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指导大纲和自学指导书 学时数64 适用专业电气工程及其自动化

时间:2016-05-02


《电机学(I) 》自学指导大纲和自学指导书 学时数:64 学分数:4 适用专业:电气工程及其自动化

执笔人: 武惠芳

编写日期:2003 年 5 月

一、课程的性质和任务 课程性质: 《电机学(I) 》是电气工程及其自动化专业的技术基础课,是必修课。 主要任务:学生通过学习该课程,应掌握变压器、交流异步电动机和同步电机的基本知识、基本理论、基本计算方法 和一般运行分析问题,为学习《电机学(II) 》 、 《控制电机》 、 《自动控制系统》 、 《变频调速》 、 《电传动控制系统》 、 《电力系 统分析》 、 《电力系统继电保护》和《电力系统自动化》等课程准备必要的基础知识。 二、本课程的基本要求 首先要清楚机械实物的具体结构(Construction);其次要弄清电机内主要电物理量和磁物理量的特性及相互关系,并能 用方程式(Equation)、等效电路(Equivalent Circuit)和向量图(Phasor Diagram)这三种主要方式表示之;最后要能运用这些 特性和关系结合具体条件对电机的运行进行初步的分析(Analysis) 。──这就是本课程的主要任务或总的要求 三、课程教学内容、要求和自学指导 绪论 绪论是学习一门课程的重要环节。 通过绪论的学习,首先要了解课程的主要内容和电机在国民经济各行各业中的作用, 明确《电机学》课程在电气工程及其自动化专业中的地位,从而明确学习目的;其次要了解本课程的性质、任务、特点和 电机理论的一般分析方法,克服畏难思想,转变学习方法;最后要对电机常用的电磁定律进行复习,并要求学生熟练掌握。 重点:本课程的性质、任务、特点和一般分析方法 难点:常用的电磁定律在电机中的应用 主要内容: 1、课程简介——本课程的内 内容、特点、一般分析方法(学 学习方法) 、考核方法、参考书和任课教师; 2、绪论——电机的分类、发展概况、应用和本课程的性质及任务; 3、常用的基本电磁定律。 学习要求: 1、了解本课程的内 内容和考核方法; 2、了解电机的分类和在国民经济各行各业中的应用,明确《电机学》课程在电气工程及其自动化专业中的地位; 3、掌握本课程的性质、任务、特 特点和一般分析方法(学 学习方法) ; 4、掌握常用的基本电磁定律,特别是磁路欧姆定律和磁化曲线 自学指导: 1、本课程的内 内容——变压器、交流绕组及其电动势和磁动势、感应电机和同步电机 2、本课程的特 特点: (1)研究的对象是实物,是一个电的、磁的、机械的综合体,与工程实践联系非常紧密; (2)课程前后的连贯性强; (3)课程以定性分析为主,概念多,理论性强; (4)时空观强。 3、本课程的一般分析方法和学 学习方法 本课程的一般分析方法:首先介绍电机的基本知识(包括基本工作原理简介和基本结构) ,其次通过电机内的电磁物 理过程分析找出各物理量的关系、并用方程式(Equation)、等效电路(Equivalent Circuit)和向量图(Phasor Diagram)这三种 主要方式表示之,最后利用等效电路对电机的运行进行初步分析。 本课程的学 学习方法: (1)首先要熟悉电机的基本工作原理年、清楚机械实物的具体结构(Construction),其次要掌握电机内主要电物理量和磁 物理量的特性及相互关系,并能用方程式(Equation)、等效电路(Equivalent Circuit)和向量图(Phasor Diagram)这三种主要 方式表示之,最后要能运用这些特性和关系结合具体条件对电机的运行进行初步的分析(Analysis) ; ──这就是本课程的主要任务或总的要求 (2)在学习过程中要善于比较各类电机找出其共同处和不同点,以便更好地掌握各类电机的特点;

(3)要注意课后的及时复习和钻研教材,重点掌握电机中各主要物理量和参数的名称、符号、物理意义及相互关系。 4、电机的分类 (1)一般分类: 变压器 电机 { 直流电机 旋转电机{ 同步电机 交流电机{ 异步电机 (2)按功能分: 发电机(Generators)——将机械能转换为电能; 电动机(Motors)——将电能转换为机械能; 微型控制电机——不以功率传递为主要职能,而在电气机械系统中起调节、放大和控制作用; 变压器、变流机、变频机、移相器——将一种形式的电能转化为另一种形式的电能 其共同的特点是: 根据电磁感应定律和电磁力定律进行能量转换 5、本课程的性质——专业基础课是架于工科大学公共基础课和专业技术课之间的一座桥梁。6、常用的基本电磁定律: (1)磁物理量:磁感应强度、磁通、磁场强度、磁动势(重点)和磁阻(磁导) (2)基本电磁定律:磁路欧姆定律和磁化曲线、电磁感应定律(两种表达形式) 、电磁力定律。 作业及思考题:教材 P20 1-1、1-2、1-3、1-4 第一部分 变压器(略) 第二部分 交流电机的绕组及其电势与磁势 交流电机的绕组及其电势与磁势是交流电机的公共理论部分。通过本章学习,首先要掌握交流电机的基本工作原理和 特点,其次了解交流绕组的术语,认识展开图,懂得三相绕组空间对称的道理,掌握相电势有效值公式,知道其中各物理 量的物理意义,了解消除、削弱电势高次谐波的方法;最后要掌握单相磁势和三相磁势的性质和特点,了解时、空相量和 时空相量图。 重点:交流电机的基本工作原理、相电势公式和三相旋转磁势的特点 难点:三相旋转磁势的特点 关键:空间相量的分析 主要内容: 1、交流电机的工作原理——同步发电机的发电原理和感应电动机的转动原理 2、交流绕组的构成原则和分类; ?、三相双层迭绕组; ?、交流绕组的感应电动势; ?、单相交流绕组的磁动势; ?、三相交流绕组的磁动势。 学习要求: 1、 掌握交流电机的基本工作原理和特点; 2、 了解交流绕组的术语,认识展开图,懂得三相绕组空间对称的道理; 3、掌握相电势有效值的公式,知道其中各物理量的物理意义,了解消除、削弱电势高次谐波的方法; 4、掌握单相磁势和三相磁势的性质和特点; 5、知道时空相量图。 自学指导: 1、 同步发电机的发电原理: (1)基本组成:定子——定子铁心,定子绕组(又称电枢绕组,是交流绕组) 转子——转子铁心,转子绕组(又称励磁绕组,是直流绕组) (2)发电原理:转子绕组中通入直流励磁电流,产生恒定磁场; 原动机拖动转子旋转,形成机械旋转磁场; 定子绕组切割该磁场感应电势。 若定子三相绕组沿定子铁心内圆对称分布,则感应三相对称的电势; 感应电势的相序由转子转动方向和定子三相绕组沿定子铁心内圆分布决定; 感应电势的波形与磁场沿空间的分布的波形有关; 感应电势的大小——交流绕组的电势。 特点:感应电势的频率与转子磁场的极对数 p 和转速 n 有恒定关系,即 f ?

pn 。 60

2、 感应电动机的转动原理: (1)基本组成:定子——定子铁心,定子绕组(又称一次绕组,是交流绕组) 转子——转子铁心,转子绕组(又称二次绕组,是闭合绕组,也是交流绕组) (2)转动原理:当在感应电 动机三相对称的定子绕组上外加三相对称的电压时, 则在绕组中流过三相对称的电流,三相电流联合产生一个旋转磁场; 则自成闭合回路的转子绕组切割定子旋转磁场产生感应电势和感应电流; 该电流又在定子磁场中受力产生电磁力并形成电磁转矩, 则转子就转动起来了。 转子转动方向与旋转磁场旋转方向一致。 特点:转子绕组是闭合绕组,转子转速低于旋转磁场的转速。 3、交流绕组的构成原则——三相对称 电动势和磁动势最大 正弦波 (1)三相绕组对称,即每相绕组结构相同,阻抗相等,在空间相距 120°电角度,以获得对称的三相感应电动; (?)在导体数一定的情况下,力求产生较大的电动势和磁动势; (3)绕组的电动势和磁动势尽可能接近正弦波。 4、交流绕组的分类: 同心式 单层 交叉式 链式; 双层 迭绕组 波绕组 5、交流绕组的基本术语: (1)机械角度与电角度:机械角度——一圆周 360 度; 电角度——一对磁极占有的空间角度是 360 度电角度 关系: 电角度 = p * 机械角度 ( p 为极对数) (2)极距 ? :沿定子内圆每个磁极所占有的距离。

??

Z 2p

(Z 为定子总槽数)

(3)线圈与节距 y1: 线圈:由一匝或多匝导线串联而成,有两个引出线,一个称首端,一个为尾端。 节距 y1:线圈两个有效边沿定子内圆的距离。 分为:整距(y1 = 、短距(y1 < ? ) 、长距 t(y1 > ? ) ?)

(4)槽距角 ? :相邻两槽之间的电角度

??

p ? 360 ? ?? (电角度) Z

(5)每极每相槽数 q:每相绕组在每一磁极下所占有的槽数。

q?

Z 2 pm

分为:整数槽和分数槽 (6)相带和极相组(线圈组) :每一极下,每相绕组所占有的电角度(q ? =60°) ——60 度分相法 极相组:由每一极下属于同一相的 q 个线圈相串联构成。 (7)槽电势星形图:反映定子各槽内导体的感应电势相位关 系的矢量星形图。 (定子槽内导体感应电势在时间相位上互差α 电角度。 ) 6、交流绕组的相电势公式: E? 1 ? 4.44 fNk w1?1

k w1 ? k p1 k d 1

其中:N 为一相一条支路的串联匝数; k w1 为基波的绕组因数; ? 1 为基波的磁通;

k p1 为基波的节距因数, k p1 ? sin
7、谐波电势的削弱方法:

y1

?

90? ; k d 1 为基波的分布因数, k d 1

q? 2 。 ? ? q sin 2 sin

(1) 因感应电势的波形与磁场的分布有关,首先使磁场分布接近正弦波; (2)三相采用 Y 接,消除线电势中 3 次及其 倍数谐波; (3)采用短距,使谐波的节距因数接近于零; (4)采用分布,使谐波的分布因数减小。8、单相磁动势的性质和特点: f ? 1 ? 0.9

Nk w1 I ? cos? cos?t p

*性质:单相脉动磁势 *特点: (1)单相绕组中流过交流电流建立脉动磁势;它既是时间函数,又是空间函数;它在空间上按余弦规律分布,各点大小又 按余弦规律变化。 (2)单相脉动基波磁势最大幅值: F? 1 ? 0.9

Nk w1 I ? ;幅值位置在相绕组的轴线上;其脉动频率为电流 p

的频率。 (3)分布和短距对磁势幅值起削弱作用。由于各对极下磁势只作用在各自的磁路上,故每对极下某相线圈组的磁 势也就是相磁势。 9、三相合成磁势的性质和特点: 三相对称的电流流过三相对称的绕组所建立的合成磁势的基波是一个幅值不变的旋转磁势,其特点为: (1)三相基波合成磁动势的幅值等于单相基波磁动势最大幅值的 3/2 倍; (2)三相基波合成磁动势的幅值位置总是与电流达最大值的那一相绕组的轴线重合; (3)三相基波合成磁动势的转向取决于电流的相序,即总是从超前电流相转向滞后电流相; (4)三相基波合成磁动势的转速为同步转速: n s ?

60 f p

10、时空向量图:为了便于分析,将时间向量和空间向量画在同一向量图中。 当取时间向量的参考轴与空间向量的参考轴重合,若选在 A 相绕组的相轴上,则 A 相电流和三相合成磁势始终重合。 作业及思考题:教材 P129 4-8、4-13、4-17、4-19、4-20、4-21、4-27 和 4-29 第三部分 感应电动机 第一章 感应电机的结构和运行状态 本章是对感应电动机的初步认识。通过本章学习,首先要掌握感应电动机转差率的概念,并会计算转差率;其次要熟 悉感应电动机的结构部件和铭牌参数。 重点:感应电动机转差率的概念 难点:转差率计算 关键:明确额定转速和同步速接近 主要内容: 1、 感应电动机的结构; 2、 感应电动机的转差率和运行状态; 3、 感应电动机的铭牌; 4、 鼠笼式转子绕组的分析。 学习要求: 1、 熟悉感应电动机主要结构部件的名称、作用及材料; 2、 掌握感应电动机转差率的概念,并会计算; 3、 熟悉感应电动机额定值的含义和它们之间的关系; 4、 知道鼠笼式转子绕组的极数、相数、绕组匝数和绕组系数。 自学指导: 1、 转差率:同步转速与转子转速 n 之差与同步转速的比值,即 s ? 计算特点:感应电动机的运行转速与同步速很接近。 2、 运行状态与转速、转差率的取值: (1)电动状态:0<n<ns 1>s>0 (2)发电状态:ns<n 0> s (3)电磁制动状态:n<0 s>1 3、 鼠笼式转子绕组的极数与定子绕组相同;

ns ? n 。 ns

鼠笼式转子绕组的相数: m 2 ?

Z2 ; p
2

鼠笼式转子绕组的匝数: N 2 ? 1 ; 鼠笼式转子绕组的因数: k w2 ? 1 。 作业及思考题:教材 P177 5-1、5-2 第二章 三相感应电动机的基本原理 本章是感应电动机的重点内容。通过本章分析,将感应电动机这个具体实物抽象为模型。本章分析可运用变压器的理 论。通过本章学习,首先要掌握感应电动机运行时内部的电磁关系,定、转子间的磁势平衡关系,转子频率特点以及基本 方程式;其次要熟练掌握转矩特性、最大转矩及起动转矩的性质;最后能理解感应电动机工作特性。 重点:转矩特性 难点:频率折算 关键:运用“等效”的原则 主要内容: 1、空载运行时的磁动势和磁场; 2、负载运行时的磁动势和磁场; 3、三相感应电动机的电压方程和等效电路; 4、 感应电动机的功率方程和转矩方程;5、感应电动机的参数测定; 6、感应电动机的转矩—转差率曲线; 7、感应电动机的工作特性 学习要求: 1、 能对比变压器来分析感应电动机的电磁物理过程; 2、 掌握感应电动机负载运行时转子各物理量与转差率的关系; 3、 能理解定、转子磁势空间相对静止、彼此同步的道理; 4、 能画出感应电动机的等效电路,并说明各参数的名称、符号和物理意义; 5、 熟悉感应电动机的功率方程和转矩方程; 6、 熟练掌握感应电动机的电磁转矩的公式和转矩—转差率特性; 7、 了解感应电动机的工作特性。 自学指导: 1、 重要结论:无论转子实际转速为多少,转子磁动势和定子磁动势在空间始终保持相对静止。 2、 转子转动时,转子感应电势的频率为: f 2 ? sf 1 ;转子感应电势的的大小为: E2 S ? 4.44 f 2 N 2 k w2 ? m ? sE2 其中: E2 ? 4.44 f 1 N 2 k w2 ? m 转子绕组的漏抗为: X 2?s ? 2?f 2 L2? ? sX 2? 3、 等效电路:见教材 P142 图 5-18 等效电路参数的名称和物理意义:

其中: X 2? ? 2?f 1 L2?

R1 ——定子绕组的电阻; ? ——折算到定子侧转 R2

X 1? ——定子绕组的漏抗,三相定子电流联合产生的漏磁场在一相电路中引起的电抗;
子绕组的电阻;

?? ——折算到定子侧转子绕组的漏抗,转子多相电流联合产生的漏磁场在一相电路中引起的电抗; Rm ——激磁电 X2
阻,代表铁损的等效电阻; X m ——激磁电抗,与主磁通对应的电抗; 模拟轴上总的机械功率输出。 4、 电磁转矩公式: (1) Te ? CT ? m I 2 cos? 2 (2) Te ? 常用于定性分析,如启动转矩分析;

1? s ? ——折算定子侧转子侧的负载模拟电阻, R2 s

? /s m1 U 12 R2 2 ? / s) ? ( X 1? ? cX 2 ?? ) 2 ? s ( R1 ? cR2

常用于电磁转矩—转差率特性分析,见教材 P152 图 5-29

最大转矩:大小与电源电压的平方成正比,与转子电阻值无关;但临界转差率随转子电阻的增大而增大。转子电阻变 化时的电磁转矩—转差率特性曲线见教材 P153 图 5-30。 机械特性:见教材 P153 图 5-31 (3)

Te 2(1 ? s m ) ? s sm Tm ? ? 2s m sm s

电磁转矩的实用计算公式。

作业及思考题:教材 P177 5-3、5-4;P178 5-6、5-7、5-9、5-10、5-12、5-14(1) 、5-16、5-17、5-19 第三章 三相感应电动机的机械特性及运行状态(选学) 本章是感应电动机的重点内容。通过本章的学习,首先要掌握三相感应电动机机械特性的三种表达式;其次要掌握三 相感应电动机的固有和人为机械特性;最后要掌握三相感应电动机的各种运行状态 重点:机械特性的三种表达式 难点:三相感应电动机的各种运转状态 关键:机械特性的物理表达式 第四章 感应电动机的起动与调速 本章是三相感应电动机的重点内容。通过本章的学习,首先要掌握三相感应电动机的起动特点,了解三相感应电动机 常用的起动方法;其次要了解深槽式或双鼠笼式感应电动机的工作原理;最后要掌握三相感应电动机的各种调速方法的基 本原理、方法和特性。 重点:三相感应电动机的各种调速方法的基本原理 难点:变频调速 关键:三相感应电动机的各种调速方法的基本原理 实验三:三相感应电动机综合实验 主要内容: 1、 感应电动机的启动; 2、 深槽式或双鼠笼式感应电动机; 3、 感应电动机的调速 4、 单相感应电动机(选学) 学习要求: 1、 掌握三相感应电动机直接起动的特点; 2、 了解三相感应电动机常用的起动方法; 3、 了解深槽式或双鼠笼式感应电动机的工作原理; 4、 掌握三相感应电动机的各种调速方法的基本原理、方法和特性 自学指导: 1、 感应电动机直接起动的特点(启动电流大,启动转矩并不大)及原因分析。 2、 鼠笼式感应电动机的常用启动方法及特点。 3、 绕线式感应电动机的常用启动方法及优点。 4、 简述深槽式或双鼠笼式感应电动机的工作原理。 5、 三相感应电动机的调速方法及基本原理。 作业及思考题:教材 P179 5-22、5-23、5-24、5-25、5-26、5-27 第四部分 同步电机 第一章 同步电机的基本知识和结构 本章是对同步电机的初步认识。通过本章学习,首先要了解同步发电机和同步电动机的的基本结构和铭牌参数的定义 及相互关系。 主要内容: 1、同步发电机的分类和冷却方式; 2、同步发电机的结构; 3、同步电机的励磁方式; 4、同步发电机的铭牌。 学习要求: 1、知道同步电机的两大分类和常用的冷却方式; 2、熟悉同步电机主要结构部件的名称、作用及材料; 3、了解同步电机的几种励磁方式; 4、掌握额定值的含义和它们之间的关系。

作业及思考题:教材 P230 6-1、6-2 第二章 同步电机的基本原理 本章是同步电机的重点内容。通过本章分析,将同步电机这个具体实物抽象为模型,并且对其运行特性进行了分析。 通过本章学习,首先要掌握电枢反应的概念和不同? 0 角时电枢反应的性质、作用和对电机的影响;其次要熟练掌握同步电 机对称稳态运行时的基本方程、等效电路和相量图;最后要掌握同步发电机的运行特性的定义和曲线,并能解释曲线形状。 重点:电枢反应、各电磁量的关系、各电抗参数、方程式、相量图及等效电路 难点:电枢反应 关键:明确时空相量图的关系 主要内容: 1、同步发电机空载运行时的磁场; 2、同步发电机负载运行时的电枢反应; 3、隐机同步发电机的电压方程、向量图和等效电路; 4、凸机同步发电机的电压方程和向量图; 5、 同步发电机的功率方程和转矩方程;6、同步电机的参数测定; 7、同步电机的运行特性。 学习要求: 1、 知道同步发电机空载运行时的磁场分布; 2、 掌握电枢反应的概念和不同? 0 角时电枢反应的性质、作用和对电机的影响; 3、 熟练掌握同步电机对称稳态运行时的基本方程、等效电路和相量图; 4、 掌握同步发电机的运行特性的定义和曲线,并能解释曲线形状。 自学指导: 1、 空载运行: 原动机拖动转子以同步速旋转,转子通入直流励磁,电枢绕组开路的状态,称为同步发电机的空载运行。 此时,气隙磁场只有转子直流励磁磁动势产生的机械旋转磁场——主磁场 主磁场产生的磁通分为:主磁通 ? 0 ——穿过气隙,同时匝链定、转子绕组 漏磁通 ? f? ——只匝链转子(励磁)绕组 2、对称负载运行: 对称负载运行时,定子三相对称绕组(电枢绕组)流过三相对称电流产生旋转磁动势(电枢磁动势)——交流绕组的 磁动势;电枢磁动势的基波与转子励磁磁动势同转向、同转速旋转,则气隙磁场由电枢磁动势和励磁磁动势共同产生。 电枢反应:对称负载运行时,电枢磁动势的基波在气隙中所产生的磁场就称为电枢反应。 电枢反应的性质:取决于电枢磁动势和主磁场在空间的相对位置。

如何研究?
主磁场(以同步速旋转) 电枢磁动势(以同步速旋转) 空间相对静止——取任一瞬间:A 相感应电势为最大值时

影响因数:
电枢磁动势的空间位置与电枢电流有关——交流绕组的磁动势 主磁场的空间位置与激磁电动势有关——交流绕组的电动势

? 与电枢电流 I? 的时间夹角有关 即电枢磁动势和主磁场的空间相对位置与激磁电动势 E 0 ? 与电枢电流 I? 的夹角称为内功率因数角? (与功率因数角?不同) 定义:激磁电动势 E 0 0
(1)? 0 =0 时的电枢反应

分析步骤: (a)假定正方向:激磁电动势与电流——尾进首出为正;
磁动势——与电流符合右手螺旋定则; 相绕组轴线正方向——与正向电流符合右手螺旋定则; (b)转子参考轴正方向:

直轴(d 轴)——两相邻主磁极轴线的连线,N 极磁力线穿出的方向; 交轴(q 轴)——两相邻主磁极轴线连线的中线,逆转子转向转过 90;

(c)选时刻:A 相感应电势为正最大值瞬间——确定转子位置; (d)确定转子旋转方向:根据定子绕组空间位置确定转子旋转方向——感应正序电动势; (e)确定转子磁极极性:根据右手螺旋定则确定转子磁极极性——即确定励磁磁动势的方向; (f)确定电枢电流方向:根据? 0 确定电枢电流方向; (g)确定电枢磁动势方向:根据电枢电流方向确定电枢磁动势方向。 见教材 188 页图 6-14

结论:
电枢反应的性质——交轴电枢反应(电枢磁动势为交轴磁动势) 电枢反应的作用——使气隙磁场发生偏移 电枢反应对同步发电机运行的影响:有功分量电流产生的交轴电枢磁动势与励磁电流相互作用产生制动性质的电磁转 矩,影响同步发电机的有功功率转换。 (见图 12-11)

(2)? 0 = 90?时的电枢反应: 分析步骤同上

结论:
电枢反应的性质——直轴去磁电枢反应(电枢磁动势为直轴磁动势) 电枢反应的作用——使气隙合成磁场被削弱 电枢反应对同步发电机运行的影响:不影响同步发电机的有功功率转换;但由于气隙合成磁场被削弱。使同步发电机 的端电压下降。 (见图 12-12) (感性无功分量电流产生的直轴电枢磁动势与励磁电流相互作用产生电磁力,不产生电磁转矩)
(3)? 0 = —90?时的电枢反应: 分析步骤同上

结论:
电枢反应的性质——直轴助磁的电枢反应(电枢磁动势为直轴磁动势) 电枢反应的作用——使气隙合成磁场被增强 电枢反应对同步发电机运行的影响:不影响同步发电机的有功功率转换;但由于气隙合成磁场被增强。使同步发电机 的端电压上升。 (见图 12-13) (容性无功分量电流产生的直轴电枢磁动势与励磁电流相互作用产生电磁力,不产生电磁转矩)
(4)0?? 0 < 90?时的电枢反应:见教材 189 页图 6-15 此时,电枢磁动势 Fa 可分解为: 直轴电枢磁动势(Fad = Fa sin? 0 )其性质为直轴去磁电枢反应; 作用为削弱气隙合成磁场。 交轴电枢磁动势(Faq= Fa cos? 0 )其性质为交轴电枢反应; 作用为使气隙磁场发生偏移。 同理,电枢电流也可分解为: 直轴电枢电流 IAd、IBd、ICd 联合产生直轴电枢磁动势 Fad

? 产生交轴电枢磁动势 Faq 交轴电枢电流 IAq、IBq、 ICq 联合 ? 0
3、隐极同步发电机的方程式、等效电路和相量图 (1)不考虑饱和的分析——由于认为磁路线性,可应用叠加原理

电磁物理过程:
漏磁通 ? f?

? ? ?感应激磁电动势 E 励磁电流 If ?建立励磁磁动势 Ff ?产生主磁通 ? 0 0 ? ? a ?感应电枢反应电动势 E ? ?建立电枢磁动势 Fa ?产生电枢反应磁通 ? 电枢电流 I a ? (=-j I? x ) ? ?感应漏电动势 E ? 还产生漏磁通 ? 电枢电流 I ? ? ?
? 还在电枢绕组电阻 R 上产生压降 I ? R 电枢电流 I a a

? 发电机端电压 U
其中:励磁磁动势 Ff 和电枢磁动势 Fa 合成气隙磁动势 F

? ? 和电枢反应磁通 ? ? a 合成气隙磁通 ? 主磁通 ? 0

? ? 和电枢反应电动势 E ? 合成气隙电势 E 激磁电动势 E 0 a
? 可用漏电抗压降的形式取代即 E ? =-j I? x ; x 称为电枢绕组漏抗(其物理意义见异步电动机的定子绕 漏电动势 E ? ? ? ?
组的漏抗)

方程式、等效电路和相量图
方程式

?; ? — I? R = U ? +E ? +E 由电磁物理过程分析可得: E a 0 a ? ? ? =-j I? x 代入整理得: E ? +E ? — I? ( R + j x )= U 将E ? a ? ? 0 a

? (若不计定子铁耗)也可用电抗压降的形式取代,即 E ? =- j I? x ; 又电枢反应电动势 E a a a
xa 称为电枢反应电抗,与电枢反应磁通相对应,则
? + I? R + j I? x + j I? x = U ? + I? R + j I? x ? =U E a ? a a s 0
其中 xs = x? + xa , 称为同步电抗; 它是同步电机在对称稳态运行时电枢漏磁场和电枢反应磁场对电路作用的一个综合参数。 (参数的标幺值 Ra * = 0.00234、 x? * = 0.167、 xs * = 1.72 ~ 2.4) 等效电路和相量图:见教材 190 页图 6-17 (2)考虑饱和的分析——特点:由于磁路非线性,不能采用叠加原理

电磁物理过程:
漏磁通 ? f? 励磁电流 If ?建立励磁磁动势 Ff

? ?感应气隙电势 E ? 合成气隙磁动势 F?产生气隙磁通 ?
? ?建立电枢磁动势 F/a 电枢电流 I

? (=-j I? x ) ? ?感应漏电动势 E ? 还产生漏磁通 ? 电枢电流 I ? ? ?
? 还在电枢绕组电阻 R 上产生压降 I ? R 电枢电流 I a a

? 发电机端电压 U
其中:F/a = Ka Fa 因 Ff 波形为非正弦波,如对隐极机为阶梯波,而 Fa 是正弦波,因此,Ff 和 Fa 叠加时,需先将 Fa 换算为 等效阶梯波 F/a,再叠加。

方程式、等效电路和相量图
方程式

? ? — I? R = U ? +E 由电磁物理过程分析可得: E a ? ? 或 ? =-j I? x 代入整理得: E ? — I? ( Ra + j x? )= U 将E ? ? ? + I? ( R + j x ) ? =U E a ?

等效电路和相量图:见教材 191 页图 6-18 4、凸极发电机的方程式和相量图 (1)双反应理论:考虑到凸极机气隙不均匀,把电枢反应分解为直轴电枢反应和交轴电枢反应分别研究再叠加的方法。 (2)不考虑饱和的分析

电磁物理过程:

? f? ? ? ?感应激磁电动势 E If ?建立 Ff ?产生 ? 0 0 ? ? ad ?感应直轴电枢电动势 E 直轴磁动势 Fad?产生直轴电枢磁通 ? ad
? ?建立 Fa 分解为 I

? ? aq ?感应交轴电枢电动势 E 交轴磁动势 Faq?产生交轴电枢磁通 ? aq
? (=-j I? x ) ? ?感应漏电动势 E ? 还产生漏磁通 ? 电枢电流 I ? ? ?
? 还在电枢绕组电阻 R 上产生压降 I ? R 电枢电流 I a a

? 发电机端电压 U

? 和交轴电枢电动势 E ? 合成气隙电势 E ? ? 与直轴电枢电动势 E 其中:激磁电动势 E 0 ad aq
方程式、等效电路和相量图
方程式

? ? +E ? — I? ( Ra + j x? )= U ? +E 由电磁物理过程分析可得: E 0 ad aq

? 和E ? (若不计定子铁耗)分别可用直、交轴电枢电流 I ? 和I ? 在相应电抗上的压 与隐极机类似,直、交轴电枢电动势 E ad d aq q ? =- j I ? =- j I ? x 和E ? x ; xad 称为直轴电枢反应电抗,与直轴电枢磁通 ? ? ad 相对应; xaq 称为交轴 降形式取代,即 E ad ad d aq q aq ? 代入,则 ? +I ? aq 相对应。再将 I? = I 电枢反应电抗,与交轴电枢磁通 ? d q
? + I? R + j I? x + j I ? + I? R + j I ? =U ? x + jI ? x + jI ? x =U ? x E a ? ad a d 0 d d q aq q q
其中 xd = x? + xad , 称为直轴同步电抗, 它是同步电机在对称稳态运行时电枢漏磁场和直轴电枢反应磁场对电路作用的一个 综合参数; xq = x? + xaq ,称为交轴同步电抗,它是同步电机在对称稳态运行时电枢漏磁场和交轴电枢反应磁场对电路作用 的一个综合参数 相量图:

? 和I ? ,即要确定内功率因数角? 0 。因此,引入虚 ? 分解为直、交轴分量 I 要画凸极机的相量图,首先要将电枢电流 I d q ? — jI ? (x —x ) ? =E 拟电动势 E d q ,可得: 0 d Q
? + I? R + j I? x ? =U E a q Q

? 同相位,即确定内功率因数角? ,见教材 194 页图 6-22。相量图见教材 194 页图 6-21。 ? 与E E 0 0 Q

(3)直轴、交轴同步电抗的意义:见教材 195 页图 6-24 5、同步发电机的运行特性 同步发电机对称稳态运行时,保持转速为额定转速,端电压、电枢电流和励磁电流的变化关系。 (1)空载特性 定义:电枢绕组开路(空载) ,保持转子转速为额定转速,电枢端电压 U0(空载时即激磁电动势 E0)随励磁电流 If 的 变化曲线。E0 = f(If) 空载特性曲线:见教材 186 页图 6-13 原因分析:交流绕组电动势公式 作用:判断同步发电机定子铁心的性能与故障。 (2)短路特性 定义:电枢绕组三相短接(短路,端电压 U=0) ,保持转子转速为额定转速,电枢电流 I 随励磁电流 If 的变化曲线。I = f(If) 短路特性曲线:见教材 197 页图 6-26

? + I? R + j I ? , ? =U ? x + ? ≈0,I? ≈ I 原因分析: 忽略电枢绕组的电阻 Ra , 可认为短路电流为纯感性, 即? 0 ≈0, E I a d d 则: 0 d q

? x ≈j I? xd ,即 E0 ∝I;此时,电枢反应的性质为直轴去磁的电枢反应,使气隙磁场不饱和,即 E0 ∝ ? 0 ∝If 。所以, jI q q
I ∝If 。

作用:配合空载特性求 xd
见教材 198 页图 6-28。求 xd 不饱和值, xd (未)=

E0 I

见教材 198 页图 6-29 求 xd 的饱和值, xd (饱和)≈

U N? I?

(3)外特性及电压变化率: 定义:保持转子转速为额定转速,且励磁电流 If 和负载功率因数 cos?不变,发电机端电压 U 随负载电流 I 的变化曲线, 即 U = f(I) 。 外特性曲线:见教材 202 页图 6-34。负载功率因数不同,外特性曲线不同 原因分析:感性负载(cos? =0.8 滞后)和纯电阻负载时,外特性曲线是下降的。这是由于电枢反应去磁作用和漏阻抗 压降所引起的。容性负载(cos? =0.8 超前)时,外特性曲线可能上升。这是由于电枢反应助磁作用抵消漏阻抗压降使端电 压下降的影响使端电压上升。 电压调整率:调节发电机的励磁电流,使电枢电流为额定电流、功率因数为额定功率因数,端电压为额定电压,此时 的励磁电流为额定励磁电流 IfN。保持励磁电流为 IfN,转子转速为额定转速,卸去负载(即 I=0) ,此时端电压的升高的百分 值即为电压调整率,用Δ u 表示,即(见教材 202 页图 6-35) : Δ u=

E0 ? U N? U N?

? 100%

同步电机的电压调整率较大,汽轮发电机通常在(30~48)%,水轮发电机通常在(18~30)%;而变压器的仅有(5~8)%。 (4)调整特性: 定义:保持转子转速为额定转速,发电机端电压为额定电压和负载功率因数 cos?不变,励磁电流 If 随负载电流 I 的变 化曲线,即 If = f(I) 。 调整特性曲线:见教材 203 页图 6-36。负载功率因数不同,调整特性曲线不同 原因分析:感性负载(cos? =0.8 滞后)和纯电阻负载时,为补偿电枢电流所产生的电枢反应去磁作用和漏阻抗压降所 引起的端电压下降,随电枢电流增大,励磁电流增大,则调整特性上升的。同理,容性负载(cos? =0.8 超前)时,调整特 性有可能下降。 作业及思考题:教材 P230 6-4、6-5、6-6、6-7、6-9 第三章 同步发电机的并联运行 本章是同步发电机的重点内容。通过本章的学习,首先要掌握同步发电机准同期并列的条件,熟悉不满足某一条件并 列时产生的后果;其次要熟练掌握隐极机的功角特性和有功功率调节的理论和方法,掌握无功功率的调节方法和 U 形曲线 的分析方法;最后要了解同步电动机的启动方法和功率因数提高。 重点:并联运行的条件和有功、无功功率的调节 难点:功角的双重物理意义和功率调节分析 关键:明确时空相量图的关系 主要内容:

1、 同步发电机与电网的并联运行; 2、同步电动机和同步补偿机。 学习要求: 1、 掌握同步发电机准同期并列的条件,熟悉不满足某一条件并列时产生的后果; 2、 熟练掌握隐极机的功角特性和有功功率调节的理论和方法; 3、 掌握无功功率的调节方法和 U 形曲线的分析方法; 4、了解同步电动机的启动方法和功率因数提高。 自学指导: 1、并网的条件和方法 定义:无穷大电网——电网的电压和频率保持不变,电网的综合阻抗等零。

方法:准同期并列法和自同期并列法
(1)准同期并列法——先激磁,后并网(正常并网采用) 条件:待并发电机的电压与电网电压大小相等、相位相同; 待并发电机的频率与电网频率相等; 待并发电机的电压与电网电压相序相同。 不满足条件的后果——以隐极机为例分析 电压大小不等:会产生冲击电流和冲击电磁力 电压相位不同:会产生冲击电流、冲击电磁力和冲击电磁转矩

频率不等:若频差太大,会产生拍振电压、拍振电流、拍振电磁力和拍振电磁转矩,引起电机振动,但“微小频差有

自整步作用”
相序不同:永远不能拉入同步,且冲击电流很大。 “不允许” 并列方法:同期表法——自动准同期并列装置
灯光法——实验室 同期表法:电压表——调励磁电流 频率表——调转速 同期表——相位与同期点

灯光法: 暗灯法:对应相相接,见教材 207 页图 6-41。 现象:灯不灭——表示有压差
灯明暗变化快——表示频差大 灯光旋转——表示相序接错 全暗时合闸 旋转灯光法:B、C 相对调,见教材 207 页图 6-42。 现象:灯不灭——表示有压差 灯旋转快——表示频差大 灯光不旋转——表示相序接错 A相灯暗时合闸 实验室采用的方法——同期表盘 (2)自同期并网法——先并网,后激磁(事故采用) 并网前励磁回路的状态:必须串灭磁电阻—见教材 207 页图 6-43。 条件:冲击电流小于允许值 冲击电流引起的压降及电压恢复时间在允许范围之内 一般水电厂采用 2、功角特性: (1)定义:在激磁电动势 E0 和端电压 U 保持不变时,电磁功率与功率角δ 之间的关系 Pe=f(δ )。 (2)功角特性: 忽略电阻,则 Pe≈mUIcos? 根据相量图见教材 208 页图 6-44,知?=?-δ ,代入上式,可得 Pe = m

E0U U2 1 1 ( ? sin ? + m ) sin 2? 2 Xq Xd Xd E0U sin ? 称为基本电磁功率; Xd

式中,第一项 Pe1= m

第二项 Pe2= m

U2 1 1 ( ? ) sin 2? 称为附加电磁功率。附加电磁功率与励磁(或 E0)无关,仅当 X d ? X q (即 2 Xq Xd

交、直轴磁阻互不相等)时存在,故又称为磁阻功率。 凸极同步电机的功角特性见教材 209 页图 6-45。由图可知,0°≤δ ≤180°时,电磁功率为正值,对应于发电机状态; -180°≤δ ≤0°时,电磁功率为负值,对应于电动机状态。 对于隐极机,由于 X d ? X q ? X s ,则附加电磁功率为零,故 Pe 就等于电磁功率,即 Pe = m

E0U sin ? Xd

对于凸极机,电磁功率 Pe 也可写成 Pe= mEQ I q ? m

EQU Xq

sin ?

? 之间的夹角;空间上是转子磁极轴线与定子等 ? 与U (3)功率角(?,简称功角)的双重物理意义:时间上是时间相量 E 0
效磁极轴线的空间夹角。见教材 210 页图 6-47。 定子等效磁极:产生主磁通、电枢反应磁通和漏磁通的磁极。
3、有功功率的调节及静稳定的概念 (1)有功功率的调节

如何调节?
——根据能量守恒的原则,要调节发电机输出的有功功率,必须调节发电机输入的有功功率。

调节过程:
——若增大发电机输入的有功功率,即需增大原动机的驱动转矩,使转子加速,功角?增大,由功角特性知,电 磁功率增大,即输出的有功功率增大,制动转矩增大,转矩重新达到平衡。

调节后,各物理量的变化(以隐极机为例,不调励磁,忽略电枢电阻和磁路饱和的影响) :
4 、静稳定的概念( Pe— ? 曲线的运行稳定区) (1)定义:并网运行的同 步发电机,当外界发生微 小扰动,在扰动消失后, 发电机能否会到原来的工 作状态;若能,就是静态 稳定的。 ( 2 )分析过程:见教材 212 页和图 6-50。 (3)稳定判据:整步功率 系数 5、无功功率的调节 (1)无功功率的概念: 在交流电的发、输、用过程中, 问题: 用于转换成非电磁形式的能量—有功: (1)交流电的有功功率如何表示?—平均功率 (2)电网中有功电源?—发电机 (3)电网中有功负荷?—电阻 用于电路内电磁场间交换的能量—无功: (1)交流电的无功功率如何表示?—最大瞬时值 (2)电网中无功电源?——电容 (3)电网中无功负荷?——电感 (2)无功功率的调节:

dPe > 0。 d?

如何调节?——调励磁 调节过程:
——根据能量守恒的原则,调无功,调励磁,有功功率不变,即

Pe = m

E0U sin ? =常数 Xd

Pe= m UI cos? =常数 由于电网电压 U 和发电机的同步电抗 Xs 不变,所以上式可写为

E 0 sin ? =常数
见教材 213 页和图 6-51。



I cos? =常数

调节后,各物理量的变化(以隐极机为例,忽略电枢电阻和磁路饱和的影响) : 相量图分析

? ) 正常励磁( E ; 0 :只输出有功功率,cos ?=1,电枢电流最小(只有有功分量) ?? ) “过励” (增大励磁 E 0 : 输出有功功率同时输出无功功率,cos ?滞后,电枢电流增大; ? ?? ) “欠励” (减少励磁 E 0 : 输出有功功率同时吸收无功功率,cos ?超前,电枢电流增大;
6、问题: (1)调无功时,有功变不变?——不变

调无功——调励磁电流——功角变化,但有功不变 而功率极限变(E0 变)——静稳定程度变 (2)调有功时,无功变不变?——变 调有功(若增大)—调原动机输入(增大)—功角变化(增大)—有功变化(增大) 、无功也相应的变化(减小) (3)结论: 电网电压由电网无功功率平衡决定——调励磁 电网频率由电网有功功率平衡决定——调原动机
7、同步电动机和同步调相机 (1)同步电动机的电压方程和相量图

采用发电机惯例的相量图(隐极机)见教材 214 页和图 6-52。
(2)采用电动机惯例的方程式和相量图 隐极机见教材 214 页和图 6-53;凸极机见教材 215 页和图 6-54。 (3)同步电动机的运行特性

工作特性: 定义:指定子电压为额定电压,励磁电流为额定电流时,电磁转矩、电枢电流、效率、功率因数与输出功率之间的关
系,即 Te 、 I M 、 ? 、 cos? M = f ( P2 ) 。

曲线:见教材 216 页图 6-55。 原因:见教材 215——216 页 V 形曲线: 定义:指定子电压为额定电压,保持电磁功率不变,电枢电流与励磁电流的关系,即 I M = f ( I f ) 。 曲线:见教材 217 页和图 6-58。 原因:见教材 217 页和图 6-57。
(4)同步电动机的启动: 异步启动法:见教材 219 页和图 6-59。 其它启动方法:见教材 220 页 (5)调相机: 工作原理:见教材 220 页和图 6-62。 额定容量和结构特点:见教材 221 页 作业及思考题:教材 P231 6-16、6-17、6-20、6-21、6-22、6-23、6-25、6-27、6-29、6-30


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