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1、同步发电机的基本电磁关系10-1 同步发电机的空载运行 一、基本概念 空载运行：同步发电机被原动机拖到同步转速，转子绕组通入直 流励磁电流而电枢绕组开路，这种运行状态称为空载运行或无载 运行 。励磁磁动势：同步发电机空载 运行时电枢电流为零，电机气 隙中只有转子励磁电流 if 产生 的磁动势Ff 和磁场，称为励磁磁动势和励磁磁场。 图10-1 同步发电机的空载磁路10-1 同步发电机的空载运行 一、基本概念主磁通（励磁磁通）：既链过 转子，又通过气隙并与电枢绕 组交链的磁通0，称为主磁通，它就是空载时的气隙磁通， 或称励磁磁通。 主极漏磁通：只交链励磁绕组 的磁通f称为主极漏磁通，它不参与电机
2、的机电能量转换过 程。如图101所示 。 图10-1 同步发电机的空载磁路10-1 同步发电机的空载运行 二、同步发电机空载运行分析空载特性：改变励磁电流if ，就可得到不同的0和励磁 电动势E0 ，曲线E0f(if )表示在同步转速下，空载电动 势E0与励磁电流if 之间的关系，称为发电机的空载特性 。由于E0 if ，if Ff ，所以，空载曲线实质上就反映 了电机的磁化曲线。 二、同步发电机空载特性分析当主磁通0较小时，整个磁路处于不饱和状态，绝大部分磁动势消耗于气隙，所以空载特性的下部是一条直线，与空载曲线下部 相切的线OG称为气隙线,随着0的增大，铁心逐渐饱和，空载曲 线逐渐变弯。空
3、载特性是同步发电机的基本特性之一。 图10-2 同步发电机的空载特性（磁化曲线）电机的饱和因数同步电机的 k值一般在1.11.25左 右。 空载特性不仅适用于空载情况，负载 情况也是适用的。 10-2 三相同步发电机的电枢反应 一、基本概念电枢磁动势：带上负载以后，由于电枢绕组有电流通过，就出现 第二个磁动势电枢磁动势。如果绕组对称，三相负载亦对称，电枢磁动势的基波就将为 一同步旋转的旋转磁动势励磁磁动势的基波和电枢磁动势基波二者之和，就构成了 负载时的合成磁动势，从而决定了气隙合成磁场。电枢反应：负载时电枢磁动势的基波对主极磁通基波的影响，就 称为电枢反应，因此，电枢磁动势又称为电枢反应磁动
4、势。 10-2 三相同步发电机的电枢反应 一、基本概念旋转电机实现机电能量转换的基本条件：同步电机的电枢磁动势 的基波与励磁磁动势转速相同，转向一致，因此它们在空间保持 相对静止。正由于这种相对静止，才使它们之间的相互关系保持不变，从而建立稳定的气隙磁场和产生平均电磁转距，实现机电 能量转换。实际上，定转子磁动势相对静止是一切电磁感应型旋 转电机正常运行的基本条件。 10-2 三相同步发电机的电枢反应 二、时空相矢图分析电枢反应时采用时间相量和空间矢量统一 图，这种图简称为“时空相矢图” 1.空间矢量：凡是沿空间按正弦分布的量都可表示为空间矢量。基波励磁磁动势 及其磁密 为一空间矢量。该矢量位
5、于转子 的极轴线上，方向为N极指向，以同步速旋转，如图103所示。1.空间矢量：凡是沿空间按正弦分布的量都可表示为空间矢量。电枢磁动势 也为空间矢量，它的位置可以这样来确定，即当 某相电流达到最大时，电枢磁动势 刚好转到该相绕组的轴线 上，它的指向与绕组中的电流方向符合右手螺旋定则，而且转向与转子的一致，并以同步速旋转，如图104所示。图 中A相电流最大，所 以 刚好转到A相轴线上。(电流的规定 正方向仍由末端流向 首端)。 2.时间相量：凡是随时间按正弦规律变化的量同步电机的空载电动势(励磁电动势） 是时间向量，该相量 的相位由转子的位置决定，如转子处于图(a)位置，当电动势正 方向与电流正
6、方向一致时，A相感电动势为正的最大，所以 位于时间轴线上。如图(b)所示。电动势相量的角频率与转子旋转的角速度都是。电枢电流 也是时间相量，它 的相位决定于电机内部的阻抗 和负载的性质。电机内部的阻 抗和负载的性质决定了电枢电 流和空载电动势之间的相位差 角， 称为内功率因数角。3.时空相矢图：由于空间矢量和时闻相量旋转的角速度 都是，把空间轴线+A与时间轴线+t重合在一起，空间矢量和时间相量就画在同一张图里，称为时间相量和 空间矢量统一图，简称为“时空相矢图”。 10-2 三相同步发电机的电枢反应 二、时空相矢图分析电枢反应时采用时间相量和空间矢量统一 图，这种图简称为“时空相矢图” 3.时
7、空相矢图：结论：在时空相矢图上 总是落后于 以90度， 总是与 重合。 与 之间相位差 随着负载的性质不同而改变。而 与 之间相对位置又完全取决于角 (它们之间的空间相位差为 角)，所以电枢反应的性质是由角决定的，也就是说单机运行时电枢反应的性质是由负载的性质决定的。 1试说明同步电机中的 、 、 、 、 、 等物理量哪些是空间矢量？哪些是时间相 量？试述两种矢（相）量之间的统一性。 如果不把相轴和时轴重合，那么时、空相 （矢）量之间的关系怎样？ 10-2 三相同步发电机的电枢反应 三、不同角时的电枢反应1. 与 同相位时的电枢反应交轴电枢反应10-2 三相同步发电机的电枢反应 三、不同角时的
8、电枢反应1. 与 同相位时的电枢反应交轴电枢反应交轴电枢反应的作用：1）对主磁极而言，交轴电枢反应磁动势在前极端(顺转向看、 极靴的前都) 起去磁作用，在后极端（顺转向看,极靴的后部) 起加磁作用。定子合成磁动势 较 扭斜了 角，幅值也有所增加，从而使气隙磁场的大小也有所增加。 2）同步电机的电磁转矩和能量转换与交轴电枢反应密切相关。只有具有交轴电枢反应，定子合成磁动势和主磁极之间才会 形成一定的 角，从而才能实现机、电能量转换，所以交轴电 枢反应是实现机、电能量转换的必要条件。 10-2 三相同步发电机的电枢反应 三、不同角时的电枢反应2. 落后 以 时的电枢反应去磁性质的直轴电枢反应10-
9、2 三相同步发电机的电枢反应 三、不同角时的电枢反应2. 落后 以 时的电枢反应去磁性质的直轴电枢反应直轴电枢反应的作用：1）对主磁场而言，直轴电枢反应磁动势起去磁作用，使得气隙合成磁场减小。 2）由于合成磁动势投有扭斜现象（ ），此时直轴电枢反应磁场与励磁磁场正对着，不产生切向力，所以不产生电磁转距，因而也不能进行机电能量转换。 10-2 三相同步发电机的电枢反应 不同角时的电枢反应3. 超前 以 时的电枢反应加磁性质的直轴电枢反应10-2 三相同步发电机的电枢反应 不同角时的电枢反应3. 超前 以 时的电枢反应加磁性质的直轴电枢反应 直轴电枢反应的作用：1）对主磁场而言，直轴电枢反应磁动势
10、起加磁作用，使得气隙合成磁场增强。 2）由于合成磁动势投有扭斜现象（ ），所以也不会产生电磁转距，也不能进行机电能量转换。 不同角时的电枢反应4.一般情况下的电枢反应直轴电枢反应磁动势交轴电枢反应磁动势 三、不同角时的电枢反应4.一般情况下的电枢反应若把电流 也分解成 和 两个分量，则 交轴电枢反应磁动势使气隙磁场扭斜。产生 角，从而进行机电能量转换，直轴电枢反 应磁动势对励磁破动势起去磁作用，使气隙 磁场减小。 10-3 隐极同步发电机的电动势方程式、同步电抗和相量图 一、不考虑饱和时的电动势方程式、同步电抗和相量图 1、电磁关系：2、电势平衡方程式： 10-3 隐极同步发电机的电动势方程式
11、、同步电抗和相量图 一、不考虑饱和时的电动势方程式、同步电抗和相量图 4、电枢反应电抗：Ea 4.44fNkw1a式中： 称为电枢反应电抗是对称负载下每相电流为1安时所感应的电枢反应电动势。10-3 隐极同步发电机的电动势方程式、同步电抗和相量图 一、不考虑饱和时的电动势方程式、同步电抗和相量图 4、漏电抗：漏磁电动势 也可写成负的漏抗压降的形式，即 式中： 为与漏磁通相对应的漏电抗。10-3 隐极同步发电机的电动势方程式、同步电抗和相量图 一、不考虑饱和时的电动势方程式、同步电抗和相量图 5、综上分析，不考虑饱和时隐极同步发电机的电动势方程式可 写为：称为同步电机的同步电抗气隙电动势： 一、
12、不考虑饱和时的电动势方程式、同步电抗和相量图 6、相量图和等效电路 分析功率因数角、功率因数角、功角物理意义？一台隐极式同步发电机，分别在 、 、 （滞后）与 滞后）两种情况下运行 。其中 和 保持不变，而 ，问 哪一种情况下所需的励磁电流大？为什么？、由于在滞后的功率因数时，愈小，电枢反应去磁作用愈强，为了获得一样的端电压，必须增大励磁。在运行中，当功率因数变小所需励磁电流增大时，必须注意转子的温升不能超过额定温升值。 10-3 隐极同步发电机的电动势方程式、同步电抗和相量图 二、考虑饱和时的磁动势电动势相矢图 1、电磁关系：其中 称为气隙中基波合成磁动势(简称气隙磁动势)；2、电动势方程式
13、： 二、考虑饱和时的磁动势电动势相矢图 根据磁动势方程式和电动势方程式作出的相矢图，称为磁动势 电动势相矢图。 1、绘制磁动势电动势相矢图的步骤：1)已知U、I、cos以及空载 特性，以感性负载为例。10-3 隐极同步发电机的电动势方程式、同步电抗和相量图 考虑饱和时的磁动势电动势相矢图 1、绘制磁动势电动势相矢图的步骤：2) 的位置领前于 ,均为基波磁动势,换算成一等效的阶梯形波气隙磁动 势:式中：kf为阶梯形波励磁磁动势分解出的基波的波形系数。 二、考虑饱和时的磁动势电动势相矢图 电枢磁动势折算系数10-3 隐极同步发电机的电动势方程式、同步电抗和相量图 二、考虑饱和时的磁动势电动势相矢图
14、 ka的物理意义：一个基波电枢磁动势乘以折算系数ka以后就换算成了一个等值的阶梯形波励磁磁动势；反过来说，一个阶梯形励 励磁磁动势除以ka (或乘以 kf)后，就换算成了一个等值的电枢基波磁动势。 10-3 隐极同步发电机的电动势方程式、同步电抗和相量图 二、考虑饱和时的磁动势电动势相矢图 3)决定 的大小与位置: 的位置与 重合，其大小可由计算或试验获得，它的计算公式为 4)求出如上图中 段。5)把Ff1换算成阶梯形波，即求出Ff kaFf 1， Ff用或 if Ff / Nf在空载特性上找出E0，然后在落后于 矢量 方向作 相量讨论：在负载时，虽然有Ff，然而却不存在E0，实际绕组里只存在
15、一个气隙电动势E，只有在负载除去后，E0才表现出来。 10-3 隐极同步发电机的电动势方程式、同步电抗和相量图 二、考虑饱和时的磁动势电动势相矢图 2、电压调整率： 所谓电压调整率，就是指当励磁电流保持不变，发电机从满载和额 定电压下逐渐甩去全部负载，电压变化的百分数。即 E0为对应于额定负载和额定电压时得励磁电流下得空载电动势 UN为额定相电压。10-4 凸极同步发电机的双反应理论 一、双反应理论 凸极同步发电机的电枢磁场分布及双反应理论的提出： 凸极同步发电机的气隙是不均匀的，极弧下气隙较小，极间部分 气隙较大，因此同一电枢磁破动势作用在不同的位置时，电枢反 应将不一样10-4 凸极同步发
16、电机的双反应理论 1、双反应理论凸极同步发电机的电枢磁场分布及双反应理论的提出：双反应理论的基本思想：当电枢 磁动势 的轴线既不和直轴又不 和交轴重合时，可以把电枢磁动 势 分解成直轴分量 和交轴分量 ，然后分别分析直轴和交 轴电枢磁动势的电枢反应，最后 再把它们的的效果迭加起来。 这种考虑到凸极电机中气隙的不 均匀性，把电枢反应分为直轴和 交轴电枢反应的处理方法，叫做 双反应理论。 10-5 凸极同步发电机的电动势方程式、同步电抗和相量图 二、不考虑饱和时的相量图1、电磁关系：2、电动势方程式：各物理量的规定正方向与图1011所示。10-5 凸极同步发电机的电动势方程式、同步电抗和相量图 二
