同步电机的基本理论

第12章同步电机的基本理论与运行特性回顾同步电机的原理转子绕组通以直流电流形成分布磁场，匝链定子上的各相绕组。定子上嵌放有对称三相绕组a-x、b-y、c-z设磁场在气隙中按正弦分布设转子以恒定速度旋转定子绕组中所匝链的磁通按正弦规律变化，其感应电势按正弦规律变化。由于各相匝数相等，从而各相电势的大小相等，由于各相绕组空间分布彼此相距120°，从而三相电势时间相位差120°——满足了三相电势对称要求。原动机拖动，则为同步发电机当对称的三相电流流过对称的三相绕组时，合成磁势为一旋转磁势定子绕组磁势产生的气隙圆形旋转磁场与转子励磁产生的磁场有相同的极对数，磁极相互吸引，驱动转子旋转——同步电动机一、同步电机的结构同步电机的型式与构造基本构造型式汽轮机水轮机基本构造型式组成：固定的定子和可旋转的转子分：磁极旋转式和电枢旋转式。磁极旋转式——以电枢为定子，磁极为转子。使磁极旋转，激磁电流通过集电环送入激磁绕组。旋转电枢式应用于小容量同步电机磁极旋转式同步电机

定子、转子、气隙定子——定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组转子——转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场(也称主磁场、转子磁场)。气隙——气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性能有重大影响。发电机原理示意主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。

载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。

交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。

感应电势频率：感应电势的频率决定于同步电机的转速n和极对数p，即交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。同步转速同步转速从供电品质考虑，由众多同步发电机并联构成的交流电网的频率应该是一个不变的值，要求发电机的频率应该和电网的频率一致。我国电网的频率为50Hz，故有：

发电机的转速必须为某些固定值——同步转速。例如2极电机的同步转速为3000r/min，4极电机的同步转速为1500r/min，依次类推。只有运行于同步转速，同步电机才能正常运行。电动机原原理将同步电电机定子子—绕组组接至三三相交流流电源，，频率为为f的三三相交流流电流将将在电机机气隙中中产生转转速为同同步转速速n1的的旋转磁磁场。在一定条条件下旋旋转磁场场将吸住住转子磁磁极一起起旋转，，它们有相同的的转速和和转向——无相相对运动动转子转速速为同步步转速n＝60f／／p同步电动动机的功功率因数数可以调调节，在在不要求求调速的的场合，，应用大大型同步步电动机机可以提提高运行行效率。。近年来来，小型型同步电电动机在在变频调调速系统统中开始始得到较较多地应应用。同步补偿偿机运行行电机不带带任何机机械负载载，靠调调节转子子中的励励磁电流流向电网网发出所所需的感感性或者者容性无无功功率率，以达达到改善善电网功功率因数数或者调调节电网网电压的的目的。。过激时，，有超前前的无功功功率，，如电容容器凸极式转转子凸极式转转子上有有明显凸凸出的成成对磁极极和励磁磁线圈当励磁线线圈中通通过直流流励磁电电流后，，每个磁磁极就出出现一定定的极性性，相邻邻磁极交交替为N极极和S极对水轮发发电机来来说，由由于水轮轮机的转转速较低低，要发发出工频频电能，，发电机机的极数数就比较较多，做做成凸极极式结构构工艺上上较为简简单。中中小型同同步电机机多半也也做成凸凸极式。。隐极式转转子隐极式转转子上没没有凸出出的磁极极沿着转子子本体圆圆周表面面上，开开有许多多槽，这这些槽中中嵌放着着励磁绕绕组。在在转子表表面约1/3部部分没有有开槽，，构成大齿，是磁极极的中心心区。励磁绕组组通入励励磁电流流后，沿沿转子圆圆周也会会出现N极极和S极。。在大容量量高转速速汽轮发发电机中中，转子子圆周线线速度极极高，最最大可达达170米/秒秒。为了了减小转转子本体体及转子子上的各各部件所所承受的的巨大离离心力，，大型汽汽轮发电电机都做做成细长长的隐极极式圆柱柱体转子子。汽轮发电电机以汽轮机机或燃气气轮机为为原动机机。汽轮轮机的运运行性能能在高速速时较为为经济，，应有尽尽可能高高的转速速。火电电站中汽汽轮发电电机一般般为两极极隐极式式。原子子能电站站的大型型汽轮发发电机一一般采用用4极隐隐极式。。定子———与异步步电机相相同，定定子铁心心由0.35mm或0.5mm或其其它厚度度的电工工钢片叠叠成。定定子外径径较小时时，采用用圆形冲冲片，当当定子外外径大于于1m时时，采采用扇形形冲片。。转子———隐隐极式式转子子，其其外形常常做成成一个个细长长的圆圆柱体体为了减减少高高速旋旋转引引起的的离心心力。。转子子铁心心表面面圆周周上铣铣有许许多槽槽，励励磁绕绕组嵌嵌放在在这些些槽内内。励励磁磁绕组组为同同心式式绕组组，以以铜线线绕制制，并并用不导导磁的的槽楔楔将绕组组紧固固在槽槽内。。转轴———经联轴轴器与与汽轮轮机相相联的的一端端为汽汽机端端，称称与励励磁机机相接接的一一端为为励磁磁机端端。集电环环：激磁磁绕组组的两两个出出线端端，通通过装装在励励磁机机侧的的集电电环经经电刷刷与直直流激激磁电电源接接通。。汽轮发发电机机图汽轮发发电机机组水轮发发电机机特点———极数多多，直直径大大，轴轴向长长度短短，整个个转子子在外外形上上与汽汽轮发发电机机大不不相同同，具具扁短形形。大多多数水水轮发发电机机为立立式。。定子铁铁心———水水轮发发电机机的直直径很很大，，定子子铁心心由扇扇形电电工钢钢片拼拼装叠叠成。。为了了散热热的需需要，，定子子铁心心中留留有径径向通通风沟沟。定子绕绕组———每每槽内内只有有一线线棒，，称单单层绕绕组。。为改善善电压压波形形，常常采用用分数数槽绕绕组。转子磁磁极———由由厚度度为1～2mm的钢钢片叠叠成；；磁极极两端端有磁磁极压压板，，用来来压紧紧磁极极冲片片和固固定磁磁极绕绕组。。有些些发电电机磁磁极的的极靴靴上开开有一一些槽槽，槽槽内放放上铜铜条，，并用用端环环将所所有铜铜条连连在一一起构构成阻阻尼绕绕组，，其作作用是是用来来拟制制短路路电流流和减减弱电电机振振荡，，在电电动机机中作作为起起动绕绕组用用。水轮发发电机机图分数槽槽绕组组基本本概念念原因：水轮轮发电电机由由于极极数很很多，，极距距相对对较小小，每每极每每相槽槽数q就不不可能能太大大，否否则总总槽数数便过过多，，使制制造工工艺发发生困困难。。若q取较较小整整数，却不能充充分利利用绕绕组分分布的的方法法来削削弱由由非正正弦波波分布布的磁磁场所所感应应的电电势中中的谐谐波分分量。此外外，q较小小时齿谐波波电势势的次次数较较低而而数值值较大大。水轮发发电机机和低低速同同步电电动机机的每每极每每相槽槽数q常不不用整整数，，而用用分数数，例例如采采用q=b+c/d。———分数槽槽绕组组。分数槽槽绕组组示意意分数槽槽绕组组意义义把各个个极对对依此此重叠叠起来来，则则各不不同极极对下下的齿齿和槽槽便不不能各各个重重合。。槽与与槽之之间有有了一一个位位移角角。位于各各个极极对下下的每每相导导体的的感应应电势势便必必须用用几何何方法法相加加。分数槽槽实现现了极极对与与极对对间的的分布布，与分分布绕绕组实实现了了槽与与槽的的分布布和短短匝绕绕组实实现了了层与与层的的分布布相似似，都都起着着削弱弱谐波波分量量的作作用。。在求分分数槽槽绕组组的分分布因因数时时，应应考虑虑极对对与极极对之之间的的分布布。将将各极极对重重叠，，化成成一台台等效效二极极机，，然后后求出出分布布因数数。同步电电机铭铭牌电机型型号额定容容量SN(VA,kVA,MVA等)或或额定定功率率PN(W,kW,MW等等)：：指指电机机输出功功率的保证证值。。额定电电压(V,kV等等)：：额额定时时定子子输出出端线线电压压。额定电电流(A)：：指指额定定运行行时定定子的的线电电流。。额定功功率因因数：：额定定运行行时输输出电电功率率的功功率因因数。。额定频频率：：额定定运行行时电电机电电枢输输出端端电能能的频频率，，我国国标准准工业业频率率规定定为50Hz。。额定转转速：：额定定运行行时电电机的的转速速，即即同步步转速速。同步电电机名名牌上上还有有其它它的运运行数数据，，如额额定负负载时时的温温升、、励磁磁容量量和和励励磁电电压，，定子子绕组组连接接等。。我国生生产的的汽轮轮发电电机有有QFQ、、QFN、、QFS等等系列列。前两个个字母母表示示汽轮轮发电电机；；第三三个字字母表表示冷冷却方方式，，Q表表示氢氢外冷冷，N表示示氢内内冷，，S表表示双双水内内冷。。系列：：TS系列列，T表示示同步步，S表示示水轮轮。举例：：QFS-300-2表表示示容量量为300MW双水水内冷冷2极极汽轮轮发电电机。。TSS1264/160-48表示示双水水内冷冷水轮轮发电电机，，定子子外径径为1264厘厘米，，铁心心长为为160厘厘米，，极数数为48。。外同步步电动动机系系列有有TD、TDL等，，TD表示示同步步电动动机，，后面面的字字母指指出其其主要要用途途。如如TDG表表示高高速同同步电电动机机；TDL表示示立式式同步步电动动机。。同步步补偿偿机为为TT系列列。思考题题为什么么同步步电机机不能能有任任意的的转速速？如何从从外形形上区区分汽汽轮发发电机机和水水轮发发电机机？定子电电枢绕绕组安安排的的基本本要求求———各相相绕组组感应应电势势对称称二、同同步电电机的的励磁磁系统统基本概概念励磁的的要求求励磁方方式几种励励磁系系统概念励磁方方式———同同步电电机获获取直流励磁电电流的的方式式励磁系系统———供供结励励磁电电流的的整个个系统统，包包括装装置和和线路路励磁机机励磁调调节器器（手手动、、自动动）灭磁装装置对励磁磁系统统的要要求正常运运行时时，供供结励励磁电电流为维持持端电电压或或电网网电压压值，，随负负载情情况变变化，，励磁电流能能相应应调节当系统统电压压严重重下降降时（（如发发生短短路故故障等等），，能强行励励磁提高电电势，，保持持电压压稳定定突然丢丢负荷荷时，，如水水轮机机组转转速明明显升升高，，能强行减减磁，限制制端电电压过过度增增高。。对励磁磁系统统的要要求当电机机内部部发生生短路路故障障时，，能能快快速灭磁和减磁磁，以以减小小故障障的损损坏程程度。。对两台台以上上并列列运行行发电电机，，能能成组调节无无功功功率，使无无功合合理分分配。。其他：：反映映迅速速，运运行可可靠，，结构构简单单，损损耗小小，成成本低低，体体积小小等强励指指标励磁电电流增增长幅幅度励磁电电流增增长速速度一般值值，K=1.5-2，v=0.5-1.0励磁方方式它励由另外外电源源供电电———直流流发电电机，，带整整流的的交流流发电电机运动方方式———同同轴，，独立立工作作自励自并励励，自自复励励，谐谐波绕绕组励励直流励励磁机机励磁磁直流励励磁机机通常常与同同步发发电机机同轴轴，采采用并并励或或者他他励接接法，，或采采用负负载电电流反反馈的的复式式励磁磁。采用他他励接接法时时，励励磁机机的励励磁电电流由由另一一台被被称为为副励励磁机机的同同轴的的直流流发电电机供供给。。交流励励磁机机静止止整流流励磁磁同一轴轴上有有三台台交流流发电电机，，即主主发电电机、、交流流主励励磁机机和交交流副副励磁磁机。。副励磁磁机的的励磁磁电流流开始始时由由外部部直流流电源源提供供，待待电压压建立立起来来后再再转为为自励励(有有时采采用永永磁发发电机机)。。副励磁磁机的的输出出电流流经过过静止止晶闸闸管整整流器器整流流后供供给主主励磁磁机主励磁磁机的的交流流输出出电流流经过过静止止的三三相桥桥式硅硅整流流器整整流后后供给给主发发电机机的励励磁绕绕组。。它励式式在中小小型同同步发发电机机中，，也可可采用用自励励式整整流系系统交流励励磁机机旋转转整流流系统统静止整整流器器的直直流输输出必必须经经过电电刷和和集电电环才才能输输送到到旋转转的励励磁绕绕组，，对于于大容容量的的同步步发电电机，，其励励磁电电流达达到数数千安安培，，使得得集电电环严严重过过热。。在大容容量的的同步步发电电机中中，常常采用用不需需要电电刷和和集电电环的的旋转转整流流器励励磁系系统。。主励磁磁机是是旋转转电枢枢式三三相同同步发发电机机，旋转电电枢的的交流流电流流经与与主轴轴一起起旋转转的硅硅整流流器整整流后后，直直接送送到主主发电电机的的转子子励磁磁绕组组。交流流主励励磁机机的励励磁电电流由由同轴轴的交交流副副励磁磁机经经静止止的晶晶闸管管整流流器整整流后后供给给。由由于这这种励励磁系系统取取消了了集电电环和和电刷刷装置置———无刷励励磁系系统。旋转电枢式三、同同步电电机的的空载载运行行空载磁磁势时空矢矢量空载电电势电压波波形畸畸变1、空空载与与空载载磁势势空载运运行：：原动动机带带动发发电机机在同同步转转速下下运行行，励励磁绕绕组通通过适适当的的励磁磁电流流，电电枢绕绕组不不带任任何负负载时时。空载运运行是是同步步发电电机最最简单单的运运行方方式，，其气隙磁磁场由由转子子磁势势单独独建立立，分析析较为为简单单1.1隐隐极同同步电电机的的空载载磁势势励磁绕绕组（（分布布绕组组）埋埋于转转子槽槽内，，沿转子子圆周周气隙近近似均均匀。励磁磁磁势在在空间的的分布布为一一个阶阶梯形形，受齿齿槽的的影响响,气气隙磁磁密呈呈现出出波动动变化化。用谐波波分析析法可可求出出其基基波分分量合理地地选择择大齿齿的宽宽度可可以使使气隙隙磁密密的分分布接接近正正弦波波。如如无特特殊说说明，，以后后仅考虑虑磁通通密度度的基基波分分量1.2凸凸极同同步电电机的的空载载磁势势励磁绕绕组为为集中中绕组组，磁磁势波波为矩形波波对于凸凸极发发电机机来说说，由由于定定转子子间的的气隙沿沿整个个电枢枢圆周周分布布不均均匀，极面面下气气隙较较小，，磁阻阻较小小；极极间气气隙较较大，，极间间磁阻阻很大大。同同一个个极面面下，，气隙隙径向向磁通通密度度的分分布近近似于于平顶顶的帽帽形。。极靴靴以外外的气气隙磁磁通密密度减减少很很快，，相邻邻两极极中线线上的的磁通通密度度为零零。气隙磁磁密用用付立立叶谐谐波分分析分分解出出空间间基波波和一系列列谐波波。感应电电势的的波形形和大大小与与气隙隙磁密密的分分布形形状及及幅值值大小小紧密密相关关。在设计计和制制造电电机时时，应应采取取适当当的措措施，，以获获得尽尽可能能接近正正弦分分布的气隙隙磁密密，从从而得得到较较高品品质的的感应应电势势。2同同步电电机中中的时时空量量将相绕绕组轴轴线作作为空空间矢矢量参参考轴轴（相相轴））令时间间相量量参考考轴（（时轴轴）与与空间间矢量量参考考轴重重合转子绕绕组轴轴线两极间间中心心线时间相相量——绕绕组的的感应应电势势、电电压和和电流流，匝匝链的的磁通通空间矢矢量——磁磁势和和磁通通密度度（随时间间变化化）3空空载电电势三相电势对称主磁通0漏磁通只有主磁通才在定子绕组中产生感应电势4电电压波波形畸畸变定义：：实际际空载载线电电压波波形与与正弦弦波形形的偏偏差程程度。。规定：空载载及额额定电电压时时，容容量在在300kVA之上上时不不超过过5%，较较小容容量不不超过过10%。。影响：危害害用电电设备备（瞬瞬时电电压值值可大大大超超过额额定电电压）），导导致线线路附附加损损耗，，高频频辐射射影响响通讯讯。措施：使气气隙磁磁密波波形接接近正正弦波波，定定子采采用分分布和和短距距绕组组，三三相Y形接接法消消除三三次及及其倍倍数次次谐波波。四、对对称运运行时时的电电枢反反应负载后后磁势势分析析，电电枢反反应概念：：内功功率因因数角角ψ不同情情况电电枢反反应分分析4.1负负载后后（气气隙））磁势势分析析★空载时时，只只有一一个以以同步步转速速旋转转的励励磁磁磁势Ff——随轴同同转的的转子子磁势势(称称为机械旋旋转磁磁势)，在电电枢绕绕组中中感应应出三三相对对称交交流电电势，，励磁磁电势势，即即空载载电势势E0。★当电枢枢绕组组接上上三相相对称称负载载后，，电枢枢绕组组中流流过三三相对对称的的交流流电流流，，将形形成一一个以以同步步速度度旋转转的旋旋转磁磁势———电电枢磁磁势Fa———电枢旋旋转磁磁势(称称为电气旋旋转磁磁势）。★两个旋旋转磁磁势的的转速速均为为同步步速，，且转转向一一致，，二者者在空空间处处于相相对静静止状状态，，矢量量合成成为一一个合合成磁磁势。。★气隙磁磁场————由合合成磁磁势在在电电机的的气隙隙中建建立起起来的的磁场场。同步发发电机机负载载以后后，电电机内内部的的磁势势和磁磁场及及绕组组中感感应电电势将将发生生显著著变化化，此此变化化主要要由电电枢磁磁势的的出现现所致致。————电枢反反应4.2内功功率因因数角角ψE0Ia解释：：时间间相量量Ia与空空间矢矢量Fa同同向电枢磁磁势Fa———三三相电电流产产生的的合成成磁势势，哪哪一相相电流流达最最大值值，则则位置置在其其绕组组的轴轴线上上；A相电电流Ia———如如Ia最大大，则则Ia在相相轴上上，此此时Fa正正好在在交轴轴上4.3ψψ=0时的的电枢枢反应应分析析输出电电流和和空空载电电势同同相，，有功功功率率从电电机输输至电电网———发电机机状态态。ψ＝0，cosψ＝＝1，，sinψψ＝0，不发出出无功功功率率。转子磁磁势在在直轴轴上，，电枢枢磁势势作用用在交交轴上上，电电枢反反应的的结果果使得得合成成磁势势的轴轴线位位置产产生一一定的的偏移移，幅幅值发发生一一定的的变化化。作用用在在交交轴轴上上的的电电枢枢反反应应称称为为交轴轴电电枢枢反反应应，简简称称交交磁磁作作用用解释释：：时时间间相相量量Ia与与空空间间矢矢量量Fa同同向向电枢枢磁磁势势Fa————三三相相电电流流产产生生的的合合成成磁磁势势，，哪哪一一相相电电流流达达最最大大值值，，则则位位置置在在其其绕绕组组的的轴轴线线上上；；A相相电电流流Ia————如如Ia最最大大，，则则Ia在在相相轴轴上上，，此此时时Fa正正好好在在交交轴轴上上交轴轴电电枢枢反反应应Fa滞滞后后于于Ff1发电电机机4.4ψψ=ππ/2时时的的电电枢枢反反应应分分析析输出出电电流流滞滞后后于于空空载载电电势势90°°，，cosψψ＝＝0，，sinψψ＝＝1，，有有功功功功率率等等于于零零，，仅仅发出出电电感感性性无无功功功功率率。直轴轴电电枢枢反反应应转子子磁磁势势和和电电枢枢磁磁势势均均作作用用在在直直轴轴上上，，方方向向相相反反，，电电枢枢反反应应为为纯纯去去磁磁作作用用，，合合成成磁磁势势的的幅幅值值减减小小————直轴轴去去磁磁电电枢枢反反应应。为保保持持电电压压不不变变，，应应增增大大励励磁磁，，即即为为过激激状状态态，，将将输出出电电感感性性无无功功功功率率4.5ψψ=ππ时时的的电电枢枢反反应应分分析析I与与E0反相相。。cosψψ＝＝1，，sinψψ＝＝0，，有有功功功功率率将将从从电电网网输输送送到到电电机机————电动动机机运运行行状状态态。sinψψ＝＝0，，不发发出出无无功功功功率率。交轴轴电电枢枢反反应应Fa超超前前于于Ff1电动动机机转子子磁磁势势作作用用在在直直轴轴上上，，电电枢枢磁磁势势作作用用在在交交轴轴上上，，电电枢枢反反应应使使合合成成磁磁势势的的轴轴线线位位置置产产生生一一定定的的偏偏移移，，幅幅值值发发生生一一定定的的变变化化。。4.6ψψ=-ππ/2时时的的电电枢枢反反应应分分析析输出出电电流流超超前前空空载载电电势势90°°，，cosψψ＝＝0，，sinψψ＝＝1，，有有功功功功率率等等于于零零，，仅仅发出出电电容容性性无无功功功功率率，或或吸吸收收电电感感性性无无功功功功率率。。直轴轴电电枢枢反反应应转子子磁磁势势和和电电枢枢磁磁势势均均作作用用在在直直轴轴上上，，方方向向一一致致，，合合成成磁磁势势的的幅幅值值加加大大，，电电枢枢反反应应为为纯纯增增磁磁作作用用————直轴轴助磁磁电枢枢反反应应。为保保持持电电压压不不变变，，应应减减少少励励磁磁，，即即为为欠激激状状态态，，将将输出出电电容容性性无无功功功功率率4.7y为任任意意角角度度时时的的电电枢枢反反应应将电电枢枢磁磁势势分分解解为为直直轴轴和和交交轴轴两两个个分分量量。。交轴轴分分量量Faq滞滞后后于于Ff1为发发电电机机运运行行，，超超前前于于Ff1为电电动动机机运运行行，，分分别别对对应应于于输输出出和和输输入入有有功功功功率率。。直轴轴分分量量Fad可可能能是是磁磁化化或或去去磁磁作作用用，，当当去去磁磁作作用用时时，，处处于于过过激激状状态态。。当当直直轴轴电电枢枢磁磁势势起起磁磁化化作作用用时时，，接接在在电电网网上上的的同同步步电电机机处处于于欠欠激激状状态态。。电枢枢反反应应分分析析同步步发发电电机机运运行行情情况况：：（（-90o，90o）同步步电电动动机机运运行行情情况况：：（（90o，270o）电枢枢反反应应是是实实现现能能量量转转换换的的关关键键同步步电电机机空空载载运运行行时时，，定定子子绕绕组组开开路路，，没没有有负负载载电电流流：：不存存在在电电枢枢反反应应，，不不存存在在由由转转子子到到定定子子的的能能量量传传递递。当同同步步发发电电机机带带有有负负载载时时，，就就产产生生了了电枢枢反反应应。不同同负负载载性性质质时时，，电电枢枢磁磁场场与与转转子子电电流流产生生不不同同性性质质的的电电磁磁力力和和电电磁磁转转矩矩。实现现能能量量的的传传递递（a)：：电电枢枢反反应应交交轴轴作作用用，，电电磁磁力力与与旋旋转转方方向向相相反反，，为为了了维维持持发发电电机机的的转转速速不不变变，，必必须须随随着着有有功功负负载载的的变变化化调调节节原原动动机机的的输输入入功功率率（b））（（c））：：电电枢枢反反应应直直轴轴作作用用，，b为为去去磁磁，，c为为助助磁磁，，为为保保持持发发电电机机的的端端电电压压不不变变，，必必须须随随着着无无功功负负载载的的变变化化相相应应地地调调节节转转子子的的激激磁磁电电流流。。五、不不计饱饱和分分析隐隐极同同步发发电机机当不考考虑磁磁路饱饱和现现象时时，可可以应应用叠叠加原原理：：假设设转子子磁场场与电电枢磁磁场分分别在在定子子绕组组中感感应电电势。。转子子磁场场感应应的电电势为为空载载电势势；电电枢磁磁场感感应的的电势势为电电枢反反应电电势。。定子回回路（（每相相）电电压平平衡式式5.1隐隐极发发电机机的等等效电电路E0——空空载电电势，，反应应转子子磁场场的作作用Ea——电电枢反反应电电势，，反应应电枢枢磁场场的作作用。。是三相相合成成电枢枢反应应磁场场在一一相绕绕组中中的感感应电电势。。5.2隐隐极电电机电电枢反反应电电抗xa当三相相对称称电枢枢电流流流过过电枢枢绕组组时，，将产产生旋旋转的的电枢枢磁势势，，在电电机内内部产产生跨跨过气气隙的的电枢枢反应应磁通通和和不通通过气气隙的的漏磁磁通，，分分别在在电枢枢各相相绕组组中感感应出出电枢枢反应应电势势和和漏磁磁电势势。。与电枢枢电流流的的大小小成正正比(不计计饱和和)，，比例例常数数称为为电电枢反反应电电抗。。考虑虑到相相位关关系后后，每每相电电枢反反应电电势为为：物理意意义：电枢反反应磁磁场在在定子子每相相绕组组中感感应的的电枢枢反应应电势势，可可以看看作相相电流流所产产生的的一个个电抗抗电压压降Xa推推导电枢磁磁势基基波振振幅电枢磁磁场基基波振振幅每极电电枢磁磁通电枢反反应电电势电枢反反应电电抗隐极电电机同同步电电抗xs对应于于定子子绕组组的漏漏磁通通对应于于定子子电流流所产产生的的空气气隙旋旋转磁磁场定子旋转转磁势是是三相电电流联合合产生的的，幅值值为每相相脉动磁磁势幅值值的3/2倍。。磁通在在绕组中中的感应应电势用用相电流流在电电抗上的的压降表表示，为为每相值值xs5.3隐隐极发发电机的的相量图图在作相量量图时，，假设已已知：发发电机的的端电压压，电枢枢电流，，负载功功率因数数角，同同步电抗抗。根据据方程式式求得励励磁电势势步骤1：在水平平方向作作出相量量U步骤2：根据角作I的的方向向并作出出相量步骤3：在U的尾端加加上Ira和相量量jIx0，它超前前于I90°°得到E相相量步骤4：再加上上相量jIxa，得到E0相量5.3隐隐极发发电机的的相量图图功角δ——E0与U间的的夹角，，与功率率有关位移角δδi——空间间矢量Ff1与Fδ间的相位位角，反反映负载载后磁势势的位移移附、电枢枢反应磁磁势的折折算磁路不饱饱和时，，分别由由磁势->磁密密->感感应电势势，然后后进行叠叠加。考虑磁路路饱和，，则叠加加原理不不适用。。必须先先合成磁磁势，利利用磁化化曲线，，确定产产生合成成的磁场场及其合合成感应应电势。。电枢磁势势折算为为等效的的转子磁磁势，并并与原转转子磁势势合成为为等效的的气隙合合成磁势势。隐极机与与凸极机机气隙形形状不一一样，有有不同的的折算结结果。附.1隐隐极机机电枢反反应磁势势的折算算折算原则则：产生相等等的基波波磁场由于气隙隙均匀，，则需基波磁势势振幅相相等转子磁势势ff，阶梯波波，振幅幅为Ff，基波振振幅为Ff1=kfFf。电枢反应磁势基波分量fa，正弦分布，振幅为Fa设折算至转子磁势的折算值为Fa’（阶梯形分布），相应的基波分量振幅为kfFa’依据折算原则，则kfFa’=Fa即：隐极机气气隙磁场场简单计计算思考题12-3同步步电抗对对应于什什么磁通通?为什什么说同同步电抗抗是三相相电流产产生的电电抗而它它的数值值又是每每相值？？每相同同步电抗抗与每相相绕组本本身的激激磁电抗抗有什么么区别?哪些是空空间矢量量?哪些些是时间间相量?如何理理解电流流相量与与电枢磁磁势“同同相”?三相电流流通过对对称三相相绕组时时产生电电枢磁势势（为三三相合成成磁势，，空间矢矢量），，幅值总总是和具具有最大大电流的的相绕组组轴线重重合。当某相电电流最大大时，电电流相量量在时间间轴上。。在时空空图上，，取时间间轴与相相绕组轴轴线（空空间轴））重合，，则有电电流相量量与电枢枢磁势““同相””重合。。六、不计计饱和凸凸极电机机的分析析凸极同步步机的气气隙不均均匀．在极面面下的磁磁导大，，两极之之间的磁磁导小。。同一电枢枢磁势波波作用在在气隙不不同处，，会遇到到不同的的磁阻，，产生不不同的磁磁密。F=，B=S双反应法法——电枢基波波磁势Fa分解解为直轴轴上的直直轴电枢枢反应磁磁势Fad和交交轴上的的交轴电电枢反应应磁势Faq。。根据直轴轴和交轴轴的磁导导，分别别求出直直轴和交交轴的磁磁通密度度波及磁磁通。求出在每每相定子子绕组中中直轴电电枢反应应电势Ead和和交轴电电枢反应应电势Eaq。。双反应法法的基础础是，当当不计饱饱和时，，适用叠叠加原理理，用双双反应法法来分析析凸极同同步电机机。6.1电电路方方程与等等效电路路电枢反应Fad磁通ad电枢反应Faq磁通aq机械旋转Ff磁通0定子绕组漏磁场6.2直直轴电电枢反应应电抗xad直轴电枢枢反应磁磁势fad基波振幅幅为磁通密度度分布波波的振幅幅磁通密度度波基波波分量振振幅直轴电枢枢反应基基波每极极磁通感应产生生的直轴轴电枢反反应电势势kd的数值，一般在0．8—1之间，它和磁极下的最大、最小气隙之比值及极弧与极距之比值等数值有关气隙越大，则磁阻越大，电枢反应电抗越小6.3交交轴电电枢反应应电抗xaqkq的数数值，一一般在0．4——0.6之间6.4同同步电电抗主要受电电枢反应应电抗的的影响，，与电枢枢绕组匝匝数平方方N2成正比，，与磁导导Λ成正正比铁心饱和和程度提提高，则则磁导减减小气隙增大大，则磁磁导减小小激磁绕组组匝数增增加，如如不改变变磁路饱饱和程度度，则同同步电抗抗不变6.5凸凸极极发电机机的相量量图由负载性性质，作作出U和和I相量量确定E0的方向，，得到内内功率因因数角ψψ分解负载载电流Id=Isinψψ,Iq=Icosψψ得到E06.6电电抗简简单比较较说明变压器激磁电抗抗标幺值值为几十十（无气气隙，磁磁阻小，，主磁通通大），，Im在在0.02-1标幺值值异步电机机激磁电抗抗标幺值值为几（（气隙小小，磁阻阻小，对对应空载载气隙主主磁通）），Im在0.2-0.5标标幺值同步电机机同步电抗抗标幺值值：隐极极机在0.9-3.5，凸极极机在0.6-1.6（交轴轴0.4-1.0），，由于气气隙大，，磁阻大大附、电枢枢反应磁磁势的折折算磁路不饱饱和时，，分别由由磁势->磁密密->感感应电势势，然后后进行叠叠加。考虑磁路路饱和，，则叠加加原理不不适用。。必须先先合成磁磁势，利利用磁化化曲线，，确定产产生合成成的磁场场及其合合成感应应电势。。电枢磁势势折算为为等效的的转子磁磁势，并并与原转转子磁势势合成为为等效的的气隙合合成磁势势。隐极机与与凸极机机气隙形形状不一一样，有有不同的的折算结结果。附.2凸凸极机机电枢反反应磁势势的折算算气隙不均均匀，电电枢磁势势波与磁磁密波有有不同波波形，折折算条件件：产生相同同的基波波磁密。假设：不不考虑交交、直轴轴磁场间间的相互互影响（（主要是是对磁路路饱和程程度的影影响）交、直轴轴电枢反反应磁场场波形不不同，分分别进行行折算。。凸极机转转子励磁磁磁势激磁磁势势ff为矩形波波振幅为Ff=NfIf产生的磁磁密波近近似矩形形bf振幅为Bf基波分量量bf1振幅为Bf1直轴电枢枢反应的的折算直轴电枢枢反应磁磁势fad基波振幅幅为Fad磁场磁密密波bad的振幅为为Bad基波分量量bad1的振幅为为Bad1折算：交轴电枢枢反应的的折算交轴电枢枢反应磁磁势faq基波振幅幅为Faq产生马鞍形磁磁密波假想在直轴上上磁密baq振幅为Baq基波磁密密波baq1的振幅为为Baq1折算：凸极机磁磁场简单单分析折算的物物理意义义：建立立同样大大小的基基波磁场场时，单单位安匝匝的直轴轴或交轴轴电枢磁磁势（基基波）相相当于多多少安匝匝的励磁磁磁势（（指幅值值）一般，kq<kd，在隐极极机中kd=kq=1比较多个个折算的的异同变压器：用假想想的绕组组代替变变压器一一侧绕组组，使成成为k=1的变变压器，，折算原原则———保持内内部电磁磁平衡关关系异步电机：绕组折算算同变压器器，将转子子绕组的电电压、电流流和阻抗进进行折算；；频率折算算是将旋转转的转子等等效为静止止的转子，，与定子绕绕组有相同同的频率。。同步电机：激磁磁势势为阶梯形形波，电枢枢磁势为正正弦波，波波形不同需需折算，原原则是产生生相同的基基波磁势（（隐极机））或相同的的基波磁密密（凸极机机：由于气气隙不均匀匀）七、电枢绕绕组的漏抗抗漏磁通在定定子绕组中中感应漏抗抗电势Eσ，用漏抗xσ表示漏磁路主要要为气隙：：不饱和，漏漏抗为常数数，数值很很小，标幺幺值0.07-0.45间高次空间谐谐波磁通（（旋转速度度为同步速速），在电电枢中感应应电势为基基波频率，，用差漏抗抗或谐波漏漏抗表示，，数值更小小。漏抗的影响响：1.槽漏漏磁通产生生电流的集集肤效应，，增加铜耗耗；2.端端部漏磁通通引起涡流流，产生局局部热；3.漏抗电电势影响端端电压。作业思12-1，2，3，412-1，，12-2要求绘出相相量图，说说明参考相相量，区分分角度θ、、δ、ψ。。可以由上两两题体会汽汽轮发电机机与水轮发发电机的参参数差异。同步电机对对称运行时时的特性1. 空载载特性、短短路特性、、负载特性性（曲线））2. 测定定同步电抗抗、计算短短路比、测测定漏抗3. 外特特性与调整整特性4. 电压压变化率分分析一、同步电电机的特性性分析基础础对称运行：：指电机转转速为额定定值且保持持恒定，并并供给三相相对称负载载时的一种种稳态运行方式主要变量：电压U、、电枢电流流I、激磁磁电流If和功率因数数cosθθ特性：(1)空载载特性：I=0(2)短路路特性：U＝0(3)负载载特性：I＝const、、cosθθ=const(4)外特特性：If＝const、cosθ＝const(5)调整整特性：U＝const、、cosθθ=const主要参数：同步电抗抗xs、xd、xq及漏抗xσ区别不同的的条件、参数间关系系标幺值计算算时的基值值定子侧电压基值———额定相相电压电流基值———额定相相电流容量功率基基值——电电压基值*电流基值值阻抗基值———电压基基值/电流流基值转子侧转子电流基基值——空空载电势为为额定相电电压时的激激磁磁电电流1. 同步步发电机的的空载特性性当空载运行行时（电枢绕组开开路，I=0）,空载电电动势E0随转子励磁磁电流If变化的关系系。空载特性与与电机磁路路的磁化曲曲线具有类类似的变化化规律E0Φ0IfFf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）磁势主要消耗在气隙上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bc为铁磁部分的磁压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饱和系数：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。空载特性的的实验测定定调节可变电电阻，使激激磁电流逐逐步上升，，每次记下下If和E0的读数。作同步电机机的空载特特性由于存在剩剩磁，规定用下降降曲线来表表示空载特特性。从1.3UN对应的激磁磁逐步减小小剩磁电动势空载特性的的工程应用用①将设计计好的电机机的空载特特性与常规规空载特性性相比较，，如果两者者接近，说说明电机设设计合理，，反之，则则说明该电电机的磁路过于饱和或或者材料没没有充分利利用。如太饱和，将使励磁磁绕组用铜铜过多，且且电压调节节困难如饱和度太低低，则负载变变化时电压压变化较大大，且铁心心利用率较较低，铁心心耗材较多多②结合短路特特性可以求求取同步电电机的参数数。③发电厂通通过测取空空载特性来来判断三相相绕组的对对称性以及及励磁系统统的故障。。必须掌握（*）2. 同步步发电机的的短路特性性发电机三相相稳态短路路试验时，，电枢短路路电流Ik与激磁电流流If间的关系曲曲线。忽略绕组电阻ra(c)短路运行时，Ik滞后于E090o电角度，y=90o，交轴分量Ikq=0，电枢反应为纯去磁作用。

影响：电机磁路处处于不饱和和状态。短路特性曲曲线去磁作用减减少了电机机中的磁通通，磁路处于不不饱和状态态电枢磁势Fa正比于于电枢电流流I=Ik短路特性是是一直线IkIf0U=0稳态短路时时，电枢反反应为纯去去磁作用，，电机的磁磁通和感应应电势较小小，短路电流不不大，三相相稳态短路运行没有危危险短路特性的的测定———短路试验验先将三相电电枢绕组在在出线端处处短接，再再起动原动动机将发电电机带到同同步转速，，通入不同同数值的激激磁电流If，读取每次次相应的短短路电流Ik，即得同步步发电机的的短路特性性。零功率因数数特性（2）：cosθθ=0的的负载特性性纯感性负载载，纯去磁磁作用的电电枢反应Faq=0,Fad=Fa合成磁势端电压3. 负载载特性曲线线端电压与激激磁电流间间的曲线U＝f(If)I=const，cosθ=const矢量（相量量）关系变变成了代数数关系重点：空载载特性与零零功率因数数曲线mn对应于去磁磁磁势kadFad的激磁电流流on：合成成磁势om=mn+om：：激磁磁势势Ffan：E———合成电电势ab：Ixσbn=cm：U=E-Ixσc点：对应应(U,If)为零功率率因数特性性曲线上一一点电抗三角形形abc如电枢电流流保持不变变，三角形形大小不变变高ab=Ixσ，底边bc=mn均正比于电电枢电流c点轨迹即即为零功率率因数曲线线负载时实际际激磁零功率因数数曲线求取取两点试验实验法当电机较大大时，将电电机并联于于电网，有有功调节为为零，调节节励磁使发发出无功电电流达到IN，即为e点点.短路点e点点——（I=IN,U=0））调节发电机机励磁电流流，使三相相稳定短路路电流为额额定值额定电压点点c点———（I=IN,U=UN）调调节节发发电电机机处处于于过过激激，，电电枢枢电电流流为为额额定定值值，，输输出出有有功功功功率率为为0（（零零功功率率因因数数）），，激激磁磁电电流流和和额额定定电电压压决决定定c点点二、、同同步步发发电电机机的的参参数数及及测测定定同步步电电抗抗：：饱饱和和与与不不饱饱和和值值xd和xq的转转差差法法测测定定短路路比比漏抗抗和和保保梯梯电电抗抗1.同同步步电电抗抗的的实实验验测测定定不饱饱和和同同步步电电抗抗短路路时时不不计计饱饱和和凸极电机的交轴同步电抗可以利用经验公式求得

饱和和同同步步电电抗抗在纯感感性性负负载载时磁路路饱饱和和决决定定于于空空气气隙隙中中的的合合成成磁磁场场，，忽忽略略漏漏阻阻抗抗压压降降，，则则决决定定于于端端电电压压。。不同同的的端端电电压压时时，，xs不同同当磁磁路路不不饱饱和和时时，，同同步步电电抗抗电电压压为为c’’a’’，比比ca大。。不饱饱和和同同步步电电抗抗的的数数值值比饱饱和和同同步步电电抗抗的的数数值值大。2.转转差差率率试试验验，，测测定定xd、xq同步步电电机机由由原原动动机机带带动动，，转转速速接接近近于于同同步步转转速速，，转转子子激激磁磁绕绕组组开开路路（（不不加加激激磁磁）），，在在定定子子端端子子上上外外施施——对对称称三三相相电电压压。。为为了了避避免免转转子子被被牵牵入入同同步步，，外施施电电压压约约为为额额定定电电压压的的1/4左左右右，且且使使其其相相序序能能保保证证电电枢枢旋旋转转磁磁场场的的转转向向与与转转子子的的转转向向——致致。。调节节原原动动机机转转速速，，使使约约有有1％％一一2％％的的转转差差。。此此时时，，定定子子旋旋转转磁磁场场的的轴轴线线交交替替地地与与转转子子直直轴轴和和交交轴轴重重合合。。当定子旋转磁场与转子直轴重合时，定子的电抗为xd，此时电抗最大，定子电流最小，线路压降最小，端电压为最大。当定子旋转磁场与转子交轴重合时，定子的电抗为xq，此时电抗最小，定子电流最大，线路压降最大，端电压为最小。计算为不饱和值应用：：正常运运行时时，电电机磁磁路饱饱和，，d轴轴气隙隙小而而磁导导大，，磁路路饱和和而使使xd减小，，分析析时应应用xd饱和值值；短短路时时，由由于电电枢反反应的的去磁磁作用用，使使电机机磁路路处于于不饱饱和状状态，，xd用不饱饱和值值。q轴：：磁路路气隙隙较长长，磁磁导小小，磁磁路不不饱和和，xq取不饱饱和值值。1外外施电电压低低，定定子电电枢磁磁场较较小2无无激磁磁电流流，没没有转转子励励磁磁磁场3.短短路路比kK在空载载时使使空载载电势势有额额定值值时的的激磁磁电流流If0与在短短路时时使短短路电电流有有额定定值时时的激激磁电电流Ifk之比IN在激磁磁电流流为If0时的短短路电电流标标幺值值3.短短路路比kK分析：短路比比略大大于不饱和和同步步电抗抗的倒数数短路比比大，，则同同步电电抗小小，负负载变变化时时发电电机的的电压压变化化就小小，并并联运运行时时发电电机的的稳定定度较较高；；设计计上，，电机机气隙隙较大大，转转子的的额定定激磁磁磁势势和用用铜量量增大大。短路比比小，，同步步电抗抗大，，负载载变化化时发发电机机的电电压变变化就就大———电压调调整率率大，发电电机的的稳定定度较较差。。工程上上：随着单单机容容量的的增大大，为为了提提高材材料利利用率率，随随机组组容量量增大大短路路比降降低。。由于采采用自自动励励磁调调节装装置，，大大大提高高了运运行稳稳定性性，降降低短短路比比可以以提高高电机机经济济指标标4.漏漏抗抗的测测定电抗三三角形形法抽出转转子法法bc等效于电枢反应的励磁电流抽出转转子法法测漏漏抗抽出电电机转转子，，定子子绕组组外施施三相相对称称电