电机原理

3.变极前后转矩和功率的变化

  设⑴定子绕组相电压为 ，相电流为 ，则输出功率为
    ⑵变极前后两种极对数下， 、 不变，并近似认为 ，则得：

      
①Y→YY(2p→p)；

Y接时绕组相电流为：I；YY接时绕组相电流为：2I；则变极前后电磁转矩之比为：
结论：此种变极连接方法适用于恒转矩负载变极调速。

②Δ→YY(2p→p)；

   同步角速度之比：
   Δ接相电压为： ，相电流为：I；YY接相电压为： ，相电流为：2I，则两种极对数下输出功率之比为：
结论：此种变极连接方法适用于恒功率负载变极调速。

*说明：变极调速方法简单、运行可靠、机械特性较硬，但只能实现有极调速。单绕组三速电机绕组接法已经相当复杂，故变极调速不适宜超过三种速度。

三、变频调速（frequency conversion speed-regulation）

1.概述

  异步电动机的转速： ；当转差率S变化不大时，n近似正比于频率 ，可见改变电源频率就可改变异步电动机的转速。

①单一调频， 不变， ↑→ ↓→ ↓→ →电机得不到充分利用；

↓→ ↑→磁路过饱和，励磁电流↑↑→ ↓，

pFe↑

②保持 不变，调 同时，调 ， 不变。  
2.恒转矩调速

   电机变频调速前后额定电磁转矩相等，即恒转矩调速时，有 ，则

   ，若令电压随频率作正比变化： ，则

    主磁通不变，电机饱和程度不变，电机过载能力也不变。电机在恒转矩变频调速前后性能都保持不变。

3.恒功率调速

  电机变频调速前后它的电磁功率相等，即 ，则

      1）若主磁通不变：

                      2）若过载能力不变： ，主磁通发生变化；

*优点：调速范围广，平滑性好。

*缺点：价格比较贵。

四、转子回路串电阻调速---属于改变转差率调速 Sm改变

（series resistance connection of speed-regulation in rotor circuit）

串电阻前后保持转子电流不变，则有： ； ；

电磁转矩为： 保持不变，即属于恒转矩调速。

优点：简单、可靠、价格便宜；

缺点：效率低。为克服这一缺点，可采用串级调速。

五、改变定子端电压调速（voltage conversion speed-regulation）

----属于改变转差率调速 Sm不变

适应于：泵与风机类负载；缺点：电动机效率低，温升高。

**电磁调速异步电动机----滑差电动机

  一种交流恒转矩无级调速电动机，结构简单，运行可靠，维修方便，调速范围广，起动转矩大，已被广泛应用。





第九章 三相异步电动机在不对称电压下运行  单相异步电动机

(operation of three-phase asynchronous motor under unsymmetrical voltages and single-phase asynchronous motor)



第一节 三相异步电动机在不对称电压下的运行

(operation of three-phase asynchronous motor under unsymmetrical voltages)

1.分析方法：对称分量法；

2.分析：电动机定子绕组Y或Δ接线，无中线，故电机内不存在零序电流、零序电压和零序磁场，只有正、负两个系统，然后迭加。

①异步电动机在正序电压作用下→定转子绕组产生正序电流→产生一个以同步速n1旋转的正序旋转磁场→正向电磁转矩；

②异步电动机在负序电压作用下→定转子绕组产生负序电流→产生一个以同步速n1旋转的反序旋转磁场→反向电磁转矩。

3.缺点：三相定子绕组流有三相不对称电流，产生椭圆形旋转磁场→幅值时大时小→转速时大时小→电机振动→转速不均和电磁噪音。











第二节  单相异步电动机

（single-phase asynchronous motor）

前言：结构：定子为单相绕组（有起动和工作绕组）；转子为鼠笼式。

一、工作原理(basic operation principle)

单相交流绕组通入单相交流电流产生脉动磁动势，其可分解为F+、F-，建立起正转和反转磁场Φ+、Φ-，这两个磁场切割转子导体，产生感应电动势和感应电流，从而形成正反向电磁转矩T+、T-，叠加后即为推动转子转动的合成转矩T。

设电动机转速为n，则对正转磁场而言，转差率s+为

        s+ = =s

对反转磁场而言，转差率s-为

s- = =2-s

**单相异步电动机的T=f(s)曲线：

**单相异步电动机的特点：

①转子静止时，合成转矩为0，即单相异步电动机无起动转矩。

  ②当s≠1时，T≠0，且T无固定方向，取决于s的正负。

③由于反向转矩的作用，合成转矩减小，过载能力低。

二、起动方法(starting methods)

1.分相起动电动机

①    电容起动电动机：转向：由起动绕组转向工作绕组；

②    电容电动机：实为两相异步电动机；

③    电阻起动电动机：起动转矩小，只适用于比较容易起动的场合。

2.罩极电动机

①结构特点：凸极定子，工作绕组为集中绕组，极靴表面的 ～ 处开槽，小极部分罩—短路环（即为罩极绕组）；

②工作特点：电动机起动转矩很小，只适用于小型风扇、电动模具及电唱机中，容量一般在30～40瓦以下；转向：由未罩部分转向被罩部分。

**小结：分相电动机可通过改变并联到单相电源的两绕组的任一个的首、末端，即可改变其转向。

第三篇 同步电机

（synchronous machine）

前言：①同步电机是一种交流电机，主要作发电机使用；也可作电动机和调相机（专门用于电网的无功补偿）使用；

②同步电机定义：同步电机转速n与定子电流频率f和极对数p保持严格不变的关系，即 ；

③主要内容：电枢反应；有功和无功调节；并联运行；不对称和突然短路



第十章  同步发电机的基本工作原理和结构

（basic operation principle and structure of synchronous generator）

一、基本结构(basic structure)---- （以隐极同步电机为例）

主要结构部件：定子、转子、端盖、轴承；

①定子：定子铁心、电枢绕组、机座以及若干紧固连接部件构成；

②转子：铁心、激磁绕组、护环、中心环、滑环（集电环）和阻尼绕组。

二、基本工作原理（basic operation principle）

1.基本工作原理：导体切割磁力线，在导体中产生感应电动势；

2.感应电动势的波形：∵e=BLV，∴由B的波形决定；

3.三相电动势的大小和相序：①大小： ；

                          ②相序：由转子转向决定；

4.感应电动势的频率：
**同步发电机转速与频率之间保持严格不变的关系，即同步发电机在恒定频率下的转速恒为同步速度，这是同步电机和异步电机的基本差别之一。

三、基本结构形式(basic structure type)

型式：旋转电枢式：只用于小容量电机；

        旋转磁极式： 隐极式：气隙均匀，适于高速旋转，与汽轮机组合；

      （大部分采用） 凸极式：气隙不均匀，旋转时阻力大，转速低，与水轮机合；

四、分类(classification)

1.按运行方式，同步电机可分为发电机、电动机和调相机三类。

2.按结构型式，同步电机可分为旋转电枢式和旋转磁极式两种。

3.按原动机类别，同步电机可分为汽轮发电机、水轮发电机和柴油发电机等。

4.按冷却介质和冷却方式：空气冷却、氢气冷却和水冷却、水内冷。

五、型号和额定值(type and rated values)

1.型号 例如：QFQS-200-2

                           极数

                            额定容量为200MW

2.额定值

①额定容量PN（MW）：是该台电机安全运行的最大允许输出功率；

②额定电压UN(kV)：是该台电机长期安全工作的最高电压，指线电压；

③额定电流IN（A）：是该台电机正常连续运行的最大工作电流，指线电流；

④额定频率fN ：我国标准工频为50 Hz。

⑤额定功率因数 ：指电机在额定运行时的功率因数。

3.额定值之间的关系：






























第十一章 同步发电机的运行原理

(operation principle of synchronous generator)

主要内容：研究三相同步发电机在稳定对称运行时的内部电磁过程、气隙磁场、电枢反应、电抗以及基本方程式、等效电路、相量图和各种运行特性。

第一节 同步发电机空载运行

(no-load operation of synchronous generator)

1.定义：n=nN、I=0时E0=f(If)

2.空载时电磁过程：   If→Ff→  Φ0→ （频率为 ）

                              Φfσ→只增加磁极部分的饱和程度

3.空载特性曲线（no-load characteristic curve）

特性曲线：E0=f(If)   

      E0   Φ0   2      1   E0=f(If) 磁化曲线

     UN                 or Φ0=f(If)

                  气隙线

               Ifδ If0          If(or Ff)

分析：If较小时，磁路不饱和， 直线；If较大时，磁路饱和， 不成比例；不考虑饱和，E0=f(If)为气隙线。

        饱和系数的求取： 1.1～1.2



第二节 对称负载时的电枢反应和电磁转矩

(armature reaction and electromagnetic torque)

一、电枢反应(armature reaction)

空载：
负载：
1.电枢反应的定义： 对 的影响，成为电枢反应；

**实质：研究同步发电机负载时内部的电磁情况。

2. 和 性质比较：①均是幅值不变的旋转磁动势；

                   ②均是阶梯波，基波为正弦波；

                   ③转速为n1。

结论： 和 在空间相对静止。

3.几个概念

①内功率因数角Ψ：空载电动势E0和电枢电流Ia之间的夹角，与电机本身参数和负载性质有关；

②外功率因数角φ：与负载性质有关；

③功率角（功角）δ：E0和U之间的夹角；且有Ψ=φ+δ（电感性负载）

④直轴（d轴）：主磁极轴线（纵轴）；

⑤交轴（q轴）：转子相临磁极轴线间的中心线为交轴（横轴）

4.电枢反应的性质（不同负载）

  假设：为了分析问题方便，我们取 为最大值

当Ψ为不同值的电枢反应性质：


位

置

夹角
记作
电枢反

应性质
影响
δ=0，Ψ≈φ，

负载性质


电压U

Ψ=00
q轴
Ψ+900

交轴
波形畸变
不变
R负载

Ψ=900
d轴
Ψ+900

直轴去磁
削弱
下降
L负载

Ψ=-900
d轴
Ψ+900

直轴助磁
增强
增大
C负载

0<Ψ<900
d、q轴
Ψ+900
+
交、直去
削弱
下降
RL性负载

-900<Ψ<00
d、q轴
Ψ+900
+
交、直助
增强
增大
RC性负载


表中： ；对应：
而： ； 对应：    分别为直轴和交轴分量 。

二、电磁转矩(electromagnetic torque)

1.空载时，无电枢反应，无能量传递。

2.负载时，假设忽略发电机的本身参数 ，即δ=0，Ψ≈φ， 为电枢电流的有功分量， 为电枢电流的无功分量。

①有功电流产生电磁力，并形成电磁转矩

当Ψ=0（φ=0）时，负载电流产生的交轴电枢反应磁场对励磁电流作用，在转轴上产生一个制动的电磁转矩，使电机转速下降。为保持转速不变，原动机必须增大转矩，克服电磁转矩。输出的有功功率越大，有功电流分量就越大，交轴电枢反应就越强，产生的电磁转矩就越大，这就要求原动机输入更大的驱动转矩，维持电机的转速不变。

②无功电流产生电磁力，而不形成电磁转矩

当Ψ=900（φ=900）或Ψ=-900（φ=-900）时，负载电流产生的直轴电枢反应磁场对励磁电流作用，所产生的电磁力不形成转矩，对转速无关，表明发电机供电感或电容无功负载时，不需要原动机增加能量。但直轴电枢反应使气隙磁场削弱或增强，为维持电压不变，必须改变励磁电流，即改变电机的无功功率的输出。

**注意：一般发电机所带负载既有功负载又有无功负载，是1和2两种情况的综合。

**结论：调有功，调汽门大小；

        调无功，调激磁电流。



















第三节 漏抗、电枢反应电抗及同步电抗

(leakage reactance ,armature reaction reactance and synchronous reactance)

一、漏抗(leakage reactance)

1.基本漏磁电抗
定子漏磁通  槽部漏磁通      电枢绕组产生
            端部漏磁通

2.定子漏抗 ：
                         一般取1.1～1.2

3. 的意义：①影响U；②影响ik；③影响稳定性。

二、电枢反应电抗（armature reaction reactance）

1.隐极机（气隙均匀）

   
  电枢反应电抗 意义：①反应了电枢反应作用的强弱；

②有饱和值和不饱和值之分， 很大。

2.凸极机(气隙不均匀)

  双反应理论：
  直轴电枢反应电抗 和交轴电枢反应电抗 意义：同隐极机；

  大小： > ； （隐）> （凸）> （凸）；隐极机： = = ；

三、同步电抗（synchronous reactance）

1.隐极机： ，有饱和值和不饱和值之分；

2.凸极机：①直轴： ，有饱和值和不饱和值之分；

②交轴： ，无饱和值和不饱和值之分，因气隙大；

3.大小比较：隐极机：
            凸极机：
4.对电机的影响：①发电机的端电压；②同步发电机的稳定性。





第四节 同步发电机的电动势方程、相量图

(emf equation and phase diagram of synchronous generator)

一、隐极同步发电机（turbine generator）

1.电磁过程：(假设磁路不饱和)

              （增加磁路饱和作用）

   


                      气隙电动势


               
2.电动势方程：
3.等效电路和相量图：
                                   

                                                   
                                       

                                                      
                                                   
                                                         
                                                        
4.简化等效电路和相量图（忽略ra）：
                                 

                                                   
                                       

                                                      
                                                        
二、凸极同步发电机(salient pole generator)

1.电磁过程：

2.电动势方程：
3.相量图：

  已知发电机的端电压、负载电流和功率因数及电阻ra、xd、xq，

①已知ψ角：

②未知ψ角：
**结论：解决某些具体问题时，要考虑饱和，进行修正。









































第五节 同步发电机的运行特性

（operation characteristics of synchronous generator）

一、空载特性(no-load characteristic)

1.定义：
2.实验接线：

3.步骤：If↑→U0=0～1.25UN↑,注意：只能单方向调磁；

4.曲线： E0=f(If)   

      E0   Φ0   2      1   E0=f(If) 磁化曲线

     UN                 or Φ0=f(If)

                  气隙线

               Ifδ If0          If(or Ff)

5.应用：检查三相电枢绕组对称性，判断激磁绕组和定子铁心有无故障。

二、短路特性（short-circuit characteristic）

1.定义：
2.实验接线：

3.步骤： ，调 ，使
4.曲线：      
               
           



                                   
分析：磁路不饱和，短路特性为一条直线。

三、同步电抗的求取(solution)

1.磁路不饱和时， 常数；

2.磁路饱和时， 随 而↓；

3.利用空载和短路特性求取 ：



UN

      E0        E0’      E0=f(If) 磁化曲线

IN

                     Ik=f(If)短路特性曲线

    Ik          气隙线

               Ifδ If0          If

                      Ifk

由气隙线确定： （不饱和） ；由磁化曲线确定： （饱和）
凸极机：
4.短路比：
** 对电机的影响： ↑→气隙大→ ↓→电机的成本和尺寸增加。

四、外特性和调整特性(external and regulation characteristics)

1.外特性

1

①定义：
②曲线：         U

2

                 UN

3







IN        I         

1-- （超前）；2-- ；3-- （滞后）

③电压变化率：
水轮机：18～30%；汽轮机：30～48%。

2.调整特性

①定义：
②曲线：③分析：

第十二章 同步发电机的并联运行  同步电动机

(parallel connection operation of synchronous generator synchronous motor)

概述：1.并联运行定义：将两台或更多台同步发电机分别接在电力系统的对应母线上，或通过主变压器、输电线接在电力系统的公共母线上，共同向用户供电。

      2.优点：①提高供电的可靠性；②提高供电的经济性。

      3.无限大电网： =常数， =常数，




第一节 同步发电机的并列

（parallel connection operation of synchronous generator）

一、准同期法(quasi-synchronization method)

1.定义：已激磁的同步发电机，满足条件，称为～。

2.条件：① ；

② ；

③相序相同。

**说明：③一般满足，其余三个条件须调整。

3.当某一条件不满足时所产生的后果

①电压大小不等（ ）

         a   K   b                图中：K为同期开关；

                                       

                                    为直轴超瞬变电抗（次暂态电抗）

                        


分析： ；
             ⑴ 时, 滞后 90°→感性电流→直轴去磁电枢反应→ ↓→ =
               ⑵ 时， 超前 90°→容性电流→直轴助磁电

                     枢反应→ ↑→ =
                   ⑶影响： 为无功电流，对有功无影响；会使电枢绕组端接部分变形。

②    电压相位不同:  也会形成一电压差

⑴ 和 相位差180°时， 最大，产生巨大电磁力→使电机遭到破坏；

⑵影响：会使电枢绕组端接部分变形和电枢绕组发热，以及受到冲击转矩而扭曲变形。

③频率不等

⑴频率相差不大时，靠自整步作用拉入同步；

⑵频率相差很大时，发电机很难拉入同步；

⑶影响：会使电枢绕组端接部分变形和电枢绕组发热，受到冲击转矩而扭曲变形以及电机振动。

④相序不等：绝对不允许并列。

4.非同期并列：已激磁，且不满足上述条件，这是不允许的

5.准同期并列步骤：采用整步表法

二、自同期法(random synchronization method)

1.与准同期并列比较，是在相序一致的前提下，不激磁，使 时，立即并网同时加上直流激磁；

2.操作简单迅速,但会产生大的冲击电流。





第二节 同步发电机的有功功率功角特性及有功调节

(power angle(P—δ) characteristic and regulation of active power)

一、有功功率和转矩的平衡(balance of active power and torque)

1.有功功率的平衡：能量转换：机械能→电能









   P1                        Pem                        P2   











            pmec    pFe       pad         pCu1



方程为：
当忽略定子铜损时，
2.转矩平衡方程：
二、功角特性（p-δcharacteristic）

1.定义：发电机并联到无限大电网，磁路不饱和，Ｉf不变时，
2.隐极同步发电机的功角特性

①功角特性：
②曲线：         Pem

          Pemmax



                                   δ

               0      90°    180°

③功率极限值：
④功角δ的双重物理意义

⑴是电动势 和电压 间的时间相角差；

⑵是励磁磁势 和合成磁势 间的空间相角差或 与 之间夹角。

**功角不仅决定发电机并联运行时的输出功率，而且说明转子运动的空间位置，把电磁变化关系和机械运动紧密联系起来。

3.凸极同步发电机的功角特性

①功角特性：
用标么值表示：
对隐极电机：∵
            ∴
用标么值表示：
**式中电流、电压和电动势均为相电流、相电压和相电动势。

②曲线：         Pem

          Pemmax



                                   δ

               0       90°    180°

③组成：基本电磁功率 和附加电磁功率
④与隐极电机比较： 略有增加；δ<90°时取得最大值；曲线为非正弦。

⑤附加电磁功率 的特点：与If无关；δ=45°时最大，δ=90°时为0；Xd≠xq是其存在的原因。

三、同步发电机有功功率调节（regulating of active power）

功率调节：调节原动机的输出功率（改变汽门或水门大小）→有功功率输出变化→功角δ变化，无功功率Q也变化。

四、静态稳定概念（static steady concept）

1.定义：受到扰动后，扰动消失能恢复到原状态

2.分析：

3.判据：比整步功率   （隐极电机）

        …………稳定运行

        …………不稳定运行

        …………极限位置

**结论：随δ↓→ ↑→稳定性好

4.静态过载能力：   （隐极电机）

**① =25～35°；

  ②提高 的方法：提高 或 ；

  ③ 与 的关系：∵ ，∴ ↑→ ↑



第三节 同步发电机的无功功率功角特性及U形曲线

（Q-δ characteristic and “U” type curve）

说明：由于无功负载的存在，特别是感性负载的存在，须调节无功功率。

一、无功功率的功角特性（Q-δ characteristic）

1.假设：① ；②磁路不饱和， ；③
2.功角特性

①凸极机：
②隐极机：
用标么值表示：
分析： ，
，        

  ，         

3.无功功率调节：调节励磁电流If↑→功角δ↓→Q↑（有功功率P不变）。

**调无功Q→δ变化→P不变；调有功P→δ变化→P改变，Q变化

二、相量分析(phasor analysis)

以隐极机为例，P不变，调If的情况（ ）

1.六条轨迹线：①有功电流轨迹线；②有功功率轨迹线；③无功电流轨迹线；

              ④无功功率轨迹线；⑤If=C，E0=C轨迹线；⑥cos =C轨迹线；

2.三种激磁方式：①正常激磁：φ=0，cosφ=1，Q=0，全部为有功；

②过激磁：φ>0，cosφ(滞后)，发出Q(感性)，If↑→KM↑；

③欠励磁：φ<0，cosφ(超前)，发出Q(容性)，If↓→KM↓；

**结论：调无功也是提高系统稳定性的一个有效手段。

三、U形曲线(U type curve)

1.定义：并联于无穷大电网运行的同步发电机，输出有功功率为定值时，定子电流随激磁电流变化的规律，象个U形，即： ；

2.曲线：

  分析：

  ①曲线最低点的连线，即cosφ=1，向右倾斜；（为什么？）

  ②不稳定区域，边缘连线向右倾斜； →不稳定区→失去同步

③过激→又称为迟相；欠激→进相；

④励磁电流增大时，定子电流变化的规律。





第四节 调相运行、调相机及同步电动机

(regulation phase operation , phase modifier and  synchronous motor)

一、可逆原理（reversible principle）

以隐极机为例，说明同步电机的可逆原理

同步电机的三种运行状态

1.发电机状态：δ>0， ，发电网输送P，发或吸Q；

2.调相机状态: δ<0，且δ≈0, ，吸P=∑p，发或吸Q

3.电动机状态：δ<0， ，吸P，发或吸Q

二、调相运行和调相机（regulation phase operation and phase modifier）

1.目的：补偿无功功率的不足；

2.调相运行实质：运行于同步电动机（空载）状态；

3.同步调相机（同步补偿机）定义：是一种专门设计的无功功率发电机，更确切地说是一种不带机械负载（即空载运行）的同步电动机。

4.三种激磁状态：①正常激磁状态 ；②过激运行状态 ；

③欠激运行状态 ；

5.调相机特点：①同步调相机的额定容量是指在过激状态时的额定视在功率；

②由于轴上不带负载，调相机的转轴比同容量的电动机的轴细；

③提供感性无功，激磁线圈截面大，损耗也较大，通风冷却；

④起动：异步电动机或辅助电动机法。

三、同步电动机（synchronous motor）

1.定义：同步电机将电能转换为机械能的一种运行方式，其转速不随负载变化而变，永远保持与电网频率所对应的同步速。（ ）

2.电动机的基本方程式和相量图

  方程式：发电机惯例：隐极机：
          电动机惯例：隐极机：
                      凸极机：
3.功角特性：凸极机：
            隐极机：
4.功率平衡：


5.三种激磁状态：①正常激磁状态： 与 同相， ，吸有功P，Q=0；②过激运行状态： 超前 ，吸有功P，吸容性Q（发感性Q）；

③欠激运行状态： 滞后 ，吸有功P，吸感性Q（发容性Q）；

6.U形曲线：同发电机

**结论：同步电动机最可贵的优点，调If可改变它的无功输出。













第十三章 同步发电机的三相突然短路和不对称运行

（three-phase suddenly short-circuit and unsymmetrical operation）

第一节 同步发电机的三相突然短路

（three-phase suddenly short-circuit）

一、磁链守恒定率(the law of conservation of magnetic chain)

ψ0























       超导体回路

1.过程：外磁场 → →I→ →
  超导回路方程： →
2.磁链守恒定率：无论外磁场交链回路的磁链如何变化，由感应电流产生的磁链恰好抵消这种变化，超导回路的总磁链总是不变，即超导回路具有永远保持其磁链等于初始值而不变的性质。

3.同步机：①t=0时，磁链是守恒的，此时r=0；

          ②r≠0时，电流衰减过程的数学表达式；

二、物理过程和同步电抗(physical process and synchronous reactance)

为简化分析，假定：①转子保持同步转速；

②磁路不饱和；

③短路前电机空载；

④短路发生在发电机的出现端；

⑤激磁电流不变；

1.物理过程：
2.同步电抗：
三、三相突然短路电流(suddenly short-circuit current)


式中：α0为转子d轴与某相绕组所构成的平面之间夹角；

分析：①当α0=90°时，发生三相突然短路，当t=T/2时，出现最大冲击电流，若不考虑衰减， ；若考虑， ，k=1.8～1.9；

      ② 对电机的影响：定子线圈端部受到巨大的电磁力，严重机械损伤；转轴受到冲击转矩；定转子绕组发热。











































第二节 同步发电机的不对称运行

(unsymmetric operation of synchronous generator)

前言：属于异常运行状态，即介于正常和具有破坏性的事故运行之间。

一、不对称运行的分析(analysis)……以隐极机为例

1.分析方法：对称分量法；

  
  
  
2.各序阻抗和等效电路

①正序阻抗： 和等效电路


       正序等效电路              负序等效电路        零序等效电路

②负序阻抗： 和等效电路

  其中：负序电抗： ；汽轮机： 很小；水轮机： 相对大；

        负序电阻：
③零序阻抗： 和等效电路

其中： ；
**结论：
三、实例分析(analysis of example)

以隐极同步发电机的稳态单相短路为例：即A相短路，B和C相空载；

解：边界条件：
              

求得：
各序电动势方程：
               

∵
解得：
若忽略各序电阻，则
结论：①单相稳态短路比三相短路电流大得多；

②单相稳态短路，三个相电压不对称；

③线电压也不对称，原因：负序电压降的存在。

三、不对称运行对发电机的影响(influence)

1.转子的附加损耗和转子表面发热

2.附加转矩和引起发电机振动  

3.对电网的影响









第四篇 直流电机(DC machine)

第十四章 直流电机的基本工作原理及结构

(basic operation principle and structure of DC machine)

一、基本结构(basic structure)

1.定子：主磁极、换向磁极、机座、端盖、电刷装置；

2.转子：电枢铁心、电枢绕组、换向装置、风扇、转轴

3.气隙

**注意：同步电机—旋转磁极式；直流电机—旋转电枢式。

二、基本工作原理(basic operation principle)

1.直流发电机：实质上是一台装有换向装置的交流发电机；

        原理：导体切割磁力线产生感应电动势，e=BLV；

2.直流电动机：实质上是一台装有换向装置的交流电动机；

        原理：带电导体在磁场中受到电磁力的作用并形成电磁转矩，推动转子转动起来，f=BiL 。

**说明：直流电机是可逆的，它们实质上是具有换向装置的交流电机。

三、直流电机的励磁方式(exciting methods)

1.定义：主磁极的激磁绕组所取得直流电源的方式；

2.分类：以直流发电机为例

  分为：他激式和自激式（包括并激式、串激式和复激式）






































他激：激磁电流较稳定；并激：激磁电流随电枢端电压而变；串激：激磁电流随负载而变，由于激磁电流大，激磁绕组的匝数少而导线截面积较大；复激：以并激绕组为主，以串激绕组为辅。

**说明：为了减小体积，小型直流电机采用永磁式。

四、型号和额定值(type and rated values)

1.型号：  Z 2-9 2

                     铁心长度代号

                      机座号

                       第二次改型设计

                       直流

2.额定值

①额定功率：发电机PN：输出电功率；电动机PN：输出机械功率；

②额定电压：UN；

③额定电流：IN；

④额定值之间的关系：发电机：PN= UN IN；

电动机：PN= UNINηN。







第十五章 电枢绕组及直流电机基本原理

(armature winding and basic principle of DC machine)

第一节 电枢绕组简介

(introduction of armature winding)

说明：本节利用胶片讲清电枢绕组的绕法及基本概念。





第二节 电枢电动势和电磁转矩

(electromotive force and electromagnetic torque)



直流发电机和直流电动机的电枢电动势和电磁转矩的比较：


… ：电动势常数

性质：电源电动势；

与 同向
性质：反电动势；

与 方向相反


… ：电磁转矩常数

性质：制动转矩；

与n 反向
性质：驱动转矩；

与n 同向

   

























第五节 电枢反应(armature reaction)

1.概述

空载：气隙中磁场仅由主磁场的激磁磁动势产生（Ff=NfIf）

负载：Ff+电枢磁动势

电枢反应定义：电枢磁动势对激磁磁动势的作用使气隙中的磁场发生变化。

2.主磁场：以主磁极的轴线对称分布

  
  几何中性线：两相邻主磁极的轴线对称分布，此处B=0；

  物理中性线：B=0处的直线位置

3.电枢磁场：总是以电刷相接触的换向片相连的导体为界

交轴电枢反应磁场：与主磁场垂直

4.电枢反应性质

①电刷在几何中性线时的电枢反应

  性质：交轴电枢反应；

  作用：使气隙磁场畸变；使气隙磁场削弱；

②电刷不在几何中性线时的电枢反应

  双反应理论： ，分直轴和交轴分别分析；

  交轴：同①；

  直轴：根据电机性质不同，有去或助磁作用。





第四节 换向概述(commutation)

一、换向过程(commutation process)

1.换向定义：从+ia到-ia的过程；

2.换向周期：Tk，几毫秒；

3.换向原因：电磁、机械、电化学和电热

二、换向元件中的电动势(emf)

主要分析电磁原因：换向过程中换向元件的电动势不为零。

1.电抗电动势er

  从+ia到-ia→
  方向：由楞次定律知，阻碍换向，与换向前相同；

2.旋转电动势ek

  物理中性线偏移几何中性线B≠0……由于电枢反应影响e=BLv≠0

  方向：对换向起阻碍作用，与换向前同，其大小与电机的转速及负载大小有关。

三、改善换向的方法(methods)

1.换向的不良后果：产生火花；

  火花等级：

2.改善换向的方法①装设换向磁极；

②增加换向回路的电阻；

③电刷移到气隙磁场的物理中性线附近。



































第十六章 直流电机的运行原理

(operation principle of DC machine)

第一节 直流电机的基本方程

(basic equation of DC machine)

一、电动势平衡方程(electromotive force balance equation)

   
式中： ：电枢回路总电阻； ：正、负电刷电压降，一般为0.6～2伏；

      发电机：取“+”；电动机：取“-”；

忽略电刷压降，则
**结论：发电机： ；电动机： ；即根据 与U的大小判断直流电机的运行状态。

二、直流电机的功率平衡方程(power balance equation)

以并激直流发电机为例

                                                       pCua+p0

             p0=pmec+pFe                        

   P1                              Pem                P2

(机)





          转子                     定子

                                              pCuf  

发电机：
          机械能→电能

电动机：
                     电能→机械能

电机效率：
三、转矩平衡方程(torque balance equation)

1.发电机：
2.电动机：
第二节 并激直流发电机

(shunt excitation DC generator)

一、并激直流发电机电压的建立(build up voltage)

1.并激条件：①电机的磁路必须有剩磁；

②电机的转向及激磁绕组与电枢绕组的连接必须正确；

③电机的激磁磁路具有饱和特性；

④激磁回路电阻小于临界电阻。

2.激磁回路方程： ……磁化曲线；

                ……………………激磁电阻电压；

3.说明：① （磁化曲线与 的交点），无固定交点，空载电压不能稳定在某一值上；

        ② 时， 固定值；

        ③转速低时，空载特性下降， 要求在额定转速下自激建压。

二、运行特性(operation characteristics)

1.空载特性：当 ， 时， ；……磁化曲线

2.外特性：当 ， 时， ；

              U

              U0

              UN                      1

                               2

              0          IN           I

1—他激发电机外特性；2—并激发电机外特性；

**解释：为什么并激比他激发电机的外特性下降得多？

  原因：一是电枢反应的去磁作用；二是电枢回路总电阻和电刷电阻引起的压降。

3.电压变化率： ；他激：一般为（5～10）%……恒压源

                                   并激：一般为20%以上；

4.调整特性：当 ， 时， ；

           If                      2



                                      1









                                               I   

1—他激发电机调整特性；2—并激发电机调整特性；

思考：维持U不变，他激和并激如何调整？





第三节 直流电动机(DC motor)

一、机械特性(torque-speed characteristic)

1.定义：当 时，
2.并激电动机的机械特性：
  若忽略电枢反应， ，则为一直线；

             n

             n0            β

   1（硬）



2（软）



                                         Tem

**说明：①n0为理想空载转速；②β大，机械特性硬；β小，机械特性软。

二、起动(starting)

1.定义：从静止到稳定运行；

2.要求：① 尽量大；② 小

3.直接起动电流：n=0,Ea=0时， ，一般为10～20倍 ；

4.限制起动电流的方法：①电枢回路中串接起动电阻；

②降低电压。

5.起动方法：①全压起动（直接起动）；

②电枢回路串联电阻起动；

③降低电压。

三、调速(speed regulation)

1.公式：
2.调速方法：①改变If……弱磁调速；

②改变电枢回路调节电阻 ；

③改变电枢端电压调速（适合他激）

四、转向的改变(change rotation direction)

由 知，改变转向的方法：①改变 的方向；

②改变 的方向（常用）。

**说明：方法①，由于激磁绕组电感大，可能导致绝缘击穿。