同步电机稳态分析.ppt

第六章第六章 同步电机同步电机 Synchronous machines Synchronous machines同步电机的工作原理及结构特点同步电机的工作原理及结构特点同步电机的运行原理同步电机的运行原理同步电机的基本运行特性同步电机的基本运行特性同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行同步电动机和同步补偿机同步电动机和同步补偿机同步发电机的不对称运行同步发电机的不对称运行同步发电机的突然短路同步发电机的突然短路主要内容主要内容6.1同步电机的基本结构和运行状态同步电机的基本结构和运行状态l同步电机结构模型同步电机结构模型l同步电机工作原理同步电机工作原理l同步电机运行方式同步电机运行方式l同步电机结构（主要部件、励磁方式、分类）同步电机结构（主要部件、励磁方式、分类）l同步电机额定值同步电机额定值同步电机同步电机旋转电枢式旋转电枢式 旋转磁极式旋转磁极式 隐极式隐极式（Non-salientpole）凸极式凸极式（Salient-pole）最基本形式最基本形式很少使用很少使用一、同步电机的结构模型一、同步电机的结构模型V1V2W2W1U1U2NS定子定子（电枢）（电枢）+UfIf转子转子励磁励磁绕组绕组旋转磁极式电机旋转磁极式电机主磁场主磁场气隙气隙载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。或者感应电流的载体。切割运动：原动机拖动转子旋转（给切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组。组。交变电势的产生：由于电枢绕组与主交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。提供交流电源。动画动画主磁场的建立：转子上励磁绕组通以直流励磁电流，建立极主磁场的建立：转子上励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。二、二、同步电机的工作原理同步电机的工作原理（三相同步发电机为例（三相同步发电机为例）二二极极机机械械旋旋转转磁磁势势四四极极机机械械旋旋转转磁磁势势励磁机励磁机F0 旋转的旋转的 F0 和和0E0 原动机原动机电枢三相电枢三相 绕组中感应绕组中感应 SNn0NSn0发电机运行发电机运行交变感应电势的产生交变感应电势的产生感应电势有效值感应电势有效值感应电势频率感应电势频率交变性和对称性交变性和对称性同步转速同步转速f1=pn60E相相=4.44 f1 kw1 N1三、三、三相同步电机的可逆运行三相同步电机的可逆运行NSSNn0n0电动机状态电动机状态NSSNn0n0理想空载状态理想空载状态SNn0NSn0发电机运行发电机运行三相同步电机的工作原理三相同步电机的工作原理发电机发电机电能电能 机械能机械能电动机电动机机械能机械能电能电能无有功功率转换无有功功率转换 发出无功功率发出无功功率同步补偿机同步补偿机同步电机运行状态，主要取决于定子合成磁场同步电机运行状态，主要取决于定子合成磁场与转子主磁场之间的夹角与转子主磁场之间的夹角，称为功率角称为功率角 NNoNoNoNNSoSoSSSSo主极主极主极主极同同步步电电机机的的三三种种运运行行状状态态发电机发电机补偿机补偿机电动机电动机四、三相同步电机的基本结构四、三相同步电机的基本结构1.主要部件主要部件(1)定子（电枢）定子（电枢）(2)转子转子由硅钢片叠成。由硅钢片叠成。对称三相绕组。对称三相绕组。定子铁心：定子铁心：定子绕组：定子绕组：机座和端盖等。机座和端盖等。转子铁心：转子铁心：由整块铸（锻）钢制成。由整块铸（锻）钢制成。励磁绕组：励磁绕组：工作时施加直流励磁。工作时施加直流励磁。阻尼绕组和转轴等。阻尼绕组和转轴等。阻尼绕组阻尼绕组第第9章章 同步电动机同步电动机按转子结构的不同：隐极式、凸极式。按转子结构的不同：隐极式、凸极式。凸极式凸极式NS+3 3+NS隐极式隐极式优点：机械强度好优点：机械强度好优点：机械强度好优点：机械强度好 缺点：制造工艺较复杂；缺点：制造工艺较复杂；缺点：制造工艺较复杂；缺点：制造工艺较复杂；应用：因此多用在离心力较大、转速应用：因此多用在离心力较大、转速应用：因此多用在离心力较大、转速应用：因此多用在离心力较大、转速较高的电机中。例如汽轮发电机多采较高的电机中。例如汽轮发电机多采较高的电机中。例如汽轮发电机多采较高的电机中。例如汽轮发电机多采用隐极结构用隐极结构用隐极结构用隐极结构。优点：制造方便；优点：制造方便；优点：制造方便；优点：制造方便；缺点：机械强度较差。缺点：机械强度较差。缺点：机械强度较差。缺点：机械强度较差。应用：在离心力较小、转速较低的中小应用：在离心力较小、转速较低的中小应用：在离心力较小、转速较低的中小应用：在离心力较小、转速较低的中小型电机中或用在水轮发电机中。型电机中或用在水轮发电机中。型电机中或用在水轮发电机中。型电机中或用在水轮发电机中。NSNS+凸极式凸极式励磁机励磁机发电机发电机水轮机水轮机水轮发电机原理水轮发电机原理水轮发电机结构水轮发电机结构(1)立式水轮发电机立式水轮发电机(2)卧式水轮发电机卧式水轮发电机(3)转子结构转子结构10000kw水轮机转子三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构小浪底电站水轮机组安装小浪底电站水轮机组安装三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构三峡电站首台机组安装三峡电站首台机组安装三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构水力发电水力发电三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构NS+隐极式隐极式励励磁磁机机发发电电机机汽汽轮轮机机三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构汽轮发电机原理汽轮发电机原理汽轮发电机结构汽轮发电机结构(均为卧式）均为卧式）（1）定子铁心）定子铁心（2）定子绕组）定子绕组燃燃烧烧室室燃燃料料锅炉的锅炉的炉膛炉膛循环水循环水汽轮机汽轮机发电机发电机3 600 r/min升压变升压变压器压器超热高压蒸汽超热高压蒸汽电能输出电能输出电能的产生电能的产生 热电厂热电厂1 煤传送带煤传送带2 加煤机加煤机3 粉碎机粉碎机4 锅炉锅炉5 煤渣煤渣6 空气预热器空气预热器 7 静电除尘静电除尘8 烟囱烟囱9 汽轮机汽轮机10 冷凝器冷凝器11变压器变压器12 冷却塔冷却塔13 发电机发电机14 输电线输电线l励磁方式励磁方式同步电机获取同步电机获取直流直流励磁电流励磁电流的方式的方式l励磁系统励磁系统供结励磁电流的整个系统，供结励磁电流的整个系统，包括装置和线路包括装置和线路励磁机励磁机励磁调节器（手动、自动）励磁调节器（手动、自动）灭磁装置灭磁装置2.励磁方式励磁方式对励磁系统的要求对励磁系统的要求l正常运行时，供结励磁电流正常运行时，供结励磁电流l为维持端电压或电网电压值，随负载情况为维持端电压或电网电压值，随负载情况变化，变化，励磁励磁电流能相应电流能相应调节调节l当系统电压严重下降时（如发生短路故障当系统电压严重下降时（如发生短路故障等），能等），能强行励磁强行励磁提高电势，保持电压稳提高电势，保持电压稳定定l突然丢负荷时，如水轮机组转速明显升高，突然丢负荷时，如水轮机组转速明显升高，能能强行减磁强行减磁，限制端电压过度增高。，限制端电压过度增高。对励磁系统的要求对励磁系统的要求l当电机内部发生短路故障时，当电机内部发生短路故障时，能快速能快速灭磁灭磁和减磁，以减小故障的损坏程度。和减磁，以减小故障的损坏程度。l对两台以上并列运行发电机，对两台以上并列运行发电机，能成组能成组调节无功功率调节无功功率，使无功合理分配。，使无功合理分配。l其他：反映迅速，运行可靠，结构简单，其他：反映迅速，运行可靠，结构简单，损耗小，成本低，体积小等损耗小，成本低，体积小等直流励磁机励磁直流励磁机励磁直流励磁机通常与同步发电机同轴，采用并励或者他励接直流励磁机通常与同步发电机同轴，采用并励或者他励接法，或采用负载电流反馈的复式励磁。法，或采用负载电流反馈的复式励磁。采用他励接法时，励磁机的励磁电流由另一台被称为副励采用他励接法时，励磁机的励磁电流由另一台被称为副励磁机的同轴的直流发电机供给。磁机的同轴的直流发电机供给。交流励磁机静止整流励磁交流励磁机静止整流励磁同一轴上有三台交流发电机，即主发电机、交流主励磁机同一轴上有三台交流发电机，即主发电机、交流主励磁机和交流副励磁机。和交流副励磁机。副励磁机的励磁电流开始时由外部直流电源提供，待电压副励磁机的励磁电流开始时由外部直流电源提供，待电压建立起来后再转为自励建立起来后再转为自励(有时采用永磁发电机有时采用永磁发电机)。副励磁机的输出电流经过静止晶闸管整流器整流后供给主副励磁机的输出电流经过静止晶闸管整流器整流后供给主励磁机励磁机主励磁机的交流输出电流经过静止的三相桥式硅整流器主励磁机的交流输出电流经过静止的三相桥式硅整流器整流后供给主发电机的励磁绕组。整流后供给主发电机的励磁绕组。它励式它励式交流励磁机旋转整流系统交流励磁机旋转整流系统静止整流器的直流输出必须经过电刷和集电环才能输送静止整流器的直流输出必须经过电刷和集电环才能输送到旋转的励磁绕组，对于大容量的同步发电机，其励磁到旋转的励磁绕组，对于大容量的同步发电机，其励磁电流达到数千安培，使得集电环严重过热。电流达到数千安培，使得集电环严重过热。在大容量的同步发电机中，常采用不需要电刷和集电环在大容量的同步发电机中，常采用不需要电刷和集电环的旋转整流器励磁系统。的旋转整流器励磁系统。主励磁机是旋转电枢式三相同步发电机，主励磁机是旋转电枢式三相同步发电机，旋转电枢的交旋转电枢的交流电流经与主轴一起旋转的硅整流器整流后，直接送到流电流经与主轴一起旋转的硅整流器整流后，直接送到主发电机的转子励磁绕组主发电机的转子励磁绕组。交流主励磁机的励磁电流由。交流主励磁机的励磁电流由同轴的交流副励磁机经静止的晶闸管整流器整流后供给。同轴的交流副励磁机经静止的晶闸管整流器整流后供给。由于这种励磁系统取消了集电环和电刷装置由于这种励磁系统取消了集电环和电刷装置无刷励无刷励磁系统磁系统。旋转电枢式三相同步电机三相同步电机三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构三相同步电机三相同步电机三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构同步发电机同步发电机三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构小型同步电机小型同步电机三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构五、三相同步电机的额定值五、三相同步电机的额定值(1)额定电压额定电压 UN：额定运行时定子侧：额定运行时定子侧线电压线电压的额定值。的额定值。(2)额定电流额定电流 IN：额定运行时定子侧：额定运行时定子侧线电流线电流的额定值。的额定值。(3)额定功率额定功率 PN：在正常运行时，电机的输出功率。：在正常运行时，电机的输出功率。对于发电机是指对于发电机是指输出的电功率输出的电功率；对于电动机是指对于电动机是指输出的机械功率输出的机械功率。三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构五、三相同步电机的额定值五、三相同步电机的额定值额定功率与额定电压、额定电流之间的关系：额定功率与额定电压、额定电流之间的关系：发电机发电机 电动机电动机 额定容量：额定容量：(4)额定转速额定转速 nN：额定运行时的转速。：额定运行时的转速。(5)额定频率额定频率 fN：50Hz。6.2 空载和负载时同步发电机的磁场空载和负载时同步发电机的磁场一、同步电机的空载运行一、同步电机的空载运行空载磁势空载磁势空载电势空载电势时空矢量时空矢量1、空载与空载磁势、空载与空载磁势l空载运行：空载运行：原动机带动发电机在同步转速下运行，原动机带动发电机在同步转速下运行，励磁绕组通过适当的励磁电流，励磁绕组通过适当的励磁电流，电枢绕组不带任电枢绕组不带任何负载何负载的运行情况。的运行情况。l 空载运行是同步发电机最简单的运行方式，空载运行是同步发电机最简单的运行方式，其其气隙磁场由转子磁势单独建立气隙磁场由转子磁势单独建立，分析较为简单。，分析较为简单。图图6-116-11表示一台四极电机空载时的磁通示意图。表示一台四极电机空载时的磁通示意图。同步电机的空载磁路1.1隐极同步电机的空载磁势隐极同步电机的空载磁势l励磁绕组（分布绕组）埋于转子槽内，励磁绕组（分布绕组）埋于转子槽内，沿转子圆周沿转子圆周气隙气隙近似均匀近似均匀。l励磁磁势在励磁磁势在空间的分布为一个阶梯形，空间的分布为一个阶梯形，受齿槽的影响受齿槽的影响,气气隙磁密呈现出波动变化。隙磁密呈现出波动变化。l用谐波分析法可求出其基波分量用谐波分析法可求出其基波分量l合理地选择大齿的宽度可以使气隙磁密的合理地选择大齿的宽度可以使气隙磁密的分布接近正弦分布接近正弦波波。如无特殊说明，以后如无特殊说明，以后仅考虑磁通密度的基波分量仅考虑磁通密度的基波分量 1.2凸极同步电机的空载磁势凸极同步电机的空载磁势励磁绕组为集中绕组，磁势波为励磁绕组为集中绕组，磁势波为矩形波矩形波l对于凸极发电机来说，由于定转子间的对于凸极发电机来说，由于定转子间的气隙沿整个电枢圆周气隙沿整个电枢圆周分布不均匀分布不均匀，极面下气隙较小，磁阻较小极面下气隙较小，磁阻较小；极间气隙较大，极间气隙较大，极间磁阻很大极间磁阻很大。同一个极面下，气隙径向磁通密度的分布近。同一个极面下，气隙径向磁通密度的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密度为零。两极中线上的磁通密度为零。l气隙磁密用付立叶谐波分析分解出空间基波和一系列谐波。气隙磁密用付立叶谐波分析分解出空间基波和一系列谐波。凸极同步电机通常选用凸极同步电机通常选用极弧系数为极弧系数为，气隙比值为气隙比值为l感应电势感应电势的波形和大小与的波形和大小与气隙磁密气隙磁密的分布形状及的分布形状及幅值大小紧密相关。幅值大小紧密相关。l在设计和制造电机时，应采取适当的措施，以获在设计和制造电机时，应采取适当的措施，以获得尽可能得尽可能接近正弦分布接近正弦分布的气隙磁密，从而得到较的气隙磁密，从而得到较高品质的感应电势。高品质的感应电势。主磁通主磁通 02空载电势空载电势漏磁通漏磁通三相电势三相电势 对称对称只有主磁通才在定子绕组中产生感应电势只有主磁通才在定子绕组中产生感应电势励磁电势大小取决于？励磁电势大小取决于？当空载运行时，当空载运行时，励磁电势励磁电势随励磁随励磁电流电流变化的关系，称变化的关系，称为为空载特性空载特性，其为同步电机的一条基本特性。，其为同步电机的一条基本特性。如如图图612612所示所示空载特性可通过计算或试验空载特性可通过计算或试验得到。得到。说明电机设计合理性。说明电机设计合理性。空载特性结合短路特性空载特性结合短路特性(在在后面介绍）可以求取同步电后面介绍）可以求取同步电机的参数。机的参数。发电厂通过测取空载特性发电厂通过测取空载特性来判断励磁系统的故障。来判断励磁系统的故障。3同步电机中的时同步电机中的时-空矢量图空矢量图空间矢量：空间矢量：磁势和磁通密度（随时间变化）磁势和磁通密度（随时间变化）绕组的感应电势、电压和电流，匝链的磁通绕组的感应电势、电压和电流，匝链的磁通时间相量时间相量：转子绕转子绕组轴线组轴线直轴直轴 d轴轴两极间两极间中心线中心线交轴（交轴（q 轴）轴）定子相绕组轴线定子相绕组轴线相轴相轴分析：分析：空间矢量：空间矢量：磁势和磁通密度（随时间变化）磁势和磁通密度（随时间变化）绕组的感应电势、电压和电流，匝链的磁通绕组的感应电势、电压和电流，匝链的磁通时间相量时间相量：l励磁磁势的基波Ff1和由它产生的气隙磁密波Bf1为空间 分布波，两者同相位，其正波幅处于转子直轴正方向，且与转子一起以同步速旋转；l磁密波Bf1与定子任一相交链的磁通量0是时 间变量，由 感应产生的该相电势用 表示，当定子各相的时间参考轴都取在各自的相绕组 轴线时，与 重合。将相将相绕组轴线作为空间矢量参考轴（相轴）绕组轴线作为空间矢量参考轴（相轴）令时间相量参考轴（时轴）与空间矢量参考轴（相轴）重合令时间相量参考轴（时轴）与空间矢量参考轴（相轴）重合二、对称负载时的电枢反应二、对称负载时的电枢反应负载后磁势分析（电枢反应）负载后磁势分析（电枢反应）概念：内功率因数角概念：内功率因数角不同情况电枢反应分析不同情况电枢反应分析1、负载后（气隙）磁势分析、负载后（气隙）磁势分析空载时，只有一个以同步转速旋转的励磁磁势空载时，只有一个以同步转速旋转的励磁磁势F Ff f随轴同转的转子磁势随轴同转的转子磁势 (称为机械旋转磁势称为机械旋转磁势)，在电枢，在电枢绕组中感应出三相对称交流电势，励磁电势，即空载绕组中感应出三相对称交流电势，励磁电势，即空载电势电势E E0 0。当电枢绕组接上三相对称负载后，电枢绕组中流过三当电枢绕组接上三相对称负载后，电枢绕组中流过三相对称的交流电流相对称的交流电流 ，将形成一个以同步速度旋转的旋，将形成一个以同步速度旋转的旋转磁势转磁势电枢磁势电枢磁势FaFa电枢旋转磁势电枢旋转磁势 (称为电气称为电气旋转磁势）。旋转磁势）。两个旋转磁势的转速均为两个旋转磁势的转速均为同步转速同步转速，且转向一致，二，且转向一致，二者在空间处于者在空间处于相对静止状态相对静止状态，矢量合成为一个合成磁，矢量合成为一个合成磁势势 。气隙磁场气隙磁场 由合成磁势由合成磁势 在电机的气隙中建立起来在电机的气隙中建立起来的磁场。的磁场。负载后同步电机的磁场建立负载后同步电机的磁场建立负载后，电枢磁动负载后，电枢磁动势的基波对励磁磁势的基波对励磁磁动势的影响动势的影响称之为称之为称之为称之为电枢反应电枢反应电枢反应电枢反应思考：反映电枢思考：反映电枢反应有关系的量反应有关系的量有哪些？有哪些？反映电枢反应有关系的量反映电枢反应有关系的量主磁路的饱和程度主磁路的饱和程度转子的结构形式转子的结构形式励磁磁动势和电枢磁动势之间的相位关系励磁磁动势和电枢磁动势之间的相位关系假设：磁路不饱和假设：磁路不饱和 隐极式转子隐极式转子电枢磁势基波电枢磁势基波与与励磁磁势励磁磁势均均为同步转速，同转向，在空为同步转速，同转向，在空间间相对静止相对静止电枢反应性质电枢反应性质取决于励磁磁动势和电枢磁动势在空间的取决于励磁磁动势和电枢磁动势在空间的相对位置，相对位置，即决定于电枢电流和励磁电动即决定于电枢电流和励磁电动势之间的相位角，势之间的相位角，即取决于负载的性质。即取决于负载的性质。（助磁、去磁、交磁）：（助磁、去磁、交磁）：内功率因数角内功率因数角0 E0Ia 0注意：时间相量注意：时间相量IaIa与与空间矢量空间矢量FaFa电枢磁势电枢磁势FaFa三相电流产生的合成磁势，哪一相电流达最大值，三相电流产生的合成磁势，哪一相电流达最大值，则位置在其绕组的轴线上；则位置在其绕组的轴线上；A A相电流相电流IaIa如如IaIa最大，则最大，则IaIa在相轴上，此时在相轴上，此时FaFa正好在交轴上正好在交轴上与与同相时（内功率因数角等于同相时（内功率因数角等于0）a)a)定子绕组电动势、电流和磁动势的空间矢量图定子绕组电动势、电流和磁动势的空间矢量图2、不同情况电枢反应分析、不同情况电枢反应分析与与同相时同相时b)b)时间矢量图时间矢量图与与同相时同相时c)c)时时-空统一矢量图空统一矢量图与与同相时同相时d)d)气隙合成磁场与主磁场的相对位置气隙合成磁场与主磁场的相对位置交轴电枢反应：交轴电枢反应：使气隙合成磁动势的轴线从主磁极轴逆使气隙合成磁动势的轴线从主磁极轴逆向后移一个电角度，从而产生一定的电向后移一个电角度，从而产生一定的电磁转矩；磁转矩；合成磁场的幅值较转子励磁磁场有所增合成磁场的幅值较转子励磁磁场有所增加（增磁）加（增磁）与与不同相时不同相时 a)a)滞后于滞后于 时的空间矢量图时的空间矢量图与与不同相时不同相时 b)b)滞后滞后 时的时时的时-空统一矢量图空统一矢量图与与不同相时不同相时 c)c)超前超前 时得时时得时-空统一矢量图空统一矢量图返回电枢反应分析电枢反应分析同步发电机运行情况：（-90o，90o）同步电动机运行情况：（90o，270o）电枢反应总结电枢反应总结l交轴的电枢反应使转子产生电磁转矩，实现能量转交轴的电枢反应使转子产生电磁转矩，实现能量转换；换；l直轴电枢反应对气隙磁场起助磁或去磁的作用，不直轴电枢反应对气隙磁场起助磁或去磁的作用，不产生转矩；产生转矩；l电枢磁动势和励磁磁动势的夹角（内功率因数角）电枢磁动势和励磁磁动势的夹角（内功率因数角）会随着电机的运行情况改变。电枢反应的性质也随会随着电机的运行情况改变。电枢反应的性质也随负载的变化而变化负载的变化而变化。同步发电机负载运行时物理量的关系：同步发电机负载运行时物理量的关系：l一、不考虑磁饱和时一、不考虑磁饱和时6.3 隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路不计磁路饱和，磁路线性，不计磁路饱和，磁路线性，把主极磁势和电枢磁势的作用分别考虑，再利用叠加原理把主极磁势和电枢磁势的作用分别考虑，再利用叠加原理采用采用发电机惯例发电机惯例，以输出，以输出电流作为电枢电流的正方电流作为电枢电流的正方向时规定的参考正方向，向时规定的参考正方向，电枢绕组一相的电动势平电枢绕组一相的电动势平衡方程：衡方程：漏抗电动势写成漏抗压降漏抗电动势写成漏抗压降形式：形式：在时间相位上，在时间相位上，滞后于滞后于 以以9090电角度，若不计定子电角度，若不计定子铁耗铁耗,与与 同相位，则同相位，则 将滞后于将滞后于 以以9090电角度于是电角度于是 亦可写成负电抗压降的形式，即亦可写成负电抗压降的形式，即电枢绕组电枢绕组一相的电动势平衡方程一相的电动势平衡方程的电压方程为的电压方程为 因为电枢反应电动势因为电枢反应电动势EaEa正比于电枢反应磁通正比于电枢反应磁通aa不计磁饱不计磁饱和时，和时，aa又正比于电枢磁动势又正比于电枢磁动势FaFa和电枢电流和电枢电流I I，即，即 (66)(66)(67)(67)将式将式(67)(67)代人式代人式(66)(66)，可得，可得XsXs称为隐极同步电机的同步电抗称为隐极同步电机的同步电抗，Xs=Xa+XXs=Xa+X；它是对称稳态运行时表征电枢反应和电枢漏磁这两个它是对称稳态运行时表征电枢反应和电枢漏磁这两个效应的一个效应的一个综合参数综合参数。不计饱和时，。不计饱和时，XsXs是一个常值。是一个常值。隐极同步发电机的等效电路隐极同步发电机的等效电路作相量图时，我们认为作相量图时，我们认为发电机的端电压，电枢电流，负发电机的端电压，电枢电流，负载功率因数角以及同步电抗为已知量载功率因数角以及同步电抗为已知量，最终可以根据方程式，最终可以根据方程式求得励磁电势。求得励磁电势。隐极电机相量图可按以下步骤作出：隐极电机相量图可按以下步骤作出：在水平方向作出相量在水平方向作出相量 ;根据根据 角找出角找出 的方向并作出相量；的方向并作出相量；在在 的尾端，加上相量的尾端，加上相量 ；作出由作出由 的首端指向的首端指向 尾端的相量，尾端的相量，该相量便是该相量便是隐极同步发电机的相量图隐极同步发电机的相量图隐极同步发电机的向量（图隐极同步发电机的向量（图b）二、考虑磁饱和时二、考虑磁饱和时 考虑磁饱和时，由于考虑磁饱和时，由于磁路的非线性磁路的非线性，叠加原理不再适用。叠加原理不再适用。先求出作用在主磁路上的合成磁动势先求出作用在主磁路上的合成磁动势F F；因为电枢磁势的波形和励磁磁势波形不太一样因为电枢磁势的波形和励磁磁势波形不太一样,所以要换算所以要换算.换算系数换算系数Ka：表示：表示1安匝的电枢磁势相当于多少安匝的主极安匝的电枢磁势相当于多少安匝的主极磁势。磁势。然后利用电机的磁化曲线然后利用电机的磁化曲线(空载曲线空载曲线)求出负载时的气隙磁通求出负载时的气隙磁通最后求出相应的气隙电动势最后求出相应的气隙电动势 。相应的矢量图、相量图和相应的矢量图、相量图和F FE E间的关系如图间的关系如图617a617a和和6617b17b所示。图所示。图6-17a6-17a中既有电动势相量，又有磁动势矢量。故称中既有电动势相量，又有磁动势矢量。故称为电动势为电动势磁动势图。磁动势图。或或 再从气隙电动势再从气隙电动势 减去电枢绕组的电阻和漏抗压降，减去电枢绕组的电阻和漏抗压降，使得电枢的端电压使得电枢的端电压 ，即，即电动势电动势-磁动势图磁动势图由合成磁动势由合成磁动势F确定气隙电动势确定气隙电动势E空载曲线空载曲线例题例题l凸极同步电机的气隙沿圆周不均匀：凸极同步电机的气隙沿圆周不均匀：极面下的气隙较小，两极之间气隙较大。极面下的气隙较小，两极之间气隙较大。l气隙磁导气隙磁导=0 0/，直轴磁导比交轴磁，直轴磁导比交轴磁 导大导大,以以1801800 0由角度为一个周期。由角度为一个周期。l同样大小的电枢磁动势作用在直轴和交同样大小的电枢磁动势作用在直轴和交 轴上时，所产生的电枢磁场有明显变化；轴上时，所产生的电枢磁场有明显变化；一般情况一般情况：电枢磁动势在空间的任意位置。：电枢磁动势在空间的任意位置。分析方法分析方法：把电枢磁势：把电枢磁势分解分解成直轴和交轴两个分量；成直轴和交轴两个分量；用对应的直轴磁导和交轴磁导用对应的直轴磁导和交轴磁导分别算出直轴和交轴电分别算出直轴和交轴电枢反应枢反应；最后把他们的效果；最后把他们的效果叠加叠加起来。起来。6.4 凸极同步发电机的电压方程和相量图一、双反应理论一、双反应理论NS+3 凸极同步电机电枢反磁通及所经磁路及磁导凸极同步电机电枢反磁通及所经磁路及磁导返回直轴电枢磁导直轴电枢磁导交轴电枢磁导交轴电枢磁导l双反应理论：双反应理论：l 对于在空间任意的电枢磁动势Fa,将其分解成直轴和交轴两个分量Fad和Faq，用对应的直轴磁导和交轴磁导分别算出直轴和交轴电枢反应；最后把它们的效果叠加起来。不考虑磁饱和不考虑磁饱和时时同步发电机负载运行时物理同步发电机负载运行时物理量的关系：量的关系：二、凸极同步发电机的电压方程和相量图二、凸极同步发电机的电压方程和相量图转子转子定子定子凸极机的电压方程凸极机的电压方程按规定的参考正方向，电压方程为：按规定的参考正方向，电压方程为：直轴电枢反应电抗直轴电枢反应电抗交轴电枢反应电抗交轴电枢反应电抗直轴同步电抗直轴同步电抗交轴同步电抗交轴同步电抗凸极同步发电机的向量图凸极同步发电机的向量图画出凸极同步发电机的相量图：画出凸极同步发电机的相量图：首先必须知道及两个电流分量，也就是首先必须知道及两个电流分量，也就是要知道要知道 与与 之间的夹角之间的夹角0 0。进行变换：进行变换：引入虚拟电动势引入虚拟电动势 ，使，使依上式作图步骤如下：依上式作图步骤如下：1 1）以以电电压压作作参参考考量量，在在水水平平方方向向作作出出相相量量 ；2 2）当已知功率因数角）当已知功率因数角 后，画出电流相后，画出电流相量量 ；3 3）根据）根据上上式式可知，相量可知，相量 和和 相相加可以确定加可以确定 的位置，即确定的位置，即确定0 0角；角；4 4）按）按0 0角将电流角将电流I I分解成分解成 及及 ；5 5）根据）根据上上式式，在电压相量，在电压相量 上加上上加上 及及 ，最后求得，最后求得 。由图中，可以求得由图中，可以求得角及角及E E0 0的计算式的计算式角的确定角的确定凸极同步发电机的等效电路图凸极同步发电机的等效电路图三、直轴和交轴同步电抗的意义三、直轴和交轴同步电抗的意义 由于电抗与绕组匝数的平方和所经磁路由于电抗与绕组匝数的平方和所经磁路的磁导成正比，所以的磁导成正比，所以 如如图图102102所示。对于凸极电机，由于直轴所示。对于凸极电机，由于直轴下的气隙较交轴下小，下的气隙较交轴下小，所以，所以X XadadXXaqaq，因此在凸极同步电机中，因此在凸极同步电机中，X Xd dXXq q。对于隐极电机，由于气隙是均匀的，故对于隐极电机，由于气隙是均匀的，故X Xd dXXq qXXs s 例题例题返回思考：思考：判断下列变化对凸极同步发电机的直轴同步电抗有什判断下列变化对凸极同步发电机的直轴同步电抗有什么影响：么影响：（1 1）电枢绕组匝数增加；）电枢绕组匝数增加；（2 2）磁路饱和度增加；）磁路饱和度增加；（3 3）气隙变大；）气隙变大；（4 4）励磁绕组匝数增加。）励磁绕组匝数增加。例题例题四、电枢绕组的漏抗四、电枢绕组的漏抗当电枢绕组中通过电流时，电流所产生的大部分磁通经过气当电枢绕组中通过电流时，电流所产生的大部分磁通经过气隙闭合，这部分磁通称为电枢绕组的主磁通（见图隙闭合，这部分磁通称为电枢绕组的主磁通（见图33），主），主磁通交变在电枢绕组中感应的电势称为电枢反应电势。还有磁通交变在电枢绕组中感应的电势称为电枢反应电势。还有一小部分不经过气隙，只与自己或邻近的导体交链，这部分一小部分不经过气隙，只与自己或邻近的导体交链，这部分磁通称为漏磁通，漏磁通交变在电枢绕组中感应的电势称为磁通称为漏磁通，漏磁通交变在电枢绕组中感应的电势称为漏电势。漏电势与电枢电流的比值称为漏抗。漏抗与那些因漏电势。漏电势与电枢电流的比值称为漏抗。漏抗与那些因素有关素有关?漏磁通主要分为槽漏磁通和端部漏磁通。漏磁通主要分为槽漏磁通和端部漏磁通。漏磁通的影响：趋肤效应；附加铜耗和附加铁耗；电压降漏磁通的影响：趋肤效应；附加铜耗和附加铁耗；电压降低。低。6.5 同步发电机的功率方程和转矩方程l一、功率方程和电磁功率一、功率方程和电磁功率 l功功率率方方程程 若若转转子子励励磁磁损损耗耗由由另另外外的的直直流流电电源源供供给给，则则发发电电机机轴轴上上输输入入的的机机械械功功率率PlPl扣扣除除机机械械损损耗耗 和和定定子子铁铁耗耗 后后，余余下下的的功功率率将将通通过过旋旋转转磁磁场场和和电电磁磁感感应应的的作作用用，转换成定子的电功率，所以转换功率就是电磁功率转换成定子的电功率，所以转换功率就是电磁功率PePe，即，即 (6-14)再从电磁功率再从电磁功率PePe中减去电枢铜耗中减去电枢铜耗 可得电枢端点输出可得电枢端点输出的电功率的电功率P2P2；即；即 (6-15)P2、Pe等物理量的表达式。等物理量的表达式。机械损耗和铁耗可以看成是不变损耗，电枢铜耗是可变损耗。这些损耗最后都转化为机械损耗和铁耗可以看成是不变损耗，电枢铜耗是可变损耗。这些损耗最后都转化为热能，使电机温度升高。热能，使电机温度升高。【补】通过改善散热条件，可以使同步发电机的额定功率得到适当提高。【补】通过改善散热条件，可以使同步发电机的额定功率得到适当提高。电磁功率电磁功率 从式从式(615)(615)可知，电磁功率可知，电磁功率PePe为为 由由图图105105可见可见 故同步电机的电磁功率亦可写成故同步电机的电磁功率亦可写成 上式的第一部分与感应电机的电磁功率表达式相同，第上式的第一部分与感应电机的电磁功率表达式相同，第二部分则是同步电机常用的。对于隐极同步电机，由于二部分则是同步电机常用的。对于隐极同步电机，由于E EQ QE E0 0，故有，故有 二、转矩方程二、转矩方程 把功率方程把功率方程(614)(614)除以同步角速度，可得转矩方程除以同步角速度，可得转矩方程 式中，式中，T T1 1为原动机的驱动转矩为原动机的驱动转矩,T,Te e为电磁转矩为电磁转矩,T,T0 0为空载为空载转矩，分别为：转矩，分别为：(618)返回例例6-26.6 同步电机参数的测定一、用空载特性和短路特性确定直轴同步电抗一、用空载特性和短路特性确定直轴同步电抗 空空载载特特性性可可以以用用空空载载试试验验测测出出。试试验验时时，电电枢枢开开路路 (空空载载)，用用原原动动机机把把被被试试同同步步电电机机拖拖动动到到同同步步转转速速，改改变变励励磁磁电电流流IfIf，并并记记取取相相应应的的电电枢枢端端电电压压U0 U0(空空载载时时即即等等于于E0E0，直直到到U01.25UNU01.25UN左右，可得空载特性曲线左右，可得空载特性曲线 。短短路路特特性性可可由由三三相相稳稳态态短短路路试试验验测测得得，试试验验线线路路如如图图6-6-24a24a所所示示。将将被被试试同同步步电电机机的的电电枢枢端端点点三三相相短短路路，用用原原动动机机拖拖动动被被试试电电机机到到同同步步转转速速，调调节节励励磁磁电电流流IfIf使使电电枢枢电电流流I I从从零零起起一一直直增增加加到到1.2IN1.2IN左左右右，便便可可得得到到短短路路特特性性曲曲线线，如如图图624b624b所示。所示。短路时，短路时，故，故 ，而，而 所以所以 因为短路试验时磁路为不饱和，所以这里的因为短路试验时磁路为不饱和，所以这里的E E0 0(每相值每相值)应从气隙线上查出，如应从气隙线上查出，如图图625625所示，求出所示，求出的的X Xd d值为不饱和值。画短路时的相量图。值为不饱和值。画短路时的相量图。(619)(620)【补】是否可以通过空载和短路试验测定同步电机的交轴同步电抗？【补】是否可以通过空载和短路试验测定同步电机的交轴同步电抗？X Xd d的的饱饱和和值值与与主主磁磁路路的的饱饱和和情情况况有有关关。主主磁磁路路的的饱饱和和程程度度取取决决于于实实际际运运行行时时作作用用在在主主磁磁路路上上的的合合成成磁磁动动势势，因因而而取取决决于于相相应应的的气气隙隙电电动动势势；如如果果不不计计漏漏阻阻抗抗压压降降，则则可可近近似似认认为为取取决决于于电电枢枢的的端端电电压压，所所以以通通常常用用对对应应于于额额定定电电压压时时的的X Xd d值值作作为为其其饱饱和和值值。为为此此，从从空空载载曲曲线线上上查查出出对对应应于于额额定定端端电电压压U UN N时时的的励励磁磁电电流流I If0f0，再再从从短短路路特特性性上上查查出出与与该该励励磁磁电电流流相相应应的的短短路路电电流流，如如图图626626所所示示，这这样样即即可可求求出出 X Xd d(饱和饱和)例例6-3二、用转差法测定同步电机的直轴同步电抗和交轴同步电抗二、用转差法测定同步电机的直轴同步电抗和交轴同步电抗把同步电机的励磁绕组开路，用原动机把电机拖动到接近同步转速，在电枢绕组把同步电机的励磁绕组开路，用原动机把电机拖动到接近同步转速，在电枢绕组上施加上施加2%-5%的额定电压，测电枢电压和电枢电流的最大值和最小值。的额定电压，测电枢电压和电枢电流的最大值和最小值。Xd=Umax/IminXq=Umin/Imax如何测电枢电压和电枢电流的最大值和最小值？如何测电枢电压和电枢电流的最大值和最小值？6.7 同步发电机的运行特性一、同步发电机的运行特性一、同步发电机的运行特性 同步发电机的稳态运行特性包括同步发电机的稳态运行特性包括外特性、调整外特性、调整特性和效率特性。特性和效率特性。外特性外特性外特性表示发电机的转速为同步转外特性表示发电机的转速为同步转速，且励磁电流和负载功率因数不变时，发电机的速，且励磁电流和负载功率因数不变时，发电机的端电压与电枢电流之间的关系：即端电压与电枢电流之间的关系：即n nn nS S，I If f=常值，常值，cos=cos=常值时，常值时，U=f(I)U=f(I)。图图113 113 表示带有不同功率因数的负载时，同步表示带有不同功率因数的负载时，同步发电机的外特性。发电机的外特性。从同步发电机的外特性曲线可以看出：从同步发电机的外特性曲线可以看出：（1）当负载为感性负载时，外特性是下降的曲线；）当负载为感性负载时，外特性是下降的曲线；（2）当负载为纯电阻负载时，外特性也是下降的曲线；）当负载为纯电阻负载时，外特性也是下降的曲线