同步电机电枢反应1

1、第四篇第四篇 同步电机同步电机 同步电机的特点是转子转速与定子产生旋转磁场的转速相等同步电机的特点是转子转速与定子产生旋转磁场的转速相等1nn同步电机的一个主要用途是作发电机，此外，也作电同步电机的一个主要用途是作发电机，此外，也作电动机或调相机运行。动机或调相机运行。通常通常,同步电机的转子磁场同步电机的转子磁场是一个恒定磁场是一个恒定磁场,定子磁场是一个旋转磁场定子磁场是一个旋转磁场 第十四章第十四章 同步电机的基本结构和工作原理同步电机的基本结构和工作原理基本构造型式基本构造型式 一、磁极旋转式一、磁极旋转式（1） 隐极式隐极式 这种型式构造牢固，用于少极高速的同步电机中，这种型式构造牢

2、固，用于少极高速的同步电机中，汽轮发电机都采用隐极式。直流励磁绕组嵌放在槽中，两个大齿分别汽轮发电机都采用隐极式。直流励磁绕组嵌放在槽中，两个大齿分别形成形成N、S极。极。 （2）凸极式）凸极式 这种型式构造简单，通常用于多极低速的同步电机中，这种型式构造简单，通常用于多极低速的同步电机中，水轮发电机都采用凸极式。励磁绕组在磁极上。水轮发电机都采用凸极式。励磁绕组在磁极上。 二、电枢旋转式二、电枢旋转式 励磁绕组在定子上，电枢绕组在转子上，由于从转动着的电枢绕组励磁绕组在定子上，电枢绕组在转子上，由于从转动着的电枢绕组要通过滑动接触才能输出或输入电能，只适用于几个千瓦以下的小功率范围要通过滑动

3、接触才能输出或输入电能，只适用于几个千瓦以下的小功率范围 第十四章第十四章 同步电机的基本结构和工作原理同步电机的基本结构和工作原理一、定子交流励磁的旋转磁场一、定子交流励磁的旋转磁场同步电机定子与异步电机的相同。当时间相位对称的三相同步电机定子与异步电机的相同。当时间相位对称的三相交流电通过空间三相对称分布的交流绕组时，气隙中产生交流电通过空间三相对称分布的交流绕组时，气隙中产生一个三相合成的旋转磁场一个三相合成的旋转磁场 pfnatIkpNmfNa60)sin(22211aF二、直流励磁的旋转磁场二、直流励磁的旋转磁场转子的励磁绕组两端接直流电源，转子的励磁绕组两端接直流电源，在励磁绕组内

4、通过直流励磁电流在励磁绕组内通过直流励磁电流fi时会产生直流励磁磁场时会产生直流励磁磁场fF 随转子一起以同步速旋转随转子一起以同步速旋转 第十四章第十四章 同步电机的基本结构和工作原理同步电机的基本结构和工作原理aF三、工作原理三、工作原理 作发电机运行时作发电机运行时 定子三相绕组切割该旋转磁场，感应空载电势定子三相绕组切割该旋转磁场，感应空载电势0E感应电势的频率为感应电势的频率为 601pnf 加负载后，定子三相交流绕组（亦称电枢绕组）加负载后，定子三相交流绕组（亦称电枢绕组）出现电枢电流出现电枢电流I，产生电枢磁场，磁势为，产生电枢磁场，磁势为aFfF在前，在前，aF在后一起旋转。在

5、后一起旋转。 做电动机运行时，做电动机运行时，定子三相交流绕组（电枢绕组）接三相电源。定子产生三相合成旋转磁场定子三相交流绕组（电枢绕组）接三相电源。定子产生三相合成旋转磁场依靠磁拉力驱动直流励磁的转子同速同向旋转。依靠磁拉力驱动直流励磁的转子同速同向旋转。 fF在前，在前，aF在后一起旋转。在后一起旋转。 第十四章第十四章 同步电机的基本结构和工作原理同步电机的基本结构和工作原理aF与与fF始终是同速同向旋转，始终是同速同向旋转，相对静止，形成气隙合成磁势为相对静止，形成气隙合成磁势为FafFFFfFaF电枢磁势的基波电枢磁势的基波对气隙磁势基波对气隙磁势基波转子励磁绕组不切割磁场，转子励磁

6、绕组不切割磁场，故在励磁绕组内不产生感应电势故在励磁绕组内不产生感应电势。的影响称为的影响称为电枢反应电枢反应 第三节第三节 同步电机的额定值同步电机的额定值1）额定电压：）额定电压：是指在正常运行时，按照制造厂的规定，是指在正常运行时，按照制造厂的规定，定子三相绕组上的定子三相绕组上的线电压线电压。电压的单位用。电压的单位用V V或或kVkV表示。表示。2 2）额定电流：）额定电流：流过定子绕组的线电流流过定子绕组的线电流 。3 3）额定功率：）额定功率：是指在正常运行时，电机的是指在正常运行时，电机的输出功率输出功率 。3cosNNNNPU I3cosNNNNNPU I发电机：输出的是电功

7、率发电机：输出的是电功率电动机：输出的是机械功率电动机：输出的是机械功率4)4)相数相数m m ：一般：一般m=3m=3。5) 5) 额定频率额定频率: :我国额定工业频率规定我国额定工业频率规定 =50Hz.=50Hz.6）额定转速：）额定转速：额定转速即为电机的同步速，在一额定转速即为电机的同步速，在一定极数及频率时，它的转速是定值。定极数及频率时，它的转速是定值。7 7）额定励磁电压）额定励磁电压8 8）额定励磁电流）额定励磁电流NfpfnNN60 第三节第三节 同步电机的额定值同步电机的额定值第十五章第十五章 同步电机的基本方程式和相量图同步电机的基本方程式和相量图基本要求基本要求：了

8、解同步电机的电枢反应。了解同步电机的电枢反应。掌握同步电机的同步电抗、磁路末饱和时的基本方程式和相量图。掌握同步电机的同步电抗、磁路末饱和时的基本方程式和相量图。第一节第一节 对称负载时的电枢反应对称负载时的电枢反应同步电机转子直流励磁磁势同步电机转子直流励磁磁势fF以同步速切割电枢绕组，在电枢绕组内以同步速切割电枢绕组，在电枢绕组内对应感应出三相电势，每相为对应感应出三相电势，每相为0E称为励磁电势称为励磁电势。 由电枢电流由电枢电流I产生的电枢磁势产生的电枢磁势aF则气隙合成磁势为则气隙合成磁势为afFFF电枢绕组切割气隙合成磁场，电枢绕组切割气隙合成磁场，感应出三相电势，每相为感应出三相

9、电势，每相为E称合成气隙电势称合成气隙电势。 第一节第一节 对称负载时的电枢反应对称负载时的电枢反应在电枢绕组内每相的电枢电流在电枢绕组内每相的电枢电流 滞后于励磁电势滞后于励磁电势 的相角。的相角。 内功率因数角内功率因数角 :I0E滞后于滞后于 I0E则0 电枢绕组每相都用一个等效整距集中电枢绕组每相都用一个等效整距集中绕组来表示，磁极画成凸极式绕组来表示，磁极画成凸极式(更形象更形象直观，同样适用于隐极式直观，同样适用于隐极式)。励磁磁势。励磁磁势和电枢磁势只考虑基波，并选取和电枢磁势只考虑基波，并选取A相相电势达最大值时刻绘制相量图。电势达最大值时刻绘制相量图。 d轴轴q轴轴 A轴轴A

10、 AX X Z ZB BCYFfNSfmffBF_,0Ed轴轴直轴直轴纵轴纵轴q轴轴交轴交轴横轴横轴磁极旋转磁势磁极旋转磁势两极之间的中线两极之间的中线 1n0_Afm相量图相量图第一节第一节 对称负载时的电枢反应对称负载时的电枢反应同相同相)0(时的电枢反应时的电枢反应 和和 I0E一一 , d轴轴q轴轴 A轴轴A AX X Z ZB BCYFfNSfmffBF_,aFIE_0,FaF0时，电枢旋转磁势时，电枢旋转磁势aF的轴线作用在的轴线作用在q轴，称为交轴电枢反应。轴，称为交轴电枢反应。交轴电枢反应使合成磁场交轴电枢反应使合成磁场 轴线的位置轴线的位置F从直轴处逆转向后移了一个锐角，从直

11、轴处逆转向后移了一个锐角，其幅值则有所增加。其幅值则有所增加。1naF为三相合成磁势为三相合成磁势,当当A相电流相电流 最大时最大时,IaF的方向与的方向与A轴一致轴一致发电机输出纯有功功率同相位和，IE0emT第一节第一节 对称负载时的电枢反应对称负载时的电枢反应)2(时的电枢反应时的电枢反应 滞后于滞后于 IoE 900二二 , 2aF电枢旋转磁势电枢旋转磁势 的轴线作用在的轴线作用在d轴上轴上,方向与方向与的方向的方向相反相反,起去磁反应起去磁反应,称直轴去磁电枢反应。称直轴去磁电枢反应。 fFd轴轴q轴轴 A轴轴A AX X Z ZB BCYFfNSfmffBF_,0EFaF1nI 当

12、电机的端电压保持不变时，合成气隙磁场当电机的端电压保持不变时，合成气隙磁场也应近似不变也应近似不变,否则会引起电势和电流的变化。否则会引起电势和电流的变化。故当故当电枢反应呈去磁作用时电枢反应呈去磁作用时，为要保持激励，为要保持激励所需的气隙磁场，原有的所需的气隙磁场，原有的直流励磁就不够了，直流励磁就不够了，必须增大主极激磁必须增大主极激磁,使使同步电机处于过激状态同步电机处于过激状态。换言之，换言之，过激的过激的同步电机将向电网输送感性无功功率，同步电机将向电网输送感性无功功率，或自电网吸取容性无功功率。或自电网吸取容性无功功率。 同步电机将向电网输送感性无功功率，同步电机将向电网输送感性

13、无功功率，(感性负载感性负载)第一节第一节 对称负载时的电枢反应对称负载时的电枢反应)2(时的电枢反应时的电枢反应 超前于超前于 IoE 900三三 , 2aF电枢旋转磁势电枢旋转磁势 的轴线作用在的轴线作用在d轴上轴上,方向与方向与的方向的方向相同相同,起去磁反应起去磁反应,称直轴助磁电枢反应。称直轴助磁电枢反应。 fFd轴轴q轴轴 A轴轴A AX X Z ZB BCYFfNSfmffBF_,0EFaF1nI 当电机的端电压保持不变时，合成气隙磁场当电机的端电压保持不变时，合成气隙磁场也应近似不变也应近似不变,否则会引起电势和电流的变化。否则会引起电势和电流的变化。故当故当电枢反应呈助磁作用

14、时电枢反应呈助磁作用时，为要保持激励，为要保持激励原有的气隙磁场，原有的原有的气隙磁场，原有的直流励磁就过大了，直流励磁就过大了，必须减小主极激磁必须减小主极激磁,使使同步电机处于欠激状态同步电机处于欠激状态。换言之，换言之，欠激的欠激的同步电机将向电网输送容性无功功率，同步电机将向电网输送容性无功功率，或自电网吸取感性无功功率。或自电网吸取感性无功功率。 同步电机将向电网输送容性无功功率，同步电机将向电网输送容性无功功率，(容性负载容性负载)第一节第一节 对称负载时的电枢反应对称负载时的电枢反应反相反相)(时的电枢反应时的电枢反应 和和 I0E四四 , d轴轴q轴轴 A轴轴A AX X Z

15、ZB BCYFfNSfmffBF_,0EF时，电枢旋转磁势时，电枢旋转磁势aF的轴线作用在的轴线作用在q轴，为交轴电枢反应。轴，为交轴电枢反应。交轴电枢反应使合成磁场交轴电枢反应使合成磁场 轴线的位置轴线的位置F从直轴处顺转向前移了一个锐角，从直轴处顺转向前移了一个锐角，其幅值则有所增加。其幅值则有所增加。1naFI_,输出机械能电动工作状态发电机吸收有功电功率反向和，IE0第一节第一节 对称负载时的电枢反应对称负载时的电枢反应d轴轴q轴轴 A轴轴A AX XB BFfNSfmffBF_,0E电枢旋转磁势电枢旋转磁势aF1naFI_,五五 , 为任意值时的电枢反应为任意值时的电枢反应 qIaq

16、F_dIadF_可把电枢磁势分解为直轴分量和交轴分量。可把电枢磁势分解为直轴分量和交轴分量。直轴分量又可能起直轴分量又可能起当直轴电枢磁势起去磁作用时，当直轴电枢磁势起去磁作用时，不论是发电机状态或是电动机，不论是发电机状态或是电动机，均系处在过激状态。均系处在过激状态。当直轴电枢磁势起助磁作用时，当直轴电枢磁势起助磁作用时，不论它用作发电机或是电动机，不论它用作发电机或是电动机，均系处在欠激状态。均系处在欠激状态。可有任意的相对位置。可有任意的相对位置。去磁作用或助磁作用。去磁作用或助磁作用。20发电机阻感性负载较多发电机阻感性负载较多电枢磁势和电枢电流分量电枢磁势和电枢电流分量 cosco

17、ssinsinIIFFIIFFIIIFFFqaaqdaadqdaqada交轴分量直轴分量d轴轴q轴轴 A轴轴A AX XB BFfNSfmffBF_,0E1naFI_,qIaqF_dIadF_IpNkFNa19 . 023 qNaqIpNkF19 . 023 dNadIpNkF19 . 023d轴轴q轴轴 A轴轴A AX XB BFfNSfmffBF_,0E1naFI_,qIaqF_dIadF_ 第二节第二节 电枢反应磁通电枢反应磁通fIfF00EIqIdIadFaqFadaqadEaqEE凸极电机凸极电机气隙不均匀，相同电枢磁势气隙不均匀，相同电枢磁势在不同位置的电枢反应结果不一样在不同位置

18、的电枢反应结果不一样,采用采用双反应理论双反应理论,分别求出直轴电枢反应分别求出直轴电枢反应和交轴电枢反应，最后把它们的效果迭加起来。和交轴电枢反应，最后把它们的效果迭加起来。 fIfFIaFF隐极同步电机的电枢反应隐极同步电机的电枢反应fIfFdIqIdIadFaqFaqdEaqEEdFfFfIIaFEF磁路不饱和磁路不饱和磁路饱和时磁路饱和时 第二节第二节 电枢反应磁通电枢反应磁通1，等效励磁磁势，等效励磁磁势fffNIF*（方波）产生的基波磁密（方波）产生的基波磁密1fBfdffFkB1f2，直轴电枢磁势，直轴电枢磁势 （正弦）产生的基波磁密（正弦）产生的基波磁密1adBdNadIpNk

19、F19 . 023adddadFkB13，交轴电枢磁势，交轴电枢磁势 （正弦）产生的基波磁密（正弦）产生的基波磁密1aqBqNaqIpNkF19 . 023aqdqaqFkB1adaqd磁极极面范围每单位面积的磁导（磁阻的倒数）fk波形系数（折算到正弦波）第三节第三节 同步电抗同步电抗fIfF00EIqIdIadFaqFadaqadEaqEEEarIu1、漏电势、漏电势 IxjLIjE不饱和。所以， 是个常数，且数值较小。x2、电枢反应电势、电枢反应电势 ，当磁路末饱和时dadadadIFEqaqaqaqIFE从相位上来看，aqEadE滞后dI90adEaqE滞后qI90一、凸极电机的同步电抗

20、一、凸极电机的同步电抗aqqaqaddadxIjExIjEadxaqx直轴电枢反应电抗和交轴电枢反应电抗直轴电枢反应电抗和交轴电枢反应电抗。由于直轴磁路和磁导大于交轴磁路的磁导由于直轴磁路和磁导大于交轴磁路的磁导， aqadxx直轴系统和交轴系统同时存在电枢漏电抗，故直轴系统和交轴系统同时存在电枢漏电抗，故xxxxxxaqqadddx和和qx直轴同步电抗和交轴同步电抗。直轴同步电抗和交轴同步电抗。 第三节第三节 同步电抗同步电抗d轴轴q轴轴 A轴轴A AX XB BFfNSfmffBF_,0E1naFI_,qIaqF_dIadF_taaqqtaaddxxxxxxxxxxxxtx隐极同步电机的隐

21、极同步电机的同步电抗。同步电抗。 第三节第三节 同步电抗同步电抗 二、隐极电机的同步电抗二、隐极电机的同步电抗qd气隙均匀气隙均匀 aaqadxxxax隐极同步电机的隐极同步电机的电枢反应电抗电枢反应电抗。相当于异步电机的。相当于异步电机的 mxtqdxxxaxaaxIjE 在同样大小电流情况下在同样大小电流情况下, ,如果如果 越大，电枢反应电势也越大，表越大，电枢反应电势也越大，表示着电枢磁势所产生的电枢磁通很强。因此示着电枢磁势所产生的电枢磁通很强。因此 的大小可以说明的大小可以说明电枢反应的强弱。电枢反应的强弱。ax第四节第四节 基本方程式和相量图基本方程式和相量图dfffiNF ad

22、F adfdFFFqaqFaqF每极励磁磁势 电枢每极基波磁势气隙合成每极磁势 轴 轴 addadxIjE aqqaqxIjE fIfF0EIqIdIEfIfFdIqIdIadFaqFaqdEaqEEdF磁路不饱和时磁路饱和时一、隐极同步电机的电势方程式和矢量图一、隐极同步电机的电势方程式和矢量图第四节第四节 基本方程式和相量图基本方程式和相量图fIfF00EIEarIuaaaxIjEIxjE taxIjrIE0 xIjxIjrIEaa0 xIjrIEEUaa0 xIjrIEa 3 隐极发电机的相量图已知发电机的端电压、负载电流和功率已知发电机的端电压、负载电流和功率因数因数cos及参数及参数ra 、xt当功率因数当功率因数cos滞后时的相量图滞后时的相量图atIrUIxUtgcossin功率角功率角:UIarItxI j0EdatrIUxIUtgcossin220)sin()cos(taIxUIrUE超前于超前于的角度的角度0EU3 隐极发电机的相量图已知发电机的端电压、负载电流和功率已知发电机的端电压、负载电流和功率因数因数cos及参数及参数xt当功率因数当功率因数cos滞后时的相量图滞后时的相量图cossinUIxUtgtUItxI j0EdcossinUxIUtgt220)sin()cos(tIxUUEd