同步电机基本电磁关系2007-5-31王昊.ppt

第十六章 同步电机的电磁关系,教学目的： 从第13、14章得知，同步电机运行时有两个旋转磁场存在。 两个旋转磁场共同作用下实现能量转换。 主要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。,思考：两个什么性质的磁场？,本章主要内容：,1）空载运行（励磁磁场单独存在）分析，介绍 时空相-矢量图的分析方法；,2）电枢反应：分析电枢磁场对励磁磁场的影响；,3）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。,认识两个磁场的作用,1） 从实例看电枢磁场在能量转换中的作用,从同步电动机模型理解电枢磁场在能量转换中的作用： 电枢的旋转磁场的磁极代替手动磁铁的驱动作用。,电枢的旋转磁场的磁极代替手动磁铁的驱动作用,2）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,同步发电机示意图：从转子可以输入数十万千瓦机械功率，但是转子不会超速，也是因为定子表面有等效磁极的阻力。,16-1 同步发电机空载运行,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，电枢绕组不带任何负载（ ）时的运行情况。,1 基波励磁磁动势,当励磁绕组中通入直流电流后，产生随转子一起旋转的磁动势，称为励磁磁动势。因为它随转子一起转动，从定子上看，它也是一个旋转磁动势，所以同电枢绕组磁动势的分析方法一样。,1）凸极机矩形波磁动势,对比闭合回路1-5的气隙磁势： 彼此相等！（忽略铁心磁压降）,每个磁极所产生的磁动势波是幅值为 的矩形分布波，利用级数展开得到基波和谐波，基波幅值为,励磁磁动势波形系数,励磁绕组放置在磁极两边槽里，磁极中间不放绕组以使磁极磁动动势波形接近正弦，每极磁势最大幅值为 。,2) 隐极机阶梯波磁动势,隐极同步电机气隙磁势,图示3个闭合回路所包围的安匝数分别为NkI, 3NkI与 5NkI，所以气隙磁势为阶梯波。,0,a,Fs,Fm,Fb,隐极同步电机气隙磁势,阶梯波气隙磁势的基波可以 用空间矢量 表示。图中 Nf= 5Nk,通过实际总槽数 与沿转子表面开的等距槽的总槽数 的比值查表得 。,2 基波励磁磁动势空间矢量表示,结论：,基波励磁磁动势空间向量的位置，为基波磁动势正波幅所在位置，也就是总在转子S极与N极的连线上，方向为S极指向N极方向；向量长度等于基波磁动势的幅值； 向量以角速度逆时针方向转动。,空间向量的参考轴选择定子A组绕组轴线+A处；,3 基波气隙磁密空间矢量表示,1) 隐极机 气隙均匀，当铁心不饱和时，气隙磁密与磁动势成正比，基波磁动势产生正弦波磁密，若不考虑磁铁的磁滞涡流效应下，磁密波的相位和磁动势波的相位相同。,2) 凸极机 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然同相位。,+A,4 定子相绕组的感应电动势的时间相量,气隙磁密旋转切割定子三相绕组，定子绕组感应随时间正弦变化的电动势，用时间相量来表示。由于空间坐标选A相绕组轴线+A为参考轴，所以时间相量也分析A相。,4 定子相绕组的感应电动势、时间相量,+A,+j,1）磁极中心与+A轴线重合,结论： 及 在空间参考轴+A上初相位 与A相时间相量 在时间参考轴+j的初相位 之间存在一定关系，即： ，此关系适合任意时刻。,A,X,A,X,n,X,X,2） 及 均领先+A轴。A相绕组边处于磁极中心线，磁密最大，A相绕组感应电动势瞬时值为正最大。,+A,+j,N,S,+A,5 时空相矢量图,将空间+A与时间+j重合在一起，将磁势与电势向量画在一个图中，构成时间-空间向量图，即时-空相-矢量图,6 空载特性,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空载运行，称 的函数关系为空载特性，它是一条非线性关系的饱和曲线。,6 空载特性,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。,（2） 转速： (r/min),16-2 对称负载时的电枢反应,定义：电枢磁动势对励磁磁动势的影响称电枢反应,1) 定子三相对称绕组中对称三相电流产生基波电 枢磁动势,（1） 大小： (A),（3） 转向：沿通电相序A、B、C的方向，它与转子转向相同,（4） 极对数：和转子极对数相同，决定于绕组的节距,1 两个磁动势分析,2) 转子绕组通入直流产生每极基波励磁 磁动势,（4） 极对数：和转子磁极的极对数相同,（1） 大小： (A),（2） 转速：和转子转速一样为同步速,（3） 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波励磁磁动势，它们的转速、转向、极对数均相同，彼此之间相对静止，因此两者的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气隙合成磁场。,谐波电枢磁动势和励磁磁动势没有固定作用，不能合成恒定的磁动势。谐波励磁磁动势很小。,结论：,励磁磁势和电枢磁势的区别,2 基波电枢磁动势对基波励磁磁动势的作用,电机带负载后， ，由于所带负载性质不同，使 和 之间相位角不同，电枢反应的性质也不同。,设 时，转子S极中心在空间坐标轴超前 的位置，即 的位置。,空间基波电枢磁动势向量 空间基波励磁磁动势向量 空载时定子一相（A相） 电动势,（落后）， 的情况,1) ，cos =1 的情况,2),（领先）， 的情况,3),为落后的一个任意角,4),和 之间相位角 的物理意义：,1） ，cos =1的情况,旋转磁动势,当时间+j轴与空间参考轴都取同一相的量时，电枢电流 将与电枢磁动势 重合。,电枢反应磁动势 落后励磁磁动势 空间电角度，叫做交轴电枢反应磁动势，交轴电枢反应使合成磁动势 与励磁磁动势 不在一个方向上，相差一个相角 。,结论：,（落后）， 的情况,2),与 相差 。 对 起去磁作用，叫直轴去磁电枢反应磁动势。直轴去磁电枢反应使合成磁动势 比 减小，气隙磁密比空载时减小，感应电动势相应减小， 与 同相位，即,+A,（超前）， 的情况,+A,3),4） 为落后的一个任意角,电枢反应磁动势 可以分解为两个分量：,d轴,q轴,（2）沿横轴方向的分量 使合成磁动势 与 产生夹角,（1）沿纵轴方向的分量 对 起去磁 作用,电枢反应（增磁、去磁）使得发电机的端电压，与负载电流的大小和负载性质密切相关。,16-3 隐极同步发电机的磁动势电动势相矢量图和电动势相量图,1 负载电流对端电压的影响,负载电流对端电压的定性影响,图中当负载阻抗为电阻性与电感性，电流均落后于激磁电势，电枢反应去磁使得电流增大时端电压下降。 思考：电容负载如何？,如何确定端电压与负载电流的具体关系,为了确定端电压与 负载电流的关系， 需要建立电压方程。 考虑到空载特性已 知；所以，需要 找出负载电流、端电压的关系。,2 负载时定子绕组一相的电压方程式,建立隐极同步发电机电压方程的基本思路 设法确定在激磁电流和电枢电流共同存在的情况下，电机内部感应的什么电势，呈现出什么阻抗。,途径1 不考虑铁芯饱和,分别考虑激磁磁势和电枢磁势建立的磁场。确定在激磁电势作用下的电枢电流在电机内部遇到了什么阻抗。这是本节重点！,2) 建立隐极同步发电机电压方程的两个途径,途径2 考虑饱和，求出两个磁势的合成磁势及其建立的合成气隙磁场、气隙感应电势，以及该电势对应的阻抗（自学）。,思考：两种分析途径的优缺点是什么？,3）分析内部阻抗的方法（途径1）,基于叠加原理，先分析第一个磁势(转子磁势)的作用。左图表示转子磁极与磁力线旋转，在实际绕组内部产生感应电势的状况。,右图表示，将感应电势移出到外部电路后转子上就 没有励磁电流与磁极区域。其中转子仅仅是一个圆 柱形铁心。,3）分析内部阻抗的方法（途径1）,电枢电流产生的磁场分析,电机负载时，在激磁电势作用下会产生电枢电流。电枢电流的存在，产生第二个磁势电枢磁势，其建立的部分磁场如图所示。现在只要求出该磁场对应的磁链就可以求出电抗。,3）分析内部阻抗的方法（途径1）,基波磁场与漏磁场,iA,电枢电流流过定子绕组，所产生磁场包括跨越气隙的基波磁场和漏磁场。,对称三相电流的基波 磁场则为旋转磁场。,漏磁场包括三个部分： 槽漏磁场； 端接漏磁场； 谐波漏磁场。,3）分析内部阻抗的方法（途径1）,参考相磁通与电势的正方向,3）分析内部阻抗的方法（途径1）,漏磁场对应的电抗为 ，称为漏电抗；,基波磁场对应的电抗为 ，称为电枢反应电抗；,两个电抗的合成 ，称为同步电抗。,这样电枢磁场对电机负载运行的影响可转化为电路中 的电抗表示，其电机模型电路图如下页所示。,右图表示，将励磁感应 电势移出到外部电路后， 转子仅仅是一个圆柱形 铁心； 再把电枢磁场对电枢绕 组的影响用电抗表示后， 现在定子部分仅仅是电 枢铁心绕组了。,3）分析内部阻抗的方法（途径1）,3）分析内部阻抗的方法（途径1）,通常将电流在电枢反 应电抗上产生的压降 用电势表示：,通常将励磁磁场在电枢绕 组中感应的励磁电势 和 电枢基波主磁场在电枢绕 组中感应的电枢电势 合 在一起称为气隙合成电势：,3）分析内部阻抗的方法（途径1）,气隙合成电势的物理意义,其实质就是同步 电机负载时，转 子励磁基波磁势 和电枢基波磁势 合成的气隙基波 磁势产生的磁场 在电枢绕组里感 应的电动势。,4）隐极同步发电机一相电压方程及等效电路,已知发电机的端电压、负载电流和功率因数 及参数 ， ， 负载为感性。,5）隐极同步发电机相量图,隐极发电机的相量图及外特性解释,1、纯电阻负载,2、纯电感负载,3、纯电容负载,补充：不考虑磁路饱和，隐极机电动势相量图,线性化后采用叠加原理，认为励磁磁动势 单独在气隙中产生磁密 ，电枢磁动势 单独在气隙中产生磁密 ，气隙磁密 等于 和 的叠加。,负载时电磁关系的时空向量图叫做同步发电机的磁势电势向量图。,补充：电枢反应、同步电抗和等效电路,不计饱和电枢反应电动势 是由 产生的，在相位上总是落后于 电角度，若引入一个比例常数 ，则 和 关系可写成： ， 相当于一个感抗，称作同步电机的电枢反应电抗。,16-4 凸极同步发电机的双反应理论及电动势相量图,1 凸极发电机气隙不均匀带来的问题 基波磁动势矢量两侧气隙可能不等 不同位置基波磁动势对应的气隙不等，这导致无法直接利用 求取 ，也 不能直接利用 求取 。,1）气隙合成磁势与磁极的相互位置,双反应分析法是把 分解为两个磁势：交轴电枢反应磁动势 ；直轴电枢反应磁动势 。,2）双反应分析方法,思考：应用双反应分析法的前提是什么？,2）双反应分析方法（续）,凸极机双反应大图,2 凸极发电机的电压方程与电动势相量图,凸极发电机中的 和 ，可以看作是电枢电流 的分量 和 产生的， 与 成900电角度， 与 同在 轴上。即：,2 电压方程与电动势相量图（续1）,思考：比较 与 。,2 电压方程与电动势相量图（续2）,已知： ， ， 和电机 参数。,2 电压方程与电动势相量图（续2）,结论： 一定和交轴重合， 从而已知 角。,通常 是未知的,角的求解,3 等值电路,和 同相位,但 ，,假设用 代替 ， 可得近似等值电路。,凸极同步电机没有准确等值电路， 在以下电压公式中,第四节 凸极同步发电机的双反应理论及电动势相量图,一、 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 的大小不仅和 的大小有关，而且和气隙磁动势 在空间的位置有关，由于 ，所以 的大小及空间位置也随负载位置不同而