第16章同步电机基本电磁关系

1、教学目的：教学目的： 从第从第1010、1111章得知，同步电机运行时有两个章得知，同步电机运行时有两个旋转磁场存在。旋转磁场存在。 两个旋转磁场共同作用下实现能量转换。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。流之间的关系，建立基本方程，得到等效电路。本章主要内容：本章主要内容：1 1）空载运行（励磁磁场单独存在）分析，介绍）空载运行（励磁磁场单独存在）分析，介绍 时空相时空相- -矢量图的分析方法；矢量图的分析方法；2 2）电枢反应：分析电枢磁场对励磁磁场的影响；）电枢反

2、应：分析电枢磁场对励磁磁场的影响；3 3）隐极式与凸极式同步发电机的电动势相量图、）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。方程式、等值电路。空载运行：当原动机带动发电机在同步转速空载运行：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（枢绕组不带任何负载（ ）时的运行情况。）时的运行情况。0I 当励磁绕组中通入直流电当励磁绕组中通入直流电流后，产生随转子一起旋转的流后，产生随转子一起旋转的磁动势，称为励磁磁动势。因磁动势，称为励磁磁动势。因为它随转子一起转动，从定子为它随转子一起转动，从定子上看，

3、它也是一个旋转磁动势，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所以同电枢绕组磁动势的分析方法一样。方法一样。 A AX XB BC CY Yz z00+A+A1n对比闭合回路对比闭合回路1-51-5的气隙磁势：的气隙磁势：彼此相等！（忽略铁心磁压降）彼此相等！（忽略铁心磁压降）0f223212KN i12KN iff1ff4 12KN i0f223212KN iff1ff4 12KN i14ffffFFk F2ffN i4fkfk0f223212KN i12KN iff1ff4 12KN iA AX XB BC CY Yz z00+A+A1n12fffFN i0 k0 定定子子转

4、子转子 00FsFsF FmF Fb b1fF12fffFN I1fffFk Ffk2Z2Z5fkNNA AX XB BC CY Yz z00+A+A1n1fF1) 1) 隐极机隐极机 气隙均匀，当铁心不饱和时，气隙磁密与磁动气隙均匀，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。的相位相同。2) 2) 凸极机凸极机 气隙不均匀，即使铁心不饱和，气隙中产生的气隙不均匀，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

5、，正弦的基波励磁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。然同相位。 f1fffb0bb001fF0B1fF22321fFA AX XB BC CY Yz z00+A+ASN0A+A+A0B3 6561161fFA AX XB BCYz00SN+A+A30 气隙磁密旋转切割定子三相绕组，定子绕组感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。应随时间正弦变化的电动势，用时

6、间相量来表示。由于空间坐标选由于空间坐标选A A相绕组轴线相绕组轴线+A+A为参考轴，所以时为参考轴，所以时间相量也分析间相量也分析A A相。相。A AX XB BC CY Yz z00+A+A1n绕组感应电动势的规绕组感应电动势的规定定正方向和绕组轴线方正方向和绕组轴线方向向符合右手关系，即尾符合右手关系，即尾进进首出。首出。000B1fF0E+A+j1 1）磁极中心与）磁极中心与+A+A轴线重合轴线重合A AX XB BC CY Yz z00+A+A1n0B结论：结论： 及及 在空间参考轴在空间参考轴+A+A上初相位上初相位 与与A A相相时间相量时间相量 在时间参考轴在时间参考轴+j+j

7、的初相位的初相位 之间存在之间存在一定关系，即：一定关系，即： ，此关系适合任意时刻。，此关系适合任意时刻。00B00E000901fFA AX XA AX XnX X X X001fF2 2） 及及 均领先均领先+A+A轴。轴。A A相绕组边处于磁极中相绕组边处于磁极中心线，磁密最大，心线，磁密最大，A A相绕组感应电动势瞬时值为相绕组感应电动势瞬时值为正最大。正最大。1fF0B+A+jNS+A0E 将空间将空间+A+A与时间与时间+j+j重合在一起，将磁势与重合在一起，将磁势与电势向量画在一个图中，构成时间电势向量画在一个图中，构成时间- -空间向量图，空间向量图，即时即时- -空相空相-

8、 -矢量图。矢量图。0E1fF0B00+A+A，+j+j0E0B+A+A，+j+j1fF 定子绕组开路、转子由原动机拖动到额定转定子绕组开路、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，称空载运行，称 的函数关系为空载的函数关系为空载特性，它是一条非线性关系的饱和曲线特性，它是一条非线性关系的饱和曲线。00( )fUEf i0()fEf i()ffiF0ENUfNIc0气隙线气隙线注意：空载曲线横坐标是实际的励磁电流，或每极注意：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。实际磁动势波幅，而不

9、是基波磁动势。0( )fEf i()ffiF0ENUfNIc0气隙线气隙线定义：电枢磁动势对励磁磁动势的影响称电枢反应定义：电枢磁动势对励磁磁动势的影响称电枢反应1fFaF1160 fnp（2 2） 转速：转速： (r/min) (r/min) 1) 1) 定子三相对称绕组中对称三相电流产生基波电定子三相对称绕组中对称三相电流产生基波电 枢磁动势枢磁动势aF（1 1） 大小：大小： (A) (A) 1 111 35dpaN I kF.p（3 3） 转向：沿通电相序转向：沿通电相序A A、B B、C C的方向，它与转子转向相同的方向，它与转子转向相同（4 4） 极对数：和转子极对数相同，决定于绕

10、组的结构极对数：和转子极对数相同，决定于绕组的结构 1 1 两个磁动势分析两个磁动势分析2) 2) 转子绕组通入直流产生每极基波励磁转子绕组通入直流产生每极基波励磁 磁动势磁动势1fF（4 4） 极对数：和转子磁极的极对数相同极对数：和转子磁极的极对数相同（1 1） 幅值：幅值：1f12fffFk N i（2 2） 转速：和转子转速一样，即同步速转速：和转子转速一样，即同步速（3 3） 转向：和转子转向一致转向：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，彼此磁动势，它们的转速、转向、极对数均相同，彼此

11、之间相对静止，因此两者的合成磁动势将是一个同之间相对静止，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，由它们合成样转向、转速、极对数的旋转磁动势，由它们合成在电机中形成气隙合成磁场。在电机中形成气隙合成磁场。基基 波波波波 形形大大 小小 位位 置置 转转 速速 转转 向向励励 磁磁磁磁 势势正弦波正弦波恒定，由恒定，由励磁电流励磁电流决定决定由转子位由转子位置决定置决定由原动机的由原动机的转速决定转速决定电电 枢枢反反 应应磁磁 势势正弦波正弦波恒定，由恒定，由三相电枢三相电枢电流决定电流决定由电枢电由电枢电流瞬时值流瞬时值决定决定由电枢电流由电枢电流的大小和相的大小和相

12、序决定序决定 电机带负载后，电机带负载后， ，由于所带负载性质，由于所带负载性质不同，使不同，使 和和 之间相位角之间相位角不同，电枢反应不同，电枢反应的性质也不同。的性质也不同。0I 0EI 设设 时，转子时，转子S S极中心极中心在空间坐标轴超前在空间坐标轴超前 的位置，的位置，即即 的位置。的位置。0t0090090空间基波电枢磁动势向量空间基波电枢磁动势向量 空间基波励磁磁动势向量空间基波励磁磁动势向量 空载时定子一相（空载时定子一相（A A相）相） 电动势电动势aF0E1fF1fFA1nAX0000900cos0900cos0EI0ELZaRjXLZ0EIUIUAAXX00jIAaF

13、,AjaFI 当时间当时间+j+j轴与空间参考轴都取同一相的量轴与空间参考轴都取同一相的量时，电枢电流时，电枢电流 将与电枢磁动势将与电枢磁动势 重合。重合。IaF 电枢反应磁动势电枢反应磁动势 落后励磁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轴电枢反应使合成磁动势 与励磁磁动势与励磁磁动势 不在一个方向上，相差一个相角不在一个方向上，相差一个相角 。aF1fF090F1fFj, A1fF0EIaFF0900cos 与与 相差相差1801800 0 。 对对 起去磁作用，起去磁作用，叫直轴去磁电枢反应磁叫直轴去磁电

14、枢反应磁动势。直轴去磁电枢反动势。直轴去磁电枢反应使合成磁动势应使合成磁动势 比比 减小，气隙磁密比空载减小，气隙磁密比空载时减小，感应电动势相时减小，感应电动势相应减小，应减小， 与与 同相同相位，即位，即 aF1fFF00 aF0fk F1fF1fFFj1fF0EFIaF+A1fFaFj0EFI0900cos, Ajd轴q轴0EaF1fFAIFaFadaaqaFFsinFFcos, Aj0EaF1fFAId轴q轴aqFadFaqFF1fFadF1fF0EIUaRjXLZAX( )I A( )U V00U 0EIUaRjXLZAX0EIUaRjXLZAXx xA AIUaF1fFaF1fF1

15、fFaFaF1fFF0E1n1nfi0E1n0EIaFaRLZiA A电枢基波主磁场与其它漏磁场关系电枢基波主磁场与其它漏磁场关系1 1电枢基波主磁场与其它漏磁场关系电枢基波主磁场与其它漏磁场关系2 2电枢谐波磁场及其它漏磁场电枢谐波磁场及其它漏磁场,aaAF B,AAIEsXaXsaXXcsaXXXaRsjXajX0EULZAX1nIaRsjX0EAUXLZIaE1naaEjIX aRsjXAXLZU1nEIaE0E0aEEEaF1fFF0 asaaccEUIRjIXjIXUIRjXUIZassEUIRjIXUIZ0EIULZaRsjXAXoscacRX、0EUIcjIXaIR0EUIajI

16、XaIRsjIXE&0EUIcjIXaIR0EUIcjIXaIR0EUIcjIXaIR0BaFBaB0BaB1fF00aaBBBEEE100 ffSaaaiFBEEUIZIFBE0()fEf IfI0ENUfNIc0气隙线气隙线aEaFI090aEIaaEjIX aXaX0 () aaSaaEEEUI RjXEjIX 0 ()asaaccEUIRjIXjIXUI RjXUIZ CSaCCCCXXXXZrjX Z同步电抗同步阻抗cxcxcxIU0E 隐极同步发电机等效电路图隐极同步发电机等效电路图aR1 1 凸极发电机气隙不均匀带来的问题凸极发电机气隙不均匀带来的问题 基波磁动势矢量两侧

17、气隙可能不等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，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这导致无法直接利用 求取求取 ，也，也不能直接利用不能直接利用 求取求取 。aBaFFBaF1fFFaFa dFaqFadaaqaFFsinFFcosaF1fFadFaqF100 ffdadadadadqaqaqaqaqiFEIFEXIIFEX SEUIZaF1fFadFaqFaqIaIadIaF1fFadFaqFqIIdId轴q轴dqIIsinIIcos 凸极发电机中的凸极发电机中的 和和 ，可以看作是电枢电，可以看作是电枢电流流 的分量的分量 和和 产生的，产生

18、的， 与与 成成90900 0电角度，电角度， 与与 同在同在 轴上。即：轴上。即：aqFIdIqIdI0EqIadF0EaF1fFadFaqFqIIdIqaqFadFaF1fFaddadaqqaqEjI XEjI X 思考：比较思考：比较 与与 。adXaqXq轴d轴0 ()adaqasEEEEUI RjX dsaddqsaqqXXXXXXXX0 addasdadaqqqqEUIRjIXjI XjI XUIRjI XjI X已知：已知： ， ， 和电机和电机 参数。参数。IU, aIRUIqqjI xddjI x0EqIdId轴q轴aIRUIqqjI x0Ed轴q轴qjIxqEqaqEUIR

19、jIXqE0()qddqEEjIXXqE0E0qEE0()qddqEEjIXX0EqE0()qddqEEjIXXqEIULZaRqjXAX一、一、 凸极同步发电机的双反应法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。基波气隙磁密变。基波气隙磁密 的大小不仅和的大小不仅和 的大小的大小有关，而且和气隙磁动势有关，而且和气隙磁动势 在空间的位置有在空间的位置有关，由于关，由于 ，所以，所以 的大小及空间的大小及空间位置也随负载位置不同而改变，不能直接利位置也随负载位置不同而改变，不能直接利用用 求取求取 。BF0faFk FFFEFF依据叠加原理的双反应法是把电枢基波磁依据叠加原理的双反应法是把电枢基波磁动势动势 分解为两个磁势：在纵轴上的电枢分解为两个磁势：在纵轴上的电枢反应磁动势反应磁动势 ；在横轴上的电枢反应磁；在横轴上的电枢反应磁动势动势 。aFa dFaqFadaaqaFFsinFFcos100 ffSdadadadqaqaqaqiF