第十二章+同步电机的基本理论和运行特性ppt课件.ppt

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1、第四篇第四篇 同同 步步 电电 机机福州大学电气工程与自动化学院电机学教研组 黄灿水电机学多媒体课件系列电机学多媒体课件系列2006.8第十二章第十二章 同步电机的基本理论和运行特性同步电机的基本理论和运行特性第十二章第十二章 同步电机的基本理论和运行特性同步电机的基本理论和运行特性 12.1 12.1 同步电机的结构同步电机的结构 12.2 12.2 同步电机的励磁系统同步电机的励磁系统 12.3 12.3 同步电机的空载运行同步电机的空载运行 12.4 12.4 对称负载时的电枢反应对称负载时的电枢反应 12.5 12.5 隐极同步发电机的分析方法隐极同步发电机的分析方法 12.6 12.

2、6 凸极同步发电机的分析方法凸极同步发电机的分析方法 12.7 12.7 电枢绕组的漏抗电枢绕组的漏抗 12.8 12.8 同步发电机的空载、短路和负载特性同步发电机的空载、短路和负载特性 12.9 12.9 同步发电机的参数及测定同步发电机的参数及测定 12.10 12.10 同步发电机的稳态运行特性同步发电机的稳态运行特性目 录12.1 同步电机的结构同步电机的结构1 1、基本特点、基本特点 根据根据电磁感应电磁感应原理工作的原理工作的交流旋转交流旋转电机电机 转子转速固定为转子转速固定为同步转速同步转速2 2、主要用途、主要用途 主要作主要作发电机发电机 电动机（无需调速、低速大功率机械

3、、改善功率因数）电动机（无需调速、低速大功率机械、改善功率因数） 补偿机（空转的同步电动机，向电网输送无功功率）补偿机（空转的同步电动机，向电网输送无功功率）pfnn601当f=50Hz时，p=1、2、3、4、5 则：n=n1=3000、1500、1000、750、600一、同步电机的基本工作原理一、同步电机的基本工作原理A、同步发电机、同步发电机原动机拖动转子转子磁场切割定子绕组感应三相交流电势转子加直流励磁定子定子铁芯铁芯电枢绕组电枢绕组 (交流交流)转子转子铁芯铁芯励磁绕组励磁绕组(直流直流)mwfNKE44. 4相电势大小：相电势大小：频率频率： 60pnf与异步机比较B B、同步电动

4、机：、同步电动机： 定子：定子：三相绕组通入三相交流电三相绕组通入三相交流电产生气隙旋转磁场产生气隙旋转磁场 转子：转子：磁极的励磁绕组通入直流电产生转子磁场磁极的励磁绕组通入直流电产生转子磁场 定子、转子定子、转子相互吸引，转子跟随定子旋转磁场旋转相互吸引，转子跟随定子旋转磁场旋转pfnIaABC601fIpfnn601 可见：可见：无论是同步发电机还是同步电动机，恒有：无论是同步发电机还是同步电动机，恒有：pfnn601两种旋转磁场两种旋转磁场电枢磁场电枢磁场(交流励磁的旋转磁场交流励磁的旋转磁场)aF转子磁极磁场转子磁极磁场(直流励磁的机械旋转磁场直流励磁的机械旋转磁场)fF思考：区别（

5、产生机理、转速、分布）？思考：区别（产生机理、转速、分布）？eT1nN1S2定子定子发电机发电机转子磁场转子磁场Ff超前超前于电枢磁场于电枢磁场FaTe与与n1反向反向同步机的三种运行方式同步机的三种运行方式: :阻力N1S20eT1n补偿机补偿机定子定子1nN1S21n电动机电动机转子磁场转子磁场Ff滞后滞后于电枢磁场于电枢磁场FaTe与与n1同向同向eT定子定子驱动力1n电电 机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（Salient-pole） 凸极式凸极式（Cylindrical-Rotor） 电枢：高电压、大电流，装在定子便于引出磁极(励磁)：电流小，通过电刷可以引

6、入转子用于小容量或特殊用途同步电机如同步电机的交流励磁机二、同步电机的构造特点二、同步电机的构造特点同步电机的组成：定子、同步电机的组成：定子、( (气隙气隙) )、转子、转子NSNS+AABCCB气隙气隙转子磁极铁芯转子磁极铁芯转子励磁绕组转子励磁绕组集电环集电环（滑环）（滑环）转子转子定子铁芯定子铁芯定子绕组定子绕组电刷电刷定子定子Back1 1、定子、定子 （同一般的交流电机相似；尺寸大，常采用拼装）（同一般的交流电机相似；尺寸大，常采用拼装）组成：组成：铁芯、绕组、机座及其他部件铁芯、绕组、机座及其他部件 0.35 0.350.5mm0.5mm硅钢片，叠压硅钢片，叠压定子铁心定子铁心

7、由扇型片拼成，省材，便于运输由扇型片拼成，省材，便于运输矩形开口槽矩形开口槽, ,径向径向, ,轴向通风道轴向通风道定子绕组定子绕组三相对称双层绕组三相对称双层绕组( (电枢）电枢） 扁铜线绕制而成扁铜线绕制而成, ,采用成型线圈采用成型线圈机机 座座用钢板焊接而成用钢板焊接而成其他部件其他部件隔振结构、电刷等隔振结构、电刷等隐极机定子(隐)内定子插入外机座(隐)外机座加工凸极机定子机座2 2、转子、转子汽轮发电机转子汽轮发电机转子( (隐极隐极) )u最大直径限制在最大直径限制在1m左右左右u瘦长型：采用增大长度来增大容量（瘦长型：采用增大长度来增大容量（l/D=57)u形式：整块式、组合式

8、形式：整块式、组合式u其它部件：转轴、风扇、集电环其它部件：转轴、风扇、集电环u大齿：小齿大齿：小齿=1：2水轮发电机转子水轮发电机转子( (凸极凸极) )吊装中的水轮发电机转子(320MW)u结构：凸极、极靴、阻尼绕组、转子支架结构：凸极、极靴、阻尼绕组、转子支架u形式：矮胖，直径大（形式：矮胖，直径大（10m）u安装：悬式、伞式安装：悬式、伞式(见下图见下图)磁极铁芯、转子轭、支撑筋、转轴磁极铁芯、转子轭、支撑筋、转轴阻尼绕组及作用阻尼绕组及作用转子其它部件：转子其它部件：悬式伞式1、上导轴承、上导轴承2、上机架、上机架3、推力轴承、推力轴承4、下导轴承、下导轴承5、下机架、下机架伞式：伞

9、式： 优优减小电机的轴向高度和厂房高度，节约投资减小电机的轴向高度和厂房高度，节约投资 缺缺机械稳定性稍差，用于低速机械稳定性稍差，用于低速悬式：悬式： 优优减小振动和增加机械稳定性，用于高速减小振动和增加机械稳定性，用于高速 缺缺轴向高度大，投资成本高轴向高度大，投资成本高NSNS+NS+隐极式隐极式（Salient-pole） 凸极式凸极式（Cylindrical-Rotor） 类型类型隐极式隐极式凸极式凸极式定子定子铁芯铁芯+ +三相对称绕组三相对称绕组铁芯铁芯+ +三相对称绕组三相对称绕组转子磁极转子磁极细长圆柱形，圆周上铣有细长圆柱形，圆周上铣有大齿、小齿（大齿、小齿（1 1：2 2

10、）矮胖凸极形状矮胖凸极形状转子绕组转子绕组分布分布集中集中气隙气隙均匀均匀极弧下小、极间大极弧下小、极间大速度速度离心力小离心力小高速高速离心力大离心力大低速低速应用应用汽轮发电机（汽轮发电机（p2)p2)水轮发电机水轮发电机(p3)(p3)总结对比总结对比汽轮发电机组汽轮发电机组水水轮轮发发电电机机组组三、同步电机的额定值（铭牌）三、同步电机的额定值（铭牌） 额定容量额定容量S SN N( (或功率或功率P PN N) )：额定运行时的：额定运行时的输出容量（或功率）输出容量（或功率） 额定电压额定电压U UN N 定子的定子的线电压线电压 额定电流额定电流I IN N 定子的定子的线电流线

11、电流 额定功率因数额定功率因数coscosN N 额定运行时电机的功率因数额定运行时电机的功率因数 额定频率额定频率f fN N 我国标准工频我国标准工频50Hz50Hz 额定转速额定转速n nN N 即为同步转速即为同步转速 额定效率额定效率N N（发电机：发电机：) )（电动机：电动机：) ) 额定励磁电压额定励磁电压U UfNfN和额定励磁电流和额定励磁电流I IfNfNNNNNNNIUSPcos3cosNNNNNNNNIUSPcos3cos课时小结课时小结 同步电机命名的由来？同步电机的基本同步电机命名的由来？同步电机的基本特点特点和主和主要要用途用途？ 电机产生旋转磁场的机理有哪些？

12、它们间有什么电机产生旋转磁场的机理有哪些？它们间有什么异同点？异同点？ 隐极机和凸极极的各自的结构特点隐极机和凸极极的各自的结构特点比较比较？(重点重点) 同步电机运行方式？判别依据？同步电机运行方式？判别依据？ 同步电机的额定值间的关系？同步电机的额定值间的关系？12.2 同步电机的励磁系统同步电机的励磁系统励磁系统励磁系统为同步电机提供励磁电流为同步电机提供励磁电流( (直流直流) )的整个系统的整个系统 一、励磁系统应满足的条件一、励磁系统应满足的条件: :能稳定提供发电机从空载到满载能稳定提供发电机从空载到满载( (及过载及过载) )所需的所需的I If f当电网电压减小时当电网电压减

13、小时, ,能快速强行励磁能快速强行励磁, ,提高系统稳定性提高系统稳定性. .发电机突然甩负荷时能快速减磁，限制电压过高发电机突然甩负荷时能快速减磁，限制电压过高当电机内部发生短路故障时当电机内部发生短路故障时, ,能快速灭磁能快速灭磁. .运行可靠运行可靠, ,维护方便维护方便, ,简单简单, ,经济经济. .多台并联运行时，能够成组配合调节无功功率多台并联运行时，能够成组配合调节无功功率. .直流励磁机励磁系统直流励磁机励磁系统交流励磁机整流励磁系统交流励磁机整流励磁系统 静止整流励磁静止整流励磁旋转整流励磁旋转整流励磁二、励磁系统分类二、励磁系统分类直流励磁机与同步发电机同轴直流励磁机与

14、同步发电机同轴最常用直流最常用直流并励并励发电机发电机; ;也有采用也有采用它励它励直流发电机直流发电机一般带有自动电压调节器一般带有自动电压调节器1 1、直流励磁机励磁系统、直流励磁机励磁系统注：红色为转动部件注：红色为转动部件2 2 、交流励磁机整流励磁系统、交流励磁机整流励磁系统1 1）静止整流励磁系统）静止整流励磁系统( (他励他励) )交流励磁机与整流装置相配合交流励磁机与整流装置相配合又可分为静止整流励磁和旋转整流励磁又可分为静止整流励磁和旋转整流励磁无电刷和集电环，系统运行可靠，励磁容量高无电刷和集电环，系统运行可靠，励磁容量高 交流副励磁机500Hz交流主励磁机100Hz主发电

15、机自动电压调节器同轴连接电压输出图12-11 他励式静止整流励磁系统2 2）旋转整流励磁系统）旋转整流励磁系统( (无刷励磁系统无刷励磁系统) )主励磁机采用旋转电枢式三相同步发电机主励磁机采用旋转电枢式三相同步发电机无电刷和集电环，运行可靠，适用于防燃防爆场合无电刷和集电环，运行可靠，适用于防燃防爆场合但灭磁时间常数大，转子绕组保护困难但灭磁时间常数大，转子绕组保护困难交流副励磁机500Hz图12-12 旋转整流励磁系统主发电机交流主励磁机100Hz旋转电枢绕组电压输出自动电压调节器同轴连接12.3 同步电机的空载运行同步电机的空载运行v空载的定义空载的定义v空载电动势空载电动势E E0 0

16、 空载电动势空载电动势E E0 0随时间变随时间变化化规律与转子磁场规律与转子磁场沿空沿空间分布间分布规律相同。规律相同。I If f=I=IfNfN，n=nn=nN N定子绕组开路的状态定子绕组开路的状态沿气隙分布绕组磁通感应电动势图12-13 隐极同步电机转子磁势Ff1Ffx一、隐极式同步电机的空载磁动势一、隐极式同步电机的空载磁动势fffFFk1fffNIFv定义：定义：励磁磁动势波形系数励磁磁动势波形系数实际波形实际波形基波分量基波分量转子磁极转子磁极转子绕组转子绕组k kf f取决于取决于r r（小齿齿距之和（小齿齿距之和/ /极距）极距）Ff1fFfx图12-14 凸极同步电机转子

17、磁势二、凸极式同步电机的空载磁动势二、凸极式同步电机的空载磁动势2sin41ffFF2sin4fk实际波形实际波形基波分量基波分量转子磁极转子磁极转子绕组转子绕组三、时间相量和空间矢量三、时间相量和空间矢量v空间矢量：空间矢量：在在空间空间按正弦规律分布的量按正弦规律分布的量1fF气隙气隙磁动势基波分量磁动势基波分量1fB气隙气隙磁密基波分量磁密基波分量v时间相量：时间相量：随随时间时间按正弦规律变化的量按正弦规律变化的量0定子定子绕组绕组所匝链的磁通所匝链的磁通0E定子定子绕组绕组感应电动势感应电动势v时空矢量图的定义：时空矢量图的定义：将具有将具有相同角速度相同角速度的空间矢量和的空间矢量

18、和 时间相量画在同一坐标即为时空矢量图。时间相量画在同一坐标即为时空矢量图。思考：相量思考：相量图和矢量图图和矢量图的区别？的区别？Ff10Bf1E0 直轴A相轴/时轴SNAXBZCY1=2fv同步电机空载时的时空矢量图同步电机空载时的时空矢量图时间相量和空间矢量都以相绕组轴线作为参考轴。时间相量和空间矢量都以相绕组轴线作为参考轴。同步电机空载时的时空矢量图同步电机空载时的时空矢量图交轴交轴v说明说明1 1 时间相角有明确的物理意义，空间相角也有明确的时间相角有明确的物理意义，空间相角也有明确的物理意义，但是物理意义，但是时、空之间的时、空之间的“相角相角”无物理意义无物理意义。2 2 参考轴

19、参考轴可以任意选择，但一般选择在相绕组轴线可以任意选择，但一般选择在相绕组轴线3 3 空间矢量是由三相电枢或主极的共同作用产生的，空间矢量是由三相电枢或主极的共同作用产生的，如磁动势和磁通密度。而时间相量仅指一相的量，如磁动势和磁通密度。而时间相量仅指一相的量，表示其电动势、电压、电流及绕组匝链的磁通。表示其电动势、电压、电流及绕组匝链的磁通。4 4 空间矢量相对于转子而言是静止的，由于转子以同空间矢量相对于转子而言是静止的，由于转子以同步速旋转，所以空间矢量相对于气隙而言就是以同步速旋转，所以空间矢量相对于气隙而言就是以同步速旋转的。步速旋转的。四、空载电动势相量四、空载电动势相量000EE

20、A12000EEB12000EEC011044. 4wkfNE气隙磁场由转子磁极建立气隙磁场由转子磁极建立磁通：主磁通和漏磁通磁通：主磁通和漏磁通主磁路：气隙、电枢齿、电枢轭、磁极极身、转子轭主磁路：气隙、电枢齿、电枢轭、磁极极身、转子轭五、电压波形的正弦畸变率五、电压波形的正弦畸变率v定义：定义：122122322mnmnmmkmmvUUUUUUk额定容量为额定容量为10VA10VA到到1MVA1MVA的交流发电机，其线电压波形允许的的交流发电机，其线电压波形允许的正弦畸变率不超过正弦畸变率不超过10%10%额定容量为额定容量为1MVA1MVA以上的交流发电机，其线电压波形允许的正以上的交流

21、发电机，其线电压波形允许的正弦畸变率不超过弦畸变率不超过5%5%课时小结课时小结1. 同步发电机励磁可分为哪几类？同步发电机励磁可分为哪几类？(了解了解)2. 同步发电机空载时气隙磁动势同步发电机空载时气隙磁动势是定子还是转子产生的？磁是定子还是转子产生的？磁动势实际波形是什么波（隐极和凸极）？波形系数如何定动势实际波形是什么波（隐极和凸极）？波形系数如何定义？义？(重点重点)3. 空间矢量和时间相量的物理意义有何区别？同步电机中哪空间矢量和时间相量的物理意义有何区别？同步电机中哪些量是空间矢量，哪些量是时间相量？何谓些量是空间矢量，哪些量是时间相量？何谓时空矢量图时空矢量图？同步发电机空载时

22、的时空矢量图？同步发电机空载时的时空矢量图？ (重点重点)4. 电压波形正弦畸变率的定义是什么？电压波形正弦畸变率的定义是什么？12.4 对称负载时的电枢反应对称负载时的电枢反应v电枢反应的概念电枢反应的概念电机带负载后，电枢电流产生的磁场将使空载气隙磁电机带负载后，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，这种现象称为变化，这种现象称为电枢反应电枢反应。v三个特殊角三个特殊角 内功率因数角内功率因数角 ：是：是 与与 的时间相位角，与电机的时间相位角，与电机参数及负载有关参数及负载有关 外功率因数角外功率

23、因数角 ：是：是 与与 的时间相位角，与负的时间相位角，与负载有关载有关 功率角（功角）功率角（功角） ：是：是 与与 的时间相位角的时间相位角 三者关系：三者关系： 0EIIU0EU+=这是为了分析电这是为了分析电机特性而引入的机特性而引入的角度角度v负载时的时空矢量图负载时的时空矢量图v四个轴：四个轴：直轴、交轴、相轴、时轴直轴、交轴、相轴、时轴空载时空矢量图FE负载时的时空矢量图aE一、一、 和和 同相同相( )时的电枢反应时的电枢反应0EI 0 交轴电枢反应交轴电枢反应NSdqnAXCYZBA相轴时轴B相轴C相轴A相轴时轴时间矢量图A相轴时轴dFf1qA 相时空矢量图E0AIAIBE0

24、CICE0BIE0Faa0EEaF图12-17 时的电枢反应v功率交换：功率交换：Fa滞后滞后Ff，处于，处于发电机运行发电机运行状态，状态，仅输出有仅输出有功功率功功率（P0，Q=0，由相量图分析可得）。，由相量图分析可得）。v电枢反应性质：电枢反应性质： 滞后滞后 90，作用在交轴，是，作用在交轴，是交轴交轴电枢反应电枢反应v特点：特点：以以A相绕组轴线作为空间矢量和时间相量的参考相绕组轴线作为空间矢量和时间相量的参考轴，则在时空矢量图上轴，则在时空矢量图上 与与 同方向，同方向， 与与 同同方向。方向。aF1fFA01fFaFAI二、二、 滞后滞后 90( )时的电枢反应时的电枢反应0E

25、I90直轴去磁电枢反应直轴去磁电枢反应AXCYZBA相 轴时 轴B相 轴C相 轴A相 轴时 轴时 间 矢 量 图A相 轴时 轴dFf1qA 相 时 空 矢 量 图E0AIAIBE0CICE0BIE0Faa0EEaF图 12-18 时 的 电 枢 反 应NSdqnv功率交换功率交换：Fa滞后滞后Ff 180，处于处于补偿机运行补偿机运行状态，状态，仅输出感仅输出感性无功功率（性无功功率（P=0，Q0）v电枢反应性质：电枢反应性质： 滞后滞后 180， 作用在直轴，是作用在直轴，是直直轴去磁电枢反应轴去磁电枢反应。aF1fFv结论：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。过励运行状态

26、的同步电机将向电网输送感性无功功率。v励磁状态：励磁状态：当电枢反应起去磁作用时，为保持输出电压不当电枢反应起去磁作用时，为保持输出电压不变，必须增大励磁电流，增大励磁电流后的运行状态称为变，必须增大励磁电流，增大励磁电流后的运行状态称为过过励状态。励状态。aF三、三、 滞后滞后 180( )时的电枢反应时的电枢反应0EI180 交轴电枢反应交轴电枢反应A相 轴时 轴时 间 矢 量 图A相 轴时 轴dFf1qA 相 时 空 矢 量 图E0AIAIBE0CICE0BIE0Faa0EEaF图 12-19 时 的 电 枢 反 应v功率交换：功率交换：Fa超前超前Ff 90, 处于处于电动机运行电动机

27、运行状态，从电网状态，从电网吸吸收有功功率收有功功率，电动机，电动机输出机械功率输出机械功率。(P0)v电枢反应性质：电枢反应性质： Fa 超前超前 Ff 90，作用在交轴，是，作用在交轴，是交轴电枢交轴电枢反应反应。四、四、 超前超前 90( )时的电枢反应时的电枢反应0EI 90直轴助磁电枢反应直轴助磁电枢反应IBE0CICE0BIE0Faa0EEaF图 12-20 时 的 电 枢 反 应A相 轴时 轴时 间 矢 量 图A相 轴时 轴dFf1qA 相 时 空 矢 量 图E0AIAv功率交换：功率交换：Fa与与Ff 同相位，电机同相位，电机仅输出容性无功功率仅输出容性无功功率到电到电网（网（

28、P=0，Q0）。）。v励磁状态：励磁状态：当电枢反应起助磁作用，为保持电网电压不变，当电枢反应起助磁作用，为保持电网电压不变，必须减小励磁电流，减小励磁电流的运行状态称为必须减小励磁电流，减小励磁电流的运行状态称为欠励状态欠励状态v结论：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。欠励运行状态的同步电机将向电网输送容性无功功率。v电枢反应性质：电枢反应性质： Fa与与Ff 同相位，同相位，Fa 作用在直轴，是作用在直轴，是直轴助直轴助磁电枢反应磁电枢反应。五、一般情况下的电枢反应五、一般情况下的电枢反应v直轴分量：直轴分量：sinaadFFv交轴分量：交轴分量：cosaaqFF可以把

29、电枢电流和电枢反应磁动势分解为两个分量：可以把电枢电流和电枢反应磁动势分解为两个分量：cossinIIIIqdA相轴时轴时间矢量图A相轴时轴dFf1qA 相时空矢量图E0AIAIBE0CICE0BIE0FaF图12-21 0时的电枢反应FadFaqIdIq900v根据根据 角判断同步电机的运行方式角判断同步电机的运行方式1 1、当、当- -/2/2 /2/2时，时，F Fa a滞后滞后F Ff f 电机向电网输出有功功率电机向电网输出有功功率 -发电机发电机2 2、当、当/2/23XaXv隐极发电机的相量图隐极发电机的相量图过励隐极同步发电机相量图过励隐极同步发电机相量图步骤：步骤：以以U为参

30、考，画为参考，画I画画E画画E0=E- -Ea标注各角度标注各角度画磁通画磁通=a+00 a 0 E E I XI jaXI j 90 UaRI 0 E ISXI j UaRI 简化相量图：简化相量图：二、考虑磁路磁饱和时二、考虑磁路磁饱和时考虑磁饱和时，由于磁路的非线性，叠加原理不再适考虑磁饱和时，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用。此时，应先求出作用在主磁路上的合成磁动势F，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) 求出负载时的气求出负载时的气隙磁通隙磁通 及相应的气隙电动势及相应的气隙电动势EfFFaaFk E12.6

31、 凸极同步发电机的分析方法凸极同步发电机的分析方法 一、双反应理论一、双反应理论 考虑到凸极电机考虑到凸极电机气隙不均匀气隙不均匀性，把电枢反应性，把电枢反应分成直轴和交轴电枢反应分别来处理的方法，分成直轴和交轴电枢反应分别来处理的方法，就称为就称为双反应理论双反应理论。 sinaadFFcosaaqFFcossinIIIIqdv注意：注意：Fad和和Faq都是正弦波，但由于气隙不均匀，都是正弦波，但由于气隙不均匀，所以其对应的磁密波不是正弦波所以其对应的磁密波不是正弦波Fad正弦波正弦波Bad尖顶波、尖顶波、Bad1正弦波正弦波Faq正弦波正弦波Baq马鞍波、马鞍波、Baq1正弦波正弦波二、

32、电路方程和等效电路二、电路方程和等效电路fIfF0 0 E EadE ad adFaF Iaq aqE aqF E XI jar Iv物理过程：物理过程：UjXRIEEEaaqad)(00EaRadE I U XaqEv定子侧电路方程定子侧电路方程v等效电路等效电路aqdaqaddadXIjEXIjE.三、直、交轴电枢反应电抗和同步电抗三、直、交轴电枢反应电抗和同步电抗dwadIkPNmF12dwdaddadIkPmNkkkFkB10012lBada12ddwawadIPklkkmfNfNkE)4(44. 42120172121016:PklkkmfNxdwad直轴电枢反应电抗dadadIjx

33、Ev直轴电枢反应电抗直轴电枢反应电抗qwaqIkPNmF12qwqaqqaqIkPmNkkkFkB10012lBaqa12qqwawaqIPklkkmfNfNkE)4(44. 42120172121016:PklkkmfNxqwaq交轴电枢反应电抗qaqaqIjxEv交轴电枢反应电抗交轴电枢反应电抗v交、直轴同步电抗交、直轴同步电抗xxxxxxxxxqdaqqadd并且有称为交轴同步电抗称为直轴同步电抗* * *隐极机可以看成是凸极机的特例，即：隐极机可以看成是凸极机的特例，即： Kd=Kq=1xad=xaq=xa电枢反应电抗电枢反应电抗xd=xq=xs同步电抗同步电抗四、凸极发电机的相量图四

34、、凸极发电机的相量图)(0)()(qddqaqdqdqqddaaqqaddaaqqaddaXXI jXI jRIUXI jXI jXI jXI jRIUXXI jXXI jRIUXI jXI jXI jRIUEqaqddQXI jRIUXXI jEE)(0由上可见：由上可见： 同相位。同相位。0)(EXXI jEqddQ、d轴q轴0 E)(qddXXI j qXI j aRI dI I QEqqXI jddXI jqI 过励凸极同步发电机相量图过励凸极同步发电机相量图U步骤：步骤：以以U为参考，画为参考，画I画画EQ，并确定并确定d、q轴轴争分解电流争分解电流I画画E0=EQ+jI+jId d

35、(X(Xd d-X-Xq q) )完成相量图完成相量图课时小结课时小结1. 隐极同步电机的电路方程、等效电路和相量图？隐极同步电机的电路方程、等效电路和相量图？2. 何为何为双反应理论双反应理论？交、直轴电枢磁场磁动势实际波形？交、？交、直轴电枢磁场磁动势实际波形？交、直轴电枢磁场磁密实际波形？（分析时均取其基波分量）直轴电枢磁场磁密实际波形？（分析时均取其基波分量）3. 凸极同步电机的电路方程、等效电路和相量图？凸极同步电机的电路方程、等效电路和相量图？4. 理解：理解：电枢反应电抗、漏抗、同步电抗电枢反应电抗、漏抗、同步电抗5. 比较大小：比较大小：xsxaxxdxqx x是常量，电枢反应

36、电抗与气隙磁场饱和度有关。是常量，电枢反应电抗与气隙磁场饱和度有关。6. 书面作业：书面作业：12-1、12-312.7 电枢绕组的漏抗电枢绕组的漏抗电枢绕组总磁通电枢绕组总磁通差漏抗（或谐波漏抗）差漏抗（或谐波漏抗）x主磁通主磁通槽漏磁通槽漏磁通端接部分漏磁通端接部分漏磁通高次谐波漏磁通高次谐波漏磁通电枢绕组漏磁通电枢绕组漏磁通电枢漏抗电枢漏抗x常数、较小常数、较小(0.10.2)X电枢绕组漏磁通的影响：电枢绕组漏磁通的影响： 槽漏磁通使导体内的电流产生集肤效应槽漏磁通使导体内的电流产生集肤效应 绕组的铜耗增加绕组的铜耗增加 端部漏磁通将在端部构件（端盖、压环等）端部漏磁通将在端部构件（端盖

37、、压环等） 引起涡流，产生局部发热引起涡流，产生局部发热 漏磁电动势将影响电机的端电压漏磁电动势将影响电机的端电压( (波形和幅值波形和幅值) )12.8 同步发电机的空载、短路和负载特性同步发电机的空载、短路和负载特性1 1、空载特性、空载特性：)(0001fIfEUInn2 2、短路特性、短路特性：)(01fkIfIUnn 同步发电机的空载、短路及零功率因数特性都是同同步发电机的空载、短路及零功率因数特性都是同步发电机的基本特性，通过它们可以求出同步电机的同步发电机的基本特性，通过它们可以求出同步电机的同步电抗及漏电抗，及确定同步发电机的其他特性。步电抗及漏电抗，及确定同步发电机的其他特性

38、。3 3、负载特性、负载特性：)(cos1fIfUconstconstInn零功率因数特性零功率因数特性：)(0cos1fNIfUIInn一、空载特性：一、空载特性：当同步发电机运行于当同步发电机运行于 时，即称为空载运行。时，即称为空载运行。0,1aInn()E0E0If(Ff*)If01.01.0abc0abcdefF改变改变励磁励磁If气隙磁动势气隙磁动势Ff变化变化E E0 0变化变化E0=f(If)去磁曲线去磁曲线剩磁电势剩磁电势ErFeF空载特性讨论：空载特性讨论：空载特性体现电机中磁与电的关系，反映电机设计合理性空载特性体现电机中磁与电的关系，反映电机设计合理性实验室测定的空载特

39、性是去磁曲线实验室测定的空载特性是去磁曲线( (下降下降) )，且需单方向测，且需单方向测量，当量，当Er大时需修正大时需修正典型空载特性曲线典型空载特性曲线( (标么值标么值) ) 充分利用材料、防止过饱和充分利用材料、防止过饱和饱和系数：饱和系数：作用：用于求同步电机的主要参数和其它运行特性作用：用于求同步电机的主要参数和其它运行特性 用于检查三相电枢绕组的对称性用于检查三相电枢绕组的对称性（曲线下降（曲线下降匝间短路）匝间短路）2.1aback二、短路特性：二、短路特性： 同步发电机三相稳态短路试验时同步发电机三相稳态短路试验时(n=n(n=n1 1、U=0)U=0)，电枢，电枢短路电流

40、短路电流Ik与励磁电流与励磁电流If间的关系曲线，称为短路特性。间的关系曲线，称为短路特性。 将将U=0、I=Ik代入同步发电机的电路方程，忽略电枢代入同步发电机的电路方程，忽略电枢电阻电阻ra，则有：，则有：skXIjE.0.可见，可见，= = 900，Ik为纯感性负载为纯感性负载( (仅有直轴分量仅有直轴分量) )dE00IkFf1jIkxsIfFaIkq=90=900 0时为直轴去磁电枢反应时为直轴去磁电枢反应I Ik k去磁去磁磁路不饱和磁路不饱和由由E=E0+Ea=jIkx可见可见E Ik ，且，且E F，则则 F Ik，Fa IkIf Ff=F-Fa Ik故，故，短路特性短路特性I

41、k=f(If)是条直线是条直线不饱和时成立不饱和时成立短路实验步骤：短路实验步骤：将三相电枢绕组出线端短接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起动原动机将同步发电机带到同步速n1通入不同的通入不同的If，读取相应的短路电流，读取相应的短路电流Ik(1.11.3)IN短路实验特性讨论：短路实验特性讨论：特性曲线是条直线（磁路不饱和）特性曲线是条直线（磁路不饱和）电枢反应呈直轴去磁作用（电枢反应呈直轴去磁作用（=90=90o o）, ,Iq=0作用：用于求同步发电机的电抗参数作用：用于求同步发电机的电抗参数三、负载特性：三、负载特性： 当同步发电机电枢电流当同步发电机电枢电流I

42、=constI=const、coscos=const=const时，端时，端电压电压U U与励磁电流与励磁电流I If f的关系的关系U=f(IU=f(If f) )称为负载特性称为负载特性空载特性空载特性 I=0零功率因数特性零功率因数特性 cos=0, I=IN零功率因数负载特性分析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）时的特性v相量图相量图cos=0=900 =90dE00IFf1jI xsFaqUIra隐极同步发电机dE00IFf1jI xsFaqU=90=90忽略ra由相量图可得：由相量图可得：=90=90, ,为纯直轴去磁电枢反应为纯直轴去磁电枢反应

43、, ,无交轴分量无交轴分量I Iq q=0=0对于隐极电机：对于隐极电机：E E0 0与与U U同相位且有同相位且有 U=EU=E0 0-Ix-Ixs s=E-Ix=E-Ix对于凸极电机：对于凸极电机：I Iq q=0=0，即，即 U=EU=E0 0-Ix-Ixd d=E-Ix=E-Ix隐极隐极凸极凸极Bv零功率因数特性曲线零功率因数特性曲线电抗（特性）三角形电抗（特性）三角形abcabc作图法求作图法求abcabcl取取om=FfN，并作垂线，并作垂线l取取on=FfN-kadFad=F，作，作垂线交空载特性于垂线交空载特性于a a点点l取取ab=INx定出定出b b点，并点，并作作om的平

44、行线交于的平行线交于c c点点l连连ac，得，得abcE0UIfd bcaeboanme图12-40 电抗三角形UNa1Ff /曲线各段物理意义曲线各段物理意义l横坐标：横坐标：lom=FfN(IfN)为获得为获得UN时所需励磁磁动势（电流）时所需励磁磁动势（电流）lmn=kadFad为直轴电枢反应去磁磁动势为直轴电枢反应去磁磁动势lon=F(If )气隙合成磁动势（所需励磁电流）气隙合成磁动势（所需励磁电流）loe=Ffk(Ifk)短路时获得短路时获得IkN所需磁动势（励磁电流）所需磁动势（励磁电流）l纵坐标：纵坐标：lmc=UN 同步发电机端电压同步发电机端电压lma1=E=UN+INx

45、合成电势合成电势lmE0=E0=U+INx +INxad 空载电势空载电势lab=a1c=INx 漏抗压降漏抗压降E0UIfd bcaeboanmeUNE0a1UNIfofv实验法测定零功率因数特性曲线实验法测定零功率因数特性曲线 特殊点特殊点e e、c c点：点：e点（额定短路点）：调节点（额定短路点）：调节If使得使得Ik=IN、U=0时，读取时，读取If=Ifkc点（额定点）：发电机接于电网点（额定点）：发电机接于电网UN，当发电机处于过激状，当发电机处于过激状态且电枢电流为态且电枢电流为IN，输出有功功率为，输出有功功率为0 0时，读取时，读取If值。值。ecdab注注: :cd=oe

46、ad/of课时小结课时小结1.空载特性实验及其曲线：空载特性实验及其曲线：去磁曲线去磁曲线、单方向下降单方向下降测量、测量、剩磁剩磁电动势、曲线修正、空载特性的作用？电动势、曲线修正、空载特性的作用？2.短路特性实验及其曲线：短路特性实验及其曲线：电枢反应特点、特性曲线特征电枢反应特点、特性曲线特征及原因及原因3.零功率因数特性零功率因数特性曲线形状？曲线形状？电抗三角形电抗三角形？各坐标意义？各坐标意义？实验法实验法测定零功率因数特性曲线的方法？测定零功率因数特性曲线的方法？12.8 同步发电机的参数及测定同步发电机的参数及测定ksskIEXXIjE0.0.ksIEX0)(不饱和一、同步电抗

47、的测定一、同步电抗的测定v不饱和同步电抗的测定不饱和同步电抗的测定隐极同步发电机隐极同步发电机短路时有（忽略短路时有（忽略 ra）：）：E E0 0为饱和点时，不饱和时对应于为饱和点时，不饱和时对应于E E0 0IkE0(c)E0Ik(c)If(c)E0Ifco凸极同步发电机凸极同步发电机短路时有只有直轴电枢反应，即短路时有只有直轴电枢反应，即Iq=0, Id=IkkdIEX)(0不饱和讨论：讨论：利用空载和短路特性求不饱和同步电抗利用空载和短路特性求不饱和同步电抗 E0、E0、 Ik均用每相值进行计算均用每相值进行计算 凸极机的凸极机的 Xq 需用其它方法测定（转差率法）需用其它方法测定（转

48、差率法）标么值标么值*)*()*(0ksdIEXX不饱和不饱和v求饱和同步电抗求饱和同步电抗 -利用空载和零功率因数特性曲线NssNIUExxIEU00在零功率因数负载下，由在零功率因数负载下，由相量图相量图得：得：abcaUUEIUxxNNNNss0*/abcaxd饱）*(同理：同理：E0IfoUNE0Ucbaca由图可见：由图可见：饱和度饱和度同步电抗同步电抗二、短路比二、短路比v定义定义1、使空载时电动势等于额定值、使空载时电动势等于额定值（E0=UN）的励磁电流）的励磁电流 If0 与短路时与短路时短路电流为额定值（短路电流为额定值（Ik=IN）的励）的励磁电流磁电流 Ifk 之比。之

49、比。2、加励磁电流、加励磁电流 If0 时测得的短路电时测得的短路电流流 Ik0 与额定电流与额定电流 IN 之比之比NkfkfkIIIIk00E0IfoIkUNE0Ik0If0INIfkv短路比与同步电抗的关系短路比与同步电抗的关系kkNNNkdkckUEUIIEx110000)*(不（c01）v短路比的选择短路比的选择Kkxd过载能力过载能力端电压变化端电压变化（u%u%小，稳定）小，稳定） 气隙气隙励磁安匝励磁安匝 用铜量用铜量成本成本三、漏抗的测定和保梯电抗三、漏抗的测定和保梯电抗1、漏抗的测定、漏抗的测定 利用空载和零功率因数特性曲线利用空载和零功率因数特性曲线方法一：方法一：作电抗

50、三角形作电抗三角形UNIfoecdabNabIUx 方法二：方法二：抽出转子法抽出转子法抽出转子抽出转子定子加定子加（1025）%UN、fN电压电压U使得使得I=IN 测得电枢端电压测得电枢端电压U为每相值）、NNUIUxI(2、保梯电抗、保梯电抗xp的测定的测定E0UIfbcaeboanmcUNmNbapIUx实测的零功率因数曲线比理论曲线稍弯曲。实测的零功率因数曲线比理论曲线稍弯曲。原因：原因：零功率负载时，磁极漏磁较大，极芯饱和度较高，零功率负载时，磁极漏磁较大，极芯饱和度较高，所需的励磁电流所需的励磁电流omomxxxxpp)3 . 11 . 1 (凸极机：隐极机：保梯三角形abc四、