电机学-同步电机.pdf

第第第第3 3篇篇篇篇 同步电机同步电机同步电机同步电机 第3篇 同步电机 2 第第7 7章章 同步电机的用途 分类 同步电机的用途 分类 基本结构和额定值基本结构和额定值 学习目标学习目标 了解同步电机的用途和主要分类了解同步电机的用途和主要分类了解同步电机的用途和主要分类了解同步电机的用途和主要分类 熟练掌握同步电机的基本工作原理熟练掌握同步电机的基本工作原理熟练掌握同步电机的基本工作原理熟练掌握同步电机的基本工作原理 熟悉同步电机的基本结构 熟练掌握隐极和凸极熟悉同步电机的基本结构 熟练掌握隐极和凸极熟悉同步电机的基本结构 熟练掌握隐极和凸极熟悉同步电机的基本结构 熟练掌握隐极和凸极 电机的结构特点电机的结构特点电机的结构特点电机的结构特点 熟练掌握同步电机的额定值熟练掌握同步电机的额定值熟练掌握同步电机的额定值熟练掌握同步电机的额定值 熟练掌握同步发电机标幺值系统熟练掌握同步发电机标幺值系统熟练掌握同步发电机标幺值系统熟练掌握同步发电机标幺值系统 第7章 同步电机的用途 分类 基本结构和额定值 3 7 1 7 1 同步电机的用途和分类同步电机的用途和分类 主要用作发电机 产生交流电能主要用作发电机 产生交流电能 用作电动机用作电动机 用作同步调相机 同步补偿机 用于水电厂 火电厂 核电厂 风电场等 可与电力电子装置结合 构成调速系统 接于交流电网空转的同步电动机 用于补偿电网 的无功功率 用作同步调相机 同步补偿机 用于水电厂 火电厂 核电厂 风电场等 可与电力电子装置结合 构成调速系统 接于交流电网空转的同步电动机 用于补偿电网 的无功功率 1 1 同步电机的用途同步电机的用途同步电机的用途同步电机的用途 7 1 同步电机的用途和分类 4 按按按按用途用途用途用途分类分类分类分类 同步发电机 同步电动机 同步调相机 补偿机 同步发电机 同步电动机 同步调相机 补偿机 2 2 同步电机的分类同步电机的分类同步电机的分类同步电机的分类 主要分类方法 按按按按转子结构转子结构转子结构转子结构分类分类分类分类 凸极凸极同步电机同步电机 无明显突出的磁极无明显突出的磁极 气隙均匀气隙均匀 有突出的磁极有突出的磁极 气隙不均匀气隙不均匀 隐极隐极同步电机同步电机 还可按用途进一步分为发电机或电动机 还可按用途进一步分为发电机或电动机 2 同步电机的分类 5 凸极凸极同步电机 同步电机 p 2 p N N SS N S p 2 隐极隐极同步电机 同步电机 p 1 p 极距极距 截面图截面图 2 同步电机的分类 6 按按按按通风方式通风方式通风方式通风方式分类分类分类分类 同步电机 空气冷却 氢气冷却 水冷却 混合冷却 蒸发冷却 同步电机 空气冷却 氢气冷却 水冷却 混合冷却 蒸发冷却 按按按按冷却方式冷却方式冷却方式冷却方式分类分类分类分类 同步电机 开启式 防护式 封闭式 同步电机 开启式 防护式 封闭式 电机学讲义 电9 同步电机 第 1 页 共 33 页 2 同步电机的分类 7 同步发电机按同步发电机按同步发电机按同步发电机按原动机原动机原动机原动机分类分类分类分类 同步 发电机 同步 发电机 汽轮发电机汽轮发电机汽轮发电机汽轮发电机 其他原动机 如风力机 柴油机 拖动的同 步发电机 其他原动机 如风力机 柴油机 拖动的同 步发电机 用于火电厂 核电厂 用于火电厂 核电厂 原动机为 汽轮机 卧式 转速高 转子细长形 一般为 卧式 转速高 转子细长形 一般为2极极 转子隐极结构转子隐极结构 水轮发电机水轮发电机水轮发电机水轮发电机 用于水电站 用于水电站 原动机为 水轮机 立式 转速低 转子扁圆形 多极 立式 转速低 转子扁圆形 多极 转子凸极结构转子凸极结构 第7章 同步电机的用途 分类 基本结构和额定值 8 7 2 7 2 同步电机的基本结构同步电机的基本结构 1 1 同步电机的基本原理同步电机的基本原理同步电机的基本原理同步电机的基本原理 通常 定子上布置三 相交流绕组 电枢绕 组 通常 定子上布置三 相交流绕组 电枢绕 组 转子上安装磁极 磁 极上布置励磁绕组 转子上安装磁极 磁 极上布置励磁绕组 励磁绕组通入励磁绕组通入直流直流电 流 电 流 If AX B Z YC If N S 定子 转子 电枢绕组 励磁绕组 定子 转子 电枢绕组 励磁绕组 气隙气隙 1 同步电机的基本原理 9 不论是同步发电机还是 同步电动机 不论是同步发电机还是 同步电动机 稳态稳态运行时 转子转速 运行时 转子转速 n1都和电枢绕组频 率 都和电枢绕组频 率 f1保持严格的 正比 关 系 保持严格的 正比 关 系 n1为为同步转速同步转速 1 1 60 pn f p 电机的极对数 电机的极对数 Hz 1 1 60 f n p r min 7 2 同步电机的基本结构 10 2 2 同步电机的基本结构同步电机的基本结构同步电机的基本结构同步电机的基本结构 通常在定子上布置交流 绕组 故定子也称 通常在定子上布置交流 绕组 故定子也称电枢电枢 气隙气隙 定子铁心 定子绕组 机座 定子铁心 定子绕组 机座 定子定子 转子铁心 励磁绕组 集电环 电刷 阻尼绕组 转轴 转子铁心 励磁绕组 集电环 电刷 阻尼绕组 转轴 转子转子 2 同步电机的基本结构 11 同步发电机定子同步发电机定子 定子铁心定子铁心 定子绕组定子铁心定子铁心 定子绕组 2 同步电机的基本结构 12 大型同步发电机的分瓣定子大型同步发电机的分瓣定子 电机学讲义 电9 同步电机 第 2 页 共 33 页 2 同步电机的基本结构 13 汽轮发电机 隐极 转子汽轮发电机 隐极 转子 转子铁心由合金钢 整体锻件加工而成 每个磁极的槽中嵌 放同心式集中绕组 转子铁心由合金钢 整体锻件加工而成 每个磁极的槽中嵌 放同心式集中绕组 2 同步电机的基本结构 14 水轮发电机 凸极 转子 无刷励磁 水轮发电机 凸极 转子 无刷励磁 凸极同步电机转子凸极同步电机转子 6极凸极同步电机转子 一个磁极正待安装 极凸极同步电机转子 一个磁极正待安装 2 同步电机的基本结构 15 三峡水轮发电机的转子三峡水轮发电机的转子 2 同步电机的基本结构 16 水轮发电机机组模型水轮发电机机组模型 第7章 同步电机的用途 分类 基本结构和额定值 17 7 3 7 3 同步电机同步电机的额定值的额定值 额定容量额定容量 SN kV A MV A 额定功率 额定功率 PN kW MW 额定电压 额定电压 UN V kV 额定电流 额定电流 IN A 额定频率 额定频率 fN Hz 额定转速 额定转速 nN r min 额定功率因数 额定功率因数 cos N 额定效率额定效率 N 额定励磁电压额定励磁电压 UfN V 额定励磁电流 额定励磁电流 IfN A 7 3 同步电机的额定值 18 电机额定运行时 电枢出线端的视在功率 一般用于发电机 电机额定运行时 电枢出线端的视在功率 一般用于发电机 额定容量额定容量额定容量额定容量 SN 额定功率额定功率额定功率额定功率 PN 电机额定运行时的电机额定运行时的输出输出功率 发电机 功率 发电机 电枢出线端输出的有功功率 电枢出线端输出的有功功率 电功率电功率 电动机 电动机 转轴上输出的转轴上输出的机械功率机械功率 电机学讲义 电9 同步电机 第 3 页 共 33 页 7 3 同步电机的额定值 19 额定电压额定电压额定电压额定电压 UN 电机额定运行时 电枢出线端的电机额定运行时 电枢出线端的线线电压 电压 额定功率因数额定功率因数额定功率因数额定功率因数 cos N 电机额定运行时电枢绕组侧的功率因数 电机额定运行时电枢绕组侧的功率因数 额定电流额定电流额定电流额定电流 IN 电机额定运行时 电枢出线端的电机额定运行时 电枢出线端的线线电流 电流 额定频率额定频率额定频率额定频率 fN 电机额定运行时电枢绕组电气量的频率 电机额定运行时电枢绕组电气量的频率 额定转速额定转速额定转速额定转速 nN 电机额定运行时的转速 即同步转速电机额定运行时的转速 即同步转速n1 7 3 同步电机的额定值 20 额定功率 额定电压 额定电流间的关系额定功率 额定电压 额定电流间的关系 发电机发电机 电动机电动机 NNN cosPS N P N NN 3cosU I N NNN 3cos U I P1N 额定输入功率 额定输入功率 1N N P 7 3 同步电机的额定值 21 例 三峡左岸电站水轮发电机的额定值例 三峡左岸电站水轮发电机的额定值 SN 777 8 MV A PN 700 MW UN 20 kV Y联结 联结 IN 22453 A fN 50 Hz nN 75 r min cos N 0 9 滞后 滞后 N 98 77 6 N N 3 N 777 8 10 22453A 3320 10 S I U N N 606050 40 75 f p n NNN cos777 80 9700MWPS 定子机座 定子机座 5瓣 瓣 22028 6035 定子铁心定子铁心 19720 18800 2950 4 整体转子整体转子 18738 3600 发电机总重发电机总重 3333 5t 7 3 同步电机的额定值 22 同步电机标幺值的基值同步电机标幺值的基值 电枢绕组电气量的基值电枢绕组电气量的基值电枢绕组电气量的基值电枢绕组电气量的基值 通常取为 通常取为额定值额定值 电压基值 线电压 电压基值 线电压 UN 相电压 相电压 UN 额定相电压 额定相电压 阻抗基值阻抗基值 ZN UN IN 电流基值 线电流 电流基值 线电流 IN 相电流 相电流 IN 额定相电流 额定相电流 励磁电流基值励磁电流基值励磁电流基值励磁电流基值 空载空载运行时产生运行时产生UN的励磁电流的励磁电流 If0 IfN 下标下标 表 示 相 表 示 相 第7章 同步电机的用途 分类 基本结构和额定值 23 同步电机的基本工作原理同步电机的基本工作原理 小小 结结 同步电机的用途 主要分类 按转子结构 按原 动机 同步电机的用途 主要分类 按转子结构 按原 动机 同步电机的基本结构 隐极和凸极电机的结构和 磁路特点 同步电机的基本结构 隐极和凸极电机的结构和 磁路特点 同步电机 发电机 电动机 的额定值 同步电机 发电机 电动机 的额定值 同步电机标幺值系统的基值 或 同步电机标幺值系统的基值 或 1 1 60 pn f 1 1 60f n p 稳态运行时 稳态运行时 第7章 同步电机的用途 分类 基本结构和额定值 24 小小 结结 续 续 主要概念主要概念主要概念 同步 同步转速 隐极 凸极 汽轮发电机 水轮发电机 电枢绕组 励磁绕组 阻尼绕组 额定值 标幺值 基值 主要概念 同步 同步转速 隐极 凸极 汽轮发电机 水轮发电机 电枢绕组 励磁绕组 阻尼绕组 额定值 标幺值 基值 电机学讲义 电9 同步电机 第 4 页 共 33 页 第3篇 同步电机 25 第第8 8章章 同步发电机的电磁关系同步发电机的电磁关系 和分析方法和分析方法 学习目标学习目标 同步发电机空载运行时的电磁关系和空载特性同步发电机空载运行时的电磁关系和空载特性同步发电机空载运行时的电磁关系和空载特性同步发电机空载运行时的电磁关系和空载特性 同步发电机对称负载运行时的电枢反应性质 时空相矢同步发电机对称负载运行时的电枢反应性质 时空相矢同步发电机对称负载运行时的电枢反应性质 时空相矢同步发电机对称负载运行时的电枢反应性质 时空相矢 量图的运用量图的运用量图的运用量图的运用 隐极同步发电机的电磁关系 电压方程式 时空相矢量隐极同步发电机的电磁关系 电压方程式 时空相矢量隐极同步发电机的电磁关系 电压方程式 时空相矢量隐极同步发电机的电磁关系 电压方程式 时空相矢量 图 电动势相量图图 电动势相量图图 电动势相量图图 电动势相量图 凸极同步发电机的电磁关系和双反应理论 电压方程式凸极同步发电机的电磁关系和双反应理论 电压方程式凸极同步发电机的电磁关系和双反应理论 电压方程式凸极同步发电机的电磁关系和双反应理论 电压方程式 和电动势相量图和电动势相量图和电动势相量图和电动势相量图 各电抗参数的物理意义及其关系各电抗参数的物理意义及其关系各电抗参数的物理意义及其关系各电抗参数的物理意义及其关系 第8章 同步发电机的电磁关系和分析方法 26 主要内容主要内容主要内容主要内容 以以三相同步发电机三相同步发电机 p 1 为对象 分析 为对象 分析对称稳态对称稳态运行时各电磁量的相互作用关系运行时各电磁量的相互作用关系 电磁关系电磁关系 定性 定量描述电磁关系的方法定性 定量描述电磁关系的方法 相量图 矢量图 时空相矢量图相量图 矢量图 时空相矢量图 电压方程式电压方程式 等效电路等效电路 第8章 同步发电机的电磁关系和分析方法 27 8 1 8 1 同步发电机的空载运行同步发电机的空载运行 空载运行的定义空载运行的定义空载运行的定义空载运行的定义 励磁电流励磁电流励磁电流励磁电流 作用作用 建立气隙磁场 空载时 电枢电流 建立气隙磁场 空载时 电枢电流I 0 气隙磁场仅由励磁电流气隙磁场仅由励磁电流 If产生 产生 1 1 概概概概 述述述述 电枢 定子 绕组电枢 定子 绕组开路开路 电枢电流 电枢电流 I 0 发电机由原动机拖动以 发电机由原动机拖动以同步转速同步转速n1旋转 转子 旋转 转子励磁励磁绕组中通入直流电流 绕组中通入直流电流 定义定义 励磁绕组中的直流电流 励磁绕组中的直流电流 1 概 述 28 空载运行时的基本电磁关系空载运行时的基本电磁关系空载运行时的基本电磁关系空载运行时的基本电磁关系 对上述电磁关系进行定性 定量分析 对上述电磁关系进行定性 定量分析 励磁磁动势励磁磁动势Ff 气隙磁场的空间分布和表示方法 气隙磁场的空间分布和表示方法 定性分析 定性分析 F Ff 1 f 1 相 矢量图 相 矢量图 定量关系 定量关系 E0 f Ff 或或 E0 f If 空载特性 空载特性 0 E 基波 基波 Ff B B0 0 本节讨论的问题本节讨论的问题本节讨论的问题本节讨论的问题 励磁磁动势 励磁磁动势 F Ff f 1 1 If 基波气隙 磁通密度 基波气隙 磁通密度 以转速以转速n1旋转旋转 0 E 基波电动势 基波电动势 8 1 同步发电机的空载运行 29 1 励磁磁动势 励磁磁动势 2 2 基波励磁磁动势基波励磁磁动势基波励磁磁动势基波励磁磁动势 励磁磁动势的空间分布励磁磁动势的空间分布励磁磁动势的空间分布励磁磁动势的空间分布 描述方法 建立空间坐标 系 规定磁动势参考方向 建立空间坐标 系 规定磁动势参考方向 空间坐标系空间坐标系置于定子内圆 表面上 置于定子内圆 表面上 三个集中整距线圈 代表三相分布绕组 三个集中整距线圈 代表三相分布绕组 坐标原点坐标原点 A相绕组 轴线 相绕组 轴线 A处 处 横坐标横坐标 沿圆周方 向的 沿圆周方 向的空间电角度空间电角度 逆时 针方向为正 逆时 针方向为正 纵坐标纵坐标 磁动势 磁动势 e参考 方向 参考 方向 A 0 1 励磁磁动势 30 描述方法 建立空间坐标系 规定磁动势参考方向建立空间坐标系 规定磁动势参考方向 励磁磁动势的空间分布励磁磁动势的空间分布励磁磁动势的空间分布励磁磁动势的空间分布 0 空间坐标系沿气隙圆周的展开空间坐标系沿气隙圆周的展开 A AZBXCY 0 磁动势的参考方向磁动势的参考方向 出定子 进转子的方向出定子 进转子的方向 电机学讲义 电9 同步电机 第 5 页 共 33 页 1 励磁磁动势 31 3 2 2 2 0 励磁磁动势的空间分布励磁磁动势的空间分布 凸极发电机凸极发电机 设 励磁电流为设 励磁电流为If 励磁绕组 励磁绕组一对极一对极的匝数为的匝数为Nf kf 励磁磁动势波形因数励磁磁动势波形因数 矩形波矩形波矩形波矩形波 两个气隙均分两个气隙均分NfIf n1 N S 基波基波基波基波 Ff NfIf 1 2 S极中心线位于极中心线位于 0处时处时 1 励磁磁动势 32 3 2 2 2 A 0 AX ZB CY 1 2 3 4 1 2 3 4 励磁磁动势的空间分布励磁磁动势的空间分布 隐极发电机隐极发电机 设 励磁电流为设 励磁电流为If 励磁绕组 励磁绕组一对极一对极的匝数为的匝数为Nf 线圈线圈11 22 33 44 的串联匝数为 的串联匝数为Nf f k 基波励磁磁动势幅值 励磁磁动势最大值 n1 阶梯波阶梯波阶梯波阶梯波 N S 基波基波基波基波 S极中心线位于极中心线位于 0处时处时 2 基波励磁磁动势 33 基波励磁磁动势的空间分布基波励磁磁动势的空间分布基波励磁磁动势的空间分布基波励磁磁动势的空间分布 2 2 基波励磁磁动势 基波励磁磁动势 隐极 凸极同步发电机的隐极 凸极同步发电机的基波基波励磁磁动势 励磁磁动势 在空间 按正弦规律分布 在空间 按正弦规律分布 随转子以同步转速 随转子以同步转速n1旋转 旋转 按规定的参考方向 基波励磁磁动势的按规定的参考方向 基波励磁磁动势的正幅值正幅值位于位于 转子转子S极中心线极中心线所在的气隙处 凸极 所在的气隙处 凸极 kf 4 隐极 隐极 kf 1 与转子槽的分布有关 与转子槽的分布有关 基波励磁磁动势幅值基波励磁磁动势幅值Ff1与励磁磁动势最大值与励磁磁动势最大值Ff 的比 值均为 的比 值均为kf 2 基波励磁磁动势 34 用用空间矢量空间矢量 Ff1表示基波励磁磁动势表示基波励磁磁动势 基波励磁磁动势空间矢量基波励磁磁动势空间矢量基波励磁磁动势空间矢量基波励磁磁动势空间矢量 用一个等效的集中 线圈代替励磁绕组 用一个等效的集中 线圈代替励磁绕组 0 A 0 Ff1 If 电角速度电角速度 1 2 60 n p 2 基波励磁磁动势 35 位置位置在基波磁动势正 幅值所在处 在基波磁动势正 幅值所在处 长度长度等于基波磁动势 的幅值 等于基波磁动势 的幅值 随转子以随转子以同步转速同步转速n1 逆时针旋转 相应的 电角速度为同步电角 速度 逆时针旋转 相应的 电角速度为同步电角 速度 在空间矢量图上 用在空间矢量图上 用矢量矢量Ff1表示基波励磁磁动势 表示基波励磁磁动势 0 A Ff1 空间矢量图空间矢量图空间矢量图空间矢量图 基波励磁磁动势空间矢量基波励磁磁动势空间矢量基波励磁磁动势空间矢量基波励磁磁动势空间矢量 If 2 基波励磁磁动势 36 转子转过转子转过90 电角度时电角度时 基波励磁磁动势空间矢量基波励磁磁动势空间矢量基波励磁磁动势空间矢量基波励磁磁动势空间矢量 A 0 2 一个空间矢量图只能一个空间矢量图只能表示某一时刻表示某一时刻的情况 的情况 Ff1 If S极中心线位于极中心线位于 90 处时处时 电机学讲义 电9 同步电机 第 6 页 共 33 页 8 1 同步发电机的空载运行 37 用气隙磁通密度用气隙磁通密度 Ff1产生怎样的气隙磁场 规定气隙磁通密度的参考方向与磁动势的相同 规定气隙磁通密度的参考方向与磁动势的相同 3 3 基波气隙磁通密度基波气隙磁通密度基波气隙磁通密度基波气隙磁通密度 气隙磁通密度与磁路磁导有关 气隙磁通密度与磁路磁导有关 凸极和隐极同步电机的气隙磁路不同 因此 气隙磁通密度分布也不同 凸极和隐极同步电机的气隙磁路不同 因此 气隙磁通密度分布也不同 在空间在空间正弦分布正弦分布的的基波基波气隙磁通密度波 也可用空间 矢量表示 气隙磁通密度波 也可用空间 矢量表示 如何描述气隙磁场沿电枢内圆的分布情况 3 基波气隙磁通密度 38 气隙均匀气隙均匀 不计饱和时 正弦分布的 不计饱和时 正弦分布的基波基波励磁磁动势励磁磁动势 Ff1产生正弦分布的产生正弦分布的基波基波气隙磁通密度气隙磁通密度B0 不计磁滞和涡流损耗时 基波气隙磁通密度波与基波励 磁磁动势波在 不计磁滞和涡流损耗时 基波气隙磁通密度波与基波励 磁磁动势波在空间上相位相同空间上相位相同 1 1 隐极同步电机的基波气隙磁通密度 隐极同步电机的基波气隙磁通密度 A 用空间矢量 表示 用空间矢量 表示 Ff1 B0 基波励磁 磁动势 基波气隙 磁通密度 基波励磁 磁动势 基波气隙 磁通密度 0 B 3 基波气隙磁通密度 39 不计磁滞和涡流效应 时 不计磁滞和涡流效应 时 基波基波气隙磁通密 度波仍然与产生它的 气隙磁通密 度波仍然与产生它的 基波基波励磁磁动势在空 间上同相位 励磁磁动势在空 间上同相位 2 2 凸极同步电机的基波气隙磁通密度 凸极同步电机的基波气隙磁通密度 气隙不均匀气隙不均匀 因此正弦分布的 因此正弦分布的基波基波励磁磁动势产生的 气隙磁通密度波是 励磁磁动势产生的 气隙磁通密度波是非正弦分布非正弦分布的 的 进行傅氏分解 得到基波气隙磁通密度 进行傅氏分解 得到基波气隙磁通密度 A Ff1 B0 基波气隙 磁通密度 基波气隙 磁通密度 0 b 8 1 同步发电机的空载运行 40 4 4 电枢绕组的磁链 感应电动势电枢绕组的磁链 感应电动势电枢绕组的磁链 感应电动势电枢绕组的磁链 感应电动势 在空间正弦分布的在空间正弦分布的B0 以转速 以转速n1旋转 一相电枢绕组磁链 旋转 一相电枢绕组磁链 随时间随时间t正弦变化正弦变化 基波磁链 一相电枢绕组的感应电动势 基波磁链 一相电枢绕组的感应电动势 e 随时间正弦变化随时间正弦变化 基波感应电动势基波感应电动势 基波磁链 基波感应电动势都可用基波磁链 基波感应电动势都可用时间相量时间相量表示 表示 规定绕组磁链的参考方向与气隙磁通密度的相同 规定绕组磁链的参考方向与气隙磁通密度的相同 4 电枢绕组的磁链 感应电动势 41 此时 此时 0A e0A 定子一相绕组的基波磁链和基波感应电动势定子一相绕组的基波磁链和基波感应电动势 0 j 2 f1 0 E 以以A相为例 空间矢量图时间相量图 相为例 空间矢量图时间相量图 0 t 0时时 设设 S 极中心线极中心线在在 0处处 e参考 方向 参考 方向 A Ff1 B0 If 1 1 60 pn f max0 空载相电动势空载相电动势 4 电枢绕组的磁链 感应电动势 42 j 2 f1 0 E 以以A相为例 此时 相为例 此时 0 空间矢量图时间相量图空间矢量图时间相量图 0 A Ff1 B0 定子一相绕组的基波磁链和基波感应电动势定子一相绕组的基波磁链和基波感应电动势 t 90 时 时 S 极中心线极中心线在在 90 处处 If 0A 0 e0A max 电机学讲义 电9 同步电机 第 7 页 共 33 页 8 1 同步发电机的空载运行 43 5 5 空载特性空载特性空载特性空载特性 用相量图和矢量图 可分析定子一相绕组基波感 应电动势与基波励磁磁动势 用相量图和矢量图 可分析定子一相绕组基波感 应电动势与基波励磁磁动势Ff1 之间的之间的定性定性关系 如何描述 关系 如何描述 E0与与 Ff 或 或 If 间的 间的数量关系数量关系 空载特性空载特性 E0 f If 同步转速同步转速n1时时 0 E 定子一相感应电动势 的有效值 基本等于 基波有效值 定子一相感应电动势 的有效值 基本等于 基波有效值 励磁电流 实际 产生的磁动势是 励磁电流 实际 产生的磁动势是 Ff 而 而不是不是Ff 1 5 空载特性 44 求取空载特性的方法求取空载特性的方法 空载特性的意义空载特性的意义 OIf Ff E0 E0与与If 或 或Ff 间是 间是非线性非线性 关系 关系 空载特性与空载特性与电机磁路电机磁路的磁 化特性 的磁 化特性 f Ff 相对应 与铁心材料的磁化曲线 相对应 与铁心材料的磁化曲线B f H 有内在联系 有内在联系 空载特性表达了磁动势产 生磁场 在定子绕组中感 应电动势的能力 空载特性表达了磁动势产 生磁场 在定子绕组中感 应电动势的能力 空载运行时测取空载运行时测取 设计计算设计计算 8 1 同步发电机的空载运行 45 6 6 时空相矢量图时空相矢量图时空相矢量图时空相矢量图 为作图方便 将二者重合在一起 简称为作图方便 将二者重合在一起 简称 时时时时空空空空相相相相矢矢矢矢量图量图量图量图 根据根据Ff1 B0在空间矢量图中的位 置 可在相量图中作出 反 之亦然 在空间矢量图中的位 置 可在相量图中作出 反 之亦然 00 E 时间相量和空间矢量虽然物理意义不同 但有密切联系 时间相量和空间矢量虽然物理意义不同 但有密切联系 j 0 E 0 A Ff1 B0 在相量图中 滞后在相量图中 滞后90 电角度 电角度 不论转子转到何处 相量和矢量不论转子转到何处 相量和矢量 Ff1 B0在各自图中的位置 相对各 自的参考轴 都相同 在各自图中的位置 相对各 自的参考轴 都相同 0 0 0 E 6 时空相矢量图 46 时空相矢量图的作法时空相矢量图的作法时空相矢量图的作法时空相矢量图的作法 0 j 0 E 空间矢量图时间相量图空间矢量图时间相量图 0 t 0 S极中心线在极中心线在 0处 处 0A max e0A 0 合二为一合二为一 A Ff1 B0 If 6 时空相矢量图 47 AAAA制制 2 2合合1 1 A与与 j 二轴重合 二轴重合 定位定位 已知某时间相量的瞬时值时 以该相量 例如 定位 已知某时间相量的瞬时值时 以该相量 例如 定位 0 E 时空相矢量图时空相矢量图 A j 0 E 0 Ff1 B0 时空相矢量图的作法时空相矢量图的作法时空相矢量图的作法时空相矢量图的作法 已知某时刻的转子位置时 转 子 已知某时刻的转子位置时 转 子S极中心线的极中心线的 值为值为Ff1 位置 位置 空间矢量以空间矢量以 A轴轴为参考轴 为参考轴 时间相量用时间相量用 A相相 的量 的量 A相的量相的量 6 时空相矢量图 48 时空相矢量图的特点时空相矢量图的特点时空相矢量图的特点时空相矢量图的特点 时间相量与空间矢量间 有了 时间相量与空间矢量间 有了 相位关系相位关系 相量与产生它的矢量相量与产生它的矢量 Ff1 B0 同相 重合 同相 重合 0 相量滞后产生它的矢量相量滞后产生它的矢量Ff1 B0 90 电角度 电角度 0 E A j 0 E 0 Ff1 B0 注意 注意 注意 注意 这种相位关系 是在前面所述条 件下人为造成的 并无明确的物理意义 这种相位关系 是在前面所述条 件下人为造成的 并无明确的物理意义 电机学讲义 电9 同步电机 第 8 页 共 33 页 6 时空相矢量图 49 时空相矢量图的作法时空相矢量图的作法 举例举例 A j 0 E 0 0 例如 例如 t 90 时 时 S 极中心线在极中心线在 90 处处 t 90 时的时空相矢量图时的时空相矢量图 e0A E0 sin t E0cos t 90 22 Ff1B0 瞬时值表达式 瞬时值表达式 If 0A 0 e0A max 第8章 同步发电机的电磁关系和分析方法 50 8 2 8 2 同步发电机负载时的电枢反应同步发电机负载时的电枢反应 1 1 概概概概 述述述述 对称负载运行时 三相电枢绕组流过三相对称电 流 产生三相合成磁动势 对称负载运行时 三相电枢绕组流过三相对称电 流 产生三相合成磁动势 电枢磁动势电枢磁动势 基波电枢磁动势对基波励磁磁动势的影响 称为基波电枢磁动势对基波励磁磁动势的影响 称为电 枢反应 电 枢反应 电枢磁动势的出现 改变了空载时由励磁磁动势单 独产生气隙磁场的情况 使气隙磁场发生变化 电枢磁动势的出现 改变了空载时由励磁磁动势单 独产生气隙磁场的情况 使气隙磁场发生变化 电枢反应的定义电枢反应的定义 8 2 同步发电机负载时的电枢反应 51 基波电枢磁动势与基波励磁磁动势的比较基波电枢磁动势与基波励磁磁动势的比较 极对数极对数极对数极对数 转向转向转向转向 转速转速转速转速 幅值幅值幅值幅值 基波电枢磁动势基波电枢磁动势基波电枢磁动势基波电枢磁动势基波励磁磁动势基波励磁磁动势基波励磁磁动势基波励磁磁动势 f1ff f 1 2 FkN I 1 a1dp1 1 35 N I FFk p 同步转速同步转速n1n1 60f1 p 与转子同向 逆时针 顺相序与转子同向 逆时针 顺相序A B C方向 与转子同向 逆时针 与转子极对数相同 与绕组节距有关 转子 方向 与转子同向 逆时针 与转子极对数相同 与绕组节距有关 转子p p y1 电 枢绕组极对数 电 枢绕组极对数 p 8 2 同步发电机负载时的电枢反应 52 基波电枢磁动势基波电枢磁动势Fa和基波励磁磁动势和基波励磁磁动势Ff1同极对数 同 转速 同转向 在空间保持 同极对数 同 转速 同转向 在空间保持相对静止相对静止 Fa和和Ff1的合成磁动势也是一个同极对数 同转速 同转 向的基波旋转磁动势 的合成磁动势也是一个同极对数 同转速 同转 向的基波旋转磁动势 比较的比较的结论结论 在稳态运行时 在稳态运行时 Fa和和Ff1的作用关系保持不变 共同建 立稳定的基波气隙旋转磁场 的作用关系保持不变 共同建 立稳定的基波气隙旋转磁场 0 0 E 空载时空载时 负载时负载时 f I E I f I Ff1B0 Ff1 Fa F B 三相 三相 8 2 同步发电机负载时的电枢反应 53 0 E I Ff1 Fa 电枢反应性质与电枢反应性质与内功率因数角内功率因数角 有关有关 利用时空相矢量图 分析 Fa对 Ff1的作用 2 2 电枢反应的性质电枢反应的性质电枢反应的性质电枢反应的性质 滞后的角度 滞后的角度 0 E I 与发电机的内阻抗及负载性质有关与发电机的内阻抗及负载性质有关 以隐极发电机为例 需要确定与 以隐极发电机为例 需要确定与 Fa的关系 在相矢量图中 的关系 在相矢量图中 I 理论基础理论基础理论基础理论基础 当一相电流为正最大值时 三相合成基 波磁动势 当一相电流为正最大值时 三相合成基 波磁动势Fa的正幅值位于该相绕组轴线处 的正幅值位于该相绕组轴线处 2 电枢反应的性质 54 在时空相矢量图上 在时空相矢量图上 在时空相矢量图上 在时空相矢量图上 与与与与Fa的关系的关系的关系的关系 规定电枢相电流的参 考方向与感应电动势 的相同 规定电枢相电流的参 考方向与感应电动势 的相同 均与均与 A轴符 合右手螺旋定则 轴符 合右手螺旋定则 0 e i 参考方向参考方向 I I j A Fa A j I Fa 按照规定的参考方 向 在时空相矢量图上 按照规定的参考方 向 在时空相矢量图上 电枢相电流相量与基波 电枢磁动势矢量 电枢相电流相量与基波 电枢磁动势矢量Fa重合重合 I A相相 三相 合成 三相 合成 电机学讲义 电9 同步电机 第 9 页 共 33 页 2 电枢反应的性质 55 NS A 0 AX A j 第一种作图方法 由时间相量找空间矢量第一种作图方法 由时间相量找空间矢量第一种作图方法 由时间相量找空间矢量第一种作图方法 由时间相量找空间矢量 1 1 0 0 时的电枢反应时的电枢反应 磁极位置磁极位置 I 以以A相电流达到正最大值时为例相电流达到正最大值时为例 0 E Ff1 Fa 2 电枢反应的性质 56 NS A 0 AX A j 第二种作图方法 由空间矢量找时间相量第二种作图方法 由空间矢量找时间相量第二种作图方法 由空间矢量找时间相量第二种作图方法 由空间矢量找时间相量 1 1 0 0 时的电枢反应时的电枢反应 磁极位置磁极位置 I 以转子以转子S极中心线转至极中心线转至 90 位置时为例 位置时为例 0 E Ff1 Fa 2 电枢反应的性质 57 A j I 0 E d轴轴 Fa滞后滞后Ff190 电角度 位于电角度 位于q 轴 是轴 是交轴电枢反应磁动势交轴电枢反应磁动势 直轴直轴 d轴轴 转子磁极中心线 转子磁极中心线 交轴交轴 q轴轴 磁极之间的中心线 磁极之间的中心线 q轴轴 电枢反应使气隙磁动势电枢反应使气隙磁动势F 从 空载时的 从 空载时的d 轴位置后移了轴位置后移了 空 间电角度 幅值增加 空 间电角度 幅值增加 交交交交 磁作用磁作用磁作用磁作用 1 1 0 0 时的电枢反应时的电枢反应 合成气隙磁动势合成气隙磁动势F Ff1 Fa Ff1 Fa F q 轴与轴与d 轴正交 相差 轴正交 相差90 空间 电角度 空间 电角度 F Ff1 2 电枢反应的性质 58 基波电枢磁动势基波电枢磁动势Fa在直 轴 在直 轴 d 轴 位置 称为轴 位置 称为 直轴电枢反应磁动势直轴电枢反应磁动势 A j I 0 E d轴轴 q轴轴 Fa与与Ff1方向相反 起去 磁作用 是 方向相反 起去 磁作用 是直轴去磁直轴去磁电 枢反应磁动势 电 枢反应磁动势 Ff1FaF 2 2 9090 时的电枢反应时的电枢反应 2 电枢反应的性质 59 Fa与与Ff1方向相同 起 增磁作用 是 方向相同 起 增磁作用 是直轴增 磁 直轴增 磁电枢反应磁动势 电枢反应磁动势 A j I 0 E Ff1Fa F 基波电枢磁动势基波电枢磁动势Fa在 直轴 在 直轴 d轴 位置 也 是 轴 位置 也 是直轴电枢反应磁动 势 直轴电枢反应磁动 势 但作用正好与 但作用正好与 90 时的相反 时的相反 3 3 9090 时的电枢反应时的电枢反应 d轴轴 q轴轴 2 电枢反应的性质 60 一般电感性负载 居多 则 一般电感性负载 居多 则0 90 4 4 0 0 任意值任意值 时的电枢反应时的电枢反应 电枢反应磁动势电枢反应磁动势Fa 既不在直轴位置 也不在交轴位置 既不在直轴位置 也不在交轴位置 Fa可分解为两个分量可分解为两个分量 A j I 0 E Ff1 Fa F Fad Faq 1 直轴电枢反应磁动势 分量 直轴电枢反应磁动势 分量Fad 2 交轴电枢反应磁动势分量 交轴电枢反应磁动势分量Faq 电机学讲义 电9 同步电机 第 10 页 共 33 页 2 电枢反应的性质 61 电枢反应性质小结电枢反应性质小结 直轴电枢反应磁动势的作用直轴电枢反应磁动势的作用直轴电枢反应磁动势的作用直轴电枢反应磁动势的作用 增磁增磁增磁增磁 去磁去磁去磁去磁 电枢反应的性质取决于内功率因数角电枢反应的性质取决于内功率因数角电枢反应的性质取决于内功率因数角电枢反应的性质取决于内功率因数角 0时 交磁时 交磁 90 时 直轴去磁 时 直轴去磁 90 时 直轴增磁 时 直轴增磁 0 90 时 直轴去磁和交磁 时 直轴去磁和交磁 90 0时 直轴增磁和交磁时 直轴增磁和交磁 交轴电枢反应磁动势的作用交轴电枢反应磁动势的作用交轴电枢反应磁动势的作用交轴电枢反应磁动势的作用 交磁交磁交磁交磁 使合成气隙磁动势使合成气隙磁动势F 偏离直轴一个角度偏离直轴一个角度 使使F Ff1 8 2 同步发电机负载时的电枢反应 62 例题例题1 1 参见教材例 参见教材例 参见教材例 参见教材例8 8 1 1 一台隐极同步发电机 转子磁极在 一台隐极同步发电机 转子磁极在t 0时的位置 如图所示 试分析 时的位置 如图所示 试分析 60 时电枢反应的性质 并写出 时电枢反应的性质 并写出 C相空载电动势相空载电动势 e0C的瞬时值表达式 的瞬时值表达式 解 已知转子磁极位置和内 功率因数角 解 已知转子磁极位置和内 功率因数角 因此可利用时 空相矢量图分析 建立空间坐标系 因此可利用时 空相矢量图分析 建立空间坐标系 A 0 已知 已知t 0时转子时转子S极极位于位于 30 处 据此作出 处 据此作出Ff1 8 2 同步发电机负载时的电枢反应 63 将 将Fa分解为分解为Fad 和和Faq I 解 解 续 续 0 E 作电枢磁动势矢量 作电枢磁动势矢量Fa 可知 可知Fa 滞后滞后Ff1150 电角度 根据时空相矢量图中的位置 可得 电角度 根据时空相矢量图中的位置 可得 0 E 作空载电动势相量 根据 作空载电动势相量 根据 60 作出相电流相量 作出相电流相量 I 0 E 0A00 2sin 30 2cos 60 eEtEt 则则 0C00 2sin 150 2cos 60 eEtEt Fad 直轴去磁 直轴去磁 Faq 交磁 交磁 t 0时时 第8章 同步发电机的电磁关系和分析方法 64 8 3 8 3 隐极同步发电机的时空相矢量图隐极同步发电机的时空相矢量图 和相量图和相量图 目的和内容目的和内容目的和内容目的和内容 在分析电枢反应的基础上 分析在分析电枢反应的基础上 分析对称负载稳态运行时 的电磁关系 对称负载稳态运行时 的电磁关系 得到电压方程式 相量图和等效电路 得到电压方程式 相量图和等效电路 为了能用等效电路进行分析计算 需忽略饱和效 应 作线性化处理 为了能用等效电路进行分析计算 需忽略饱和效 应 作线性化处理 分为分为考虑饱和考虑饱和与与不计饱和不计饱和两种情况进行分析 两种情况进行分析 通常 同步电机铁心磁路都呈饱和状态 在磁化特 性膝点附近 因此需考虑饱和的影响 通常 同步电机铁心磁路都呈饱和状态 在磁化特 性膝点附近 因此需考虑饱和的影响 8 3 隐极同步发电机的时空相矢量图和相量图 65 1 1 饱和时的电磁关系 饱和时的电磁关系 1 1 考虑饱和时的情况考虑饱和时的情况考虑饱和时的情况考虑饱和时的情况 对称负载运行时 产生气隙磁场 主磁通 的是 合成气隙磁动势 对称负载运行时 产生气隙磁场 主磁通 的是 合成气隙磁动势 F Ff1 Fa 电枢三相电流除了参与产生主磁通外 还产生电 枢漏磁通 电枢三相电流除了参与产生主磁通外 还产生电 枢漏磁通 电枢 漏磁通 端部漏磁通 槽 漏 磁 通 差漏磁通 谐波漏磁通 电枢 漏磁通 端部漏磁通 槽 漏 磁 通 差漏磁通 谐波漏磁通 仅交链电枢绕组 不进转子 仅交链电枢绕组 不进转子 1 饱和时的电磁关系 66 差漏磁通 谐波漏磁通 差漏磁通 谐波漏磁通 差漏磁通 谐波漏磁通 差漏磁通 谐波漏磁通 关于电枢漏磁通关于电枢漏磁通 是由电枢绕组合成谐波磁动势产生的谐波磁通 是由电枢绕组合成谐波磁动势产生的谐波磁通 也进入转子 但与主磁通的作用不同 在电枢绕组 中产生 也进入转子 但与主磁通的作用不同 在电枢绕组 中产生基波频率基波频率的电动势 故归入漏磁通中 的电动势 故归入漏磁通中 铁心铁心i 端部漏磁通端部漏磁通端部漏磁通端部漏磁通 槽漏磁通槽漏磁通槽漏磁通槽漏磁通 电机学讲义 电9 同步电机 第 11 页 共 33 页 1 饱和时的电磁关系 67 电磁关系总结电磁关系总结 空载空载 负载负载 E E 电动势平衡关系 电压方程式 电动势平衡关系 电压方程式 电动势平衡关系 电压方程式 电动势平衡关系 电压方程式 非线性非线性非线性非线性 U E 定子漏磁通 一相电枢绕组的漏磁电动势 E 一相电枢绕组的气隙电动势 磁化特性磁化特性磁化特性磁化特性 空载特性 空载特性 空载特性 空载特性 0 E E0 U IfFf1B0 IfFf1 三相 三相 I Fa F B 1 考虑饱和时的情况 68 参考方向规定参考方向规定参考方向规定参考方向规定 2 2 饱和时的电压方程式 相矢量图 饱和时的电压方程式 相矢量图 电流和它产生的磁动势电流和它产生的磁动势 右手螺旋定则 右手螺旋定则 磁动势和它产生的磁通密度磁动势和它产生的磁通密度 参考方向相同 参考方向相同 磁通和它产生的电动势磁通和它产生的电动势 右手螺旋定则 右手螺旋定则 发电机惯例 电路中 发电机惯例 电路中 代表相电压 代表各种相电动势 代表相电压 代表各种相电动势 U E U I E A X ZY B C 2 饱和时的电压方程式 相量图 69 按照发电机惯例 可得按照发电机惯例 可得 电压方程式电压方程式电压方程式电压方程式 EEUIR 式中 式中 R 为一相电枢绕组的电阻 为一相电枢绕组的电阻 将用将用相电流在电抗上产生的电压降相电流在电抗上产生的电压降来表示来表示E jEIX 式中 式中 X 一相电枢绕组的漏电抗一相电枢绕组的漏电抗 通常认为漏磁导为常数 则 通常认为漏磁导为常数 则 X 是常数是常数 注意 注意 注意 注意 电压方程式中 各物理量均为一相的量 电压方程式中 各物理量均为一相的量 U I E 2 饱和时的电压方程式 相量图 70 j EUI RXUIZ 式中 式中 Z R jX 为一相电枢绕组的漏阻抗 为一相电枢绕组的漏阻抗 R通常很小 可忽略 设发电机功率因数为 通常很小 可忽略 设发电机功率因数为cos 滞后 负载为电感性 滞后 负载为电感性 相量图相量图相量图相量图 电压方程式电压方程式电压方程式电压方程式 U I IR jIX E 1 考虑饱和时的情况 71 根据 根据 Ff1 F Fa 作出 作出 Ff1 3 3 饱和时的时空相矢量图 饱和时的时空相矢量图 作图步骤作图步骤作图步骤作图步骤 作时间相量图 作时间相量图 j EUI RX 已知 已知 U I cos 滞后 和参数 作空间矢量 滞后 和参数 作空间矢量Fa和和F F 超前超前90 E E U I A j IR jIX 3 饱和时的时空相矢量图 72 说明说明说明说明 E U I A j IR jIX Fa F Ff1 0 E 位置 90 负载运行时 电枢绕组中实 际上只有 而没有 即 负载运行时 电枢绕组中实 际上只有 而没有 即 角实际并不存在 角实际并不存在 E 与产生它的与产生它的F 的数量关系 可由空载特性直接得到 故 不必去求 的数量关系 可由空载特性直接得到 故 不必去求B Ff1与与 Fa的 夹 角 为 的 夹 角 为 90 是实际存在的 它决 定了电枢反应的性质 是实际存在的 它决 定了电枢反应的性质 E 0 E 电机学讲义 电9 同步电机 第 12 页 共 33 页 3 饱和时的时空相矢量图 73 时空相矢量图的应用时空相矢量图的应用时空相矢量图的应用时空相矢量图的应用 可以分析的问题 可以分析的问题 前提条件前提条件 空载特性空载特性 和 参数和 参数R X 已知 负载运行时的 已知 负载运行时的 U I cos 实际励磁磁动势实际励磁磁动势Ff或励磁电流或励磁电流If 3 考虑饱和时的时空相矢量图 74 例题例题2 2 第 类问题 第 类问题 第 类问题 第 类问题 一台一台p对极隐极同步发电机 空载特性和对极隐极同步发电机 空载特性和kf已知 励 磁绕组每对极匝数为 已知 励 磁绕组每对极匝数为Nf 电枢每相绕组的有效匝数为 电枢每相绕组的有效匝数为 N1kdp1 电阻 漏电抗分别为 电阻 漏电抗分别为R X 求当相电压为 求当相电压为U 相 电流为 相 电流为I 功率因数为 功率因数为cos 滞后 时的励磁电流 滞后 时的励磁电流If U I cos 和和 R X E kaF 空载特性空载特性 kf ka 1 kf Fa Ff 1Ff kf If Nf E0 空载特性空载特性 解题步骤 解题步骤 Ff1 F Fa F 8 3 隐极同步发电机的时空相矢量图和相量图 75 1 1 不计饱和时的电磁关系 不计饱和时的电磁关系 2 2 不计饱和时的情况不计饱和时的情况不计饱和时的情况不计饱和时的情况 磁路线性化后的空载特性磁路线性化后的空载特性磁路线性化后的空载特性磁路线性化后的空载特性 实际空载特性的起始