华北电力大学(保定)电机学-同步发电机的基本电磁关系概要.ppt

同步发电机的基本电磁关系 §10-1 同步发电机的空载运行 Ø 一、基本概念 空载运行：同步发电机被原动机拖到同步转速，转子绕组通入直 流励磁电流而电枢绕组开路，这种运行状态称为空载运行或无载 运行 励磁磁动势：同步发电机空载 运行时电枢电流为零，电机气 隙中只有转子励磁电流 if 产生 的磁动势Ff 和磁场，称为励磁 磁动势和励磁磁场 图10-1 同步发电机的空载磁路 §10-1 同步发电机的空载运行 Ø 一、基本概念 主磁通（励磁磁通）：既链过 转子，又通过气隙并与电枢绕 组交链的磁通Φ0，称为主磁通 ，它就是空载时的气隙磁通， 或称励磁磁通 主极漏磁通：只交链励磁绕组 的磁通Φfσ称为主极漏磁通，它 不参与电机的机电能量转换过 程如图10－1所示 图10-1 同步发电机的空载磁路 §10-1 同步发电机的空载运行 Ø 二、同步发电机空载运行分析 空载特性：改变励磁电流if ，就可得到不同的Φ0和励磁 电动势E0 ，曲线E0＝f(if )表 示在同步转速下，空载电动 势E0与励磁电流if 之间的关 系，称为发电机的空载特性 由于E0∝ if ，if ∝ Ff ，所 以，空载曲线实质上就反映 了电机的磁化曲线。

Ø 二、同步发电机空载特性分析 当主磁通Φ0较小时，整个磁路处于不饱和状态，绝大部分磁动势 消耗于气隙，所以空载特性的下部是一条直线，与空载曲线下部 相切的线OG称为气隙线,随着Φ0的增大，铁心逐渐饱和，空载曲 线逐渐变弯空载特性是同步发电机的基本特性之一 图10-2 同步发电机的空载特性 （磁化曲线） 电机的饱和因数 同步电机的 kμ值一般在1.1～1.25左 右 空载特性不仅适用于空载情况，负载 情况也是适用的 §10-2 三相同步发电机的电枢反应 Ø 一、基本概念 电枢磁动势：带上负载以后，由于电枢绕组有电流通过，就出现 第二个磁动势－电枢磁动势 如果绕组对称，三相负载亦对称，电枢磁动势的基波就将为 一同步旋转的旋转磁动势 励磁磁动势的基波和电枢磁动势基波二者之和，就构成了 负载时的合成磁动势，从而决定了气隙合成磁场 电枢反应：负载时电枢磁动势的基波对主极磁通基波的影响，就 称为电枢反应，因此，电枢磁动势又称为电枢反应磁动势 §10-2 三相同步发电机的电枢反应 Ø 一、基本概念 旋转电机实现机电能量转换的基本条件：同步电机的电枢磁动势 的基波与励磁磁动势转速相同，转向一致，因此它们在空间保持 相对静止。

正由于这种相对静止，才使它们之间的相互关系保持 不变，从而建立稳定的气隙磁场和产生平均电磁转距，实现机电 能量转换实际上，定转子磁动势相对静止是一切电磁感应型旋 转电机正常运行的基本条件 §10-2 三相同步发电机的电枢反应 Ø 二、时空相矢图－分析电枢反应时采用时间相量和空间矢量统一 图，这种图简称为“时空相矢图” 1.空间矢量：凡是沿空间按正弦分布的量都可表示为空间矢量 基波励磁磁动势 及其磁密 为一空间矢量该矢量位于转子 的极轴线上，方向为N极指向，以同步速旋转，如图10－3所示 1.空间矢量：凡是沿空间按正弦分布的量都可表示为空间矢量 电枢磁动势 也为空间矢量，它的位置可以这样来确定，即当 某相电流达到最大时，电枢磁动势 刚好转到该相绕组的轴线 上，它的指向与绕组中的电流方向符合右手螺旋定则，而且转 向与转子的一致，并以同步速旋转， 如图10－4所示图 中A相电流最大，所 以 刚好转到A相轴 线上电流的规定 正方向仍由末端流向 首端) 2.时间相量：凡是随时间按正弦规律变化的量 同步电机的空载电动势(励磁电动势） 是时间向量，该相量 的相位由转子的位置决定，如转子处于图(a)位置，当电动势正 方向与电流正方向一致时，A相感电动势为正的最大，所以 位于时间轴线上。

如图(b)所示电动势相量的角频率与转子旋 转的角速度都是ω 电枢电流 也是时间相量，它 的相位决定于电机内部的阻抗 和负载的性质电机内部的阻 抗和负载的性质决定了电枢电 流和空载电动势之间的相位差 角ψ， ψ称为内功率因数角 3.时空相矢图：由于空间矢量和时闻相量旋转的角速度 都是ω，把空间轴线+A与时间轴线+t重合在一起，空 间矢量和时间相量就画在同一张图里，称为时间相量和 空间矢量统一图，简称为“时空相矢图” §10-2 三相同步发电机的电枢反应 Ø 二、时空相矢图－分析电枢反应时采用时间相量和空间矢量统一 图，这种图简称为“时空相矢图” 3.时空相矢图： 结论：在时空相矢图上 总是落后于 以90度， 总是与 重 合 与 之间相位差 随着负载的性质不同而改变而 与 之间相对位置又完全取决于ψ角 (它们之间的空间相位差为 角)，所以电枢反应的性质是由ψ角决定的，也就是说单机运行 时电枢反应的性质是由负载的性质决定的 1．试说明同步电机中的 、 、 、 、 、 等物理量哪些是空间矢量？哪些是时间相 量？试述两种矢（相）量之间的统一性 如果不把相轴和时轴重合，那么时、空相 （矢）量之间的关系怎样？ §10-2 三相同步发电机的电枢反应 Ø 三、不同ψ角时的电枢反应 1. 与 同相位时的电枢反应－交轴电枢反应 §10-2 三相同步发电机的电枢反应 Ø 三、不同ψ角时的电枢反应 1. 与 同相位时的电枢反应－交轴电枢反应 交轴电枢反应的作用： 1）对主磁极而言，交轴电枢反应磁动势在前极端(顺转向看、 极靴的前都) 起去磁作用，在后极端（顺转向看,极靴的后部) 起加磁作用。

定子合成磁动势 较 扭斜了 角，幅值也有所增 加，从而使气隙磁场的大小也有所增加 2）同步电机的电磁转矩和能量转换与交轴电枢反应密切相关 只有具有交轴电枢反应，定子合成磁动势和主磁极之间才会 形成一定的 角，从而才能实现机、电能量转换，所以交轴电 枢反应是实现机、电能量转换的必要条件 §10-2 三相同步发电机的电枢反应 Ø 三、不同ψ角时的电枢反应 2. 落后 以 时的电枢反应－去磁性质的直轴电枢反应 §10-2 三相同步发电机的电枢反应 Ø 三、不同ψ角时的电枢反应 2. 落后 以 时的电枢反应－去磁性质的直轴电枢反应 直轴电枢反应的作用： 1）对主磁场而言，直轴电枢反应磁动势起去磁作用，使得气 隙合成磁场减小 2）由于合成磁动势投有扭斜现象（ ），此时直轴电枢 反应磁场与励磁磁场正对着，不产生切向力，所以不产生电 磁转距，因而也不能进行机电能量转换 §10-2 三相同步发电机的电枢反应 Ø 不同ψ角时的电枢反应 3. 超前 以 时的电枢反应－加磁性质的直轴电枢反应 §10-2 三相同步发电机的电枢反应 Ø 不同ψ角时的电枢反应 3. 超前 以 时的电枢反应－加磁性质的直轴电枢反应 直轴电枢反应的作用： 1）对主磁场而言，直轴电枢反应磁动势起加磁作用，使得气 隙合成磁场增强。

2）由于合成磁动势投有扭斜现象（ ），所以也不会产 生电磁转距，也不能进行机电能量转换 Ø 不同ψ角时的电枢反应 4.一般情况下的电枢反应 直轴电枢反应磁动势 交轴电枢反应磁动势 Ø 三、不同ψ角时的电枢反应 4.一般情况下的电枢反应 若把电流 也分解成 和 两个分量，则 交轴电枢反应磁动势使气隙磁场扭斜产生 ψ角，从而进行机电能量转换，直轴电枢反 应磁动势对励磁破动势起去磁作用，使气隙 磁场减小 §10-3 隐极同步发电机的电动势方程式、同步电抗和相量图 Ø 一、不考虑饱和时的电动势方程式、同步电抗和相量图 1、电磁关系： 2、电势平衡方程式： §10-3 隐极同步发电机的电动势方程式、同步电抗和相量图 Ø 一、不考虑饱和时的电动势方程式、同步电抗和相量图 4、电枢反应电抗： Ea ＝4.44fNkw1Φa 式中： 称为电枢反应电抗 是对称负载下每相电流为1安时所感应的电枢反应电动势 §10-3 隐极同步发电机的电动势方程式、同步电抗和相量图 Ø 一、不考虑饱和时的电动势方程式、同步电抗和相量图 4、漏电抗： 漏磁电动势 也可写成负的漏抗压降的形式，即 式中： 为与漏磁通相对应的漏电抗。

§10-3 隐极同步发电机的电动势方程式、同步电抗和相量图 Ø 一、不考虑饱和时的电动势方程式、同步电抗和相量图 5、综上分析，不考虑饱和时隐极同步发电机的电动势方程式可 写为： 称为同步电机的同步电抗 气隙电动势： Ø 一、不考虑饱和时的电动势方程式、同步电抗和相量图 6、相量图和等效电路 Ø 分析功率因数角、功率因数角、功角物理意义？ 一台隐极式同步发电机，分别在 、 、 （滞后）与 滞后）两种情况下运行 其中 和 保持不变，而 ，问 哪一种情况下所需的励磁电流大？为什么？ 、 、 、 、 由于在滞后的功率因数时， 愈小，电枢反应去磁作用愈 强，为了获得一样的端电压 ，必须增大励磁在运行中 ，当功率因数变小所需励磁 电流增大时，必须注意转子 的温升不能超过额定温升值 §10-3 隐极同步发电机的电动势方程式、同步电抗和相量图 Ø 二、考虑饱和时的磁动势－电动势相矢图 1、电磁关系： 其中 称为气隙中基波合成磁动势(简称气隙磁动势)； 2、电动势方程式： Ø 二、考虑饱和时的磁动势－电动势相矢图 根据磁动势方程式和电动势方程式作出的相矢图，称为磁动势－ 电动势相矢图。

1、绘制磁动势－电动势相矢图的步骤： 1)已知U、I、cosφ以及空载 特性，以感性负载为例 §10-3 隐极同步发电机的电动势方程式、同步电抗和相量图 Ø 考虑饱和时的磁动势－电动势相矢图 1、绘制磁动势－电动势相矢图的步骤： 2) 的位置领前于 ,均为基波磁动势,换算成一等效的阶梯形波气隙磁动 势: 式中：kf为阶梯形波励磁磁动势分解出的基波的波形系数 Ø 二、考虑饱和时的磁动势－电动势相矢图 电枢磁动势折算系数 §10-3 隐极同步发电机的电动势方程式、同步电抗和相量图 Ø 二、考虑饱和时的磁动势－电动势相矢图 ka的物理意义：一个基波电枢磁动势乘以折算系数ka以后就换算 成了一个等值的阶梯形波励磁磁动势；反过来说，一个阶梯形励 励磁磁动势除以ka (或乘以 kf)后，就换算成了一个等值的电枢基 波磁动势 §10-3 隐极同步发电机的电动势方程式、同步电抗和相量图 Ø 二、考虑饱和时的磁动势－电动势相矢图 3)决定 的大小与位置: 的位置与 重合，其大小可由计算或试验获得，它 的计算公式为 4)求出 如上图中 段 5)把Ff1换算成阶梯形波，即求出Ff＝ kaFf 1， Ff用或 if＝ Ff / Nf在空载特性上找 出E0，然后在落后于 矢量 方向作 相量 讨论：在负载时，虽然有Ff，然而却不存在E0，实际绕组里只存在一个气隙电 动势Eδ，只有在负载除去后，E0才表现出来。

§10-3 隐极同步发电机的电动势方程式、同步电抗和相量图 Ø 二、考虑饱和时的磁动势－电动势相矢图 2、电压调整率： 所谓电压调整率，就是指当励磁电流保持不变，发电机从满载和额 定电压下逐渐甩去全部负载，电压变化的百分数即 E0为对应于额定负载和额定电压时得励磁电流下得空载电动势 UNφ为额定相电压 §10-4 凸极同步发电机的双反应理论 Ø 一、双反应理论 凸极同步发电机的电枢磁场分布及双反应理论的提出： 凸极同步发电机的气隙是不均匀的，极弧下气隙较小，极间部分 气隙较大，因此同一电枢磁破动势作用在不同的位置时，电枢反 应将不一样 §10-4 凸极同步发电机的双反应理论 Ø 1、双反应理论 凸极同步发电机的电枢磁场分布及双反应理论的提出： 双反应理论的基本思想：当电枢 磁动势 的轴线既不和直轴又不 和交轴重合时，可以把电枢磁动 势 分解成直轴分量 和交轴 分量 ，然后分别分析直轴和交 轴电枢磁动势的电枢反应，最后 再把它们的的效果迭加起来 这种考虑到凸极电机中气隙的不 均匀性，把电枢反应分为直轴。