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1、同步发电机的基本电磁关系,10-1 同步发电机的空载运行,基本概念,空载运行：同步发电机被原动机拖到同步转速，转子绕组通入直流励磁电流而电枢绕组开路，这种运行状态称为空载运行或无载运行,励磁磁动势：同步发电机空载运行时电枢电流为零，电机气隙中只有转子励磁电流 if 产生的磁动势Ff 和磁场，称为励磁磁动势和励磁磁场,图10-1 同步发电机的空载磁路,10-1 同步发电机的空载运行,基本概念,主磁通（励磁磁通）：既链过转子，又通过气隙并与电枢绕组交链的磁通0，称为主磁通，它就是空载时的气隙磁通，或称励磁磁通。 主极漏磁通：只交链励磁绕组的磁通f称为主极漏磁通，它不参与电机的机电能量转换过程。如图

2、101所示,图10-1 同步发电机的空载磁路,10-2 三相同步发电机的电枢反应,一、基本概念,电枢磁动势：带上负载以后，由于电枢绕组有电流通过，就出现第二个磁动势电枢磁动势。 如果绕组对称，三相负载亦对称，电枢磁动势的基波就将为一同步旋转的旋转磁动势 励磁磁动势的基波和电枢磁动势基波二者之和，就构成了负载时的合成磁动势，从而决定了气隙合成磁场。 电枢反应：负载时电枢磁动势的基波对主极磁通基波的影响，就称为电枢反应，因此，电枢磁动势又称为电枢反应磁动势,10-2 三相同步发电机的电枢反应,一、基本概念,旋转电机实现机电能量转换的基本条件：同步电机的电枢磁动势的基波与励磁磁动势转速相同，转向一致

3、，因此它们在空间保持相对静止。正由于这种相对静止，才使它们之间的相互关系保持不变，从而建立稳定的气隙磁场和产生平均电磁转距，实现机电能量转换。实际上，定转子磁动势相对静止是一切电磁感应型旋转电机正常运行的基本条件,10-2 三相同步发电机的电枢反应,二、时空相矢图分析电枢反应时采用时间相量和空间矢量统一图，这种图简称为“时空相矢图,1.空间矢量：凡是沿空间按正弦分布的量都可表示为空间矢量,基波励磁磁动势 及其磁密 为一空间矢量。该矢量位于转子的极轴线上，方向为N极指向，以同步速旋转，如图所示,1.空间矢量：凡是沿空间按正弦分布的量都可表示为空间矢量,电枢磁动势 也为空间矢量，它的位置可以这样来

4、确定，即当某相电流达到最大时，电枢磁动势 刚好转到该相绕组的轴线上，它的指向与绕组中的电流方向符合右手螺旋定则，而且转向与转子的一致，并以同步速旋转,如图104所示。图中A相电流最大，所以 刚好转到A相轴线上。(电流的规定正方向仍由末端流向首端,2.时间相量：凡是随时间按正弦规律变化的量,同步电机的空载电动势(励磁电动势） 是时间向量，该相量的相位由转子的位置决定，如转子处于图(a)位置，当电动势正方向与电流正方向一致时，A相感电动势为正的最大，所以 位于时间轴线上。如图(b)所示。电动势相量的角频率与转子旋转的角速度都是,电枢电流 也是时间相量，它的相位决定于电机内部的阻抗和负载的性质。电机

5、内部的阻抗和负载的性质决定了电枢电流和空载电动势之间的相位差角， 称为内功率因数角,3.时空相矢图：由于空间矢量和时间相量旋转的角速度都是，把空间轴线+A与时间轴线+t重合在一起，空间矢量和时间相量就画在同一张图里，称为时间相量和空间矢量统一图，简称为“时空相矢图,3.时空相矢图,结论：在时空相矢图上 总是落后于 以90度， 总是与 重合。 与 之间相位差 随着负载的性质不同而改变。而 与 之间相对位置又完全取决于角 (它们之间的空间相位差为 角)，所以电枢反应的性质是由角决定的，也就是说单机运行时电枢反应的性质是由负载的性质决定的,试说明同步电机中的 、 、 、 、 、等物理量哪些是空间矢量

6、？哪些是时间相量？试述两种矢（相）量之间的统一性,10-2 三相同步发电机的电枢反应,三、不同角时的电枢反应,1. 与 同相位时的电枢反应交轴电枢反应,10-2 三相同步发电机的电枢反应,三、不同角时的电枢反应,1. 与 同相位时的电枢反应交轴电枢反应,交轴电枢反应的作用,1）对主磁极而言，交轴电枢反应磁动势在前极端(顺转向看、极靴的前都) 起去磁作用，在后极端（顺转向看,极靴的后部)起加磁作用。定子合成磁动势 较 扭斜了 角，幅值也有所增加，从而使气隙磁场的大小也有所增加。 2）同步电机的电磁转矩和能量转换与交轴电枢反应密切相关。只有具有交轴电枢反应，定子合成磁动势和主磁极之间才会形成一定的

7、 角，从而才能实现机、电能量转换，所以交轴电枢反应是实现机、电能量转换的必要条件,10-2 三相同步发电机的电枢反应,三、不同角时的电枢反应,2. 落后 以 时的电枢反应去磁性质的直轴电枢反应,10-2 三相同步发电机的电枢反应,三、不同角时的电枢反应,2. 落后 以 时的电枢反应去磁性质的直轴电枢反应,直轴电枢反应的作用,1）对主磁场而言，直轴电枢反应磁动势起去磁作用，使得气隙合成磁场减小。 2）由于合成磁动势投有扭斜现象（ ），此时直轴电枢反应磁场与励磁磁场正对着，不产生切向力，所以不产生电磁转距，因而也不能进行机电能量转换,10-2 三相同步发电机的电枢反应,三、不同角时的电枢反应,3.

8、 超前 以 时的电枢反应加磁性质的直轴电枢反应,10-2 三相同步发电机的电枢反应,三、不同角时的电枢反应,3. 超前 以 时的电枢反应加磁性质的直轴电枢反应,直轴电枢反应的作用,1）对主磁场而言，直轴电枢反应磁动势起加磁作用，使得气隙合成磁场增强。 2）由于合成磁动势投有扭斜现象（ ），所以也不会产生电磁转距，也不能进行机电能量转换,三、不同角时的电枢反应,4.一般情况下的电枢反应,直轴电枢反应磁动势,交轴电枢反应磁动势,三、不同角时的电枢反应,4.一般情况下的电枢反应,若把电流 也分解成 和 两个分量，则,交轴电枢反应磁动势使气隙磁场扭斜。产生 角，从而进行机电能量转换，直轴电枢反应磁动势

9、对励磁破动势起去磁作用，使气隙磁场减小,10-3 隐极同步发电机的电动势方程式、同步电抗和相量图,1、电磁关系,2、电势平衡方程式,10-3 隐极同步发电机的电动势方程式、同步电抗和相量图,4、电枢反应电抗,Ea 4.44fNkw1a,式中： 称为电枢反应电抗,是对称负载下每相电流为1安时所感应的电枢反应电动势,10-3 隐极同步发电机的电动势方程式、同步电抗和相量图,4、漏电抗,漏磁电动势 也可写成负的漏抗压降的形式，即,式中： 为与漏磁通相对应的漏电抗,10-3 隐极同步发电机的电动势方程式、同步电抗和相量图,5、综上分析，不考虑饱和时隐极同步发电机的电动势方程式可写为,称为同步电机的同步

10、电抗,气隙电动势,6、相量图和等效电路,分析功率因数角、功率因数角、功角物理意义,一台隐极式同步发电机，分别在 、 、 （滞后）与 （滞后）两种情况下运行。其中 和 保持不变，而 ，问哪一种情况下所需的励磁电流大？为什么,例1,由于在滞后的功率因数时，愈小，电枢反应去磁作用愈强，为了获得一样的端电压，必须增大励磁。在运行中，当功率因数变小所需励磁电流增大时，必须注意转子的温升不能超过额定温升值,10-4 凸极同步发电机的双反应理论,双反应理论,凸极同步发电机的电枢磁场分布及双反应理论的提出,凸极同步发电机的气隙是不均匀的，极弧下气隙较小，极间部分气隙较大，因此同一电枢磁动势作用在不同的位置时，

11、电枢反应将不一样,10-4 凸极同步发电机的双反应理论,双反应理论,凸极同步发电机的电枢磁场分布及双反应理论的提出,双反应理论的基本思想：当电枢磁动势 的轴线既不和直轴又不和交轴重合时，可以把电枢磁动势 分解成直轴分量 和交轴分量 ，然后分别分析直轴和交轴电枢磁动势的电枢反应，最后再把它们的的效果迭加起来。 这种考虑到凸极电机中气隙的不均匀性，把电枢反应分为直轴和交轴电枢反应的处理方法，叫做双反应理论,10-5 凸极同步发电机的电动势方程式、同步电抗和相量图,1、电磁关系,2、电动势方程式：各物理量的规定正方向与图1011所示,10-5 凸极同步发电机的电动势方程式、同步电抗和相量图,电枢反应

12、电抗：和隐极电机相似，不计饱和时,式中xad、 xaq分别为直轴电枢反应电抗和交轴电枢反应电抗，它表征当对称的三相直轴或交轴电枢电流每相为1安时，三相联合产生的基波电枢磁场在每一相绕组中感应的直轴或交轴电枢反应电动势,10-5 凸极同步发电机的电动势方程式、同步电抗和相量图,电枢反应电抗,电枢反应电抗正比于匝数的平方和磁导的乘积，即,对于隐极电机，由于气隙均匀， ，所以,10-5 凸极同步发电机的电动势方程式、同步电抗和相量图,电枢反应电抗,10-5 凸极同步发电机的电动势方程式、同步电抗和相量图,综上分析，凸极同步发电机的电动势方程式为,式中,分别称为凸极同步电机的直轴同步电抗和交轴同步电抗,其物理意义为当对称三直轴或交轴电枢电流每相为1安时，三相联合产生的电枢总磁场在电枢每一相绕组中感应的电动势,引入电动势,10-5 凸极同步发电机的电动势方程式、同步电抗和相量图,等效电路,例2 一台凸极同步发电机，其直轴和交轴同步电抗分别等于 ，电枢电阻略去不计。试计算发电机发出额定电压、额定功率， （滞后）时的励磁电动势（不计饱和,同步发电机的基本电磁关系,小结,在分析同步电机内部的物理情况式，电枢反应占有重要的地位。电枢反应的性质取决于负载的性质和电机内部的参数，明确地说，它取决于 与 的夹角的数值。在同步电机中，