同步同步电机及异步电机

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同步电机
视在功率：由于电压、电流间存在相位差，正弦交流电 路中的平均功率一般不等于电压、电流有效值的乘积， 为与平均功率相区别，把电压、电流有效值的乘积叫视 在功率，用S表示，单位为伏安，符号是VA。 其数学表达式为： S UI 。 一般用视在功率表示设备的容量。 视在功率、有功功率、无功功率关系式为： 或 S P2 Q2
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同步电机
二.同步电机的运行特性
1．空载特性
同步发电机被原动机拖动到同步转速，励磁绕组中通入 直流励磁电流，定子绕组开路时的运行，称为空载运行。
空载运行时，由于电枢电流等于零，同步发电机的电枢 电压等于空载电势E0,电势E0,决定于空载气隙磁通，磁通取 决于励磁绕组的励磁电流If。因此空载时的端电压或电势是 励磁电流的函数，即 E0 f（If），称为同步发电机的空载特 性。
P S • cos
Q S • sin
功率因数：上面有功功率公式中的 cos 叫做功率因数， 它为有功功率与视在功率的比值，等于电压比电流超前 的相位差的余弦。功率因数不为1的负载，它的无功功率 就不等于零，就意味着它从电源接受的能量中有一部分 是交换而不消耗的，因数值越低，无功越大即交换部分 所占比例越大。
◆ 除了转场式同步电机外,还有转枢式同步电机，其磁极安 装于定子上，而交流绕组分布于转子表面的槽内，这种同步 电机的转子充当了电枢。
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同步电机
2、工作原理
◆主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相 间的励磁磁场，即建立起主磁场。
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同步电机
同步转速（为什么叫同步电机）
◆同步转速 从供电品质考虑，由众多同步发电机并联构 成的交流电网的频率应该是一个不变的值，这就要求发电 机的频率应该和电网的频率一致。我国电网的频率为50Hz ，故有：
◆要使得发电机供给电网50Hz的工频电能，发电机的转速 必须为某些固定值，这些固定值称为同步转速。例如2极 电机的同步转速为3000r/min，4极电机的同步转速为 1500r/min，依次类推。只有运行于同步转速，同步电机 才能正常运行。当发电机带上负载，三相定子绕组中将产 生电流，三相电流又产生一个合成的旋转磁场，该磁场与 转子以相同的转速和方向旋转，这就叫“同步”。
同步电机及异步电机
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同步电机以及异步电机
问题的引出 1 什么是同步电机？（与谁同步） 2 什么是异步电机？（与谁异步） 3 同步电机能不能调速？ 4 异步电机是怎么转起来的？ 5 C异on步cl电us机io能n不能调速，怎么调？
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同步电机以及异步电机
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异步电机
一.异步电机结构、原理
1、结构
定子铁心
定子 定子绕组
感应电机
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机座
转子铁心
转子 转子绕组
转轴
绕线型 结构 笼 型 结构
P UIcos 。 无功：用于电路内电、磁场交换的那部分能量叫无功，即 仅用来进行交换而没有被负载消耗的能量。无功又分感性 无功和容性无功，用于电路内磁场交换的能量叫感性无功 ，用于电场交换的能量叫容性无功。交换的最大功率叫无 功功率，用Q表示，无功功率的单位为乏，符号是var。其 数学表达式为： Q UIsin 。
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同步电机
◆转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励 磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相 间的分布磁场，称为励磁磁场(也称主磁场、转子磁场)。
◆气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状 对电机内部磁场的分布和同步电机的性能有重大影响。
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同步电机
◆ 感应电势 频率： 感应电势的频率决定于同步电机的转速n 和 极对数p ，即
◆ 交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极 性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性 。
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N
凸极式
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同步电机
4、基本概念
有功：在交流电能的发、输、用过程中，用于转换成非电 、磁形式（如热能、机械能等）的那部分能量叫有功，即 用于做功而被消耗掉的能量。转换的平均功率叫做有功功 率，用P表示，单位为瓦，符号是W。其数学表达式为：
U
UN
O
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外特性
IN I
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同步电机
4．调整特性
所谓调整特性，是指端电压、转速、功率因数为常数 的条件下，改变负载（定子电流）时励磁电流的变化曲线
，即调I f整特f性（可I）以。使运行人员了解在某一功率因数时，定
子电流到多少而不使励磁电流超过制造厂的规定值，并能 维持额定电压。利用这些曲线可使电力系统的无功功率分 配更趋合理。
同步电机
6、发电机的并列
把同步发电机并联至电网的过程称为投入并联，或称为并 列、并车、整步。在并列时必须避免产生巨大的冲击电流，以 防止同步发电机受到损坏、电网遭受干扰。 ◆并列前必须检查发电机和电网是否适合以下条件：
① 双方应有一致的相序； ② 双方应有相等的电压； ③ 双方应有同样或者十分接近的频率和相位。 ◆若以上条件中的任何一个不满足，则在开关的两端会出现差 额电压 ，如果闭合开关，在发电机和电网组成的回路中必然 会出现瞬态冲击电流。 ◆上述条件中，除相序一致是绝对条件外，其它条件都是相对 的，因为通常电机可以承受一些小的冲击电流。 ◆并列的准备工作是检查并列条件和确定合闸时刻。通常这些 工作都是由自动准同期装置完成。
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鼠笼型转子
导条
异步电机
端环
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异步电机
b.绕线式转子
绕线式转子也称滑环式转子。转子槽内嵌装与定子绕 组相似的星形连接的三相绕组，三相引出端分别接到与轴 绝缘的三个滑环上，每个滑环通过电刷与起动变阻器连接 。为了减少电刷磨损，在电动机起动后，将电动机后侧的 手柄转到运行位置，即可将三个滑环短路，同时将三组电 刷举起，这种装置称为举刷装置。
磁功率为稳定极限功率。
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同步电机
Pmax为发电机极限功率，P1为发电机运行点功率。一 般规定正常运行时发电机的静稳定储备系数不小于15～ 20﹪，功角值一般30°～40°。
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同步电机
各种绝缘等级对应绝缘材料的最高许可温度
190 180 170 160 150 140 130 120 110 100
90 80
OAE BFHC
OAEBFHC
注意：超过该绝缘等级对应绝缘材料的最高许可发 电机绝缘寿命将随着温度的升高按指数规律缩短。 如A级绝缘在高于最高许可温度8~10℃持续运行，就 会使其绝缘寿命缩短一半。
路时，定子稳态短路电流I与励磁电流If的关系曲线，
即
I

f（I
）
f
。
短路特性可以用来求未饱和的同步电抗和短路比，还可
以利用它判断励磁绕组有无匝间短路等故障。显然励磁绕组
存在匝间短路时，因安匝数减小，短路特性会降低。
I
0
If
短路特性
所谓短路比，就是在对应于空载额定电压的励磁电流下， 定子稳态短路电流与额定电流之比。
空载特性曲线很有实用价值。可以用它判断电机磁路的 饱和情况，铁芯和励磁绕组是否发生短路故障，此外可以求 取发电机的电压变化率，未饱和的同步电抗值等参数。
E0
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If 同步发电机空载特性
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同步电机
2．短路特性
短路特性是指发电机在额定转速下，定子三相绕组短
U
UN
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调整特性
I
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同步电机
5．功角特性
功角特性反应的是发电机电磁功率与功角之间的关系，其
表达式为：
P
m UE q
Sin
式中P-发电机电磁Xd功率
m－定子绕组相数
U-定子相电压
Eq－发电机感应电势
Xd－发电机同步电抗
δ－功角，转子磁极中心线与定子磁极中心线的夹角
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同步电机
3．外特性
外特性是反应发电机端电压随负载电流而变化的曲线 ，即在励磁电流、转速、功率因数为常数的条件下，负载
（定子电流）改变时端电压的变化曲线，即 U f（I）。
外特性可用来分析电机在运行中的电压波动情况，并 藉此提出对自动励磁调整装置电压调节范围的要求。
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同步电机
它也等于阻抗角的余弦值。超前和滞后是指电流和电 压的相位关系，如果电流的相位超前电压的相位，则 说负载是超前的；如果电流的相位滞后与电压的相位 ，则说负载是滞后的。所以我们在提到超前或滞后时 一定要谨记这里是指电流与电压的关系，是电流在前 ，电压在后。
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同步电机
3、同步电机的分类
旋转电枢式
同步电机
隐极式
旋转磁极式
凸极式
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同步电机
N
+
S
隐极式
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同步电机
N
S
S
+
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异步电机
a. 鼠笼式转子 鼠笼式转子也称短路式转子。这种转子的
绕组用适当数量的导体嵌入转子铁芯槽内，导 体的两端分别焊接在两个端环(又称短路环)上 。为了提高电动机的起动转矩和减少起动电流 ，转子绕组可制成双笼式或深槽式。
鼠笼型电机结构简单、制造方便，是一种 制造和运行经济、耐用 笼型电机结构简单、制 造方便，是一种制造和运行经济、耐用的电机 。
◆ 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：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能）， 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。通过引出线，即可提供交流电源。
同步电机以及异步电机
内容
同步电机
一． 结构、原理 二． 运行特性
异步电机
一． 结构、原理 二． 运行特性（启动、调速） 三． 电动机运行的一般规定
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同步电机
一.同步电机的结构、原理
1.结构模型
◆同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和 可旋转的转子两大部分组成。一般分为转场式同步电机和转 枢式同步电机。 ◆图15.1给出了最常用的转场式同步发电机的结构模型，其 定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律 排列的三相对称交流绕组。这种同步电机的定子又称为电枢 ，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。图中用AX、 BY、CZ三个在空间错开120电角度分布的线圈代表三相对称交 流绕组。
，也是端电压U与感应电势Eq间的夹角。
同步发电机维持静态稳定的判据是：当δ角增大后，电磁
功以微率分P也的随形之式增表大示。则为：Pr＝
dp
d

0
式中Pr 称整步功率，当整步功率大于零时，发电机能保
持静态稳定运行；而整步功率小于零时则不能维持静态稳
定运行。在δ＝90°时，就达到稳定极限，此时对应的电
与笼型转子比较，绕线型转子结构稍复杂，价格稍贵 ，因此只在要求起动电流小、起动转矩大，或特殊场合如 风水力发电机使用。
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绕线型的转子