电机学第2版李书权电子课件第16章节.ppt

第16章 同步电机的运行原理,16-1 同步发电机的空载运行 16-2 对称三相负载时同步发电机的电枢反应 16-3 隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路 16-4 凸极同步发电机的电压方程和相量图,16-1 同步发电机的空载运行,一、空载运行,n 1 I f I = 0,1.空载磁场——主磁场,图16-1同步电机的空载磁场,若主磁场B0 在气隙中正弦分布，且以同步速ns旋转，则在定子绕组中产生对称三相电动势,有效值：,频率：,空载电动势，激磁电动势图16-2 三相对称电动势,2.空载特性,n 1 = c E0 = f (I f),Ff ∝ If E0 ∝  0 电机的磁化曲线  0= f (F f),图16-3 同步电机的空载特性,0较小时，磁路不饱和，空载曲线的下部是一条直线；随 o的增大，铁心逐渐饱和，空 载 曲线弯曲气隙线：不计铁心磁阻的空载特性曲线空载特性是同步电机的一条基本特性16-2 对称三相负载时同步发电机的电枢反应,一.接三相对称负载时的物理过程,空载时，同步电机的气隙磁场是由励磁磁动势所产生的主磁场B0},(空载电动势或激磁电动势),二.电枢反应：电枢磁动势的基波对气隙磁场的影响,电枢反应使气隙磁场空间位置发生变化，直接关系到电机的 机电能量转换。

电枢反应的去磁或增磁，对电机的运行性能产生影响电枢反应的性质（交磁，去磁或增磁）取决于电枢磁动势和主磁场在空间的相对位置这一相对位置决定于空载电动势 和负载电流 的之间的相位差 ，称为内功率因数角,1.  = 0 时,定子绕组电动势、电流及磁动势,在此时刻，A相电动势、电流达到最大值，电枢磁动势的轴线与A相绕组轴线重合，同时也与q轴重合，即 Faq=Fa，称为交轴电枢反应磁动势图16-4同步发电机的交轴电枢反应,定子绕组电动势、电流和磁通的时间相量图,各相电动势、电流和磁通间的相位关系是相同的，所以后边只画出一相图16-5 定子绕组电动势、电流和磁通的时间相量图,在时 - 空统一矢量图中，电枢磁动势Fa（空间矢量）与电枢电流 （时间相量）同相位；空载磁通 与励磁磁动势Ff同相位时-空统一矢量图,图 16-6 时-空统一矢量图,气隙合成磁场与主磁场的相对位置,相对于主磁场，气隙合成磁场的轴线偏移了一个角度，且幅值有所增加这是由于电枢磁动势（Fa=Faq）的作用造成的，称之为交磁作用图 16-7 气隙合成磁场与主磁场的相对位置图,2. Ψ≠0时,电流滞后电动势,图16-8 电流滞后电动势的向量图,电流超前电动势,图16-9 电流超前电动势的向量图,并网运行时，直轴电枢反应影响电机输出的无功功率。

直轴电枢反应的影响,电机单机运行时，直轴电枢反应将直接影响端电压的大小去磁时，端电压降低；助磁时端电压升高16-3 隐极同步发电机的电压方程、向量图和等效电路,同步发电机负载运行时物理量的关系,一、不考虑磁饱和时,1.电压方程式,采用发电机惯例规定正方向，可写出电压方程式,,,,Xa：电枢反应电抗； ：电枢漏电抗直轴电枢反应去磁,2. 相量图,图16-10 电动势的向量图,已知 和电机参数，画相量图的步骤,图16-11 用压降表示的电动势的向量图,3、等效电路,,4、同步电抗,a) 反映了a和σ的作用,b) 磁路不饱和时为常数,c),图16-12隐极同步电机的等效电路,二、考虑磁路饱和时,非线性，迭加原理不适用已知磁动势F，由电机的空载特曲线求得电动势E励磁磁动势在空间是梯形波，Ff是其幅值，而电枢磁动势在空间是正弦波，Fa是基波磁动势的幅值为了利用空载特性，应把Fa换算到励磁磁动势图16-13 隐极同步电机磁动势分布图,对于汽轮发电机，ka = 0.93 ~1.03，主要取决于大齿的宽度ka的意义：产生同样大小的基波气隙磁场时，一安匝的电枢磁动势相当与多少安匝的梯形波励磁磁动势。

正弦波磁动势幅值；,等效梯形波磁动势的幅值1.电枢磁动势换算系数是k a,2.电压方程和磁动势方程式,由于磁路饱和，不能单独的计算激磁电动势E0和电枢反应电动势Ea，而只有合成电动势E（气隙电动势）漏磁场路径主要为气隙，没有饱和问题 考虑饱和的另一方法是根据运行点的饱和程度，找出相应的Xs(饱和)，即把空载特性在工作点线性化图16-14 同步电机的空载特性曲线,3.电压相量图和磁动势矢量图,图16-15 隐极同步电机磁动势--电动势向量图,16-4 凸极同步发电机的电压方程和相量图,凸极同步电机的特点：,气隙不均匀，直轴气隙小，交轴气隙大相同大小的磁枢磁动势作用于不同的气隙位置时，产生不同的磁密采用双反应理论分析凸极同步电机一. 双反应理论,图16-16 凸极同步电机磁场分布图,Ff、Fad和Faq幅值相同，但产生的基波磁密明显不同引入折算系数kad和kaq若Ff= kad Fad= kaq Faq则产生基波磁密相同图16-17 凸极同步电机磁动势在dq轴作用的效果,直轴电枢反应磁场Bad1,交轴电枢反应磁场Baq1,实际上，前面考虑电枢磁场的去磁、助磁及交磁时，已涉及这一问题，那时没考虑各分量磁动势所对应的气隙磁密的差异。

当电枢磁动势作用于交、直轴间的任意位置时，可将之分解成直轴分量和交轴分量，先分别求出直、交轴电枢反应，最后再把它们的效果叠加起来——双反应理论1、电压方程,二.磁路不饱和时的情况,E0：励磁电动势； Ead：直轴电枢反应电动势； Eaq：交轴电枢反应电动势； Ea：电枢反应电动势； E：合成电动势； E：漏抗电动势按发电机惯例写出电压方程式为：,,,,Xad：直轴电枢反应电抗 Xad=Ead/Id，单位直轴电流产生的直轴电枢反应电动势Xaq：交轴电枢反应电抗 Xaq=Eaq/Iq，单位交轴电流产生的交轴电枢反应电动势而且有：,是表征对称负载运行时电枢漏磁和直轴或交轴电枢反应的一个综合参数：功率因数角；,：功率角0：内功率因数角；,直轴电枢反应电动势在直轴上，与激磁电动势在同一轴上 =？,2.相量图,图16-18 凸极同步电机的电动势向量图,,图16-19 凸极同步电机的实用电动势向量图,3.等效电路,该等效电路在计算凸极同步电机在电网中的运行性能和功角时常常用到图16-20 凸极同步电机的虚构等效电路,磁路饱和时,三.考虑磁路饱和时的情况 也可在不饱和模型中采用 X d 的饱和值来考虑直轴饱和的影响。

Ed为励磁磁动势和直轴电枢反应磁动势共同作用所产生四、直轴和交轴同步电抗,电枢绕组电抗同绕组有效匝数的平方成正比，与所经路径的磁导成正比X d = Xad+Xσ,∝(kw1N1)2 Λd,Λ d = Λad +Λσ,X q = X aq+ Xσ,∝(kw1N1)2 Λq,Λq = Λaq +Λσ,ad：直轴电枢反应磁通所经路径的等效磁导； aq：交轴电枢反应磁通所经路径的等效磁导； ：电枢漏磁通所经路径的等效磁导； d、 q ：稳态运行时直轴和交轴的电枢等效磁导结论：凸极同步电机X d Xq ，隐极同步电机 X d = X q = Xs,图16-21 凸极同步电机的dq轴电枢反应,例 16-1 Xd *= 1.0 Xq* = 0.6 ra* = 0 U* = 1 I* = 1 cosφ = 0.8（滞后） 求： E*0（不饱和值）,解：方法1：通过相量图求解,E0* = U*cos +Id *Xd* = 1×cos19.44+0.8321×1.0 = 1.755,方法2：通过基本方程求解,,,,。