作量少，工作可靠； 工作时无火花。 • 缺点是：制造工艺要求高、焊接困难；结构复杂。 • （2）感应子式无电刷交流发电机 • 感应子式无电刷交流发电机由定子、转子、整流 器和机壳组成。它的转子是由齿轮状钢片铆成， 其上有若干个沿圆周均匀分布的齿形凸极，而没 有磁场绕组。磁场绕组和电枢绕组均安放在定子 槽中，如图3-8所示。
第3章 交流发电机及电压调节器
汽车电气设备构造与维修
• （5）电刷及电刷架 材料为石墨，电刷与电刷架的结构 有内装式和外装式，如图3-5所示。
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第3章 交流发电机及电压调节器
汽车电气设备构造与维修
• 磁场绕组（两只电刷）和发电机的联接不同，使发电机分 为内搭铁型和外搭铁型两种 1．内搭铁型发电机：磁场绕组负电刷直接搭铁的发电 机（和壳体直接相连）。见图a
第3章 交流发电机及电压调节器
动画演示
汽车电气设备构造与维修
动画 演示
图3-11 多管交流发电机的整流电路
第3章 交流发电机及电压调节器
汽车电气设备构造与维修
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（2）整流过程
第3章 交流发电机及电压调节器
汽车电气设备构造与维修
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3．励磁方式
• 先他激、 • 后自激。 激磁电路如图3-12
2.按磁场绕组搭铁方式分类
（1）内搭铁型交流发电机 磁场绕组的一端（负极）直接搭 （和壳体相联）
第3章 交流发电机及电压调节器
汽车电气设备构造与维修
• 3)爪极式无刷交流发电机的优缺点 • 优点是：结构简单、维护工作量少，工作可靠； 工作时无火花。 • 缺点是：制造工艺要求高、焊接困难；结构复杂。 • （2）感应子式无电刷交流发电机 • 感应子式无电刷交流发电机由定子、转子、整流 器和机壳组成。它的转子是由齿轮状钢片铆成， 其上有若干个沿圆周均匀分布的齿形凸极，而没 有磁场绕组。磁场绕组和电枢绕组均安放在定子 槽中，如图3-8所示。
第3章 交流发电机及电压调节器
汽车电气设备构造与维修
• （5）电刷及电刷架 材料为石墨，电刷与电刷架的结构 有内装式和外装式，如图3-5所示。
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第3章 交流发电机及电压调节器
汽车电气设备构造与维修
• 磁场绕组（两只电刷）和发电机的联接不同，使发电机分 为内搭铁型和外搭铁型两种 1．内搭铁型发电机：磁场绕组负电刷直接搭铁的发电 机（和壳体直接相连）。见图a
第3章 交流发电机及电压调节器
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图3-11 多管交流发电机的整流电路
第3章 交流发电机及电压调节器
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（2）整流过程
第3章 交流发电机及电压调节器
汽车电气设备构造与维修
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3．励磁方式
• 先他激、 • 后自激。 激磁电路如图3-12
2.按磁场绕组搭铁方式分类
（1）内搭铁型交流发电机 磁场绕组的一端（负极）直接搭 （和壳体相联）
《电机学》课件同步电机
F F cos ψ aq
a
---交轴分量电流产生的合成磁动势
一般情况下的电枢反应（总结）
位置 夹角 q轴
d轴
记作
电枢 反应 性质
交轴
对电机的影响
负载性质
波形 畸变
下降 不变
R
直、去 削弱 不变 下降 L
d轴
d、q 轴
d、q 轴
直、助 增强 不变 上升 C
交、直 去
削弱
交、 直助
增强
下降 下降 下降 上升
同步电机的基本工作原理
励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁场，原动机拖动 转子以转速n 旋转时，其磁场切割定子绕组而感应交流电 动势 。
波形：由e=Blv可知，波形取决于磁密的空间分布。 频率：f=pn/60 大小：E=4.44fN1kw1Φ 相序：由转子的转向决定
同步电机的分类
按运行方式，同步电机分发电机、电动机和调相机。 按结构型式，同步电机分旋转电枢式和旋转磁极式。 旋转磁极式同步电机按磁极形状，又分隐极式和凸极
输出的有功功率越大，有功分量电流就越大， 交轴电枢反应越强，电磁转矩越大，为了保持 电机的转速不变，要求原动机输入更大的驱动 转矩——调节有功功率。
R、L R、C
电磁转矩
同步发电机带上负载后，电枢电流建 立电枢反应磁场，它与励磁电流作用 产生电磁力，在某些情况下形成电磁 转矩，实现机电能量转换。
1.有功电流产生电磁力,形成电磁转矩
当发电机带有功负载(阻性负载)时,可以近似认为
机电能量转换
有功电流产生电磁力,形成电磁转矩
即，电枢绕组流过有功电流时,产生交轴 电枢反应磁场。励磁绕组载流体在该磁 场作用产生电磁力，并形成制动性质的 电磁转矩。
电力系统暂态分析-第3章电力系统三相短路电流的实用计算解析
R1R3 R2
R1
R12
R31R12 R23
R31
R2
R12
R12 R23 R23
R31
R3
R12
R23 R31 R23
R31
27
电力系统暂态分析
3.1 短路电流交流分量的初始值计算
例：下图所示为一火力发电厂主接线，已知相关参 数如下：
汽轮发电机： PN 300MW ,U N 20kV , cosN 0.85, xd" 0.168
15
电力系统暂态分析
3.1 短路电流交流分量的初始值计算
1）综合计算法 （1）绘制等值电路计算元件参数
16
电力系统暂态分析
3.1 短路电流交流分量的初始值计算
（2）根据短路前的等值电路计算元件参数
取基准值
SB 30MVA、UB 10.5kv、则IB
30 103 1650( A) 3 10.5
24
电力系统暂态分析
3.1 短路电流交流分量的初始值计算
四、复杂系统计算
复杂系统一般采用叠加原理来进行系统短路计 算，应用叠加原理需要完成以下四个步骤：
1）作出系统短路前的等值电路；
2）分析计算短路前的运行状况，以确定短路点开 路电压和各待求量的正常分量值；
3）计算短路后各待求量的故障分量； 4）将（2）和（3）的计算结果叠加，得到各待 求量的值。
1 x
经过渡阻抗短路时，按下式计算；
•
I
" f
1 jx Z f
23
电力系统暂态分析
3.1 短路电流交流分量的初始值计算
4、局部电力系统的短路计算
进行局部电力系统的短路计算时，通常将电力系统的 其他部分等效为一个或几个等值系统，每个等值系统用一个 恒定阻抗和恒定电压源的串联表示（即无限大电源）。其他 系统参数通常以以下方式给出：
第3章三相同步电机ppt课件
大，铁心逐渐饱和，空 载 曲线弯 曲。
• 气隙线：不计铁心磁阻的空载 特性曲线。
• 空载特性是同步电机的一条基本 特性。
O
Ifo
If,
Ff
同步电机的空载特性
二、负载运行
空载时，同步电机的气隙磁场是由励磁磁动势所产生的主磁场B0。
E 0 A
接三相对称负载 E0B
E 0C
IA I - 0 IB I - 0 -120 0 IC I - 0 120 0
2、相量图
E0 U IRa jIX σ jIX a U IRa jIX s
a
0
900
0
I
E 0
E a
jIX a
E
E E0 Ea
0 a
U
IRa
jIX 0 — 内功率因数角 , I滞后E0 的角度 ； — 功率因数角 , I滞后U 的角度；
— 功率角 , U 滞后E0的角度 。
路径：气隙电枢齿
主磁通
电枢轭 磁极 极身 转子轭
作用：在三相绕组中感应
对称电动势
I f f 漏磁通
若主磁场B0 在气隙中正弦分布，且以同步速ns旋转，则在定
子绕组中产生对称三相电动势：
E 0 A E0 00 E 0B E0 -120 0 E 0C E0 120 0
空载电动势，激磁电动势
I
k (kw1N1 )2 a
二、考虑磁路饱和时
非线性，迭加原理不适用
Ff
F
B
E
Fa
• 已知磁动势F，由电机的空载
特曲线求得电动势E。
• 励磁磁动势在空间是梯形波，Ff 是其幅值，而电枢电动势在空间
是正弦波，Fa是基波磁动势的幅 值。为了利用空载特性，应把Fa 换算到励磁磁动势。
• 气隙线：不计铁心磁阻的空载 特性曲线。
• 空载特性是同步电机的一条基本 特性。
O
Ifo
If,
Ff
同步电机的空载特性
二、负载运行
空载时，同步电机的气隙磁场是由励磁磁动势所产生的主磁场B0。
E 0 A
接三相对称负载 E0B
E 0C
IA I - 0 IB I - 0 -120 0 IC I - 0 120 0
2、相量图
E0 U IRa jIX σ jIX a U IRa jIX s
a
0
900
0
I
E 0
E a
jIX a
E
E E0 Ea
0 a
U
IRa
jIX 0 — 内功率因数角 , I滞后E0 的角度 ； — 功率因数角 , I滞后U 的角度；
— 功率角 , U 滞后E0的角度 。
路径：气隙电枢齿
主磁通
电枢轭 磁极 极身 转子轭
作用：在三相绕组中感应
对称电动势
I f f 漏磁通
若主磁场B0 在气隙中正弦分布，且以同步速ns旋转，则在定
子绕组中产生对称三相电动势：
E 0 A E0 00 E 0B E0 -120 0 E 0C E0 120 0
空载电动势，激磁电动势
I
k (kw1N1 )2 a
二、考虑磁路饱和时
非线性，迭加原理不适用
Ff
F
B
E
Fa
• 已知磁动势F，由电机的空载
特曲线求得电动势E。
• 励磁磁动势在空间是梯形波，Ff 是其幅值，而电枢电动势在空间
是正弦波，Fa是基波磁动势的幅 值。为了利用空载特性，应把Fa 换算到励磁磁动势。
第三章 同步电机模型
假定机械阻尼转矩为tem将电磁状态方程与转子运动方程合并可得如下的动态方程adadadadadadadadad324等效电路直轴电枢绕组的磁链方程以及励磁绕组和直轴阻尼绕组的电压方程为
第三章
同步电机模型
3-1：dq0坐标下同步电机状态方程 3-2：同步电机的标幺值系统 3-3: 同步电机的运算阻抗
3-1：dq0坐标下同步电机状态方程
LSv cos 2θ LSv cos 2(θ − 4π / 3) LSv cos 2(θ − 2π / 3)⎤ M S0⎤ ⎡ ⎥ LSv cos 2θ M S 0 ⎥ + ⎢ LSv cos 2(θ − 4π / 3) LSv cos 2(θ − 2π / 3) LSv cos 2θ LSv cos 2(θ − 4π / 3)⎥ LS 0 ⎥ ⎢ LSv cos 2(θ − 2π / 3) ⎦ ⎣ ⎦
3 2
M DS
0 0 Lf M fD 0
0 0 M fD LD 0
M DS 0
M QS
⎤ ⎥ ⎡ id ⎤ 3 2 M QS ⎥ ⎢ iq ⎥ 0 ⎥ ⎢ i0 ⎥ ⎥ ⎢i ⎥ 0 ⎥⎢ f ⎥ 0 ⎥ ⎢iD ⎥ ⎥ ⎢iQ ⎥ LQ ⎦ ⎣ ⎦ 0
可见，与恒相幅值变换相比，恒功率变换后，定 子与转子的互感增大了 3 / 2 倍，而转子与定子的互 感系数减小了 3 / 2 倍。从而使得互感系数变成可逆 的，便于使用。 在以后的说明中，为方便起见，变换后电感矩阵中 互感系数前的 3 / 2 将被忽略。如 3 / 2 MfS将被直接写成 MfS
L srT
L rsT
变换后定子电感矩阵中各对角线元素：
3 直轴(或d轴)电感：Ld = LS 0 − M S 0 + 2 LSv 3 交轴(或q轴)电感：Lq = LS 0 − M S 0 − 2 LSv 零序(或0轴)电感：L0 = LS 0 + 2 M S 0
第三章
同步电机模型
3-1：dq0坐标下同步电机状态方程 3-2：同步电机的标幺值系统 3-3: 同步电机的运算阻抗
3-1：dq0坐标下同步电机状态方程
LSv cos 2θ LSv cos 2(θ − 4π / 3) LSv cos 2(θ − 2π / 3)⎤ M S0⎤ ⎡ ⎥ LSv cos 2θ M S 0 ⎥ + ⎢ LSv cos 2(θ − 4π / 3) LSv cos 2(θ − 2π / 3) LSv cos 2θ LSv cos 2(θ − 4π / 3)⎥ LS 0 ⎥ ⎢ LSv cos 2(θ − 2π / 3) ⎦ ⎣ ⎦
3 2
M DS
0 0 Lf M fD 0
0 0 M fD LD 0
M DS 0
M QS
⎤ ⎥ ⎡ id ⎤ 3 2 M QS ⎥ ⎢ iq ⎥ 0 ⎥ ⎢ i0 ⎥ ⎥ ⎢i ⎥ 0 ⎥⎢ f ⎥ 0 ⎥ ⎢iD ⎥ ⎥ ⎢iQ ⎥ LQ ⎦ ⎣ ⎦ 0
可见，与恒相幅值变换相比，恒功率变换后，定 子与转子的互感增大了 3 / 2 倍，而转子与定子的互 感系数减小了 3 / 2 倍。从而使得互感系数变成可逆 的，便于使用。 在以后的说明中，为方便起见，变换后电感矩阵中 互感系数前的 3 / 2 将被忽略。如 3 / 2 MfS将被直接写成 MfS
L srT
L rsT
变换后定子电感矩阵中各对角线元素：
3 直轴(或d轴)电感：Ld = LS 0 − M S 0 + 2 LSv 3 交轴(或q轴)电感：Lq = LS 0 − M S 0 − 2 LSv 零序(或0轴)电感：L0 = LS 0 + 2 M S 0
第3章 同步发电机的基本方程_2014
Park变换的另一种推导方法
同理可对定子电压和磁链作同样的变换。
✓ 不同频率abc三相对称电流的dq0分量
➢ dq0坐标系下的发电机电势方程
✓ “伪静止”等效绕组
➢ dq0系统的磁链方程和电感系数
➢ 同步电机常用标幺制
✓ 同步电机标幺值方程
➢ 基本方程的拉氏运算式
✓ 同步电机的电抗
➢ 同步电机对称稳态运行：根据同步电机Park方程式，得 到用相量表示的稳态电势方程式，等值电路，相量图； 空载电势Eq和等值隐极机电势EQ的定义；
➢ 基本前提
同步电机基本回路图（理想同步电机假设、假定正方向）
➢ 同步电机原始方程
✓ 电势方程
✓ 磁链方程
✓ 电感系数
Review：磁路欧姆定律
➢ dq0坐标系的同步电机方程
坐标变换和dq0系统 ✓ 采用通用相量表示定子三相电流
✓ 通用相量的dq轴分量
✓ 用dq轴分量表示iabc
✓ Park变换—idq0 ---iabc
设想：将静止的abc三相定子绕组等效为随转子旋转的dd 和qq绕组。等效绕组中的电流id和iq产生的磁势对转子相对 静止，磁通磁路磁阻不变，因此电感系数为常数。
➢ 本节主要结论
✓ 磁链方程式中，同步电机许多电感系数随转子位置角 发生周期性变化，是时变系数；
✓ 将磁链方程代入同步电机电势方程，将得到一组时变 系数微分方程，不便于求解；
✓ 磁链方程式出现变系数的原因：（1）转子的旋转使 定转子绕组间产生相对运动，致使定转子绕组间的互 感系数发生相应的周期性变化；（2）转子在磁路上 只是分别对d轴和q轴对称，而不是随意对称，由此导 致定子各绕组的自感和互感发生周期性变化；
定子绕组自感系数—以a相为例
汽车电器设备第3章 交流发电机
2）外搭铁式交流电发机
外搭铁（external earth）式交流电发机磁场绕组的一 端经电压调节器后搭铁，如解放CA1091型车用的JF152D、 JF1522A型交流发电机。
3.按装用的二极管数量分
1）六管交流发电机
六管交流发电机的整流器由六只硅二极管组成，这种型式应 用最为广泛，如东风EQ1090车用的JF132型、解放CA1091 型车用JF1522A、JF152D型交流发电机等。
3）九管交流发电机整流电路
在有些交流发电机中，除了有普通交流发电机用来整流 的六只二极管外，又多装了三个功率较小的二极管，组成九 管交流发电机。三个功率较小的二极管专门用来供给磁场电 流，所以又叫磁场二极管。
图3-24 九管交流发电机充电系统电路
4）十一管交流发电机整流电路
上海桑塔纳、一汽奥迪等汽 车采用十一管交流发电机， 不仅能增大输出功率，还可 以用充电指示灯来指示发电 机工作状况。
图3-10 国产JF系列交流发电机解体图
1—紧固螺母及弹簧垫圈；2—带轮；3—风扇；4—前轴承油封及护圈；5—组装螺栓；6—前端盖； 7—前轴承；8—定子；9—转子；10—“+”（电枢）接柱；
11—散热板；12—“—”（搭铁）接柱；13—电刷及压簧；14—电刷架外盖； 15—电刷架；16—“F”（磁场）接柱；17—后轴承；18—转轴固定螺母及弹簧垫圈；19—后轴承纸垫及护盖；
汽车电气设备
第3章 交流发电机
汽车用发电机有直流发电机（DC generator）和交流发 电机（AC generator）两大类，目前大多采用交流发电机。
交流发电机主要由三相同步交流发电机和二极管整流器 组成，一般称为硅整流交流发电机，亦简称交流发电机。
交流发电机（alternator）与蓄电池协同工作，共同构 成汽车电源系统。
外搭铁（external earth）式交流电发机磁场绕组的一 端经电压调节器后搭铁，如解放CA1091型车用的JF152D、 JF1522A型交流发电机。
3.按装用的二极管数量分
1）六管交流发电机
六管交流发电机的整流器由六只硅二极管组成，这种型式应 用最为广泛，如东风EQ1090车用的JF132型、解放CA1091 型车用JF1522A、JF152D型交流发电机等。
3）九管交流发电机整流电路
在有些交流发电机中，除了有普通交流发电机用来整流 的六只二极管外，又多装了三个功率较小的二极管，组成九 管交流发电机。三个功率较小的二极管专门用来供给磁场电 流，所以又叫磁场二极管。
图3-24 九管交流发电机充电系统电路
4）十一管交流发电机整流电路
上海桑塔纳、一汽奥迪等汽 车采用十一管交流发电机， 不仅能增大输出功率，还可 以用充电指示灯来指示发电 机工作状况。
图3-10 国产JF系列交流发电机解体图
1—紧固螺母及弹簧垫圈；2—带轮；3—风扇；4—前轴承油封及护圈；5—组装螺栓；6—前端盖； 7—前轴承；8—定子；9—转子；10—“+”（电枢）接柱；
11—散热板；12—“—”（搭铁）接柱；13—电刷及压簧；14—电刷架外盖； 15—电刷架；16—“F”（磁场）接柱；17—后轴承；18—转轴固定螺母及弹簧垫圈；19—后轴承纸垫及护盖；
汽车电气设备
第3章 交流发电机
汽车用发电机有直流发电机（DC generator）和交流发 电机（AC generator）两大类，目前大多采用交流发电机。
交流发电机主要由三相同步交流发电机和二极管整流器 组成，一般称为硅整流交流发电机，亦简称交流发电机。
交流发电机（alternator）与蓄电池协同工作，共同构 成汽车电源系统。
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N So
主极
δ > 0时，Te为制动转矩，原动机的驱动转矩与电磁转矩Te 平衡 。转子吸收 机械功率，定子发出电功率。
• 电动机运行状态
δ < 0 时，Te为驱动转矩，带 动负载运行。转子输出机械
功率，定子吸收电功率。
S ns Te No
c) 电动机
N δ
So
• 补偿机运行状态
δ = 0 时，不进行能量转换， 仅发出或吸收无功功率，补 偿机。
的首端和jI X 的末端得相量 。 4）连接U E s 0
I
U
R I a
3、等效电路
U I R jIX jIX U I R jIX E 0 a σ a a s
4、同步电抗
X s X a X
a) 反映了a和σ 的作用 b) 磁路不饱和时为常数
S ns Te=0
N
No
b) 补偿机
So
四、额定值
• 额定容量 SN 或额定率PN 单位为 kW, kVA
同步发电机的额定功率是指额定运行时，电枢绕组输出的视在功率或有功功率 同步电动机的额定功率是指额定运行时，轴上输出的机械功率 补偿机的额定功率是指额定运行时，电枢绕组输出的无功功率
• 额定电压
嵌入式结构
转子铁心 N S 永磁体 转轴
内置式结构
转子铁心 永磁体 N S 转轴
永磁体 隔磁衬套 转子铁心 转轴 N S N S N S N
S
N
N
S
S
N S
N
S
S
S N
N
嵌入式转子结构
（a）永磁体径向充磁； （b）永磁体横向充磁 内置式转子结构
在嵌入式和内置式电机中，交、直轴磁路磁阻是不相等的。
0
一台2极同步发电机 (直轴)
定子三相对称绕组以集中绕组表示 转子励磁绕组也以集中绕组表示。 （转子直轴和交轴）
电枢绕组中电动势和电流的正方向 规定：从首端流出，尾端流入。
0A 图示瞬间，A相绕组电动势 E 达正的最大值，方向从X入，A 出。
•从导体切割磁力线分析。
(交轴)
0 B、C相绕组电动势 E 0C B相绕组 E 滞后A相电动势120度和240度。
q轴
相量在时轴上的投影为它的瞬时值
时间相量图
Fa ( 0 ) Faq
0
电枢磁动势是一个交轴磁 动势，由此所产生的电枢 反应为交轴电枢反应。 主磁场 B0 与电枢磁动势 Fa 之 间的空间相位关系，恰好与链 0 A 与A相的电 过A相的主磁通 流 IA 之间的时间相位关系一 致。 时-空统一矢量图 三相对称，因此把表示A相量的 0 , I , 0 。 下标A省略，写成 E
3.
0＜Ψ 0＜90时 电流滞后电动势
Fad Fa sin ψ 0 Bad Faq Fa cosψ 0 Baq
去磁 交磁
4.
-90 ＜Ψ 0＜ 0时
电流超前电动势
Fad Fa sin 0 Bad 增磁
Faq Fa cos 0 Baq 交磁
发电机分别接纯电阻、纯 电感和纯电容负载时的内 功率因数角各为多少？
• 从磁通的变化来分析。 A相磁通为零，电动势滞后磁 通90度。
Bo A Z B
ns N S
d轴
1. o = 0 时
A相电动势达最大值
Y ns C X
A 相轴线 Fa
A相电流达最大值 基波磁动势 Fa 轴线 与A相绕组轴线重合 电枢磁动势的轴线 与转子直轴正交， 与交轴重合 电枢磁动势是 交轴磁动势
三相对称电流
(空载电动势或激磁电动势)
pns (f ) 60
F I a
60 f n s P 基波合成磁动势 F 1.35 N1 k I a w1 P
Ba电枢反应磁场 B0 (空载磁场）
}
气隙合成磁场 B
电枢反应：电枢磁动势的基波对气隙磁场的影响
b) 凸极式 有明显的凸出的磁极，气隙不均匀， 制作简单。
适合于低速发电机
永磁励磁：表面式，嵌入式，内置式。 表面式结构
转子铁心 N S 永磁体 转轴
转子铁心
N S
永磁体 转轴
S
N
N
S
S
N
N
S
S N
S N
（a）
（b ）
表面式转子结构
由于永磁体的磁导率与气隙相近，表面式结构的电机交、直轴磁 路磁阻基本相同，因此是一种隐极式同步电动机 。
• 电枢反应使气隙磁场空间位置发生变化，直接关系到电机的 机电能量转换。 •电枢反应的去磁或增磁，对电机的运行性能产生影响 电枢反应的性质（交磁，去磁或增磁）取决于电枢磁动势和主 磁场在空间的相对位置。
和负载电流 I 的之间的 这一相对位置决定于空载电动势 E 相位差 o ，称为内功率因数角。
E 转子： I f Ff 0 0
E F 定子：I a a a
E
1、电压方程式
采用发电机惯例规定正方向，可写出电压方程式 E E U I R E
0 a
a
Ea a Fa I
90 滞后 E a a
2. Ψ0 =±90 时
Ψ0=90
a与F f 反相 F a与B f 反相 B
产生直轴电枢反应，使 气隙磁场减弱，去磁。
Fa Fad
Ψ0= -90
a与F f 同相 F a与B f 同相 B
产生直轴电枢反应，使 气隙磁场增强，增磁。
a Fad F
只有直轴电枢反应时，气隙磁场的空间相位不变，转子不受转矩的作用。
• 额定电流 • 额定功率因数 • 额定频率 • 额定转速 • 额定温升Fra bibliotekUN 单位为kV
IN 单位为A, kA
cos N
f N 单位为Hz n N单位为r/min θN
• 额定励磁电流和电压 IfN 、UfN
3-2 同步发电机的磁场
一、空载运行 n s If I=0
1、空载磁场——主磁场
I f Ff B0 0
E 1200 E 0C 0
空载电动势，激磁电动势
有效值：
E0 4.44 f N1 kw1 0
pns 频率： f 60
2、 空载特性
ns=c E0 = f (I f)
Ff ∝ If E0 ∝ 0 电机的 磁化曲线 0 = f (F f) • o较小时，磁路不饱和，空载曲 线的下部是一条直线；随 o的增 大，铁心逐渐饱和，空 载 曲线弯 曲。 • 气隙线：不计铁心磁阻的空载 特性曲线。 • 空载特性是同步电机的一条基本 特性。
同步电机的三种运行状态：发电机，电动机，补偿机。
I f B0 I 1 Ba
B B0 Ba
三种运行状态是由转子磁场B0与合成磁场B的相对位置决定。 δ转子磁场轴线领先合成磁场轴线的夹角 — 功率角
• 发电机运行状态 ns No
主极
S δ Te
a) 发电机
X s X a X σ — 同步电抗
•反映电枢反应磁场和电枢漏磁场综合效应的一个综合参数
2、相量图
U I R jIX jIX U I R jIX E 0 a σ a a s
E 0
E a
0
a
900
I
X jI a
直轴电枢反应的影响：
• 电机单机运行时，直轴电枢反应将直接影响端电压的大小。 •并网运行时，直轴电枢反应影响电机输出的无功功率。
负载时隐极同步发电机内的磁场分布图
3-3 隐极同步发电机的基本电磁关系
隐极同步发电机的电压方程式、相量图和等效电路。
一、磁路不饱和时(线性系统)
磁路不饱和时，系统是线性的，可使用迭加原理进行分析， 即主磁场和电枢反应磁场分别考虑。
φo Eo , U nφ
气 隙 线
空 载特 性
O
Ifo
If, Ff
同步电机的空载特性
二、负载运行
空载时，同步电机的气隙磁场是由励磁磁动势所产生的主磁场B0。
E 0A 接三相对称负载 E0 B E
0C
I - I A 0 I - - 1200 I B 0 I - 1200 I C 0
路径：气隙 电枢齿 电枢轭 磁极 主磁通 极身 转子轭 作用：在三相绕组中感应 对称电动势
I f f
漏磁通
若主磁场B0 在气隙中正弦分布，且以同步速ns旋转，则在定 子绕组中产生对称三相电动势：
E 00 E 0A 0
E -1200 E 0B 0
电励磁
整块高强度合金钢。 隐极 : 气隙均匀， 铁心 整体或低碳钢片迭成。 凸极 : 气隙不均匀， 直流励磁绕组: 同心式绕组。
同步电机又分为隐极式和凸极式两种
N
N S S N
S
a) 隐极式 转子圆柱形，气隙均匀，转子机械 强度高，励磁绕组固定容易。 适合于高速发电机
产生交轴电枢反应，使 气隙磁场的空间相位改 变，且幅值增加。转子 磁极受到转矩作用，从 而实现机电能量转换。 对同步发电机，当 0=0时，主磁场超前 气隙合成磁场，主极上 受到一个制动性质的电 磁转矩。
B
气隙合成磁场与主磁场的相对位置
• 交轴电枢反应使能量转 换得以实现。 • 交轴电枢反应使气隙磁 场增强。
直轴电枢反应去磁
已知
、 I U
和电机参数，画相量图的步骤
和I ，夹角为 1 ）画出相量 U ；
的末端画出电阻压降 ，相量R I 与I 平行； 2 ）在U Ra I a