电机学多媒体课件：第十六章 同步电机的基本理论和运行特性

1、第四篇 同 步 电 机电机学多媒体课件系列2013.8第十六章 同步电机的基本理论和运行特性第一节 同步电机的空载运行第二节 对称负载时同步电机的电枢反应第三节 隐极同步发电机的分析方法第四节 凸极同步发电机的分析方法第五节 同步发电机对称运行时的特性第六节 同步发电机的电抗参数和短路比 该E0的数值取决于励磁电流If在气隙中所产生的磁动势Ff，改变If以改变主磁通0 ，便可得到不同的空载电动势E0。 同步电机的运行特性主要由主磁极磁动势Ff的基波分量Ff1决定的，Ff不是正弦波，应先分别了解隐极机、凸极机主极磁动势Ff的分布波形，从中求出其基波分量Ff1 。空载：空载时气隙中仅有转子磁场Bf

2、1定子绕组开路。定子三相绕组产生空载电动势E0 第一节 同步电机的空载运行1、隐极式同步电机的空载磁动势(207)定义：励磁磁动势波形系数实际波形基波分量转子磁极转子绕组为分布绕组 转子是圆形的，励磁绕组为分布绕组，转子磁动势的空间分布为阶梯波形 , 从中求出基波分量Ff1 。Kf取决于r（小齿齿距之和/极距）2、凸极式同步电机的空载磁动势(213)实际波形基波分量转子磁极基波幅值：磁势波形系数：转子绕组为集中绕组 凸极同步电机的励磁绕组是集中绕组，它所产生的磁动势波是矩形波，应中求出基波分量Ff1 。3、同步电机空载电动势E0图16-1 空载时同步电机内部磁通分布示意图气隙磁场由转子磁极建立

3、 磁通：主磁路：气隙、电枢齿、电枢轭、磁极极身、转子轭。 主磁通 主极漏磁通 转子通直流电If,产生恒定励磁磁场Bf1 ;当转子以同步速n1旋转时，磁场Bf1以同步速n1“切割” 定子绕组，在三相定子绕组内感应出频率为f的空载基波电动势,称为空载电动势E0 。三相空载电动势为:式中， 为每极的主极磁通量。相电势大有效值:电势频率： 4、时间相量和空间矢量b)时间相量：随时间按正弦规律变化的量;a)空间矢量：在空间按正弦规律分布的量;气隙磁势基波分量:气隙磁密基波分量:绕组所匝链的磁通:定子感应电动势:空间矢量相轴w=2pfw=2pf时间相量时轴时间相量d)时空矢量图参考轴的选取:某相(A相)绕

4、组轴线作为空间矢量参考轴(相轴),并令时间相量参考轴(时轴)与其重合.时轴时-空间矢量 时轴相轴w=2pf空间矢量相轴w=2pfw=2pfc)时空矢量图:具有相同角速度的空间矢量和时间相量合 并画在同一坐标平面上的表示法.图16-2dq5、同步电机空载时的空矢量图以A相绕组轴线作为时间相量和空间矢量参考轴,则：A相绕组轴线a)空间矢量b)时间相量c)时-空间矢量c)A相时间相量磁通 与空间矢量 重合。6、电压波形的正弦畸变率定义：实际空载线电压波形与正弦波形的偏差程度 额定功率为10到1000kVA的交流发电机，其线电压波形允许的正弦畸变率不超过10%， 额定功率为1000kVA以上的交流发电

5、机，其线电压波形允许的正弦畸变率不超过5%。 改善电压波形的途径:使励磁电流产生接近于正弦分布的气隙磁通密度波形；定子每相绕组采用分布和短距线圈；三相绕组采用Y接法。第二节 对称负载时的电枢反应1.电枢反应的概念 同步电机空载时，定子电枢电流 ，气隙中仅有励磁电流建立的转子磁场 ，电枢端电压 . 电机带负载后，定子绕组流过三相对称负载电流 , 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变化，这种现象称为电枢反应。2.三个特殊角 a)内功率因数角 ：是 与 的时间相位角，与电机参数及负载有关,这是为了分析电机特性而引入的角度. b)外功率因数角 ：是 与 的

6、时间相位角，与负载有关,是可以测量的. c)功率角（功角） ：是 与 的时间相位角 滞后 (感性)内功率因数角实际不存在也不可以测量，因为电机带载后，由于电枢反应，气隙磁场发生变化，定子绕组感应电动势将不再是空载时的电动势。 =0 时 0 时与 同相超前 (容性) 3.不同角,电枢反应性质不同: 电枢反应的性质取决于电枢磁动势Fa和主磁场磁动势Ff之间的相对位置，即取决于负载电流的性质。 0 时一、 和 同相( )时的电枢反应 16-3 时的电枢反应 1)A相绕组在磁极中心线上，所以最大,在时轴上。因为 则A相电流也为最大值， 恰好也在时轴上。2)三相电动势、电流时间相量图如图所示。 1、时间

7、相量图： 一台同步电机的剖面简图，AX、BY、CZ分别为定子等效三相集中绕组，磁极画成凸极式，励磁磁动势Ff和电枢磁动势Fa只考虑基波。 取A相轴作时轴(b)2、空矢量图：取A相轴作参考轴1)三相电流共同产生 是旋转磁动势，当哪一相电流达到最大，就恰好转到那一相的轴线上，可见 与A相绕组轴线重合。 2)转子磁势 在d轴上， 滞 ， 恰好作用 在q轴上,作交轴电枢反应。(c)1)同时选A相轴作空间矢量和时间相量的参考轴，把它们画在一个坐标平面上，则有 与 同方向， 与 同方向。2) 为电枢反应磁通,该瞬间A相绕组交链的 为最大值，故画在时轴上。3、 时空矢量图dq可见，交轴电枢反应使合成磁场的轴

8、线位置从直轴处逆转向后移一个锐角，其幅值有所增加。 二、 滞后 90( )时的电枢反应16-4 时的电枢反应 1、时间相量图：取A相轴作时轴 A相绕组在磁极中心线上，所以最大,在时轴上。因为 则 滞后 电角度。三相电动势、电流相量如图所示。 2、空矢量图：取A相轴作参考轴 二、 滞后 90( )时的电枢反应 转到A相轴上时矢量图 当 为最大值 转到A相轴上时，时间上已过 此时转子d轴也已转过 如右图所示, 在d轴的反向处. 可见： 滞后 180，作用在直轴上，是直轴电枢反应。电枢反应起去磁作用。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。3、 时空矢量图同时选A相轴作时轴和相轴，把它

9、们画在一个坐标平面上，如图：结果过励状态： 电枢反应为直轴去磁作用，即 从空载到负载，为保持接到电网电机电压不变，就要求气隙磁场基本保持不变,这时应相应增大励磁电流If ，增大If后的运行状态称为过励状态。 与 重合，三、 滞后 180( )时的电枢反应16-6 时的电枢反应 三、 滞后 180( )时的电枢反应1.因为 则 滞后 电角度。三相电动势、电流如图. 2. 与 重合，当 转到相轴上为最大值时，转子也已转过了 因而此时 在q轴的反向处.可见： 超前 90，作用 在交轴,是交轴电枢反应。 四、 超前 90( )时的电枢反应16-7 时的电枢反应 与 重合，因而此时 在d轴处.当 转到相

10、轴上为最大值时，转子也已转过了 四、 超前 90( )时的电枢反应1.因为 则 超前 电角度。三相电动势、电流如图. 可见： 与 同相位，作用在直轴，是直轴助磁电 枢反应。可见： 超前 90( )时的电枢反应结论：欠励运行状态的同步电机将向电网输送 容性无功功率。 欠励状态：电枢反应起助磁作用 ，从空载到负载，为保持接到电网电机电压不变，必须减小励磁电流，减小励磁电流后的运行状态称为欠励状态。五、一般情况下的电枢反应可以把电枢反应磁动势分解为两个分量：直轴分量：交轴分量：或三相 产生直轴电枢磁势 ,三相 产生交轴电枢磁势 。运行状态分析：当-/2/2时， Ff1超前Fa时，为发电机运行状态当/

11、2XaX（3）电枢反应电抗和同步电抗的物理意义：3、 定子漏抗 X电枢绕组总磁通常数、较小(0.10.2)X电枢漏磁通电枢漏抗差漏抗（或谐波漏抗）主磁通槽漏磁通端接部分漏磁通高次谐波漏磁通a、电枢主磁通:c 、电枢高次空间谐波磁通的电抗:差漏抗或谐波漏抗;通常所测漏抗X为b、c项之和.d、电枢漏磁通的影响槽漏磁通使导体内的电流产生集肤效应绕组的铜耗增加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.漏磁电动势将影响电机的端电压b 、电枢漏磁通:过励隐极同步发电机相量图4、隐极发电机的相量图步骤：以U为参考，画I画画标注各角度画磁通:=a+0隐极发电机的简化相量图简化相量图：二、磁

12、路饱和时隐极同步发电机分析方法 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动势 ，然后利用电机的磁化曲线 (空载曲线) 求出负载时的气隙磁通 ,及相应的气隙电动势 。其电磁关系:电势方程式为:a)为 的等效励磁磁势与 同波形(阶梯波) b) c)折算原则:则有:2、隐极同步电机电枢反应磁势的折算(不讲)隐极同步机电枢反应磁动势的折算系数:第四节 凸极同步发电机的分析方法1、凸极同步发电机的电枢反应-双反应理论 凸极同步电机气隙分布不均匀，极面下气隙较小，两极之间气隙较大。由于直轴处的气隙比交轴处小，因此，直轴磁导比交轴磁导大。同样大小的电枢磁动势 作

13、用在直轴和交轴所产生的电枢磁场将有明显的差别，不同的磁阻有着不同的电枢反应电抗,所以引入双反应理论。 一、不计磁路饱和时凸极同步发电机分析方法 双反应理论: 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 电枢反应两个分量来分别进行分析的方法，就称为双反应理论。 三相三相1 、凸极发电机的电磁过程2、电路方程和等效电路(3)等效电路:(2)电路方程为：图16-15 凸极同步发电机等效电路 电枢反应磁场，在定子绕组中分别产生交、直轴电枢反应电动势 ;则凸极同步电机定子绕组的电压平衡式:(1)直轴电枢反应电抗 :3、直轴与交轴电枢反应电抗和同步电抗图16-16 作用在直轴磁路上,在定子

14、绕组中感生 。由于直轴的磁阻都恒定不变，所以 正比于 且滞后90。 因此其复数形式:2、交轴电枢反应电抗图16-17 作用在交轴磁路上，产生磁通 ,在定子绕组中感应产生 。由于交轴的磁阻都恒定不变，所以 正比于 且滞后 90 .因此其复数形式:注意：Fad和Faq都是正弦波，但由于气隙不均匀，所以其对应的磁密波bad和baq都不是正弦波。 直轴和交轴电枢反应电抗各和定子漏抗相加，便可得到直轴同步电抗和交轴同步电抗，即注:直轴磁路气隙小，磁阻小，所以 较大。交轴磁路气隙很大，磁阻大，所以 较小。当直轴及交轴的同步电抗相等时，就是隐极电机.3、直轴同步电抗与交轴同步电抗*隐极机可以看成是凸极机的特

15、例，即：电枢反应电抗: 同步电抗:4、凸极同步发电机的相量图（1）电动势平衡方程式（2）凸极发电机的相量图由上可见： 同相位。 根据电动势平衡方程式:要做出向量图还缺 和 两个分量。即要知道 与 的夹角。因此，在上式的基础上需要整理，得到 : d轴q轴过励凸极同步发电机相量图步骤：以U为参考，画I画EQ，并确定d、q轴分解电流Id、Iq画 相量图 图16-18二、凸极式同步电机电枢反应磁势的折算(不讲)1 、直轴电枢反应磁势的折算a)直轴电枢:b)转子:直轴电枢反应磁势的折算系数:2、交轴电枢反应磁势的折算(不讲)a)交轴电枢:交轴电枢反应磁势的折算系数:第五节 同步发电机对称运行时的特性1、

16、空载特性：2、短路特性： 同步发电机对称运行是指n=nN且保持恒定，并供给三相对称负载时的一种稳态运行方式。 同步发电机的运行性能可以通过它的基本特性以及由这些特性所求得的一些主要参数来加以说明。主要有：3、负载特性：零功率因数特性：4、外特性：5、调整特性：一、空载特性: 指转子绕组加 ,原动机带动转子以 转,电枢开路 ,测得 关系曲线.用不同比例尺 和磁化曲线 相同.因此， 体现电机中电与磁的关系,是同步电机的重要特性. 已知 :1、空载特性求取:改变励磁If气隙磁动势Ff变化E0变化E0=f(If)实验线路:剩磁去磁曲线步骤:a)未激磁过电机:Oa段，剩磁:Er=0b)已激磁过电机: a

17、 c 段 ,剩磁:Er=ob图16-21c)若剩磁Er太大, 应加以校正.典型的空载特性:p216(表16-1)图16-22 空载曲线 及校正图 图16-23 空载特性 分析2、空载特性分析 开始 磁路未饱和,铁芯磁动势 很小， 主要消耗在气隙中,空载特为一条直线;线性ob的延长线od称气隙线1；表示：随 增大，磁路变饱和；铁芯磁动势 迅速增大;空载特性偏离直线向下弯曲, bc段为铁芯磁动势。饱和系数:3 、空载特性总结：空载特性体现电机中磁与电的关系，反映电机电磁设计合理性实验室测定的空载特性是去磁下降曲线，且需单方向测量，当Er大时需修正典型空载特性曲线p216表16-1（标么值）饱和系数

18、：用于求同步电机的主要参数和其它运行特性 二、短路特性: c)短路特性: 是一条直线 ,主要用于测定同步参数. a)短路运行:当同步发电机运行于同步速 ,电枢三相绕组持续稳态短路（即U=0）运行。 b)短路实验: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nN ;通入不同的励磁电流If，读取相应的三相短路电流Ik.,即: . 同步发电机三相稳态短路试验时，电枢短路电流 Ik与励磁电流 If 间的关系曲线，称为短路特性 。1、短路特性测定:2、短路特性 分析为什么它是一条直线. 可见:同步发电机短路时，电枢反应为纯去磁反应，气隙合成电动势 的数值很小,只等于漏抗压降 产生 的合成

19、很小,磁路出于不饱和状态, 是线性关系,即 。 即 是线性直线3、短路时相量分析隐极机:如果略去电枢电阻ra 可以得到：可见，= 900，Ik为纯感性负载(仅有直轴分量) 由相量图：当忽略了电枢电阻，电枢是纯电感电路，短路电流产生的电枢反应是直轴去磁效应。此时电机内的磁通很弱，磁路不饱和, Xs 为一个常数。凸极发电机: 三相短路时,由于 短路电流为纯感性的,即=90,因此,短路电流Ik全是直轴分量Ik=Id,交轴分量Iq=0为零。电枢磁势为纯直轴去磁作用，磁路不饱和，所以 也是一个常数 。 三、负载特性： 当同步发电机 、电枢电流I=常数、cos= 常数时，端电压U与励磁电流If的关系U=f

20、(If)称为负载特性其中:a)空载特性I=0时b)零功率因数特性cos=0, I=IN时两条特性最重要。空载特性 I=0零功率因数特性 cos=0, I=IN电枢反应为纯直轴去磁,即: Fa=Fad,Faq=0. I=Id,Iq=02、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, 关系曲线称零功率因数负载特性. cos=0=900发电机带纯电感性负载: 由于电枢电阻ra 远小于同步电抗，可以略去不计，所以此时 的夹角 。 由相量图得:=90忽略ra电枢反应磁势的折算系数:相量图:a)隐极同步发电机:隐极b)凸极同步发电机同理：cos=0=900 90由相量图得:

21、当忽略电枢电阻ra ，：直轴电枢反应磁势的折算系数.则：I=Id,Iq=0 为纯直轴去磁电枢反应。d忽略ra凸极作图法求电抗（特性）三角形abca1E0E图16-27取cm=UN，交于c点则om= Ff /Wf= IfN令nm=kadFad /Wf(已知)则on=(FfkadFad)/Wf=F/Wf 作垂线an交于a点则an = E= UN +INxab=INx定出b点，连ac，得电抗abc 横坐标：om=FfN(IfN)为获得UN时所需励磁磁动势（励磁电流）mn=kadFad(Ifad )为直轴电枢反应去磁磁动势折算值on=F(If)气隙合成磁动势（励磁电流折算值）oe=Ffk(Ifk)短路

22、时获得IkN所需磁动势（励磁电流） 纵坐标：mc=UN 同步发电机端电压na=E=UN+IN x 合成电势mE0=E0=UN+INxd=U+IN x+INxad 空载电势ab=INx 漏抗压降，可求得x曲线各段物理意义E0Ea1图16-27e点:U=0, Ik=IN ,a”b”=E= IN xoe=Ifk 即Ik=IN 时的励磁电流. b”e=kadFak /wf ，Ik=IN 时的电枢反应折算励磁电流. ob=Ifk- kadFak / wf 产生E对应励磁电流. a1E0I=IN图16-27作图法求零功率因数特性曲线1)当知道空载特性及电抗abc，就可求零功率因数特性曲线UNIfof2)实验法测定零功率因数特性曲线 特殊点e、c点：e点（额定短路点）：调节If使得Ik=IN、U=0时，读取If=Ifkc点（定额点）：发电机接于电网UN，调节If及原动机转速使n