3.1三相交流同步发电机
§3-1 交流发电机的功用、分类;交流发电机的结构
浙江工业职业技术学院）定子总成定子总成是产生和输出交流电的部件，又叫电枢，由定子铁心和定子绕组组成，如图定子铁心由相互绝缘的内圆带槽的环状硅钢片叠成。
定子槽内置有三相对称绕组，三相绕组大多数采用“Y”形（星形）连结，也有用“△”形连结的。
某一交流发电机定子绕组的展开图转子总成是发电机的励磁部分，它主要由两块爪极、磁场绕组、集电环及轴等组成，两块爪极被压装在转轴上，且内腔装有磁轭，并绕有励磁绕组。
绕组两端的引线分别焊在与轴绝缘的两个集电环上。
两个电刷装在与端盖绝缘的电刷架内，通过弹簧力使其与集电环保持接触。
当发电机工作时，两电剧与直流电源连通，可为磁场绕组提供定向电流并产生轴向磁通。
使两块爪极被分别磁化为N极和S极，从而形成犬牙交错的6对磁极，并沿圆周方向均匀分布。
子每转一周，定子的每相绕组上就能产生周期个数等于磁极对数的交流电动势。
）整流器整流器由正整流板和负整流板组成，如右图所示。
其作用是将三相定子绕组输出的交流电，通过三相桥式整流变成直流电输出。
交流发电机的整流器大多由6只硅二极管组成。
外壳为正极、中心引线为负极的二极管，称为负极管，管壳底上注有黑色标记；外壳为负极、中心引线为正极的二极管，称为正极管，管壳）前后端盖前后端盖的作用是支承转子总成并封闭内部构造。
它由铝合金制成，具有轻便、阻磁（减少漏磁）、散热性能好等特征。
）电刷与电刷架电刷是通过集电环给励磁绕组提供电流的元件。
电刷装在电刷架内，通过弹簧与集电环紧密接触，如图3-6所示。
车用无刷交流发电机是指没有集电环、电刷与电刷架装置的交流发电机。
它不会因为电刷和集电环的磨损或接触不良造成励磁不稳定或发电机不发电等故障；也不会产生火花，从而减少了无线电干扰。
具有结构新颖、性能优良、工作稳定、故障少等优点。
但与有刷发电机相比，在相同体积条件下，其设计功率将有所下降。
无刷交流发电机有爪极式、励磁机式、永磁式和感应式四种，其中爪极式和感应式比较常见。
第3章 交流电机的基本理论
第3章 交流电机的基本理论
河海大学 华侨大学 上海交通大学 南京理工大学
高等教育出版社、高等教育电子音像出版社
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本章主要内容
3.1 交流电机的工作原理 3.2 交流电机的绕组和电动势 3.3 交流电机绕组的磁动势 本章小结
2
本章学习要求 基本要求：
1. 掌握旋转电机的基本作用原理。 2. 了解三相交流绕组的构成原则和连接方法，
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3.1.2 异步电机的工作原理 定子绕组 （三相） 1. 三相异步机的结构 A
三相定子绕组：产生旋转 磁场。
Y
定子
Z
转子：在旋转磁场作用下， 产生感应电动势或 电流。
线绕式 鼠笼式 转子
Cபைடு நூலகம்
B
X
鼠笼转子
机 座
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3.1.2 异步电机的工作原理
2. 电动机运行时的基本原理
定子接三相电源上，绕组中流过三相对称电流，气隙中 建立基波旋转磁动势，产生基波旋转磁场，转速为同步速 (后文将详细介绍):
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3.2.3 正弦磁场下交流绕组的感应电动势
3. 一个线圈（Nc 匝）电动势
设线圈匝数为 N C ，其电动势 Ec 为一匝线圈电动 Et 势的 N C 倍，故:
Ec NC Et 4.44 fNC KPΦ
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3.2.3 正弦磁场下交流绕组的感应电动势
（以三相双层绕组为重点）。
3. 掌握交流绕组电动势的分析和计算方法。
了解绕组系数的物理意义及其对改善波形的作用。 4. 理解绕组的谐波电动势，了解其削弱方法。
5. 掌握交流绕组磁动势的性质及其表示和分析方法。
分清脉振磁动势、圆形磁动势和椭圆性磁动势的区别及关系。
第3章三相同步电机
cos ϕ 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 → F f → B0 → φ 0
→ 电枢齿 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
k w1 N 1φ a k w1 N 1 Fa Λa (k w1 N 1 ) 2 kIΛa La = = = = = k (k w1 N 1 ) 2 Λa I I I I
ψa
二、考虑磁路饱和时 非线性，迭加原理不适用
Ff & & → F → B →Φ → E Fa
& U
& IRa
3、等效电路
& & & & & & & & E0 =U + I Ra + jIXσ + jIXa =U + I Ra + jIXs
4、同步电抗
X s = X a + Xσ
a) 反映了Φa和Φσ的作用 b) 磁路不饱和时为常数 c)
∝ f X a = ωLa ∝ (k w1 N 1 ) 2 ∝ Λ 主磁路的磁导 a
& 图示瞬间，A相绕组电动势 E0 A 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)
• 从磁通的变化来分析。 A相磁通为零，电动势滞后磁 通90度。
& & B相绕组 E0 B、C相绕组电动势 E0 C 滞后A相电动势120度和240度。
三相交流同步发电机的励磁方式
三相交流同步发电机的励磁方式
三相交流同步发电机是电力系统中常用的发电设备，其励磁方式对于发电机的发电效率和稳定性有着重要的影响。
常见的三相交流同步发电机的励磁方式有独立励磁、并联励磁和串联励磁三种方式。
独立励磁是指发电机的励磁系统独立于整个电网系统，通过独立的励磁电源来控制发电机的磁场，使其产生电势。
这种励磁方式适用于小型发电机和紧急备用发电机，其优点是操作简单，但缺点是发电机独立于电网系统，对电网的稳定性和负载调节能力不利。
并联励磁是指发电机的励磁系统与电网系统并联，励磁电源来自电网，通过自动电压调节器AVR来控制发电机产生的电势，实现对发电机励磁的实时调节。
这种励磁方式适用于大型发电机和电网系统，其优点是对电网系统的稳定性和负载调节能力有利，但缺点是需要配备AVR等控制设备，并且对电网的负荷变化较为敏感。
串联励磁是指发电机的励磁系统串联于电网系统，励磁电源也来自电网，通过调节励磁电阻来控制发电机的电势，实现对发电机励磁的调节。
这种励磁方式适用于中小型发电机和一些特殊的应用场景，其优点是操作简单，对电网的稳定性和负载调节能力有一定的帮助，但缺点是需要频繁调节励磁电阻，不适用于大型发电机和高要求的电网系统。
综上所述，三相交流同步发电机的励磁方式需要根据具体的应用场景和要求进行选择，以确保发电机的高效稳定运行。
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三相交流同步发电机
此系列发电机主要用于城镇、乡村、工地、山区及牧场等的照明及动力的三相交流电源,也可作为应急的备用电源。
发电机为防滴转场式,采用三次谐波励磁方式,使用安全可靠,维护简单方便。
发电机为三相四线制,采用带有中性的星形接法,额定电压为400V,相电压为230V,频率为50HZ,功率因素0.8 (滞后),根据客户要求,我们也可提供60HZ及其电压的发电机。
发电机与原动机可直接联接或用三角皮带联接,正反转额定连续运行,当原动机转速变化为3%时,负载从0-100%,COS在1.0-0.8范围内任意变化时,其额定电压均在允许的范围内,恒压性能优良,瞬态性能好;同时,无需任何起动装置℃就能直接起动70%容量的笼型异步发电机。
使用条件：在下列条件下发电机能正常运转且输出额定功率。
海拔：不超过 1000m冷却温度：258~313K(-15o C~40o C)相对湿度：不超过 90%技术参数:三相发电机主要是三相交流同步发电机。
其转子通常为直流励磁线圈产生的电磁铁，为发电机工作提供磁场。
定子是在空间互差120度电角度的三相交流绕组（按照一定规律连接的线圈组称为绕组）。
当给转子线圈通入直流电且由原动机带动三相同步发电机的转子旋转时，转子磁场对定子的三相绕组有相对运动，定子的三相绕组就感应三相交流电。
调节转子线圈通入直流电流的大小，可以改变定子的三相绕组电压的大小，改变原动机的转速，可以改变定子的三相绕组电压的频率。
三相交流发电机励磁原理利用导线切割磁力线感应出电势的电磁感应原理，将原动机的机械能变为电能输出。
同步发电机由定子和转子两部分组成。
定子是发出电力的电枢，转子是磁极。
定子由电枢铁芯，均匀排放的三相绕组及机座和端盖等组成。
转子通常为隐极式，由励磁绕组、铁芯和轴、护环、中心环等组成。
汽轮发电机的极数多为两极的，也有四极的。
转子的励磁绕组通入直流电流，产生接近于正弦分布磁场（称为转子磁场），其有效励磁磁通与静止的电枢绕组相交链。
三相同步发电机工作原理
三相同步发电机工作原理
三相同步发电机是一种将机械能转化为电能的设备。
它基本上由转子和定子两部分组成。
转子是旋转部分，通常由强磁性材料制成，如永磁体或电磁体。
转子上的磁极与定子上的磁极相匹配，以产生磁场。
定子是静止部分，通常由绕组和磁极组成。
绕组通常是由绝缘电线绕成的线圈，每个线圈代表一个相位。
在三相同步发电机中，一共有三个线圈，分别对应三个相位。
工作原理如下：
1. 初始状态下，转子上的磁极和定子上的磁极相互吸引，使得转子开始旋转。
2. 当转子旋转时，转子上的磁极经过定子绕组时，会在绕组中产生电流。
3. 根据法拉第电磁感应定律，当电流通过定子绕组时，会产生一个磁场，该磁场与转子上的磁场相互作用，产生一个力矩，将转子继续推动。
4. 因为绕组被划分为三个相位，所以当转子旋转时，三个相位的绕组会分别产生电流。
这三个相位的电流之间存在120度的相位差，这使得输出的电流是三相交流电。
5. 通过适当的连接方式，可以将输出的三相交流电进行整流和变压处理，以满足各种应用的电能需求。
总体而言，三相同步发电机的工作原理是利用磁场相互作用和电磁感应的原理，将机械能转化为电能输出。
3.1 三相异步电动机原理
第三章 三相异步电动机
3.2.1 三相异步电动机运行的基本分析 1. 异步电动机的磁路、主磁通和漏磁通 （1）主磁通 当异步电动机的三相定子绕组通入三相 交流电流后，定子产生旋转磁势，建立 旋转磁场，其中既与定子绕组交链同时 又与转子绕组交链的基波磁通称为主磁 通。
第三章 三相异步电动机
第三章 三相异步电动机
1. 三相异步电动机的节能运行方法 ① 使用电动机时，必须按照《三相异步 电动机经济运行标准》合理使用，维护 维修及时，避免因管理不善而人为造成 电能的大量损耗。 ② 在其它条件允许的情况下采用Y系列 或Y2系列高效型电动机取代JO2系列的电 动机。
第三章 三相异步电动机
3. 气隙 异步电动机定子铁心与转子铁心之间的 空气间隙称为气隙。 3.1.2 三相异步电动机的定子绕组 在三相异步电动机的结构中，定子绕组 是三相异步电动机的核心部件，是实现 电机机电能量转换的关键。
第三章 三相异步电动机
三相异步电动机对定子三相绕组的要求 是：① 各相绕组的磁势和电势要对称， 阻抗要平衡。② 绕组产生的磁势和电势 在波形上接近于正弦波。③ 用铜量省， 绝缘强度和机械强度高，散热条件好。 ④ 制造、维修方便。 三相定子绕组按照槽内导体的层数分为 单层绕组和双层绕组。
（2）漏磁通 漏磁通包括定子漏磁通和转子漏磁通。 2. 转子的相数和极数 对于绕线式转子，因其转子绕组由三相 绕组绕制而成，在绕组联接时就使转子 绕组具异步电动机
由于异步电动机运行时定、转子电势的 频率不同，定、转子绕组的相数和有效 匝数也不同，因此要得到等值电路，需 进行频率和绕组的折算。
第三章 三相异步电动机
三相同步发电机的结构和工作原理
发电机通常由定子、转子、端盖及轴承等部件构成。
定子由定子铁芯、线包绕组、机座以及固定这些部分的其他结构件组成。
转子由转子铁芯(或磁极、磁扼)绕组、护环、中心环、滑环、风扇及转轴等部件组成。
由轴承及端盖将发电机的定子，转子连接组装起来，使转子能在定子中旋转，做切割磁力线的运动，从而产生感应电势。
发电机曲轴带动发电机的转子，利用“电磁感应”原理，发电机就会输出感应电动势，经闭合的负载回路就能产生电流。
主磁场的建立：励磁绕组通入直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。
载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。
切割运动：引擎曲轴拖动转子旋转（给电球输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。
交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。
通过接线端子引出，接在回路中，便产生了电流。
励磁机整流器 转子 定子AVR (自动电压调节器)风扇 飞轮连接盘出线端子向同步发电机的转子励磁绕组供给励磁电流的整套装置叫做励磁系统。
励磁系统是同步发电机的重要组成部分。
转子的励磁绕组通入直流电流，产生接近于正弦分布磁场（称为转子磁场），其有效励磁磁通与静止的电枢绕组相交链。
转子旋转时，转子磁场随同一起旋转、每转一周，磁力线顺序切割定子的每相绕组，在三相定子绕组内感应出三相交流电势。
发电机带对称负载运行时，三相电枢电流合成产生一个同步转速的旋转磁场。
定子磁场和转子磁场相互作用，会产生制动转矩。
从引擎输入的机械转矩克服制动转矩而作功。
发电机可发出有功功率和无功功率。
转子磁场的强弱直接影响定子绕组的电压，所以，调发电机端电压或调发电机的无功功率必须调节转子电流。
发电机的有功功率和无功功率几何相加之和称为视在功率。
有功功率和视在功率之比称为发电机的功率因数，发电机的额定功率因数一般为0.8。
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一、三相交流同步发电机的构造与工作原理
1、三相交流同步发电机的构造：
（1）定子（电枢）：
定子铁芯、机座、三相绕 组(接星形)。
定子绕组与三相电网连接， 产生感应电动势，并电 网输送电能。
（旋转磁极式三相同步发 电机的定子也称“电 枢”）
（2）转子（磁极）：转子铁芯、直流励磁绕组、 滑环与电刷
励磁绕组通直流电，产生恒定的主磁通，在原动机 带动下旋转。
降，端电压下降。 ②有功功率的影响：因Ia与Eo同相—交磁反应， Ia受电磁
力作用，使 T阻（电磁转矩）＞Tin， Pin=Po +Pe （电磁功率）发生变化，转速n下降，端电 压下降，频率也下降。
发电机接负载，定子（电枢）绕组有三相对称电 流通过－电枢电流Ia，电枢磁场Φa
电枢磁场对磁极磁场的影响叫电枢反应。 当所接的负载性质不同产生的电枢反应结果也 不一样，可能产生对电枢主磁场的不同作用效 果。
电枢电流
2、同步发电机的电枢反应分析
电枢电流影响电枢反应的性质：电枢电流 Ia与空载电势Eo的关系有：同相位、滞后和超
eA=Emsinωt eB=Emsin(ωt－120°) eC=Emsin（ωt+120°）
空载电动势有效值： Eo＝4.44fNΦ
交流电动势的频率f
同步发电机电动势频率由原动机的转速n和电 机极对数P决定。 f=pn/60
得空载电动势为：Eo＝KeΦn 即：空载电动势的大小与主磁通Φ和转速n 成正比。
3.励磁方式：给磁极的励磁绕组提供直流电的装置--励磁 系统 见书本
自励式：半导体励磁 同步发电机的励磁电流是由发电机自已提供
转子励磁绕组
电枢绕组
三相桥式整流
辅助绕组
他励：设有专用励磁电源的称为他励（无刷）。
①直流发电机 ②无刷同步发电机
4.铭牌数据
额定容量：同步发电机输出的电功率。 额定电压：额定运行时定子输出端的线电压。 额定电流：额定运行时定子输出端的线电流。 额定频率：额定运行时电枢输出端电能的频率。 额定转速：额定运行时电机的转速。 温升（绝缘等级）：电枢额定负载运行 时允许
直 轴 去 磁 （ 滞 后 ）
Φa与Φo方向相反，合成磁场Φ减少，为直轴 去磁电枢反应。
(3)Ψ＝－90°Ia超前Eo 90°（容性负载）
直 轴 增 磁 （ 超 前 ）
Φa与Φo同向，合成磁场Φ增强，为直轴增磁电 枢反应。
一般情况
一般负载多为感性，电枢电流滞后 电动势Eo ψ （0＜ψ＜90°）
同步发电机的空载额定电压一般处于空载特 性曲线的部分（接近饱和点）
同步电机的转速n与旋转磁场转速no一致 ①发电机接负载，定子（电枢）绕组有三相对称电流
通过，产生旋转磁场n0=60f/p； ②因转子转速在原动机带动下达 n=n0 故为同步，磁
极磁场Φ0与电枢磁场Φa同步，且相对静止。
电枢电流
三、同步发电机负载运行及电枢反应 1.同步发电机负载运行特点
3.自励起压存在的实际问题及措施
（1）提高发电机的剩磁电压 （2）降低伏安特性 （3）利用复励电流帮助起压
4.同步发电机的空载运行及空载特性 E0=f（If）（ 相似磁化曲线）
Eo＝KeΦn 保持额定转速不变，空
载电势E0与空载励磁 电流I f的关系曲线。 ∵ E0∝Φ0∝ If ； ∴空载特性的实质就是磁 化曲线。
最高温升。
P书163
二、同步发电机的空载运行及空载特性
1.同步发电机的自励起压
自励式：半导体励磁 同步发电机的励磁电流是由发电机自已提供
转子励磁绕组
电枢绕组
三相桥式整流
辅助绕组
2.自励起压条件
（1）必须具有足够的剩磁，自励的必要条件 （2）自励过程构成正反馈，方向相同，极性
一致 （3）适当整定励磁回路阻抗
电枢电流Ia分成两个量 Iq与Eo同相－交轴电枢反应 Id与Eo垂直－直轴去磁电枢反应。 结果：一般性负载既有交磁反应，
又有去磁反应，且负载的功率因 数越低，去磁反应越严重。
四、同步发电机的外特性及调节特性
1．外特性U=f（I） 电阻性负载，交轴电枢 反应，电流增加，端电 压稍有下降；
感性负载，交轴和去磁 电枢反应，电流增加， 端电压下降；
转子磁极结构形式
凸极式：有凸出的磁极， 简单,适用于船用柴油 机、水轮机作原动机的 发电机。(离心力较大) 转速：500-1500r/min
隐极式：呈圆柱形，结 构较复杂、用于高 速发电机（汽轮发 电机）
转速：1500r/min
2.三相交流同步发电机的工作原理
a．转子绕组通过滑环、电刷外加直流电产生磁场 b．转子在原动机的带动下变成旋转的磁极磁场 c．定子绕组切割磁力线产生感应电势 d．定子三相绕组在空间上互差120°，故产生三相感应电势
前三种。 与之对应的电枢反应的性质有：交轴、直轴去
磁和直轴增磁三种。 Ia与Eo的夹角为内功率因数角ψ
(1）Ψ＝0 Ia与Eo同相（阻性负载）
交 轴 反 应 （ 同 相 位 ）
前极靴（左）去磁、后极靴增磁，合成磁场Φ扭 斜θ角，为交轴电枢反应。
° (2) Ψ＝90 Ia滞后Eo 90°（感性负载）
容性负载，交轴和增磁 电枢反应，电流增加， 端电压增加。
负载的功率因数越低，去 磁反应越严重，端电压下 降越利害。
Байду номын сангаас
电压下降率： ΔU%=(Uo-UN)/UN×100%
2．调节特性If=f（I）
为保持端电压基本 不变，励磁电流 随负载电流变化。
电枢反应去磁，则励磁电流应增加，反之则减小。
同步发电机有功功率、无功功 率的调节
励磁系统
原动机
主发电机
同步发电机的转矩与功率的平衡：
空载
带负载
原动机输入转矩 Tin=To Tin=To+T阻（电磁转矩） 原动机输入功率 Pin=Po Pin=Po +Pe （电磁功率）
发电机输出的功率包括：有功功率和无功功率
由于一般负载均为感性负载：既有功功率和无功功率 ①无功功率的影响：感性负载的直轴去磁反应使主磁通下
第一节 三相交流同步发电机
教学要求： 熟悉三相交流发步发电机的构造和工作原理，理解电
枢反应的概念，能说明不同性质的负载对发电机外 特性的影响，掌握空载特性、外特性和调节特性。 3.1.1三相交流同步发电机的构造与工作原理 3.1.2同步发电机的空载运行及空载特性 3.1.3同步发电机的负载运行及电枢反应 3.1.4同步发电机的外特性及调节特性