电机学第六章节幻灯片.ppt

第六章 同步电机,6.1 同步电机的基本结构和运行状态,6.2 空载和负载时同步发电机的磁场,6.3 隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路,6.4 凸极同步发电机的电压方程和相量图,6.5 同步发电机的功率方程和转矩方程,6.6 同步电机 参数的测定,6.7 同步发电机的运行特性,6.1 同步电机的基本结构和运行状态,一、同步电机的基本结构,同步电机 （转子结构）,旋转电枢式,旋转磁极式,隐极式---气隙均匀，用于转速较高的电机中,凸极式– 气息不均匀，用于转速较低的电机中,,,·,同步电机 （用途）,,发电机,电动机（凸极）,,汽轮发电机（隐极）,水轮发电机（凸极）,同步补偿机（凸极）,·,·,隐极同步发电机： 一般为两极，ns=3000r/min，由于转速高，转子细长 组成：定子----定子铁芯，定子绕组，机座，端盖 转子---转子铁芯，转子绕组，护环（周速170～180m/s）,·,·,·,,凸极同步发电机： 结构：定子：机座、铁芯、定子绕组、端盖 转子：主磁极、磁轭、励磁绕组、阻尼绕组、集电环、转轴 1、卧式—用于同步电动机，同步补偿机，内燃机和冲击式水轮发电机，如下图,·,阻尼绕组的结构：与笼型转子的结构相似 作用：1）在同步发电机与电网并联运行时，若转子发生振荡，会产生电磁转矩抑制振荡，当在不对成情况下运行时，会抑制负序磁场的作用。

2）在电动机和补偿机中，主要作为起动绕组使用,·,·,·,2、立式：低速大容量水轮发电机，大型水泵电动机 特点：极数多，转速低，直径大，长度短，如图,·,当给电枢（定子）绕组中通三相对称电流时，电枢绕组将产生一个以同步转速转动的旋转磁场，稳态时，转子的直流磁场的转速也是同步转速，他们在空间上相对静止，产生电磁转矩，实现能量的转换二、同步电机的运行状态,发电机状态：若主磁场超前于定子合成磁场， δ＞0， 此时转子上受到一个与其转向相反的制动的电磁转矩 Te，若要维持同步转速不变，原动机必须输入更大的 机械功率，而定子 绕组则向电网或负 载输出电功率，此 时把机械能转换为 电能 同步电机运行状态，主要取决于定子合成磁场与转子主磁场之间的夹角δ，δ称为功率角,·,补偿机状态： δ=0， 电磁转矩为零，没有有 功功率的转换，只发出 或吸收无功功率,·,·,三、同步电机的励磁方式,直流励磁机励磁——直流励磁机通常与同步发电机 同轴，采用并励或他励接法电动机状态：若主磁场滞后定子合成磁场，则δ＜0，转子上受到一个与其 转向相同的驱动电磁转 矩，此时电机从电网吸 收电能，把电能转换为 机械能整流器励磁,静止式（如图）：主励磁机产生100Hz的交流电压，经整流供发电机励磁。

旋转式：当励磁电流大于200A时，为防止集电环过热，采用该种方式·,额 定 容 SN —— 指额定运行时电机的输辅出功率 额定电压UN ——指额定运行时定子的线电压 额定电流IN ——指额定运行时定子的线电流 额定功率因数cosφN——指额定运行时电机的功率因数 ,一般为0.8～0.9 额定频率fN —— 指额定运行时电枢的频率 额定转速nN ——指额定运行时电机的转速，即为 同步转速,四、额定值,空载运行时，同步电机内仅有由励磁电流所建立的主极磁场如图表示一台四极电机空载时的磁通示意图从图可见，主极磁通分成主磁通Φ0和漏磁通Φfσ两部分，前者通过气隙并 与定子绕组相交链，后者不 通过气隙，仅与励磁绕组相 交链主磁通所经过的主磁 路包括空气隙、电枢齿、电 枢轭、磁极极身和转子轭等 五部分6.2 空载和负载时同步发电机的磁场,一、空载运行,当转子以同步转速旋转时，主磁场将在气隙中形成一个旋转磁场，在定子绕组内感应出对称三相电动势（激磁电动势）,空载特性是同步电机的一 条基本特性二、对称负载时的电枢反应,·,当同步发电机带上三相对称负载时，电枢绕组中便有三相对称电流，此时电枢绕组就会产生电枢磁动势和相应的电枢磁场；其基波以同步转速旋转，与主磁场在空间相对静止。

负载时气隙的合成磁场由主磁势和电枢磁势共同产生 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(增磁、去磁或交磁)取决于电枢磁动势和主磁场在空间的相对位置分析表明，此相对位置取决于激磁电动势E0和负载电流I之间的相角差Ψ0(Ψ0称为内功率因数角) 下面分成两种情况来分析：,1） 与 同相时,定子绕组电动势、电流和 磁动势的空间矢量图,设转子为两极，由于三相 绕组对称，故在电枢中产 生的感应电动势对称，且 电枢电流与激磁电动势同相，电流的正方向从尾端流入，首端流出 设在右图瞬间A相电流达到最大，B、C相分别滞后120°和240°，见下图，则三相基波合成磁动势的幅值与该相绕组轴线重合，即Fa的轴线与A相绕组的轴线重合，或与转子交轴（q轴）重合b) 时间矢量图,·,由于Fa与转子均以 同步转速旋转，因此 Fa的轴线恒与转子交 轴重合，可见： Ψ0=0°时，Fa是一个 交轴磁动势交轴磁动势所产生的电枢反应称为交轴电枢反应由于交轴电枢反应，使气隙合成磁场B与主磁场B0在空间形成一个夹角，见下图，对同步发电机，当Ψ0=0°时，主磁场B0超前气隙合成磁场B，于是主极上将受到一个制动性质的电磁转矩。

c)气隙合成磁场与主磁场的相对位置,·,用电角度表示时，主磁场B0与 电枢磁动势Fa之间的空间相位关 系，恰好与通过A相的主磁通 与A相的电流 之间的时间 相位一致，且空间矢量与时间 矢量均已同步角速度旋转，于是可将它们和在一起，得到一个时—空统一矢量图d) 时-空统一矢量图,,,,·,该图中： a、时间参考轴与A相绕组的轴线重合 b、只画A相的物理量，且省略下标,与 不同相时,a) 滞后于 时的空间矢量图,设 滞后于 一个ψ0角 （90°＞ ψ0 ＞0°），则A 相电流经过△t= ψ0/ω1后才 能达到最大值，即经过 △t= ψ0/ω1后，电枢磁动势的幅值才会与A相绕组的轴线重合，所以Fa滞后主极磁动势Ff 90°+ψ0角，由于Fa、Ff均以同步转速旋转，它们之间的相位始终不变，如下图所示，,b) 滞后 时的时-空统一矢量图,·,此时可将Fa分解为：,交轴磁动势的作用于前述相同 直轴磁动势产生直轴电枢反应，对主极而言起作用，可能是去磁，也可能是增磁，视ψ0角的正负而定c) 超前 时得时-空统一矢量图,·,对同步发电机，若电枢电流 滞后激磁电动势 ，则 直轴电枢反应为去磁性质，反 之为增磁性质。

直轴电枢反应对同步电机的 影响很大，因增磁或去磁的结果直接影响同步发电机气隙磁场的大小，当发电机直接接负载时，其端电压必发生变化，当与电网连接时，会直接影响到所发出的有功和无功功率的大小此时可用叠加原理将Ff和Fa所产生的结果相加，可得电枢一相绕组的合成电动势（气隙电动势），各物理量的关系为：,一、不考虑磁饱和时,6.3 隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路,在时间相位上， 滞后于 以90°电角度，若不计定子铁耗, 与 同相位，则 将滞后于 以90°电角度于是亦可写成负电抗压降的形式，即,采用发电机惯例，以输出电流作为电枢电流的正方向时，电枢的电压方程为,因为电枢反应电动势Ea正比于电枢反应磁通Φa不计磁饱和时，Φa又正比于电枢磁动势Fa和电枢电流I，即,,,,式6-7,式6-6,将式(6—7)代人式(6—6)，可得,,(6—8),式中，Xs称为隐极同步电机的同步电抗，Xs=Xa+Xσ，它是对称稳态运行时表征电枢反应和电枢漏磁这两个效应的一个综合参数不计饱和时，Xs是一个常值图6—15a和b表示与式(6—5)和式(6—7)相对应的相量图，图6—15c表示与式(6—7)相应的等效电路。

从图6—15c可以看出，隐极同步发电机的等效电路由激磁电动势和同步阻抗Ra+jXs串联组成，其中E0表示主磁场的作用，Xs表示电枢反应和电枢漏磁场的作用考虑磁饱和时，由于磁路的非线性，叠加原理不再适用此时，应先求出作用在主磁路上的合成磁动势F，然后利用电机的磁化曲线 (空载曲线) 求出负载时的气隙磁通 及相应的气隙电动势 二、考虑磁饱和时,再从气隙电动势 中减去电枢绕组的电阻和漏抗压降，使得电枢的端电压 ，即,,,相应的矢量图、相量图和F～E间的关系如图下图所示或,·,·,电动势-磁动势图,由合成磁动势F确定气隙电动势E,返回,,考虑到凸极电机气隙的不均匀性，把电枢反应分成直轴和交轴电枢反应分别来处理的方法，就称为双反应理论 凸极同步电机的气隙是不均匀的，极面下气隙较小，两极之间气隙较大，故直轴下单位面积的气隙磁导λd (＝μ0／δd) 要比交轴下单位面积 的气隙磁导λq (＝μ0／δq) 大很多一、双反应理论,§6.4 凸极同步发电机的电压方程和相量图,·,·,当正弦分布的电枢磁动势作用在直轴上时，由于λd较大，故在一定大小的磁动势下，直轴基波磁场的幅值Ba、d1相对较大一般情况下，电枢磁动势既不在直轴位置，也不在交轴位置，此时电枢反应如何处理，才能把气隙的不均匀性所造成的影响准确的考虑进去呢？,勃朗台儿提出，可以把电枢反应的基波磁动,势Fa分解为直轴磁动势Fad和交轴磁动势Faq两个分量，再用对应的等效直轴磁导和等效交轴磁导分别求出等效直轴和等效交轴电枢反应以及它们的感应电动势，然后把它们加起来。

这种方法称为双反应理论实践证明，当不考虑饱和时，其效果相当好 在凸极同步电动机中，直轴电枢磁动势Fad和交轴电枢磁动势Faq折算到励磁磁动势时，应分别乘以直轴和交轴折算系数kad、kaq,不考虑磁饱和时同步发电机负载运行时物理量的关系：,二、凸极同步发电机的电压方程和相量图,从气隙电动势中减去电枢绕组的电阻和漏抗压降，便得电枢的端电压采用发电机惯例，电枢的电压方程为：,,,，,6-11,不计磁饱和时,所以：,不计铁耗时， 和 分别落后于Id和Iq 90°电角度，故可以用相应的负电抗压降来表示,,,,,,,,,,,6-13,将式(6-13)代入式(6-11)，并考虑 可得,式中：,式中，Xd和Xq分别称为直轴同步电抗和交轴同步电抗，它们是表征对称稳态运行时电枢漏磁和直轴或交轴电枢反应的一个综合参数上式就是凸极同步发电机的电压方程下图为与上式相对应的相量图引入虚拟电动势 ，使 可得,凸极同步发电机的相量图,,,,,,,,,,,,,,·,·,由式6-16可得凸极同步发电机的等效电路,因相量 和 垂直，故 必与 同相，因此 也与 同相，如下图： 将端电压 沿 和垂直于 的方向上分解成 两个分量，则不难确定,角的确定,,,,,,,,,,,,,,三、直轴和交轴同步电抗的意义,由于电抗与绕组匝数的平方和所经磁路的磁导成正比，所以 如图6-22所示。

对于凸极电机，由于直轴下的气隙较交轴下小， ，所以XadXaq，因此在凸极同步电机中，XdXq 对于隐极电机，由于气隙是均匀的，故Xd≈Xq≈Xs 例6-1,,,,,凸极同步电机电枢反磁通及所经磁路及磁导,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,直轴电枢磁导,交轴电枢磁导,6.5 同步发电机的功率方程和转矩方程,一、功率方程和电磁功率 1、功率方程 若转子励磁损耗由另外的直流电源供给，则发电机轴上输入的机械功率Pl扣除机械损耗 和定子铁耗 后，余下的功率将通过旋转磁场和电磁感应的作用，转换成定子的电功率，所以转换功率就是电磁功率Pe，即 (6-18),,,,再从电磁功率Pe中减去电枢铜耗 可得电枢端点输出的电功率P2；即 (6-19),电磁功率 从式(6—19)可知，电磁功率Pe为,,,,,,,由图6-24可见,故同步电机的电磁功率亦可写成,上式的第一部分与感应电机的电磁功率表达式相同，第二部分则是同步电机常用的。