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同步机同步机21章原理章原理1什么是同步发电机空载运行？2-----转子绕组通入直流、3-----转子本体同步速旋转、4-----定子绕组空载21.1 同步发电机的空载运行8 气隙合成磁场：气隙中有两个磁场，一个是主极主磁场，一个是电枢主磁场这两个主磁场的和（合成），称为气隙合成磁场，简称气隙磁场，或合成磁场9 削弱：负载时的气隙磁场小于空载时的气隙磁场，方向不变；10 增强：负载时的气隙磁场大于空载时的气隙磁场，方向不变；21.2 电枢反应 续211 扭曲：负载时的气隙磁场大于空载时的气隙磁场，且方向改变12 电枢反应对气隙磁场的扭曲作用，通常被称为交轴电枢反应，或交磁性质的电枢反应扭曲气隙磁场也说成是使气隙磁场发生畸变21.2 电枢反应 续313什么是内功率因数角ψ0？-----ψ0是电枢电流落后励磁电势的相位角，称之为内功率因数角它决定电枢反应的效应是削弱、增强、扭曲，还是它们的某种复合14Ψ0=0°时电枢反应的效应-----扭曲气隙磁场分析见下21.2 电枢反应 续4一些术语1 主极轴线：+d轴、-d轴+d轴-------转子中S指向N的方向-d轴-------+d轴的反方向2 主极轴线：+q轴、-q轴+q轴-------超前+d轴90°的方向-q轴-------+q轴的反方向一些术语 续13 相轴：相绕组的对称轴4 A相相轴：+A相轴、-A相轴+A相轴-------电流按正向流动（X入A出）时磁通的方向-A相轴-------+A相轴的反方向一些术语：续25 时轴------时间参考轴：当用相量表示时间变化量时，若相量向某固定轴的投影等于该相量所代表的时间变化量的瞬时值，则该固定轴就是该相量的时轴。

Ψ0=0°时电枢反应的效应分析（以A相为例）1 主极主磁通Φ0A相量的位置-----+d轴上Φ0A是主极主磁场穿过A相绕组的磁通它是一个时间变量，因而可用Φ0A相量表示当主极轴线+d对准+A相轴时， Φ0A最大故若选+A相轴为A相时轴（时相合一），则Φ0A相量应画在+A相轴，也就是+d轴上见下页图时相合一时主极主磁通、励磁电势等相量的位置时相合一时电枢合成磁势Fa、电枢电流IA同相位因为当A相电流最大即IA转到时轴上时， Fa也转到+A相轴上Ψ0=0°时电枢反应的效应分析（以A相为例）2励磁电势E0A相量的位置：-q轴E0A相量是Φ0A相量感应出来的相量按照法拉第感应定律，前者滞后后者90°故E0A相量的位置在-q轴上3 电枢电流IA相量的位置：-q轴因为Ψ0=0°，故IA相量、 E0A相量位置相同Ψ0=0°时电枢反应的效应分析（以A相为例）Ψ0=0°时电枢反应的效应分析（以A相为例）由前面分析可知：主极磁势位于+d轴上，电枢磁势位于-q轴上，二者相互正交所以，称之为交轴电枢反应交轴电枢反应的效应是：一方面使合成磁势增大，另一方面使合成磁势扭斜也说扭曲、畸变从空间矢量的角度说，就是合成磁势空间矢量的方向，不在沿着直轴方向，而是沿着直轴、交轴之间的方向。

Ψ0=90°时电枢反应的效应分析（以A相为例）类似分析可知：主极磁势位于+d轴上，电枢磁势位于-d轴上，二者相互减弱所以，称之为去磁电枢反应Ψ0= - 90°时电枢反应的效应分析（以A相为例）图略类似分析可知：主极磁势位于+d轴上，电枢磁势位于+d轴上，二者相互加强所以，称之为助磁电枢反应Ψ0=∈（0°，90°）时电枢反应的效应分析（以A相为例）图略类似分析可知：主极磁势位于+d轴上，电枢磁势位于-d轴、-q轴之间，效应为：既交磁、又去磁Ψ0=∈（- 90°， 0°）时电枢反应的效应分析（以A相为例）图略类似分析可知：主极磁势位于+d轴上，电枢磁势位于+d轴、-q轴之间，效应为：既交磁、又助磁21.3 隐极发电机的数学模型21.3.1 不计饱和时的数学模型：可用叠加原理 主要内容：电压方程式、 等效电路、相量图21.3.2 计及饱和时的数学模型：忌用叠加原理 主要内容：电压方程式、 等效电路、相量图1 物理模型：电磁关系21.3.1 隐极发电机的数学模型：不计饱和时2 数学模型：电压方程式21.3.1 隐极发电机的数学模型：不计饱和时这是电压方程的初始形式。

下面引入电抗3 电抗的引入观察电磁关系中的第2行：它体现了电生磁、磁生电的过程头尾都是电：电流、电势；中间是磁：磁势、磁通下面说明头尾成正比：第一，磁势与电流成正比第二，磁通与磁势成正比 假设磁路未饱和，从而磁导率为常数第三，电势与磁通成正比综上三点可见，电势与电流成正比记这个比例系数为X这是大小相位：电势滞后磁通90°，不计铁耗时电流与磁通同相位故电势滞后电流90°于是，源于电枢电流的电势可以写成负的电抗压降的形式：引入电抗后，电压方程变为：4 不计饱和时隐极发电机的等效电路上式中Xs称同步电抗，Xa称电枢反应电抗，Xσ称电枢漏电抗 Xs=Xa+Xσ 5 不计饱和时隐极发电机的复杂相量图6 不计饱和时隐极发电机的简单相量图1 物理模型：电磁关系21.3.2 隐极发电机的数学模型：计及饱和2 数学模型：电压方程式21.3.2 隐极发电机的数学模型：不计饱和时计及饱和时，没有电枢反应电抗的概念，也没有同步电抗的概念，只有漏阻抗的概念3 计及饱和时隐极发电机的等效电路4 计及饱和时隐极发电机的复杂相量图5 电枢磁势换算系数ka的物理意义 隐极机的励磁磁势为梯形波，如右图示，而电枢磁势Fa为基波。

二者波形不同，故需要换算ka的意义为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于多少安匝的梯形波主极磁动势，一般ka≈0.93~1.03Ka的计算公式不要求 6 计及饱和时隐极发电机的简单相量图21.4.1 双反应理论21.4.2 不计饱和时凸极发电机的数学模型 电压方程式 相量图21.4.3 直轴、交轴同步电抗的比较21.4 凸极发电机的双反应理论和数学模型1凸极机电枢反应电势电抗化的困难21.4.1 凸极发电机的双反应理论回忆电抗诞生的过程如右引入电抗的条件是：磁势正比于电流，磁通正比于磁势，电势正比于磁通-----导致电势正比于电流1凸极机电枢反应电势电抗化的困难：续现在，即使不计饱和，磁通Φ也不与磁势F成正比因为：凸极机的气隙不均匀-----气隙长度L不为常数故：电枢反应电势无法用一个电抗压降表示-----电抗无法引入2 凸极机电枢反应电势电抗化困难的克服虽然凸极机的电枢反应电势无法用一个电抗压降表示，但是却可以用二个电抗压降表示-----Blondel的双反应理论：当不计饱和时，把任意位置的电枢磁势分解成直轴、交轴两个分量；这两个特定位置上的电枢反应电势可以表示为相应的负电抗压降；这两个负电抗压降之和就是总的电枢反应电势。

注意：双反应理论成立的前提-----磁路线性 1 物理背景-----电磁关系21.4.2 不计饱和时凸极发电机的数学模型2凸极机的数学模型-----电压方程式的初始形式3据前述电磁关系可得：3 凸极机的数学模型-----电压方程式的常用形式-----引入电抗直轴电枢反应电抗Xad交轴电枢反应电抗Xaq直轴同步电抗Xd=Xad + Xσ交轴同步电抗Xq=Xaq + Xσ4 凸极发电机的电抗参数5 凸极发电机的相量图6 凸极发电机的虚拟电势EQ 要画出相量图，除需要给定发电机要画出相量图，除需要给定发电机的电压、电流、负载的功率因数角的电压、电流、负载的功率因数角φ φ以以及电机的参数及电机的参数R Ra a、、X Xd d和和X Xq q之外，还必之外，还必须先确定须先确定ψ ψ0 0角，以便把电枢电流分解成角，以便把电枢电流分解成直轴和交轴两个分量为此，研究虚拟直轴和交轴两个分量为此，研究虚拟电势电势E E，以确定内功率因数角，以确定内功率因数角ψ ψ0 0 凸极发电机的虚拟电势凸极发电机的虚拟电势E E与励磁电势与励磁电势E E0 0同相位同相位因此，确定了虚拟电势，等于确定了内因此，确定了虚拟电势，等于确定了内功率因数角。

功率因数角虚拟电势EQ的表达式7 凸极发电机的内功率因数角ψ0的确定：由EQ到E08 同步发电机的等效电路1 电感 = 匝数的平方 X 磁导21.4.3 直轴、交轴同步电抗的比较2 电抗 = 角频率 X 电感3 电抗 = 角频率 X 匝数的平方 X 磁导4 电抗与磁路有关-----说到电抗，要想到磁路：磁阻越大，电抗越小；磁阻越小，电抗越大5直轴主磁路气隙小、磁阻小、电抗大；6 交轴主磁路气隙大、磁阻大、电抗小7故：直轴电枢反应电抗大于交轴电枢反应电抗8 直轴同步电抗大于交轴同步电抗21.5.1 电磁功率21.5.2 功率方程21.5.3 转矩方程21.5.4 功率角的空间含意21.5 同步发电机的功率和转矩1 电磁功率的定义：励磁电势所发出的有功功率 叫 电磁功率由等效电路可见： 电磁功率=输出功率+电枢铜耗21.5.1 电磁功率：以隐极机为例与感应电机的电磁功率表达式相同针对同步电机，电磁功率还可写成2 电磁功率表达式：参见相量图上页电磁功率的两个表达式表明：交轴电流对能量转换有决定性的意义----要进行能量转换，电枢电流中必须要有有功分量，即交轴分量。

3 电磁功率表达式的意义：交轴电流对能量转换有决定意义21.5.2 功率方程21.5.3 转矩方程：轴入功率方程两边同时除以同步角速度，即得转矩方程如下：1 功率角的定义：励磁电动势与端电压之间的夹角称为功率角δ不难看出，交轴电枢反应愈强（即电枢电流的交轴分量愈大），功率角δ就愈大 21.5.4 功率角的空间含意2 励磁电势E0对应到主磁场B0 21.5.4 功率角的空间含意3 端电压U对应到合成磁场BU（包括主磁场、电枢反应磁场和电枢漏磁场）忽略电阻时可见，端电压U确实对应到合成磁场BU（包括主磁场、电枢反应磁场和电枢漏磁场）21.5.4 功率角的空间含意4 B0和Bu分别超前于E0和U以90˚电角度，于是亦可以近似地认为，功率角δ是主磁场B0与电枢合成磁场Bu之间的空间相角差对于同步发电机，B0总是超前于Bu 结束语结束语谢谢大家聆听！！！谢谢大家聆听！！！64。