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三相同步发电机的运行原理 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望本章主要内容本章主要内容第一节第一节 同步发电机空载运行同步发电机空载运行第二节第二节 同步发电机带对称负载时的电枢反应同步发电机带对称负载时的电枢反应第三节第三节 隐极同步发电机的负载运行隐极同步发电机的负载运行第四节第四节 凸极同步发电机的负载运行凸极同步发电机的负载运行 2 2第一节第一节 三相同步发电机空载运行三相同步发电机空载运行 1.空载运行时的电磁过程空载运行时的电磁过程n n当原动机带动同步发电机在同步转速下运行，励磁当原动机带动同步发电机在同步转速下运行，励磁当原动机带动同步发电机在同步转速下运行，励磁当原动机带动同步发电机在同步转速下运行，励磁绕组通入适当的励磁电流，电枢绕组不带任何负载绕组通入适当的励磁电流，电枢绕组不带任何负载绕组通入适当的励磁电流，电枢绕组不带任何负载绕组通入适当的励磁电流，电枢绕组不带任何负载的运行情况，称为的运行情况，称为的运行情况，称为的运行情况，称为空载运行空载运行空载运行空载运行（no load opratingno load oprating）。）。）。）。n n空载运行时气隙中的磁场仅是转子励磁电流空载运行时气隙中的磁场仅是转子励磁电流空载运行时气隙中的磁场仅是转子励磁电流空载运行时气隙中的磁场仅是转子励磁电流I If f及相及相及相及相应的励磁磁动势应的励磁磁动势应的励磁磁动势应的励磁磁动势F Ff f单独建立的磁场，称为单独建立的磁场，称为单独建立的磁场，称为单独建立的磁场，称为空载磁场空载磁场空载磁场空载磁场或主磁场或主磁场或主磁场或主磁场，磁场的强弱由励磁电流决定。，磁场的强弱由励磁电流决定。，磁场的强弱由励磁电流决定。，磁场的强弱由励磁电流决定。主磁通：主磁通：主磁通：主磁通：同时与定、转子交链的磁通为主磁通同时与定、转子交链的磁通为主磁通同时与定、转子交链的磁通为主磁通同时与定、转子交链的磁通为主磁通 0 0。主极漏磁通：主极漏磁通：主极漏磁通：主极漏磁通：仅与转子励磁绕组交链的为主极漏仅与转子励磁绕组交链的为主极漏仅与转子励磁绕组交链的为主极漏仅与转子励磁绕组交链的为主极漏磁通磁通磁通磁通 f f 。3 3凸极同步电机空载内部磁通分布图凸极同步电机空载内部磁通分布图凸极同步电机空载内部磁通分布图凸极同步电机空载内部磁通分布图 4 4l主磁路主磁路主磁路主磁路(0 0的路径的路径的路径的路径)：主磁通所经过的路径。：主磁通所经过的路径。：主磁通所经过的路径。：主磁通所经过的路径。l主此路的路径：主极铁心主此路的路径：主极铁心主此路的路径：主极铁心主此路的路径：主极铁心气隙气隙气隙气隙电枢齿电枢齿电枢齿电枢齿电枢磁电枢磁电枢磁电枢磁轭轭轭轭电枢齿电枢齿电枢齿电枢齿气隙气隙气隙气隙另一主极铁心另一主极铁心另一主极铁心另一主极铁心转子磁轭，形成转子磁轭，形成转子磁轭，形成转子磁轭，形成闭合回路。闭合回路。闭合回路。闭合回路。l漏磁路：主要由空气和非磁性材料组成。漏磁路：主要由空气和非磁性材料组成。漏磁路：主要由空气和非磁性材料组成。漏磁路：主要由空气和非磁性材料组成。主磁路磁阻较漏磁路磁阻小，主磁通远远大于漏主磁路磁阻较漏磁路磁阻小，主磁通远远大于漏主磁路磁阻较漏磁路磁阻小，主磁通远远大于漏主磁路磁阻较漏磁路磁阻小，主磁通远远大于漏磁通。磁通。磁通。磁通。1.空载运行时的电磁过程空载运行时的电磁过程5 5n n基波主磁通基波主磁通 0通过气隙与定、转子交链，随通过气隙与定、转子交链，随着转子同步速旋转，在定子绕组中感应三相着转子同步速旋转，在定子绕组中感应三相励磁电动势励磁电动势E0，实现定、转子间机电能量转，实现定、转子间机电能量转换。换。n n漏磁通漏磁通 f 只与转子绕组交链，不参与定、转只与转子绕组交链，不参与定、转子间能量转换。子间能量转换。1.空载运行时的电磁过程空载运行时的电磁过程6 6n n同步发电机空载运行的电磁关系为同步发电机空载运行的电磁关系为 n n建立空载磁场的励磁磁动势建立空载磁场的励磁磁动势Ff的大小和空间的大小和空间分布与电机的结构有关。分布与电机的结构有关。1.空载运行时的电磁过程空载运行时的电磁过程7 7隐极同步发电机的励磁磁动势隐极同步发电机的励磁磁动势隐极同步发电机的励磁磁动势隐极同步发电机的励磁磁动势 1.空载运行时的电磁过程空载运行时的电磁过程n n隐极电机的励磁绕组嵌埋于转子槽内，沿转子圆周隐极电机的励磁绕组嵌埋于转子槽内，沿转子圆周隐极电机的励磁绕组嵌埋于转子槽内，沿转子圆周隐极电机的励磁绕组嵌埋于转子槽内，沿转子圆周气隙均匀，励磁磁动势气隙均匀，励磁磁动势气隙均匀，励磁磁动势气隙均匀，励磁磁动势F Ff f在空间分布为阶梯形，空在空间分布为阶梯形，空在空间分布为阶梯形，空在空间分布为阶梯形，空间基波分量为间基波分量为间基波分量为间基波分量为F Ff f1 1。8 8隐极同步发电机的励磁磁动势隐极同步发电机的励磁磁动势隐极同步发电机的励磁磁动势隐极同步发电机的励磁磁动势 1.空载运行时的电磁过程空载运行时的电磁过程n n受齿槽的影响，气隙磁密呈现出波动变化，合理选受齿槽的影响，气隙磁密呈现出波动变化，合理选受齿槽的影响，气隙磁密呈现出波动变化，合理选受齿槽的影响，气隙磁密呈现出波动变化，合理选择大齿宽度可使气隙磁密的分布接近正弦波。择大齿宽度可使气隙磁密的分布接近正弦波。择大齿宽度可使气隙磁密的分布接近正弦波。择大齿宽度可使气隙磁密的分布接近正弦波。9 9n n凸极电机，励磁绕组集中放置在转子磁极上，励磁凸极电机，励磁绕组集中放置在转子磁极上，励磁凸极电机，励磁绕组集中放置在转子磁极上，励磁凸极电机，励磁绕组集中放置在转子磁极上，励磁磁动势在空间分布为矩形波磁动势在空间分布为矩形波磁动势在空间分布为矩形波磁动势在空间分布为矩形波F Ff f，其基波分量为，其基波分量为，其基波分量为，其基波分量为F Ff f1 1。1.空载运行时的电磁过程空载运行时的电磁过程凸极同步发电机的励磁磁动势凸极同步发电机的励磁磁动势凸极同步发电机的励磁磁动势凸极同步发电机的励磁磁动势 1010n n凸极电机定转子间气隙沿圆周分布不均匀，极面下气凸极电机定转子间气隙沿圆周分布不均匀，极面下气凸极电机定转子间气隙沿圆周分布不均匀，极面下气凸极电机定转子间气隙沿圆周分布不均匀，极面下气隙小，磁阻小，极间气隙大，磁阻大，在一个极范围隙小，磁阻小，极间气隙大，磁阻大，在一个极范围隙小，磁阻小，极间气隙大，磁阻大，在一个极范围隙小，磁阻小，极间气隙大，磁阻大，在一个极范围内气隙径向磁通密度分布近似于平顶的帽形，极靴以内气隙径向磁通密度分布近似于平顶的帽形，极靴以内气隙径向磁通密度分布近似于平顶的帽形，极靴以内气隙径向磁通密度分布近似于平顶的帽形，极靴以外的气隙磁通密度减少很快，相邻两极中线上的磁通外的气隙磁通密度减少很快，相邻两极中线上的磁通外的气隙磁通密度减少很快，相邻两极中线上的磁通外的气隙磁通密度减少很快，相邻两极中线上的磁通密度为零。密度为零。密度为零。密度为零。n n气隙磁密可分解为基波气隙磁密可分解为基波气隙磁密可分解为基波气隙磁密可分解为基波F Ff f1 1和一系列谐波。和一系列谐波。和一系列谐波。和一系列谐波。n n合理设计磁极形状可使气隙磁密分布接近正弦波，通合理设计磁极形状可使气隙磁密分布接近正弦波，通合理设计磁极形状可使气隙磁密分布接近正弦波，通合理设计磁极形状可使气隙磁密分布接近正弦波，通常将极靴的极弧半径做成小于定子内圆半径，且两圆常将极靴的极弧半径做成小于定子内圆半径，且两圆常将极靴的极弧半径做成小于定子内圆半径，且两圆常将极靴的极弧半径做成小于定子内圆半径，且两圆弧的圆心不重合弧的圆心不重合弧的圆心不重合弧的圆心不重合(称为偏心气隙称为偏心气隙称为偏心气隙称为偏心气隙)，形成极弧中心处的气，形成极弧中心处的气，形成极弧中心处的气，形成极弧中心处的气隙最小，沿极弧中心线两侧方向气隙逐渐增大，可使隙最小，沿极弧中心线两侧方向气隙逐渐增大，可使隙最小，沿极弧中心线两侧方向气隙逐渐增大，可使隙最小，沿极弧中心线两侧方向气隙逐渐增大，可使气隙磁通密度分布较接近正弦波形。气隙磁通密度分布较接近正弦波形。气隙磁通密度分布较接近正弦波形。气隙磁通密度分布较接近正弦波形。1.空载运行时的电磁过程空载运行时的电磁过程11112.空载特性空载特性 原动机拖动同步电机转子以原动机拖动同步电机转子以原动机拖动同步电机转子以原动机拖动同步电机转子以n n1 1速度转动，速度转动，速度转动，速度转动，0 0切割切割切割切割定子绕组，在定子中感应电势定子绕组，在定子中感应电势定子绕组，在定子中感应电势定子绕组，在定子中感应电势E E0 0。感应电势有效值感应电势有效值感应电势有效值感应电势有效值 其中，其中，其中，其中，0 0为磁极的每极基波磁通，为磁极的每极基波磁通，为磁极的每极基波磁通，为磁极的每极基波磁通，N N为每相定子绕为每相定子绕为每相定子绕为每相定子绕组串联匝数，组串联匝数，组串联匝数，组串联匝数，f f为励磁电动势频率。为励磁电动势频率。为励磁电动势频率。为励磁电动势频率。12122.空载特性空载特性空载特性：空载时励磁电势与励磁电流之间的关系曲空载特性：空载时励磁电势与励磁电流之间的关系曲空载特性：空载时励磁电势与励磁电流之间的关系曲空载特性：空载时励磁电势与励磁电流之间的关系曲线线线线空载时：定子电流为零，电枢电压等于空载电势。空载时：定子电流为零，电枢电压等于空载电势。空载时：定子电流为零，电枢电压等于空载电势。空载时：定子电流为零，电枢电压等于空载电势。空载特性也表示主磁通和励磁磁势之间的空载特性也表示主磁通和励磁磁势之间的空载特性也表示主磁通和励磁磁势之间的空载特性也表示主磁通和励磁磁势之间的关系，即电机的关系，即电机的关系，即电机的关系，即电机的磁化曲线磁化曲线磁化曲线磁化曲线。13132.空载特性空载特性1414讨论：讨论：讨论：讨论：l l励磁电流较小时，磁通较小，磁路未饱和，空载励磁电流较小时，磁通较小，磁路未饱和，空载励磁电流较小时，磁通较小，磁路未饱和，空载励磁电流较小时，磁通较小，磁路未饱和，空载特性呈直线。励磁电流特性呈直线。励磁电流特性呈直线。励磁电流特性呈直线。励磁电流，磁路逐渐饱和，曲线开，磁路逐渐饱和，曲线开，磁路逐渐饱和，曲线开，磁路逐渐饱和，曲线开始进入饱和段。始进入饱和段。始进入饱和段。始进入饱和段。铁磁饱和后，空铁磁饱和后，空铁磁饱和后，空铁磁饱和后，空载电动势增加一载电动势增加一载电动势增加一载电动势增加一点，励磁磁动势点，励磁磁动势点，励磁磁动势点，励磁磁动势增加很多。增加很多。增加很多。增加很多。2.空载特性空载特性1515讨论：讨论：讨论：讨论：l l为了合理利用材料，不因过饱和增加励磁磁动势为了合理利用材料，不因过饱和增加励磁磁动势为了合理利用材料，不因过饱和增加励磁磁动势为了合理利用材料，不因过饱和增加励磁磁动势而增加电机用铜量，空载额定电压一般设计在空载而增加电机用铜量，空载额定电压一般设计在空载而增加电机用铜量，空载额定电压一般设计在空载而增加电机用铜量，空载额定电压一般设计在空载特性的弯曲处。特性的弯曲处。特性的弯曲处。特性的弯曲处。l l将空载特性曲线的将空载特性曲线的将空载特性曲线的将空载特性曲线的直线部分延长得到气直线部分延长得到气直线部分延长得到气直线部分延长得到气隙线，表示气隙磁动隙线，表示气隙磁动隙线，表示气隙磁动隙线，表示气隙磁动势势势势F F 与励磁电动势与励磁电动势与励磁电动势与励磁电动势E E0 0间的关系。间的关系。间的关系。间的关系。2.空载特性空载特性1616n n取取取取 代表额定电压代表额定电压代表额定电压代表额定电压U UN N，饱和系数定义为，饱和系数定义为，饱和系数定义为，饱和系数定义为 E E 0 0为气隙线上电压。为气隙线上电压。为气隙线上电压。为气隙线上电压。n n普通同步电机普通同步电机普通同步电机普通同步电机ksks约在约在约在约在1.11.11.25.1.25.n n表明：表明：表明：表明：磁路饱和后，由励磁路饱和后，由励磁路饱和后，由励磁路饱和后，由励磁磁动势磁磁动势磁磁动势磁磁动势F Ff f建立的基波主磁通建立的基波主磁通建立的基波主磁通建立的基波主磁通和感应的基波电动势都降为未饱和值的和感应的基波电动势都降为未饱和值的和感应的基波电动势都降为未饱和值的和感应的基波电动势都降为未饱和值的1/1/k ks s，即所需，即所需，即所需，即所需磁动势是未饱和时的磁动势是未饱和时的磁动势是未饱和时的磁动势是未饱和时的k ks s倍（即倍（即倍（即倍（即F Ff f=k ks sF F ）。）。）。）。2.空载特性空载特性uu饱和系数饱和系数饱和系数饱和系数KsKs 1717abc1ngd0If(Ff)Ff0F电机运行于曲线刚好弯曲处：电机运行于曲线刚好弯曲处：电机运行于曲线刚好弯曲处：电机运行于曲线刚好弯曲处：充分利用材料充分利用材料充分利用材料充分利用材料不会过分饱和不会过分饱和不会过分饱和不会过分饱和2.空载特性空载特性1818l不同电机用标么值画出的空载特性相差不大，可认不同电机用标么值画出的空载特性相差不大，可认不同电机用标么值画出的空载特性相差不大，可认不同电机用标么值画出的空载特性相差不大，可认为有一条标准的曲线。为有一条标准的曲线。为有一条标准的曲线。为有一条标准的曲线。l空载曲线可用标么值来表示。空载曲线可用标么值来表示。空载曲线可用标么值来表示。空载曲线可用标么值来表示。2.空载特性空载特性19192.空载运行时空相矢图空载运行时空相矢图n n同步发电机励磁磁场以同步转速同步发电机励磁磁场以同步转速同步发电机励磁磁场以同步转速同步发电机励磁磁场以同步转速 1 1在空间旋转，与在空间旋转，与在空间旋转，与在空间旋转，与由其在定子绕组中产生的以频率由其在定子绕组中产生的以频率由其在定子绕组中产生的以频率由其在定子绕组中产生的以频率 1 1交变的正弦基波交变的正弦基波交变的正弦基波交变的正弦基波主磁通及其感应的正弦基波电动势在时间上呈同步主磁通及其感应的正弦基波电动势在时间上呈同步主磁通及其感应的正弦基波电动势在时间上呈同步主磁通及其感应的正弦基波电动势在时间上呈同步变化，因此，可将它们画在同一时间空间相量矢量变化，因此，可将它们画在同一时间空间相量矢量变化，因此，可将它们画在同一时间空间相量矢量变化，因此，可将它们画在同一时间空间相量矢量图上，以简化分析。图上，以简化分析。图上，以简化分析。图上，以简化分析。2.空载特性空载特性2020空载运行时空矢量图空载运行时空矢量图空载运行时空矢量图空载运行时空矢量图 2.空载特性空载特性2121n n直轴直轴直轴直轴（纵轴或（纵轴或（纵轴或（纵轴或d d轴）：主磁极轴线位置；轴）：主磁极轴线位置；轴）：主磁极轴线位置；轴）：主磁极轴线位置；n n交轴交轴交轴交轴（横轴或（横轴或（横轴或（横轴或q q轴）：磁极轴）：磁极轴）：磁极轴）：磁极N N、S S之间的中心线，与之间的中心线，与之间的中心线，与之间的中心线，与d d轴垂直；轴垂直；轴垂直；轴垂直；n n相轴：相轴：相轴：相轴：相绕组的轴线位置；相绕组的轴线位置；相绕组的轴线位置；相绕组的轴线位置；n n时轴：时轴：时轴：时轴：时间相量在其上投影可得瞬时值。时间相量在其上投影可得瞬时值。时间相量在其上投影可得瞬时值。时间相量在其上投影可得瞬时值。2.空载特性空载特性2222n n取定子绕组时间参考轴即时轴与相轴重合，则取定子绕组时间参考轴即时轴与相轴重合，则取定子绕组时间参考轴即时轴与相轴重合，则取定子绕组时间参考轴即时轴与相轴重合，则F Ff f中中中中的基波分量的基波分量的基波分量的基波分量F Ff f1 1(空间矢量）与由它产生的空间矢量）与由它产生的空间矢量）与由它产生的空间矢量）与由它产生的B Bf f1 1(空间矢空间矢空间矢空间矢量）及量）及量）及量）及 （时间相量）同相位，幅值在直轴正方向；（时间相量）同相位，幅值在直轴正方向；（时间相量）同相位，幅值在直轴正方向；（时间相量）同相位，幅值在直轴正方向；(时间相量）滞后时间相量）滞后时间相量）滞后时间相量）滞后 90 900 0电角度。电角度。电角度。电角度。2.空载特性空载特性23233.3.空载特性的工程应用空载特性的工程应用空载特性的工程应用空载特性的工程应用1)1)设计的空载特性曲线与标准曲线比较，两者接近，设计的空载特性曲线与标准曲线比较，两者接近，设计的空载特性曲线与标准曲线比较，两者接近，设计的空载特性曲线与标准曲线比较，两者接近，说明电机设计合理，反之，说明电机磁路过于饱和说明电机设计合理，反之，说明电机磁路过于饱和说明电机设计合理，反之，说明电机磁路过于饱和说明电机设计合理，反之，说明电机磁路过于饱和或材料未充分利用。若太饱和，励磁绕组用铜过多，或材料未充分利用。若太饱和，励磁绕组用铜过多，或材料未充分利用。若太饱和，励磁绕组用铜过多，或材料未充分利用。若太饱和，励磁绕组用铜过多，电压调节困难；若饱和度太低，则负载变化时电压电压调节困难；若饱和度太低，则负载变化时电压电压调节困难；若饱和度太低，则负载变化时电压电压调节困难；若饱和度太低，则负载变化时电压变化较大，且铁心利用率低，铁心耗材较多。变化较大，且铁心利用率低，铁心耗材较多。变化较大，且铁心利用率低，铁心耗材较多。变化较大，且铁心利用率低，铁心耗材较多。2)2)空载特性结合短路特性与零功率因数负载曲线可求空载特性结合短路特性与零功率因数负载曲线可求空载特性结合短路特性与零功率因数负载曲线可求空载特性结合短路特性与零功率因数负载曲线可求取同步电机参数。取同步电机参数。取同步电机参数。取同步电机参数。3)3)发电厂通过测取空载特性来判断三相绕组的对称性发电厂通过测取空载特性来判断三相绕组的对称性发电厂通过测取空载特性来判断三相绕组的对称性发电厂通过测取空载特性来判断三相绕组的对称性以及励磁系统的故障。以及励磁系统的故障。以及励磁系统的故障。以及励磁系统的故障。2.空载特性空载特性24243.对空载电动势波形的要求对空载电动势波形的要求三相对称三相对称频率恒定频率恒定波形接近正弦波形接近正弦有一定幅值有一定幅值以上要求标志发电机输出电能的质量。以上要求标志发电机输出电能的质量。2525l l工程上将空载线电压的波形与正弦波形偏差的程度，工程上将空载线电压的波形与正弦波形偏差的程度，工程上将空载线电压的波形与正弦波形偏差的程度，工程上将空载线电压的波形与正弦波形偏差的程度，用用用用电压波形正弦性的畸变率电压波形正弦性的畸变率电压波形正弦性的畸变率电压波形正弦性的畸变率来表示。根据来表示。根据来表示。根据来表示。根据GB755-GB755-20002000电机基本技术要求规定，电压波形正弦性畸电机基本技术要求规定，电压波形正弦性畸电机基本技术要求规定，电压波形正弦性畸电机基本技术要求规定，电压波形正弦性畸变率可按下式算出：变率可按下式算出：变率可按下式算出：变率可按下式算出：3.对空载电动势波形的要求对空载电动势波形的要求 u u1 1为基波电压有效值，也可用线电压有效值代为基波电压有效值，也可用线电压有效值代为基波电压有效值，也可用线电压有效值代为基波电压有效值，也可用线电压有效值代替，替，替，替，u un n为为为为n n次谐波电压有效值。次谐波电压有效值。次谐波电压有效值。次谐波电压有效值。l l额定功率额定功率额定功率额定功率300kVA300kVA以上发电机，以上发电机，以上发电机，以上发电机，K Ku u不超过不超过不超过不超过5%5%，额定，额定，额定，额定功率功率功率功率10300kVA10300kVA的发电机，的发电机，的发电机，的发电机，K Ku u要求不超过要求不超过要求不超过要求不超过10%10%。2626 电势波形畸变严重，对发电机本身和电势波形畸变严重，对发电机本身和由它所供电的电动机都有不利影响，如损由它所供电的电动机都有不利影响，如损耗增加，效率降低等。耗增加，效率降低等。3.对空载电动势波形的要求对空载电动势波形的要求2727第二节第二节 三相同步电机带对称负载三相同步电机带对称负载时的电枢反应时的电枢反应 同步发电机空载：同步发电机空载：同步发电机空载：同步发电机空载：气隙中只有转子的励磁磁势产生的气隙中只有转子的励磁磁势产生的气隙中只有转子的励磁磁势产生的气隙中只有转子的励磁磁势产生的主极磁场。主极磁场。主极磁场。主极磁场。励磁绕组外接励磁绕组外接励磁绕组外接励磁绕组外接 产生恒产生恒产生恒产生恒 原动机拖动原动机拖动原动机拖动原动机拖动 恒定直流电源恒定直流电源恒定直流电源恒定直流电源 定磁场定磁场定磁场定磁场 转子旋转转子旋转转子旋转转子旋转(n n1 1)转子磁场转子磁场转子磁场转子磁场 以以以以n n1 1旋转旋转旋转旋转同步发电机空载：同步发电机空载：2828 励磁绕组外接励磁绕组外接励磁绕组外接励磁绕组外接 产生恒产生恒产生恒产生恒 原动机拖动原动机拖动原动机拖动原动机拖动 恒定直流电源恒定直流电源恒定直流电源恒定直流电源 定磁场定磁场定磁场定磁场 转子旋转转子旋转转子旋转转子旋转(n n1 1)转子磁场转子磁场转子磁场转子磁场 切割定切割定切割定切割定 定子绕组感应定子绕组感应定子绕组感应定子绕组感应 以以以以n n1 1旋转旋转旋转旋转 子绕组子绕组子绕组子绕组 三相对称的电势三相对称的电势三相对称的电势三相对称的电势三相电势相位互差三相电势相位互差三相电势相位互差三相电势相位互差1201200 0三相绕组中有三相对三相绕组中有三相对三相绕组中有三相对三相绕组中有三相对称电流称电流称电流称电流产生电枢磁势产生电枢磁势产生电枢磁势产生电枢磁势同步发电机负载：同步发电机负载：同步发电机负载：同步发电机负载：气隙中同时有励磁磁势和电枢磁势气隙中同时有励磁磁势和电枢磁势气隙中同时有励磁磁势和电枢磁势气隙中同时有励磁磁势和电枢磁势共同建立的磁场，由于电枢磁势的存在，感应电势改共同建立的磁场，由于电枢磁势的存在，感应电势改共同建立的磁场，由于电枢磁势的存在，感应电势改共同建立的磁场，由于电枢磁势的存在，感应电势改变，端电压也改变。变，端电压也改变。变，端电压也改变。变，端电压也改变。1.三相同步电机带对称负载后的磁动势三相同步电机带对称负载后的磁动势 29291.三相同步电机带对称负载后的磁动势三相同步电机带对称负载后的磁动势 3030u定子磁势定子磁势 定子三相对称绕组中通入对称三相电流产生基定子三相对称绕组中通入对称三相电流产生基波电枢磁势波电枢磁势Fa：（1）大小：大小：1.三相同步电机带对称负载后的磁动势三相同步电机带对称负载后的磁动势 （2）转速：转速：(r/min)（3）转向：通电相序）转向：通电相序A、B、C的方向，与转子同向；的方向，与转子同向；（4）极极对对数数：和和转转子子极极对对数数p相相同同，决决定定于于绕绕组组的的节节距距y。3131（1 1）大小：正比于励磁电流；大小：正比于励磁电流；大小：正比于励磁电流；大小：正比于励磁电流；（2 2）转速：和转子转速一样为同步速；转速：和转子转速一样为同步速；转速：和转子转速一样为同步速；转速：和转子转速一样为同步速；（3 3）转向：和转子转向一致；转向：和转子转向一致；转向：和转子转向一致；转向：和转子转向一致；（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。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。转子绕组通入直流产生每极基波励磁磁势转子绕组通入直流产生每极基波励磁磁势转子绕组通入直流产生每极基波励磁磁势转子绕组通入直流产生每极基波励磁磁势F Ff f1 1 ：u转子磁势转子磁势 1.三相同步电机带对称负载后的磁动势三相同步电机带对称负载后的磁动势 3232n n转速均为同步速，转向一致，在空间处于相对静止，转速均为同步速，转向一致，在空间处于相对静止，转速均为同步速，转向一致，在空间处于相对静止，转速均为同步速，转向一致，在空间处于相对静止，称为称为称为称为“同步同步同步同步”。u定子、转子磁势的关系定子、转子磁势的关系 1.三相同步电机带对称负载后的磁动势三相同步电机带对称负载后的磁动势 结论：结论：励磁磁势和电枢磁势以相同转速，相同励磁磁势和电枢磁势以相同转速，相同转向旋转，彼此无相对运动，共同建立负载时转向旋转，彼此无相对运动，共同建立负载时气隙的合成磁势。气隙的合成磁势。正是由于电枢磁势和励磁磁势的相对静止，使电正是由于电枢磁势和励磁磁势的相对静止，使电机能产生稳定的气隙磁场和平均力矩，实现机电能量机能产生稳定的气隙磁场和平均力矩，实现机电能量转换。转换。3333n n气隙磁密是合成磁势在电机气隙中建立起来的磁气隙磁密是合成磁势在电机气隙中建立起来的磁气隙磁密是合成磁势在电机气隙中建立起来的磁气隙磁密是合成磁势在电机气隙中建立起来的磁场。场。场。场。n n同步发电机负载后，电机内部的磁势和磁场发生同步发电机负载后，电机内部的磁势和磁场发生同步发电机负载后，电机内部的磁势和磁场发生同步发电机负载后，电机内部的磁势和磁场发生显著变化，使机端电压变化，影响发电机机电能显著变化，使机端电压变化，影响发电机机电能显著变化，使机端电压变化，影响发电机机电能显著变化，使机端电压变化，影响发电机机电能量转换和运行性能，量转换和运行性能，量转换和运行性能，量转换和运行性能，这些变化由电枢磁势的出现这些变化由电枢磁势的出现这些变化由电枢磁势的出现这些变化由电枢磁势的出现所致所致所致所致。1.三相同步电机带对称负载后的磁动势三相同步电机带对称负载后的磁动势 3434励磁磁势和电枢磁势的区别励磁磁势和电枢磁势的区别基波基波基波基波波形波形波形波形大小大小位置位置转速转速励磁磁励磁磁励磁磁励磁磁势势势势正弦正弦正弦正弦波波波波恒定，由励恒定，由励恒定，由励恒定，由励磁电流决定磁电流决定磁电流决定磁电流决定由转子位由转子位由转子位由转子位置决定置决定置决定置决定由原动机的由原动机的由原动机的由原动机的转速决定转速决定转速决定转速决定电枢反电枢反电枢反电枢反应磁势应磁势应磁势应磁势正弦正弦正弦正弦波波波波恒定，由电恒定，由电恒定，由电恒定，由电枢电流决定枢电流决定枢电流决定枢电流决定由电流瞬由电流瞬由电流瞬由电流瞬时值决定时值决定时值决定时值决定由电流的由电流的由电流的由电流的f f和和和和p p决定决定决定决定35352.电枢反应电枢反应 n n电枢磁势的存在，使气隙磁场的大小和位置电枢磁势的存在，使气隙磁场的大小和位置发生变化，这一现象称为发生变化，这一现象称为电枢反应电枢反应。n n电枢反应的电枢反应的性质性质：去磁、助磁和交磁。：去磁、助磁和交磁。n n决定电枢反应的性质的因素：决定电枢反应的性质的因素：两个磁势幅值两个磁势幅值的相对位置的相对位置，而这一位置与励磁电势和电枢，而这一位置与励磁电势和电枢电流之间的相位差，即角度电流之间的相位差，即角度 有关，角有关，角 又又决决定于负载的性质。定于负载的性质。3636几个角度的定义几个角度的定义 内功率因数角内功率因数角内功率因数角内功率因数角 ，大小与同步发电机的内阻抗及，大小与同步发电机的内阻抗及，大小与同步发电机的内阻抗及，大小与同步发电机的内阻抗及外加负载性质有关，即外加负载性质不同（电阻，电外加负载性质有关，即外加负载性质不同（电阻，电外加负载性质有关，即外加负载性质不同（电阻，电外加负载性质有关，即外加负载性质不同（电阻，电感，电容），感，电容），感，电容），感，电容），和和和和 的相位角的相位角的相位角的相位角 随之不同，电枢反应性随之不同，电枢反应性随之不同，电枢反应性随之不同，电枢反应性质也不同。质也不同。质也不同。质也不同。3737n n两极同步发电机示意两极同步发电机示意两极同步发电机示意两极同步发电机示意图，电枢绕组每一相图，电枢绕组每一相图，电枢绕组每一相图，电枢绕组每一相用一个集中线圈表示，用一个集中线圈表示，用一个集中线圈表示，用一个集中线圈表示，主磁极凸极式，电枢主磁极凸极式，电枢主磁极凸极式，电枢主磁极凸极式，电枢绕组中电流的方向为绕组中电流的方向为绕组中电流的方向为绕组中电流的方向为流出用流出用流出用流出用 、流入用、流入用、流入用、流入用 表示。表示。表示。表示。坐标轴图示坐标轴图示坐标轴图示坐标轴图示 (1)时空相矢图时空相矢图3838n n穿过穿过穿过穿过A A相绕组的磁通为零，相绕组的磁通为零，相绕组的磁通为零，相绕组的磁通为零，A A相绕组的感应电动势相绕组的感应电动势相绕组的感应电动势相绕组的感应电动势最大，正好在时轴上。最大，正好在时轴上。最大，正好在时轴上。最大，正好在时轴上。n n若若若若 =0=0 ，则此时，则此时，则此时，则此时A A相电流在时轴上。相电流在时轴上。相电流在时轴上。相电流在时轴上。三相时间相量图三相时间相量图三相时间相量图三相时间相量图 (1)时空相矢图时空相矢图3939n nA A相电流最大，相电流最大，相电流最大，相电流最大，F Fa a的幅值与的幅值与的幅值与的幅值与A A相绕组轴线重合，相绕组轴线重合，相绕组轴线重合，相绕组轴线重合，F Fa a在在在在A A相轴方向上。相轴方向上。相轴方向上。相轴方向上。(1)时空相矢图时空相矢图n n一般情况，电枢电流一般情况，电枢电流一般情况，电枢电流一般情况，电枢电流 超前或滞后励磁电动势超前或滞后励磁电动势超前或滞后励磁电动势超前或滞后励磁电动势 任任任任意相位意相位意相位意相位 时，时，时，时，F Fa a的幅值位置也超前或滞后的幅值位置也超前或滞后的幅值位置也超前或滞后的幅值位置也超前或滞后A A相绕组轴相绕组轴相绕组轴相绕组轴线线线线 电角度。电角度。电角度。电角度。4040l l由于由于由于由于F Fa a与与与与F Ff f1 1同步旋转，故在一般负载的情况下，同步旋转，故在一般负载的情况下，同步旋转，故在一般负载的情况下，同步旋转，故在一般负载的情况下，F Fa a与与与与F Ff f1 1的空间相位差等于的空间相位差等于的空间相位差等于的空间相位差等于9090 +电角度。电角度。电角度。电角度。(1)时空相矢图时空相矢图l 为了分析方便，将时间相量和空间矢量画在一起构为了分析方便，将时间相量和空间矢量画在一起构为了分析方便，将时间相量和空间矢量画在一起构为了分析方便，将时间相量和空间矢量画在一起构成时空相矢图。成时空相矢图。成时空相矢图。成时空相矢图。l时空相矢图的作图步骤：时空相矢图的作图步骤：时空相矢图的作图步骤：时空相矢图的作图步骤：(1)(1)根据负载性质定出根据负载性质定出根据负载性质定出根据负载性质定出 ；(4)(4)画出与画出与画出与画出与 对应的对应的对应的对应的 ；(2)(2)选时轴、相轴和选时轴、相轴和选时轴、相轴和选时轴、相轴和q q、d d轴；轴；轴；轴；(3)(3)画画画画F Ff f1 1在在在在d d轴上，轴上，轴上，轴上，E E0 0在在在在q q轴上；轴上；轴上；轴上；(5)(5)F Fa a与与与与I I同同同同“相相相相”。4141(2)=0 的电枢反应的电枢反应负载（定子）电流与空载电势同相。负载（定子）电流与空载电势同相。负载（定子）电流与空载电势同相。负载（定子）电流与空载电势同相。时轴时轴 a a相绕组导体处于旋转的转子磁极轴线位置，交链的主磁通为相绕组导体处于旋转的转子磁极轴线位置，交链的主磁通为相绕组导体处于旋转的转子磁极轴线位置，交链的主磁通为相绕组导体处于旋转的转子磁极轴线位置，交链的主磁通为零，电势滞后产生它的磁通零，电势滞后产生它的磁通零，电势滞后产生它的磁通零，电势滞后产生它的磁通9090度，所以度，所以度，所以度，所以a a相电动势瞬时值为最大，相电动势瞬时值为最大，相电动势瞬时值为最大，相电动势瞬时值为最大，定子电流与感应电势同相，电流瞬时值也最大。定子电流与感应电势同相，电流瞬时值也最大。定子电流与感应电势同相，电流瞬时值也最大。定子电流与感应电势同相，电流瞬时值也最大。+90+90+90+900 0 0 0F F F Fa ad d轴轴轴轴q q轴轴轴轴 A A A AX X X X Z Z Z ZB B B BC CY YF Ff fN NS S4242(2)=0 的电枢反应的电枢反应时轴时轴+90+90+90+900 0 0 0F F F Fa ad d轴轴轴轴q q轴轴轴轴 A A A AX X X X Z Z Z ZB B B BC CY YF Ff fN NS S a a相电流达最大值时，三相合成的电枢磁势轴线在相电流达最大值时，三相合成的电枢磁势轴线在相电流达最大值时，三相合成的电枢磁势轴线在相电流达最大值时，三相合成的电枢磁势轴线在a a相绕组轴线位置，此时电枢磁势滞后励磁磁势相绕组轴线位置，此时电枢磁势滞后励磁磁势相绕组轴线位置，此时电枢磁势滞后励磁磁势相绕组轴线位置，此时电枢磁势滞后励磁磁势 90 90，为交轴磁势。为交轴磁势。为交轴磁势。为交轴磁势。4343=0 时的时空相矢图时的时空相矢图 4444A AX XZ ZC CB BY Yq q轴轴轴轴A A轴轴C C轴轴B B轴轴S SN Nd d轴轴轴轴n n1 1 1 1两相量相加得到气隙合成磁势两相量相加得到气隙合成磁势两相量相加得到气隙合成磁势两相量相加得到气隙合成磁势 =0=0时，电枢磁势时，电枢磁势时，电枢磁势时，电枢磁势 的轴线位于转子磁极的轴线即交的轴线位于转子磁极的轴线即交的轴线位于转子磁极的轴线即交的轴线位于转子磁极的轴线即交轴（轴（轴（轴（q q轴），此时的电枢反应称为轴），此时的电枢反应称为轴），此时的电枢反应称为轴），此时的电枢反应称为交轴电枢反应交轴电枢反应交轴电枢反应交轴电枢反应，此时，此时，此时，此时的电枢磁势称为的电枢磁势称为的电枢磁势称为的电枢磁势称为交轴电枢磁势交轴电枢磁势交轴电枢磁势交轴电枢磁势 。交轴电枢反应的作用使气隙交轴电枢反应的作用使气隙交轴电枢反应的作用使气隙交轴电枢反应的作用使气隙磁场从空载时的直轴逆转向后移磁场从空载时的直轴逆转向后移磁场从空载时的直轴逆转向后移磁场从空载时的直轴逆转向后移了一个角度，使主磁势超前气隙了一个角度，使主磁势超前气隙了一个角度，使主磁势超前气隙了一个角度，使主磁势超前气隙合成磁势，于是主磁极上受到一合成磁势，于是主磁极上受到一合成磁势，于是主磁极上受到一合成磁势，于是主磁极上受到一个制动性质的转矩。个制动性质的转矩。个制动性质的转矩。个制动性质的转矩。(2)=0 的电枢反应的电枢反应4545结论：结论：结论：结论：n n交轴电枢磁动势不仅使气隙合成磁势幅值有所增大，交轴电枢磁动势不仅使气隙合成磁势幅值有所增大，交轴电枢磁动势不仅使气隙合成磁势幅值有所增大，交轴电枢磁动势不仅使气隙合成磁势幅值有所增大，而且使气隙合成磁动势而且使气隙合成磁动势而且使气隙合成磁动势而且使气隙合成磁动势F F 的轴线位置从空载时直轴处的轴线位置从空载时直轴处的轴线位置从空载时直轴处的轴线位置从空载时直轴处逆转子转向后移一个锐角，主磁动势超前气隙合成磁逆转子转向后移一个锐角，主磁动势超前气隙合成磁逆转子转向后移一个锐角，主磁动势超前气隙合成磁逆转子转向后移一个锐角，主磁动势超前气隙合成磁势，主极上受到一个制动性质的转矩，电机要维持势，主极上受到一个制动性质的转矩，电机要维持势，主极上受到一个制动性质的转矩，电机要维持势，主极上受到一个制动性质的转矩，电机要维持n n1 1，必须输入更多的机械功率。，必须输入更多的机械功率。，必须输入更多的机械功率。，必须输入更多的机