第十三章 同步电机的基本原理

.,第十三章,同步电机的基本原理,.,本章主要研究三相同步发电机在对称负载下稳定运行时电机内部的电磁过程，并由此导出基本方程式、矢量图和等效电路。,.,本章要点:,13-1同步电机的空载运行13-2对称负载时的电枢反应13-3隐极同步发电机的负载运行13-4凸极同步发电机的双反应理论13-5凸极同步发电机的负载运行,.,三相同步发电机在三相对称负载下稳定运行，是三相同步发机主要运行方式，此时电机的每相电压和电流是对称的。,.,13-1章同步电机的空载运行,.,什么是空载运行,当同步发电机被原动机拖动到同步转速，转子有励磁电流（If和)，定子绕组开路（有感应电动势E0，无电枢电流I）称为空载运行。,.,1、基波励磁磁动势,转磁式同步发电机,凸极：,一对磁极梯形波最大幅值：,一对磁极基波最大幅值：,相轴（时轴）,直轴,相轴（时轴）,直轴,2、空载时空矢量图,.,与此相对应的空间矢量示于图中，更明确地看出直轴与三者重合，并一起以同步电角速度旋转。,.,3、空载特性曲线,由主磁场切割定子绕组感应出一组对称的三相空载电动势有效值。,改变转子励磁电流If，可以获得不同的和,.,电网,.,用空载特性描述电机内部，电与磁的联系：,气隙线,空载特性曲线,.,换适当比例尺后，空载特性曲线可表示为同步电机的磁化曲线。,.,13-2章对称负载时的电枢反应,.,转子产生的机械旋转磁场（直流电产生）,同步电机的两种旋转磁场,定子产生的电气旋转磁场（交流电产生）,.,零,不为零,无,有,转子磁极磁场,定子旋转磁场,转子磁极磁场,.,主磁通和漏磁通,主磁通：每极主磁通，能同时交链定转子绕组，且以同步转速旋转，能在定子绕组感应出三相交流电动势，参与定转子间的机电能量转换过程。,漏磁通：仅与励磁绕组交链，并不参与定转子之间的能量转换。,.,.,定子漏磁通,转子漏磁通,.,本节要点:,一、什么是同步电机的电枢反应？,二、电枢电流与励磁电动势同相位时的电枢反应（）,三、电枢电流滞后励磁电动势的电枢反应,四、电枢电流超前励磁电动势的电枢反应,.,什么是同步发电机的电枢反应？负载时有几种磁场？什么是合成气隙磁场？同步发电机负载时电枢电动势有什么变化？,思,考,.,当电枢连接了对称的感性负载后，情况就不同了，这时感性负载电流产生了第二个磁动势电枢磁动势。,.,负载时同步电机中有两种电流：,磁路不饱和时，可用叠加法：,.,什么是电枢反应,比较：,空载：,负载：,合成气隙磁动势,.,对称负载时基波电枢磁动势对基波主磁极磁场的影响简称电枢反应。,.,基波电枢磁动势对基波主磁极磁场的影响是助磁还是去磁？,这和与的相对位置有关。,.,为了用时空矢量图分析电枢反应，必须搞清一些相位关系,1、电枢电动势与励磁磁场的相位,.,2、电枢电流与电枢磁动势的相位,交流电流随时间在时轴上的投影大小代表电流的变化,A相电流达最大值,.,在相轴，哪一相电流达最大值时，三相合成磁动势的最大幅值就旋转到那一相的相轴上。,.,时空矢量图就是时轴与相轴重合。,按变化旋转，于是随时间在时轴上的投影不同。,在以A相轴为坐标轴在空间旋转。,当时空轴重合时，与重合。,.,236页,在时空矢量图中与重合。,.,3、电枢磁动势与电枢电动势的相位,4、励磁感应电动势和电枢电流的相位,角与同步发电机的负载性质及等效电路参数有关。,与的相对位置由什么决定？,与的相对位置由励磁电动势与电枢电流之间的相角差有关。,角与同步发电机的负载性质及等效电路参数有关。,.,235页,叫做内功率因数角，它与电机的内阻抗及外加负载性质有关。,不同，电枢反应的性质也不同。,.,本节的重点就是研究对称负载时电枢磁动势的基波对主极磁场基波的影响，简称对称负载时的电枢反应。,.,下面分别就角的几种情况，讨论电枢反应的性质。,二、电枢电流与励磁电动势同相位时的电枢反应（）,q轴,d轴,空间矢量图,时间相量图,.,1、注意q轴、d轴、相轴、时轴几个概念。,2、电枢每相绕组用一个等效集中线圈表示。,3、隐极同步电机。,4、d轴与A相相轴垂直时，最大，最大，转到最大电流相轴位置。,.,5、IA作为综合矢量，时间矢量图与空间矢量图合二为一，得时空矢量图。,6、是主磁场的磁动势，是影响主磁场的磁动势。,.,直轴,q轴,d轴,注意：,与重合,对应，有900的相位差。,对应，有900的相位差。,对应，有900的相位差。,q轴,，相对静止，以同步电角速度旋转。,.,产生正交的交轴电枢反应。,交轴电枢反应使合成磁场幅值增加，使合成磁场的轴线从极轴逆转向后移一个角度。,三、电枢电流滞后励磁电动势的电枢反应,一般负载为电感性负载。,滞后于一个锐角。,.,当,分解为：,交轴电流：,直轴电流：,交轴电枢磁动势：,直轴电枢磁动势：,直轴去磁。,.,电枢反应是助磁还是去磁，与对相对位置有关。,当只有交轴电枢反应。,当既有交轴电枢反应，又有直轴电枢反应。,.,当,电枢反应为去磁,四、电枢电流超前励磁电动势的电枢反应,是助磁,.,从上述的分析过程可见，利用时空矢量图来分析同步电机的电枢反应。能从电流、电动势、磁动势等时间矢量间的相位关系，直接求得电枢磁动势和励磁磁动势等空间矢量间的相位关系。由此可见，时空矢量图是分析交流电机的一个重要工具，必须很好地掌握。,.,例题：在下列情况下电枢反应是助磁还是去磁？,1）三相对称电阻负载；,2）三相对称纯电容性负载；,3）三相对称纯电感性负载。,1）三相对称电阻负载,注意：电路中还存在同步电抗,1）三相对称电阻负载,电枢反应为去磁,2）三相对称纯电容性负载；,2）三相对称纯电容性负载；,为直轴助磁磁动势,.,3）三相对称纯电感性负载。,为直轴去磁磁动势,.,d,.,对于滞后功率因数的感性负载，此电动势将明显低于E0,.,13-3隐极同步发电机的负载运行,本节要点:,二、考虑饱和时,一、不考虑饱和时,1、磁动势、磁通、电动势的叠加,2、电枢一相电动势方程,3、电枢反应电抗和同步电抗,4、等效电路、时空矢量图,1、电枢磁动势的折算,2、考虑饱和时的磁动势电动势矢量图,.,当不考虑饱和时可认为主磁路为线性，故可用叠加原理。,一、不考虑饱和时,.,气隙线,空载特性曲线,可见：在饱和时：,不饱和时：,不饱和时，可利用气隙线，认为与是线性叠加的关系。,转子磁极磁场,合成气隙磁动势：,电枢系统电流,不考虑饱和时磁动势叠加、磁通叠加,.,合成气隙磁场感应电动势：,1、负载时不考虑饱和磁动势叠加,2、电动势叠加,合成气隙磁动势：,磁通叠加：,.,3、电枢绕组任一相的电动势方程式是什么？,.,定子漏磁通,转子漏磁通,.,电枢绕组任一相的电动势方程式：,为电阻压降。,为每相漏电抗,.,可写成负电抗压降的形式：,是对应电枢反应磁通的电抗，称为电枢反应电抗。,.,是一相的电抗值，在物理意义上它综合反应了三相对称电流产生的电枢反应磁场对于一相的影响。,的计算推导如下：,247页,是气隙系数,比较变压器激磁电抗：,.,相当于变压器中的激磁电抗,.,248页,这个参数显然是在忽略定、转子铁心的磁阻下导出来的。,.,同样，漏电动势可写为负漏抗压降：,这就是电枢绕组任一相的电动势方程式,.,4、等效电路,.,5、电枢反应电抗和同步电抗,同步电抗：,比较等效电路：,.,如何用相量图表达以上一相电动势平衡方程,.,与的相位差,与的相位差,仅与负载性质相关,与负载性质及电枢等效电路参数相关,分析电枢反应时确定电枢磁动势,6、时空矢量图,如何用矢量图表达：,首先确定U与I的相位差,单纯与负载性质相关,负载为纯电阻时,负载为纯电感时,负载为纯电容时,比较：,比较：,.,7、如何用时空矢量图分析同步电机问题？,（1）已知，利用矢量图分析电枢反应,.,242页,当同步发电机加上各种不同负载后，电枢端电压会怎样变化，这就是发电机的外特性。,.,（2）利用同步电机时空矢量图分析同步电机外特性,在转子励磁不变时，恒定。,1、纯电阻负载,不变,2、纯电感负载,不变,3、电容负载,同步发电机外特性,238页,电阻负载,电感负载,电容负载,电感负载,电压调整率：,问：当是电感负载时，负载变化中仍保持电压不变，怎么办？,调节励磁电流，改变,.,当同步发电机加上各种不同负载后，要维持电枢端电压不变，这是发电机的调节特性。,阻感性负载,励磁电流保持不变,保持不变,阻容性负载,励磁电流保持不变,保持不变,.,1、电枢磁动势的折算,二、考虑饱和时,2、考虑饱和时的磁动势电动势矢量图,.,气隙线,空载特性曲线,可见：在饱和时：,不饱和时：,不饱和时，可利用气隙线认为与是线性叠加的关系。,.,实际的同步电机都在一定饱和程度下运行，这时磁路是非线性的，叠加原理不再适用,.,利用同步电机的空载特性，由求出。,求励磁的步骤：,计算：,用相量图求出：,根据：,.,问题是空载特性中的磁动势采用实际幅值Ff=NfIf，是梯形波，而不是合成磁动势中的基波幅值。,.,.,当画矢量图时，所有磁动势要求为基波,当查空载特性时，所有磁动势要求为梯形波,所以磁动势波形需要来回转换,.,1、隐极同步电机电枢磁动势的折算,想法求出励磁磁动势的波形系数：,这样折合因数为：,表示折算为励磁磁动势波形后的合成磁动势。,表示基波合成磁动势。,229页,.,波形系数怎样求呢？,梯形波乘可以转换成基波,F,0,是实槽,是虚槽,励磁磁动势的波形系数：,折合因数：,把基波转换为梯形波，方才可查空载特性,.,230页，表13-1,当汽轮发电机取,.,实例：介绍隐极同步机磁动势在磁场饱和时的作图求解步骤。240页,已知：、，求电机励磁磁动势幅值，及,.,利用同步电机的空载特性，由求出。,求励磁的步骤：,计算：,用相量图求出：,根据：,.,气隙线,空载特性曲线,可见：在饱和时：,不能用叠加原理求：,.,小结,2、如何用时空-矢量图表示同步电机的电动势平衡方程式,1、如何用时空-矢量图分析电枢反应,分析外特性，电压调整率。,3、磁路饱和状态时，利用空载特性及时空-矢量图分析及计算。,.,13-4凸极同步发电机的双反应理论,q轴,同一大小的基波电枢磁动势在交轴位置时所得电枢磁场的分布图,.,无论磁动势对准直轴还是交轴位置时，所产生的电枢磁场波形都是对称的。,.,布朗戴尔为了解决这一困难，提出了双反应理论。,对于在空间任意位置的电枢磁动势Fa，应将其分解为直轴和交轴两个分量Fad和Faq。分别求出直轴和交轴电枢反应，最后再把它们的效果叠加起来。,.,q轴,d轴,d轴,n,.,一、不考虑饱和时的相量图,凸极电机在不考虑饱和时，可利用双反应理论分别求出励磁磁动势、直轴和交轴电枢磁动势所产生的基波磁通及感应电动势。,.,.,.,.,电枢一相的电动势方程式为：,不计饱和时：,.,为直轴电枢反应电抗,为交轴电枢反应电抗,它们分别表征对称负载下单位直轴或交轴电流系统联合产生的直轴或交轴电枢反应电动势。,.,.,直轴同步电抗：,交轴同步电抗：,隐极同步电机电枢反应电抗,隐极同步电机同步电抗,同步电机漏电抗,凸极同步电机直轴电枢反应电抗,凸极同步电机交轴电枢反应电抗,凸极同步电机直轴同步电抗,凸极同步电机交轴同步电抗,.,比较：,隐极同步发电机电动势平衡方程：,凸极同步发电机电动势平衡方程：,比较：,a,b,二、相量图求解凸极同步电机的,1、内功率因数角的确定,0,C,d,.,0,作相量图的步骤：,由已知条件，从o点开始，画出和；,3)把分解为和；,2)确定b点，线段与的夹角即为角；,0,4)从a点依次画出和得到末端T，联接线段得出,T,.,三、相量计算,已知,首先需要计算,和同相位,a,b,0,T,另一种求解的方法,课,习,题,习题课,.,1、三相同步发电机带有纯电感负载时，如不计电枢电阻的作用，则电枢反应作用是_。,去磁,.,2、同步电机气隙增大时，其同步电抗()A、增大B、减小C、不变D、不确定,B,.,3、同步发电机电枢反应性质取决于()A、负载性质B、发电机等效电路的参数C、负载性质和发电机等效电路的参数D、负载大小,C,.,4、同步发电机内功率因数角时的电枢反应为。,交轴助磁,.,5某汽轮同步发电机数据为：(滞后)，交流绕组采用星形连结方式，忽略电枢绕组电阻。此发电机并联于无限大电网运行，求发电机,.,求方法一,.,基值：,.,