第16章同步电机基本电磁关系(10)-5-29

1、教学目的：教学目的： 从第从第1313、1414章得知，同步电机运行时有两个章得知，同步电机运行时有两个旋转磁场存在。旋转磁场存在。 两个旋转磁场共同作用下实现能量转换。两个旋转磁场共同作用下实现能量转换。 本章研究在这两个磁场作用下电端口的电压、本章研究在这两个磁场作用下电端口的电压、电流之间的关系，建立基本方程，得到等效电路。电流之间的关系，建立基本方程，得到等效电路。 在第在第1313章研究电势的问题是假设已知章研究电势的问题是假设已知磁密波形磁密波形. . 本章进一步从产生磁密的根本章进一步从产生磁密的根源源-磁动势的角度进行研究。磁动势的角度进行研究。主要内容：主要内容：1 1）空载

2、运行（励磁磁场单独存在）分析，时空）空载运行（励磁磁场单独存在）分析，时空相相- -矢量图矢量图2 2）电枢反应：电枢磁场对励磁磁场的影响）电枢反应：电枢磁场对励磁磁场的影响3 3）隐极式与凸极式同步发电机的电动势相量图、）隐极式与凸极式同步发电机的电动势相量图、方程式、等值电路方程式、等值电路l1 1） 从实例看电枢磁场在能量转换中的作用从实例看电枢磁场在能量转换中的作用 从同步电从同步电动机模型理解动机模型理解电枢磁场在能电枢磁场在能量转换中的作量转换中的作用：用： 电枢的旋电枢的旋转磁场的磁极转磁场的磁极代替手动磁铁代替手动磁铁的驱动作用。的驱动作用。电枢的旋转磁场的磁极代替手动磁铁的驱

3、动作用。电枢的旋转磁场的磁极代替手动磁铁的驱动作用。 2 2）从同步发电机能量转换关系理解电枢磁场）从同步发电机能量转换关系理解电枢磁场在能量转换中的作用在能量转换中的作用空载运行：当原动机带动发电机在同步转速空载运行：当原动机带动发电机在同步转速下运行，励磁绕组流过适当的励磁电流，电下运行，励磁绕组流过适当的励磁电流，电枢绕组不带任何负载时的运行情况。枢绕组不带任何负载时的运行情况。 当励磁绕组中通入直当励磁绕组中通入直流电流后，产生随转子一流电流后，产生随转子一起旋转的磁动势，称为励起旋转的磁动势，称为励磁磁动势。因为它随转子磁磁动势。因为它随转子一起转动，从定子上看，一起转动，从定子上看

4、，它也是一个旋转磁动势，它也是一个旋转磁动势，所以同电枢绕组磁动势的所以同电枢绕组磁动势的分析方法一样。分析方法一样。 A AX XB BC CY Yz z00+A+ASN000+A+A对比闭合回路对比闭合回路1-51-5的气隙磁的气隙磁势势( (定子内圆定子内圆到转子表面的到转子表面的磁压降磁压降) )：彼此相等！忽彼此相等！忽略铁心磁压降略铁心磁压降都等于都等于12ffNi0000+A+Af+A012fffFNi1fF0+A+A14ffffFFk F4fkfk+A+A2ffN i根据前面分析在根据前面分析在 范围磁势为正。幅值范围磁势为正。幅值2基波幅值基波幅值12fffFN i 1 12

5、 23 30 0 f=5Nf=5NK KI / 2f=3Nf=3NK KI / 2f=Nf=NK KI / 2回路回路1 1气隙磁势：气隙磁势：回路回路2 2：回路回路3 3：认识大齿认识大齿电流方向电流方向N N、S S极区域极区域看大图看大图k k0 0FsFsF FmF Fb b12fffFN I 1fffFk Ff+A01fF1fF001fFA AX XB BC CY Yz z+A+ASN1fF00A AX XB BC CY Yz z+A+ASN1fF分析励磁磁动势基波矢量的特点分析励磁磁动势基波矢量的特点励磁磁动势基波矢量与转子轴线重合，励磁磁动势基波矢量与转子轴线重合，与转子同速旋

6、转与转子同速旋转1fF+A3f01fF1fFA AX XB BCYz00SN+A1fffFk F1fF1fF2) 2) 凸极机凸极机 气隙不均匀，即使铁心不饱和，气隙中产生的气隙不均匀，即使铁心不饱和，气隙中产生的磁密大小与磁动势大小不成正比，正弦的基波励磁磁密大小与磁动势大小不成正比，正弦的基波励磁磁动势产生的磁密波是非正弦分布的，磁密波还要磁动势产生的磁密波是非正弦分布的，磁密波还要分解基波和一系列谐波，基波磁密和基波磁动势仍分解基波和一系列谐波，基波磁密和基波磁动势仍然同相位。然同相位。 正弦波磁动势正弦波磁动势1fF0B两者空间相位相同。两者空间相位相同。产生正弦波磁密产生正弦波磁密1

7、 1）隐极机基波气隙磁密）隐极机基波气隙磁密 +A+A1fF0B+A+A1fF0B分析：正弦波磁势产生同分析：正弦波磁势产生同相位正弦波磁密的条件：相位正弦波磁密的条件： 忽略转子槽开口的影忽略转子槽开口的影响，认为气隙均匀；忽略响，认为气隙均匀；忽略铁心饱和，气隙磁密与磁铁心饱和，气隙磁密与磁动势成正比；于是均为正动势成正比；于是均为正弦。弦。 忽略铁心的磁滞涡流忽略铁心的磁滞涡流效应，得到相同相位效应，得到相同相位磁势磁势2 2）凸极机基波气隙磁密）凸极机基波气隙磁密 隐极磁密正弦波隐极磁密正弦波凸极磁密凸极磁密“草帽草帽”波波1 1）电动势正方向）电动势正方向 转子旋转，气隙磁密基波切割

8、定转子旋转，气隙磁密基波切割定子绕组，产生正弦波电动势。子绕组，产生正弦波电动势。 选选A A相作为参考相进行相作为参考相进行分析。电动势正方向与分析。电动势正方向与+A+A轴线成右手螺旋关系。轴线成右手螺旋关系。A AX XB BC CY Yz z00+A+ASNe2 2）气隙磁密与电势波形）气隙磁密与电势波形 t=0时刻磁密波时刻磁密波位置位置+A+A电势波电势波 e t3 3）正弦波电势的旋转矢量表示）正弦波电势的旋转矢量表示 电势波电势波e t矢量长度矢量长度= =电势最大值电势最大值矢量在时间轴投影矢量在时间轴投影= =电势瞬时值电势瞬时值矢量旋转速度矢量旋转速度= =电势角频率电势

9、角频率E sin0mte0E+j电势的三种表示方法：电势的三种表示方法：公式：公式：曲线与旋转矢量曲线与旋转矢量000B1fF0EA AX XB BC CY Yz z00+A+ASN+A+j0E0B结论：结论： 及及 在空间参考轴在空间参考轴+A+A上初相位上初相位 与与A A相相时间相量时间相量 在时间参考轴在时间参考轴+j+j的初相位的初相位 之间存在之间存在一定关系，即：一定关系，即： ，此关系适合任意时刻。，此关系适合任意时刻。00B00E000901fFA AX XA AX XnX X X X001fF5 5） 及及 均领先均领先+A+A轴轴9090o o瞬间的电动势相量。瞬间的电动

10、势相量。A A相绕组感应电动势瞬时值为正最大。相绕组感应电动势瞬时值为正最大。1fF0B+A+jNS+A 将空间将空间+A+A与时间与时间+j+j重合在一起，将磁势与重合在一起，将磁势与电势向量画在一个图中，构成时间电势向量画在一个图中，构成时间- -空间向量图，空间向量图，即时即时- -空相空相- -矢量图矢量图0E1fF0B000E0B+A+A，+j+j+A+A，+j+j1fF 定子绕组开路、转子由原动机拖动到额定转定子绕组开路、转子由原动机拖动到额定转速并通入励磁电流的运行状态称为同步发电机的速并通入励磁电流的运行状态称为同步发电机的空载运行，称空载运行，称 的函数关系为空载的函数关系为

11、空载特性，它是一条非线性关系的饱和曲线特性，它是一条非线性关系的饱和曲线。00()fUEf I0()fEf IfI0ENUfNIc0气隙线气隙线注意：空载曲线横坐标是实际的励磁电流，或每极注意：空载曲线横坐标是实际的励磁电流，或每极实际磁动势波幅，而不是基波磁动势。实际磁动势波幅，而不是基波磁动势。0()fEf IfI0ENUfNIc0气隙线气隙线定义：电枢磁动势对励磁磁动势的影响称电枢反应定义：电枢磁动势对励磁磁动势的影响称电枢反应1) 1) 定子三相对称绕组中对称三相电流产生基波电定子三相对称绕组中对称三相电流产生基波电 枢磁动势枢磁动势aF（1 1） 大小：大小： (A) (A) 1 1

12、11 35dpaN I kF.p1160 fnp（2 2） 转速：转速： (r/min) (r/min) （3 3） 转向：沿通电相序转向：沿通电相序A A、B B、C C的方向，它与转子转向相同的方向，它与转子转向相同1y（4 4） 极对数：和转子极对数相同，决定于绕组的节距极对数：和转子极对数相同，决定于绕组的节距 1 1 磁动势分析磁动势分析2) 2) 转子绕组通入直流产生每极基波励磁转子绕组通入直流产生每极基波励磁 磁动势磁动势1fF（4 4） 极对数：和转子磁极的极对数相同极对数：和转子磁极的极对数相同（1 1） 大小：大小： (A) (A) 1f12fffFk N i（2 2） 转

13、速：和转子转速一样为同步速转速：和转子转速一样为同步速（3 3） 转向：和转子转向一致转向：和转子转向一致 定子绕组的基波电枢磁动势和转子的基定子绕组的基波电枢磁动势和转子的基波励磁磁动势，它们的转速、转向、极对数波励磁磁动势，它们的转速、转向、极对数均相同，彼此之间无相对运动，因此两者的均相同，彼此之间无相对运动，因此两者的合成磁动势将是一个同样转向、转速、极对合成磁动势将是一个同样转向、转速、极对数的旋转磁动势，由它们合成在电机中产生数的旋转磁动势，由它们合成在电机中产生气隙磁场。气隙磁场。 本节分析发电机带不同性质负荷时电枢本节分析发电机带不同性质负荷时电枢磁场是对消弱还是增强激磁磁场，

14、或者其他磁场是对消弱还是增强激磁磁场，或者其他作用。作用。l通过感应电势与电枢电流为桥梁分析定通过感应电势与电枢电流为桥梁分析定转子磁势基波在空间的相互位置。转子磁势基波在空间的相互位置。l感应电势与电枢电流之间的关系，按照感应电势与电枢电流之间的关系，按照下图分析（下图分析（1个电势个电势5个阻抗元件）个阻抗元件）0ErjxinRL1jXL2-jXL3I 发电机工作过发电机工作过程中激磁电势与电程中激磁电势与电枢电流的三种可能枢电流的三种可能关系：关系：两者同相位两者同相位:电流滞后电流滞后电流超前。电流超前。 设设 时，转子时，转子S S极中心极中心在空间坐标轴超前在空间坐标轴超前 的位置

15、，的位置，即即 的位置。的位置。 0t0090090参考位置参考位置000E+A+A，+j+j1fFIaF电枢反应交磁：电枢反应交磁：产生力矩产生力矩0E+A+A，+j+j1fFaFFI 当时间当时间+j+j轴与空间参考轴都取同一轴与空间参考轴都取同一相的量时，电枢电流相的量时，电枢电流 将与电枢磁动势将与电枢磁动势 重合。重合。IaF0900cos0E+A+A，+j+j1fFIaF直轴去磁电枢反应：带电感性负载，去磁；直轴去磁电枢反应：带电感性负载，去磁；为了保证端电压，励磁电流应增加为了保证端电压，励磁电流应增加0E+A+A，+j+j1fFIaFF0900cos0E+A+A，+j+j1fF

16、IaF直轴增磁电枢反应：带电容性负载，增磁；直轴增磁电枢反应：带电容性负载，增磁；为了保证端电压，励磁电流应减小为了保证端电压，励磁电流应减小0E+A+A，+j+j1fFIaFF,Ajd轴q轴0EaF1fFId轴q轴aF电枢反应磁动势电枢反应磁动势 可以可以分解为两个分量：分解为两个分量： 直轴分量直轴分量 对对 起去磁作用；起去磁作用；adF1fF 交轴分量交轴分量 起交起交 磁作用，使合成磁磁作用，使合成磁 动势动势 偏离转子偏离转子 轴线，与轴线，与 产生产生 夹角夹角 ，从而产，从而产 生力矩。生力矩。aqFF1fF0EaF1fFIadFaqF+A +j+A +jFd轴q轴0EaF1f

17、FIadFaqF+A +j+A +jFadaaqaFFsinFFcos显然，直轴与交轴显然，直轴与交轴分量就是合成磁势分量就是合成磁势在相应轴线上的投在相应轴线上的投影影0EIUaRjXLZAX( )I A( )U V00U 0EIUaRjXLZAX0EIUaRjXLZAXx xA AIUaF1fFaF1fF1fFaFaF1fFF1n0E1n0E1n0EIaFaRLZ动画动画1 1动画动画2 2动画动画3 3iA A,aaAF B,AAIE电枢反应磁动势的幅值为电枢反应磁动势的幅值为111.35dpaN kFIP0aaBFk气隙磁通密度 sXaXsaXXcsaXXXaRsjXajX0EULZA

18、X1nIaRsjX0EAUXLZIaE1naaEjIX aRsjXAXLZU1nEIaE0E0aEEEaF1fFF0 asaaccEUIRjIXjIXUIRjXUIZassEUIRjIXUIZ0EIULZaRsjXAXoscacRX、0EUIcjIXaIR0EUIajIXaIRsjIXE&0EUIcjIXaIR0EUIcjIXaIRaIRcjIX0EUI一、一、 凸极同步发电机的双反应法凸极同步发电机的双反应法 由于凸极发电机的气隙不均匀，正弦分由于凸极发电机的气隙不均匀，正弦分布的磁动势在气隙中产生的磁密波形发生畸布的磁动势在气隙中产生的磁密波形发生畸变。基波气隙磁密变。基波气隙磁密 的大小

19、不仅和的大小不仅和 的大小的大小有关，而且和气隙磁动势有关，而且和气隙磁动势 在空间的位置有在空间的位置有关，由于关，由于 ，所以，所以 的大小及空间的大小及空间位置也随负载位置不同而改变，不能直接利位置也随负载位置不同而改变，不能直接利用用 求取求取 。BF0faFk FFFEFF依据叠加原理的双反应法是把电枢基波磁依据叠加原理的双反应法是把电枢基波磁动势动势 分解为两个磁势：在纵轴上的电枢分解为两个磁势：在纵轴上的电枢反应磁动势反应磁动势 ；在横轴上的电枢反应磁；在横轴上的电枢反应磁动势动势 。aFa dFaqFadaaqaFFsinFFcos100 ffSdadadadqaqaqaqiF

20、EEUIZIFEIIFE , Ajd轴q轴0EaF1fFadFaqFIdIqIdqIIsinIIcosaddadaqqaqEjI XEjI X0 ()adaqSEEEEUI rjX dSaddqSaqqXXXXXXXX直轴同步电抗直轴同步电抗交轴同步电抗交轴同步电抗 凸极发电机中的凸极发电机中的 和和 ，可以看作是电枢电，可以看作是电枢电流流 的分量的分量 和和 产生的，产生的， 与与 成成90900 0电角度，电角度， 与与 同相位。即：同相位。即：aqFIdIqIdI0EqIadF0E0 SdadqaqddqqEUIrjIXjI XjI XUIrjI XjI X 凸极同步发电机的电动势凸极

21、同步发电机的电动势向量图：向量图：落后落后 时，时， 领先领先 时，时， 0 000IUIU已知：已知： ， ， 和电机参数和电机参数IUIRUIqqjI xddjI x0EqIdI 若已知若已知 和和 的夹角的夹角 ，可求得，可求得 和和 的夹角的夹角 ：IU0EIqIXUsinarctgIrUcoscosacabcoscosqqqI XacabIX ddjI xbqE0EcqqjI xqjIXOqIIdIRaU0ddqqEUIrjI XjI X 和和 同相位同相位, ,但但 ，qE0E0qEE0()qddqEEjIXX 假设假设 ，用，用 代替代替 ，得到其等值电，得到其等值电路路。 0q

22、EE0EqE() qqdqqdqqqEUIrjIXUIrj IIXUIrjI XjI X设：设：rqjxrqjxIUqE1 1、电压调整率定义、电压调整率定义0100%NNEUUUa a、电压升高的调整率、电压升高的调整率: :( )I A( )UV0NU 电容性负载电容性负载电阻性负载电阻性负载电感性负载电感性负载NI1 1、纯电阻负载、纯电阻负载0EUIcjIXIr2 2、纯电感负载、纯电感负载0EUIcjIXIr3 3、纯电容负载、纯电容负载0EUIcjIXIr一、一、 凸极同步发电机的双反应法凸极同步发电机的双反应法 由于凸极发电机的气隙不均匀，正弦分由于凸极发电机的气隙不均匀，正弦分布的磁动势在气隙中产生的磁密波形发生畸布的磁动势在气隙中产生的磁密波形发生畸变。基波气隙磁密变。基波气隙磁密 的大小不仅和的大小不仅和 的大小的大小有关，而且和气隙磁动势有关，而且和气隙磁动势 在空间的位置有在空间的位置有关，由于关，由于 ，所以，所以 的大小及空间的大小及空间位置也随负载位置不同而改变，不能直接利位置也随负载位置不同而改变，不能直接利用用 求取求取 。BF0faFk FFFEFF依据叠加原理的双反应法是把电枢基波磁依据叠加原理的双反应法是把电枢基波磁动势动势 分解为两个磁势：在纵轴上的