电机学课件第12章

1、第四篇第四篇 同同 步步 电电 机机 电气工程与自动化学院 电机学教研组 电机学多媒体课件系列电机学多媒体课件系列 2006.8 第十二章第十二章 同步电机的基本理论和运行特性同步电机的基本理论和运行特性 第十二章第十二章 同步电机的基本理论和运行特性同步电机的基本理论和运行特性 12.1 12.1 同步电机的结构同步电机的结构 12.2 12.2 同步电机的励磁系统同步电机的励磁系统 12.3 12.3 同步电机的空载运行同步电机的空载运行 12.4 12.4 对称负载时的电枢反应对称负载时的电枢反应 12.5 12.5 隐极同步发电机的分析方法隐极同步发电机的分析方法 12.6 12.6

2、凸极同步发电机的分析方法凸极同步发电机的分析方法 12.7 12.7 电枢绕组的漏抗电枢绕组的漏抗 12.8 12.8 同步发电机的空载、短路和负载特性同步发电机的空载、短路和负载特性 12.9 12.9 同步发电机的参数及测定同步发电机的参数及测定 12.10 12.10 同步发电机的稳态运行特性同步发电机的稳态运行特性 目 录 12.1 同步电机的结构同步电机的结构 1 1、基本特点、基本特点 根据电磁感应原理工作的交流旋转电机根据电磁感应原理工作的交流旋转电机 转子转速固定为同步速转子转速固定为同步速 2 2、主要用途、主要用途 主要作发电机主要作发电机 电动机（无需调速、低速大功率机械

3、、改善功率因数）电动机（无需调速、低速大功率机械、改善功率因数） 补偿机（空转的同步电动机，向电网输送无功功率）补偿机（空转的同步电动机，向电网输送无功功率） p f nn 60 1 当f=50Hz时，p=1、2、3、4、5 则： n=n1=3000、1500、1000、750、600 一、同步电机的基本结构型式一、同步电机的基本结构型式 1 1、基本工作原理、基本工作原理 A、同步发电机、同步发电机 原动机 拖动转子 转子磁场 切割定子绕组 感应 三相交流电势 转子加 直流励磁 定子定子铁芯铁芯 电枢绕组电枢绕组 (交流交流) 转子转子铁芯铁芯 励磁绕组励磁绕组(直流直流) mw fNKE

4、44. 4 相电势大小：相电势大小： 频率频率： 60 pn f B B、同步电动机：、同步电动机： 定子：定子：三相绕组通入三相交流电三相绕组通入三相交流电产生气隙旋转磁场产生气隙旋转磁场 转子：转子：磁极的励磁绕组通入直流电产生转子磁场磁极的励磁绕组通入直流电产生转子磁场 定子、转子定子、转子相互吸引，转子跟随定子旋转磁场以相互吸引，转子跟随定子旋转磁场以 旋转。旋转。 p f n 60 1 f I p f nn 60 1 可见：可见：无论是同步发电机还是同步电动机，恒有：无论是同步发电机还是同步电动机，恒有： p f nn 60 1 两种旋转磁场两种旋转磁场 电枢磁场 (交流励磁的旋转磁

5、场) a F 转子磁极磁场 (直流励磁的机械旋转磁场) f F N1 S2 N1 S2 0 e T 1 n 1 n e T1 n N1 S2 定子定子 发电机 转子磁极磁场Ff超前于电枢磁场Fa 补偿机 电动机 转子磁极磁场Ff滞后于电枢磁场Fa 三种运行方式三种运行方式 e T 定子定子 定子定子 阻力 驱动力 2、结构型式 电电 机机 旋转电枢式旋转电枢式 旋转磁极式旋转磁极式 隐极式隐极式 （Salient-pole） 凸极式凸极式 （Cylindrical-Rotor） 电枢：高电压、大电流，装在定子便于引出 磁极(励磁)：电流小，通过电刷可以引入转子 用于小容量或特殊用途同步电机 如

6、同步电机的交流励磁机 二、同步电机的构造特点二、同步电机的构造特点 同步电机组成：定子、同步电机组成：定子、( (气隙气隙) )、转子、转子 N S N S + AA BC CB 定子铁芯定子铁芯 定子绕组定子绕组 转子磁极铁芯转子磁极铁芯 转子励磁绕组转子励磁绕组 电刷电刷 集电环集电环 （滑环）（滑环） 气隙气隙 转子转子 定子定子 1 1、定子、定子 （同一般的交流电机相似；尺寸大，常采用拼装）（同一般的交流电机相似；尺寸大，常采用拼装） 组成：组成：铁芯、绕组、机座及其他部件铁芯、绕组、机座及其他部件 0.35 0.350.5mm0.5mm硅钢片，叠压硅钢片，叠压 定子铁心定子铁心 由

7、扇型片拼成，省材，便于运输由扇型片拼成，省材，便于运输 矩形开口槽矩形开口槽, ,径向径向, ,轴向通风道轴向通风道 定子绕组定子绕组三相对称双层绕组三相对称双层绕组( (电枢）电枢） 扁铜线绕制而成扁铜线绕制而成, ,采用成型线圈采用成型线圈 机机 座座用钢板焊接而成用钢板焊接而成 其他部件其他部件隔振结构等隔振结构等 隐极机定子 (隐)内定子插入外机座 (隐)外机座加工 凸极机定子机座 2 2、转子、转子 汽轮发电机转子汽轮发电机转子( (隐极隐极) ) u最大直径限制在最大直径限制在1m左右左右 u瘦长型：采用增大长度来增大容量（瘦长型：采用增大长度来增大容量（l/D=57) u形式：整

8、块式、组合式形式：整块式、组合式 u其它部件：转轴、风扇、集电环其它部件：转轴、风扇、集电环 水轮发电机转子水轮发电机转子( (凸极凸极) ) 吊装中的水轮发电机转子(320MW) u结构：凸极、极靴、阻尼绕组、转子支架结构：凸极、极靴、阻尼绕组、转子支架 u形式：矮胖，直径大（形式：矮胖，直径大（10m） u安装：悬式、伞式安装：悬式、伞式(见下图见下图) 磁极铁芯、转子轭、支撑筋、转轴磁极铁芯、转子轭、支撑筋、转轴 阻尼绕组及作用阻尼绕组及作用 转子其它部件：转子其它部件： 悬式伞式 1、上导轴承、上导轴承 2、上机架、上机架 3、推力轴承、推力轴承 4、下导轴承、下导轴承 5、下机架、下

9、机架 伞式：伞式： 优优减小电机的轴向高度和厂房高度，节约投资减小电机的轴向高度和厂房高度，节约投资 缺缺机械稳定性稍差，用于低速机械稳定性稍差，用于低速 悬式：悬式： 优优减小振动和增加机械稳定性，用于高速减小振动和增加机械稳定性，用于高速 缺缺轴向高度大，投资成本高轴向高度大，投资成本高 N S N S + N S + 隐极式隐极式 （Salient-pole） 凸极式凸极式 （Cylindrical-Rotor） 类型类型隐极式隐极式凸极式凸极式 定子定子铁芯铁芯+ +三相对称绕组三相对称绕组铁芯铁芯+ +三相对称绕组三相对称绕组 转子磁极转子磁极 细长圆柱形，圆周上铣有细长圆柱形，圆周

10、上铣有 大齿、小齿（大齿、小齿（1 1：2 2） 矮胖凸极形状矮胖凸极形状 转子绕组转子绕组分布分布集中集中 气隙气隙均匀均匀极弧下小、极间大极弧下小、极间大 速度速度离心力小离心力小高速高速离心力大离心力大低速低速 应用应用汽轮发电机（汽轮发电机（p2)p2)水轮发电机水轮发电机(p3)(p3) 总结对比总结对比 汽轮发电机组汽轮发电机组 水水 轮轮 发发 电电 机机 组组 三、同步电机的额定值（铭牌）三、同步电机的额定值（铭牌） 额定容量额定容量S SN N( (或额定功率或额定功率P PN N) ) 额定电压额定电压U UN N 定子的定子的线电压线电压 额定电流额定电流I IN N 定

11、子的定子的线电流线电流 额定功率因数额定功率因数coscosN N 额定运行时电机的功率因数额定运行时电机的功率因数 额定频率额定频率f fN N 我国标准工频我国标准工频50Hz50Hz 额定转速额定转速n nN N 即为同步转速即为同步转速 额定效率额定效率N N （发电机：发电机：) ) （电动机：电动机：) ) 额定励磁电压额定励磁电压U UfN fN和额定励磁电流 和额定励磁电流I IfN fN NNNNNN IUSPcos3cos NNNNNNNN IUSPcos3cos 课时小结课时小结 同步电机命名的由来？同步电机的基本特点和主同步电机命名的由来？同步电机的基本特点和主 要用途

12、？要用途？ 隐极机和凸极极的各自的结构特点比较？隐极机和凸极极的各自的结构特点比较？ 电机产生旋转磁场的机理有哪些？它们间有什么电机产生旋转磁场的机理有哪些？它们间有什么 异同点？异同点？ 同步电机运行方式的判别依据是什么？同步电机运行方式的判别依据是什么？ 同步电机的额定值间的关系？同步电机的额定值间的关系？ 12.2 同步电机的励磁系统同步电机的励磁系统 励磁系统励磁系统为同步电机提供励磁电流为同步电机提供励磁电流( (直流直流) )的整个系统的整个系统 一、励磁系统应满足的条件一、励磁系统应满足的条件: : 能稳定提供发电机从空载到满载能稳定提供发电机从空载到满载( (及过载及过载) )

13、所需的所需的I If f 当电网电压减小时当电网电压减小时, ,能快速强行励磁能快速强行励磁, ,提高系统稳定性提高系统稳定性. . 发电机突然甩负荷时能快速减磁，限制电压过高发电机突然甩负荷时能快速减磁，限制电压过高 当电机内部发生短路故障时当电机内部发生短路故障时, ,能快速灭磁能快速灭磁. . 运行可靠运行可靠, ,维护方便维护方便, ,简单简单, ,经济经济. . 多台并联运行时，能够成组配合调节无功功率多台并联运行时，能够成组配合调节无功功率. . 直流励磁机励磁系统直流励磁机励磁系统 交流励磁机整流励磁系统交流励磁机整流励磁系统 静止整流励磁静止整流励磁 旋转整流励磁旋转整流励磁

14、二、励磁系统分类二、励磁系统分类 直流励磁机与同步发电机同轴直流励磁机与同步发电机同轴 最常用直流并励发电机最常用直流并励发电机; ;也有采用它励直流发电机也有采用它励直流发电机 一般带有自动电压调节器一般带有自动电压调节器 Rf r1 K 图12-10 直流并励励磁系统 1 1、直流励磁机励磁系统、直流励磁机励磁系统 2 2 、交流励磁机整流励磁系统、交流励磁机整流励磁系统 1 1）静止整流励磁系统）静止整流励磁系统( (他励他励) ) 交流励磁机与整流装置相配合交流励磁机与整流装置相配合 又可分为静止整流励磁和旋转整流励磁又可分为静止整流励磁和旋转整流励磁 无换向器，系统运行可靠，励磁容量

15、高无换向器，系统运行可靠，励磁容量高 交 流 副 励 磁 机500Hz 交 流 主 励 磁 机100Hz 主 发 电 机 自 动 电 压 调 节 器 同 轴 连 接 电 压 输 出 图 12-11 他 励 式 静 止 整 流 励 磁 系 统 2 2）旋转整流励磁系统）旋转整流励磁系统( (无刷励磁系统无刷励磁系统) ) 主励磁机采用旋转电枢式三相同步发电机主励磁机采用旋转电枢式三相同步发电机 无电刷和集电环，运行可靠，适用于防燃防爆场合无电刷和集电环，运行可靠，适用于防燃防爆场合 但灭磁时间常数大，转子绕组保护困难但灭磁时间常数大，转子绕组保护困难 交 流 副 励 磁 机500Hz 图 12-

16、12 旋 转 整 流 励 磁 系 统 主 发 电 机 交 流 主 励 磁 机100Hz 旋 转 电 枢 绕 组 电 压 输 出 自 动 电 压 调 节 器 同 轴 连 接 12.3 同步电机的空载运行同步电机的空载运行 v空载的定义空载的定义 v空载电动势空载电动势E E0 0 空载电动势空载电动势E E0 0随时间变随时间变 化化规律与转子磁场规律与转子磁场沿空沿空 间分布间分布规律相同。规律相同。 I If f=I=IfN fN， ，n=nn=nN N 定子绕组开路的状态定子绕组开路的状态 沿气 隙 分布 绕组 磁通 感应 电动势 图12-13 隐极同步电机转子磁势 Ff1 Ff x 一、

17、隐极式同步电机的空载磁动势一、隐极式同步电机的空载磁动势 fff FFk 1 fff NIF v定义：定义：励磁磁动势波形系数励磁磁动势波形系数 实际波形实际波形 基波分量基波分量 转子磁极转子磁极 转子绕组转子绕组 K Kf f取决于取决于r r（小齿齿距之和（小齿齿距之和/ /极距）极距） Ff1 f Ff x 图12-14 凸极同步电机转子磁势 二、凸极式同步电机的空载磁动势二、凸极式同步电机的空载磁动势 2 sin 4 1 ff FF 2 sin 4 f k 实际波形实际波形 基波分量基波分量 转子磁极转子磁极 转子绕组转子绕组 三、时间相量和空间矢量三、时间相量和空间矢量 v时间相量

18、：时间相量：随随时间时间按正弦规律变化的量按正弦规律变化的量 v空间矢量：空间矢量：在在空间空间按正弦规律分布的量按正弦规律分布的量 1f F 气隙气隙磁动势基波分量磁动势基波分量 1f B 气隙气隙磁密基波分量磁密基波分量 0 定子定子绕组绕组所匝链的磁通所匝链的磁通 0 E 定子定子绕组绕组感应电动势感应电动势 v时空矢量图的定义：时空矢量图的定义：具有相同角速度的空间矢量和具有相同角速度的空间矢量和 时间相量可以画在同一坐标上，这种表示法称之时间相量可以画在同一坐标上，这种表示法称之 v同步电机空载时的时空矢量图同步电机空载时的时空矢量图 时间相量和空间矢量都以相绕组轴线作为参考轴。时间

19、相量和空间矢量都以相绕组轴线作为参考轴。 BACK v说明说明 1 1 时间相角有明确的物理意义，空间相角也有明确的时间相角有明确的物理意义，空间相角也有明确的 物理意义，但是物理意义，但是时、空之间的时、空之间的“相角相角”无物理意义无物理意义。 2 2 参考轴参考轴可以任意选择，但一般选择在相绕组轴线可以任意选择，但一般选择在相绕组轴线 3 3 空间矢量是由三相电枢或主极的共同作用产生的，空间矢量是由三相电枢或主极的共同作用产生的， 如磁动势和磁通密度。而时间相量仅指一相的量，如磁动势和磁通密度。而时间相量仅指一相的量， 表示其电动势、电压、电流及绕组匝链的磁通。表示其电动势、电压、电流及

20、绕组匝链的磁通。 4 4 空间矢量相对于转子而言是静止的，由于转子以同空间矢量相对于转子而言是静止的，由于转子以同 步速旋转，所以空间矢量相对于气隙而言就是以同步速旋转，所以空间矢量相对于气隙而言就是以同 步速旋转的。步速旋转的。 四、空载电动势相量四、空载电动势相量 0 00 EE A 120 00 EE B 120 00 EE C 0110 44. 4 w kfNE 气隙磁场由转子磁极建立气隙磁场由转子磁极建立 磁通：主磁通的漏磁通磁通：主磁通的漏磁通 主磁路：气隙、电枢齿、电枢轭、磁极极身、转子轭主磁路：气隙、电枢齿、电枢轭、磁极极身、转子轭 五、电压波形的正弦畸变率五、电压波形的正弦畸

21、变率 v定义：定义： 1 2 2 1 22 3 2 2 m n mn m mkmm v U U U UUU k 额定功率为额定功率为1010到到1000kVA1000kVA的交流发电机，其线电压波形允许的交流发电机，其线电压波形允许 的正弦畸变率不超过的正弦畸变率不超过10%10% 额定功率为额定功率为1000kVA1000kVA以上的交流发电机，其线电压波形允许以上的交流发电机，其线电压波形允许 的正弦畸变率不超过的正弦畸变率不超过5%5%。 课时小结课时小结 同步发电机励磁可分为哪几类？同步发电机励磁可分为哪几类？ 同步发电机空载时气隙磁动势是定子还是转子产生的？磁同步发电机空载时气隙磁动

22、势是定子还是转子产生的？磁 动势实际波形是什么波（隐极和凸极）？波形系数如何定动势实际波形是什么波（隐极和凸极）？波形系数如何定 义？义？ 空间矢量和时间相量的物理意义有何区别？同步电机中哪空间矢量和时间相量的物理意义有何区别？同步电机中哪 些量是空间矢量，哪些量是时间相量？些量是空间矢量，哪些量是时间相量？ 何谓时空矢量图？同步发电机空载时的时空矢量图？何谓时空矢量图？同步发电机空载时的时空矢量图？ 电压波形正弦畸变率的定义是什么？电压波形正弦畸变率的定义是什么？ 12.4 对称负载时的电枢反应对称负载时的电枢反应 v电枢反应的概念电枢反应的概念 电机带负载后，电枢电流产生的磁场将使空载气隙

23、磁电机带负载后，电枢电流产生的磁场将使空载气隙磁 场的分布发生变化，从而使绕组中的感应电动势发生场的分布发生变化，从而使绕组中的感应电动势发生 变化，这种现象称为变化，这种现象称为电枢反应电枢反应。 v三个特殊角三个特殊角 内功率因数角内功率因数角 ：是：是 与与 的时间相位角，与电机的时间相位角，与电机 参数及负载有关参数及负载有关 外功率因数角外功率因数角 ：是：是 与与 的时间相位角，与负的时间相位角，与负 载有关载有关 功率角（功角）功率角（功角） ：是：是 与与 的时间相位角的时间相位角 三者关系：三者关系： 0 E I I U 0 E U += 这是为了分析电这是为了分析电 机特性

24、而引入的机特性而引入的 角度角度 v负载时的时空矢量图负载时的时空矢量图 v四个轴：四个轴：直轴、交轴、相轴、时轴直轴、交轴、相轴、时轴 空载时空矢量图 F E 负载时的时空矢量图 a E 一、一、 和和 同相同相( )时的电枢反应时的电枢反应 0 E I 0 交轴电枢反应交轴电枢反应 N Sd q n A X C Y Z B A相 轴 时 轴 B相 轴 C相 轴 A相 轴 时 轴 时 间 矢 量 图 A相 轴 时 轴 d Ff1 q A 相 时 空 矢 量 图 E0 A IA IB E0 C IC E0 B I E0 Fa a 0 E Ea F 图 1 2 - 1 7 时 的 电 枢 反 应

25、 v此时同步电机处于此时同步电机处于发电机运行发电机运行状态，状态，仅输出有功功率仅输出有功功率到到 电网。即：电网。即： v特点：特点： 滞后滞后 90，作用在交轴，是，作用在交轴，是交轴电枢反应交轴电枢反应 v结论：以结论：以A相绕组轴线作为空间矢量和时间相量的参考相绕组轴线作为空间矢量和时间相量的参考 轴，则在时空矢量图上轴，则在时空矢量图上 与与 同方向，同方向， 与与 同方同方 向。向。 a F 0 F A0 1f F a F A I ),0(0sin),0( 1cosQP 二、二、 滞后滞后 90( )时的电枢反应时的电枢反应 0 E I 90 直轴去磁电枢反应直轴去磁电枢反应 A

26、 X C Y Z B A相 轴 时 轴 B相 轴 C相 轴 A相 轴 时 轴 时 间 矢 量 图 A相 轴 时 轴 d Ff1 q A 相 时 空 矢 量 图 E0 A IA IB E0 C IC E0 B I E0 Fa a 0 E Ea F 图 1 2 - 1 8 时 的 电 枢 反 应 N Sd q n v此时同步电机处于此时同步电机处于补偿机运行补偿机运行状态，状态，仅输出感性无功功率仅输出感性无功功率 到电网。到电网。 v特点：特点： 滞后滞后 180，作用在直轴，是，作用在直轴，是直轴电枢反应直轴电枢反应。 电枢反应起电枢反应起去磁去磁作用。作用。 a F 1f F v结论：过励运

27、行状态的同步电机将向电网输送感性无功功率。结论：过励运行状态的同步电机将向电网输送感性无功功率。 v过励状态：当电枢反应起去磁作用时，为保持电网电压不过励状态：当电枢反应起去磁作用时，为保持电网电压不 变，必须增大励磁电流，增大励磁电流后的运行状态称为变，必须增大励磁电流，增大励磁电流后的运行状态称为过过 励状态。励状态。 ),0( 1sin),0(0cosQP 三、三、 滞后滞后 180( )时的电枢反应时的电枢反应 0 E I 180 交轴电枢反应交轴电枢反应 A相轴 时轴 时间矢量图 A相轴 时轴 d Ff1 q A 相时空矢量图 E0A IA IB E0C IC E0B I E0 Fa

28、 a 0 E Ea F 图12-19 时的电枢反应 v此时同步电机处于此时同步电机处于电动机运行电动机运行状态，从电网状态，从电网吸收有功功率吸收有功功率 到电动机，电动机到电动机，电动机输出机械功率输出机械功率。 v特点：特点： 超前超前 90，作用在交轴，是，作用在交轴，是交轴电枢反应交轴电枢反应。 a F 1f F ),0(0sin),0( 1cosQP 四、四、 超前超前 90( )时的电枢反应时的电枢反应 0 E I 90 直轴助磁电枢反应直轴助磁电枢反应 IB E0C IC E0B I E0 Faa 0 E Ea F 图12-20 时的电枢反应 A相轴 时轴 时间矢量图 A相轴 时

29、轴 d Ff1 q A 相时空矢量图 E0A IA v此时同步电机此时同步电机仅输出容性无功功率仅输出容性无功功率到电网。到电网。 v欠励状态：当电枢反应起助磁作用时，为保持电网电压不欠励状态：当电枢反应起助磁作用时，为保持电网电压不 变，必须减小励磁电流，减小励磁电流后的运行状态称为变，必须减小励磁电流，减小励磁电流后的运行状态称为欠欠 励状态。励状态。 v结论：欠励运行状态的同步电机将向电网输送容性无功功结论：欠励运行状态的同步电机将向电网输送容性无功功 率。率。 v特点：特点： 与与 同相位，作用在直轴，是同相位，作用在直轴，是直轴电枢反应直轴电枢反应。 电枢反应起电枢反应起助磁助磁作用

30、。作用。 a F 1f F ),0( 1sin),0(0cosQP 五、一般情况下的电枢反应五、一般情况下的电枢反应 v直轴分量：直轴分量： sin aad FF v交轴分量：交轴分量： cos aaq FF 可以把电枢电流和电枢反应磁动势分解为两个分量：可以把电枢电流和电枢反应磁动势分解为两个分量： cos sin II II q d A相轴 时轴 时间矢量图 A相轴 时轴 d Ff1 q A 相时空矢量图 E0A IA IB E0C IC E0B I E0 Fa F 图12-21 0时的电枢反应 Fad Faq Id Iq v根据根据 角判断同步电机的运行方式角判断同步电机的运行方式 1、

31、当-/20 电机向电网输出有功功率 -发电机 2、当/23/2时，cosXaX v隐极发电机的相量图隐极发电机的相量图 过励隐极同步发电机相量图过励隐极同步发电机相量图 步骤：步骤： 以以U为参考，画为参考，画I 画画E 画画E0=E- -Ea 标注各角度标注各角度 画磁通画磁通=a+0 0 a 0 E E I XI j a XI j 90 U a RI 0 E I S XI j U a RI 简化相量图：简化相量图： 二、考虑磁路磁饱和时二、考虑磁路磁饱和时 考虑磁饱和时，由于磁路的非线性，叠加原理不再适考虑磁饱和时，由于磁路的非线性，叠加原理不再适 用。此时，应先求出作用在主磁路上的合成磁

32、动势用。此时，应先求出作用在主磁路上的合成磁动势F， 然后利用电机的磁化曲线然后利用电机的磁化曲线 (空载曲线空载曲线) 求出负载时的气求出负载时的气 隙磁通隙磁通 及相应的气隙电动势及相应的气隙电动势 E f F F aa Fk E 12.6 凸极同步发电机的分析方法凸极同步发电机的分析方法 一、双反应理论一、双反应理论 考虑到凸极电机气隙的不均匀性，把电枢反考虑到凸极电机气隙的不均匀性，把电枢反 应分成直轴和交轴电枢反应分别来处理的方法，应分成直轴和交轴电枢反应分别来处理的方法， 就称为双反应理论。就称为双反应理论。 sin aad FF cos aaq FF cos sin II II

33、q d 二、电路方程和等效电路二、电路方程和等效电路 f I f F 0 0 E EadE ad ad F a F I aq aqE aq F E XI j a r I v物理过程：物理过程： UjXRIEEE aaqad )( 0 0 E a R adE I U X aqE v定子侧电路方程定子侧电路方程 v等效电路等效电路 aq daq ad dad XIjE XIjE . . 三、直、交轴电枢反应电抗和同步电抗三、直、交轴电枢反应电抗和同步电抗 dwad Ik P N mF 1 2 dwd ad dad Ik P mN k k k F kB 1 0 01 2 lBad a1 2 d dw

34、 awad I Pk lkkmfN fNkE) 4 (44. 4 2 1 2 0 1 7 2 1 2 10 16 : Pk lkkmfN x dw ad 直轴电枢反应电抗 dadad IjxE v直轴电枢反应电抗直轴电枢反应电抗 qwaq Ik P N mF 1 2 qwq aq qaq Ik P mN k k k F kB 1 0 01 2 lBaq a1 2 q qw awaq I Pk lkkmfN fNkE) 4 (44. 4 2 1 2 0 1 7 2 1 2 10 16 : Pk lkkmfN x qw aq 交轴电枢反应电抗 qaqaq IjxE v交轴电枢反应电抗交轴电枢反应电

35、抗 v交、直轴同步电抗交、直轴同步电抗 xxx xxx xxx qd aqq add 并且有 称为交轴同步电抗 称为直轴同步电抗 *隐极机可以看成是凸极机的特例，即： Kd=Kq=1xad=xaq=xa电枢反应电抗 xd=xq=xs同步电抗 四、凸极发电机的相量图四、凸极发电机的相量图 )( 0 )()( qddqa qdqdqqdda aqqadda aqqadda XXI jXI jRIU XI jXI jXI jXI jRIU XXI jXXI jRIU XI jXI jXI jRIUE qa qddQ XI jRIU XXI jEE )( 0 由上可见：由上可见： 同相位。同相位。 0

36、 )(EXXI jE qddQ 、 d轴 q轴 0 E )( qd dXXI j q XI j a RI dI I QE q qXI j d dXI j qI 过励凸极同步发电机相量图过励凸极同步发电机相量图 U 步骤：步骤： 以以U为参考，画为参考，画I 画画EQ， ，并确定 并确定d、q轴轴 争分解电流争分解电流I 画画E0=EQ+jI+jId d(X(Xd d-X-Xq q) ) 完成相量图完成相量图 课时小结课时小结 何为双反应理论？交、直轴电枢磁场磁动势实际波形？交、何为双反应理论？交、直轴电枢磁场磁动势实际波形？交、 直轴电枢磁场磁密实际波形？（分析时均取其基波分量）直轴电枢磁场磁

37、密实际波形？（分析时均取其基波分量） 隐极同步电机的电路方程、等效电路和相量图？隐极同步电机的电路方程、等效电路和相量图？ 凸极同步电机的电路方程、等效电路和相量图？凸极同步电机的电路方程、等效电路和相量图？ 理解：电枢反应电抗、漏抗、同步电抗理解：电枢反应电抗、漏抗、同步电抗 比较大小：比较大小：xsxax xdxqx 书面作业：书面作业：12-1、12-3 12.7 电枢绕组的漏抗电枢绕组的漏抗 电枢绕组总磁通电枢绕组总磁通 差漏抗（或谐波漏抗）差漏抗（或谐波漏抗）x 主磁通主磁通 槽漏磁通槽漏磁通 端接部分漏磁通端接部分漏磁通 高次谐波漏磁通高次谐波漏磁通 电枢绕组漏磁通电枢绕组漏磁通电

38、枢漏抗电枢漏抗x 常数、较小常数、较小 (0.10.2)X 电枢绕组漏磁通的影响：电枢绕组漏磁通的影响： 槽漏磁通使导体内的电流产生集肤效应槽漏磁通使导体内的电流产生集肤效应 绕组的铜耗增加绕组的铜耗增加 端部漏磁通将在端部构件（端盖、压环等）端部漏磁通将在端部构件（端盖、压环等） 引起涡流，产生局部发热引起涡流，产生局部发热 漏磁电动势将影响电机的端电压漏磁电动势将影响电机的端电压( (波形和幅值波形和幅值) ) 12.8 同步发电机的空载、短路和负载特性同步发电机的空载、短路和负载特性 1 1、空载特性、空载特性： )(0 001f IfEUInn 2 2、短路特性、短路特性： )(0 1

39、fk IfIUnn 同步发电机的开路、短路及零功率因数特性都是同同步发电机的开路、短路及零功率因数特性都是同 步发电机的基本特性，通过它们可以求出同步电机的同步发电机的基本特性，通过它们可以求出同步电机的同 步电抗及漏电抗，及确定同步发电机的其他特性。步电抗及漏电抗，及确定同步发电机的其他特性。 3 3、负载特性、负载特性： )(cos 1fk IfIconstconstInn 零功率因数特性零功率因数特性：)(0cos 1fkN IfIIInn 一、空载特性：一、空载特性： 当同步发电机运行于当同步发电机运行于 时，即称为空载运行。时，即称为空载运行。 0, 1 a Inn ( )E0 E0

40、 If (Ff*)If 01.0 1.0 abc 0 a b c d e f F 改变改变 励磁励磁If 气隙磁动势气隙磁动势Ff 变化变化 E E0 0 变化变化 E0=f(If) 去磁曲线去磁曲线 剩磁电势剩磁电势Er Fe F 空载特性讨论：空载特性讨论： 空载特性体现电机中磁与电的关系，反映电机设计合理性空载特性体现电机中磁与电的关系，反映电机设计合理性 实验室测定的空载特性是去磁曲线实验室测定的空载特性是去磁曲线( (下降下降) )，且需单方向测，且需单方向测 量，当量，当Er大时需修正大时需修正 典型空载特性曲线典型空载特性曲线 充分利用材料、防止过饱和充分利用材料、防止过饱和 饱

41、和系数：饱和系数： 作用：用于求同步电机的主要参数和其它运行特性作用：用于求同步电机的主要参数和其它运行特性 用于检查三相电枢绕组的对称性用于检查三相电枢绕组的对称性（曲线下降（曲线下降匝间短路）匝间短路） 2.1 ab ac k 二、短路特性：二、短路特性： 同步发电机三相稳态短路试验时，电枢短路电流同步发电机三相稳态短路试验时，电枢短路电流Ik与与 励磁电流励磁电流If间的关系曲线，称为短路特性。间的关系曲线，称为短路特性。 将将U=0、I=Ik代入同步发电机的电路方程，忽略电枢代入同步发电机的电路方程，忽略电枢 电阻电阻ra，则有：，则有： s kXIjE . 0 . 可见，可见，= =

42、 900，Ik为纯感性负载为纯感性负载( (仅有直轴分量仅有直轴分量) ) d E0 0IkFf1 jIkxs If Fa Ik q =90=900 0时为直轴去磁电枢反应时为直轴去磁电枢反应IIk k去磁去磁磁路不饱和磁路不饱和 由由E=E0+Ea=jIkx可见可见E Ik ，且，且E F， ，则 则 F Ik， Fa Ik If Ff=F-Fa Ik 故，短路特性故，短路特性Ik=f(If)是条是条直线直线 不饱和时成立不饱和时成立 短路实验步骤：短路实验步骤： 将三相电枢绕组出线端短接将三相电枢绕组出线端短接 起动原动机将同步发电机带到同步速起动原动机将同步发电机带到同步速n1 通入不同

43、的通入不同的If，读取相应的短路电流，读取相应的短路电流Ik(1.11.3)IN 短路实验特性讨论：短路实验特性讨论： 特性曲线是条直线（磁路不饱和）特性曲线是条直线（磁路不饱和） 电枢反应呈直轴去磁作用（电枢反应呈直轴去磁作用（=90=90o o）, ,Iq=0 作用：用于求同步发电机的电抗参数作用：用于求同步发电机的电抗参数 三、负载特性：三、负载特性： 当同步发电机电枢电流当同步发电机电枢电流I=constI=const、cos=constcos=const时，端时，端 电压电压U U与励磁电流与励磁电流I If f的关系的关系U=f(IU=f(If f) )称为负载特性称为负载特性 空

44、载特性空载特性 I=0 零功率因数特性零功率因数特性 cos=0, I=IN 零功率因数负载特性分析零功率因数负载特性分析 同步发电机带纯电感性负载（cos=0、I=IN）时的特性 v相量图相量图 cos=0=900 =90 d E0 0 I Ff1 jI xs Fa q U Ira 隐极同步发电机 d E0 0 I Ff1 jIxs Fa q U =90=90 忽略ra 由相量图可得：由相量图可得： =90=90, ,为纯直轴去磁电枢反应为纯直轴去磁电枢反应, ,无交轴分量无交轴分量I Iq q=0=0 对于隐极电机：对于隐极电机：E E0 0与与U U同相位且有同相位且有 U=EU=E0

45、0-Ix-Ixs s=E-Ix=E-Ix 对于凸极电机：对于凸极电机：I Iq q=0=0，即，即 U=EU=E0 0-Ix-Ixd d=E-Ix=E-Ix 隐极隐极凸极凸极 B v零功率因数特性曲线零功率因数特性曲线 电抗（特性）三角形电抗（特性）三角形abcabc 作图法求作图法求abcabc l取取om=FfN，并作垂线，并作垂线 l取取on=FfN-kadFad=F，作，作 垂线交空载特性于垂线交空载特性于a a点点 l取取ab=INx定出定出b b点，并点，并 作作om的平行线交于的平行线交于c c点点 l连连ac，得，得abc E0U If db c a e b o a n me

46、图 1 2 - 4 0 电 抗 三 角 形 UN a1 Ff / 曲线各段物理意义曲线各段物理意义 l横坐标：横坐标： lom=FfN(IfN)为获得为获得UN时所需励磁磁动势（电流）时所需励磁磁动势（电流） lmn=kadFad为直轴电枢反应去磁磁动势为直轴电枢反应去磁磁动势 lon=F(If )气隙合成磁动势（所需励磁电流）气隙合成磁动势（所需励磁电流） loe=Ffk(Ifk)短路时获得短路时获得IkN所需磁动势（励磁电流）所需磁动势（励磁电流） l纵坐标：纵坐标： lmc=UN 同步发电机端电压同步发电机端电压 lma1=E=UN+INx 合成电势合成电势 lmE0=E0=UN+INx

47、d=U+INx +INxad 空载电势空载电势 lab=a1c=INx 漏抗压降，可求得漏抗压降，可求得x UN If o f v实验法测定零功率因数特性曲线实验法测定零功率因数特性曲线 特殊点特殊点e e、c c点：点： e点（额定短路点）：调节点（额定短路点）：调节If使得使得Ik=IN、U=0时，读取时，读取If=Ifk c点（定额点）：发电机接于电网点（定额点）：发电机接于电网UN，当发电机处于过激状，当发电机处于过激状 态且电枢电流为态且电枢电流为IN，输出有功功率为，输出有功功率为0 0时，读取时，读取If值。值。 e c d a b 注注: : cd=oe ad/of 课时小结课

48、时小结 空载特性实验及其曲线：去磁曲线、单方向下降测量、剩空载特性实验及其曲线：去磁曲线、单方向下降测量、剩 磁电动势、曲线修正、空载特性的作用？磁电动势、曲线修正、空载特性的作用？ 短路特性实验及其曲线：电枢反应特点、特性曲线特征及短路特性实验及其曲线：电枢反应特点、特性曲线特征及 原因原因 零功率因数特性曲线形状？电抗三角形？各坐标意义？实零功率因数特性曲线形状？电抗三角形？各坐标意义？实 验法测定零功率因数特性曲线的方法？验法测定零功率因数特性曲线的方法？ 不同性质负载其负载特性曲线的特点？不同性质负载其负载特性曲线的特点？ 12.9 同步发电机的参数及测定同步发电机的参数及测定 k s

49、s k I E XXIjE 0 . 0 . k s I E X 0 )( 不饱和 一、同步电抗的测定一、同步电抗的测定 v不饱和同步电抗的测定不饱和同步电抗的测定 隐极同步发电机隐极同步发电机 短路时有（忽略短路时有（忽略 ra）：）： E E0 0为饱和点时，不饱和时对应于为饱和点时，不饱和时对应于E E0 0 Ik E0 ( c ) E0 Ik (c ) If(c ) E 0 If c o 凸极同步发电机凸极同步发电机 短路时有只有直轴电枢反应，即短路时有只有直轴电枢反应，即Iq=0, Id=Ik k d I E X )( 0 不饱和 讨论：讨论：利用空载和短路特性求不饱和同步电抗利用空载

50、和短路特性求不饱和同步电抗 E0、E0、 Ik均用每相值进行计算均用每相值进行计算 凸极机的凸极机的 Xq 需用其它方法测定（转差率法）需用其它方法测定（转差率法） 标么值标么值 * * )*()*( 0 k sd I E XX 不饱和不饱和 v求饱和同步电抗求饱和同步电抗 -利用空载和零功率因数特性曲线 N ssN I UE xxIEU 0 0 在零功率因数负载下，由相量图得：在零功率因数负载下，由相量图得： ab ca U UE IU x x N N NN s s 0 * / ab ca xd 饱）*( 同理：同理： E0 If o UN E0U c b a c a 由图可见：由图可见：饱

51、和度饱和度同步电抗同步电抗 二、短路比二、短路比 v定义定义 1、使空载时电动势等于额定值、使空载时电动势等于额定值 （E0=UN）的励磁电流）的励磁电流 If0 与短路时与短路时 短路电流为额定值（短路电流为额定值（Ik=IN）的励）的励 磁电流磁电流 Ifk 之比。之比。 2、加额定励磁电流、加额定励磁电流 If0 时测得的短时测得的短 路电流路电流 Ik0 与额定电流与额定电流 IN 之比之比 N k fk f k I I I I k 0 0 E 0 If o Ik UN E0 Ik 0 If0 IN Ifk v短路比与同步电抗的关系短路比与同步电抗的关系 kkNN N k d k c kU E U I I E x 11 0 0 0 0 )*( 不 （c01） v短路比的选择短路比的选择 Kkxd过载能力过载能力端电压变化端电压变化（u%u%小，稳定）小，稳定） 气隙气隙励磁安匝励磁安匝 用铜量用铜量成本成本 三、漏抗的测定和保梯电抗三、漏抗的测定和保梯电抗 1、漏抗的测定、漏抗的测定 利