注册电气工程师培训-电机部分

注册电气工程师培训

——电机部分主讲：王晓辉北京建筑大学wxhbucea@提纲静止电机——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（感应电机）电机是依据电磁感应定律实现电能转换或传递的电磁装置电机部分之一重点内容考试大纲静止电机变压器练习题电机部分之二考试大纲旋转电机感应电动机练习题重点内容电机部分之三考试大纲旋转电机同步电机练习题重点内容电机部分之四考试大纲旋转电机直流电机练习题重点内容考试大纲——变压器4.6.1了解三相组式变压器及三相芯式变压器结构特点4.6.2掌握变压器额定值的含义及作用4.6.3了解变压器变比和参数的测定方法4.6.4掌握变压器工作原理4.6.5了解变压器电势平衡方程式及各量含义4.6.6掌握变压器电压调整率的定义4.6.7了解变压器在空载合闸时产生很大冲击电流的原因4.6.8了解变压器的效率计算及变压器具有最高效率的条件4.6.9了解三相变压器联接组和铁芯结构对谐波电流、谐波磁通的影响4.6.10了解用变压器组接线方式及极性端判断三相变压器联接组别的方法4.6.11了解变压器的绝缘系统及冷却方式、允许温升考试大纲——感应电动机4.7.1了解感应电动机的种类及主要结构4.7.2掌握感应电动机转矩、额定功率、转差率的概念及其等值电路4.7.3了解感应电动机三种运行状态的判断方法4.7.4掌握感应电动机的工作特性4.7.5掌握感应电动机的启动特性4.7.6了解感应电动机常用的启动方法4.7.7了解感应电动机常用的调速方法4.7.8了解转子电阻对感应电动机转动性能的影响4.7.9了解电机的发热过程、绝缘系统、允许温升及其确定、冷却方式4.7.10了解感应电动机拖动的形式及各自的特点4.7.11了解感应电动机运行及维护工作要点考试大纲——同步电机4.8.1了解同步电机额定值的含义4.8.2了解同步电机电枢反应的基本概念4.8.3了解电枢反应电抗及同步电抗的含义4.8.4了解同步发电机并入电网的条件及方法4.8.5了解同步发电机有功功率及无功功率的调节方法4.8.6了解同步电动机的运行特性4.8.7了解同步发电机的绝缘系统、温升要求、冷却方式4.8.8了解同步发电机的励磁系统4.8.9了解同步发电机的运行和维护工作要点考试大纲——直流电机4.12.1了解直流电机的分类4.12.2了解直流电机的励磁方式4.12.3掌握直流电动机及直流发电机的工作原理4.12.4了解并励直流发电机建立稳定电压的条件4.12.5了解直流电动机的机械特性（他励、并励、串励）4.12.6了解直流电动机稳定运行条件4.12.7掌握直流电动机的起动、调速及制动方法4.6变压器注册电气工程师考试——电机部分之一单相变压器铁芯原边绕组副边绕组一、变压器的基本结构铁心：变压器的磁路。高、低压绕组：原边（一次绕组）：接电源的绕组副边（二次绕组）：接负载的绕组变压器符号：4.6.1三相组式和心式变压器了解三相组式变压器

体积小 重量轻 用于超高压、特大容量场合三相芯式变压器

材料省 效率高 经济分析要点： 铁芯结构 磁路特点 励磁电流和磁通情况4.6.1三相组式和心式变压器了解组式——各相磁路彼此独立各相主磁通以各自铁芯作为磁路。——铁芯独立，磁路不关联各相磁路的磁阻相同，当三相绕组接对称的三相电压时，各相的激磁电流和磁通对称。由三台完全相同（容量、变比）的单相变压器按三相连接方式连接而成三相组成变压器4.6.1三相组式和心式变压器了解芯式——各相磁路彼此相关通过中间三个芯柱的磁通等于三相磁通的总和。当外施电压为对称三相电压，三相磁通也对称，其总和

，即在任意瞬间，中间芯柱磁通为零。在结构上省去中间的芯柱4.6.1三相组式和心式变压器了解三相三铁芯柱变压器三相铁心互不独立三相磁路互相关联中间相的磁路较短，令外施电压为对称三相电压，三相激磁电流也不完全对称，中间相激磁电流较其余两相为小。与负载电流相比激磁电流很小，如负载对称，三相电流基本对称。中间相磁路短，磁阻小，激磁电流较小（F=ΦR）4.6.1三相组式和心式变压器了解1.额定电压U1N/U2N

指空载电压的额定值。即当

U1=U1N时,U20=U2N※

三相变压器是指线电压。2.额定电流

I1N/I2N

指满载电流值，即长期工作所允许的最大电流。※三相变压器是指线电流。4.6.2变压器的额定值掌握3.额定功率(额定容量)SN※

输出的额定有功功率：

PN=U2I2Ncos24.额定频率fN

一般：fN=50Hz（工频）

指视在功率的额定值。※

单相变压器：SN=U2NI2N=U1NI1N※

三相变压器：SN=√3U2NI2N=√3U1NI1N4.6.2变压器的额定值掌握接上交流电源原边电流i1等于励磁电流i10

产生感应电动势i10

产生磁通（交变）e,方向符合右螺旋法则1i空载运行：原边接入电源，副边开路。注意4.6.3变压器的变比和参数的测定了解结论：改变匝数比，就能改变输出电压。K为变比1u根据交流铁心线圈的电磁关系分析可得：mΦNfE1144.4=U1mΦNfE2244.4=U24.6.3变压器的变比和参数的测定了解有载运行：副边接入负载。E1U1E2U2忽略线圈电阻和漏磁通的影响所以，电压比为4.6.3变压器的变比和参数的测定了解

变压器的参数测定（测出等效电路）

一、空载试验▲测量:k、PFe、Zm低压侧高压侧AWVV+U1－▲实验数据：

U1N、I0、P0、U20。4.6.3变压器的变比和参数的测定了解3.励磁电阻：Rm≈R1+Rm=P0I024.励磁电抗:

Xm

=√|Zm|2－Rm25.电压比:U1NU20k=1.铁损耗:P0=

PFe+Pcu

=

RmI02

+R1I02PFe≈P0

2.励磁阻抗模：

|Z0|≈|Z1+Zm|=U1NI04.6.3变压器的变比和参数的测定了解二、短路试验高压侧低压侧▲实验方法：逐渐增加U1，使电流达到额定值：I1=I1NU1=(5%~10%)U1NVWA+U1－▲实验数据：US=U1、IS=I1N、PS。4.6.3变压器的变比和参数的测定了解2.短路阻抗：

|ZS|=USIS1.铜损耗:PCu≈PFe+PCu=Ps3.短路电阻：Rs=PsIs24.短路电抗:

Xs

=√|Zs|2－Rs24.6.3变压器的变比和参数的测定了解工作过程u2Φi1N1u1i2N2参考方向的确定原边是电源的负载；副边是负载的电源；N1N2e1e2原、副边的e与符合右螺旋法则；4.6.4变压器的工作原理掌握e2e1e1σΦi0Φ1σ空载运行注意：各量的参考方向。+u1－+u2－

施加u1→i0→N1

i0Φ1σΦe1e2→e1σ→u20R1i04.6.4变压器的工作原理掌握1.一次侧电路u1=R1i0－e1－e1σU1=R1I0－

E1－E1σE1σ=－jX1I0E1=－j4.44fN1Φm

U1=－E1+(R1

+

jX1)I0=－E1+Z1I0忽略Z1，则：U1

≈－E1=

j4.44fN1Φm

4.6.4变压器的工作原理掌握2.二次侧电路u20=e2U20=E2=－j4.44fN2Φm

3.一次侧与二次侧的电压关系:=k◆电压比：一般取高压绕组的电压与低压绕组的电压之比，——电压比≈U1U20E1E2=N1N2即：

k＞1。4.6.4变压器的工作原理掌握一、负载运行e2e2σe1e1σ+u1－i1ZLi2ΦΦ1σΦ2σ+u2－

施加：u1→i1→N1

i1Φ1σΦ

→e1σe1e2→→u2→i2→N2i2→Φ2σ→e2σ4.6.5变压器的电势平衡方程式了解①

磁通守恒，磁链守恒;②

从电磁关系分析:

N2i2

N1i1N1I1+

N2I2=N1I0

N1i0

→Φ

U1N4.44fN1Φm≈N1I1+

N2I2=0在满载或接近满载时，I0可忽略不计。4.6.5变压器的电势平衡方程式了解◆电动势平衡方程：一次侧：二次侧：U2=E2+

E2σ－R2I2≈－E1U1=－E1+(R1

+

jX1)I1=－E1+Z1I1=E2－(R2

+

jX2)I2=E2－Z2I2≈E2U2=ZLI24.6.5变压器的电势平衡方程式了解二、等效电路+U1－ZLI1R1X1－E1+－E2+X2R2I2－

U2

+4.6.5变压器的电势平衡方程式了解(1)

等效条件：

N2I2不变、P2不变。

(2)

用一个匝数为N1的假想绕组代替N2，使：E2´=E1N1N2e1e2(3)

折算后的二次绕组电流：N1I2´=N2I2I2´=N2N1I2=I2k(4)

折算后的二次绕组电动势和电压：匝数相同:E2´=E1=kE2输出功率不变:U2´I2´=U2I2U2´=I2I2´U2=kU2(5)

折算后二次绕组的阻抗：有功功率不变:R2´I2´2=R2I22R2´=

R2

I22I2´2=k2R2无功功率不变:X2´I2´2=X2I22X2´=X2I22I2´2=k2X2同理:Z2´=k2Z2ZL´=k2ZL◆

折算实质上是在二次绕组功率和磁通势保持不变的条件下，对绕组的电压、电流所进行的一种线性变换。T型等效电路：+U1－ZLI1R1X1－E1+－E2+X2R2I2－

U2

+Rm

XmE2´X2´

R2´U2´

I2´ZL´+U1－I1R1X1－E1=E2´+－

U2´

+Rm

XmX2´

R2´

I2´ZL´I0所谓变压器的电压调整率是指空载时的副边电压U20与负载时的副边电压差

与额定副电压U2N之比值，用百分数来表示，即4.6.6变压器的电压调整率掌握一般在5%以内空载电压满载电压现象： 合闸瞬间有超过额定电流的冲击电流（大大超过正常的空载电流）原因： 铁芯的饱和现象和剩磁的存在。影响：使保护误动作，影响合闸4.6.7变压器空载合闸产生冲击电流了解

1.变压器的损耗和效率变压器的损耗：主要包括铁损耗和铜损耗，即铁损耗（固定损耗）：变压器铁心中的磁滞损耗和涡流损耗。铜损耗（可变损耗）：电流通过变压器绕组时会产生损耗。效率：变压器的输出功率P2与输入功率P1之比，即

中、小型的电力变压器的效率在95%以上，大型电力变压器的效率可高达99%以上。

4.6.8变压器的效率了解为防止涡流损失，铁芯一般由一片片导磁材料叠合而成。变压器的损耗包括两部分：铜损(PCU)：绕组导线电阻所致。磁滞损失：磁滞现象引起铁芯发热，造成的损失。涡流损失：交变磁通在铁芯中产生的感应电流（涡流），造成的损失。铁损()：PFE4.6.8变压器的效率了解联结组：联结方式+联结组号。联结组号：表示高低压绕组相应线电动势之间相差。1.联结组的表示方式(1)单相电动势的相位关系EUEu**U1U2u1u2EUEu**相位关系:EUEuEUEuU1U2u1u24.6.9变压器的联接组的判别了解(2)三相变压器的联结组时钟表示法：高压绕组的线电动势（任取一个）作分针，指向12点；低压绕组对应的线电动势作时针，它们所确定的钟点数即为联结组号。2.

联结组判断方法(1)由联结图确定联结方式；(2)在联结图上标出高、低压绕组的线电动势和相电动势；(3)画出高压绕组的电动势相量图。星形联结时相电动势画成Y形，三角形联结时相电动势画成△形。4.6.9变压器的联接组的判别了解(4)画出低压绕组的电动势相量图。

先画相电动势相量，再画线电动势相量。(5)判断联结组号，写出联结组。找出某个对应的高、低压绕组的线电动势的相位差，确定钟点数。※

典型的联结组：Y,yn0、Y,d11、YN,d11。※三角形联结的两种方式：UVW顺接逆接UVW4.6.9变压器的联接组的判别了解U1

V1

W1N例：判断按下图方式联结的三相变压器的联结组。***EUEVEW***u1

v1

w1EuEvEwEWEUEVNUVWEUVEuEvuvwEwEuvEuv联结组号:Y,d14.6.9变压器的联接组的判别了解绝缘：主绝缘：绕组对地和绕组相间的绝缘，如一二次绕组间的绝缘、绕组与介质间的绝缘、绕组与铁心的绝缘，引线端子绝缘等。纵绝缘：绕组匝间绝缘和段间绝缘。冷却：干式变压器：干式浇注、干式空气自冷油浸式变压器：自冷、风冷、强迫油循环风冷、强迫油循环水冷等4.6.10变压器的绝缘、冷却方式、允许温升了解温升：假定：铁芯和各个绕组都是独立的发热单位。即认为铁芯的发热仅来源于铁芯损耗，各绕组的发热来源于各自的铜耗，它们相互间并没有热量交换。根据我国的气候情况，国家标准规定以+40℃作为周围环境空气的最高温度，并据此规定变压器各部分的容许温升4.6.11变压器的绝缘、冷却方式、允许温升了解本章结束4.7感应电动机注册电气工程师考试——电机部分之二

三相异步电机的基本结构（1）

定子定子铁心定子绕组3)机座和端盖（2）

转子1)转子铁心2)转子绕组3)转轴4)风扇4.7.1感应电动机的原理、种类及主要结构了解异步电动机内部结构图4.7.1感应电动机的原理、种类及主要结构了解

定子铁心、转子铁心：由硅钢片叠成。定子铁心转子铁心4.7.1感应电动机的原理、种类及主要结构了解

定子绕组对称三相绕组。4.7.1感应电动机的原理、种类及主要结构了解绕线式：对称三相绕组。鼠笼式：对称多相绕组。

转子绕组4.7.1感应电动机的原理、种类及主要结构了解YBZXAC转子定子定子绕组（三相）机座转子：在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。三相定子绕组：产生旋转磁场。4.7.1感应电动机的原理、种类及主要结构了解1.转动原理：

磁铁闭合线圈4.7.1感应电动机的原理、种类及主要结构了解电动机转速和旋转磁场同步转速的关系电动机转速:电机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，但

异步电动机无转距转子与旋转磁场间没有相对运动无转子电动势（转子导体不切割磁力线）无转子电流提示：如果

异步电动机定子上有三相对称的交流绕组，三相对称交流绕组通入三相对称交流电流时，将在电机气隙空间产生旋转磁场2旋转磁场的产生AXBYCZ4.7.1感应电动机的原理、种类及主要结构了解AYCBZ异步机中,旋转磁场代替了旋转磁极(•)电流出()电流入XXBZAYCAXYCBZAXYCBZ三相对称绕组通入三相对称电流就形成旋转磁场。旋转磁场的转速大小

一个电流周期，旋转磁场在空间转过360°。则

同步转速（旋转磁场的速度）为：AXYCBZAXYCBZAXYCBZ极对数（P）的概念AXBYCZ此种接法下，合成磁场只有一对磁极，则极对数为1。即：AXYCBZ4.7.1感应电动机的原理、种类及主要结构了解极对数（P）的改变C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'

将每相绕组分成两段，按右下图放入定子槽内。形成的磁场则是两对磁极。AXBYCZ4.7.1感应电动机的原理、种类及主要结构了解极对数C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'4.7.1感应电动机的原理、种类及主要结构了解极对数和转速的关系M3~3~M3~3~2.转子旋转的方向*转子与旋转磁场的转向相同。正转反转怎样改变转子的转向?nn总结对称三相绕组通入对称三相电流旋转磁场(磁场能量)磁场线切割转子绕组转子绕组中产生e和

i转子绕组在磁场中受到电磁力的作用转子旋转起来机械负载旋转起来三相交流电能感应电磁转矩输出机械能量发电过程电动过程4.7.1感应电动机的原理、种类及主要结构了解

一、转差率的概念：异步电机运行中:转差率为旋转磁场的同步转速和电动机转速之差。即：电动机起动瞬间:（转差率最大）4.7.2感应电动机转矩、额定功率、转差率及等效电路掌握二、等效电路E1I1R1jX1jX2sR2E2sI2sf1f2+U1－m1、

kw1N1m2、

kw2N21.频率折算I2s=sE2R2+jsX2=E2+jX2R2s=I24.7.2感应电动机转矩、额定功率、转差率及等效电路掌握

实际旋转的转子等效静止的转子

F2的转速

F2的大小F2的空间位置◆

频率归算的物理含义：

用一个静止的、电阻为R2

/s的等效转子去代替电阻为R2的实际旋转的转子，等效转子与实际转子具有同样的转子磁通势F2

。

0.9m2kw2N2

I2s2p0.9m2kw2N2

I22p

n0

n0取决于电流的相位。i2s与i2的相位相同。◆

频率归算后，定子的所有物理量不变，定子传送到转子的功率也不变。4.7.2感应电动机转矩、额定功率、转差率及等效电路掌握R2s=R2+1－ssR2转子所产生的机械功率相对应的等效电阻1－ssm2R2I22总机械功率：+U1－E1I1R1jX1f1E21－ssR2I2jX2R2f1m1、

kw1N1m2、

kw2N24.7.2感应电动机转矩、额定功率、转差率及等效电路掌握2.绕组折算

用一个相数和有效匝数与定子绕组相同的转子绕组去等效代替实际的转子绕组。等效代替：保证电磁效应和所有物理量保持不变。(1)电动势的折算：折算前：E2=

4.44f1

kw2N2Φm

折算后：E2'

=E1=

4.44f1

kw1N1Φm

定、转子的电动势之比：=kw1N1kw2N2E2'E2ke

=E1E2=4.7.2感应电动机转矩、额定功率、转差率及等效电路掌握(2)电流的折算：折算前：折算后：F2=0.9m2kw2N2

I22pF2'=0.9m1kw1N1

I2'2p=F2E2'

=E1=ke

E2电流比：=m1kw1N1m2kw2N2I2I2'ki

=0.9m2kw2N2

I22p=0.9m1kw1N1

I2'2pI2kiI2'

=4.7.2感应电动机转矩、额定功率、转差率及等效电路掌握(3)阻抗的折算：折算前：Z2=+jX2R2s=E2I2折算后：Z2'

=+jX2'R2's=E2'I2'阻抗比：|Z2'||Z2|kZ

==E2'

I2E2

I2'=keki

Z2'

=kZ

Z2R2'

=kZ

R2X2'

=kZ

X24.7.2感应电动机转矩、额定功率、转差率及等效电路掌握3.等效电路及其简化E1=

E2'I1R1jX11－ssR2'I2'jX2'

R2'I0RmXm+U1－4.7.2感应电动机转矩、额定功率、转差率及等效电路掌握●起动时:

●额定运行时:

n=0，s=1sN=0.01~0.09知识点：p=1,2,3,n典型值●理想空载时:

n=n0，s=0●正常运行时:

0＜n＜n0，1＞s＞0

三、异步电动机典型的运行情况E1=

E2'I1R1jX11－ssR2'I2'jX2'

R2'I0RmXm+U1－4.7.2感应电动机转矩、额定功率、转差率及等效电路掌握一、功率平衡方程式

1.输入功率P1P1=3U1I1cos1=√3U1LI1Lcos12.

定子铜损耗PCu1PCu1=m1R1I12=3R1I123.

铁损耗PFe（转子铁损耗忽略不计）

PFe=m1RmI02=3RmI024.7.3功率转换过程与转矩掌握4.电磁功率PePe=P1－PCu1－PFePe=m2E2I2cos2=m1E2'

I2'cos2R2's=m1I2'21－ss=m1R2'I2'

2+m1R2'I2'

25.转子铜损耗PCu2

PCu2=m2R2I22=m1R2'

I2'

2=sPe4.7.3功率转换过程与转矩掌握8.输出功率P2P2=Pm－P0=Pe－PCu2－P0=P1－PCu1－PFe－PCu2－P06.总机械功率PmPm=Pe－PCu21－ss

Pm=m1R2'I2'2=(1－s

)Pe7.空载损耗P0

P0=Pme

+PadP1PCu1+PFePePCu2P0P2Pm机械损耗附加损耗4.7.3功率转换过程与转矩掌握二、转矩平衡方程式Pm=P2+P0T

=T2+T0÷Ω1.电磁转矩TT

=PmΩPeΩ0

=T

=9.55PmnPen0

=9.552.空载转矩T0T0

=P0ΩP0n

=9.553.输出转矩T2T2

=P2ΩP2n

=9.554.7.3功率转换过程与转矩掌握4.7.4感应电动机的三种运行状态三相异步电机的四象限运行电动机状态：●n与T同方向●

0＜n＜n0

●1＞s＞0nTO发电机状态：●n与T反方向●

n＞n0●s＜0制动状态：●

n与T反方向●

n＜0●s＞1反向电动机状态了解4.7.5感应电动机的运行特性掌握4.7.6三相异步电动机的起动特性电动机的起动指标：◆起动转矩足够大。◆起动电流不超过允许范围。◆异步机的实际起动情况：起动电流大：Ist=αscIN=(5.5～7)IN

起动转矩小：Tst=αstTN=(1.6～2.2)TN

◆不利影响：(1)大电流使电网电压降低，影响自身及其他负载工作。(2)频繁起动时造成热量积累,易使电动机过热。

掌握一、笼型异步电动机的直接起动1.小容量的电动机（≤7.5kW）2.电动机容量满足如下要求：Ist

INαsc=≤14〔〕3+电源总容量(kV·A)电动机容量(kV·A)4.7.7感应电动机常用起动方法了解二、笼型异步电动机的减压起动1.定子串联电阻或电抗减压起动：M3~3~R(L)Q1Q2FU运行起动4.7.7感应电动机常用起动方法了解适用于：正常运行为△联结的电动机。Y型起动，型运行。2.Y－减压起动：

Y型起动WVUWVUIstYUN型起动（型运行）UNIstZZZZZZ√3|

Z|UNIstY=√3UNIst=|Z|4.7.7感应电动机常用起动方法了解◆Y型起动的起动电流为：IstY=13Ist∵

T∝U12，TstY=13Tst◆

Y型起动的起动转矩为：1√3U1'=U1◆

Y－减压起动的特点：

(1)电源电压不变，改变定子绕组接法；

(2)减压比为:1√3Y起动相电压U1'起动相电压U1=4.7.7感应电动机常用起动方法了解定子电流：

kAIst线路电流：IstA=kA2Ist3.自耦变压器减压起动M3~UN=kAUNkAIstIstA降压比为:U1kA=U1UNU1定子电压：◆自耦变压器减压起动的起动电流为：IstA=kA2Ist4.7.7感应电动机常用起动方法了解◆自耦变压器减压起动的特点：(1)定子绕组接法不变，改变定子绕组的电压；(2)降压比KA可调:

U1=(0.4、0.6、0.8)UNU1=(0.55、0.64、0.73)UN◆自耦变压器减压起动的起动转矩为：TstA=kA2Tst4.7.7感应电动机常用起动方法了解4.延边三角形减压起动251436143625适用于：正常运行为△联结的电动机。延边三角形起动，型运行。4.7.7感应电动机常用起动方法了解1.分级起动过程3~M3~Q2Q2Q1Q1Rst1Rst2n0TnO3(R22)TLT2T12(R21)1(R2)abcdef(1)串联Rst1和Rst2起动(特性3)：总电阻R22=R2+Rst1+Rst2(2)

合上Q1

，切除Rst2(特性2)：总电阻R21=R2+Rst1(3)

合上Q2

，切除Rst1(特性1)：总电阻:R2三、绕线型异步机转子电路串电阻起动4.7.7感应电动机常用起动方法了解1.改变磁极对数p2.改变转差率s

3.改变电源频率f1(变频调速)调速方法：

n=(1－s)n0=(1－s)60f1

p——有级调速。无级调速。4.7.8三相异步电动机的调速了解TL一、变极调速n0TnOYYY0.5n0n0TnO△YY0.5n0TL1.调速方向

YY→Y(△)：n↓Y(△)→YY：n↑2.调速范围:D=2~44.7.8三相异步电动机的调速了解n0TnOsMUNTLTL二、变转差率调速（能耗转差调速）1.调压调速:TL(1)调速方向:

U1(＜UN)↓U1n0TnOsMUNU1→n↓(2)调速范围：

D较小。4.7.8三相异步电动机的调速了解n0TnOTMR2R2+Rr2.转子串电阻调速TLM3~3~RrKM(1)调速方向:n↓(2)调速范围：D较小。4.7.8三相异步电动机的调速了解三、变频调速

U、f可变M3~3~整流电路逆变电路50Hz控制电路

直流n0TnOn0'f1＞fNU1L=UNn0TnOn0'f1＜fN，=常数U1f1

TLTL4.7.8三相异步电动机的调速了解M3~3~Q1一、能耗制动1.制动原理n+U－Q2

RbI1×ΦFF●制动前：

Q1合上，Q2断开，M为电动状态。●制动时：

Q1断开，Q2合上。M为制动状态。定子：U→I1→Φ转子：n→E2→I2TT4.7.11三相异步电动机的制动了解二、反接制动1.定子两相反接的反接制动——迅速停车3~M3~3~M3~Rb电动状态制动状态(1)制动原理：4.7.11三相异步电动机的制动了解三、回馈制动用于高速下放重物，不用于迅速停车。在调速过程中也会自动出现回馈制动现象。1.下放重物时的回馈制动G3~M3~RbOnT－n01TLTTnTLbac反向电动回馈制动4.7.11三相异步电动机的制动了解

制动效果：Rb↑→特性2斜率↑→下放速度↑※为了避免危险的高速，一般不串联

Rb。2.减压调速与变极调速时的回馈制动TnOfNf1TLabcdTnOYYYTLabcd?4.7.11三相异步电动机的制动了解本章结束4.8同步电机注册电气工程师考试——电机部分之三1024.8.1同步电机的结构和工作原理~在定子铁芯上开槽槽内放置导线，转子上装有磁极及励磁绕组。当励磁绕组通以直流电流时，电机内就会产生磁场，如果转动转子使磁场与定子导线之间有相对运动，就会在定子导线中感应出交流电势。了解103同步电机做电动机：三相定子绕组与电源接通，产生三相合成基波磁势，转速为同步速：同时转子直流励磁产生恒定主极磁场；两个磁场间有相互电磁力作用，使得电枢磁场拖着主极磁场同步转动，转子转速n=n1。4.8.1同步电机的结构和工作原理了解104二、同步电机的额定值一、额定值额定电压UN(V,kV)：指额定运行时定子输出端的线电压。额定电流IN(A)：指额定运行时定子的线电流。额定功率因数cosN：额定运行时电机的功率因数。额定效率N：电机额定运行时的效率。4.8.1同步电机的结构和工作原理了解1055、额定容量SN：发电机指出线端额定视在功率，单位为VA，KVA，MVA；调相机为线端额定无功功率，单位为Var,kVar,MVar。

SN=3UNIN6、额定功率PN(W,kW,MW）：发电机指额定输出有功电功率：PN=SNcosN=3UNINcosN

电动机指轴上输出的额定机械功率：

PN=SNcosNN=3UNINcosNN4.8.1同步电机的结构和工作原理了解1067、额定频率：额定运行时电机电枢输出端电能的频率，我国标准工业频率规定为50Hz。8、额定转速：额定运行时电机的转速，即同步转速。9、除上述额定值外，同步电机名牌上还常列出一些其它的运行数据，例如额定负载时的温升、励磁容量和励磁电压等。4.8.1同步电机的结构和工作原理了解107三、国产同步电机型号汽轮发电机有QFQ、QFN、QFS等系列，前两个字母表示汽轮发电机；第三个字母表示冷却方式，Q表示氢外冷，N表示氢内冷，S表示双水内冷。大型水轮发电机为TS系列，T表示同步，S表示水轮。同步电动机系列有TD、TDL等，TD表示同步电动机，后面的字母指出其主要用途。如TDG表示高速同步电动机；TDL表示立式同步电动机。同步补偿机为TT系列。举例：QFS-300-2：容量300MW双水内冷2极汽轮发电机。TSS1264/160-48：双水内冷水轮发电机，定子外径为1264厘米，铁心长为160厘米，极数为48。4.8.1同步电机的结构和工作原理了解108一、励磁方式分类获得励磁电流的方法称为励磁方式。目前采用的励磁方式分为两大类：用直流发电机作为励磁电源的直流励磁机励磁系统；用硅整流装置将交流转化成直流后供给励磁的整流器励磁系统。4.8.2同步电机的励磁方式了解109二、直流励磁机励磁直流励磁机通常与同步发电机同轴，采用并励、他励或永磁励磁方式。采用他励接法时，励磁机的励磁电流由另一台被称为副励磁机的同轴的直流发电机供给。4.8.2同步电机的励磁方式了解110三、静止整流器励磁：同一轴上有三台交流发电机，即主发电机、交流主励磁机和交流副励磁机。副励磁机的励磁电流开始时由外部直流电源提供，待电压建立起来后再转为自励(有时采用永磁发电机)。副励磁机的输出电流经过静止晶闸管整流器整流后供给主励磁机，而主励磁机的交流输出电流经过静止的三相桥式硅整流器整流后供给主发电机的励磁绕组。与传统直流系统的区别：变直流励磁机为交流主磁机，解决了换向器火花问题。4.8.2同步电机的励磁方式了解111四、旋转整流器励磁：静止整流器的直流输出必须经电刷和集电环输送到旋转的励磁绕组，对大容量的同步发电机其励磁电流达到数千安培，使得集电环严重过热。因此，在大容量的同步发电机中，常采用不需要电刷和集电环的旋转整流器励磁系统。主励磁机是旋转电枢式三相同步发电机，旋转电枢的交流电流经与主轴一起旋转的硅整流器整流后，直接送到主发电机的转子励磁绕组。交流主励磁机的励磁电流由同轴的交流副励磁机经静止的晶闸管整流器整流后供给。由于这种励磁系统取消了集电环和电刷装置，故又称为无刷励磁系统。4.8.2同步电机的励磁方式了解112n1n1一、负载后磁势分析空载时，同步电机中只有一个n1旋转的励磁磁势Ff，它在电枢绕组中感应出三相对称交流电势(励磁电动势E0)。电枢绕组接三相对称负载后，电枢绕组和负载一起构成闭合通路，通路中流过的是三相对称的交流电流，三相对称电流流过三相对称绕组时将会产生一个以n1旋转的旋转磁势Fa，与主极旋转磁场Ff“同步”。电枢磁势4.8.3同步电机的电枢反应了解113结论：随轴同转的转子磁势Ff(称为机械旋转磁势)；电枢旋转磁势Fa(称为电气旋转磁势)。转速均为同步速n1，而且转向一致，二者在空间处于相对静止状态，可以用矢量加法将其合成为一个合成磁势F。因此，气隙中的磁场由主极磁场与电枢磁场二者合成。气隙磁场可以看成是由合成磁势F在电机的气隙中建立起来的磁场。也是以同步转速n1旋转的旋转磁场。F4.8.3同步电机的电枢反应了解114励磁磁势和电枢磁势的区别基波波形大小位置转速励磁磁势正弦波恒定，由励磁电流决定由转子位置决定由原动机的转速决定电枢反应磁势正弦波恒定，由电枢电流决定由电流瞬时值决定由电流的f和p决定4.8.3同步电机的电枢反应了解115电枢反应定义：空载时Ff1＋Fa

→F改变→E、U改变。实践证明，当对称三相负载性质不同时(如感性、容性或电阻性)，发电机端压变化规律也不同。原因：电枢磁场对主极磁场的影响不同。同步发电机对称负载时，电枢磁势Fa对励磁磁势Ff影响，气隙磁场的大小和位置发生变化，这一现象称为电枢反应。二、电枢反应F4.8.3同步电机的电枢反应了解116三个角四个轴4.8.3同步电机的电枢反应了解1172、时-空矢量图Ff1及0在d轴上，E0在q轴上,Fa与I重合。将Fa分解：幅值：Fad=Fasinψ

直轴分量

Faq=Facosψ

交轴分量4.8.3同步电机的电枢反应了解1183、电枢反应的性质

(1)ψ=0°E0、I同相Ff1超前Fa90°，二者正交，Ff1作用在直轴上；而Fa作用在交轴上，这种作用在交轴上的电枢反应称为交轴电枢反应，简称交磁作用。IEaE0EδFa4.8.3同步电机的电枢反应了解119(2)ψ=90°

E0超前I90°Fa滞后Ff1180°二者反相，Ff1和Fa一同作用在直轴上，方向相反，电枢反应为纯去磁作用，合成磁势的幅值减小，这一电枢反应称为直轴去磁电枢反应。E0IÈaψ=90°ÈδFa4.8.3同步电机的电枢反应了解120(3)ψ=180°E0超前I180°，反相Fa作用在交轴上，与相轴正方向反向180°，为交轴电枢反应。FaÌAÌCÌBÈ0AÈ0ÌFaFδFf1ÈaÈδq轴d轴ψ=180°4.8.3同步电机的电枢反应了解121(3)ψ=-90°I超前E090°Fa和Ff1与之间的夹角为0°，即二者同相，一同作用在直轴上，电枢反应为纯助磁作用，合成磁势的幅值增大，这一电枢反应称为直轴助磁电枢反应。ÌFa4.8.3同步电机的电枢反应了解122（4）一般情况ψ=(0～90°)Ì滞后È0一个锐角

Fa和Ff1与之间的夹角ψ＋90°为分析电枢反应，将Fa分解：电流产生磁动势，把电枢电流分解为两个分量：对应磁动势Fad和Faq123当ψ角为不同值的电枢反应

位置夹角记作电枢反应性质对电机的影响Ψ=负载性质n(f)UΨ=00q轴Ψ+900交轴波形畸变下降不变RΨ=900d轴Ψ+900直、去削弱不变下降LΨ=-900d轴Ψ+900直、助增强不变上升C00<Ψ<900d、q轴Ψ+900交、直去削弱下降下降R、L-900<Ψ<00d、q轴Ψ+900交、直助增强下降上升R、C4.8.3同步电机的电枢反应了解124总结：同步电机的运行方式可以由ψ来判断：作发电机：-π/2<ψ<π/2作电动机：π/2<ψ<3π/2电枢反应改变了定转子磁动势之间夹角，该夹角大小决定了能量传递的方向。4.8.3同步电机的电枢反应了解电枢反应电抗Xa：大小与电枢反应磁通所经过磁路的磁阻成反比直轴磁路交轴磁路直轴磁路：磁阻小，

Xa较大交轴磁路：磁阻大，Xa较小4.8.4电枢反应电抗和同步电抗了解4.8.4电枢反应电抗和同步电抗了解直轴电枢磁势Fad引起定子相绕组中直轴电枢反应电动势Ead；所对应的电枢电抗称为直轴电枢反应电抗Xad；交轴电枢磁势Faq引起定子相绕组中交轴电枢反应电动势Eaq；所对应的电枢电抗称为交轴电枢反应电抗Xaq；4.8.4电枢反应电抗和同步电抗了解Xd=Xad+X

——直轴同步电抗Xq=Xaq+X

——交轴同步电抗128单机供电的缺点：不能保证供电质量(电压和频率的稳定性)和可靠性(发生故障就得停电)；无法实现供电的灵活性和经济性。这些缺点可通过多机并联来改善。通过并联可将几台电机或几个电站并成一个电网。现代发电厂都是把几台同步发电机并联起来接在共同的汇流排上，一个地区总有多个发电厂并联起来组成一个强大的电力系统(电网)。现代发电厂都是联成大电力系统。4.8.5同步发电机并入电网的条件与方法了解129电网供电优点：提高了供电可靠性。一台电机故障或检修不会引起停电事故。提高了供电的经济性和灵活性。若水电厂与火电厂并联，在枯水期和旺水期两种电厂可以调配发电，旺水期水电多发电，枯水期火电多发电；用电高峰期和低谷期可灵活决定投入电网的发电机数量，提高发电效率和供电灵活性。提高了供电质量。电网容量大(相对于单台发电机或个别负载可视为无穷大)，单台发电机投入与停机、个别负载变化对电网影响甚微，衡量供电质量的电压和频率可视为恒定不变的常数。同步发电机并联到电网后其电压、频率和电网一致不能单独变化。

4.8.5同步发电机并入电网的条件与方法了解130ⅡⅠ一、并联条件：1、定义：把同步发电机并联至电网的过程称为投入并联(并列、并车、整步)。并车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（电磁冲击、机械冲击），电网遭受干扰。两台同步发电机并联运行：Ⅰ是电力系统中若干台发电机并联后的“等效”发电机；Ⅱ是待并联的发电机。4.8.5同步发电机并入电网的条件与方法了解1312、五个条件：波形相同——正弦波频率相同——f接近幅值相同；相位相同——接近相序相同——严格条件

若以上条件中的任何一个不满足则在开关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。

上述条件中相序一致是绝对条件，其它条件是相对的，因为通常电机可以承受一些小的冲击电流。4.8.5同步发电机并入电网的条件与方法了解1323、并联条件不满足的影响若fⅠ≠fⅡ，频率不同→È0与Ù之间有相对运动→

两相量间的相角差将在0°～360°之间变化，电压差忽大忽小。频率相差越大，这个变化越剧烈。投入并联的操作越困难，若投入电网，也不易同步，将在电机和电网之间引起很大的电流和功率振荡。发电机投入并联的示意图133若È0与Ù大小不等，或相位不同，把发电机投入并联，则相当于出突加电压差ΔU引起的瞬态过程，将在发电机与电网中产生一定的冲击电流。严重时，该电流可达额定电流的5～8倍。综上所述，为了避免投入并联时引起电流、功率和转矩的冲击，最好同时满足上述三个条件。È0与Ù大小不等相位不同4.8.5同步发电机并入电网的条件与方法了解1、准确同步法（准确整步法）将发电机调整到完全符合并联条件后的合闸操作。调整过程常用同步指示器来判断条件的满足情况。最简单的同步指示器由三相相灯组成。A）直接接法：1）接法：三只灯泡直接跨接于电网与发电机的对应相之间。二、并联方法电网发电机同步指示器135采用直接接法，每组灯上电压相同

假设发电机与电网的电压幅值相同，而频率不同∴ΔU以频率（f2-f1)在(0～2)U1之间交变，即三组相灯以频率（f2-f1）闪烁，同暗同亮——灯光明暗法。2）理论分析：了解4.8.5同步发电机并入电网的条件与方法136冲转——将发电机转子转速升高到额定转速；投励——调节发电机励磁电流的大小，使系统侧和待并发电机电压表读数相等；用灯光法检查相序，如果相序一致，灯光应表现为明暗交替，如灯光不是明暗交替说明相序不一致，应调整发电机的出线相序或电网的引线相序，严格保证相序一致；调节转速n，改变频率，直到灯光明暗交替频率很低，等待灯光完全变暗的瞬间到来，即可合闸并车。3）并车方法：了解4.8.5同步发电机并入电网的条件与方法137B）交叉接法（灯光旋转法）1）接线图：一相相灯直接接于某相开关两端，另两相相灯交叉连接。灯Ⅰ接在A1、A2之间，灯Ⅱ和灯Ⅲ交叉接在B1、C2和C1、B2之间。发电机和电网电压相量图1382）分析灯光特点：采用交叉接法，每组灯上电压不相等，各组灯亮度不一样。假设发电机与电网的电压幅值相同，而频率设f2>f1，由相量图可知三组灯的亮度变化情况。分析时取电网电压为基准图6.48先是第Ⅰ组灯最亮，接着轮到第Ⅱ组灯最亮，然后是第Ⅲ组灯最亮，好像灯光逆时针旋转。旋转速度：ω2-ω1。了解4.8.5同步发电机并入电网的条件与方法139了解4.8.5同步发电机并入电网的条件与方法140若f2<f1ⅠⅡⅢ组灯，灯光按顺时针方间旋转。增大发电机的转速，使灯光旋转速度慢下来，直到灯光不再旋转时，就表示f2＝f1再调节发电机电压的大小和相位，直到灯Ⅰ熄灭．灯ⅡⅢ的亮度相同，即A1、A2间电压为零时，即表示发电机巳满足投入并联的条件，可合闸并网。交叉接法也称为灯光旋转法，此法的优点是能看出发电机的频率比电网高还是低故用得较多。了解4.8.5同步发电机并入电网的条件与方法141通过调节发电机励磁电流的大小使得端电压与电网电压相等；电压调整好后，如果相序一致，则灯光旋转，否则说明相序不一致，这时应调整发电机的出线相序或电网的引线相序，严格保证相序一致；通过调节发电机的转速改变的频率，直到灯光旋转十分缓慢时，频率f2f1，当灯I完全熄灭，另两组灯等亮度时迅速合闸并车。并联后最终由自整步作用牵入同步运行。3）旋转法并车方法了解4.8.5同步发电机并入电网的条件与方法1424）实验注意问题若按上述交叉接法接线时发现灯光不旋转，而三对灯同时明暗，说明发电机与电网相序不同，使每对灯承受的ΔÙ相同，故须让发电机任意两线互换后才能并联。准确同步法（灯光法）又称理想整步法，合闸时无明显的冲击电流；对并车条件逐一检查和调整，操作复杂，费时较多。1432、自同步法（自整步法）上述准确同步方法的优点是合闸时没有冲击电流，缺点是操作较复杂，尤其当电网发生故障时，电网电压和频率都在变动，采取准确同步法很准投入。为了把发电机迅速投入电网，可采用自同步法：在相序一致的情况下将励磁绕组通过适当电阻短接原动机把发电机拖动到接近同步速(相差小于2～5％)没有接通励磁电流的情况下合闸将发电机接入电网，并立即加入励磁，依靠定子磁场和转子磁场之间的电磁转矩将转子拉入同步转速，并车过程即告结束。1444.8.6同步发电机有功功率及无功功率的调节方法同步发电机运行时，由原动机带动旋转，在发电机对称稳定运行。原动机输入到发电机的机械功率为P1机械损耗pmec、铁损耗pFe、附加损耗pad电磁感应传到定子－电功率→电磁功率PemPem－定子绕组铜耗pCu1＝发电机输出有功功率P2PemP1P2pmecpadpFepCu1电磁感应定子转子一、同步发电机的功率流程：了解

功率和转矩平衡方程145二、功率平衡方程式

P1-(pmec+pFe+pad)=PemPem=P2+pCu1Pem=P2+PCu1=mUIcos+mI2Ra=mEIcosii——E与I之间的夹角P2=P1-(pmec+pFe+pad)-pCu1PemP1P2pmecpadpFepCu1146A、隐极同步发电机(不饱和)Ecosi=E0cos则Pem=mEIcosi=mE0Icos

Pem=mEIcosi4.8.6同步发电机有功功率及无功功率的调节方法了解147Pem=mEIcosiB、凸极同步发电机（不饱和）Ecosi=EQcos=[E0-Id(Xd-Xq)]cos则Pem=mEIcosI=mE0Icos-mIdIq(Xd-Xq)C、定子绕组的电阻一般较小，其铜耗可以忽略不计，则有PemP2=mUIcos=mUIcos(-)4.8.6同步发电机有功功率及无功功率的调节方法了解148三、转矩平衡功率平衡方程式两侧同除转子机械角速度：=2n/60T1-(Tmec+TFe+Tad)=Tem T1=Tem+T0T1—输入转矩、驱动转矩Tmec、TFe、Tad—发电机空载损耗对应的阻力转矩、制动转矩Tem—发电机电磁转矩、制动转矩P1-(pmec+pFe+pad)=Pem表明：发电机负载运行时，从原动机输入到发电机的转矩T1，应克服空载阻力转矩和对应于负载的阻力转矩Tem做功，从而通过发电机将机械能转换成电能输出。4.8.6同步发电机有功功率及无功功率的调节方法了解149在许多场合下，常常用发电机的励磁电动势E0，端电压U、E0和U之间的功率角θ以及电机的参数来表示电磁功率。稳态功角特性：同步发电机并入电网后，当E0和U保持不变时，Pem=f(θ)。功角特性是同步电机的基本特性之一。通过它可以研究同步电机接在电网运行时发出的有功功率，并进一步揭示机组的稳定性和阐明发电机状态与电动机状态之间的联系和转化。下面先研究不计电枢电阻时的功角特性。

功角特性4.8.6同步发电机有功功率及无功功率的调节方法了解150一、电磁功率由Pem=P2+PCu1=mUIcos+mI2RaPemP2=mUIcos=mUIcos(-)=mUI(coscos+sinsin)=mUIqcos+mUIdsin内功率因数角：ψ功角：=ψ-，表示发电机的励磁电势È0和端电压Ù之间相角差。功角对于研究同步电机的功率变化和运行的稳定性有重要意义。中大型同步发电机：电枢电阻<<同步电抗，Ra忽略不计。即4.8.6同步发电机有功功率及无功功率的调节方法了解151二、功角特性Usin=IqXq，即Iq=Usin/XqIdXd=E0-Ucos，即Id=(E0-Ucos)/Xd由上三式得：凸极机基本电磁功率附加电磁功率；与励磁（E0）大小无关，仅当Xd≠Xq存在，由凸极效应引起的。隐极机：Xq=Xd=Xt附加电磁功率=0152保持E0不变，电网电压U、频率f恒定（即电抗为常数），Pem=f()曲线即功角特性如图4.8.6同步发电机有功功率及无功功率的调节方法了解153形成θ角的原因：形成θ角的原因是存在横轴电枢反应磁动势Faq，所以横轴电枢反应磁动势存在是产生电磁转矩、进行机电能量转换的必要条件。4.8.6同步发电机有功功率及无功功率的调节方法了解154If↑

有功功率调节假设：隐极；不饱和；忽略Ra；U=c、f=c；无穷大电网1、发电机输出空载时，=0Pem=0Tem=0Iq=0若If↑→E0↑→仍只存在感性Id滞后E090°（→去磁直轴Fad），=0∴调节If，发电机向电网发出感性无功功率，不能调节向电网输出的有功功率。4.8.6同步发电机有功功率及无功功率的调节方法了解155改变原动机输入的机械功率（P1、T1）加大P1→T1↑→有加速度使转子瞬时加速→È0超前Ù：角→即转子d轴（Ff轴线）超前气隙合成磁场Bδ轴线角。发电机开始向电网输出有功功率。改变原动机输入的机械功率（P1、T1），即改变原动机提供的动力转矩，这一改变可以通过调节水轮机的进水量或汽轮机的进汽量来达到。156

无功功率调节1、基本知识电网在向负载提供有功功率的同时，还向负载提供一定数量的无功功率(例如向异步电动机和变压器提供励磁电流)，无功功率将由并联在电网上的发电机共同分担。2、电网的负载大多是感性负载、其电枢反应对作为电源的同步发电机来说具有去磁作用，为了维持发电机端电压不变，必须增大励磁电流。无功功率的调节必须依赖于励磁电流的变化。4.8.6同步发电机有功功率及无功功率的调节方法了解157二、V形曲线I=f(If)在一定有功输出下，If“正常励磁”时，I最小，无功功率为零，cosφ=1。无论增大或减小If都使I、无功功率增大，cosφ降低。过励：cosφ滞后，G向电网输出滞后无功；欠励：cosφ超前，G向电网输出超前无功。过励欠励158※

V形曲线实验:U=c、P2=c，改变If测量I，得I=f(If)曲线。