第十三章 同步电机的基本原理

第十三章同步电机的基本原理本章主要研究三相同步发电机在对称负载下稳定运行时电机内部的电磁过程，并由此导出基本方程式、矢量图和等效电路。本章要点:13-1同步电机的空载运行13-2对称负载时的电枢反应13-3隐极同步发电机的负载运行13-4凸极同步发电机的双反应理论13-5凸极同步发电机的负载运行三相同步发电机在三相对称负载下稳定运行，是三相同步发机主要运行方式，此时电机的每相电压和电流是对称的。13-1章同步电机的空载运行什么是空载运行当同步发电机被原动机拖动到同步转速，转子有励磁电流（If和)，定子绕组开路（有感应电动势E0，无电枢电流I）称为空载运行。01、基波励磁磁动势~转磁式同步发电机•AXBZCY+-+++••凸极：ffINF2fffINF21fffINF2141一对磁极梯形波最大幅值：一对磁极基波最大幅值：•+AX相轴（时轴）NS直轴相轴（时轴）直轴0E01fF1fB0E是综合矢量，代表一组对称的三相相量。2、空载时空矢量图与此相对应的空间矢量示于图中，更明确地看出直轴与三者重合，并一起以同步电角速度旋转。f1f10BF3、空载特性曲线由主磁场切割定子绕组感应出一组对称的三相空载电动势有效值。0111044.4dpkNfE改变转子励磁电流If，可以获得不同的和00E•++•+•••+++•AXBZCY~+-同步发电机电网0111044.4dpkNfE用空载特性描述电机内部，电与磁的联系：气隙线0111044.4dpkNfE空载特性曲线fI0E0111044.4dpkNfE气隙线磁化曲线fF0气隙线空载特性曲线fI0E换适当比例尺后，空载特性曲线可表示为同步电机的磁化曲线。)(0fIfE)(0fFf13-2章对称负载时的电枢反应转子产生的机械旋转磁场（直流电产生）同步电机的两种旋转磁场定子产生的电气旋转磁场（交流电产生）空载负载定子电流I电枢反应气隙合成磁场零不为零无有转子磁极磁场定子旋转磁场转子磁极磁场主磁通和漏磁通主磁通：每极主磁通，能同时交链定转子绕组，且以同步转速旋转，能在定子绕组感应出三相交流电动势，参与定转子间的机电能量转换过程。漏磁通：仅与励磁绕组交链，并不参与定转子之间的能量转换。+-+-+-+-定子漏磁通转子漏磁通本节要点:一、什么是同步电机的电枢反应？00二、电枢电流与励磁电动势同相位时的电枢反应（）0EI三、电枢电流滞后励磁电动势的电枢反应0EI四、电枢电流超前励磁电动势的电枢反应0EI什么是同步发电机的电枢反应？负载时有几种磁场？什么是合成气隙磁场？同步发电机负载时电枢电动势有什么变化？思考当电枢连接了对称的感性负载后，情况就不同了，这时感性负载电流产生了第二个磁动势——电枢磁动势。负载时同步电机中有两种电流：I电枢电流fI转子励磁电流1fFaFF合成气隙磁动势aFfF与同步旋转，相对静止。磁路不饱和时，可用叠加法：afFFF1aEEE0什么是电枢反应比较：空载：fI1fF00E负载：fI1fF00EIaFaEF合成气隙磁动势E对称负载时基波电枢磁动势对基波主磁极磁场的影响简称电枢反应。aF1fF基波电枢磁动势对基波主磁极磁场的影响是助磁还是去磁？aF1fF这和与的相对位置有关。aF1fF为了用时空矢量图分析电枢反应，必须搞清一些相位关系1、电枢电动势与励磁磁场的相位1fF0E2、电枢电流与电枢磁动势的相位IaFjIt交流电流随时间在时轴上的投影大小代表电流的变化jI0tA相电流达最大值0itAaF在相轴，哪一相电流达最大值时，三相合成磁动势的最大幅值就旋转到那一相的相轴上。时空矢量图就是时轴与相轴重合。IjAaFI按变化旋转，于是随时间在时轴上的投影不同。taF在以A相轴为坐标轴在空间旋转。当时空轴重合时，与重合。IaF236页在时空矢量图中与重合。IaF3、电枢磁动势与电枢电动势的相位0EI1fFaEaF4、励磁感应电动势和电枢电流的相位0EI1fFaEaF角与同步发电机的负载性质及等效电路参数有关。与的相对位置由什么决定？1fFaF与的相对位置由励磁电动势与电枢电流之间的相角差有关。1fFaF0EI角与同步发电机的负载性质及等效电路参数有关。235页叫做内功率因数角，它与电机的内阻抗及外加负载性质有关。不同，电枢反应的性质也不同。本节的重点就是研究对称负载时电枢磁动势的基波对主极磁场基波的影响，简称对称负载时的电枢反应。下面分别就角的几种情况，讨论电枢反应的性质。二、电枢电流与励磁电动势同相位时的电枢反应（）I0E00•+AXA相轴NS直轴+•++BYCZfF时轴AE0CE0BE0AICIBIq轴d轴aFF空间矢量图时间相量图1、注意q轴、d轴、相轴、时轴几个概念。2、电枢每相绕组用一个等效集中线圈表示。3、隐极同步电机。4、d轴与A相相轴垂直时，最大，最大，转到最大电流相轴位置。AE0AIaF5、IA作为综合矢量，时间矢量图与空间矢量图合二为一，得时空矢量图。6、是主磁场的磁动势，是影响主磁场的磁动势。1fFaF直轴相轴（时轴）0E01fFIaFFEaEq轴d轴0E1fFIaFFEaE注意：aFI与重合1fF0E对应，有900的相位差。FE对应，有900的相位差。aFaE对应，有900的相位差。d轴q轴aFfFF，，相对静止，以同步电角速度旋转。f200000f190F滞后aF产生正交的交轴电枢反应。交轴电枢反应使合成磁场幅值增加，使合成磁场的轴线从极轴逆转向后移一个角度。0E1fFIaFFEaEq轴d轴三、电枢电流滞后励磁电动势的电枢反应0EI一般负载为电感性负载。00900I0E滞后于一个锐角。0E1fFIaFqIaqFadFq轴d轴dI当00900I分解为：交轴电流：cosIIq直轴电流：sinIId交轴电枢磁动势：cosaaqFF直轴电枢磁动势：sinaadFFadF直轴去磁。0E1fFIaFqIaqFadFq轴d轴dI电枢反应是助磁还是去磁，与对相对位置有关。aF1fF当只有交轴电枢反应。0qF当既有交轴电枢反应，又有直轴电枢反应。09000aqFadF0E1fFaFq轴d轴当00900IaFF1fFF电枢反应为去磁四、电枢电流超前励磁电动势的电枢反应0EI0E1fFq轴d轴IaFFaF是助磁从上述的分析过程可见，利用时—空矢量图来分析同步电机的电枢反应。能从电流、电动势、磁动势等时间矢量间的相位关系，直接求得电枢磁动势和励磁磁动势等空间矢量间的相位关系。由此可见，时—空矢量图是分析交流电机的一个重要工具，必须很好地掌握。例题：在下列情况下电枢反应是助磁还是去磁？1）三相对称电阻负载；2）三相对称纯电容性负载；3）三相对称纯电感性负载。1）三相对称电阻负载注意：电路中还存在同步电抗0ECxRILR009001）三相对称电阻负载009001fF0EaFIF1fFF电枢反应为去磁2）三相对称纯电容性负载；0ECxRIcxxx2）三相对称纯电容性负载；0EF1fFaFIaF为直轴助磁磁动势cxx0903）三相对称纯电感性负载。0EF1fFaFIaF为直轴去磁磁动势aF090dq0E01fFIaFEaEF030对于滞后功率因数的感性负载，此电动势将明显低于E0E13-3隐极同步发电机的负载运行本节要点:二、考虑饱和时一、不考虑饱和时1、磁动势、磁通、电动势的叠加2、电枢一相电动势方程3、电枢反应电抗和同步电抗4、等效电路、时空矢量图1、电枢磁动势的折算2、考虑饱和时的磁动势—电动势矢量图当不考虑饱和时可认为主磁路为线性，故可用叠加原理。一、不考虑饱和时气隙线空载特性曲线F0E00EEF0E0E0E可见：在饱和时：不饱和时：00EEF不饱和时，可利用气隙线，认为与是线性叠加的关系。0EFfI1fF00E转子磁极磁场IaFaF合成气隙磁动势：E电枢系统电流aEEF不考虑饱和时磁动势叠加、磁通叠加Fa0aEE0合成气隙磁场感应电动势：E1、负载时不考虑饱和磁动势叠加afFF2、电动势叠加合成气隙磁动势：磁通叠加：3、电枢绕组任一相的电动势方程式是什么？0oIU0EaEE+-+-定子漏磁通转子漏磁通E0EoaaEEE电枢绕组任一相的电动势方程式：EEEa0RIURI为电阻压降。sx为每相漏电抗EEEa0sxIjRIUEsxIj可写成负电抗压降的形式：aEaaxIjEax是对应电枢反应磁通的电抗，称为电枢反应电抗。090aaE滞后于090IEa滞后于是一相的电抗值，在物理意义上它综合反应了三相对称电流产生的电枢反应磁场对于一相的影响。axaBax的计算推导如下：247页IpKNFdpa1135.1aaFkB0k是气隙系数lBaa2pD2adpaKfNE1144.41144.4dpaKfNElpD2IKpNkdp11035.12lpDIKpNkKfNEdpdpa235.1244.411011IkDlpKNfEdpa0211)(6aaxIjEkDlpKNfxdpa0211)(6比较变压器激磁电抗：mmNx21axmx相当于变压器中的激磁电抗kDlpKNfxdpa0211)(6248页这个参数显然是在忽略定、转子铁心的磁阻下导出来的。同样，漏电动势可写为负漏抗压降：ESxIjERIUEEEa0RIUE0aaxIjEaxIjSxIj这就是电枢绕组任一相的电动势方程式4、等效电路saxIjxIjRIUE00EaxSxRUIaEEE0EaxsxRUIaEEE5、电枢反应电抗和同步电抗同步电抗：sacxxx0ECxRUI0EaxSxRUI比较等效电路：RIUEEEa0asxIjxIjRIUE0sxIjRIUECxIjUE0如何用相量图表达以上一相电动势平衡方程U与的相位差I0E与的相位差I仅与负载性质相关与负载性质及电枢等效电路参数相关分析电枢反应时确定电枢磁动势asxIjxIjRIUE06、时空矢量图1fF0EaxSxRUIaEEE0EIaEEaEERIUERIUEEEa0asxIjxIjRIUE0如何用矢量图表达：首先确定U与I的相位差单纯与负载性质相关负载为纯电阻时00负载为纯电感时090负载为纯电容时090IUIU1fF0EIRIUSxIjaxIjasxIjxIjRIUE00EaxSxRUI由负载性质决定RIUEEEa0比较：I1fF0EaEERIUIRIUasxIjxIjRIUE0sxIjaxIj0