同步电机的基本电磁关系.ppt

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1、同步电机的基本电磁关系现在学习的是第1页，共53页第十三章第十三章 同步电机的电磁关系同步电机的电磁关系主要内容：主要内容：1 1）空载运行（转子励磁磁场单独存在）分析，时空相）空载运行（转子励磁磁场单独存在）分析，时空相-矢量图矢量图2 2）电枢反应：电枢磁场对励磁磁场的影响）电枢反应：电枢磁场对励磁磁场的影响3 3）隐极式与凸极式同步发电机的电动势相量图、方程式、）隐极式与凸极式同步发电机的电动势相量图、方程式、等值电路等值电路现在学习的是第2页，共53页13-1 13-1 同步发电机空载运行同步发电机空载运行 空载运行：空载运行：当原动机带动发电机在同步转速下运行，当原动机带动发电机在同

2、步转速下运行，励磁绕组流过适当的直流励磁电流，电枢绕组不带任何励磁绕组流过适当的直流励磁电流，电枢绕组不带任何负载时的运行情况。负载时的运行情况。现在学习的是第3页，共53页1 1 基波励磁磁动势基波励磁磁动势 A AX XB BC CY Yz z+A+A 当励磁绕组中通入直流励磁电当励磁绕组中通入直流励磁电流后，转子磁极形成固定流后，转子磁极形成固定N N、S S极的极的电磁铁，随着转子一起旋转。随转电磁铁，随着转子一起旋转。随转子一起旋转的磁动势，称为励磁磁子一起旋转的磁动势，称为励磁磁动势。动势。由于转子励磁磁动势随转子由于转子励磁磁动势随转子一起转动，它也是一个旋转磁动一起转动，它也是

3、一个旋转磁动势，所以同电枢绕组磁动势的分势，所以同电枢绕组磁动势的分析方法一样进行傅立叶分解，分析方法一样进行傅立叶分解，分解出基波励磁磁动势。解出基波励磁磁动势。现在学习的是第4页，共53页1）凸极矩形波磁势）凸极矩形波磁势对比闭合回路对比闭合回路1-51-5的气隙磁势：的气隙磁势：彼此相等！（忽略铁心磁压降）彼此相等！（忽略铁心磁压降）+A0现在学习的是第5页，共53页现在学习的是第6页，共53页 每个磁极所产生的磁动势波是幅值为每个磁极所产生的磁动势波是幅值为 的的矩形分布波，利用级数展开得到基波和谐波，基波矩形分布波，利用级数展开得到基波和谐波，基波幅值为：幅值为：+A+A0 0励磁磁

4、动势波形系数，励磁磁动势波形系数，A AX XB BC CY Yz z+A+A现在学习的是第7页，共53页2)2)隐机发电机隐机发电机 励磁绕组放置在磁极两边槽里，磁极中间不放绕组以励磁绕组放置在磁极两边槽里，磁极中间不放绕组以励磁绕组放置在磁极两边槽里，磁极中间不放绕组以励磁绕组放置在磁极两边槽里，磁极中间不放绕组以使磁极磁动动势波形接近正弦，每极磁势最大幅值为：使磁极磁动动势波形接近正弦，每极磁势最大幅值为：使磁极磁动动势波形接近正弦，每极磁势最大幅值为：使磁极磁动动势波形接近正弦，每极磁势最大幅值为：。现在学习的是第8页，共53页0a a现在学习的是第9页，共53页隐极同步电机气隙磁势隐

5、极同步电机气隙磁势图示图示3个闭合回路所包围的安匝数分别为个闭合回路所包围的安匝数分别为Nk kI,3NI,3Nk kI I与与与与5N5NkI，所以气隙磁势为阶梯波。，所以气隙磁势为阶梯波。0a a定定子子转子转子a a00FsFsF FmF Fb b看大图看大图现在学习的是第10页，共53页隐极同步电机气隙磁势隐极同步电机气隙磁势通过实际总槽数通过实际总槽数 与沿转子表面开的等距槽的总槽与沿转子表面开的等距槽的总槽数数 的比值查表得的比值查表得 。阶梯波气隙磁势的基波幅值阶梯波气隙磁势的基波幅值为为 。图中：。图中：N Nf f=5N Nk k现在学习的是第11页，共53页 基波励磁磁动势

6、在空间向量的位置：基波励磁磁动势在空间向量的位置：转子转子S S极中心线与极中心线与+A+A 轴的夹角。轴的夹角。A AX XB BC CY Yz z+A+A 空间参考轴选择定子空间参考轴选择定子空间参考轴选择定子空间参考轴选择定子A A A A组绕组轴线组绕组轴线组绕组轴线组绕组轴线+A+A+A+A处，基波励磁磁动处，基波励磁磁动处，基波励磁磁动处，基波励磁磁动势用空间向量表示。势用空间向量表示。势用空间向量表示。势用空间向量表示。向量长度等于基波磁动势的幅值向量长度等于基波磁动势的幅值,向量位置为基波磁向量位置为基波磁动势正波幅所在位置，向量以角速度动势正波幅所在位置，向量以角速度逆时针方

7、向转动。逆时针方向转动。转子的初始位置：转子转子的初始位置：转子S S极中心极中心在坐标轴（在坐标轴（）上的位置；）上的位置；2 2 基波励磁磁动势空间矢量基波励磁磁动势空间矢量现在学习的是第12页，共53页基波磁动势波形现在学习的是第13页，共53页A AX XB BC CY Yz z+A+Aa0A+A+A3pA AX XB BCYz+Aa+A+A3p0现在学习的是第14页，共53页3 3 基波气隙磁密空间矢量基波气隙磁密空间矢量 1)1)隐极机隐极机 气气隙隙均均匀匀，当当铁铁心心不不饱饱和和时时，气气隙隙磁磁密密与与磁磁动动势势成成正正比比，基基波波磁磁动动势势产产生生正正弦弦波波磁磁密

8、密；当当磁磁路路饱饱和和时时，若若不不考考虑虑磁磁极极的的磁磁滞滞涡涡流流效效应应下下，基基波波磁磁密密波波的的相相位位和基波磁动势波的相位相同。和基波磁动势波的相位相同。2)2)凸极机凸极机 气隙不均匀，即使铁心不饱和，气隙中产生的磁密大气隙不均匀，即使铁心不饱和，气隙中产生的磁密大小与磁动势大小不成正比，正弦的基波励磁磁动势产生的小与磁动势大小不成正比，正弦的基波励磁磁动势产生的磁密波是非正弦分布的（尖顶波），磁密波还要分解基波磁密波是非正弦分布的（尖顶波），磁密波还要分解基波和一系列谐波，基波磁密和基波磁动势仍然同相位。和一系列谐波，基波磁密和基波磁动势仍然同相位。现在学习的是第15页，

9、共53页A AX XB BC CY Yz z+A+A+A+A3pa0A+A AX XB BCYz+Aa+A+A3p0现在学习的是第16页，共53页4 4 定子相绕组的感应电动势、时间相量定子相绕组的感应电动势、时间相量 气隙磁密旋转切割定子三相绕组，定子绕组感应气隙磁密旋转切割定子三相绕组，定子绕组感应随时间正弦变化的电动势，用时间相量来表示。由于随时间正弦变化的电动势，用时间相量来表示。由于空间坐标选空间坐标选A A相绕组轴线相绕组轴线+A+A为参考轴，所以时间相量为参考轴，所以时间相量也分析也分析A A相。相。A AX XB BC CY Yz z+A+A现在学习的是第17页，共53页4 4

10、 定子相绕组的感应电动势、时间相量定子相绕组的感应电动势、时间相量A AX XB BC CY Yz z+A+A+A+j1 1）磁极中心与）磁极中心与+A+A轴线重合轴线重合现在学习的是第18页，共53页A AX XA AX XnX XX X2 2）及及 均领先均领先+A+A轴。轴。A A相绕组边处于磁极中心线，相绕组边处于磁极中心线，磁密最大，磁密最大，A A相绕组感应电动势瞬时值为正最大。相绕组感应电动势瞬时值为正最大。+A+jNS+A结结论论：及及 在在空空间间参参考考轴轴+A+A上上初初相相位位 与与A A相相时时间间相相量量 在在时时间间参参考考轴轴+j+j的的初初相相位位 之之间间存

11、存在在一一定定关关系，即：系，即：，此关系适合任意时刻。，此关系适合任意时刻。现在学习的是第19页，共53页5 5 时空相时空相矢量图矢量图 将空间将空间+A+A与时间与时间+j+j重合在一起，将磁势与电势向量画重合在一起，将磁势与电势向量画在一个图中，构成时间在一个图中，构成时间-空间向量图，即时空间向量图，即时-空相空相-矢量图。矢量图。+A+A，+j+j+A+A，+j+j结结论论：在在时时空空相相矢矢量量图图中中，A A相相电电动动势势 总总是是落落后后于转子励磁磁动势于转子励磁磁动势 或励磁磁密矢量或励磁磁密矢量 现在学习的是第20页，共53页6 6 空载特性空载特性 定子绕组开路、转

12、子由原动机拖动到额定转定子绕组开路、转子由原动机拖动到额定转速并通入励磁电流的运行状态称为同步发电机的速并通入励磁电流的运行状态称为同步发电机的空载运行，称空载运行，称 的函数关系为空载特的函数关系为空载特性，它是一条非线性关系的饱和曲线性，它是一条非线性关系的饱和曲线。气隙线气隙线现在学习的是第21页，共53页6 6 空载特性空载特性 注意：空载曲线横坐标是实际的励磁电流，或每极实际磁注意：空载曲线横坐标是实际的励磁电流，或每极实际磁动势波幅，而不是基波磁动势。动势波幅，而不是基波磁动势。气隙线气隙线现在学习的是第22页，共53页13-2 13-2 对称负载时的电枢反应对称负载时的电枢反应定

13、义：电枢磁动势对励磁磁动势的影响称电枢反应定义：电枢磁动势对励磁磁动势的影响称电枢反应1)1)定子三相对称绕组中对称三相电流产生定子三相对称绕组中对称三相电流产生基波电基波电 枢磁动势枢磁动势（1 1）大小：大小：(A)(A)（2 2）转速：转速：(r/min)(r/min)（3 3）转向：沿通电相序转向：沿通电相序A A、B B、C C的方向，它与转子转向相同的方向，它与转子转向相同（4 4）极对数：和转子极对数相同，决定于绕组的节距极对数：和转子极对数相同，决定于绕组的节距1 1 磁动势分析磁动势分析现在学习的是第23页，共53页2)2)转子励磁绕组通入直流产生基波励磁磁动势转子励磁绕组通

14、入直流产生基波励磁磁动势（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。（1 1）大小：大小：(A)(A)（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；（3 3）转向：和转子转向一致；转向：和转子转向一致；现在学习的是第24页，共53页 定子绕组的基波电枢磁动势定子绕组的基波电枢磁动势和和转子的基波励磁磁动势转子的基波励磁磁动势，它们的转速、转向、极对数均相同，彼此之间相对静止，它们的转速、转向、极对数均相同，彼此之间相对静止，因此两者的合成磁动势将是一个同样转向、转速、极对因此两者的合成磁动势将是一个同样转向、转速、极对数的旋转磁动势，由它们

15、合成在电机中产生气隙磁场。数的旋转磁动势，由它们合成在电机中产生气隙磁场。谐波电枢磁动势和励磁磁动势没有固定作用，谐波电枢磁动势和励磁磁动势没有固定作用，不能合成恒定的磁动势。谐波励磁磁动势很小。不能合成恒定的磁动势。谐波励磁磁动势很小。结论：结论：现在学习的是第25页，共53页基 波波 形大 小 位 置 转 速 转 向励 磁磁 势正弦波 恒定，由励磁电流决定由转子位置决定由原动机的转速决定电 枢反 应磁 势正弦波 恒定，由电枢电流决定由电枢电流瞬时值决定由电枢电流的频率大小和相序决定励磁磁势和电枢磁势的区别励磁磁势和电枢磁势的区别现在学习的是第26页，共53页2 2 基波电枢磁动势对基波励磁

16、磁动势的作用基波电枢磁动势对基波励磁磁动势的作用 电机带负载后，电机带负载后，由于所带负载性质，由于所带负载性质不同，使不同，使 和和 之间相位角之间相位角不同，电枢反应不同，电枢反应的性质也不同。的性质也不同。设设 时，转子时，转子S S极中心极中心在空间坐标轴超前在空间坐标轴超前 的位置，的位置，即即 的位置。的位置。空间基波电枢磁动势向量空间基波电枢磁动势向量 空间基波励磁磁动势向量空间基波励磁磁动势向量 空载时定子一相电动势空载时定子一相电动势A AX Xn1.+A现在学习的是第27页，共53页 1 1），cos =1cos =1的情况的情况2)2)2)2)（落后），（落后），的情况的

17、情况 （领先），（领先），的情况的情况3)3)为落后的一个任意角为落后的一个任意角4 4 4 4）现在学习的是第28页，共53页 1 1），cos =1cos =1的情况的情况现在学习的是第29页，共53页 1 1），cos =1cos =1的情况的情况 当时间当时间+j+j轴与空间参考轴轴与空间参考轴A A轴重合时，电轴重合时，电枢电流枢电流 将与电枢磁动势将与电枢磁动势 重合。重合。现在学习的是第30页，共53页 电枢反应磁动势电枢反应磁动势 落后励磁磁动势落后励磁磁动势 空间电角度，叫做交轴电枢反应磁动势，交空间电角度，叫做交轴电枢反应磁动势，交轴电枢反应使合成磁动势轴电枢反应使合成磁动

18、势 与励磁磁动势与励磁磁动势 不在一个方向上，相差一个相角不在一个方向上，相差一个相角 。结论：结论：现在学习的是第31页，共53页2)（落后），（落后），的情况的情况 与与 相相差差 ，对对 起起去去磁磁作作用用，此时的此时的 叫直轴去磁电枢反应磁动势。叫直轴去磁电枢反应磁动势。直轴去磁电枢反应使合成磁直轴去磁电枢反应使合成磁动势动势 比比 减小，气隙减小，气隙磁密比空载时减小，感应电磁密比空载时减小，感应电动势相应减小，动势相应减小，与与 同同相位，即相位，即 +A现在学习的是第32页，共53页+A+A3)（超前），（超前），的情况的情况现在学习的是第33页，共53页4 4）为落后的一个任

19、意角为落后的一个任意角d轴q轴现在学习的是第34页，共53页电枢反应磁动势电枢反应磁动势 可以分解为两个分量：可以分解为两个分量：（1 1）沿直轴方向的分量）沿直轴方向的分量 对对 起去磁作用；起去磁作用；（2 2）沿交轴方向的分量）沿交轴方向的分量 使合成磁动势使合成磁动势 与与 产生夹角产生夹角 。d轴q轴现在学习的是第35页，共53页 同一台发电机，端同一台发电机，端电压的变化，不仅与负电压的变化，不仅与负载电流的大小有关，还载电流的大小有关，还与负载性质有关。与负载性质有关。13-3 13-3 隐极同步发电机的磁动势电动势隐极同步发电机的磁动势电动势 相相-矢量图和电动势相量图矢量图和

20、电动势相量图 一、负载电流对端电压的影响一、负载电流对端电压的影响电容性负载电容性负载电阻性负载电阻性负载电感性负载电感性负载现在学习的是第36页，共53页二、负载时定子绕组一相的电压方程式二、负载时定子绕组一相的电压方程式非线性非线性单值单值现在学习的是第37页，共53页定子每相的电压方程式：定子每相的电压方程式：定子每相绕组的漏磁通电动势：定子每相绕组的漏磁通电动势：现在学习的是第38页，共53页 每相漏阻抗每相漏阻抗定子每相的电压方程式为：定子每相的电压方程式为：电枢电流电枢电流 流过定子绕组，在每相绕组中产生电流过定子绕组，在每相绕组中产生电阻压降和漏电抗压降。漏电抗压降是漏磁通产生的

21、，阻压降和漏电抗压降。漏电抗压降是漏磁通产生的，定子绕组产生的漏磁通包括三个部分：定子绕组产生的漏磁通包括三个部分：（1 1）槽漏磁通）槽漏磁通 （2 2）端部漏磁通）端部漏磁通 （3 3）差漏磁通。）差漏磁通。定子一相主磁通和漏磁通定子一相主磁通和漏磁通现在学习的是第39页，共53页空载时：空载时：负载时：负载时：非线性非线性非线性非线性非线性非线性非线性非线性以上分析结果（以上分析结果（）适合于磁路）适合于磁路饱和，也适合于磁路线性（即磁路不饱和）。饱和，也适合于磁路线性（即磁路不饱和）。单值，一一对应单值，一一对应现在学习的是第40页，共53页 负载时同步发电机电磁关系的磁动势电负载时同

22、步发电机电磁关系的磁动势电动势时空相失量图。（自学）动势时空相失量图。（自学）气隙线气隙线 线性化后采用叠加原理，认为励磁磁动势线性化后采用叠加原理，认为励磁磁动势 单独在气隙中产生磁密单独在气隙中产生磁密 ，电枢磁动势，电枢磁动势 单独在气单独在气隙中产生磁密隙中产生磁密 ，气隙磁密，气隙磁密 等于等于 和和 叠加。叠加。三、不考虑磁路饱和，隐极机电动势相量图三、不考虑磁路饱和，隐极机电动势相量图现在学习的是第41页，共53页四、电枢反应、同步电抗和等效电路四、电枢反应、同步电抗和等效电路 不计饱和电枢反应电动势不计饱和电枢反应电动势 是由是由 产生的，在产生的，在相位上总是落后于相位上总是

23、落后于 电角度，若引入一个比例常电角度，若引入一个比例常数数 ，则，则 和和 关系可写成：关系可写成：，相当相当于一个感抗，称作同步电机的电枢反应电抗。于一个感抗，称作同步电机的电枢反应电抗。隐极同步发电机等效电路图隐极同步发电机等效电路图现在学习的是第42页，共53页 已知发电机的端电压、负载电流和功率因数已知发电机的端电压、负载电流和功率因数 及参数及参数 ，负载为感性。，负载为感性。Ed&隐极发电机的相量图隐极发电机的相量图现在学习的是第43页，共53页1 1、电压调整率定义、电压调整率定义a a、电压升高的调整率、电压升高的调整率:电容性负载电容性负载电阻性负载电阻性负载电感性负载电感

24、性负载现在学习的是第44页，共53页隐极发电机的外特性解释隐极发电机的外特性解释1 1、纯电阻负载、纯电阻负载2 2、纯电感负载、纯电感负载3 3、纯电容负载、纯电容负载现在学习的是第45页，共53页13-4凸极同步发电机的双反应理论凸极同步发电机的双反应理论 及电动势相量图及电动势相量图一、一、凸极同步发电机的双反应法凸极同步发电机的双反应法 由于凸极发电机的气隙不均匀，正弦分布的磁动由于凸极发电机的气隙不均匀，正弦分布的磁动势在气隙中产生的磁密波形发生畸变。基波气隙磁密势在气隙中产生的磁密波形发生畸变。基波气隙磁密 的大小不仅和的大小不仅和 的大小有关，而且和气隙磁动势的大小有关，而且和气

25、隙磁动势 在空间的位置有关，由于在空间的位置有关，由于 ，所以，所以 的大小及空间位置也随负载位置不同而改变，不能直的大小及空间位置也随负载位置不同而改变，不能直接利用接利用 求取求取 。现在学习的是第46页，共53页凸极机负载时：凸极机负载时：非线性非线性多值，非一一对应多值，非一一对应现在学习的是第47页，共53页d轴q轴依据叠加原理的双反应法是把电枢基波磁动势依据叠加原理的双反应法是把电枢基波磁动势 分解分解为两个相位互差为两个相位互差9090度（正交）的磁势：直轴电枢反应磁度（正交）的磁势：直轴电枢反应磁动势动势 和交轴电枢反应磁动势和交轴电枢反应磁动势 。现在学习的是第48页，共53

26、页现在学习的是第49页，共53页二、二、凸极发电机的电动势相量图凸极发电机的电动势相量图 凸极发电机中的凸极发电机中的 和和 ，可以看作是电枢电流，可以看作是电枢电流 的分量的分量 和和 产生的，产生的，与与 成成90900 0电角度，电角度，与与 同相位。即：同相位。即：直轴同步电抗直轴同步电抗交轴同步电抗交轴同步电抗现在学习的是第50页，共53页 凸极同步发电机的电动势向量图凸极同步发电机的电动势向量图落后落后 时，时，领先领先 时，时，已知：已知：，和电机参数和电机参数现在学习的是第51页，共53页 若已知若已知 和和 的夹角的夹角 ，可求得，可求得 和和 的夹角的夹角 ：现在学习的是第52页，共53页三、三、等值电路等值电路 和和 同相位，但同相位，但 ，假设假设 ，用，用 代代替替 ，得到其等值电路，得到其等值电路。设：设：凸极同步发电机近似等效电路图凸极同步发电机近似等效电路图现在学习的是第53页，共53页