电机基本定律

电机基本定律全电流定律电磁感应定律电磁力定律铁磁特性磁路基本定律（基尔霍夫定律）全电流定律（安培环路定理）I1I3I2简而言之就是：磁场积分为所包电流之和（路径无关）电流正负用右手定则：点来差去电磁感应定律(右手)

NS内部磁通方向楞次定律：感应电流产生的磁场总是防止线圈磁链变化变压器电动势运动电动势引起磁通变化因素：1.时变电流（磁通随时间变化，与变压器工况一致）2.线圈磁场相对运动变压器电动势变压器电动势的方向可根据楞次定律来判断运动电动势eBv电磁力定律（左手）铁磁特性oa段：H较弱，B缓慢增加ab段：H较强，B迅速增加bc段：H继续加强，B增加变慢（饱和段）c－段：H继续加强，B增加缓慢（深度饱和段）磁导率H为磁场强度适量，辅助物理量，无特定意义磁化过程磁滞回线磁滞现象铁磁材料磁化过程：1.励磁磁场增大，0a磁化2.励磁磁场消失，ab退磁，Br剩磁3.要想完全退磁，需加反向励磁，以bc曲线退磁4.材料在反复磁化中要消耗能量并转化成热量耗散，这就是磁滞损耗。磁滞损耗与磁滞回线的面积成正比，软磁性材料的磁滞损耗最小。专业术语解释

漏磁：线圈间有缝隙，缝隙间形成小磁体，且闭合回路，产生与理论不同的磁感强度漏感：电机在初次级耦合过程中漏掉的一部分磁通主磁场气隙磁场铜耗（绕组电阻发热）涡流损耗：由于铁磁性材料通常是导电体，当线圈通有交流电时，铁芯内的磁通随之变化，在铁芯就会感生漩涡状电流（涡流）。涡流产生热量耗散，称为涡流损耗。磁路基本定律假设漏磁不考虑，铁心面积为A，磁路长度L,主磁通ΦF=Ni，磁动势磁阻Φ1Φ2Φ3基尔霍夫第一定律：基尔霍夫第二定律：封闭面磁通和为0闭合磁路磁动势之和等于磁压降之和小结左手力，右手电，手心向着磁感线。楞次定律看磁链，阻碍变化是关键磁滞损耗看回线，损耗越大面积宽与异步电动机相比，直流电动机的结构复杂，使用和维护不如异步机方便，而且要使用直流电源。直流电机的优点：（1）调速性能好:调速范围广，易于平滑调节。（2）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。（3）易于控制。应用：（1）轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等调速范围大的大型设备。（2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。（3）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具直流电机直流电机的主要结构

直流电机的基本工作原理和结构主磁极换向磁极电刷装置机座端盖定子转子电枢铁心电枢绕组换向器转轴轴承直流电机具体结构参看P46导电线圈放在磁场中，会收到洛伦兹力作用，方向左手定则判定。当线圈面与磁感线垂直时所受的力矩最大。受到磁场的作用力的线框会旋转，当旋转90度后，换向器改变了线框电流的方向，于是导线框会连续旋转下去，这就是直流电动机的工作原理每根导体内电动势瞬时值工作原理：电枢线圈的导体中将产生感应电势e=Blv，但导体电势为交流电，而经过换向器与电刷的作用可以引出直流电势EAB，以便输出直流电能.

直流电机电枢绕组所感应的电动势是极性变化的交流电动势，只是换向器配合电刷作用将其转换为极性恒定的直流电动势。直流电机结构

主要部分：定子，转子，绕组，机座，换向器该直流电动机模型的定子有一对主磁极，安装在机座上，机座也叫磁轭，是主磁极磁力线的通路。磁极与磁轭都是用导磁良好的钢铁制成。在主磁极上安装有励磁绕组，绕组通电后就会在两个主磁极间产生主磁场。直流电机转子也称为电枢，电枢铁芯由导磁良好的硅钢片叠成，铁芯圆周均匀分布18个槽，用来嵌放电枢绕组。电枢铁芯直径比主磁极间距离略小点。把绕制好的电枢绕组嵌入电枢槽内，每个绕组都有一对引出线。焊接后的电枢线圈换向器有18个铜制换向片，排成圆筒形，固定在一个绝缘套筒上，换向片间留有缝隙，相互绝缘。下图用两个角度展示换向器的外观。把换向器安装在电枢转轴上，把电枢绕组的引出线按规律焊接在换向片上。为散去电机发出的热量，还要在电枢转轴上安装风扇。电枢绕组通过电刷供电，电刷的主要成份是石墨，导电良好又润滑。电刷固定在刷握内，由弹簧片压向换向器。电刷装置与换向器的位置关系见右上，根据电枢绕组的常用绕法的线端头与换向器焊接位置，当磁极在上下方时两个电刷组分布在换向器上下两侧加上磁轭和机座，剖面图如下：透视工作状态为：直流电机的空载磁场

右图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图。当励磁绕组的串联匝数为，流过电流为，每极的励磁磁动势为：电机空载是表示电机已经启动运转，但是没有拖动负荷，也就是没有带动负载，只是在做空转的意思。直流电机的空载磁场

直流电机中，主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩，而漏磁通没有这个作用，它只是增加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通比主磁通小得多，大约是主磁通的20%。磁力线由N极出来，经气隙、电枢齿部、电枢铁心的铁轭、电枢齿部、气隙进入S极，再经定子铁轭回到N极主磁通主磁路磁力线不进入电枢铁心，直接经过气隙、相邻磁极或定子铁轭形成闭合回路漏磁通漏磁路

空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的大小和形状。

磁极中心及附近的气隙小且均匀，磁通密度较大且基本为常数，靠近极尖处，气隙逐渐变大，磁通密度减小；极尖以外，气隙明显增大，磁通密度显著减少，在磁极之间的几何中性线处，气隙磁通密度为零。无齿电枢表面的气隙磁密分布直流电机的磁化曲线

为了感应电动势或产生电磁转矩，直流电机气隙中需要有一定量的每极磁通，空载时，气隙磁通与空载磁动势或空载励磁电流的关系，称为直流电机的空载磁化特性。如右图所示。

为了经济、合理地利用材料，一般直流电机额定运行时，额定磁通设定在图中A点，即在磁化特性曲线开始进入饱和区的位置。2.3.3直流电机的电枢磁场

直流电机带上负载，电枢绕组中有电流，电枢电流产生的磁动势称为电枢磁动势。电枢磁动势的出现使电机的磁场发生变化。

右图为一台电刷放在几何中性线的两极直流电机的电枢磁场分布情况。

假设励磁电流为零，只有电枢电流。由图可见电枢磁动势产生的气隙磁场在空间的分布情况，电枢磁动势为交轴磁动势。2.3.3直流电机负载时的负载磁场2.3直流电机的电枢反应

如果认为直流电机电枢上有无穷多整距元件分布，则电枢磁动势在气隙圆周方向空间分布呈三角波，如图中所示。

由于主磁极下气隙长度基本不变，而两个主磁极之间，气隙长度增加得很快，致使电枢磁动势产生的气隙磁通密度为对称的马鞍型，如图中所示。

直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应

当励磁绕组中有励磁电流，电机带上负载后，气隙中的磁场是励磁磁动势与电枢磁动势共同作用的结果。电枢磁场对气隙磁场的影响称为电枢反应。电枢反应与电刷的位置有关。当电刷在几何中性线上时，将主磁场分布和电枢磁场分布叠加，可得到负载后电机的磁场分布情况，如图（a）所示。直流电机的电枢反应由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：2)、对主磁场起去磁作用1)、使气隙磁场发生畸变

空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被削弱，物理中性线偏离几何中性线角，磁通密度的曲线与空载时不同。

磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，因此每极量的磁通量与空载时相同。电机正常运行于磁化曲线的膝部，主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，铁心磁阻增大，增加的磁通少些，因此负载时每极磁通略为减少。即电刷在几何中性线时的电枢反应为交轴去磁性质。直流电机的电枢电动势直流电机的电枢电动势和电磁转矩产生:电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电枢电动势。大小:性质:发电机——电源电势(与电枢电流同方向);

电动机——反电势(与电枢电流反方向).)(电动势常数为电机的结构常数其中可见，直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速有关。直流电机的电磁转矩2.3.5直流电机的电枢电动势和电磁转矩产生:电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作用,该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。大小:性质:发电机——制动(与转速方向相反)；电动机——驱动(与转速方向相同)。P73可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电流成正比。为电机的转矩常数，有其中二、直流电机的电磁转矩当直流电机带上负载时，电枢绕组中就有电流流过，载流的电枢绕组在气隙磁场中将受到电磁力作用而产生电磁转矩，电磁力的大小可以利用电磁力定律来计算。只要计算一根导体在一个磁极范围内气隙磁场中所受到的平均电磁力和电磁转矩，然后再乘以总导体数，就可得到作用在整个电枢上的电磁转矩。根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的直流电机又可细分为：他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在同一电源上。M他励UfIfIaUM并励UIfM串励UM复励U直流电机励磁方式励磁的定义：磁极上的线圈通以直流电产生磁通，称为励磁。电枢电动势及电压平衡关系电枢通入电流后，产生电磁转矩，使电机在磁场中转动起来。通电线圈在磁场中转动，又会在线圈中产生感应电动势（用E表示）。一、电枢中的感应电动势FFU+–NS电刷换向片IIEE根据右手定则知，E和原通入的电流方向相反，其大小为：CE：与电机结构有关的常数n：电动机转速

：磁通单位：（韦伯），n（转/每分），E（伏）FFU+–NS电刷换向片IIEE二、电枢绕组中电压的平衡关系因为E与通入的电流方向相反，所以叫反电势。U：外加电压Ra:绕组电阻MRaIaE+–+–U以上两公式反映的概念：(1)电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，若想改变E，只能改变

或n。(2)若忽略绕组中的电阻Ra，则，可见，当外加电压一定时，电机转速和磁通成反比，通过改变

可调速。：线圈所处位置的磁通Ia：电枢绕组中的电流一、电磁转矩单位：

（韦伯），Ia（安培），T（牛顿米）由转矩公式可知：(1)产生转矩的条件：必须有励磁磁通和电枢电流。(2)改变电机旋转的方向：改变电枢电流的方向或者改变磁通的方向。转矩常数，a为支路数二、转矩平衡关系电磁转矩T为驱动转矩，在电机运行时，必须和外加负载和空载损耗的阻转矩相平衡，即TL：负载转矩T0

：空载转矩转矩平衡过程：当负载转矩（TL）发生变化时，通过电机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩自动调整，以实现新的平衡。例：设外加电枢电压U一定，T=TL+T0(平衡)，这时，若TL突然增加，则调整过程为：与原平衡点相比，新的平衡点：Ia

、P入TL

nEIaT

最后达到新的平衡点。典型负载的机械特性n＝f(TL)（1）恒转矩负载：

TL=

const（2）风机类负载：T

L∝n2（3）恒功率负载：P

L=

const下垂的机械特性上翘的机械特性稳定条件二、电动机组稳定运行的条件机械特性指的是电机的电磁转矩和转速间的关系，下边以他励和串励电机为例说明。他励电动机和并励电动机的特性一样。机械特性一、他励电动机的机械特性M他励UfIfIaUn0：

理想空载转速,即T=0时的转速。（实际工作时,由于有空载损耗，电机的T不会为0。）当T时n

，但由于他励电动机的电枢电阻Ra很小，所以在负载变化时，转速n的变化不大，属硬机械特性。根据n-T公式画出特性曲线n0nNTNTnn其中，串励的特点：励磁线圈的电流和电枢线圈的电流相同。二、串励电动机的机械特性设磁通和电流成正比，即=KIa,则据此公式做出T-n曲线nTM串励UIa(1)T=0时，在理想情况下，n。但实际上负载转矩不会为0，不会工作在T=0的状态，但空载时T很小，n很高。串励不允许空载运行，以防转速过高，导致飞速。串励特性：(2)随负载转矩的增大，n下降得很快，这种特性属软机械特性。nT(2)恒功率负载（P一定时，T和n成反比），要选软特性电机拖动。如：电气机车等。直流电动机特性类型的选择:(1)恒转矩的生产机械(TL一定，和转速无关）要选硬特性的电动机，如：金属加工、起重机械等。电力传动基础单轴电力拖动系统：电动机转轴直接拖动生产机械运转的系统三部分在同一轴线上三部分转速相同一般指风机、水泵等电动机传动装置（连接器）生产机械TTL在上图的单轴电力拖动系统中

若Td=TL说明系统静止、匀速运动加速度Td<TL说明系统减速加速度

Td>TL说明系统加速(产生加速度)加速度∴系统运动方程式：▲在工程上往往不用转动惯量Ｊ，而用飞轮矩GD2表示旋转体的惯性。▲Ｄ(ρ)回转直(半)径，与物体的半径Ｒ不同，详见专表。转速n规定某一旋转方向为正，反之为负；TＤ与n正方向相同为正，反之为负；TL与n正方向相反为正，反之为负。例在实际应用中：①为了满足生产工艺的要求，生产机械的运行速度一般很低；②而电动机为了合理经济地使用材料，制造较高转速的电机。∵电机的P=2πT⋅n/60即P∝T×n在P一定时nT或nT而电机的Ｍ＝ＣmΦIs若使TΦ(或Is)电机体积增大

因此电动机不直接与生产机械联接(单轴系统)而需在两者之间加减速机构—如减速齿轮箱,蜗轮蜗杆或皮带轮等传动装置—构成多轴系统.直流电动机的使用和额定值一、使用1.启动启动时,n=0

Ea=0，若加入额定电压，则Iast太大会使换向器产生严重的火花，烧坏换向器。一般Iast限制在(2-2.5)IaN内。限制Iast的措施：（1）启动时在电枢回路串电阻。（2）启动时降低电枢电压。

λi为直流电动机电流短路时允许过载倍数。为使n能到达额定转速，应使1.Rc随n升高逐步切除，直到Rc＝02.或U随n升高逐步增大，直到达到额定电压(1)若电动机原本静止，由于励磁转矩T=KTIa，而0，电机将不能启动，因此，反电动势为零，电枢电流会很大，电枢绕组有被烧毁的危险。直流机在启动和工作时，励磁电路一定要接通，不能让它断开，而且启动时要满励磁（励磁回路调节电阻为零）。否则，磁路中只有很少的剩磁，可能产生以下事故：注意：（2）如果电动机在带载运行时磁路突然断开，

则，

E，Ia，

可能不满足TL的要求，电动机必将减速或停转，使

Ia更大，也很危险。（3）如果电机空载运行，可能造成飞车。EIaT>>

T0

n飞车措施：他励直流电动机一定要有失磁保护。一般在励磁绕组加失压继电器或欠流继电器。当失压或欠流时，自动切断电枢电源U。M他励UfIfIaU2.反转电动机的转动方向由电磁力矩的方向确定。（1）改变励磁电流的方向。（2）或改变电枢电流的方向。改变直流电机转向的方法：改变洛伦兹力的方向直流电动机的调速与异步电动机相比，直流电动机结构复杂，价格高，维护不方便，但它的最大优点是调速性能好。下面以他励电动机为例说明直流电动机的调速方法。（1）调速均匀平滑，可以无级调速。（2）调速范围大，调速比可达200（他励式）以上（调速比等于最大转速和最小转速之比）。直流电动机调速的主要优点是：转速调节的机电过程由该式可知，n和有关，在U一定的情况下，改变可改变n。在励磁回路中串上电阻Rf，改变Rf大小调节励磁电流，从而改变的大小。一、改变磁通（调磁）1.原理其中，M他励UfIfIaU其中：=KIf

Rf

Ifn

，但在额定情况下,已接近饱和，If再加大，对影响不大，所以这种增加磁通的办法一般不用。

Rf

Ifn，减弱磁通是常用的调速方法。If的调节有两种情况：概念：改变磁通调速的方法—减小磁通，n只能上调。其中，2.特性的变化所以：磁通减小以后特性上移，而且斜率增加。，因为：（

减小）TLRf增加Tn其中，调速过程:

U一定,则暂时T

>TL最后达到新的平衡T

=TL其中，（1）调速平滑，可做到无级调速，但只能向上调，受机械本身强度所限，n不能太高。（2）调的是励磁电流（该电流比电枢电流小得多），调节控制方便。3.减小调速的特点：二、改变电枢电压调速由转速特性方程知：调电枢电压U，n0变化，斜率不变，所以调速特性是一组平行曲线。1.特性曲线其中，2.改变电枢电压调速的特点（1）工作时电枢电压一定，电压调节时，不允许超过UN，，而nU，所以调速只能向下调。（2）可得到平滑、无级调速。（3）调速幅度较大。MUfIfIaU变压整流220V~整流调压220V~Uf=110V固定U=0~110V可调改变电枢电压调速方案举例：例：已知他励电动机的PN=2.2KW,UN=220V,IaN=12.4ARa=0.5,nN=1500r/min。求：（1）TL=0.5TN时,

n=?（2）=0.8

N时,

n=?解：（1）TL=0.5TN时（2）=0.8

N时这种调速方法耗能较大，只用于小型直流机。串励电机也可用类似的方法调速。三、改变转子电阻调速其中，增大；因机械能量不能突变，不变不变，（1）反接制动（改变电枢电流Ia的方向）3.制动制动的所采用的方法：

反接制动、能耗制动、发电回馈制动MUUfIf+–R运行制动电阻R的作用是限制电源反接制动时电枢的电流过大。（2）能耗制动—电枢断电后立即接入一个电阻。MUUfIf+–R运行制动K停车时，电枢从电源断开,接到电阻上，这时：由于惯性电枢仍保持原方向运动，感应电动势方向也不变，电动机变成发电机，电枢电流的方向与感应电动势相同，从而电磁转矩与转向相反，起制动作用。特殊情况下，例如汽车下坡时、吊车重物下降时，在重力的作用下nn0（n0理想空载转速），这时电动机变成发电机，电磁转矩成为阻转矩，从而限制电机转速过分升高。(3)发电回馈制动直流电机有四个出线端，电枢绕组、励磁绕组各两个，可通过标出的字符和绕组电阻的大小区别。4.连接（1）绕组的阻值范围电枢绕组的阻值在零点几欧姆到1~2欧姆。他励/并励电机的励磁绕组的阻值有几百欧姆。串励电机的励磁绕组的阻值与电枢绕组的相当。自学（2）绕组的符号S1T1B1C1H1BC1Q1S2T2B2C2H2BC2Q2电枢绕组他励绕组并励绕组串励绕组换向极绕组补偿绕组启动绕组始端绕组名称末端二、额定值1.额定功率PN:电机轴上输出的机械功率。2.额定电压UN：额定工作情况下的电枢上加的直流电压。（例：110V，220V，440V）3.额定电流IN：额定电压下，轴上输出额定功率时的电流（并励应包括励磁电流和电枢电流）三者关系：PN=UNIN（：效率）注意：调速时对于没有调速要求的电机，最大转速不能超过1.2nN。4.额定转速nN

：在PN，UN，IN时的转速。直流电机的转速等级一般在500r/min以上。特殊的直流电机转速可以做到很低（如：每分钟几转）或很高（每分钟3000转以上）。本章小结一个公式：其中，两大平衡：三大关联：交流电机绕组理论交流电机包括：同步电机和异步电机定子绕组－三相交流绕组交流电机基础定子磁场－旋转磁场定子感应电势－三相绕组的感应电势三相交流电产生旋转磁场原理三相交流电由A、B、C三相组成，按每个交流周期360度算，每相间距120度，下面是三相交流电波形图，黄色为A相波形，绿色为B相波形，红色为C相波形，我国使用的三相交流电频率是50赫兹。三相交流电通过三相绕组来产生旋转磁场，三相绕组由三个嵌在电动机定子铁芯上的线圈组成，下面是一个三相交流电动机模型的定子，在定子内圆有6个嵌线槽，分别嵌有A、B、C三相线圈，三个线圈按120度分布，黄色线框AX是A相线圈，绿色线框BY是B相线圈，红色线框CZ是C相线圈。线框的A、B、C端为线圈入端，X、Y、Z端为线圈出端。在三个线圈通上三相交流电后，在定子铁芯中间会形成一个旋转磁场。

以A相起点为0度时为例当A相为105度时当A相180度时同理，当A相225度时最终形成了一个旋转的磁场

定子磁势及磁场单相绕组的磁势：整距线圈通入电流产生磁场如右图，若忽略铁心磁阻的影响，气隙磁势为：气隙磁势的发布曲线如右下图：若线圈电流

则单相绕组的磁势表明：①该矩形波磁势的大小随时间按正弦函数规律变化；②而气隙磁势的轴线和波幅在空间位置（0及A,X处）是固定的，故称之脉动磁势。矩形脉动磁势的分解矩形波为基波和一系列奇次的高次谐波单相绕组的基波磁势若只考虑基波分量的磁势，磁密在空间发布就不是各点相等了，而在空间按正弦规律分布；一个整距线圈的基波磁势是脉动磁势，既是时间t的函数；又是空间位置x的函数。写成：绕组系数kw＝短距系数ky·分布系数kq三相绕组的基波磁势的合成取A相绕组轴线处为空间坐标原点；α正方向为正相序（ABC）的方向。三相合成磁势为：

行波方程行波方程说明：分析：①性质－－为旋转磁势；②转速－－；若想反向旋转，可任意调换其中的二相；n0－－对于交流电机称为同步转速；三相异步电机工作原理三相交流异步电动机也是用三相交流电产生的旋转磁场来带动电动机转子旋转的，转子不是永磁的也不是线绕电磁的，在转子铁芯上镶嵌着一个“鼠笼”。下图是一个铜制的鼠笼，由多根铜条与两个铜端环组成，铜条与铜端环有良好的电连接。鼠笼上的铜条一通电流，在旋转磁场下就会产生旋转的洛伦兹力，带动鼠笼旋转绿色表示电流指向屏幕外，红色表示电流指向屏幕内，黄色表示无电流显然，鼠笼是不可能与磁场同步旋转的，只有鼠笼比磁场转的慢才有鼠笼与磁场的相对转动，才能切割磁力线感生电流，感应电流在洛伦兹力作用下推动鼠笼转子异步旋转。鼠笼与磁场转速之差称为转差，转差大则感生电流大，电流大则力大，力大则增加鼠笼转速。转差与力会形成平衡，鼠笼转速将稳定在某一转差值。为增大导磁率，鼠笼是嵌装在转子铁芯内的。把鼠笼转子插入定子铁芯中，组成一个三相交流异步电动机原理模型。通上三相交流电，电机就旋转了。由于转子旋转速度比旋转磁场慢，故称之为异步电动机。转子与旋转磁场旋转速度之差再与磁场旋转速度之比称为转差率，一般异步电动机运行时的转差率为2%至6%，输入三相交流电为50周时，鼠笼转子每分钟转速约2820至2940转。异步电机结构三相交流异步电动机的定子铁芯由硅钢片叠成，在铁芯内圆有许多槽，用来嵌放定子绕组，见下左图。电动机的转子铁芯也由硅钢片叠成，在铁芯外圆有许多槽，用来嵌放转子绕组，见下中图。下右图是转子铁心插入定子铁心示意图，定子铁芯与转子铁心之间留有气隙。定子铁芯的槽内嵌放着定子绕组，即三相交流绕组，接入三相交流电源就可产生旋转磁场三相交流异步电动机的转子铁芯外周的许多槽是用来嵌放转子绕组，应用最广的小型异步电动机采用在转子铁芯上直接浇铸熔化的铝液形成鼠笼转子，在转子槽内直接形成铝条即绕组，并同时铸出散热的风叶，简单又结实，下图是铸有笼型绕组的转子。最后加上散热风扇，前后端盖等等外围以后，异步电机就形成了。三相交流异步电动机以其结构简单，密封性好，维护容易，价格低廉而广受欢迎，应用非常广泛。定子的旋转磁场以同步转速n1切割绕组产生E1和E2电势比三相异步电机运行原理转子静止时----绕组开路（定子单独作用）N1,N2分别为定子，转子一相绕组匝数。kw1，kw2分别是旋转磁场和气隙磁场基波绕组系数这种情况下，转子a相绕组轴线会滞后定子a相绕组轴线一个角度，异步电机起移相器的作用。（相当于定子转，转子停）转子静止时----转子绕组短路与前不同，出现I2→转子磁动势F2，由于转子不转E2的频率f2与定子f1频率相同；定子电流I1＝I10＋（－I2/ki）电流比m1，m2是定子转子相数在异步电机气隙中，全部磁动势都由定子电流产生。一个用来产生旋转磁场，另一个用来平衡转子磁动势二、转子旋转后(带负载)异步电机正常运行时，转子绕组一般是闭合的，而且一般是短路的。变化最大的是转子电路！①转子电动势频率当转子旋转时，转子绕组的电动势，电流的频率取决于气隙中的旋转磁场和转子的相对转速。转子转速n，气隙旋转磁场n1②转子电动势③转子绕组漏电抗E20对应于定子频率的转子相绕组电动势，即转子不转，主磁通仍为Φ1时转子相电动势。X20对应于定子频率f1时的转子漏电抗三相异步电动机的实际电路实际电路－－定、转子回路为两个不同频率的交流正弦电路，没有办法直接分析和计算。

因此，首先要设法统一这两个电路的频率－－称为频率的归一化处理（频率折算）。

异步电机中，由于转子是旋转的，随着转速不同，转子电动势的频率是不同的，这为问题的分析带来了麻烦，因此需要将不同的转速变换到一个特定的转速下研究问题。旋转时异步电动机的电路①

频率归算频率归算——保持整个电磁系统的电磁性能不变，把一种频率的参数和物理量换算成另一种频率的参数和物理量。在这里，就是用一个具有定子频率而等效于转子的电路去代换实际转子电路。所谓“等效”是指：1）进行代换后，转子电路对定子电路的电磁效应不变。2）等效的转子电路的电磁性能（有功功率、无功功率、铜耗等）必须和实际转子电路一样。下面考虑两种转子电路（1）静止；（2）以转差率s旋转的转子；以转差率s旋转的转子静止转子电路中电流从旋转磁动势幅值的计算公式中可以看出，

若保持两者电流幅值相等，则可以使两者产生的旋转磁动势幅值为相等。转子电阻的变化转子真实电阻为r2，但在等效静止转子中电阻为r2/s，出现了一个附加电阻。附加电阻上产生的功耗，实质上表征了异步电动机的机械功率相当变压器模型

异步电动机的等效电路等效平衡方程为：几种异步电动机的典型运行情况1、空载运行2、额度负载下运行转子电路基本上是电阻性的，功率因数较高。3、起动时的情况附加电阻为零，起动电流很大，功率因数较低。

三相异步电动机的参数测定异步电机中有两种参数：（1）空载励磁参数：励磁电阻、励磁电抗、励磁阻抗（2）堵转参数：定子电阻、定子漏抗、转子电阻、转子电抗一、空载试验及空载时参数的确定1、空载试验试验条件：（1）轴上不带任何负载；（2）异步电动机在额定频率下运行；（3）电压从1.1－1.3倍额定值逐渐降低，直到转速发生明显的变化（转差率明显增大）获得数据：端电压、空载电流、空载功率、转速空载特性曲线2、励磁参数与铁耗及机械损耗的确定异步电机空载时，输入功率补偿定子铜耗、铁耗、机械损耗：铁耗正比于电压平方，做出铁耗与机械损耗之和与电压平方的曲线；延长该曲线与纵轴的相交，该交点所对应的只就为机械损耗值；剩余部分就是铁耗值；异步电机空载时，转差率近似为零，负载引起的附加电阻为无穷大，等效电路开路：二、堵转试验及堵转时参数的确定1、堵转试验异步电机堵转时，转差率s＝1，附加电阻为零，转子短路：实验条件：电压从0.4倍额定值逐渐降低获得数据：堵转电压、堵转电流、堵转功率

忽略励磁支路，忽略定子中的铁耗，机械损耗为零。输入功率完全用于抵消定转子铜耗。从异步电机堵转时的等效电路可知根据不同的电机极对数、功率等级可以将电抗值分离。转矩平衡关系在式

的两边同时除以机械角速度得：即：或电磁转矩电磁转矩等于电磁功率除以同步角速度，也等于总机械功率除以转子机械角速度。物理表达式表明：三相异步电动机的电磁转矩是由主磁通与转子电流的有功分量相互作用产生的。电磁转矩三种表达式参数表达式：说明：电磁转矩与电源参数（Ｕ、f）、结构参数（r、x、m、p）和运行参数（s）有关。临界转差率sm和最大电磁转矩Tmax由两个表达式可见当其它参数一定时：1、最大电磁转矩与电源电压平方成正比；临界转差率与电源电压无关。3、频率越高，最大电磁转矩和临界转差率越小；

漏抗越大，最大电磁转矩和临界转差率越小；2、转子回路电阻越大，临界转差率越大；最大电磁转矩与转子电阻无关。4、过载能力起动转矩Tst和起动转矩倍数Kst当其它参数一定时:1、起动转矩与电源电压平方成正比；2、频率越高，起动转矩越小；漏抗越大，起动转矩越小；3、绕线式电动机，转子回路电阻越大，起动转矩先增后减。4、起动转矩倍数实用表达式已知电机的额定功率、额定转速、过载能力忽略空载转矩，有将Tm和sm代入即可得到机械特性方程式异步电机的固有机械特性异步电机固有（自然）特性的条件：①施加电源电压额定ｕ＝ＵN；②电源频率额定ｆ＝ｆN；③定子按规定方式接线；④定转子不串R、L、C。★异步电机机械特性由下三点确定曲线：Ｔ－同步转速点（T＝０，ｎ＝ｎ０）Ｄ－最大转矩点（T＝Tｍ，Ｓ＝Ｓｍ）Ｑ－起动点（ｎ＝０，T＝Tst）●●●nSmTmTstDTQ↓S001Tn0异步电机工作特性一，转差率特性空载运行时，输出功率P2=0，在[0,Sm]区间，近似有即P2增大，s增大，转速n则减小二，效率特性先增后减当P2从零开始增加时，总损耗∑P增加较慢，效率上升很快，在可变损耗与不变损耗相等时，效率达到最大；当P2继续增大，由于定，转子铜耗加快，效率反而下降。三，功率因素特性（cosφ1先增后减）空载时功率因数很低，通常小于0.2.随着P2增大，定子电流有功分量增大，cosφ1增大，在额定附在附近，cosφ1达到最大值；当P2继续增大时，转差s变大，使回路阻抗角变大，从而cosφ1下降四，转矩特性T2线性正相关五，定子电流特性空载运行时，定子电流近似等于励磁电流；随着P2增大，定子电流也增大。三相异步电机启动与调速启动1.直接启动直接起动也称全压起动，起动时通过三相闸刀或磁力起动器将定子绕组直接通上额定电压的电源。这种方法设备简单，操作方便，但起动电流较大，可达额定电流的４～７倍。一般不可取。2.降压启动之定子串电抗降压启动直接起动电流为I1st，降压起动电流为I1st’

I1st’＝I1st／ａ

(ａ>1为起动电流所需降低的倍数)而Tst’＝Tst／a2

(起动转矩Tst比电流下降得多)在已知a情况下，可以求得3、星—三角（Y－△）起动只有正常运行时△接法,且又有首尾6个出线端的电动机可在起动时Y接法，正常运行时又改成△接法,从而实现降压√3倍起动。

UY1I1st’11由---＝-------＝-------＝---U△√3I1st(√3)23∴Tst’＝Tst／3条件：1°只能用于轻载和空载起动；

2°正常运行为△接法的电机；

3°电动机必须有六个抽头。若Y/△380/220这种电机则不行（在只有380V三相电源时）若Y/△660/380只有380V电源时便可。4、自耦变压器降压起动自耦变压器降压启动器由一台三相Ｙ形连接的

自耦变压器和切换开关组成，又称起动补偿器。右图为自耦变压器一相绕组接线图

N1

u1

I2其变比为：---＝----＝---＝ａ>１

N2u2I1降压起动时，自耦变压器原边电压U1为UN

；副边电压U2就是异步电动机降低了的电压U1’其降压倍数为：

U1

Ue-----＝-----＝ａ>１

U2U1’设全压起动电流为I1st；自耦变压器降压起动电流为I1st’(I2)

I1st’=I2／a＝I1st／a2同样：Tst’=Tst/a2

由上可知Tst’与I1st’降低倍数相同,这是自耦变压器降压起动的优点。可将自耦变压器做成不同变比的抽头,以适应不同起动转矩的要求

三相异步电动机的制动与直流电动机的运行相似，三相异步电动机也可运行于制动状态：当T与n方向相同，电机运行于一、三象限，为电动状态；当T与n方向相反，电机运行于二、四象限，为制动状态。异步电动机制动运行的作用仍然是快速减速或停车和匀速下放重物。１、转子反转的反接制动绕线式异步电机定子电源正向连接，使其定子磁动势旋转方向为n1，但由于转子回路串有较大电阻，电机启动时电磁转矩Tst与负载转矩Tz方向相反，且Tst<Tz,则在Tz的作用下，电机反向加速在C达到平衡。

特点：转差率Ｓ>1，能量消耗多；

应用：改变RΩ得到不同下放重物的转速。②nTA’ABCTz２、定子两相(电压)反接的反接制动两相电压反接→n0变负→转子切割磁场方向改变随着切割速度加大→I2↑→T↑(T方向改变)而n方向未变，BD区间为制动状态。从Ａ点→B点，转差率接近2。

-ｎ0－nBn0－nBSB＝--------＝-------≈２

-ｎ0

ｎ０电势，电流均很大SE2≈２E2→Ｉ2↑异步电机电压反接制动时若不在转子串电阻,制动的转矩和电流反而小。n-n0T-TBABDC-nCE二、回馈制动的运行状态在上图ＥＣ区间：电机的T与n反向，且n>n0∴为回馈制动。电机的回馈制动还可能出现在第二象限。

n-n0T-TBABDC-nCE可以看出，在反向回馈制动时，电动机转子绕组从转轴上吸收机械功率，并且电动机定子绕组向电网输出电功率，即工作在发电机状态。三、能耗制动的运行状态与直流电机不同的是:异步电动机断开电源时,定子失去磁场,若想进行能耗制动，须在定子绕组另外施加直流励磁。右图K1合上K2断开电机处电动状态；若K1断开K2合上在定子绕组通入直流电流，于气隙中建立恒定磁场，由惯性旋转的转子切割磁力线感应电动势、产生电流、产生制动作用的电磁转矩，电机处于能耗制动。机械惯性转变为电能消耗在转子回路的电阻上。当n＝0动能降为零，制动过程结束。三相异步电动机的调速方法三相异步电动机运行时，其转速为：

变极调速调压调速调速方法变Ｓ调速转子串电阻调速变频调速串级调速电磁离合器调速

1.变极调速一、变极原理：异步电动机的同步转速n0与极时数p成反比，改变极对数，就改变了同步转速，实现了变极调速。★三相异步电机定子绕组极对数是由绕组接线方式决定的。

双绕组变极:两套不同极对数定子绕组,每次用其中一套单绕组变极:改变绕组联结方式来获得两种或多种极对

倍极比（如2/4极4/8极）单绕组变极非倍极比（4/6极6/8极）三速（2/4/8极4/6/8极等）变极方法

变S调速--转子串电阻调速转子电路串电阻调速属改变转差率调速。调速方法的特点是在调速过程中都产生大量的转差功率。(消耗在转子电路）特点：①设备较简单,初期投资小；②只能为有级调速；③属恒转矩调速方式；④只宜带负载调速，空载时转速变化不大；⑤低速运行时,特性软、损耗大、效率低、不宜长期工作。

适用于起重机类型机械和通风机负载。nT

变S调速--串级调速为了克服以上调速不足，设法将转差功率利用起来，便出现了串级调速方法。所谓串级调速，就是在异步电机转子内引入与转子电势E2频率相同而且相位相同(或相反)的附加电势Ef，通过改变Ef值大小来实现调速。串入电势Ef与E2同相位：串入Ef后：SE2→(SE2+

Ef)↑→Ｉ2↑→T↑>Tz→n↑→→S↓→(SE2+

Ef)↓→Ｉ2↓→T↓=Tz当串入的Ef值足够大时,使电动机转速超过同步转速,使S变负(SE2)反相——超同步串级调速。串入同相位Ef的幅值越大,电动机转速越高。S很小(2~5%)SE<<r2

变频调速一、调速原理：ｎ＝ｎ0(1－S)＝60f1(1－S)／p改变频率f1则能变ｎ0→变ｎ，达到调速的目的。通常把异步电动机定子的额定频率称为基频。变频可从基频向下调节，也可以向基频以上调节。二、向基频以下调节的变频调速忽略定子阻抗压降后：U1≈E1=4.44f1↓N1kw1Φm↑→Ｉm↑→cosφ↓→pFe↑在额定情况下，主磁路已接进饱和；Φm再增大，主磁路必然过饱和，这使励磁电流急剧增加，铁损增加，cosφ下降。由上式：若在降低f1时，U1也随之降低，即可保持Φm不变，配合控制的方法主要有以下两种。Φm↑磁路过饱和1、保持E1／f1＝Ｃ(恒磁通控制方式)保持E1／f1＝常数进行变频时，f1为不同值时，各机械特性曲线是互相平行的一组曲线。∵E1／f1＝Ｃ则E1＝

Ｃf1式中：ｒ2‘、Ｃ及Ｌ２’均为常数，因此Ｉ2’仅由Ｓf1决定；∴保持E1／f1为常数的变频调速属于恒转矩调速方法。该调速方法与他励直流电动机降压调速相似，具机械特性硬，在一定静差率要求下调速范围宽，低速运行时稳定性好，可连续调节,所以可为无级调速。平滑性好。电动机拖动正常负载在不同转速下运行时,转差率较小，因此转子铜损耗小，效率高。nTzT2、保持Ｕ1／f1＝Ｃ(近似恒磁通控制方式）Ｕ1／f1

称为压频比，是异步电动机变频调速常采用的一种配合控制方式：保持Ｕ1／f1为常数降低频率调速时，最大转矩Tｍ随f1降低而减少，这是由于定子电阻ｒ1上的压降引起的。由于Ｕ1／f1＝常数，Φｍ≈常数∴这种调速方法属于过似的恒转矩调速方法。nTn0n0’n0〞fef1f2三、向基频以上调节变频调速在基频以上变频调速时，f1＞fe（基频）要保持Φｍ恒定，定子电压Ｕ1需要高于额定值，这是不允许的。因此基频以上变频调速时,应使Ｕ1保持额定值不变,这样,随着f1升高,气隙磁通将减少,相当弱磁调速方法。由上知：当Ｕ1＝Ｕe不变时，

f1＞fe

变频调速时Tm与f12成反比减小；Sm与f12成反比减小；而△nm保持不变，即不同频率下各机械特性曲线的稳定运行区段近似平行。运行时若Ｕ1＝ＵN不变，则不同频率下S变化不大，因Pdc≈常数可近似认为属于恒功率调速方式。nTfef1f2f3f3>f2>f1>fe归纳特点：①基频以下变频时，应U1与f1配合控制：保持E1／f1＝Ｃ为恒磁通变频调速，属恒转矩调速方式；保持U1／f1＝Ｃ为近似的磁通变频调速，属近似转矩调速方式；②基频以上变频调速时，保持U1＝Ue，随f1↑→Φm↓→Tm∝1/f12属于近似恒功率调速方式；③机械特性曲线基本平行于自然特性－－属硬特性，调速范围宽，转速稳定性好；④运行时S小，转差功率损耗小，效率高；⑤f1可连续调节，能实现无级调速。鉴于以上优点，由于大功率电子器件研制和开发，变频器的性能不断提高和价格降低，变频调速运用越来越广泛。同步电机同步电机也是交流电机。同步电机可以作发电机用。世界上各发电厂和发电站所发出的三相交流电电能，都是三相同步发电机发出的；也可以作电动机使用，三相同步电动机的特点是：电压高（6kV以上），容量大（250kW以上），转速恒定，无启动转矩；在启动过程中转子绕组能产生极高的感应电动势；调节励磁电流可改变电动机的功率因数，从而改善整个电网的功率因数等。

同步电动机的特点同步电动机转子的转速n与定子电源频率f1、极对数p之间应满足：

上式表明，当定子电源频率f1不变时，同步电动机的转速为常数，与负载大小无关（在不超过其最大拖动能力时），这是同步电动机最大的优点。

三相同步电动机的基本工作原理如果三相正弦电流通入三相同步电动机的定子绕组时，就会产生旋转速度为n1的旋转磁场。转子励磁绕组通电时建立固定磁场。假如转子以某种方法起动，并使转速接近n1，这时转子的磁场极性与定子旋转磁场之间异极性对齐（定子S极与转子N极对齐）。根据磁极异性相吸原理，定转子磁场之间就产生电磁转矩，促使转子跟旋转磁场一起同步转动，即n＝n1，故称为同步电动机。把永久磁铁转子放在能产生旋转磁场的定子铁芯中，它将会跟随旋转磁场同步旋转，其转速与旋转磁场一致。当定子通入三相电流，形成旋转磁场后，同步电机转子则以相同速度旋转。市场上也有很多不是永磁定子的，而多数是电励磁的，转子上有励磁绕组，用直流励磁电源产生固定磁场。启动比较复杂，交流转子不可能一下子跟上旋转磁场的速度永磁同步电机结构永磁同步电动机的定子结构与工作原理与交流异步电动机一样，多为4极形式，三相绕组按3相4极布置，通电产生4极旋转磁场。永磁同步电动机与普通异步电动机的不同是转子结构，转子上安装有永磁体磁极，下左图就是一个安装有永磁体磁极的转子，永磁体磁极安装在转子铁芯圆周表面上，称为凸装式永磁转子。磁极的极性与磁通走向见下图，这是一个4极转子。同样，另一种安装有永磁体磁极的转子，永磁体磁极嵌装在转子铁芯表面，称为嵌入式永磁转子。磁极的极性与磁通走向见下图，这也是一个4极转子。组装完成后这种永磁同步电动机不能直接通三相交流的起动，因转子惯量大，磁场旋转太快，静止的转子根本无法跟随磁场旋转。这种永磁同步电动机多用在变频调速场合，启动时变频器输出频率从0开始上升到工作频率，电机则跟随变频器输出频率同步旋转，是一种很好的变频调速电动机。通过在永磁转子上加装笼型绕组，接通电源旋转磁场一建立，就会在笼型绕组感生电流，转子就会像交流异步电动机一样起动旋转。这就是异步起动永磁同步电动机，是近些年开始普及的节能电机。同步电机的额定值①额定容量SN或额定功率PN。指电机在额定状态下运行时，输出功率的保证值。对同步发电机是指输出的额定视在功率或有功功率，常用kV·A或kW表示。同步电动机的额定容量一般都用kW表示。同步调相机则用kV·A或kvar表示。②额定电压UN。指电机在额定运行时的三相定子绕组的线电压，常以kV为单位。③额定电流IN。指电机在额定运行时三相定子绕组的线电流，单位为A或kA。④额定频率fN。我国标准工频为50Hz。⑤额定功率因数cosφN。指电机在额定运行时的功率因数。同步电机的励磁方式同步电机运行时必须在转子绕组中通以直流励磁电流，以建立主磁场。所谓励磁方式是指同步电机获得直流励磁电流的方式。而整个供给励磁电流的线路和装置称为励磁系统。励磁系统和同步电机有密切的关系，它直接影响同步电机运行的可靠性、经济性以及一些主要特性。常用的励磁方式有直流励磁机励磁、静止半导体励磁、旋转半导体励磁、三次谐波励磁等。①直流励磁机励磁用直流发电机作为励磁电源向同步发电机提供励磁电流，称为直流发电机励磁系统。在大功率整流器件获得迅速发展以前，这是同步发电机最基本的励磁方式，属于他励式中的一种。通常直流励磁机与主发电机装在同一转轴上，称为同轴励磁机。②静止半导体励磁如果励磁电源直接取自同步发电机本身，取消交流励磁机，便称为自励式静止半导体励磁。这是主发电机的励磁电流由整流变压器取自自身输出端，经过三相晶闸管整流装置转变为直流，③旋转半导体励磁主励磁机系一台旋转电枢式交流发电机，电枢与主发电机同轴运转，半导体整流装置也装在主发电机转子上。这样主励磁机的电枢绕组与半导体整流装置和主发电机励磁绕组三者之间就可以采用固定连接，不需要电刷和滑环装置，故此种励磁也称为无刷励磁。④三次谐波励磁三次谐波励磁，就是利用发电机气隙磁场中得三次及其倍数次谐波进行自励磁。同步电动机的电压方程式和相量图说明：为了分析方便，假设电动机主磁路未饱和，

认为磁路是线性的，且只考虑定、转子的基

波磁势。由于同步电动机能量交换是在定子侧，所以

将定子称为电枢，定子绕组称为电枢绕组分析

当同步电动机的电枢绕组通入三相对称交流电后，就会产生以同步转速n1旋转的三相合成基波电枢磁势Fa。

当同步电动机稳定运行时，转子也以同步转速n1旋转，在励磁绕组中通入直流励磁电流If，使转子形成固定磁极，励磁电流产生励磁磁势F0，励磁磁势F0与电枢磁势Fa同速同方向旋转，彼此在空间是相对静止的，这样在电机的主磁路上有两个磁势，它们相互叠加，形成了合成磁场。电枢反应在电机的主磁路上有两个磁势，它们相互叠

加，形成了合成磁场。我们把电枢磁场对主

磁场的影响称为电枢反应。电枢反应：指电枢磁场对主磁场的影响。注：电枢一般指电机需要外接电源的部分。直流电机电枢为转子，交流电机电枢为定子。1、隐极同步电动机电压方程式和相量图气隙中的合成磁势为：合成磁势、主磁势和电枢磁势分别切割电枢绕组，则在电枢绕组上分别产生感应电势为：隐极同步电动机的电磁关系电枢一相绕组的电压方程式式中r1为电枢绕组电阻，一般同步电动机容量都较大，电阻r1很小，常忽略；x1为电枢漏电抗。化简仿变压器或异步电动机中使用的将漏电抗电势写成漏阻抗压降的方法，也可将电枢磁势Fa产生的电枢电势Ea写成电抗压降的形式，则有式中xa为电枢电抗，或称电枢反应电抗，它对应于主磁路，故xa>x1，一般有xa=(5~8)x1，这样上式可改写成：式中xc=x1+xa为隐极同步电动机的同步电抗隐极同步电动机等值电路和相量图分析从相量图中可见，定子电流I1超前电源电压U1，它可通过调节直流励磁电流使同步电动机工作在这种状态，目的是使同步电动机在拖动负载的同时，对电网呈容性，起电容补偿作用，以提高电网的功率因数。2、凸极同步电动机电压方程式和相量图凸极同步电动机转子有明显的磁极，气隙不均匀，转子磁极中心线附近气隙最小，磁阻最小，磁导最大；而在转子磁极几何中心线处气隙最大，磁阻最大，磁导最小，所以磁通所走的路径不同，所遇的磁阻不同，对应的电抗参数也就不同。电枢反应当定子电流I1产生的电枢磁势Fa与主磁极轴线重合，气隙最小，磁阻最小，相应的电抗为最大；这时所对应的电枢电抗称为电枢反应直轴电抗，用xad表示；当定子电流I1产生的电枢磁势Fa与主磁极轴线正交时，气隙最大，磁阻最大，相应的电抗为小；这时所对应的电枢电抗称为电枢反应交轴电抗，用xaq表示；当电枢磁势位于直轴与交轴之间时，相应的气隙、磁阻、和电枢反应电抗处于上面两种情况之间，且随位置不同而变化。说明为了解决电枢磁势Fa在不同位置时遇到不同气隙，其磁阻计算困难的问题，可将电枢磁势分解成两个分量：一个分量是直轴电枢磁势，用Fad表示，它作用在直轴方向；另一个分量是交轴电枢磁势，用Faq表示，它作用在交轴方向，则有：同理，对应产生电枢磁势Fa的电枢电流I1也可分解成两个分量，即这种分析问题的方法是以叠加理论为基础的“双反应法”电磁关系根据“双反应法”，凸极同步电动机电磁关系如下：电枢磁势直轴电枢磁势Fad和交轴电枢磁势Faq在气隙圆周上同样以同步转速n1旋转，它们切割定子绕组在其上产生的感应电势Ead和Eaq，正是电枢磁势Fa在定子绕组上产生的感应电势Ea的两个分量，所以有：式中Ead称为直轴电枢反应电势，其对应的电抗是xad；Eaq称为交轴电枢反应电势；其对应的电抗是xaq。这里xad和xaq分别是直轴电枢反应电抗和交轴电枢反应电抗，若不考虑磁路饱和的影响，xad和xaq都是常数。凸极同步电动机的电压方程式直轴和交轴电流分量为（见向量图）凸极同步电动机相量图(a)（考虑饱和）实部变虚部，正转90度一般都是已知U,I，φ，来画出E0凸极同步电动机相量图(b)（不饱和）分析根据相量图所示的几何关系可推出所以有：分析式中xd=xad+x1为直轴同步电抗；xq=xaq+x1为交轴同步电抗，绘制对应的相量图，图中相量Ì1与Ù1的夹角为φ，成为功率因数角；相量Ì1与-È0的夹角为ψ，称为内功率因数角；相量Ù1与-È0的夹角为θ，称为功角，三者之间有下列关系：同步电动机的功角特性和矩角特性前面在介绍直流电动机和三相异步电动机时，都重点分析了对应的机械特性T=ƒ(n)，而同步电动机由于以同步转速n1转动，转速不随转矩变化，其机械特性为一条直线。在同步电动机中，功率或转矩是随功角变化的，所以下面讨论功角特性Pem=ƒ(θ)和矩角特性T=ƒ(θ)。1、同步电动机的功率和转矩平衡方程式同步电动机的功率平衡方程式为说明上式中P1为同步电动机从电网吸收的有功功率；pCu为定子铜损；Pem为同步电动机的电磁转矩；P2为电动机的输出功率，p0为同步电动机的空载损耗，pm为机械损耗；pFe为铁损耗；pad为附加损耗。同步电动机的功率关系也可用功率流程图表示。转矩平衡方程式从上述功率平衡方程式可推出同步电动机的转矩平衡方程式为式中T为电磁转矩；T2为输出转矩；T0为空载转矩。2、同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性是指在外加电源电压和励磁电流不变的条件下电磁功率Pem和功角θ之间的关系曲线，即Pem=ƒ(θ)。忽略定子铜损由相量图可推出上式为凸极同步电动机功角特性表达式，从上式中可见，电磁功率分两部分：一部分是与励磁电流If产生的电势E0成正比，称为励磁电磁功率（或称基本电磁功率），可表示为当U1=常数，改变励磁电流If可改变E0的大小，即可改变Pem1的大小，Pem1与功角之间的关系见曲线1所示；另一部分与励磁电流大小无关，称为凸极电磁功率（或称附加电磁功率），可表示为：可见，对于气隙均匀的隐极转子同步电抗为xc=xd=xq，所以Pem2=0。凸极电磁功率Pem2与功角之间的关系如图曲线2所示。图中曲线3是凸极同步电动机的功角特性，它是曲线1和曲线2的合成，隐极同步电动机功角特性表达式为：3、同步电动机的矩角特性将功角特性表达式两边同除以同步角速度Ω1可得凸极同步电动机矩角特性：同理隐极同步电动机矩角特性为：4、同步电动机的稳定运行以隐极同步电动机为例。在0<θ≤90°范围内，同步电动机原运行在A点，对应的功角为θ1，T=TL。现电动机所带负载出现扰动，假设负载增大到TLˊ，这时转子减速使功角增大至θ2，产生新的电磁转矩Tˊ与负载转矩平衡，即Tˊ=TLˊ，使电动机继续同步运行，同理，如果负载扰动消失，电动机要加速使功角恢复至θ1，所以电动机能稳定运行。在90°<θ≤180°范围内，同步电动机运行在B点，对应的功角为θ3，T=TL，现电动机出现扰动，假设负载增大到TLˊ，这时转子减速使功角增大至θ4，此时对应的转矩为T“，T”<TLˊ，则功角继续增大，随着功角的增大，对应的电磁转矩更小，这样下去，无法达到新的平衡，电动机会出现失步。从上述分析可见，在0<θ≤90°范围内，同步电动机能稳定运行；在90°<θ≤180°范围内，同步电动机不能稳定运行，θ=90°是稳定运行和非稳定之间的转折点。实际产生中要考虑同步电动机应具有一定的过载能力，过载能力为：一般过载系数λm=2～3，隐极同步电动机的额定功角θN=20°～30°，凸极同步电动机的额定功角则更小一些。同步电动机的励磁调节和V形曲线1、励磁调节电力网的主要负载是变压器和三相异步电动机，它们都是感性负载，不仅要消耗有功功率，还要从电网中吸取滞后的无功功率，使电网功率因数下降。而由于同步电动机是双边励磁机，它可通过调节励磁电流，来调节同步电动机的无功电流和功率因数，从而提高电网的功率因数。线路电感造成的线路电压降为无功电压，无功电压与线路电流有90度的相位差以隐极同步电动机为例分析设忽略定子绕组损耗，在拖动恒转矩负载运行时有在磁路不饱和情况下有：E0∝Ff∝If，电网电压=U1常数，同步电抗xc=常数，则：E0sinθ=常数、I1cosφ=常数。说明改变励磁电流，可改变功率因数，图中画出了三种不同励磁电流情况下的相量，现分析如下：①当正常励磁时If，对应的感应电势为E0，电枢相电流I1和定子相电压U1同相位，电动机的功率因数cosф=1，无功功率为零，说明电动机只消耗有功功率，不消耗无功功率，电动机对电网呈纯电阻性。②当减小励磁电流为If′(If′<If)，对应的感应电势为E0′，电枢相电流I1′滞后定子相电压U1φ′相位角，电动机的功率因数cosф<1，这时电动机不仅消耗有功功率，还要从电网吸收滞后的无功功率，电动机对电网呈感性负载，这种励磁方式称为欠励，它加重了电网的负担，一般不采用这种运行方式。③当增大励磁电流为If″(If′>If)，对应的感应电势为E0″，电枢相电流I1″超前定子相电压U1φ″相位角，电动机的功率因数cosф>1，这时电动机除从电网吸收有功功率，同时也从电网吸收超前的无功功率，电动机对电网呈容性负载，这种励磁方式称为过励，这种运行方式能提高电网的功率因数。2、V形曲线同步电动机的V形曲线指：在保持电压U和负载TL不变的条件下，电枢电流I1与励磁电流If之间的关系曲线，即I1=ƒ(If)。V形曲线可通过试验测得。同步电动机的V形曲线分析从图中可见，不同的负载对应一条V形曲线，对于每条V形曲线，电枢电流I1都有一最小值，曲线最低点的功率因数cosφ=1，是正常励磁点，以此点为界，左边是欠励，右边是过励；V形曲线的左上半部分，其功率因数已超出对应于稳定极限的数值，所以是不稳定区。从前面介绍的同步电动机基本工作原理可知，若将同步电动机同时双边励磁，由于定子旋转磁场转速为同步转速n1，而起动瞬间转子处于静止，气隙磁场与转子磁极之间存在相对运动，不能产生平均的同步电磁转矩，即同步电动机本身没有起动转矩，使电动机自行起动。方法为了解决起动问题，必须采取其它方法，常用的方法有：①辅助电动机起动法；②变频起动法；③异步起动法。1、辅助电动机起动法辅助电动机起动法是选用一台与同步电动机极数相同的小型异步电动机作为辅助电动机，起动时，先起动辅助电动机将同步电动机拖动到异步转速，然后将同步电动机投入电网，加入励磁，利用同步转矩把同步电动机转子牵入同步，同时切除辅助电动机电源，这种方法适用于同步电动机的空载起动2、变频起动法由于恒频起动时，作用在转子上的平均转矩为零，使电动机无法自行起动。变频起动法是在起动前将转子加入直流，利用变频电源使频率从零缓慢升高，旋转磁场牵引转子缓慢同步加速，直至达到额定转速，起动完毕。这种方法多用于大型同步电动机的起动。3、异步起动法异步起动法是在转子上加装起动绕组，其结构如同异步机的鼠笼绕组。起动时，先不给励磁绕组励磁，同步电动机定子绕组接电源，通过起动绕组作用，产生起动转矩，使同步电动机自行起动，当转速达95%同步转速左右后，给同步电动机的励磁绕组通入直流，转子自动牵入同步。注意：起动过程中励磁绕组既不能开路，也不能直接短接。若励磁绕组开路，在高转差率情况下，旋转磁场会在励磁绕组中产生较高的感应电势，易损坏绕组绝缘；若励磁绕组直接短路，将产生单轴转矩，有可能使电动机起动不到接近同步转速，解决的办法是：起动过程中在励磁绕组回路串入n5～10倍励磁绕组电阻的附加电阻，电动机起动到接近同步转速时，再切除附加电阻，同时给励磁绕组通入直流，牵入同步，完成起动

同步发电机三相突然短路一、突然短路的特点稳态短路时，由于同步电抗较大，因而其稳态短路电流并不大，而突然短路时，由于限制其电流的超瞬变电抗很小，而且含有直流分量，因而突然短路电流很大，其峰值可以达到额定电流的十多倍。随着这一冲击电流的出现，电机的绕组将受到很大的冲击电磁力的作用，可能使绕组变形，甚至绕组的绝缘受损。突然短路过程中，电机受到强大的短路转矩的作用，可有发生振动。电机的定转子绕组出现过电压现象二、突然短路时电机内部物理现象的特点稳态短路时，电枢电流是恒定的，相应的电枢磁动势是一个以同步速旋转的恒幅旋转磁场，因而不会在转子绕组中感应电动势，产生电流，从电流关系来看，相当于变压器的开路状态。突然短路时，电枢电流的大小是变化的，相应的电枢磁场的幅值是变化