电机基本知识要点(下册11版)

第四部分 同步电机

一、同步电机的结构（要掌握主要部件的组成、作用、要求）

1．定子（又称电枢——机电能量转换的枢纽）

定子铁心：与异步电动机类似，是用0.5mm厚的硅钢片叠压而成的圆筒状物体，其内表均匀的开有槽。作用是导磁。

电枢绕组：三相（3个）、对称（结构完全相同、位置在空间彼此相距120电角度）绕组，接成“Y”形。作用有流通电流、产生磁场和电磁力（矩）、感应电动势，最终实现能量转换。

机座：电机的外壳，用钢板焊接成，作用是固定、支撑，要求隔振。

冷却方式的命名方法：冷却介质（空气、氢气、水）+介质与发热体（绕组和铁心）的接触方式（一是直接接触——内冷；二是隔着绝缘——外冷）

2．转子

主磁极：一是隐极式，励磁绕组分布在实心的磁极（即转子）铁心外表的对称槽（对称的各约三分之一圆周开槽，中间有2个大齿）中，励磁绕组用滑环与电刷通入直流电流，产生恒定的正弦分布的主磁场，一般只有2个磁极（1对极）。二是凸极式，磁极铁心用形状象靴子的1~3mm的厚钢板叠压成型，励磁绕组（通直流电）是集中绕组，它套置在磁极铁心柱上，整个磁极固定转子磁轭上，通常磁极数在8极及以上，要求各励磁绕组必须串联并且相邻磁极的极性（磁极极性由励磁电流方向决定）相反。两者相比，凸极式造价较低、转速（nn160f）也低、直径p大，隐极式需要高速原动机——汽轮机，凸极式需要低速原动机——水轮机。

轴系：轴（整体车削）+轴承（滑动轴承：有轴承座和冷却系统） 3．同步电机分类

按磁极形式分类：隐极式、凸极式

二、发电原理（要掌握发电原理、空载电动势）——此处主要为并网问题服务

1．发电原理

主磁极励磁（励磁绕组通入直流电）后，在原动机的驱动下，转子磁场切割定子对称三相绕组，从而产生对称的三相空载电动势e0。（说明：有电动势就具备了输出电能的本领，简称发电）

2．空载电动势（三相、4要素） 大小：E04.44fKW1N10 频率：fpn 60相位：与时间即转子位置（空间，表明电机中时-空统一）有关，不确定因素。 相序：由转向决定，与主磁极极性无关。（三相特有） 三、同步发电机的额定值及其相互关系（计算的基础）

1．额定值

主要有：额定功率P N或额定容量SN；额定电压UN；额定电流IN；额定功率因数cosN 还包括：额定转速nN、额定效率N等

2．相互关系：SN3UNIN，P NSNcosN3UNINcosN

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四、电枢反应

1．电枢反应的概念：主磁极的机械旋转磁场（因机械运动而旋转）Ff与电枢绕组的电气旋转磁场（交流电的电气运动——时变）Fa相互作用，而使气隙合成磁场Fδ发生变化的过程。

2．电枢反应的种类及其特点

⑴0的电枢反应——交轴电枢反应（Fa在交轴上）特点是：主极磁场Ff与气隙合成磁场Fδ不重合，电机有有功功率输出。

q轴A轴A轴q轴jFδYCFad轴ANSFδE0AIAFad轴Ff1ZB轴XFf1nBC轴B轴E0CICIBE0BC轴(a)空间图(b)时空相量图

图1 0时的电枢反应

⑵90的电枢反应——直轴去磁电枢反应（Fa在直轴负向），特点是：主极磁场Ff与气隙合成磁场Fδ重合，电机仅输出感性无功功率。

q轴A轴A轴q轴jYCE0AICFad轴FδAFf1NFaFaSXd轴FδFaFf1IAZB轴nBC轴B轴E0CIB(b)时空相量图E0BC轴(a)空间图

图2 90时的电枢反应

⑶90的电枢反应——直轴增磁电枢反应（Fa在直轴正向），特点是：主极磁场Ff与气隙合成磁场Fδ重合，电机仅输出容性无功功率，即吸收感性无功功率。

⑷090的电枢反应——既有直轴去磁电枢反应，又有交轴电枢反应 3．时-空相量图的画法

第一步：画出转子d轴，然后按照相对位置关系画出绕组轴线（A、B、C轴）； 第二步：选择某相绕组轴线（A、B、C轴中的一个）为时间轴j；

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0（它代表时轴所在的一相，f——主磁极磁通或空载磁通）轴后90画出E第三步：在d（0A）0后画出I（它与E0属于同一相）如选择A轴为时间轴，则就指E；在E；在I的方向上画

出电枢磁动势Fa，即Ff超前Fa(90)角度；

第四步：将Fa与Ff合成得到气隙合成磁动势Fδ。完成了相量图。

q轴A轴A轴q轴jYCE0AIBFad轴Ff1AFaNFaSXFf1d轴FδFδFaIAZB轴nBC轴B轴E0CICE0BC轴(a)空间图

图3 90时的电枢反应

(b)时空相量图

q轴A轴A轴q轴jYCE0AIqFδIAFaqd轴AFf1ZB轴NSd轴XICFf1ΨΨFaFadΨIdnBC轴B轴E0CIB(b)时空相量图E0BC轴(a)空间图

图4 090时的电枢反应

五、隐极发电机的电压方程与相量图

1．电压方程

不考虑磁路饱和影响，并忽略电枢绕组的电阻ra即ra0，此时隐极发电机的电压方程为：

0UjIxt E0——空载电动势，也称励磁电动势；U——电机端电压；I——电机电流，或称电枢电式中 E流；xtxxa——同步电抗。其中x为电枢绕组漏抗，它对应于电枢绕组的漏磁通；xa为电枢反应电抗，它对应于电枢反应磁通a。

2．相量图

已知条件：电压U和电流I的大小、功率因数cos、同步电抗xt ⑴画法

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为参考相量，画出U、I，两者相位差为功率因数角； 第一步：以U0UjIxt，画出E0，完成相量图。 第二步：根据电压方程EE0cosUIxtsin0EEUsinU0coscosIUE0sinIxtcos 图5 隐极同步发电机相量图

⑵相量图中的几何关系（由相量图找出）：

UsinIxttan.........................................(1)Ucos........................................................(2)E0cosUcos............................................(3). E0sinIxtcos...........................................(4)E0cosUIxtsin......................................(5)EcosU.........................................(6)tan0E0sin上述相量图与几何关系中：

0与I的相位差； ——内功率因数角。它指各相E与I的相位差； ——（外）功率因数角。它指各相U0与U的相位差； 。它指各相E——功率角（简称功角）

⑶几何关系的应用：要求对每一种状态分别进行计算（一状态一算），其步骤如下： 第一步：找条件。在U、I、E0、xt、、、这7个物理量中，需要知道其中的4个才能进行计算，但是U、xt在各状态下保持不变。因此，第一种状态下给出4个已知条件，第二种及以后状态下通常只给出两个条件。在找条件过程中需要用到以下换算关系式，即

1．UUNUB（电压基准值）或U*1 条件1（不变条件，即在各状态下不变） 3xt*22UNUNZB，阻抗基准值ZBcosN 条件2（不变条件）

SNP N2．xt3．额定值相互关系：SN3UNIN，P NSNcosN3UNINcosN

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jIxt电机基本知识

4．有功功率：PmE*U*E0UsinmUIcos 或P*0*sinU*I*cos xtxt**5．无功功率：QmU(E0cosU)mUIsin或Q*U*(E0cosU*)U*I*sin

xtxt6．视在功率：SmUIP2Q2mUxt或：S*U*I*I*U*xt*2E02E0UcosU2

*2**2*E02E*1E*20UcosU02E0cos1 *xt注意：用标幺值计算时，三相计算的表达式与单相相同，并且U*1。因此，计算量相对减小，工程计算通常都采用标幺值计算，建议大家最好采用标幺值计算。

第二步：计算过程。从以上6个式子中，找出仅含一个未知量的式子开始计算，然后就能很方便地求出其它需要求解的量。 六、凸极发电机的电压方程与相量图

1．电压方程

不考虑磁路饱和影响，并忽略电枢绕组的电阻ra即ra0，此时凸极发电机的电压方程为：

0UjIdxdjIqxq E式中

IdIq。 d是电枢电流I的直轴分量，Iq是I的交轴分量，即IIxdxxad——直轴同步电抗； xqxxaq——交轴同步电抗。

其中，x为电枢绕组漏抗，它对应于绕组的漏磁通；xad为直轴电枢反应电抗，它对应于直轴电枢反应磁通ad，xaq为交轴电枢反应电抗，它对应于交轴电枢反应磁通aq。

说明：变压器和异步电动机的xm（对应于主磁通m），同步电机的xa（隐极机）、xad和xaq（凸极机）对应的都是交变主磁场，性质相当。

2．相量图

已知条件：电压U和电流I的大小、功率因数cos、同步电抗xd、xq

dxdjIUcos0EIUsinUIdcosIqUqxqjIjIxq

图6 凸极同步发电机相量图

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⑴ 画法

为参考相量，画出U、I，两者相位差为功率因数角； 第一步：以UQUjIxq得到E0的方向，即q轴的方向； 第二步：画出Ed和Iq； 第三步：将I分解成I0UjIdxdjIqxq，画出E0，完成相量图，如下图。 第四步：根据电压方程E⑵ 相量图中的几何关系（由相量图找出）：

UsinIxqtan..............................(1)Ucos.............................................(2)IdIsin...........................................(3) IqIcos...........................................(4)UsinIqxq.......................................(5)E0UcosIdxd................................(6)⑶ 几何关系的应用：方法与隐极机相同，即

第一步：找条件。在U、I、E0、xd、xq、、、这8个物理量中，需要知道其中的5个才能进行计算，但是U、xd、xq在各状态下保持不变，因此，第一种状态下给出5个已知条件，故第二种及以后各状态下通常只给出2个条件。

第二步：计算过程。从以上6个式子中，找出仅含一个未知量的式子开始计算，然后就能很方便地求出其它需要求解的量。 七、特性曲线

1．空载特性U0E04.44fN1KW10f(If)|nC,I0

特性的：含义（见表达式）；受哪些因素影响（电机结构，即p、KW1；转速n）；特点（剩磁、饱和现象、磁滞现象）、形状

2．短路特性IKf(If)|nC,U0

⑴特性的：含义（见表达式）；受哪些因素影响（电机结构）；特点、形状（直线） ⑵短路时的电枢反应情况——直轴去磁电枢反应 E0Id，即90 因为，Ijxd3．短路比KC ⑴ 定义式：KCIf0IK0；计算式：KCKμ1。式中各符号含义：If0——空载有额定*IfKINxd电压时的励磁电流；IfK——短路有额定电流时的励磁电流；IK0——空载有额定电压时的励磁电流If0下的短路电流；KμE0IfIf0——励磁电流为If0时的饱和系数 U⑵ KC大小对电机性能的影响：KC大，则xd小，气隙大，电机成本高（励磁磁动势大，磁极体积增大，进而电机体积增大，造价提高）、静态稳定性好、电压变化率小、短路电流大。

⑶ 隐极机与凸极机短路比大小关系：隐极机KC(0.45,0.8)，凸极机KC(0.8,1.3) ⑷ 利用短路比求不饱和同步电抗xd：从空载特性曲线U0f(If)上首先找出U0UN时的励

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磁电流IfIf0；再找出气隙线[空载特性不饱和段的直线，实际空载特性按表格给出，直线方程可根据第一点坐标（If1，U01）写出，即气隙线方程为E0应于If0的气隙线电动势E0U01If，为过原点的直线]，求出对If1EU01If0，进而得到饱和系数Kμ0IfIf0。从短路特性

UIf1If0。最后可求出不饱和同IfKIKf(If)上找出IKIN的励磁电流IfIfK，进而求出短路比KC步电抗的标幺值

*xd2UN1**，将xd乘以阻抗基准值ZB即得不饱和同步电抗xdxdZB。 KμSNKC4．外特性Uf(I)nnN,If常数,cos常数

0UjIxtIZL+jIxtI[zLcosj(zLsinxt)]，可见内功设负载阻抗ZL=zL，E率因数角tan1zLsinxt，同时输出电压UIzLzLcosE0zL2zL2zLxtsinUxt2，可见：

（1）对纯电阻负载和感性负载，0，故0，电枢反应(rajxσ)二者都随负载电流I都有去磁作用，它与电枢漏阻抗压降Icos0.8超前U0增大而增大，因此外特性都是下降曲线，见右图。

（2）对容性负载，0，因此当负载较轻时（zL较大），会出现zLsinxt0，此时0，电枢反应有助磁作用，使气隙合成磁场增强，同时容性电流的漏抗压降Ixσ有使电压增高作用，结果使发电机端电压U随负载电流增大而升高；当负载较重时，则zLsinxt0，此时0，电枢反应有去磁作用，电压又会随

coscos10.8滞后0I 图7 同步发电机外特性 负载电流增大而降低，因此外特性是先升后降的曲线，见右图。 八、同步发电机理想并网的条件与方法

1．无穷大电力网（电力系统）：是指单机容量远小于系统总装机容量的电力系统，其特征是电网电压U和频率f保持恒定，即UC，fC。

0或2．理想并网是指并网的同步发电机与电力系统之间不发生功率交换，即电机的电流I0U。 E0与电网的网端电压U的大小、相位、频率、相3．理想并网的条件：待并电机的机端电压E序一致。

4．条件不满足的后果——出现电流冲击

⑴ 电压大小不同：并网稳定后，若机端电压高，则发出感性无功；网压高则吸收感性无功。

0超前U0滞，则发出有功功率，电机受制动转矩作用而减速；若E⑵ 电压相位不同：若E，则吸收有功功率，电机受驱动转矩作用而加速。最终电机电压的相位趋向于与电网电压的后U相位一致，这种作用被称为自整步作用。

⑶ 电压频率不同：频率相近，电机受自整步作用被电网“拉入同步”（准确同步法就是利用频率略有不同来找到相位相同的时刻进行并网操作的）；频差很大，电机始终处在暂态之中，电流很大，禁止并网。

⑷ 相序不同：电机一定会出现极大的暂态电流，严禁并网。

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5．并网的方法

⑴ 准确同步（或同期）法：是指按照理想条件进行并网操作的方法。 具体方法有灯光法（灯光黑暗法和灯光旋转法）、整步表法。其操作步骤为：

CBA并网开关电网AACBA并网开关电网AAL2L3L1CL2L3L1CABCCBABCCBB

B

图8 灯光黑暗法接线与灯压 图9 灯光旋转法接线与灯压

第一步：校验相序。使电机与电网的相序一致。此条件必须满足。（发电厂中此步可免） 第二步：调转速（调原动机的输入功率）使电机频率f不完全满足，目的是利用频率不同找到相位相同。

第三步：调励磁使机端电压E0等于网端电压U。此条件允许有误差。

第四步：以上三步完成后，灯光或整步表的指针将缓慢交替变化。在电机与电网的电压相位一致时合上并网开关（俗称并车），电机便将被电网“拉入同步”。相位相同可用灯光“灭”或整步表指针在指示灯位置表示。此条件可能完全或不完全满足。

⑵自整步法：“先并网，后加励磁”，即

校相序；将励磁绕组通过电阻短路；用辅助电动机或阻尼绕组将电机拖动到接近同步速；将电机并入电网，然后立即加上励磁，电机便将被电网“拉入同步”。

九、同步发电机的功角特性P=f(δ) （要求会推导特性）

若不计一切损耗，则有输入功率P 1P δP 2，以1、输出功率P 2、电磁功率P δ相等，即P下将三者统称为P。

1．隐极发电机 ⑴ 功角特性

pn与电网频率接近。此条件一定60PmUIcosmPmE0UEsin），即 sin（因Icos0xtxtE0UsinP maxsin[见图10中曲线Pf()] xtE0UP称为最大电磁功率。定义Km max为过载能力。要求Km1.8。 xtP N这里P maxm⑵ 无功功角特性 因IsinE0cosU，所以

xt2E0UcosmU[见图10中曲线Qf()] xtxtQmUIsinm 8

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PPmaxQPPfPmaxPP0mUxt290180δP0Qfm2 图10 隐极发电机功角特性 图11 凸极发电机功角特性 2．凸极发电机功角特性

PmUIcosmUIcos()mU(IcoscosIsinsin)mU(IdcosIqsin)

因IqUsin，IdxqPmUIcosmE0Ucos，代入并整理得

xdE0UsinmU2(11)sin2[见图11中曲线P δf()] xd2xqxd十、并网电机的有功功率调节

1．调节的量：原动机的输入功率P （因为能量守恒） 1。2．调节过程的物理本质

设电机原处于稳定运行（图中1点）。现若增大输入功率P 由于惯性，电机的转速不能突1，变，即其功角不能突变，因此由功角特性决定的输出功率也不能突变，于是输入功率大于输出功率，电机加速，功角自动增大，输出功率随之增大，直到输入和输出功率重新平衡，电机最终将在较大的功角下重新稳定（图中2点）。

3．调节后电机主要物理量的变化

因为电压U和同步电抗xt不变，从调节过程的物理本质可知，当P 1增大时，增大，而E0不变，所以，Qm2E0UcosmU减小；I1xtxtxtP0E2P1P111U01290180 图12 有功功率调节 2E02E0UcosU2增大。可用图13表示

P 2(P)P 2(P)不变E不变0E0 If↑→↓→ P 1↑→↑→（欠励）,（过励）IIQQ图13 调有功时主要物理量的变化 图14 调无功时主要物理量的变化

十一、并网电机的无功功率调节

1．调节的量：发电机的励磁电流If，即励磁电动势E0的大小。 2．调节过程的物理本质

设电机原处于稳定运行（图中1点）。若增大励磁电流If，由于惯性，电机的转速不能突变，

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即其功角不能突变，输出功率变成新的功角特性上的数值（图中1'点），于是输出功率大于输入功率，电机减速，功角自动减小，输出功率随之减小，直到输入和输出功率重新平衡，电机最终将在较小的功角下重新稳定（图中2点）。

3．调节后电机主要物理量的变化（见上图） 因为电压U和同步电抗xt不变，从调节过程的物理本质可知，若If增大，则减小、E0增大，而PmUIcosm因I1xt01290P1'If增大0EP1211U180 图15 无功功率调节 2E0UEUsin不变，即有E0sin常数，所以，Qm0cosmU增大。xtxtxt2E02E0UcosU21(E0sin)2(E0cosU)2，欠励时，(E0cosU)2随Ifxt增大而减小；正常励磁时，(E0cosU)20；过励时，(E0cosU)2随If增大而增大，因此If(If)称为V形曲线，下面的例题中画出了不同有功功率下的V形曲线簇。见图14。

4．静态稳定

（1）概念：系统在原稳定状态下受到小的干扰后，系统状态会发生变化，当干扰消失后，如果系统能够回到原来的稳定状态，则称系统是静态稳定。

（2）稳定判据：若定义比整步功率PsyndP，当Psyn0时，电机静态稳定，并且Psyn值越

d大稳定性就越好；Psyn0时，电机处于临界状态；Psyn0时，电机不稳定。

（3）稳定区域：隐极发电机0,90；凸极发电机0,m，m大约在70左右。 （4）影响静态稳定性的因素（以隐极发电机为例说明如下） ①励磁电流If：If大，则小、E0大，所以PsynmE0Ucos大，静态稳定性好。为了保xt证静态稳定性，同步发电机正常都处于过励状态下运行，具有滞后的功率因数，称为迟相运行。

②有功负载P：P大，则功角大、E0一定，所以PsynmE0Ucos小，静态稳定性差。 xtE0Ucosxt③电机结构，也就是短路比KC：KC大，则同步电抗xd小，功角大，所以Psynm小，静态稳定性差。一般隐极发电机的KC小于凸极发电机，所以，额定运行时隐极发电机的静态稳定性低于凸极发电机。

【例题】一台并在无限大电网上运行的汽轮发电机，P N300MW、UN18kV、cosN0.8滞后、Y接法，其同步电抗xt1.728Ω，不计电枢电阻ra与磁路饱和，试确定：

⑴保持励磁电流为额定状态下的数值不变，而把该机有功输出减小到200MW，求此时发电机的功率角、无功功率Q、定子电流I、功率因数cos。

⑵从额定状态开始，把励磁增加10%、有功输出减小10%，求此时发电机的功率角、无功功率Q、定子电流I、功率因数cos。

⑶从额定状态开始逐步减小励磁电流，当电机电流I减小到0.9IN时，求此时发电机的励磁

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电动势E0、功率角、无功功率Q、功率因数cos。如果进一步减小励磁，那么在此过程中，电机可能出现的最小电流Imin。

⑷在同一张图中画出上述三种情况的相量图，并在V形曲线上标出上述三种情况的工作点。 【解】题目中一共有4种工作状态（含额定状态和3个要求计算的状态），两个不变条件为

电压UUN1800010392.3VUB（电压基准值） 或U*1 33同步电抗xt1.728Ω或xt*xt1.7282 ZB0.82UN(18kV)2（阻抗基准值ZBcosN0.80.8Ω）

P N300MW由于题目要计算的3个状态都与额定状态有关，所以，首先计算额定状态（用标么值计算） 电流IINP N300MW12028.1AIB 或I*1 3UNcosN318kV0.8cosN0.8，sinN0.8，tanN0.75，Ncos10.836.87

tan1U*sinI*xt*tan110.61272.9 *10.8UcosNN72.936.8736.03

*E0NU*cos*UB2.720710392.328274.5V 10.82.7207或E0NE0Ncoscos72.9⑴ E0E0N，P δ200MW状态

P δEsinP即sin1 δsinNsin1200sin36.0323.09 0sin200，

300P NE0NsinNsinN300P N*E0cosU*2.7207cos23.091tan1.4084 *2.7207sin23.09E0sinQPtan2001.4084281.68Mvar

tan11.4084.62，coscos.620.579

IP δ200MW11079.5A

3UNcos318kV0.579**⑵ E01.1E0N2.9928，P δ0.9P N270MW状态

*E0NPsin* δsinN0.9sin36.030.4813，即sin10.481328.77

1.1E0P N*E0cosU*2.9928cos28.771tan1.1251 *2.9928sin28.77E0sinQPtan2701.1251303.78Mvar

tan11.125148.37，cos0.63

IP δ270MW13036.7A（IN，电机过载）

3UNcos318kV0.63⑶ P δP N300MW，I*0.9状态

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2337.5230021.6Mvar S3UNI0.9SN337.5MVA，QS2P δcosP δ3000.8即cos10.827.266，sin0.4581 S337.51U*tansinI*xt*110.45810.92tan68.51

10.88U*cos68.5127.2741.24

*E0U*cos10.88*UB2.4210392.325216.3V 2.42或E0E0coscos68.51最小电流IminINcosN12028.10.89622.5A

⑷ 根据隐极机电压方程，可画出三种情况下的相量图；根据相量图找点，可画出该电机的V形曲线，图中，N表示额定运行点，它与计算⑶中I*0.9状态点③和电流为最小值状态点④都在P δP N这条V形曲线上；计算⑵中的工作点②在P δ0.9P N这条V形曲线上；计算⑴中的工作点①在P δ0.667P N这条V形曲线上。根据V形曲线，可用图解法求出各状态物理量关系。

03 端点轨迹EE033minxtjI3 端点轨迹Ixt0NEjI302EjI2I*1.0②Nxt0.90.8cos1③④①01EI1xtj0.6670.910.53INI1I2IU1 端点轨迹I01 端点轨迹E01.02.03.0I*f 隐极机四种不同工作状态相量图

V形曲线上隐极机四种不同工作状态的工作点

图16 例题中的相量图和V形曲线

注意：电压方程是描述三相中的一相，所以相量图及其几何关系中的每一个量均为相值，这在找条件时已经说明，切不可弄错。有关几何关系的运用可参见下面的例题，请体会方法并加以练习。 十二、异常运行

1．不对称运行

⑴ 各种同步电抗的大小关系 x0x；xxqxq2xd2xdxxf//xad；（有阻尼绕组），x（无阻尼绕组）；xdxqxqxdxdxxQ//xaq；xqxxaq；xdxxad；xqxxd，短路时xxf//xad//xD、xqxdxxq，或xxd；隐极机xtxdxq；可见上述电抗之间还有下列明确关系：x3E03E3E00、两相相间稳态短路电流大小为

xxxxxd12

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IK23E03E03E0E、以及它们与三相短路电流大小IK30之间的比例关系，即有xxxxdxdIK1:IK2:IK33:3:1。

⑶ 不对称运行的危害（转子表面过热和电机振动）；产生危害的原因（负序电流产生的负序磁场）；抑制危害的方法（在转子磁极表面装设阻尼绕组），原理是负序磁场切割阻尼绕组而在阻尼绕组中产生负序磁场，它抵消定子负序磁场，从而使负序磁场削弱，因此抑制了危害。

2．突然短路 ⑴ 短路电流表达式

表达式与转子位置（即时间）有关，在图示位置时发生短路情况下

tttTTddIm)e(ImIm)eImsin(t)ImsineTa iA(ImtttTTddIm)e(ImIm)eImsin(t120)Imsin(120)eTa iB(ImtttTTddIm)e(ImIm)eImsin(t120)Imsin(120)eTa iC(Im2E02E0式中 Im为次暂态短路电流最大值；Im为暂

xdxd2E0态短路电流最大值；Im为稳态短路电流最大值；Td为

xdYA轴d轴CnASNX阻尼绕组的次暂态时间常数；Td为励磁绕组的暂态时间常数；Ta为定子绕组的暂态时间常数。

ZB轴表达式中，中括号内为短路电流的包络线方程，其时间常数Td和Td为给定值，注意TdTd。同样Ta也是给定值。

⑵ 出现最严重短路电流的条件（在转子轴线与某相绕组轴

BC轴 图17 短路瞬间转子位置 线重合瞬间，对A相即是90发生短路，经历半周，即t0.5T0.01s时刻该相出现）；大

2Im，其中冲击系数Kch1.7~1.9。 小imaxKchIm⑶ 突然短路的危害（绕组过热、绕组结构损坏、短时强振动）

【例题】一台同步发电机在空载条件下发生三相突然短路时，测得其A相短路电流的表达式为iA(90000et0.0950000et0.3810000)sin(t30)met0.48安培。试求m的值、并按正序

写出C相短路电流表达式iC。 【解】由表达式可知：

Im90000A，ImIm50000A，Im10000A，于是有 Im90000Im150000A 50000Im60000A；ImImsin150000sin3075000A mIm把iA表达式中的用(120)代入即得C相电流表达式

iC(90000et/0.0950000et/0.3810000)sin(t150)75000et/0.48

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第五部分 直流电机

一、直流电机的结构（要掌握主要部件的组成、作用、要求）

1、定子：包括主磁极、换向极、机座、电刷装置。

（1）主磁极：由磁极铁心和励磁绕组构成（电磁铁），作用是产生工作磁场。磁极铁心由裁剪成特殊形状的硅钢片叠压组成。励磁绕组是集中绕组，套置在磁极铁心上，各励磁绕组应串联。

直流电机励磁方式（励磁绕组获得励磁电流If的方式）：总的分成他励（If由另外的直流电源供给）和自励（If由电枢绕组S供给）。其中自励又分并励（励磁绕组称为并励绕组F，与电枢绕组S并联）、串励（励磁绕组称为串励绕组C，与电枢绕组S串联）和复励（励磁绕组分成并励绕组F和串励绕组C两部分。其中并励绕组F与电枢绕组S并联，其磁动势占磁极总磁动势的绝大部分；串励绕组C与电枢绕组S串联，其磁动势占总磁动势的小部分。即，复励以并励为主，当串励磁场加强并励磁场时，称为积复励；当串励磁场削弱并励磁场时，称为差复励）

（2）换向极：与主磁极类似，由换向极铁心与换向极绕组组成（电磁铁），作用是产生换向区磁场，以改善电机换向条件。换向极的数量＝主磁极数；安装在相邻主磁极的中间；各换向极绕组应相互串联并与电枢绕组串联；换向极极性应与顺发电机转向看下一个主磁极的极性相同。

（3）机座：钢铁铸件或由钢板焊接组成，作用是固定、支承。 （4）电刷装置：与换向器一道起机械整流作用。

转子（又称电枢）：包括转子铁心、电枢绕组（专题研究）、轴系。 二、直流电机的额定值及其相互关系

1．额定值包括：额定功率P N（指输出功率，即P NP 2N）、额定电压UN、额定电流IN、额定转速nN等。

2．相互关系：发电机P NUNIN；电动机P NUNINN（N为额定效率） 三、电枢绕组

1．组成：由绕组元件（线圈）＋换向器＋电刷构成。绕组元件（线圈）＋换向器构成双层闭合绕组；换向器＋电刷将闭合绕组回路分割成2a条并联支路后与外电路实现联系。

2．绕组型式

⑴单叠绕组（合成节距y1）：展开图、电气连接图（电路图）画法（见教材或笔记） 展开图中，合成节距y1（右行绕组）

电气连接图（电路图）特点：各绕组元件依次串联成一闭合回路；闭合回路被电刷分割成，故整个闭合2a2p条并联支路，各支路电动势大小相等、方向相反（指从元件首尾端的流向）回路的电动势之和为“0”。各支路中的元件处于同一个主磁极极面下，故2a2p。

⑵单波绕组（合成节距y展开图中，合成节距yQu1）：展开图、电气连接图（电路图）画法（见教材或笔记） pQu1（左行绕组） p电气连接图特点：先将N极面下的绕组元件全部串联起来，再与S极面下的绕组元件串联成一闭合回路；闭合回路被电刷分割成2a2条并联支路，两支路电动势方向相反、大小近似相等，整个闭合回路的电动势之和为“0”。各支路元件处于同极性（N或S）的主磁极极面下。

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3．绕组电动势

⑴ 元件电动势：交流电动势（频率fpn） 60⑵ 绕组电动势：直流电动势（电枢与换向器机械整流得到） 大小（即支路电动势大小）：EapNpN称为电机电动势常数；nCen；其中，Ce60a60aN2QuNC为电枢绕组总导体数，NC为元件匝数。

方向：发电机中Ea与电枢电流Ia方向一致，故称为驱动电动势或源电动势；电动机中Ea与电枢电流Ia方向相反，故称为反电动势。

改变电动势方向的方法：改变主磁极的极性或改变电机转动方向 4．绕组电磁转矩M ⑴大小：MpNpN60IaCMIa；其中，CMCe9.55Ce称为电机电动势常数； 2πa2πa2π⑵方向：发电机中M的方向与转子（即电机）转向相反，故称为制动转矩；电动机中M的方向与转子转向一致，故称为驱动转矩。

改变电磁转矩方向的方法：改变主磁极的极性或改变电枢电流的方向（注意：此种改变与励磁方式有关，要求确保只能改变其中一个的方向）

5．电枢反应

电枢磁场对主极磁场的作用与影响称为电枢反应。直流电机中，电枢磁场的轴线（最大值位置线）由电刷位置决定，电刷通常位于几何中性线上，故一般为交轴电枢反应，它对电机性能影响有：（1）使气隙合成磁场畸变，半个极面下磁场削弱（对发电机为前极端，即电枢旋转进入磁极的一端；对电动机为前极端，即电枢旋转离开磁极的一端）；（2）使磁场中性线移动，从空载的几何中性线移到负载时的物理中性线（顺发电机转向或逆电动机转向偏移）；（3）有附加去磁作用，使每极磁通略有减小（因为磁场增强的半个极面磁路饱和加深，磁场削弱的半个极面磁路饱和程度降低，故磁场的增强数量要小于削弱的数量，使每个极面下的磁通略有减小） 四、直流电机的基本方程

1．电路方程

（1）直流发电机的电路方程

IfIfrjIIaIIarfraEaURLRfEaRaU并励发电机原理电路

并励发电机等效电路

上图为并励发电机的接线图。图中，rf为磁场调节电阻；R a为电枢回路总电阻，包括电枢绕组电阻ra、电刷与换向片的接触电阻R b、换向极绕组和补偿绕组的电阻，可近似地把R a当作

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常数；If为励磁电流；I为发电机输出电流（也称为电机电流）；Ia为电枢电流；发电机中，电枢源电动势Ea一定大于输出端电压U。参见并励发电机等效电路，根据基尔霍夫定律，可列出其稳态运行时的电路方程为

电枢回路：EaUIaR aUIara2ΔUb (14-1)

电流关系：IaIIf负载回路：UIR L励磁回路：UfUIfR ff和磁场调节电阻rf；R L式中，又称磁场电阻，包括励磁绕组本身的电阻R R f为励磁回路总电阻，

为负载电阻；ΔUbIaR b为每一电刷与换向片的接触电阻R b上的电压降，通常取ΔUb1V。

（2）直流电动机的电路方程

IfrjIIaIfIaIrfRaEaURfEaRaU并励电动机原理电路

并励电动机等效电路

并励电动机的接线如上图所示。由于电动机要输入（吸收）电流I，故外加端电压U一定大于电枢反电动势Ea。图中其他符号的含义与发电机情况下相同，电压、电流和电动势的正方向符合电动机（负载）惯例，则可得并励电动机稳态运行时的电路方程为

电枢回路：EaUIaR aUIara2ΔUb （14-2）

电流关系：IaIIf励磁回路：UfUIfR f为起动、制动和调速等目的，常在电枢回路中串入外接电阻Rj，见图14-22（a），此时电枢回路总电阻为ΣRR aRj，电枢回路电压方程变成

EaUIa(R aRj)UIaΣR (14-3)

2．功率平衡

（1）直流发电机的功率平衡关系式

直流发电机中，电枢电流Ia的方向与电枢电动势Ea的方向相同，电磁转矩M的方向与电机转向相反，因此，电枢绕组一边从原动机吸收机械功率MΩ，一边发出相同数量的电功率EaIa；直流电动机中情况刚好相反，电枢绕组吸收电功率而输出机械功率。Ea和M都因电磁感应现象而产生，故把这部分经电枢绕组转换的功率称为电磁功率P δ，即

PEaIapNpNnIaIa2πnMΩ (14-4) 60a2πa6022R aU(IIf)IaR a ①电磁功率（电功率平衡）：P δEaIa(UIaR a)IaUIaIa22R aUIIf2R fIaR aP 2pCuapCuf （14-5）即 P δUIUIfIa

式中 P 2UI——输出功率；

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pCufUIfIf2R f——励磁回路铜耗或励磁功率；

2pCuaIaR a——电枢回路铜耗。

②机械功率平衡：为保证电机以转速n运行，原动机输入功率P 1在克服摩擦及风阻等机械损耗pm、铁心损耗pFe和附加损耗pad后，必须余下部分机械形式的电磁功率P δ，它克服电磁转矩做功而转换成电功率形式供输出，即有

P 1P δp0 （14-6）

式中 p0pmpFep——空载损耗。 ad③把电功率平衡式（14-5）代入机械功率平衡式（14-6），可得总的功率平衡式

P 1P 2pCuapCufp0P 2Σp （14-7）

式中，ΣppCuapCufp0pCuapCufpmpFepad为总损耗。

在负载状况下稳定运行时，并励发电机的功率转换关系可用图14-4表示。

P 1M1P δEaIaMP 2UIP 1UIP δEaIaMP 2M2p0pCuapCuf

pCuapCufp0 图17 并励发电机的功率平衡 图18 并励电动机的功率平衡

（2）直流电动机的功率平衡关系式

222①输入功率（电功率平衡）：P 1UIUIaUIf(EaIaR a)IaIfR fEaIaIaR aIfR f

即 P 1P δpCuapCuf （14-8）

②机械功率平衡：电磁功率P转换成机械功率后，大部分从轴上输出，另有一小部分消耗在电机的空载损耗p0上，于是得到机械功率平衡关系为

P δP 2p0 （14-9）

③将式（14-9）代入式（14-8），可得并励电动机总的功率平衡方程为

P 1P 2pCuapCufp0P 2Σp （14-10）

式中，ΣppCuapCufp0pCuapCufpmpFepad为电机总损耗。

并励电动机稳态运行时的功率平衡关系可用图14-5表示。

不难看出，并励发电机和并励电动机的功率平衡关系式（14-7）和式（14-10）在形式上完全相同，但其输入、输出功率的性质不同。根据电机的可逆性原理，假定发电机状态下输入的机械功率和输出的电功率为正值，则可认为电动机状态下输入的机械功率和输出的电功率均为负值，而各种损耗始终为正值，于是发电机和电动机状态下的功率平衡式均可用式（14-7）表示，该式反映直流电机稳态运行时的能量守恒关系。

3．转矩平衡

（1）直流发电机的转矩平衡关系

将式（14-6）两边同除以机械角速度Ω，就可得到转矩平衡关系，即

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pPP 1 δ0或M1MM0 （14-11） ΩΩΩ式中 M1P P11——原动机的驱动转矩或发电机的输入转矩； 9.55 ΩnP δP9.55 δCMIa——电磁转矩，为制动转距； Ωnp0p9.550——空载转矩。 ΩnMM02．直流电动机的转矩平衡关系

与发电机不同，电动机的转速n会随负载变化而改变。因此，在一般情况下，电动机的电磁转矩M、静负载转矩ML与转速n之间满足运动方程描述的动态平衡关系，即

2MMLMjJdΩGDdn （14-12）

dt375dt式中，J为旋转部分的转动惯量，kgm2；GD24gJ称为飞轮矩，Nm2，g9.81m/s2。

MjMML称为动转矩或惯性转矩。Mj0时，机组处于加速运动的过渡过程中，如电

动机的起动就属于这种情况；Mj0时，机组处于减速运动的过渡过程中，例如电动机的电磁制动；Mj0时，电动机机组处于恒转速的稳态运行，此时由式（14-9）可得

P δP2p0或MM2M0ML （14-13） ΩΩΩ式中 MP δP9.55 δCMIa——电磁转矩，为驱动转矩； ΩnM2M0P 2P9.55 2——输出转矩，即负载转矩； Ωnp0p9.550——空载转矩。 Ωn【例14-1】一台4极并励发电机的额定数据为：P N20kW，UN230V，nN1450r/min，电枢电阻ra0.15Ω，励磁回路总电阻R f74.1Ω，电刷接触电阻压降2ΔUb2V，机械及铁耗总计为p01020W。试求额定状态下，电机的电磁功率、电磁转矩及效率。

【解】额定电流IN励磁电流IfP N2010387A UN230UN2303.1A R f74.1电枢电流IaIfIN873.190.1A

电枢电动势EaUNIara2ΔUb23090.10.152245.5V 电磁功率P δEaIa245.590.122.1103W 电磁转矩M3P δP9.55 δ9.5522.110145.5Nm Ωn14503输入功率P 1P δp022.110102023.12kW

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电机效率P 22086.5% P 23.121【例14-2】一台四极并励直流电动机，UN110V，P N5.5kW，IN60A，nN1500r/min。额定状态下励磁回路总电阻R f55Ω，电枢回路电阻总R a0.2Ω，试求额定状态下的电磁功率P δ、电磁转矩M、负载转矩MN和空载转矩M0。

【解】根据并励电动机基本方程，额定状态下

励磁电流IfUN1102A R f55电枢电流IaINIf60258A

电枢电动势EaUNIaR a110580.298.4V 电磁功率PEaIa98.4585707.2W 空载损耗p0P δP 25707.25500207.2W 电磁转矩M9.55P δ9.555707.236.3 Nm nN1500P N9.55550035 Nm nN1500负载转矩MN9.55空载转矩M09.5、直流发电机

p09.55207.2MMN1.3 Nm nN15001．自励（指发电机能够输出大小合适的稳定电压）建压的条件 （1）（电机的主磁极）有剩磁。首要条件；

（2）最初的剩磁电压产生的励磁电流所产生的磁场应加强剩磁磁场（这表明：主磁极的极性由剩磁决定，因为eBlv，所以并励发电机的电压极性仅由转向决定），或者说励磁绕组与电枢绕组相对接线要与转向正确配合；

（3）磁路饱和，磁场电阻R f小于特定转速下的临界电阻Rcr（Rcr与转速n成正比）。 自励条件的应用：不能自励的原因及其改正方法

（1）励磁绕组与电枢绕组相对接线要与转向配合不正确（最可能出现的原因）。改正方法：交换电枢（或励磁）绕组两端接线/或改变原动机转向。

（2）磁场电阻R f过大，即R fRcr（可能出现的原因）。改正方法：一般做法是减小磁场调节电阻r f的阻值。如果当r f调到0时还不能自励，此时就要提高原动机的转速n来增大Rcr。

（3）电机无剩磁（几乎不可能出现的原因）。改正方法：给电机冲磁，即将励磁绕组短暂的通低压直流电。

2．外特性

外特性是指电机端电压U随负载电流I的变化曲线，即Uf(I)。它是作为电源的电机所具有的负载特性，因此，在变压器、同步发电机、直流发电机中都具有外特性。直流发电机的外特性与励磁方式有关，对不同励磁方式有不同的外特性。分述如下：

（1）他励发电机的外特性Uf(I)nnN,IfIfN

由UEaIaR aCenIaR a知，当负载电流IIa增大时，①电枢回路电阻压降IaR a增

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电机基本知识

大；②附加去磁作用增强，使每极有效磁通减小。故外特性是一条下降的曲线，如图19。

U他励并励UU0差复励串励过复励平复励积复励欠复励他励并励0IKINIcrI0

INI

图19 他、并励直流发电机的外特性 图20 各种直流发电机的外特性比较

（2）并励发电机的外特性Uf(I)|nC,R fR fN

由式UCenIaR a知，当负载电流I增大时，①IaIfI增大，引起压降IaR a增大；②附加去磁作用增强，使每极有效磁通减小；③励磁电流IfU/R f随前述两原因引起的电压U降低而减小，从而导致电压进一步降低。由式IU/RL可见，减小负载电阻R L可增大I，但这样所引起的U降低又会使I减小，因此，从使得U降低的第三个原因看，当R L较大时，电机磁路处于饱和状态，随着R L逐步减小，电机磁路最终将退出饱和，造成U减小比R L减小快，于是；继续减小R L直到降到零，此时电机短路，If0，短路电流由剩I减小，外特性出现“拐弯”

磁电动势提供，稳态短路电流并不大。并励发电机完整的外特性如图19所示，实际测量时只要在0~1.3IN范围内测量9~11点数据，而“拐弯”处的临界电流Ic r约在（2~3）IN，因此实用的并励发电机外特性同样是一条下降的曲线。

（3）其他电机的外特性（见图20）

积复励发电机的外特性比他励发电机要高一些，这是因为随着负载电流I增大，串励磁场增大，使端电压有增加的趋势，当发电机空载和额定电流两种情况下端电压相等时，称为平复励；前者电压高于后者时称为欠复励；前者电压低于后者时称为过复励。差复励发电机的外特性也是带“拐弯”的特性，但是其临界电流通常不大，近似于“恒流”特性。串励发电机的外特性则随负载电流I直线上升，当达到I一定数量是磁路出现饱和，曲线略有下降。 五、直流电动机

1．机械特性nf(M) （1）一般表示式 nU(R aRj)Ia(R aRj)CMIaR aRjEaUUM，即 CeCeCeCeCMCeCeCM2nn0kM

式中：n0U，称为理想空载转速。（因为此时M0，电枢电流Ia0，电机无摩擦是不可Ce能的，故称为理想空载）。

kR aRj，称为机械特性的斜率。这里Rj仅是为了采用电枢串电阻方法调速而串联在电

CeCM2枢回路中的调速电阻，其他情况下Rj0。电机加额定电压且Rj0时的机械特性称为固有（或

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电机基本知识

自然）机械特性；其他情况下的机械特性统称为人为机械特性。

（2）他（并）励发电机的机械特性 R aRj即为 nUMn0kM

CeCeCM2由表达式可知，特定状态下，他（并）励发电机的机械特性为直线。影响其形状的因素有： ① 励磁回路电阻（磁场电阻）R f

若R f增大，则I fU f/R f减小，磁通减小；当R f减小时，虽然If增大，但由于磁路饱和，的增大不明显。因此，通常都是把R f调大，故称为“弱磁调速”，这是直流电动机最常用R aRj的调速方法。当磁场电阻R f增大时，理想空载转速n0U增大，特性的斜率k也

CeCeCM2增大，如图21。

问题：为什么并励电动机的励磁回路不能开路？

对运行中的并励电动机，设主磁通、电枢电流Ia、转速n。如果励磁回路突然断开，则磁

通变为极小的剩磁磁通r，由于惯性，转速不能突变，此时电枢电流突变为IaUCern，可R aML（静负载转矩）能出现两种情况：一是MCMrIa，则电机转速上升，可能出现危险的高

Ia也很大；二是MCMrIaML，则电机减速，最终将速，称为“飞车”，稳定后电流Iar堵转（n0），反电动势EaCern0，电流IaU极大。无论那种情况，电流都大得足以使

R a电机烧毁。

nn02n01n0nΦ2<Φ1<ΦN12NΦ2Φ1ΦNn0N12Rj=0Rj1Rj2Rj1ML

ML

图21 减小励磁电流调速 图22 电枢串电阻调速 图23 改变电枢电压调速

②电枢串联调速电阻Rj

R aRj当Rj增大时，n0U不变，k增大，故不同Rj时的机械特性都过（n0，0）

CeCeCM2点，如图22所示。

③他励电动机的电枢电压U（磁通不变）

由于电压U只能从额定值UN（正常工作电压）往下调，因此，当U减小时，n0U减

Ce 21

电机基本知识

小，kR aRj不变，故对应于不同电压U的机械特性为一簇平行直线，如图23所示。

CeCM2（3）串励电动机的机械特性

串励电动机IaIfI，因此轻载时磁路不饱和，主磁通正比于电流，即CI，电磁转矩MCMIaCMCI2，则IM，代入转速计算式nEaUR aIa得到机械特性，CMCCeCeRIR a即nU aaUCeCeCeCICMCUCCeCM1R a，是一条双曲线；重载时，电机磁路MCMC饱和，特性与并励电动机类似。串励电动机的机械特性如图24所示。

2．调速 （1）弱磁调速

参见图21，磁场电阻R f增大时，励磁电流If减小，磁通

nn1/4减小，对恒转矩负载，即MCMIa常数，转速n升高。

注意：恒转矩负载意味着CM1Ia1CM2Ia2，故两种状态下电枢电流不同，即Ia21/2Ia1；如果是变转矩负载，设转矩M2/M1，2/1，则Ia2/Ia1。求出电枢电流后，再用电枢电压方程EaUIaR a求出两状态下电枢电动势Ea1UIa1R aCe1n1和Ea2UIa2R aCe2n2，就可求

0M 图24 串励电动机的机械特性 得新状态的电机转速n2。

（2）电枢串电阻调速

参见图22，调速电阻Rj增大时，励磁电流If不变，磁通不变，对恒转矩负载，即MCMIa常数，转速n降低。注意：由于磁通不变，恒转矩负载意味着Ia1Ia2，即两种

状态下电枢电流相同；如果是变转矩负载，设转矩M2/M1，则Ia2Ia1。用与（1）相同的方法可求得新状态的电机转速n2。

（3）改变电枢电压U调速（磁通不变，仅适用于他励电动机）

参见图23，电枢电压U降低时，因磁通不变，对恒转矩负载，转速n降低。注意：由于磁通不变，恒转矩负载意味着Ia1Ia2，即两种状态下电枢电流相同；如果是变转矩负载，设转矩M2/M1，则Ia2Ia1。用与（1）相同的方法可求得新状态的电机转速n2。

3．启动 （1）存在的问题

由于启动瞬间电机转速n0，故反电动势EaCen0，电枢电流Ia于直流电机的电枢电阻R a很小，故启动电流IstIa很大，可能烧坏电机。

（2）启动方法——电枢回路串联启动变阻器R st（简称启动器）

UEaU，由R aR a这样启动电流IstU得到显著减小。

R aR st4．改变电动机转向（与励磁方式密切相关）

22

电机基本知识

实际是改变电磁转矩MCMIa方向，即改变主磁极极性或改变电枢电流方向。

【例题】一台并励直流电动机的额定数据为：UN220V，IN12A，nN1000r/min，电枢绕组回路总电阻R a0.5Ω，励磁绕组回路总电阻R f110Ω，并不计磁路饱和。现把R f调到132Ω，同时把电磁转矩提高到额定状态数值的1.1倍，求现状态下该机的电磁转矩M、电枢电动势Ea和电流Ia、转速n。

【解】在额定状态（状态1）下 励磁电流If1UN2202A Rf110电枢电流Ia1INIf112210A

电枢电动势Ea1UNIa1Ra220100.5215VCe1nN 在R f132Ω状态（状态2）下 励磁电流If2UNI2205A R f1323因磁路不饱和，故两种状态主磁通满足关系

2If25 1If16电磁转矩M2CM2Ia21.1M11.1CM1Ia1 电枢电流Ia21.11Ia11.162013.2A 25电枢电动势Ea2UNIa2Ra22013.20.5213.4VCe2n 转速n或nEa21nN213.4615001191.1r/min Ea1221551nN615001200r/min 15六、直流电机换向

1．换向概念

2．换向不良的后果——产生换向火花 产生换向火花的原因有： （1）电磁原因

主要是换向元件电动势e0。e0称为延迟换向，后刷端可能出现火花；e0称为超越换向，前刷端可能出现火花；e0称为直线换向，一般认为不出现火花，是一种理想的换向状态。e包括：电抗电动势eL，它总是阻碍换向的（其方向与元件换向前电流方向一致）；运动电动势eK，它是换向元件切割换向区磁场产生的。换向区磁场又包括：电枢反应磁场Ba，它产生的运动电动势也总是阻碍换向的；主磁极边缘磁场，一般不存在，人为移动电刷或机械加工不好会出现，当电刷顺发电机转向或逆电动机转向偏移时，主磁极边缘磁场产生的运动电动势是帮助换向的（其方向与元件换向后电流方向一致）；换向极磁场，这是直流电机为改善换向而专门增加的部件，要求换向极磁场的极性必须与电枢反应磁场极性相反，即与顺发电机转向或逆电动机转向看下一个主磁极的极性相同，换向极磁场的强度应大于电枢反应磁场强度，以便在抵消了电枢反应磁场后又剩余磁场来产生抵消电抗电动势的运动电动势，由于电抗大多数和电枢反应磁场

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电机基本知识

都与电枢电流成正比，所以换向极绕组应与电枢绕组串联。

（2）机械原因（工艺不良引起结构不对称） （3）化学原因——氧化膜理论 3．改善换向的方法

（1）装设换向极（位置、数量、极性即换向极绕组接线要求），见电磁原因

S–NN+SSNS·er发电机ia×ekFaq×eria·ek电动机Neker发电机ekerekerBa电动机ekerSBk

(a)接线示意图 (b)展开图

图25 装设换向极改善换向

（2）选择合适的电刷（接触电阻大小），见电磁原因

（3）移动电刷位置（适用于微型无换向极直流电机，必须顺发电机转向或逆电动机转向移动电刷，并且移动的角度要大于磁场中性线偏移的角度。注意，这类电机必须按照机身标注的方向运行）

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电机基本知识

《电机学》（下）复习要点

一、同步电机部分 1．基本概念

同步电机的定义与分类

同步电机的主要结构部件及其作用

同步发电机发电原理；决定其空载电动势的大小、频率、相位、相序的要素 同步发电机电枢反应的种类及其对应特点

隐极式同步发电机的等效电路、电压方程、相量图及其几何关系（不计磁路饱和与电枢电阻） 凸极式同步发电机的等效电路、电压方程、相量图及其几何关系（不计磁路饱和与电枢电阻）

同步发电机的空载特性、短路特性实验测量的接线原理图和注意事项（安全操作和正确读数），由空载、短路特性求短路比；短路比的定义及其大小对电机性能的影响，两类同步发电机短路比大小的大致范围，哪种电机的值更大一些；同步发电机带零功率因数（纯感性）负载、短路两种情况的电枢反应特点；同步发电机外特性 同步发电机理想并网的概念及条件，条件不满足的后果；同步发电机采用准确同步法并网的操作步骤；灯光法（灯光旋转或黑暗法）并网接线原理图

隐极式同步发电机的功角概念，功角特性和无功功角特性推导方法；凸极式同步发电机的功角特性推导方法；有功功率调节的物理量变化和调节过程的物理本质；静态稳定的概念、以及它受有功负载、励磁电流、电机结构（短路比）的影响；同步发电机无功功率调节的物理量和调节过程的物理本质

同步发电机不对称运行的危害、造成危害的原因及其抑制方法；各种同步电抗（x、xa、xad、xaq、xt、xd、

）的含义及大小比较 、xd、xqxq、x+、x、x0、xd同步发电机突然短路电流表达式及其转子对应位置；突然短路的危害

同步电动机、同步调相机的使用场合、励磁条件与启动方法；阻尼绕组在同步发电机、电动机中的作用（有利和不利） 2．基本计算

额定值相互关系式及其计算；有功、无功、视在功率之间的关系及其换算 同步发电机额定状态、任意工作状态计算（见例题） 3．综合应用

按要求对同步发电机进行功率调节，调节前后主要物理量的变化情况及其分析，电枢反应强弱的变化（Id、Iq） 二、直流电机部分 1．基本概念

直流电机的主要结构部件及其作用；励磁方式的分类、接线原理；决定磁极极性的因素 直流电机电枢绕组的组成；单叠、单波绕组的节距、电路特点； 直流电机的发电原理、电动原理和可逆性原理；

电枢绕组的电动势、电磁转矩的表达式及其在发电机和电动机中的作用； 直流电机的电枢反应；

直流电机的换向：换向的类型，产生换向火花的原因，改善换向的方法（装设换向极、移动电刷） 并励直流发电机的电路及其方程、有关功率（输入、输出、电磁功率、损耗）、功率与转矩关系； 并励直流发电机的自励建压的条件、改变电刷极性的方法

并励直流电动机的电路及其方程、有关功率（输入、输出、电磁功率、损耗）、功率与转矩关系； 直流电动机的启动与调速（机械特性及其影响因素） 2．基本计算 额定值相互关系计算

电路计算（电压、电流、电动势、电磁功率、电磁转矩、负载转矩） 调速计算 3．综合应用

积复励发电机改接成积复励电动机；改变电动机转向的方法（与励磁方式相关）；并励发电机和并励电动机同网运行时的转向、转速的异同计算或分析

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