第12章 同步电机的

1、第12章 同步电机的基本理论 与运行特性 第一节 同步电机的结构 什么是同步电机？什么是同步电机？ 一一. .同步电机和异步电机的区别同步电机和异步电机的区别 转子绕组结构转子绕组结构 v 异步电机异步电机: :三相双层叠绕组或其他交流绕组三相双层叠绕组或其他交流绕组 笼式绕组笼式绕组, ,构成闭合回路构成闭合回路 v 同步电机同步电机: :多为同心式绕组，外接直电源多为同心式绕组，外接直电源 转子转速和同步转速的关系转子转速和同步转速的关系 绕组中的电流绕组中的电流 气隙大小的差别气隙大小的差别 二、同步电机的运行原理 v当励磁绕组通以直流电之后，建立恒定的磁场，转 子转速为n时，定子的导体

2、感应交流电动势，其频 率是 60 s pn f m m m sin sin(120 ) sin(240 ) OA OB OB eEt eEt eEt 三.同步电机的分类 v按运行方式和功转换方向： 同步发电机 同步电动机 同步调相机 v按结构分: 旋转磁极式 旋转电枢式(小容量) v按磁极的形状分： 隐极机 凸极机 v按原动机的类别分：汽轮发电机 水轮发电机 柴油发电机 燃汽轮发电机 风力发电机 v汽轮发电机转速高、离心力大 (p=1,p=2)隐极式 v水轮发电机转速低、极数多凸极式 四、同步电机的基本结构型式 v组成：固定的定子和可旋转的转子 v1、按旋转结构分： 磁极旋转式 电枢旋转式 v

3、磁极旋转式以电枢为定子，磁极为转子。使磁 极旋转，厉磁电流通过集电环送入励磁绕组。 v旋转电枢式-把磁极放在定子上，而电枢绕组放 在转子上。 应用于小容量同步电机 机械端口机械端口 转子转子 定子绕组定子绕组 定子铁心定子铁心 电端口电端口 A B C 返回 磁极旋转式同步电机 v v2、按转子结构分：隐极式转子同步电机 凸极式转子同步电机 隐极式转子 v隐极式转子上没有凸出的磁极 v沿着转子本体圆周表面上，开有 许多槽，这些槽中嵌放着励磁绕 组。在转子表面约1/3部分没有 开槽，构成大齿大齿，是磁极的中心 区。 v励磁绕组通入励磁电流后，沿转 子圆周也会出现 N 极和 S 极。 v在大容量高

4、转速汽轮发电机中， 转子圆周线速度极高，最大可达 170米/秒。为了减小转子本体及 转子上的各部件所承受的巨大离 心力，大型汽轮发电机都做成细 长的隐极式圆柱体转子。 凸极式转子v凸极式转子上有明显凸出 的成对磁极和励磁线圈 v当励磁线圈中通过直流励 磁电流后，每个磁极就出 现一定的极性，相邻磁极 交替为 N 极和 S 极 v对水轮发电机来说，由于 水轮机的转速较低，要发 出工频电能，发电机的极 数就比较多，做成凸极式 结构工艺上较为简单。中 小型同步电机多半也做成 凸极式。 汽轮发电机组 汽轮发电机图 二、 汽轮发电机结构 v定义：以汽轮机或燃气轮机为原动机。 v特点： 汽轮机的运行性能在高

5、速时较为经济，应有尽可 能高的转速。 火电站中汽轮发电机一般为两极隐极式。 核电站的大型汽轮发电机一般采用4极隐极式。 1、定子 v定子铁心：由0.35mm或0.5mm或其它厚度的 电工钢片叠成。定子外径较小时，采用圆形 冲片，当定子外径大于1m 时，采用扇形冲片 v定子绕组：铜线 v机座 v端盖 隐极同步发电机的基本结构隐极同步发电机的基本结构 1 1、汽、汽 轮发轮发 电机电机 结构结构 （2 2） 定子定子 绕组绕组 返回 2、转子 隐极式转子，其外形常做成一个细长的圆柱外形常做成一个细长的圆柱 体体为了减少高速旋转引起的离心力。 转子铁心：表面圆周上铣有许多槽，励磁绕组嵌放 在这些槽内

6、。 励磁绕组：为同心式绕组，以铜线绕制，并用不导用不导 磁的槽楔磁的槽楔将绕组紧固在槽内。 转轴经联轴器与汽轮机相联的一端为汽机端， 称与励磁机相接的一端为励磁机端。 集电环：激磁绕组的两个出线端，通过装在励磁机 侧的集电环经电刷与直流激磁电源接通。 1 1、汽、汽 轮发电轮发电 机结构机结构 返回 各种电机各种电机 引进引进600MW汽轮发电机汽轮发电机 国产国产300MW汽轮发电机汽轮发电机 国产国产200MW汽轮发电机定子汽轮发电机定子 国产国产200MW汽轮发电机定子铁心汽轮发电机定子铁心 三、水轮发电机 v特点极数多，直径大，轴向长度短极数多，直径大，轴向长度短，整个转 子在外形上与

7、汽轮发电机大不相同，具扁短形扁短形。 v 大多数水轮发电机为立式。 (1)(1)立式水轮发电机立式水轮发电机(2)(2)卧式水轮发电机卧式水轮发电机 1、定子 v定子铁心水轮发电机的直径很大，定子铁心由 扇形电工钢片拼装叠成。为了散热的需要，定子铁 心中留有径向通风沟。 v定子绕组每槽内只有一线棒，称单层绕组。为为 改善电压波形，常采用分数槽绕组改善电压波形，常采用分数槽绕组。 v机座 发电机定子总装配 发 电 机 定 子 铁 芯 发电机定子总装配 定子铁芯由硅钢片、齿压定子铁芯由硅钢片、齿压 板、压指、压紧螺栓等组板、压指、压紧螺栓等组 成。硅钢片厚度为成。硅钢片厚度为0.5mm0.5mm，

8、 两面均涂有两面均涂有F F级绝缘漆，铁级绝缘漆，铁 芯拉紧螺栓位于铁芯叠片芯拉紧螺栓位于铁芯叠片 中部，用绝缘套管与铁中部，用绝缘套管与铁 芯芯 叠片绝缘，与传统的位于叠片绝缘，与传统的位于 铁芯叠片尾部相比拉紧效铁芯叠片尾部相比拉紧效 果好，有利于防止叠片翘果好，有利于防止叠片翘 曲变形和运行过程中松动曲变形和运行过程中松动 。 发电机定子总装配 发 电 机 定 子 绕 组 定子绕组 一般设计 为三相双 层波形绕 组 发电机定子总装配发电机定子总装配 2、转子 v转子磁极由厚度为12mm的钢片叠成 v励磁绕组 v阻尼绕组 v磁轭 发电机转子 发 电 机 转 子 左江左江24MW24MW发电

9、机转子在吊装发电机转子在吊装 现场运行的水轮发电机现场运行的水轮发电机 四、同步电机铭牌 我国生产的汽轮发电机有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。 系列：TS系列，T表示同步，S表示水轮。 举例：QFS-300-2 表示容量为300MW双水内冷2极汽轮发电机。 TSS1264/160-48表示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。 外同步电动机系列有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

10、动机。同步补偿机为TT系列。 电机型号 v额定容量 SN (VA,kVA,MVA等) 或额定功率PN (W,kW,MW 等) ：指电机输出功率输出功率的保证值。 v额定电压 (V,kV等) ：额定时定子输出端线电压。 v额定电流 (A) ：指额定运行时定子的线电流。 v额定功率因数 ：额定运行时输出电功率的功率因数。 v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。 v额定转速 ：额定运行时电机的转速，即同步转速。 同步 电机名牌上还有其它的运行数据，如额定负载时的温升 、 励磁容量 和励磁电压 ，定子绕组连接等。 第二节 同步电机的励磁系统 一、概念 v励

11、磁方式同步电机获取直流直流励磁电流的方式 v励磁系统供结励磁电流的整个系统，包括装置 和线路，如： 励磁机 励磁调节器（手动、自动） 灭磁装置 二、对励磁系统的要求 v1、正常运行时，供给励磁电流 v2、为维持端电压或电网电压值，随负载情况变化， 励磁电流能相应调节 v3、当系统电压严重下降时（如发生短路故障等）， 能强行励磁提高电势，保持电压稳定 v4、突然丢负荷时，如水轮机组转速明显升高，能 强行减磁，限制端电压过度增高。 v5、当电机内部发生短路故障时，能快速灭磁和减 磁，以减小故障的损坏程度。 v6、对两台以上并列运行发电机，能成组成组调节无功 功率，使无功合理分配。 v其他：反映迅速

12、，运行可靠，结构简单，损耗小， 成本低，体积小等 三、励磁方式 1、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 或者他励接法. 直流并励励磁机系统，如图：P209,图12-10 直流他励励磁机系统： 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。 二、交流励磁机整流励磁系统 1、静止整流励磁 2、旋转整流励磁 可分为 1、交流励磁机静止整流励磁系统 交流励磁机静止整流励磁系统： v 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。 v 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

13、)。 v 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 v 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。 在中小型同步发电机中，也可采用自励式整流系统在中小型同步发电机中，也可采用自励式整流系统 2、交流励磁机旋转整流系统 2、交流励磁机旋转整流系统 v 静止整流器的直流输出必须经过电刷和集电环才能 输送到旋转的励磁绕组，对于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。 v 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。 v 主励磁机是旋转电枢式三相同步发电机，旋转电旋转电 枢的交流电流经与主轴一起

14、旋转的硅整流器整流后，直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 无刷励磁系统无刷励磁系统。 旋转电枢式 第三节 同步电机的基本原理 一、同步电机的基本原理：一、同步电机的基本原理： v 当同步发电机的转子在原动机的拖动下达到同步转速当同步发电机的转子在原动机的拖动下达到同步转速n1 时，由于转子绕组是由直流电流时，由于转子绕组是由直流电流If 励磁，励磁， 所以转子绕组在气所以转子绕组在气 隙中所建立的磁场相对

15、于定子来说是一个与转子旋转方向相隙中所建立的磁场相对于定子来说是一个与转子旋转方向相 同，转速大小相等的旋转磁场。该磁场切割定子上开路的三同，转速大小相等的旋转磁场。该磁场切割定子上开路的三 相对称绕组，相对称绕组， 在三相对称绕组中产生三相对称空载感应电在三相对称绕组中产生三相对称空载感应电 动势动势E0 。若改变励磁电流的大小则可相应地改变感应电动。若改变励磁电流的大小则可相应地改变感应电动 势的大小，此时同步发电机处于势的大小，此时同步发电机处于空载运行空载运行。 v 当同步发电机带当同步发电机带负载负载后，定子绕组构成闭合回路，产后，定子绕组构成闭合回路，产 生定子电流，该电流是三相对

16、称电流，因而要在气隙中产生生定子电流，该电流是三相对称电流，因而要在气隙中产生 与与转子旋转方向相同，转速大小相等的旋转磁场。此时定、与与转子旋转方向相同，转速大小相等的旋转磁场。此时定、 转子间旋转磁场相对静止，气隙中的磁场是定、转子旋转磁转子间旋转磁场相对静止，气隙中的磁场是定、转子旋转磁 场的合成。由于气隙中磁场的改变，定子绕组中感应电动势场的合成。由于气隙中磁场的改变，定子绕组中感应电动势 的大小也将发生变化。的大小也将发生变化。 v二、两种旋转磁场二、两种旋转磁场 1、定子旋转磁场、定子旋转磁场 2、转子旋转磁场、转子旋转磁场 （与异步电机比较（与异步电机比较) 三、电磁力的产生三、

17、电磁力的产生 同步电机的两种旋转磁场均以同步速度旋转，没同步电机的两种旋转磁场均以同步速度旋转，没 有相对运动，但两种磁场存在空间位移，便会产生有相对运动，但两种磁场存在空间位移，便会产生 电磁力电磁力 三、同步电机的运行方式三、同步电机的运行方式 电枢磁场与转子磁场间没有相对运动电枢磁场与转子磁场间没有相对运动 三、同步电机的运行方式三、同步电机的运行方式 电枢磁场与转子磁场间没有相对运动电枢磁场与转子磁场间没有相对运动 发电机方式：转子磁场超前定子磁场（电磁阻力）发电机方式：转子磁场超前定子磁场（电磁阻力） 电动机方式：定子磁场超前转子磁场（驱动转动）电动机方式：定子磁场超前转子磁场（驱动

18、转动） 第四节 同步电机的空载运行 一、空载与空载磁势一、空载与空载磁势 v空载运行：空载运行：同步发电机被原动机拖动到同步转速， 转子绕组通入直流励磁电流，定子绕组开路（定子 电流为零），此时发电机的端电压等于绕组中的感 应电动势，称为空载电动势E0 v 空载运行是同步发电机最简单的运行方式，其空载运行是同步发电机最简单的运行方式，其气隙气隙 磁场由转子磁势单独建立磁场由转子磁势单独建立，分析较为简单，分析较为简单 v If Ff（空载磁动势）（空载磁动势） 二、隐极同步电机的空载磁势 v励磁绕组（分布绕组）埋于转子槽内，励磁绕组（分布绕组）埋于转子槽内，沿转子圆周沿转子圆周气隙气隙 近似均

19、匀近似均匀。 v励磁磁势在励磁磁势在空间的分布为一个阶梯形空间的分布为一个阶梯形，受齿槽的影响，受齿槽的影响,气气 隙磁密呈现出波动变化。隙磁密呈现出波动变化。 v用傅里叶极数可求出其基波分量用傅里叶极数可求出其基波分量 v合理地选择大齿的宽度可以使气隙磁密的分布接近正弦合理地选择大齿的宽度可以使气隙磁密的分布接近正弦 波。如无特殊说明，以后波。如无特殊说明，以后仅考虑磁通密度的基波分量仅考虑磁通密度的基波分量 f f f F F k 1 波形系数 阶梯形波幅值： Ff=IfNf 三、 凸极同步电机的空载磁势凸极同步电机的空载磁势 v对于凸极发电机来说，由于定转子间的对于凸极发电机来说，由于定

20、转子间的气隙沿整个电枢圆周分气隙沿整个电枢圆周分 布不均匀布不均匀，极面下气隙较小，磁阻较小；极间气隙较大，极间，极面下气隙较小，磁阻较小；极间气隙较大，极间 磁阻很大。同一个极面下，气隙径向磁通密度的分布近似于平磁阻很大。同一个极面下，气隙径向磁通密度的分布近似于平 顶的帽形。极靴以外的气隙磁通密度减少很快，相邻两极中线顶的帽形。极靴以外的气隙磁通密度减少很快，相邻两极中线 上的磁通密度为零。上的磁通密度为零。 v气隙磁密用付立叶谐波分析分解出空间基波和气隙磁密用付立叶谐波分析分解出空间基波和一系列谐波一系列谐波。 励磁绕组为集中绕组，磁势波为励磁绕组为集中绕组，磁势波为矩形波矩形波 2 s

21、in 4 f k 2 sin 4 1 ff FF v感应电势的波形和大小与气隙磁密的分布形状及幅感应电势的波形和大小与气隙磁密的分布形状及幅 值大小紧密相关。值大小紧密相关。 v在设计和制造电机时，应采取适当的措施，以获得在设计和制造电机时，应采取适当的措施，以获得 尽可能尽可能接近正弦分布接近正弦分布的气隙磁密，从而得到较高品的气隙磁密，从而得到较高品 质的感应电势。质的感应电势。 四、同步电机中的时空量图 将相绕组轴线作为空间矢量参考轴（相轴） 令时间相量参考轴（时轴）与空间矢量参考轴重合 转子绕组 轴线 两极间中心线 时间相量时间相量U、I、E、(对一相而言) 磁势和磁场是空间 分布函数

22、，磁通电 空间矢量空间矢量F、B（整台电机而言） 势是时间函数，二 者有相同的角速度 五、空载电势 三相电势对称三相电势对称 主磁通主磁通 0 漏磁通漏磁通 只有主磁通才在定子绕组中产生感应电 势 0110 44. 4 N kfNE 六、电压波形畸变 v定义：实际空载线电压波形与正弦波形的偏 差程度。 1 2 2 2 1 22 3 2 2 m n mn m mkmm v U U U UUU k 规定规定：空载及额定电压时，容量在300kVA之上时不 超过5%，较小容量不超过10%。 影响影响：危害用电设备（瞬时电压值可大大超过额定电 压），导致线路附加损耗，高频辐射影响通讯。 措施措施：使气隙

23、磁密波形接近正弦波，定子采用分布和 短距绕组，三相Y形接法消除三次及其倍数次谐波。 第四节 对称负载时的电枢反应 一、 负载后（气隙）磁势分析 空载时，只有一个以同步转速旋转的励磁磁势空载时，只有一个以同步转速旋转的励磁磁势Ff随轴同随轴同 转的转子磁势转的转子磁势 (称为称为机械旋转磁势机械旋转磁势) ，在电枢绕组中感应出，在电枢绕组中感应出 三相对称交流电势，励磁电势，即空载电势三相对称交流电势，励磁电势，即空载电势E0。 当电枢绕组接上三相对称负载后，电枢绕组中流过三相对称当电枢绕组接上三相对称负载后，电枢绕组中流过三相对称 的交流电流的交流电流 ，将形成一个以同步速度旋转的旋转磁势，将

24、形成一个以同步速度旋转的旋转磁势电电 枢磁势枢磁势Fa电枢旋转磁势电枢旋转磁势 (称为称为电气旋转磁势电气旋转磁势）。）。 两个旋转磁势的转速均为同步速，且转向一致，二者在空间两个旋转磁势的转速均为同步速，且转向一致，二者在空间 处于相对静止状态，矢量合成为一个合成磁势处于相对静止状态，矢量合成为一个合成磁势 。 气隙磁场气隙磁场 由合成磁势由合成磁势 在电机的气隙中建立起来的磁场。在电机的气隙中建立起来的磁场。 电枢反应电枢反应-对称负载时对称负载时Fa（电枢磁势）对（电枢磁势）对Ff1的影响的影响 内功率因数角： E0 Ia 解释：时间相量Ia与空间矢量Fa同向 电枢磁势Fa三相电流产生的

25、合成磁势，哪一相电流达最大值， 则位置在其绕组的轴线上； A相电流Ia如Ia最大，则Ia在相轴上，此时Fa正好在交轴上 一、 =0时的电枢反应分析 v输出电流 和空载电势同相，有功功率从电机输 至电网发电机状态发电机状态。 v0，cos1，sin0，不发出无功功率不发出无功功率。 转子磁势在直轴上，电枢磁势作用在交轴上，电枢反应的结果 使得合成磁势的轴线位置产生一定的偏移，幅值发生一定的变 化。 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 解释：时间相量Ia与空间矢量Fa同向 电枢磁势Fa三相电流产生的合成磁势，哪一相电流达最大值， 则位置在其绕组的轴线上； A相电流Ia如Ia最大，

26、则Ia在相轴上，此时Fa正好在交轴上 交轴电枢反应交轴电枢反应 Fa滞后于滞后于Ff1 发电机发电机 二、 =/2 时的电枢反应分析 v输出电流滞后于空载电势90，cos0，sin 1，有功功率等于零，仅发出电感性无功功率发出电感性无功功率。 直轴电枢反应直轴电枢反应 转子磁势和电枢磁势均作用在直轴上，方向相反，电枢反应转子磁势和电枢磁势均作用在直轴上，方向相反，电枢反应 为纯去磁作用，合成磁势的幅值减小为纯去磁作用，合成磁势的幅值减小直轴去磁电枢反应直轴去磁电枢反应。 为保持电压不变，应增大励磁，即为为保持电压不变，应增大励磁，即为过激状态，将过激状态，将输出电感输出电感 性无功功率性无功功

27、率 三、 = 时的电枢反应分析 vI与E0反相。cos1，sin0，有功功率将从 电网输送到电机电动机运行状态电动机运行状态。 vsin0，不发出无功功率不发出无功功率。 交轴电枢反应交轴电枢反应 Fa超前于超前于Ff1 电动机电动机 转子磁势作用在直轴上，电枢磁势作用在交轴上，电枢转子磁势作用在直轴上，电枢磁势作用在交轴上，电枢 反应使合成磁势的轴线位置产生一定的偏移，幅值发生一反应使合成磁势的轴线位置产生一定的偏移，幅值发生一 定的变化。定的变化。 四、=-/2 时的电枢反应分析 v输出电流超前空载电势90，cos0，sin 1，有功功率等于零，仅发出电容性无功功率发出电容性无功功率， 或

28、吸收电感性无功功率。 直轴电枢反应直轴电枢反应 转子磁势和电枢磁势均作用在直轴上，方向一致，合成磁势转子磁势和电枢磁势均作用在直轴上，方向一致，合成磁势 的幅值加大，电枢反应为纯增磁作用的幅值加大，电枢反应为纯增磁作用直轴助磁电枢反应直轴助磁电枢反应。 为保持电压不变，应减少励磁，即为为保持电压不变，应减少励磁，即为欠激状态，将欠激状态，将输出电容输出电容 性无功功率性无功功率 五、为任意角度时的电枢反应 v1、将电枢磁势分解为直轴和交轴两个分量。将电枢磁势分解为直轴和交轴两个分量。 coscos sinsin aaqaaq aadaad IIFF IIFF v2、交轴分量、交轴分量Faq滞后

29、于滞后于Ff1为发电机运行，超前于为发电机运行，超前于Ff1为电为电 动机运行，分别对应于输出和输入有功功率。动机运行，分别对应于输出和输入有功功率。 v3、直轴分量、直轴分量Fad可能是磁化或去磁作用，当去磁作用时，可能是磁化或去磁作用，当去磁作用时， 处于过激状态。当直轴电枢磁势起磁化作用时，接在电网上处于过激状态。当直轴电枢磁势起磁化作用时，接在电网上 的同步电机处于欠激状态。的同步电机处于欠激状态。 电枢反应分析 同步发电机运行情况：（-90o，90o） 同步电动机运行情况：（90o，270o） 电枢反应是实现能量转换的关 键 v同步电机空载运行时，定子绕组开路，没有负载电流：不存不存

30、 在电枢反应，不存在由转子到定子的能量传递在电枢反应，不存在由转子到定子的能量传递。 当同步发电机带有负载时，就产生了电枢反应电枢反应。 不同负载性质时，电枢磁场与转子电流产生不同性质的电磁力和电磁转产生不同性质的电磁力和电磁转 矩矩。实现能量的传递实现能量的传递 （a)：电枢反应交轴作用，电磁力与旋转方向相反，为了维持 发电机的转速不变，必须随着有功负载的变化调节原动机的输 入功率 （b）（c）：电枢反应直轴作用，b为去磁，c为助磁，为保持 发电机的端电压不变，必须随着无功负载的变化相应地调节转 子的激磁电流。 第五节 隐极同步电机的分析方法 一、接对称负载时 vIf Ff1 两个磁场定转子

31、磁场无相对运动 相互间没有感应耦合，因而都不 会在转子绕组中感应电势，不 计饱和时便可用叠加原理，认 为转子磁场与电枢磁场分别在 v I Fa 绕组中感应电势 二、不计饱和时的电磁关系 vIf Ff1 0 E0 v E vI系统 Fa a Ea 方程式： jxrIUEEE aa 0 等效电路: vE0空载电势， 反应转子磁场的作 用 vEa电枢反应电 势，反应电枢磁场 的作用。是三相合 成电枢反应磁场在 一相绕组中的感应 电势。 三、 隐极电机电枢反应电抗xa，同步电抗XS,漏 抗X 1、电枢反应电抗Xa v当三相对称电枢电流流过电枢绕组时，将产生旋转 的电枢磁势 ，在电机内部产生跨过气隙的电

32、枢反应 磁通 和不通过气隙的漏磁通 ，分别在电枢各相绕 组中感应出电枢反应电势 和漏磁电势 。 v 与电枢电流 的大小成正比(不计饱和)，比例常 数称 为电枢反应电抗。考虑到相位关系后，每相电 枢反应电势为： aE E aE IjxaE a 物理意义： 电枢反应磁场在定子每相绕组中感应的电枢反应电势，可 以看作相电流所产生的一个电抗电压降 2、漏抗X v 电枢反应磁通a（互磁通） Fa v电枢磁势 槽漏磁通和端部漏磁通 高次谐波磁势 谐波磁通（差漏磁通） 端部漏磁通 槽漏磁通 统称为定子漏磁通 差部漏磁通 3、隐极电机同步电抗 xs 对应于定子绕组的漏磁通 对应于定子电流所产生的空气隙旋转磁场

33、 定子旋转磁势是三相电流联合产生的，幅值为每相脉动 磁势幅值的3/2倍。磁通在绕组中的感应电势用相电流 在电抗上的压降表示，为每相值 ssa aa ZIUjxrIU xxjrIUE 0 xs 3、隐极发电机的相量图 在作相量图时，假设已知：发电机的端电压，电枢电流， 负载功率因数角，同步电抗。根据方程式求得励磁电势 步骤1：在水平方向作出相量 U 步骤2：根据角作I 的方向并作出相量 步骤3：在U 的尾端加上 Ira 和 相量jIx0 ，它超前于I 90 得到E相量 步骤4：再加上相量jIxa，得到E0相量 xxjrIUE aa 0 隐极发电机的相量图: 功角功角 E0与U间的夹角，与功率有关

34、 位移角位移角i 空间矢量Ff1与F间的相位角，反映负载后磁势 的位移 二、电枢反应磁势的折算 v磁路不饱和时，分别由磁势-磁密-感应电势，然 后进行叠加。 v考虑磁路饱和，则叠加原理不适用。必须先合成磁 势，利用磁化曲线，确定产生合成的磁场及其合成 感应电势。 v电枢磁势折算为等效的转子磁势，并与原转子磁势 合成为等效的气隙合成磁势。 v隐极机与凸极机气隙形状不一样，有不同的折算结 果。 第六节 凸极同步发电机的分析方法 一、双反应理论 v凸极同步机的气隙不均匀凸极同步机的气隙不均匀在极面下的磁导大，两极之间 的磁导小。 v同一电枢磁势波作用在气隙不同处，会遇到不同的磁阻，产 生不同的磁密。

35、F=，B= S v双反应法双反应法电枢基波磁势Fa分解为直轴上的直轴电枢反应 磁势Fad和交轴上的交轴电枢反应磁势Faq。 v根据直轴和交轴的磁导，分别求出直轴和交轴的磁通密度波 及磁通。 v求出在每相定子绕组中直轴电枢反应电势Ead和交轴电枢反 应电势Eaq。 v双反应法的基础是，当不计饱和时，适用叠加原理，用双反 应法来分析凸极同步电机。 aqaqqaq aa adaddad EIF EIF EIF )( )( )( 交轴 直轴 二、 电路方程与等效电路 jXrIUEEEE aaqad 0 电枢反应电枢反应Fad 磁通磁通ad 电枢反应电枢反应Faq 磁通磁通aq 机械旋转机械旋转Ff 磁

36、通磁通0 定子绕组漏磁场定子绕组漏磁场 三、直轴与交轴电枢反应电抗和同步电抗 v（一）直轴电枢反应电抗 v（二）交轴电枢反应电抗 v（三）直轴同步电抗和交轴同步电抗 凸极发电机的相量图 v由负载性质，作出U和I相量 v 确定E0的方 向，得到内功率因数角 v分解负载电流Id=Isin ,Iq=Icos v得到E0 qaqdd x I jr IUxxI jE 0 同步电机对称运行 时的特性 1.空载特性、短路特性、负载特性（曲线） 2.测定同步电抗、计算短路比、测定漏抗 3.外特性与调整特性 4.电压变化率分析 同步电机的特性分析基础 v对称运行：指电机转速为额定值且保持恒定，并供给 三相对称负

37、载时的一种稳态运行稳态运行方式 v主要变量变量：电压U、电枢电流I、激磁电流If和功率因数 cos v特性： (1)空载特性： I=0 (2)短路特性： U0 (3)负载特性： Iconst、cos=const (4)外特性： Ifconst、cosconst (5)调整特性： Uconst、cos=const 主要参数参数：同步电抗xs、xd、xq及漏抗x f IfU 0 fk IfI f IfU IfU IfI f 标幺值计算时的基值的选取 v定子侧 电压基值额定相电压 电流基值额定相电流 容量功率基值电压基值电流基值 阻抗基值电压基值/电流基值 v转子侧 转子电流基值空载电势为额定相电压

38、时的励 磁电流 第八节 同步发电机的空载、 短路和负载特性 一. 同步发电机的空载特性 v当空载运行时（电枢绕组开路，I=0）,空载电动势E0随 转子励磁电流If变化的关系 。 v空载特性与电机磁路的磁化曲线具有类似的变化规律空载特性与电机磁路的磁化曲线具有类似的变化规律 E00 0=f（Ff）即磁化曲线 If Ff 二、空载特性的实验测定 v调节可变电阻，使励 磁电流逐步上升，每 次记下If和E0的读数。 v作同步电机的空载特 性 v由于存在剩磁，规定规定 用下降曲线来表示空用下降曲线来表示空 载特性载特性。 v从1.3UN对应的励磁 逐步减小（较正的空 载特性曲线） 剩磁电动势 三、饱和系

39、数： E0*=1时的总磁势与气隙磁势之比， 一般在1.1-1.25间 意义：空载磁路饱和后，由励磁磁势所建立的磁通和感应电 势都降低到未饱和时的1/k。 ab ac k 当励磁电流较小时，由于磁通较小， 电机磁路没有饱和，空载特性呈直线 （将其延长后的射线称为（气隙线） 随着励磁电流的增大，磁路逐渐饱和， 磁化曲线开始进入饱和段。（向下弯 曲） 铁磁饱和后，需磁势迅速增大，横向 距离为铁磁部分的磁动势Ffe 为了合理地利用材料，空载额定电压 一般设计在空载特性的弯曲处，如图 中的c点 ba 空载特性的工程应用 v 将设计好的电机的空载特性与常规空载特性相比较， 如果两者接近，说明电机设计合理，

40、反之，则说明该 电机的磁路磁路过于饱和或者材料没有充分利用。 如太饱和太饱和，将使励磁绕组用铜过多，且电压调节 困难 如饱和度太低饱和度太低，则负载变化时电压变化较大，且 铁心利用率较低，铁心耗材较多 v结合短路特性可以求取同步电机的参数结合短路特性可以求取同步电机的参数。 v发电厂通过测取空载特性来判断三相绕组的对称性 以及励磁系统的故障。 必须掌握（*） 二、 同步发电机的短路特性 v发电机定子绕组三相短路，即U=0时，电枢短路电 流Ik与励磁电流If间的关系曲线，即IK=f（If） 忽略绕组电阻忽略绕组电阻ra (c) 短路运行时，Ik 滞后于E0 90o电角度， =90o，交 轴分量I

41、kq =0 ，电枢反应为纯去磁纯去磁作用。 影响： 电机磁路处于 不饱和状态。 短路特性曲线 v去磁作用减少了电机中的磁 通，磁路处于不饱和状态磁路处于不饱和状态 v电枢磁势Fa正比于电枢电流 I=Ik v短路特性是一直线短路特性是一直线 k IEF ka IF kaff IFFFI 1 Ik If 0 U=0 稳态短路时，电枢反应为纯去磁作用， 电机的磁通和感应电势较小，短路 电流不大，三相稳态短路稳态短路运行 没有危险 零功率因数特性（零功率因数特性（2） ： I=IN,cos =0(=90)的负载特 性 纯感性负载，纯去磁作用的 电枢反应 Faq=0,Fad=Fa 合成磁势 端电压 三负

42、载特性曲线 端电压与励磁电流间的曲线 I=const，cos=const Uf(If) adadf FkFF IxEIxEU s 0 矢量（相量）关系变成了代数关系矢量（相量）关系变成了代数关系 重点：空载特性与零功率因数曲线 vmn对应于去磁磁势对应于去磁磁势 kadFad的励磁电流的励磁电流 on：合成磁势 om=mn+om：励磁磁 势Ff an：E合成电势 ab：Ix bn=cm：U=E-Ix c点：对应(U,If)为零功 率因数特性曲线上一 点 负载时实际激磁 电抗三角形abc 如电枢电流保持不变， 三角形大小不变 高ab= Ix，底边bc=mn均 正比于电枢电流 c点轨迹即为零功率因

43、数点轨迹即为零功率因数 曲线曲线 重点：空载特性与零功率因数曲线 第九节 同步发电机的参数及测定 同步发电机的参数及测定： v同步电抗：饱和与不饱和值 vxd和xq的转差法测定 v短路比 v漏抗和保梯电抗 一、 同步电抗的实验测定 v1、不饱和不饱和同步电抗同步电抗 短路时不计饱和 dksk xI jxI jE 0 k sd I E xx 0 凸极电机的交轴同步电抗可以利用经验公式求得 dq xx65. 0 2、饱和同步电抗的测定： v在纯感性负载时 s IxUE 0 ab ca U xI I U x x N sN N N s s 磁路饱和决定于空气隙中的合 成磁场，忽略漏阻抗压降，则 决定于

44、端电压。 不同的端电压时，xs不同 当磁路不饱和时，同步电抗电 压为ca，比ca大。不饱和同不饱和同 步电抗的数值步电抗的数值比饱和同步电抗 的数值大大。 二、短路比kK v在空载时使空载电势有额定值时的激磁电流If0 与在短路时使短路电流有额定值时的激磁电流 Ifk之比 N k fk f k I I I I k 0 0 kk N NN N k d k C I I U E U I I E x 1 0 0 0 0 0 25. 11 . 1 0 0 主磁路饱和系数 N U E C IN 短路比kK 分析：短路比略大于不饱和同步电抗的倒数 短路比大，则同步电抗小，负载变化时发电机的电压变化就小， 并联运行时发电机的稳定度较高；设计上，电机气隙较大，转 子的额定激磁磁势和用铜量增大。 短路比小，同步电抗大，负载变化时发电机的电压变化就大 电压调整率大电压调整率大，发电机的稳定度较差。 工程上： 随着单机容量的增大，为了提高材料利用率，随机组容量增大 短路比降低。 由于采用自动励磁调节装置，大大提高了运行稳定性，降低短 路比可以提高电机经济指标 三、转差率试验，测定xd、xq v同步电机由原动机带动，转速接近于同步转速， 转子励磁绕组开路（不加励磁），在定子端子 上外施对称三相电压。为了避免转子被牵入 同步，外施电压约为额定电压的外施电压约为额