第六章同步电机磁场6.2综述
第六章同步电机1PPT课件
Ead jIdXad Eaq jIqXaq E jIX
E 0 U IR a E a d E a q E
E 0 U I R a jI d X a d + jI q X a q + jI X
I=Id +Iq E 0U IR ajIdX d+ jIqX q
6.2 同步电机的运行原理
6.2.1 同步发电机的空载运行
空载运行时，电机内的 磁场仅由励磁电流建立， 分为主磁通和漏 磁通。
主磁通：与定、转子同时铰链的基波磁通 漏磁通：仅与励磁绕组铰链以及主磁通的谐波分量
E04.44fN kN 1 0
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同步发电机空载运行的时——空矢量图
时间矢量和空间矢量
6.2.4 凸极同步发电机的负载运行
1、凸极同步发电机电枢反应的特点
双反应理论：当电枢磁动势作用在交、直轴间的任 意位置时，可以将其分解为交轴分量和直轴分量， 分别求出交、直轴电枢反应，最后再把它们的效果 叠加起来。
Fad Fa sin Faq Fa cos
2、不考虑饱和凸极同步发电机负载运行
把时间矢量图和空间矢量图画在一起，如果各相时间矢量的时间 轴都取在各自的相轴线上，这样相电流矢量和三相合成磁动势基 波矢量就重合了。
6.2.2 同步发电机的电枢反应
当发电机带上负载运行，定子绕组中出现电流，该电流产生 旋转磁动势，影响励磁磁场，称之为电枢反应。
气隙磁场有励磁磁场和电枢磁场共同建立，并且两个 磁场均以同步速旋转，在空间上相对静止，在同步电 机中，无论是励磁磁场或电枢磁场都是指基波磁场
同步电机有旋转电枢式和旋转磁极式两种，主要以旋转 磁极式为主
电机学教材
第六章同步电机 (272)6.1 概述 (272)6.1.1 同步电机的结构型式 (272)6.1.2 同步电机的励磁方式 (278)6.1.3 同步电机的冷却方式 (278)6.1.4 同步电机的额定值 (278)6.2 同步电机的运行原理 (279)6.2.1 同步发电机的空载运行 (279)6.2.2 同步电机的电枢反应 (282)6.2.3 隐极同步发电机的负载运行 (286)6.2.4 凸极同步发电机的负载运行 (291)6.3 同步发电机的运行特性 (295)6.3.1 同步发电机的运行特性 (296)6.3.2 特性曲线在参数计算中的应用 (299)6.3.3 同步发电机稳态参数的测定 (306)6.4 同步发电机的并联运行 (307)6.4.1 投入并联的条件和方法 (308)6.4.2 功率和转矩平衡方程 (311)6.4.3 功角特性 (312)6.4.4 有功功率调节与静态稳定 (314)6.4.5 无功功率调节和V形曲线 (318)6.5 同步电动机和调相机 (319)6.5.1 基本电磁关系 (319)6.5.2 无功功率调节 (322)6.5.3 起动与调速 (323)6.5.4 调相机 (326)6.6 同步发电机的不对称运行 (327)6.6.1 相序阻抗和等效电路 (327)6.6.2 不对称稳态短路 (330)6.6.3 负序和零序参数测定 (334)6.6.4 不对称运行的影响 (336)6.7 同步电机的突然短路 (337)6.7.1 超导回路磁链守恒原理 (337)6.7.2 三相突然短路过程中的基本电磁关系 (338)6.7.3 同步电机的瞬态参数 (343)6.7.4 突然短路电流及其衰减时间常数 (347)6.7.5 突然短路对电机的影响 (351)6.8 特殊用途的同步电机 (352)6.8.1 磁阻同步电动机 (352)6.8.2 磁滞同步电动机 (354)6.8.3 反应式步进电动机 (356)习题 (358)电机学第六章同步电机272第六章同步电机同步电机是交流电机的一种。
电机及拖动课程综述报告
电机及拖动课程综述报告电机及拖动课程综述报告《电机及拖动基础》综述报告专业及班级09级自动化（）班姓名学号授课老师_孙强完成时间_202*年5月25日课程综述评分表一二三四五1得分六合计23注：课程综述评分标准可参见《学生课程综述应包含的内容及评分标准》一、课程简介1、课程的培养目标及教学概要本课程是自动化、电气工程及其自动化等专业的一门专业基础课。
本课程的任务就是使学生掌握常用交流电机、直流电机、控制电机及变压器等的基本结构与工作原理以及电力拖动系统的运行性能、分析计算、电机选择与实验方法。
本课程主要研究电机与电力拖动系统的基本理论问题，同时也联系到科学实验与生产实际的内容，具有原“电机学”及“电力拖动基础”的基本内容。
在学完本课程后，应达到下列要求：1)了解常用铁磁材料的特性，掌握磁路基本定律及计算方法。
2)熟悉常用交、直流电机及变压器的基本结构和工作原理，对交、直流电机绕组的基本形式及其连接规律要有一定的认识。
3)掌握交、直流电机及变压器稳态运行时的基本理论、运行性能及其分析方法。
4)熟练运用等效电路计算变压器和三相异步电动机的性能。
5)掌握控制电机的工作原理、特性及用途。
6)掌握分析电动机机械特性及各种运行状态（起动、反接制动、能耗制动、回馈制动）的基本理论。
7)掌握电力拖动机械过渡过程的基本特征及其主要的分析方法，了解机械惯性和电磁惯性同时作用时对直流电力拖动过渡过程的影响。
8)掌握电力拖动系统中电动机参数调速方法的基本原理和技术经济指标。
9)掌握选择电机的原理与方法。
2、学习时间分布本课程的学习时间从大三第二学期第1周到第11周，每周6个学时，共64个学时，学习课本理论知识；第11周到第15周进行实验课学习，每周4个学时，共20个学时一共84个学时。
二、课程主要内容这门课程主要介绍了各种不同类型的电机的基本原理及其构造、介绍了变压器的一些基本的原理及其构造同时也介绍了绍了电机的拖动技术。
第六篇 电动势及磁通势
• 三相共六个旋转磁势： 三相共六个旋转磁势： 六个旋转磁势
1 1 π π f A1 = F 1 cos(ωt − x) + F 1 cos(ωt + x) φ φ 2 2 τ τ 1 1 π π fB1 = F 1 cos(ωt − x) + F 1 cos(ωt + x −240°) φ φ 2 2 τ τ 1 π 1 π fC1 = F 1 cos(ωt − x) + F 1 cos(ωt + x −120°) φ φ 2 τ 2 τ 2012-1-4
2012-1-4
2
一 交流绕组
三相对称绕组： 三相对称绕组： 对三相电机来说， 对三相电机来说，为了保持电 气上的对称， 气上的对称，每相绕组所占槽数应 该相等、且均匀分布， 该相等、且均匀分布，空间互差 1200电角度，各相绕组参数一样。 电角度，各相绕组参数一样。 作用： 作用： * 通入电流 磁场（电动机） 通入电流→磁场 电动机） 磁场（ * 磁场与定子绕组切割 电势 电 磁场与定子绕组切割→电势 电势→电 发电机） 流（发电机）
2012-1-4 4
交流绕组的基本术语 空间电角度与机械角度 机械角度:电机圆周在几何上分 机械角度 电机圆周在几何上分 成360° ° 空间电角度:电机里一对主磁极 空间电角度 电机里一对主磁极 表面所占的空间距离为360°。 表面所占的空间距离为 ° 有： 电角度＝ × 电角度＝p×机械角度 元件： 元件：构成绕组的线圈为绕组的 元件（单匝和多匝） 元件（单匝和多匝）
2012-1-4 5
交流绕组的基本述语 线圈：为单匝或多匝串联， 线圈：为单匝或多匝串联，每个 线圈一个首端、 线圈一个首端、一个末端两个引 出线 相带： 相带：每极面下每相绕组所占范 围（60度） 度 Z • 每极每相槽数： q = 每极每相槽数：
06第六章 同步电机
= U cosψ 0 cosϕ + U sinψ 0 sin ϕ + IRa cosψ 0 + IX d sinψ 0
cosψ 0 =
(U cosϕ + IRa )2 + (U sin ϕ + IX q )2
E0 =
U cosϕ + IRa
sinψ 0 =
(U cosϕ + IRa )2 + (U sinϕ + IX q )2
得证第一式
U sin ϕ + IX q
代入前式得
(U cosϕ + IRa )2 + (U sinϕ + IX d )(U sinϕ + IX q ) (U cosϕ + IRa )2 + (U sin ϕ + IX q )2
IR IX cosϕ + a + sin ϕ + d U U
∗ 2 a 2 ∗ d ∗ q ∗ 2 a ∗ d ∗ 2 q ∗ a ∗2 a ∗ q ∗ d ∗ q ∗ 2 a ∗ 2 q
2 IX q IR sin ϕ + cosϕ + a + U U
∗ ∗ d Xq
)
得证第二式
∗ ∗ ∗ = Xq = Xs ，所以上两式简化为 对于隐极同步发电机，由于 X d = X q = X s 、 X d
E0 =
∗ E0 =
(U cosϕ + IRa )2 + (U sin ϕ + IX s )2
(U
∗
∗ cosϕ + Ra
) + (U
同步电机及微控电机
.
二、ψ=90 °时的电枢反应 ：
显然，此时的电枢磁势和气隙磁势方向相反，电枢反应 是去磁效果。
三、ψ=-90 °时的电枢反应：
显然，此时的电枢反应是增磁的，所以电枢磁势称之为 直轴增磁电枢磁势。
四、ψ=任意角度时的电枢反应 ：
在这里要注意是电流滞后电动势还是超前电动势。电流滞 . Iq 后电动势时，产生直轴电枢磁势，对主磁极起去磁作用。 . 与 E 0 同相位，起交磁作用；电流超前电动势时，直轴分量电 流产生的直轴磁势对主极磁势起增磁作用。交轴分量电流产 生的交轴磁势对主极磁势起交磁作用。
在额定运行状 额定运行时加在 态下三相定子 三相定子绕组上 绕组的线电流. 的线电压。 对同步发电机额定值之间关系为：
额定功率因数cos N 额定频率f N 额定效率 N 额定转速nN 额定励磁电流I fN 额定励磁电压U fN
PN SN cosN 3 U N I N cosN
6.2 同步发电机的运行
波形：由 e B(x)lv 可知，波形 取决于B(x) 的空间分布。 pn 频率： f 60 大小： E0 4.44 fN 1kw1Φ0
相序：由转子的转向决定。
二、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，又分隐极式和凸极式两种。 按原动机类别,同步电机分为汽轮发电机、水轮发电机和柴油 发电机等。 按冷却介质和冷却方式分，有空外冷、氢冷、水内冷 汽轮发电机一般作成隐极式，现代汽轮发电机均为2极，转速为 3000转/分钟，水轮发电机采用凸极式，极数多，转速低。 同步电动机、柴油发电机和调相机一般作成凸极式。
三、同步电机的主要结构
电机与拖动基础课程综述
电机与拖动基础课程综述《电机及拖动基础》课程综述一、课程简介1、课程专业地位《电机及拖动基础》是一门自动化专业的必修课，属于专业技术基础课，具有难度大、多学科交叉、技术要求高、理论与实践结合强的特点。
电能是现代大量应用的一种能量形式。
而电能的生产、变换、传输、分配、使用和控制都必须利用电机作为能量转换或信号变换的机电装置。
电力拖动技术实现了电能与机械能之间的变换。
而在电机中应用控制技术，将使电机具有更良好的性能，使各类电机成为各种机电系统中一种极其重要的元件。
由于电力拖动是各类工业、各种生产机械的主要拖动方式，其理论与技术的发展，必将在我国实现现代化与工业化的进程中起十分重要的作用。
2、培养目标本课程的任务是使学生掌握常用交流电机、直流电机、控制电机及变压器等的基本结构与工作原理以及电力拖动系统的运行性能、分析计算、电机选择与实验方法，为学习“电力拖动自动控制系统（运动控制系统）”、“反馈控制理论”及“计算机控制技术”等课程准备必要的基础知识。
二、课程内容本课程教材分为上下两册，上册为电机部分，下册为电力拖动部分。
具体内容如下：第一章：本章回顾了在物理、电路课程中的磁路相关内容，并介绍了基本概念和定律，由此建立了较清晰的磁路概念。
对磁路结构可分为有无分支磁路及其计算方法作了说明，以及铁磁物质分类及其磁化特性。
第二章：本章核心内容是直流电机。
主要介绍了其结构与工作原理，讲解了关于感应电动势及电磁转矩的计算，以及直流电机的换向问题。
第三章：本章以普通双绕组电力变压器为主要研究对象，阐明其工作原理，介绍了变压器的分类及主要结构。
着重叙述单相变压器的原理及主要特性，对于三相变压器仅探讨其特点。
第四章：本章首先阐明三相异步电动机的工作原理与基本结构，从中引出旋转磁场的建立问题；并以旋转磁场的建立为前提，讨论了异步电动机的主要电路、磁动势、磁场及电动势等问题。
第五章：通过学习第四章对异步电动机有了初步的认识后，本章首先分析异步电动机负载运行时的电磁过程，然后将电磁过程用基本方程式加以综合，最后阐述了单相异步电动机的基本原理。
永磁同步电动机的电枢磁场和电枢反应磁场
永磁同步电动机的电枢磁场和电枢反应磁场
永磁同步电动机是一种利用永磁体产生恒定磁场的方式来激励电动机转子产生主磁场，通过与电枢绕组产生的交变磁场进行同步运动来实现机械能转换的电动机。
在永磁同步电动机中，电枢磁场和电枢反应磁场是电机运行时产生的两个重要磁场。
首先我们来看电枢磁场。
在永磁同步电动机中，永磁体产生的主磁场为电枢磁场。
这个主磁场是由永磁体产生的，因此其磁场强度是恒定的。
电枢磁场是由永磁体在电机运行时产生，在静止状态下永磁体的磁场线是平行的，但是当电机运行时，电机的转子会有旋转运动，导致主磁场也跟着旋转。
这样，电枢绕组在电机运行时会产生一个交变磁场，这个交变磁场与电枢磁场进行同步运动，从而形成了电机的工作磁场。
接下来我们来看电枢反应磁场。
在永磁同步电动机中，由于电流通过电枢绕组会产生磁场，这个磁场会与主磁场相互作用，产生一个称为电枢反应磁场的磁场。
当电机运行时，电流通过电枢绕组，产生的磁场就是电枢反应磁场。
电枢反应磁场会影响电机的性能，因为它会与主磁场相互作用，导致电机的运行速度和性能受到一定的影响。
总结来说，是电机运行时产生的两个重要磁场。
电枢磁场是由永磁体产生的主磁场，通过与电枢绕组产生的交变磁场进行同步运动来实现电机的工作磁场；而电枢反应磁场则是由电流通过电枢绕组产生的磁场，与主磁场相互作用，影响电机的性能。
通过合理设计和控制电机的电枢磁场和电枢反应磁场，可以实现电机的高效运转和稳定性能。
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电枢反应的性质（内功率因数角 90）
时轴
1 2f1
I A
E 0A
相轴，交轴 时轴
E
I B
1 2f1
E 0B
直轴
E 0 E a
F
F f1
F a
I
E 0C
I C 0 a时间相量图
时空矢量图
48
45
电枢反应的性质（内功率因数角 90 ）
时轴
1 2f1
I C
E 0A
相轴 交轴 时轴
1 2f1
直轴
E 0
E
I A
E 0C
F f1
0
a
I
F a
I B
E 0B
E a
时间相量图
时空矢量图
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电枢反应的性质
f
f f1
0
ff
Ff F f 1
x
定义磁极磁动势的基波分 量振幅 F f 1 与实际磁动势 最大幅值 Ff 之比为 k f， 称为电机的励磁磁动势波 形系数，即
大齿
kf
Ff 1 Ff
12
（1）励磁磁动势
13
凸极式同步电机的空载磁动势
凸极同步电机的绕组式集中
绕组，它所产生的磁动势是矩形 波，幅值为 Ff ， 基波分量的振幅为
忽略高次谐波时，励磁电动势的有效值为
E0 4.44 fN1kw10
式中： 0 为每极的主磁通量
6
同步发电机的空载运行
7
同步发电机的空载运行
8
（1）励磁磁动势
9
（1）励磁磁动势
10
（1）励磁磁动势
11
隐极式同步电机的空载磁动势
隐极式同步电机的转子绕组为分布绕组，在每极下有 一个大齿和若干个小齿，转子磁动势的空间分布波形为阶 梯波形，如下图所示，幅值为 Ff I f N （其中 I f 为励磁 f 电流， N f 为励磁绕组的每极匝数）
主极漏磁通 f 不通过
仅与励磁绕组相交链
5
同步电机的空载运行 当转子以同步转速旋转时，主磁场就在气隙 中形成一个旋转磁场，它“切割”对称的三相 f 定子绕组后，就将在定子绕组内感应出频率为 的一组对称三相空载电动势：
E 120 E0 A E00 E0 B E0120 E 0C 0
3
同步发电机的空载运行
4
同步电机的空载运行
空载运行时，电枢电流为零，仅有由励磁电流所建立的主极磁场。 主极磁通分为主磁通和主极漏磁通，主磁通所经过的路径称为 主磁路，包括：空气隙、电枢齿、电枢轭、磁极极身和转子轭五个 部分。 主极磁通 主磁通 0 是否通过气隙 通过 交链 于定子绕住相交链
Ff 1
4
Ff
励磁磁动势的波形系数
kf
4
14
2.基波励磁磁动势
15
（2）基波励磁磁动势
16
（2）基波励磁磁动势
17
（2）基波励磁磁动势
18
同步发电机的空载运行
19
3.基波气隙磁通密度
20
3.基波气隙磁通密度
21
同步发电机的空载运行
22
4.电枢绕组的磁链、感应电动势
23
4.电枢绕组的磁链、感应电动势
F 有增磁作用 Fa在交轴，所以称交轴电枢反应，因合成磁势 F f 因为I、E同相，所以不发无功功率
43
电枢反应的性质（内功率因数角 180 ）
F 有增磁作用 Fa在交轴，所以称交轴电枢反应，因合成磁势 F f 因为I、E反相，所以不发无功功率
44
电枢反应的性质
24
4.电枢绕组的磁链、感应电动势
25
同步发电机的空载运行
26
时间相量与空间矢量
画在同一坐标平面上的时间相量图和空间矢量图称为 时空矢量图。 参考轴的选取是任意的。但一般
– – – – – 把相绕组轴线作为空间矢量参考轴 令时间相量参考轴与空间矢量参考轴重合 相绕组轴线－相轴； 时间相量： E , , I ,U 转子绕组轴线－直轴； 空间矢量： F, B 与直轴正交（90度电角度）－交轴
电流的性质。
电机输出电流 I 之间的相角 定义 同步和空载电势 E 0 为内功率因数角。 ； 0 时，电流 I 滞后于 E 0
和 I 端电压 U
之间的相位角 称为外功率因数角
。
35
同步发电机负载时的电枢反应
36
同步发电机负载时的电枢反应
37
同步发电机负载时的电枢反应
第二节 同步电机的运行原理（基本电磁关系）
1
第二节 同步电机的运行原理（基本电磁关系）
2
同步电机的励磁系统 同步电机运行时，必须在其转子励磁绕组中通 入直流电流，以便建立磁场，这个直流称为励 磁电流，供给励磁电流的整个系统称为励磁系 统。励磁系统是同步电机的重要组成部分，励 磁系统和励磁元件的性能对电机的运行性能有 重要影响。 分类，励磁系统主要有两大类： 一类是直流发电机作为励磁电源的直流励磁机 励磁系统； 另一类是用整流装置将交流变成直流后供给励 磁的交流励磁机整流励磁系统。
相轴，交轴
1 2f1
直轴
时轴
27
5.时空相矢量图
28
5.时空相矢量图
29
5.时空相矢量图
30
5.时空相矢量图
31
同步发电机的空载运行
32
6.空载特性
33
对称负载时的电枢反应
34
对称负载时的电枢反应
空载：I≈0，Fa ≈0，气隙磁场只由转子电流产生； 负载时：I≠0，Fa ≠0，Fa对Ff的影响称电枢反应 同步电机电枢磁势与转子磁势间的相对位置取决于负载
电枢反应的性质
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电枢反应的性质
50
同步发电机负载时的电枢反应
51
同步发电机负载时的电枢反应
52
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电枢反应的性质
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电枢反应的性质
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电枢反应的性质
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电枢反应的性质
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电枢反应的性质（内功率因数角 0 ）
与 与 同方向， 同方向 相矢图中，按参考轴设 定，有： F F f 0 a a
,F 90 F f a
0 F E E If F I f 0 0 a a a