电机学-同步发电机的基本电磁关系

§10-1同步发电机的空载运行一、基本概念主磁通漏磁通主磁通（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Φ0，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Φfσ称为主极漏磁通，它不参与电机的机电能量转换过程。如图10－1所示。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二、同步发电机空载运行分析空载特性：改变励磁电流if，就可得到不同的Φ0和励磁电动势E0，曲线E0＝f(if)表示在同步转速下，空载电动势E0与励磁电流if之间的关系，称为发电机的空载特性。由于E0∝if，if∝Ff，所以，空载曲线实质上就反映了电机的磁化曲线。气隙线Gabc00ENUfFfFfi0fi0fFfi0000100;120;2404.44ABCwEEEEEEEfNk二、同步发电机空载特性分析当主磁通Φ0较小时，整个磁路处于不饱和状态，绝大部分磁动势消耗于气隙，所以空载特性的下部是一条直线，与空载曲线下部相切的线OG称为气隙线,随着Φ0的增大，铁心逐渐饱和，空载曲线逐渐变弯。空载特性是同步发电机的基本特性之一。图10-2同步发电机的空载特性（磁化曲线）电机的饱和因数同步电机的kμ值一般在1.1～1.25左右。气隙线Gabc00ENUfFfFfi0fi0fFfiffiibacak0空载特性不仅适用于空载情况，负载情况也是适用的。§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，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10－3所示。1fF0B图10-3励磁磁动势空间矢量NSA1fF0BAZBXCY1n1.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，aFaFaF图10-4电枢磁动势空间矢量tAIBICIAAZBXCY1naF1n如图10－4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ω。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ψ，ψ称为内功率因数角。0E1fFAN图10-5空载电动势相位的确定t0EI0EI3.时空相矢图：由于空间矢量和时闻相量旋转的角速度都是ω，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”。图10-6时空相矢图t0EAIBICI)(I1fFANt0EIaF0BAAZBXCY1naF§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”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ψ角(它们之间的空间相位差为角)，所以电枢反应的性质是由ψ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。0E1fFaF0EaF1fF90II1．试说明同步电机中的、、、、、等物理量哪些是空间矢量？哪些是时间相量？试述两种矢（相）量之间的统一性。如果不把相轴和时轴重合，那么时、空相（矢）量之间的关系怎样？1fFaF0BaB0EI§10-2三相同步发电机的电枢反应三、不同ψ角时的电枢反应1.与同相位时的电枢反应－交轴电枢反应0EIAZBXCYNSd轴q轴aff1ff1n图10-7时的电枢反应01fFANt0EIaFFafFFF1§10-2三相同步发电机的电枢反应三、不同ψ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：0EI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ψ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0EI90AZBXCYNSd轴q轴aff1ff1n1fFAt0EIaF0BFaF90图10-8时的电枢反应90§10-2三相同步发电机的电枢反应三、不同ψ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：0EI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。900§10-2三相同步发电机的电枢反应不同ψ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0EI90AZBXCYNSd轴q轴aff1ff1n1fFAt0EIaFF90图10-9时的电枢反应90§10-2三相同步发电机的电枢反应不同ψ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：0EI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。900不同ψ角时的电枢反应4.一般情况下的电枢反应9001fFANt0EIaF0BFadFaqFdIqIAAZBXCY1naFNSaqFadFF1fF900图10-10时的电枢反应cossinaaqaadaqadaFFFFFFF＝＝式中直轴电枢反应磁动势交轴电枢反应磁动势三、不同ψ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1fFANt0EIaF0BFadFaqFdIqIAAZBXCY1naFNSaqFadFF1fF900图10-10时的电枢反应IdIqIcossinIIIIIIIqdqd式中：交轴电枢反应磁动势使气隙磁场扭斜。产生ψ角，从而进行机电能量转换，直轴电枢反应磁动势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一、不考虑饱和时的电动势方程式、同步电抗和相量图1、电磁关系：2、电势平衡方程式：)(励磁电流fi1fF00E)(定子三相电流系统IaFaaE平衡与arIUEEIarLZU0EEaE图10-11一相绕组中电动势、电压和电流规定正方向aarIUEEE0§10-3隐极同步发电机的电动势方程式、同步电抗和相量图一、不考虑饱和时的电动势方程式、同步电抗和相量图4、电枢反应电抗：Ea＝4.44fNkw1ΦaIFEaaaaaxIjE式中：称为电枢反应电抗axIExaa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。ax§10-3隐极同步发电机的电动势方程式、同步电抗和相量图一、不考虑饱和时的电动势方程式、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ExIjE式中：为与漏磁通相对应的漏电抗。x§10-3隐极同步发电机的电动势方程式、同步电抗和相量图一、不考虑饱和时的电动势方程式、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电抗0[()]()aaaaasEUIrjIxjIxUIrjxxUIrjxxxxas气隙电动势：xIjrIUEEEaa一、不考虑饱和时的电动势方程式、同步电抗和相量图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？UI1cos、、UI2cos、、1cos2cosU1I2I01E02E2sjIx1sjIx12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。§10-3隐极同步发电机的电动势方程式、同步电抗和相量图二、考虑饱和时的磁动势－电动势相矢图1、电磁关系：其中称为气隙中基波合成磁动势(简称气隙磁动势)；2、电动势方程式：FafFFF1xIjrIUEa)(励磁电流fi1fF)(定子三相电流系统IaFFEE平衡与arIU二、考虑饱和时的磁动势－电动势相矢图根据磁动势方程式和电动势方程式作出的相矢图，称为磁动势－电动势相矢图。1、绘制磁动势－电动势相矢图的步骤：1)已知U、I、cosφ以及空载特性，以感性负载为例。xIjrIUEa0EEUjIxaIrFaFaF1fFfFF()ffFi9090aakF0fFCDBAIU§10-3隐极同步发电机的电动势方程式、同步电抗和相量图考虑饱和时的磁动势－电动势相矢图1、绘制磁动势－电动势相矢图的步骤：2)的位置领前于,均为基波磁动势,换算成一等效的阶梯形波气隙磁动势:FE90)(基波)(基波F)(阶梯形波F)(基波Fkf)(基波式中：kf为阶梯形波励磁磁动势分解出的基波的波形系数。二、考虑饱和时的磁动势－电动势相矢图fFfffffFkF1定子转子图10-15隐极同步发电机励磁磁动势1fafFkFFFkFkfakk1电枢磁动势折算系数§10-3隐极同步发电机的电动势方程式、同步电抗和相量图二、考虑饱和时的磁动势－电动势相矢图ka的物理意义：一个基波电枢