第六章-航空同步电机

《第六章-航空同步电机》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第六章-航空同步电机（119页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、n6.1 航空同步发电机基本结构和额定数据航空同步发电机基本结构和额定数据n6.2 同步发电机的空载特性及电枢反应同步发电机的空载特性及电枢反应n6.3 同步发电机的电压方程、等效电路和相量图同步发电机的电压方程、等效电路和相量图n6.4 同步发电机的功率、转矩同步发电机的功率、转矩n6.5 航空单相同步发电机航空单相同步发电机n6.6 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行第六章第六章 航空同步电机航空同步电机2n同步电机也是一种常用的交流电机。同步电机也是一种常用的交流电机。n与感应电机相比较，特点是，稳态运行时，转子的转速与感应电机相比较，特点是，稳态运行时，转子的转速n n与极对数与

2、极对数p p和频率和频率f f之间具有固定不变的关系：之间具有固定不变的关系：n同步转速同步转速n从原理上看，同步电机既可用作为发电机，也可用作为电从原理上看，同步电机既可用作为发电机，也可用作为电动机或补偿机。现代发电站中的交流发电机几乎全部都是动机或补偿机。现代发电站中的交流发电机几乎全部都是同步发电机，在工矿企业和电力系统中，同步电动机和补同步发电机，在工矿企业和电力系统中，同步电动机和补偿机也有使用。偿机也有使用。 同步电机同步电机 回顾同步电机的原理回顾同步电机的原理转子绕组通以直流电转子绕组通以直流电流形成分布磁场，流形成分布磁场，匝链定子上的各相绕匝链定子上的各相绕组。组。定子上

3、嵌放有定子上嵌放有对称对称三三相绕组相绕组a-x、b-y、c-z设磁场在气隙中按正弦分布设磁场在气隙中按正弦分布n设设转子以恒定速度旋转转子以恒定速度旋转n定子绕组中所匝链的磁通按正弦定子绕组中所匝链的磁通按正弦规律变化，其感应电势按正弦规规律变化，其感应电势按正弦规律变化。律变化。n由于各相匝数相等，从而各相电由于各相匝数相等，从而各相电势的大小相等，由于各相绕组空势的大小相等，由于各相绕组空间分布彼此相距间分布彼此相距120，从而三相，从而三相电势时间相位差电势时间相位差120满足了满足了三相电势对称要求三相电势对称要求。原动机拖动，则为同步发电机5n这个交流电势的频率这个交流电势的频率f

4、 f决定于电机的极对数决定于电机的极对数p p和转子每分钟和转子每分钟的转数的转数n(r/min)n(r/min)。由于每一转对应。由于每一转对应p p对磁极，转子每秒钟对磁极，转子每秒钟转数为转数为n n6060，因此每秒钟有，因此每秒钟有pn/60pn/60个对磁极切割定子导线，个对磁极切割定子导线，使它的感应电势交变使它的感应电势交变pn/60pn/60个周期，换句话说，该电势的个周期，换句话说，该电势的频率为：频率为：n当电机的极对数和转速一定时、它发出交流电势的频率也是当电机的极对数和转速一定时、它发出交流电势的频率也是一定的。一定的。n我国电力系统规定，交流电的频率为我国电力系统规

5、定，交流电的频率为50Hz50Hz，例：电机为一对，例：电机为一对极，它的转速必定是极，它的转速必定是3000r/min3000r/min。6nf与与n之间这种固定关系，是同步电机的一个特征。之间这种固定关系，是同步电机的一个特征。n若定子三相电枢绕组与三相负载相连，则三相定子若定子三相电枢绕组与三相负载相连，则三相定子绕组中流通三相电流，产生三相合成旋转电枢磁势，绕组中流通三相电流，产生三相合成旋转电枢磁势，基波转速基波转速n1n即，电枢磁势与转子同转速、同转向即，电枢磁势与转子同转速、同转向同步。同步。n即，电枢磁势与转子磁势二者同步、相对静止。即，电枢磁势与转子磁势二者同步、相对静止。7

6、同步电机做电动机：同步电机做电动机：n三相定子绕组与电源接通，产生三相合成基波磁三相定子绕组与电源接通，产生三相合成基波磁势，转速为同步速：势，转速为同步速：n同时转子直流励磁产生恒定主极磁场；同时转子直流励磁产生恒定主极磁场；n两个磁场间有相互电磁力作用，使得电枢磁场拖两个磁场间有相互电磁力作用，使得电枢磁场拖着主极磁场同步转动，转子转速着主极磁场同步转动，转子转速n=n1。航空同步发电机恒频方法航空同步发电机恒频方法6.1 航空同步发电机基本结构和额定数据航空同步发电机基本结构和额定数据6.1.1 航空同步发电机基本结构航空同步发电机基本结构10一、同步电机分类：一、同步电机分类：旋转电枢

7、式旋转电枢式（内枢式）：电枢旋转，主极固（内枢式）：电枢旋转，主极固定，因电枢功率不易由滑动部分送出，只适定，因电枢功率不易由滑动部分送出，只适于较小容量发电机，实用少。于较小容量发电机，实用少。同步电机同步电机旋转磁极式旋转磁极式（内极式）：磁极旋转，电枢（内极式）：磁极旋转，电枢固定，电枢功率由静止部分送出，可传送固定，电枢功率由静止部分送出，可传送较大功率，实用广，是同步发电机的基本较大功率，实用广，是同步发电机的基本结构型式。结构型式。11旋转磁极式旋转磁极式隐极式转子隐极式转子：不计齿槽时气隙均匀；机械强度：不计齿槽时气隙均匀；机械强度高，适用于高转速；一般用于汽轮发电机；外高，适用

8、于高转速；一般用于汽轮发电机；外形细长。形细长。凸极式转子凸极式转子：气隙不均匀，极弧下较小，极间：气隙不均匀，极弧下较小，极间较大；机械强度比隐极机低，适用于低转速；较大；机械强度比隐极机低，适用于低转速；一般用于水轮发电机，外形扁盘形。（一般用于水轮发电机，外形扁盘形。（航空电航空电机机多用此形式）多用此形式）2)、定子绕组：由许多线圈按一定规律连接而成。大容量电机由于尺寸大，制成半匝式（线棒），每个线棒由若干铜线并在一起，分成一排或两排，两个线棒的一端焊在一起，即成一个线圈。3)、机座：固定和支撑定子铁心，并形成风道。二、同步电机的基本结构同步电机的基本结构(一)、隐极同步电机（卧式）隐

9、极同步电机（卧式）1)、定子铁心：由0.5mm厚的硅钢片叠成，沿轴向分成好几叠，每叠36cm，叠与叠之间留有宽0.81cm的通风沟。1、定子定子：包括定子铁心、定子绕组、机座、端盖等。2)、励磁绕组：用扁铜线绕成同心式线圈，嵌放在大齿两侧的转子槽中，并用非磁性硬铝槽楔压紧。3)、护环：为使励磁绕组可靠地固定在转子上，绕组端部还要套上用高强度非磁性钢锻成的护环。1)、转子铁心：一般用整块的导磁性好的高强度合金钢锻成，转子表面约2/3部分铣有轴向凹槽，用于嵌放励磁绕组，不铣槽的约1/3部分形成大齿，即磁极。2、转子转子：包括转子铁心、励磁绕组、护环、风扇等。2)、定子绕组：大、中容量凸极电机采用波

10、绕组，小容量凸极电机采用叠绕组。3)、机座：固定和支撑定子铁心，并形成风道。因直径大，通常采用分瓣机座。(二)、凸极同步电机（卧式或立式）凸极同步电机（卧式或立式）1)、定子铁心：由0.5mm厚硅钢片叠成，因直径大，一般采用几片扇形硅钢片拼成一个圆形。1、定子定子：包括定子铁心、定子绕组、机座等。卧式卧式：同步电动机、同步补偿机和用内燃机或冲击式水轮 机拖动的同步发电机。立式立式：低速、大容量水轮发电机和大型水泵用同步电动机。3)、阻尼绕组：由插入磁极极靴槽中的铜条和两端的端环焊成一个闭合绕组。在发电机不对称运行时，起削弱负序旋转磁场，抑制转子机械振荡的作用。2)、转轴：用高强度钢锻成。因转速

11、低，转子铁心与转轴分开锻造。1)、转子铁心：即磁极，采用T尾或鸠尾与磁轭连接，磁轭与转轴间用转子支架支撑着，转子支架固定在转轴上。2、转子转子：包括转子铁心、转轴、励磁绕组、阻尼绕组等。三、三、同步电机的励磁方式同步电机的励磁方式指同步电机获得直流励磁电流的方式；指同步电机获得直流励磁电流的方式；而供给励磁电流的整个系统，称为励磁系统。而供给励磁电流的整个系统，称为励磁系统。(一一)、直流励磁机励磁系统直流励磁机励磁系统：用同轴直流发电机供给励磁。：用同轴直流发电机供给励磁。(二二)、整流器励磁系统整流器励磁系统： (用晶闸管取代直流发电机电刷和换向器用晶闸管取代直流发电机电刷和换向器)1、静

12、止整流器励磁系统静止整流器励磁系统：1)、他励式他励式：用同轴交流主励磁机发出交流电，经静止半导体整流：用同轴交流主励磁机发出交流电，经静止半导体整流器整流后供给励磁。器整流后供给励磁。2)、自励式自励式：(取消了交流励磁机取消了交流励磁机)取自同步发电机输出的交流电，经晶闸管整流后供给励磁。取自同步发电机输出的交流电，经晶闸管整流后供给励磁。2、旋转整流器励磁系统旋转整流器励磁系统： (取消了同步发电机取消了同步发电机集电环和电刷集电环和电刷) 用用同轴转枢式交流主励磁机发出交流电，经同步发电机转子上的同轴转枢式交流主励磁机发出交流电，经同步发电机转子上的半导体整流器整流后供给励磁半导体整流

13、器整流后供给励磁，称为无刷励磁系统。称为无刷励磁系统。6.1.2 航空同步发电机的型号和额定数据航空同步发电机的型号和额定数据1、额定容量额定容量SN (或额定功率或额定功率PN ) ：额定运行时电机的输出功率。额定运行时电机的输出功率。 同步发电机同步发电机SN (kVA)或或PN (kW)；同步电动机同步电动机PN (kW)； 同步补偿机同步补偿机SN (kvar)。2、额定电压额定电压UN：额定运行时定子绕组的线电压，单位为伏额定运行时定子绕组的线电压，单位为伏(V)。3、额定电流额定电流IN：额定运行时定子绕组中的线电流，额定运行时定子绕组中的线电流， 单位为安单位为安(A)。4、额定

14、功率因数额定功率因数cos 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。5、额定频率额定频率 fN：额定运行时电枢的频率，我国工频为额定运行时电枢的频率，我国工频为50赫赫(Hz)。6、 额定转速额定转速nN：额定运行时电机的转速，为同步转速额定运行时电机的转速，为同步转速ns； 单位为转单位为转/分分(r/min)。还有绝缘等级、允许温升、额定励磁电压和额定励磁电流等。还有绝缘等级、允许温升、额定励磁电压和额定励磁电流等。ACBSN空载运行空载运行：同步发电机被原动机拖动以同步转速旋转，励磁绕组通入直：同步发电机被原动机拖动以同步转速旋转，励磁绕组通入直流励磁电流，电枢绕组开路或

15、电枢电流为零的情况。流励磁电流，电枢绕组开路或电枢电流为零的情况。设转子设转子顺时针旋转顺时针旋转紫色为流入紫色为流入红色为流出红色为流出ns6.2 同步发电机空载特性及电枢反应同步发电机空载特性及电枢反应6.2.1 同步发电机空载运行及特性同步发电机空载运行及特性主磁路包括气隙、电枢齿、电枢轭、磁极极身和转子轭主磁路包括气隙、电枢齿、电枢轭、磁极极身和转子轭五部分。五部分。主极磁通主极磁通主磁通主磁通主极漏磁通主极漏磁通1、空载时的电磁关系空载时的电磁关系转子转子励磁电流励磁电流I If f 励磁磁势励磁磁势F Ff f气隙气隙 空载主磁通空载主磁通0 0定子定子三相对称空载电势三相对称空载

16、电势E E0A0A、 E E0B0B、 E E0C0C定子电流定子电流I I0 02、三相感应电动势的大小、三相感应电动势的大小 三相定子绕组对称，因此三相电动势大小相等， 相位互差120电角度。 设 E0为相电动势有效值，A相初相角为0，则：相电动势的有效值在同步转速下，激磁电动势在同步转速下，激磁电动势E0与励磁电流与励磁电流 If 之间的之间的关系曲线关系曲线E0= f ( If )，称为同步电机的空载特性。称为同步电机的空载特性。3、空载特性空载特性0 E0= f ( If )E0,0 If , Ff气隙线空载特性 If0 UN电机的磁化曲线0= f ( Ff )E0空载额定电压时主磁

17、路饱和系数 If0E0=f(If)E00、FfIf0=f(If)、E0=f(Ff)、0=f(Ff)：改改变If，可改，可改变E0，得空，得空载特性曲特性曲线。22图图6-15 6-15 空载特性曲线空载特性曲线l铁磁材料的导磁率则是非线性的，随铁磁材料的导磁率则是非线性的，随F Ff f(I(If f) )大小而变化。大小而变化。F Ff f较小：较小：很大，且变化不大，很大，且变化不大，0 0和和F Ff f呈线性关系；呈线性关系；F Ff f较大：较大：变小，随变小，随F Ff f继续加大继续加大而变得更小（饱和、非线性）。而变得更小（饱和、非线性）。l空载特性空载特性类似电机磁路类似电机

18、磁路磁化曲线。磁化曲线。l0 0和和F Ff f有关，还和磁路的饱和情况有关。同步发电机的磁有关，还和磁路的饱和情况有关。同步发电机的磁路由气隙和铁磁材料路由气隙和铁磁材料( (磁极、转子磁轭、定子铁心、齿等磁极、转子磁轭、定子铁心、齿等) )两两大部分组成。空气的导磁率很小，是常数，磁通与大部分组成。空气的导磁率很小，是常数，磁通与F Ff f或或I If f呈呈线性关系。线性关系。23为合理利用材料，空载额定为合理利用材料，空载额定电压一般设计在空载特性的电压一般设计在空载特性的弯曲处，如图中的弯曲处，如图中的c c点。点。任何一台电机的空载特性实任何一台电机的空载特性实际上也反映了它的磁

19、化曲线。际上也反映了它的磁化曲线。从磁路计算可知一台电机的从磁路计算可知一台电机的磁化曲线实际上只决定于电磁化曲线实际上只决定于电机各段铁心和气隙的尺寸以机各段铁心和气隙的尺寸以及铁心的材料，当电机制成及铁心的材料，当电机制成后，其磁化曲线即确定不变。后，其磁化曲线即确定不变。气隙线气隙线励磁电流较小时，由于磁通较小，电机磁路没有饱和，励磁电流较小时，由于磁通较小，电机磁路没有饱和，空载特性呈直线，将其延长后的直线称气隙线。空载特性呈直线，将其延长后的直线称气隙线。24 空载特性可以通过计算或试验得到。试验测定的方法与空载特性可以通过计算或试验得到。试验测定的方法与直流发电机类似。同步电机的空

20、载特性也常用标么值表示，直流发电机类似。同步电机的空载特性也常用标么值表示，空载电势以额定电压为基值，此时的励磁电流空载电势以额定电压为基值，此时的励磁电流 ( (称为额定励称为额定励磁电流磁电流) )为励磁电流的基值。用标么值表示的空载特性具有典为励磁电流的基值。用标么值表示的空载特性具有典型性，不论电机容量的大小，电压的高低，其空载特性彼此型性，不论电机容量的大小，电压的高低，其空载特性彼此非常接近。非常接近。 电机学 第六章 同步电机25n n1 1n n1 1v空载时，同步电机中只有一个空载时，同步电机中只有一个n n1 1旋转的励磁磁势旋转的励磁磁势F Ff f，它，它在电枢绕组中感

21、应出三相对称交流电势在电枢绕组中感应出三相对称交流电势( (励磁电动势励磁电动势E E0 0) )。v电枢绕组接三相对称负载后，电枢绕组和负载一起构成电枢绕组接三相对称负载后，电枢绕组和负载一起构成闭合通路，通路中流过的是三相对称的交流电流，三相对闭合通路，通路中流过的是三相对称的交流电流，三相对称电流流过三相对称绕组时将会产生一个以称电流流过三相对称绕组时将会产生一个以n n1 1旋转的旋转旋转的旋转磁势磁势F Fa a，与主极旋转磁场与主极旋转磁场F Ff f“同步同步”。电枢磁势电枢磁势6.2.2 同步电机的电枢反应同步电机的电枢反应26结论：结论：n随轴同转的随轴同转的转子磁势转子磁势

22、F Ff f ( (称为机械旋转磁势称为机械旋转磁势) )；电枢旋转磁电枢旋转磁势势F Fa a( (称为电气旋转磁势称为电气旋转磁势) )。转速均为同步速。转速均为同步速n n1 1，而且转向一，而且转向一致，二者在空间处于相对静止状态，可以用矢量加法将其致，二者在空间处于相对静止状态，可以用矢量加法将其合成为一个合成为一个合成磁势合成磁势F F。n因此，气隙中的磁场由主极磁场与电枢磁场二者合成。因此，气隙中的磁场由主极磁场与电枢磁场二者合成。气气隙磁场可以看成是由合成磁势隙磁场可以看成是由合成磁势F F在电机的气隙中建立起来的在电机的气隙中建立起来的磁场。也是以同步转速磁场。也是以同步转速

23、n n1 1旋转的旋转磁场。旋转的旋转磁场。F F27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波形波形大小大小位置位置转速转速励磁磁励磁磁势势正弦正弦波波恒定，由励磁恒定，由励磁电流决定电流决定由转子位由转子位置决定置决定由原动机的由原动机的转速决定转速决定电枢反电枢反应磁势应磁势正弦正弦波波恒定，由电枢恒定，由电枢电流决定电流决定由电流瞬由电流瞬时值决定时值决定由电流的由电流的f f和和p p决定决定281.1.电枢反应定义：电枢反应定义：空载时空载时F Ff1 f1 F Fa a FF改变改变E E、U U改变。改变。实践证明，当对称三相负载性质不同时实践证明，当对称三相负

24、载性质不同时( (如感性、容性或电如感性、容性或电阻性阻性) )，发电机端压变化规律也不同。原因：电枢磁场对主，发电机端压变化规律也不同。原因：电枢磁场对主极磁场的影响不同。极磁场的影响不同。u同步发电机对称负载时，电枢磁势同步发电机对称负载时，电枢磁势F Fa a对励磁磁势对励磁磁势F Ff f影影响，气隙磁场的大小和位置发生变化，这一现象称为响，气隙磁场的大小和位置发生变化，这一现象称为电枢反应电枢反应。F F292.电枢反应会对电机性能产生重大影响电枢反应会对电机性能产生重大影响n电枢反应的性质（去磁、增磁或交磁）决定于空间相量电枢反应的性质（去磁、增磁或交磁）决定于空间相量F Fa a

25、和和F Ff1f1之间的相对位置，这一相对位置仅与时间相量之间的相对位置，这一相对位置仅与时间相量 0 0和和 之之间的相位差间的相位差相关连。即取决于以相关连。即取决于以E E0 0作为电动势供电的相作为电动势供电的相回路内总电抗与总电阻的比值，故回路内总电抗与总电阻的比值，故称为称为内功率因数角内功率因数角。其大小由负载的性质决定。其大小由负载的性质决定。n不同于不同于功率因数角功率因数角( (电机端压电机端压U U和电枢电流和电枢电流I I的夹角的夹角) )。30三个角三个角四个轴四个轴 313. 正方向规定正方向规定1.1.相绕组轴线相绕组轴线正方向：假定相绕组首端正方向：假定相绕组首

26、端(A(A，B B，C)C)电流方向为电流方向为“. .”，尾端，尾端(X(X，Y Y，Z)Z)电流方向为电流方向为“”，按右手螺旋，得，按右手螺旋，得A A、B B、C C三三个相轴线，空间互差个相轴线，空间互差120120空间电角，组成空间固定坐标系统。空间电角，组成空间固定坐标系统。2.2.转子转子d d轴和轴和q q轴轴正方向：规定转子正方向：规定转子N N极磁力线穿出的方向，极磁力线穿出的方向，d d轴轴；逆；逆转子转向转过转子转向转过9090空间电角，空间电角，q q轴轴。由于转子旋转，。由于转子旋转，d d轴和轴和q q轴随转轴随转子转动组成空间旋转坐标系统。子转动组成空间旋转坐

27、标系统。3.3.时间矢量图的规定：沿用电时间矢量图的规定：沿用电路规定，取时间坐标轴线路规定，取时间坐标轴线j j，固定不动。各时间矢量均以同固定不动。各时间矢量均以同一角速度一角速度=2=2f f逆时针旋转，逆时针旋转，各时间矢量在时轴上的投影为各时间矢量在时轴上的投影为其瞬时值，当时间矢量与时轴其瞬时值，当时间矢量与时轴j j重合时，表示该时刻该时间重合时，表示该时刻该时间矢量的瞬时值达最大值。矢量的瞬时值达最大值。324 4、时、时- -空矢量图空矢量图F Ff1f1及及 0 0在在d d轴上，轴上，E E0 0在在q q轴上轴上,F,Fa a与与I I重合。将重合。将F Fa a分解：

28、分解：幅值：幅值：F Fadad=F=Fa asinsin 直轴分量直轴分量 F Faqaq=F=Fa acoscos 交轴分量交轴分量A相相轴相相轴 (A相时轴相时轴)(1)任一相的电流相量与该电流系统产生的合成磁动势矢量重合；任一相的电流相量与该电流系统产生的合成磁动势矢量重合；(2)旋转磁场与任一相绕组交链的磁通相量与旋转磁场的磁密波矢旋转磁场与任一相绕组交链的磁通相量与旋转磁场的磁密波矢量重合；量重合；(3)忽略磁滞、涡流影响时，旋转磁场的磁密波矢量与产生它的磁忽略磁滞、涡流影响时，旋转磁场的磁密波矢量与产生它的磁动势矢量重合；动势矢量重合；(4)磁通与其感应电动势的正方向符合右手螺旋

29、定则时，电动势相磁通与其感应电动势的正方向符合右手螺旋定则时，电动势相量滞后于产生它的磁通相量量滞后于产生它的磁通相量90。把时间相量图和空间矢量图画在一起，称为把时间相量图和空间矢量图画在一起，称为时空矢量图时空矢量图。对于对称多相系统，在时空矢量图中对于对称多相系统，在时空矢量图中，若，若每一相都取自己每一相都取自己的相轴作为时轴的相轴作为时轴，则，则存在下列关系：存在下列关系：同步发电机同步发电机A相电流相电流 达最大值时的时空矢达最大值时的时空矢量图量图时轴时轴 A轴轴一、负载性质对电枢反应的影响负载性质对电枢反应的影响BC轴轴ACZXYB轴轴设电流尾进设电流尾进首出为正，首出为正，(

30、1)纯电阻负载纯电阻负载：电枢电流：电枢电流 与激磁电动势与激磁电动势 同相时同相时 (0=0)SNd轴轴(a) 空间矢量图空间矢量图(c) 时时空矢量图空矢量图(b) 时间相时间相量图量图q 轴轴紫色为流入紫色为流入红色为流出红色为流出ns设转子设转子顺时针旋转顺时针旋转d轴轴 A轴轴q 轴轴时轴时轴取主极轴线超前取主极轴线超前A相轴线相轴线90的时刻绘图的时刻绘图nF Ff1f1超前超前F Fa a9090，二者正交，二者正交，F Ff1f1作用在直轴上；而作用在直轴上；而F Fa a作用在交轴上，作用在交轴上，这种作用在交轴上的电枢反应称为这种作用在交轴上的电枢反应称为交轴电枢反应交轴电

31、枢反应，简称交磁作用。，简称交磁作用。35I IE Ea aE E0 0E E电枢反应的影响：电枢反应的影响：1.1.合成磁势合成磁势F F 的轴线位置从空载时直轴处逆转子转向的轴线位置从空载时直轴处逆转子转向后移一个锐角，改变磁场分布。形成后移一个锐角，改变磁场分布。形成F Ff1f1“拖着拖着”F F 同步转动，主极转子受到电磁制动性质的转矩。同步转动，主极转子受到电磁制动性质的转矩。2.2.幅值较空载时略有增大。幅值较空载时略有增大。3.3.I I和和E E0 0同相，发电机有有功功率输送到电网，同步同相，发电机有有功功率输送到电网，同步电机处于发电运行状态。电机处于发电运行状态。时轴时

32、轴 A轴轴BC轴轴ACZXYB轴轴(2)纯电感负载纯电感负载：电枢电流：电枢电流 滞后激磁电动势滞后激磁电动势 90时时 (0=90) SNd轴轴(a) 空间矢量图空间矢量图(c) 时时空矢量图空矢量图(b) 时间相时间相量图量图q 轴轴nsd轴轴 A轴轴q 轴轴时轴时轴l F Fa a滞后滞后F Ff1f1180180二者反相，二者反相，F Ff1f1和和F Fa a一同作用在直轴上，方一同作用在直轴上，方向相反，电枢反应为纯去磁作用，合成磁势的幅值减小，向相反，电枢反应为纯去磁作用，合成磁势的幅值减小，这一电枢反应称为这一电枢反应称为直轴去磁电枢反应直轴去磁电枢反应。 37电枢反应的影响：

33、电枢反应的影响：1.1.F Ff1f1和和F Fa a在在d d轴上，轴上，F Fa a对对F Ff1f1起去磁作用，合成磁势起去磁作用，合成磁势F F 的幅值减小。的幅值减小。2.2.F F 与与F Ff1f1都在都在d d轴上，两者之间没有切向作用力，轴上，两者之间没有切向作用力，没有电磁转矩，不进行机电能量转换。没有电磁转矩，不进行机电能量转换。E E0 0I I a a=90 时轴时轴 A轴轴BC轴轴ACZXYB轴轴(3)电容负载电容负载：电枢电流：电枢电流 超前激磁电动势超前激磁电动势 90时时 (0=90) SNd轴轴(a) 空间矢量图空间矢量图(c) 时时空矢量图空矢量图(b)

34、时间相时间相量图量图q 轴轴nsd轴轴 A轴轴q 轴轴时轴时轴F Fa a和和F Ff1f1与之间的夹角为与之间的夹角为0 0，即二者同相，一同作用在直轴上，即二者同相，一同作用在直轴上，电枢反应为纯助磁作用，合成磁势的幅值增大，这一电枢反应电枢反应为纯助磁作用，合成磁势的幅值增大，这一电枢反应称为称为直轴增磁电枢反应直轴增磁电枢反应。 39电枢反应的影响：电枢反应的影响：1.1.=-90=-90时纵轴电枢反应磁动势时纵轴电枢反应磁动势F Fa a对主极磁动势对主极磁动势F Ff f起助磁作用，使合成气隙场增强。起助磁作用，使合成气隙场增强。2.2.F Fa a、F Ff f同轴二者不产生切向

35、力和电磁转矩，不进同轴二者不产生切向力和电磁转矩，不进行机电能量转换。行机电能量转换。时轴时轴 A轴轴BC轴轴ACZXYB轴轴(4)一般情况下的电枢反应一般情况下的电枢反应电枢电流电枢电流 滞后激磁电动势滞后激磁电动势 一个锐角一个锐角 (0090) SNd轴轴(a) 空间矢量图空间矢量图(c) 时时空矢量图空矢量图(b) 时间相时间相量图量图q 轴轴nsd轴轴 A轴轴q 轴轴时轴时轴42一般情况一般情况=(0=(09090) ) 滞后滞后 0 0一个锐角一个锐角 nF Fa a和和F Ff1f1与之间的夹角与之间的夹角9090为分析电枢反应，将为分析电枢反应，将F Fa a分解：分解：n电流

36、产生磁动势，把电枢电流分解为两个分量：电流产生磁动势，把电枢电流分解为两个分量：对应磁动势对应磁动势F Fadad和和F Faqaq A轴轴q 轴轴时轴时轴43电枢反应的影响：电枢反应的影响：1.1.交轴电枢反应磁动势交轴电枢反应磁动势F Faqaq（I Iq q）改变磁场分布，使得气隙改变磁场分布，使得气隙合成磁动势交轴分量合成磁动势交轴分量滞后主极磁动势所在的滞后主极磁动势所在的d d轴。轴。F F 。定转子间产生切向力和有电磁转矩，进行机电能量转换。定转子间产生切向力和有电磁转矩，进行机电能量转换。2.2.直轴电枢反应磁动势直轴电枢反应磁动势F Fadad（I Id d）对主极磁动势有去

37、磁作用，对主极磁动势有去磁作用，使合成气隙磁动势减小。使合成气隙磁动势减小。 A轴轴q 轴轴时轴时轴小结：小结：(1)(1)、电枢反应的性质与激磁电动势、电枢反应的性质与激磁电动势 和电枢电流和电枢电流的夹角的夹角0 0( (即内功率因数角即内功率因数角) )有关。有关。(2)(2)、电枢反应的性质有交磁、去磁、增磁三种。、电枢反应的性质有交磁、去磁、增磁三种。(3)(3)、交轴电枢反应是实现机电能量转换的关键，、交轴电枢反应是实现机电能量转换的关键，因为只有交轴电枢反应才产生制动性质的电磁转矩，因为只有交轴电枢反应才产生制动性质的电磁转矩，原动机必须克服制动电磁转矩做功，从而将机械能原动机必

38、须克服制动电磁转矩做功，从而将机械能转变成电能。转变成电能。(1)(1)0 00 0时，为交轴电枢反应，作用是使气隙磁场轴线从空时，为交轴电枢反应，作用是使气隙磁场轴线从空载时的直轴处逆转向后移了一个锐角，主磁场超前气隙磁场，载时的直轴处逆转向后移了一个锐角，主磁场超前气隙磁场，主极上受到制动性质的电磁转矩，使发电机转速降低，影响发主极上受到制动性质的电磁转矩，使发电机转速降低，影响发电机有功功率的输出。电机有功功率的输出。(2)(2)0 09090时，为直轴去磁电枢反应，作用是使气隙磁场削时，为直轴去磁电枢反应，作用是使气隙磁场削弱，发电机端电压下降，影响发电机无功功率的输出。弱，发电机端电

39、压下降，影响发电机无功功率的输出。(3)(3)0 0-90-90时，为直轴增磁电枢反应，作用是使气隙磁场增时，为直轴增磁电枢反应，作用是使气隙磁场增强，发电机端电压上升，影响发电机无功功率的输出。强，发电机端电压上升，影响发电机无功功率的输出。0 00 0、9090和和9090时时电电枢枢反反应应的的性性质质、作作用用和和对对电机功率传递的影响？电机功率传递的影响？46当当角为不同值的电枢反应角为不同值的电枢反应 位置夹角记作电枢反应性质对电机的影响=负载性质n(f)U=00q轴+900交轴波形畸变下降不变R=900d轴+900直、去削弱不变下降L=-900d轴+900直、助增强不变上升C00

40、900d、q轴+900交、直去削弱下降下降 R、L-90000d、q轴+900交、直助增强下降上升R、C47总结：总结：n同步电机的运行方式可以由同步电机的运行方式可以由来判断：来判断：作作发电机：机： -/2/2作作电动机：机：/23/2n电枢反枢反应改改变了定了定转子磁子磁动势之之间夹角，角，该夹角大小决定了能量角大小决定了能量传递的方向。的方向。6.3 同步发电机的电压方程、等效电路和相同步发电机的电压方程、等效电路和相量图量图6.3.1 同步发电机的电压平衡方程和等效电路同步发电机的电压平衡方程和等效电路x 电枢漏电抗。电枢漏电抗。491 1、凸极机：气隙不均匀、凸极机：气隙不均匀n直

41、轴：气隙短，磁阻小；交轴：气隙长，磁阻大。直轴：气隙短，磁阻小；交轴：气隙长，磁阻大。nF Fa a相同，作用于圆周气隙上不同位置，其产生的气隙磁场和每相同，作用于圆周气隙上不同位置，其产生的气隙磁场和每极磁通量不相同，故需分解为直轴、交轴两分量分别讨论极磁通量不相同，故需分解为直轴、交轴两分量分别讨论-双双反应理论。反应理论。一、凸极同步电机的双反应理论一、凸极同步电机的双反应理论6.3.2 不饱和凸极同步发电机的电压平衡方程不饱和凸极同步发电机的电压平衡方程和相量图和相量图50主磁极的励磁磁势和磁密的分布状况主磁极的励磁磁势和磁密的分布状况n由于磁极上放集中励磁绕由于磁极上放集中励磁绕组，

42、作用在一个极下气隙组，作用在一个极下气隙各个位置的磁势都一样，各个位置的磁势都一样，磁势曲线为矩形波；但气磁势曲线为矩形波；但气隙不均匀，极间气隙较大，隙不均匀，极间气隙较大，磁密较少。其气隙磁密分磁密较少。其气隙磁密分布为平顶波，基波分量为布为平顶波，基波分量为正弦波。正弦波。2 2、双反应理论、双反应理论直轴和交轴电枢反应磁势与磁密分布状况直轴和交轴电枢反应磁势与磁密分布状况nd轴电枢磁场中间强，两边逐渐减弱；轴电枢磁场中间强，两边逐渐减弱；nq轴电枢磁场呈马鞍形形状。轴电枢磁场呈马鞍形形状。52n同步发电机内功率因数角同步发电机内功率因数角0 09090，此时，此时F Fa a的幅值位置

43、处的幅值位置处在落后在落后d d轴轴+90+90处，此处气隙处，此处气隙大小不易确定；负载改变，大小不易确定；负载改变，角改变，则角改变，则F Fa a幅值位置相应改变，对应气隙幅值位置相应改变，对应气隙也是变动的。也是变动的。nF Fa a的轴线既不与直轴又不与交轴重合时，可把的轴线既不与直轴又不与交轴重合时，可把F Fa a分解为分解为F Fadad 、F Faqaq，然后分别求直轴、交轴电枢反应，最后将它们的效果进，然后分别求直轴、交轴电枢反应，最后将它们的效果进行叠加行叠加双反应理论（双反应理论（BlondelBlondel提出）提出）一般情况下一般情况下53F Fadad和和F Fa

44、qaq折算折算 n凸极机分析电枢反应影响的方法是将电枢磁动势引凸极机分析电枢反应影响的方法是将电枢磁动势引起的电动势计入电机总电动势中求取合电动势。起的电动势计入电机总电动势中求取合电动势。n由磁动势求取电动势时，使用电机的空载特性。因由磁动势求取电动势时，使用电机的空载特性。因此在分析凸极机时，应分别此在分析凸极机时，应分别将将F Fadad和和F Faqaq折算成相当的折算成相当的d d轴转子励磁电动势轴转子励磁电动势，才能查取空载特性以求得相，才能查取空载特性以求得相应的电动势，具体进行折算时引入了折算系数应的电动势，具体进行折算时引入了折算系数K Kadad和和K Kaqaq。543

45、3、直轴、交轴的折算、直轴、交轴的折算把电枢（定子）磁动势折算到励磁绕组（转子绕组）侧。把电枢（定子）磁动势折算到励磁绕组（转子绕组）侧。v励磁磁动势励磁磁动势F Ff f的基波磁通密度的基波磁通密度B Bf1f1：F Ff f-方波，恒作用于方波，恒作用于d d轴轴k kf f -波形系数波形系数 k kd d -正弦波正弦波F Fadad作用于作用于d d轴的波形系数轴的波形系数 为为方波与基波之间关系式方波与基波之间关系式v类似地类似地55正弦波正弦波Faq (马鞍形）作用于马鞍形）作用于q轴等效到轴等效到d轴上的基波磁通密轴上的基波磁通密度：度：直轴、交轴正弦波电枢（定子）磁动势折算为

46、方波（转子绕直轴、交轴正弦波电枢（定子）磁动势折算为方波（转子绕组）励磁磁动势组）励磁磁动势 56k kadad=k=kd d/k/kf f 直轴电枢磁动势折算系数直轴电枢磁动势折算系数k kaqaq=k=kq q/k/kf f 交轴电枢磁动势折算系数交轴电枢磁动势折算系数物理意义：建立同样大小的基波磁场时，单位安匝的直轴物理意义：建立同样大小的基波磁场时，单位安匝的直轴或交轴正弦磁动势（或交轴正弦磁动势（F Fadad、F Faqaq）所对应的等效的方波励磁）所对应的等效的方波励磁磁动势（磁动势（F Fadad 、F Faqaq ）57 二、不饱和时的负载运行二、不饱和时的负载运行1 1、电

47、磁关系（叠加原理计算、电磁关系（叠加原理计算E E0 0）582 2、电势方程：、电势方程： 磁路不饱和，有磁路不饱和，有Ead ad Fad Fad Id Eaq aq Faq Faq Iq n直轴电枢磁势直轴电枢磁势F Fadad引起定子相绕组中直轴电枢反应电动势引起定子相绕组中直轴电枢反应电动势E Eadad；所对应的电枢电抗称为；所对应的电枢电抗称为直轴电枢反应电抗直轴电枢反应电抗X Xadad；n交轴电枢磁势交轴电枢磁势F Faqaq引起定子相绕组中交轴电枢反应电动势引起定子相绕组中交轴电枢反应电动势E Eaqaq；所对应的电枢电抗称为；所对应的电枢电抗称为交轴电枢反应电抗交轴电枢反

48、应电抗X Xaqaq；59X Xd d=X=Xadad+X+X 直轴同步电抗直轴同步电抗 X Xq q=X=Xaqaq+X+X 交轴同步电抗交轴同步电抗60思考：思考： X Xd d直轴同步电抗（直轴同步电抗（X Xadad）和）和X Xq q交轴同步电抗交轴同步电抗（X Xaqaq）哪个大一些？）哪个大一些？n凸极电机，凸极电机，d d轴气隙轴气隙q q q nX XadadXXaq aq X Xd dXXq qn隐极机，气隙均匀，隐极机，气隙均匀，X Xd dX Xq q 3 3、 直轴、交轴同步电抗的意义直轴、交轴同步电抗的意义N N1 1：电枢绕组每相的串联匝数：电枢绕组每相的串联匝数

49、d d、q q：交直轴的磁导：交直轴的磁导61图图 凸极同步电机电枢反应磁通和漏磁通所经磁路及其磁导凸极同步电机电枢反应磁通和漏磁通所经磁路及其磁导aq aq ( (aqaq) ) ( () )F FadadF Faqaqad ad ( (adad) ) ( () )62633 3、相量图、相量图 由电势平衡方程直接作出由电势平衡方程直接作出64画相量图注意事项：画相量图注意事项：n已知条件：发电机的端电压已知条件：发电机的端电压 、电流、电流 、负载的功率因数角、负载的功率因数角以及电机的参数以及电机的参数R Ra a、X Xd d和和X Xq q外；外；n还必须先把电枢电流分解成直轴和交轴

50、两个分量，为此须还必须先把电枢电流分解成直轴和交轴两个分量，为此须先确定先确定角，而角，而角无法用仪表测得角无法用仪表测得引入虚拟电势。引入虚拟电势。RQ=IRQ=Iq qX Xq q/cos/cos = =IXIXq qR RQ Qj j X Xq q方法：从方法：从R R点画垂直于点画垂直于 的直的直线并与线并与 0 0相量交于相量交于Q Q点，得到点，得到线段线段RQRQ，RQRQ与相量与相量jIjIq qX Xq q间夹间夹角为角为，有：，有：虚拟电势虚拟电势65 不计饱和时，凸极同步电机不计饱和时，凸极同步电机相量图实际做法：相量图实际做法：根据根据角，作出角，作出 和和 ；画出相量

51、画出相量 Q Q，确定，确定Q Q点，点，OQOQ与与 的的夹角即角即为角；角；根据求出的根据求出的角，把角，把 分解分解为 d d和和 q q；从从R R点依次做点依次做j j X Xd d和和j j X Xq q，得，得到端点到端点T T，连接接OTOT，即，即为 0 0。66 及及E E0 0的求取：的求取：: : 与与 之间的夹角之间的夹角标量法：根据相量图进行代数运算，标量法：根据相量图进行代数运算，运算简单运算简单tantan =(IX=(IXq q+Usin+Usin )/(IR)/(IRa a+Ucos+Ucos ) )E E0 0=Ucos=Ucos +IR+IRa acos

52、cos +IX+IXd dsinsin 6.3.3 计饱和凸极同步发电机计饱和凸极同步发电机 1 1、磁路不饱和：采用叠加原理求解、磁路不饱和：采用叠加原理求解 “电动势合成电动势合成” Ff1f1 0 0 Fa a a a Ea a . .E0 02 2、磁路饱和：、磁路饱和： “磁动势合成磁动势合成”磁场（磁场（ 、B B）不再满足线性叠加条件，但由安培环路不再满足线性叠加条件，但由安培环路定律，磁动势定律，磁动势(F)(F)可叠加可叠加, ,故求解方法为：故求解方法为： F =Ff1f1+Fa a E E = Ea a+. .E0 0. . .68假设：假设： d d轴（轴（直轴）饱和、

53、直轴）饱和、q q轴（交轴）不饱和；交直轴磁轴（交轴）不饱和；交直轴磁路分开计算，不计交叉饱和的路分开计算，不计交叉饱和的影响。影响。（叠加原理不再适用，双反（叠加原理不再适用，双反应理论仍采用）应理论仍采用）nq q轴：在正常运行时，由于凸极电机轴：在正常运行时，由于凸极电机q q轴磁路气隙大，不易饱轴磁路气隙大，不易饱和，故可认为和，故可认为q q轴电枢反应电轴电枢反应电抗抗X Xaqaq不受磁路饱和的影响为恒不受磁路饱和的影响为恒值；值；nd d轴：磁路气隙小，磁路易饱和，当磁路饱和时，磁导轴：磁路气隙小，磁路易饱和，当磁路饱和时，磁导adad，故，故X Xadad。u磁路饱和：磁路饱和

54、：X XadadXXadsads（饱和值），（饱和值），X Xd dXXdsds( (饱和值饱和值) )，且大，且大小随磁路饱和程度不同而不同。小随磁路饱和程度不同而不同。不饱和不饱和饱和饱和691 1、电磁关系、电磁关系n磁路饱和时，电磁关系磁路饱和时，电磁关系nF F 均为基波磁动势折算到励磁绕组的等效励磁磁动势均为基波磁动势折算到励磁绕组的等效励磁磁动势702 2、电势方程：、电势方程：nq q轴气隙大，磁路接近线性，轴气隙大，磁路接近线性，X Xaqaq为恒值：为恒值：n漏电势漏电势：d d轴（轴（直轴）饱和、直轴）饱和、q q轴（交轴）不饱和轴（交轴）不饱和713 3、相量图、相量图

55、72n隐极机：气隙均匀。只要隐极机：气隙均匀。只要F Fa a相同，不管它作用于圆周气相同，不管它作用于圆周气隙上任何位置，其产生的气隙磁场和每极磁通量都相同，隙上任何位置，其产生的气隙磁场和每极磁通量都相同，故不需分解为直轴、交磁两分量分别讨论，可整体考虑电故不需分解为直轴、交磁两分量分别讨论，可整体考虑电枢反应的影响。枢反应的影响。6.3.4 隐极同步发电机隐极同步发电机73 1 1、磁路不饱和：采用叠加原理求解、磁路不饱和：采用叠加原理求解 “电动势合成电动势合成” Ff1f1 0 0 Fa a a a Ea a . .E0 02 2、磁路饱和：、磁路饱和： “磁动势合成磁动势合成”磁场

56、（磁场（ 、B B）不再满足线性叠加条件，但由安培环路不再满足线性叠加条件，但由安培环路定律，磁动势定律，磁动势(F)(F)可叠加可叠加, ,故求解方法为：故求解方法为： F =Ff1f1+Fa a E E = Ea a+. .E0 0. . .74正方向规定：正方向规定：75一、不饱和时：一、不饱和时：1 1、电磁关系、电磁关系 叠加原理计算叠加原理计算E E 762 2、电势方程：、电势方程：77EEa aII；时间相位上，；时间相位上， a a滞后于滞后于a a以以9090电角度，若不电角度，若不计定子铁耗计定子铁耗,a a与与 同相位，同相位， a a滞后于滞后于 9090电角度。写电

57、角度。写成负电抗压降的形式成负电抗压降的形式（电枢反应的影响量化）（电枢反应的影响量化）：电枢反应电动势电枢反应电动势E Ea a电枢反应磁通电枢反应磁通a a；不计磁饱和；不计磁饱和时，电枢反应磁通时，电枢反应磁通a a电枢磁动势电枢磁动势F Fa a电枢电流电枢电流I I：78n电枢磁动势电枢磁动势F Fa a产生的漏磁通产生的漏磁通，所引起漏电动势，所引起漏电动势E E与电枢电流与电枢电流I I间有正比关系，也可写成压降形式，即间有正比关系，也可写成压降形式，即X Xa a称为电枢反应电抗，是一相参数，表示单位电枢电流引起称为电枢反应电抗，是一相参数，表示单位电枢电流引起的电枢反应电动势

58、大小。的电枢反应电动势大小。注意：注意：I Ia a、E Ea a虽是一相的值，但虽是一相的值，但X Xa a是定子三相对称电流系统是定子三相对称电流系统产生的电枢磁动势在定子一相绕组的影响，产生的电枢磁动势在定子一相绕组的影响，X Xa a是一个等值电是一个等值电抗。抗。79X Xs s: :隐极机隐极机同步电抗同步电抗，表征对称稳态运行时电枢反应基波磁，表征对称稳态运行时电枢反应基波磁场和漏磁场综合效应的电磁参数。场和漏磁场综合效应的电磁参数。是三相电枢电流产生的是三相电枢电流产生的全部磁通在某一相中的作用，全部磁通在某一相中的作用，是一个综合参数是一个综合参数物理意物理意义义。于是隐极同

59、步发电机电动势方程式于是隐极同步发电机电动势方程式:80n考虑电枢反应后的发电机内电动势考虑电枢反应后的发电机内电动势n发电机内阻抗，内电动势扣除发电机内发电机内阻抗，内电动势扣除发电机内电阻抗压降后，对外表现为电阻抗压降后，对外表现为Un内电动势、内阻抗内电动势、内阻抗激磁电动势 与端电压 的夹角称为功率角等效电路相量图3 3、相量图、相量图根据电动势方程式，画出隐极同步发电机相量图和等效电路根据电动势方程式，画出隐极同步发电机相量图和等效电路: :82从电路观点看，隐极同步发电机相当于从电路观点看，隐极同步发电机相当于励磁电势励磁电势E E0 0和同步阻抗和同步阻抗(R(Ra aX Xs

60、s) )串联的电串联的电路。路。R Ra a表示电枢电路的电阻，表示电枢电路的电阻，X Xs s表示电枢表示电枢基波旋转磁场基波旋转磁场( (电枢反应电枢反应) )。物理意义明显，电路简单，在工程分析物理意义明显，电路简单，在工程分析中广泛应用。中广泛应用。834、及及E0的求取：的求取：n ： 0 0与与 之间的夹角，内功率因数角之间的夹角，内功率因数角n ： 与与 之间的夹角，功率因数角之间的夹角，功率因数角n：功率角：功率角n + += = 1.1.矢量法：利用平衡方程求解矢量法：利用平衡方程求解, ,进行矢量运算。进行矢量运算。2.2.标量法：根据相量图进行代数运算，运算简标量法：根据

61、相量图进行代数运算，运算简单单 tan =(IXs+Usin )/(IRa+Ucos ) E0=Ucos +IRacos +IXssin 84二、考虑饱和时二、考虑饱和时 大多数情况下，同步发电机磁路都接近于饱和状态大多数情况下，同步发电机磁路都接近于饱和状态运行运行( (磁化曲线的膝部磁化曲线的膝部) )。计及饱和，磁动势。计及饱和，磁动势F F及其引起的及其引起的磁通磁通处于非线性关系。不能用叠加原理计算处于非线性关系。不能用叠加原理计算E E 分析方法：分析方法： 首先求出作用于磁路上的首先求出作用于磁路上的合成磁势，然后利用电机的合成磁势，然后利用电机的磁化曲线（空载特性）求出磁化曲线

62、（空载特性）求出气隙磁通和气隙电势。气隙磁通和气隙电势。考虑饱和（磁路非线性，不能应用叠加原理）考虑饱和（磁路非线性，不能应用叠加原理）1、电压方程、电压方程2、磁动势、磁动势电动势矢量图电动势矢量图具体计算时利用空载特性可直接求出气隙合成磁动势建立的具体计算时利用空载特性可直接求出气隙合成磁动势建立的气隙电动势，为此需要把基波电枢磁动势换算到阶梯形波的气隙电动势，为此需要把基波电枢磁动势换算到阶梯形波的主极磁动势上，即乘以电枢磁动势的换算系数主极磁动势上，即乘以电枢磁动势的换算系数ka。ka的意义是：产生同样大小的基波气隙磁场时，一安匝基波电枢的意义是：产生同样大小的基波气隙磁场时，一安匝基

63、波电枢 磁动势相当于多少安匝阶梯形波主极磁动势。磁动势相当于多少安匝阶梯形波主极磁动势。空载特性空载特性正弦波：正弦波：阶梯形波：阶梯形波：机械功率机械功率电磁电磁功率功率 电功率电功率功率转换流程图功率转换流程图机械损耗机械损耗定子铁耗定子铁耗杂散损耗杂散损耗电枢铜耗电枢铜耗6.4.1 功率方程功率方程设转子励磁损耗由独立的直流电源供给设转子励磁损耗由独立的直流电源供给6.4 同步发电机的功率、转矩同步发电机的功率、转矩相量图电磁功率电磁功率6.4.2 转矩方程转矩方程原动机驱动转矩原动机驱动转矩电磁转矩电磁转矩空载制动转矩空载制动转矩6.5 6.5 航空单相同步发电机航空单相同步发电机单相

64、同步发电机单相同步发电机单相电枢电流单相电枢电流脉振磁动势脉振磁动势正转磁动势正转磁动势反转磁动势反转磁动势同步转速同步转速n12倍同步转速倍同步转速n1与三相同步发与三相同步发电机相仿的电电机相仿的电枢反应枢反应感应电动势倍感应电动势倍频，附加损耗频，附加损耗增加增加补偿措施：采用全阻尼绕组，阻尼绕组形成反补偿措施：采用全阻尼绕组，阻尼绕组形成反转磁场感生电流，形成附加磁场，对反转磁场转磁场感生电流，形成附加磁场，对反转磁场起到去磁和抵消作用。起到去磁和抵消作用。航空航空单单相相同步发电机的形式同步发电机的形式92n单机供电的缺点：单机供电的缺点：1.1.不能保证供电质量不能保证供电质量(

65、(电压和频率的稳定性电压和频率的稳定性) )和可靠性和可靠性( (发生故障就得停电发生故障就得停电) )；2.2.无法实现供电的灵活性和经济性。无法实现供电的灵活性和经济性。n这些缺点可通过多机并联来改善。通过并联可将几这些缺点可通过多机并联来改善。通过并联可将几台电机或几个电站并成一个电网。现代发电厂都是台电机或几个电站并成一个电网。现代发电厂都是把几台同步发电机并联起来接在共同的汇流排上，把几台同步发电机并联起来接在共同的汇流排上，一个地区总有多个发电厂并联起来组成一个强大的一个地区总有多个发电厂并联起来组成一个强大的电力系统电力系统( (电网电网) )。现代发电厂都是联成大电力系统。现代

66、发电厂都是联成大电力系统。6.6 6.6 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行93电网供电优点：电网供电优点：1.提高了供电提高了供电可靠性可靠性。一台电机故障或检修不会引起停电。一台电机故障或检修不会引起停电事故。事故。2.提高了供电的提高了供电的经济性和灵活性经济性和灵活性。若水电厂与火电厂并联，。若水电厂与火电厂并联，在枯水期和旺水期两种电厂可以调配发电，旺水期水电在枯水期和旺水期两种电厂可以调配发电，旺水期水电多发电，枯水期火电多发电；用电高峰期和低谷期可灵多发电，枯水期火电多发电；用电高峰期和低谷期可灵活决定投入电网的发电机数量，提高发电效率和供电灵活决定投入电网的发电机数量，提

67、高发电效率和供电灵活性。活性。3.提高了提高了供电质量供电质量。电网容量大。电网容量大( (相对于单台发电机或个相对于单台发电机或个别负载可视为无穷大别负载可视为无穷大) )，单台发电机投入与停机、个别，单台发电机投入与停机、个别负载变化对电网影响甚微，衡量供电质量的电压和频率负载变化对电网影响甚微，衡量供电质量的电压和频率可视为恒定不变的常数。同步发电机并联到电网后其电可视为恒定不变的常数。同步发电机并联到电网后其电压、频率和电网一致不能单独变化。压、频率和电网一致不能单独变化。 946.6.1 6.6.1 并联投入的条件并联投入的条件l1 1、定义：把同步发电机并联至电网的过程称为投入并、

68、定义：把同步发电机并联至电网的过程称为投入并联联( (并列、并车、整步并列、并车、整步) )。并车时必须避免产生巨大的。并车时必须避免产生巨大的冲击电流，以防止同步发电机受到损坏（电磁冲击、冲击电流，以防止同步发电机受到损坏（电磁冲击、机械冲击），电网遭受干扰。机械冲击），电网遭受干扰。两台同步发电机并联运行：两台同步发电机并联运行：是电力系统中若干台发电是电力系统中若干台发电机并联后的机并联后的“等效等效”发电机；发电机；是待并联的发电机。是待并联的发电机。952、五个条件：、五个条件：波形相同波形相同正弦波正弦波频率相同频率相同f f接近接近幅值相同；幅值相同；相位相同相位相同接近接近相序

69、相同相序相同严格条件严格条件 若以上条件中的任何一个不满足则在开关两端会出若以上条件中的任何一个不满足则在开关两端会出现差额电压，如果闭合开关，在发电机和电网组成的回现差额电压，如果闭合开关，在发电机和电网组成的回路中必然会出现瞬态冲击电流。路中必然会出现瞬态冲击电流。 上述条件中相序一致是绝对条件，其它条件是相对上述条件中相序一致是绝对条件，其它条件是相对的，因为通常电机可以承受一些小的冲击电流。的，因为通常电机可以承受一些小的冲击电流。 96五个条件的决定因素：五个条件的决定因素：1.1.波形相同波形相同制造厂保证，认为基本上是正弦波制造厂保证，认为基本上是正弦波2.2.频率相同频率相同调

70、节原动机转速调节原动机转速3.3.幅值相同幅值相同调节发电机励磁电流调节发电机励磁电流4.4.相位相同相位相同合闸瞬间电位合闸瞬间电位5.5.相序相同相序相同在规定转向下，发电机三相出线已在规定转向下，发电机三相出线已标明其相序标明其相序ABCABC，只要和电网的各相对应连接即，只要和电网的各相对应连接即可保证相序相同。可保证相序相同。并联，主要考虑并联，主要考虑973 3、并联条件不满足的影响、并联条件不满足的影响I.I.若若f fff，频率不同，频率不同 0 0与与 之间有相对运动之间有相对运动两相量两相量间的相角差将在间的相角差将在0 0360360之间变化，之间变化， 电压差忽大忽小。

71、电压差忽大忽小。l频率相差越大，这个变化越剧烈。投入并联的操作越困频率相差越大，这个变化越剧烈。投入并联的操作越困难，若投入电网，也不易同步，将在电机和电网之间引难，若投入电网，也不易同步，将在电机和电网之间引起很大的电流和功率振荡。起很大的电流和功率振荡。发电机投入并联的示意图发电机投入并联的示意图变化电压差变化电压差(拍振电压拍振电压)拍振电流拍振电流交变力矩交变力矩(发电机振动发电机振动)和功率振和功率振荡荡98II.若若 0 0与与 大小不等，或相位不同，把发电机投入并联，大小不等，或相位不同，把发电机投入并联，则相当于出突加电压差则相当于出突加电压差U U引起的瞬态过程，将在发电引起

72、的瞬态过程，将在发电机与电网中产生一定的冲击电流。严重时，该电流可达机与电网中产生一定的冲击电流。严重时，该电流可达额定电流的额定电流的58倍。倍。综上所述，为了避免投入并联时引起电流、功率和转综上所述，为了避免投入并联时引起电流、功率和转矩的冲击，最好同时满足上述三个条件。矩的冲击，最好同时满足上述三个条件。 0 0与与 大小不等大小不等相位不同相位不同电压差电压差强大环流强大环流巨大电磁巨大电磁力力(破坏绕组破坏绕组)和冲击力矩和冲击力矩(转轴转轴受冲击受冲击)III. 相序不同相序不同绝不允许并联绝不允许并联100思考思考：同步发电机的并联和变压器的：同步发电机的并联和变压器的并联有何异

73、同？并联有何异同？n相同点：相序一致、电压相等、相同点：相序一致、电压相等、f接近接近n不同点：不同点：同步：同步：If可以调节，总能保证各台发电机端电可以调节，总能保证各台发电机端电压相等，但压相等，但E0不一定相等。同步电抗数值不能不一定相等。同步电抗数值不能确定负载电流的分配，即使有不同的同步电抗，确定负载电流的分配，即使有不同的同步电抗，也可以并联运行。也可以并联运行。变压器：必须有相同的短路阻抗。变压器：必须有相同的短路阻抗。投入投入并联的方法并联的方法(1)、准确整步法（准确同步法、准确同期法）、准确整步法（准确同步法、准确同期法）把发电机调整到完全合乎并联条件，然后投入电网，称把

74、发电机调整到完全合乎并联条件，然后投入电网，称为准确整步。为准确整步。为了投入并联所进行的调节和操作过程，称为整步过程。为了投入并联所进行的调节和操作过程，称为整步过程。将发电机调整到符合并联条件时，称发电机达到同步或同期。将发电机调整到符合并联条件时，称发电机达到同步或同期。将发电机投入电网，称为并网、并列、或并车。将发电机投入电网，称为并网、并列、或并车。准确整步法准确整步法优点优点：无冲击电流；：无冲击电流；缺点缺点：操作复杂。：操作复杂。(2)、自整步法（自同步法、自同期法）自整步法（自同步法、自同期法）电力系统发生故障时，电压、频率均在变化，很难调整电力系统发生故障时，电压、频率均在

75、变化，很难调整到到完全合乎并联条件完全合乎并联条件，为把发电机迅速投入电网，采用，为把发电机迅速投入电网，采用自整步法，事故后能迅速合闸，但冲击电流大。自整步法，事故后能迅速合闸，但冲击电流大。自整步法自整步法优点优点：操作简单、迅速；：操作简单、迅速；缺点缺点：有冲击电流。：有冲击电流。102n在许多场合下，常常用发电机的励磁电动势在许多场合下，常常用发电机的励磁电动势E E0 0，端，端电压电压U U、E E0 0和和U U之间的功率角之间的功率角以及电机的参数来表以及电机的参数来表示电磁功率。示电磁功率。n稳态功角特性：同步发电机并入电网后，当稳态功角特性：同步发电机并入电网后，当E E

76、0 0和和U U保持不变时，保持不变时，P Pemem=f()=f()。n功角特性是同步电机的基本特性之一。通过它可以功角特性是同步电机的基本特性之一。通过它可以研究同步电机接在电网运行时发出的有功功率，并研究同步电机接在电网运行时发出的有功功率，并进一步揭示机组的稳定性和阐明发电机状态与电动进一步揭示机组的稳定性和阐明发电机状态与电动机状态之间的联系和转化。机状态之间的联系和转化。n下面先研究不计电枢电阻时的功角特性。下面先研究不计电枢电阻时的功角特性。6.6.2 同步发电机与电网并联运行及功角特性同步发电机与电网并联运行及功角特性103一、电磁功率一、电磁功率由由P Pemem=P=P2

77、2+P+PCu1Cu1=mUIcos=mUIcos +mI+mI2 2R Ra a P Pemem P P2 2=mUIcos=mUIcos =mUIcos(=mUIcos( - - ) ) =mUI(cos=mUI(cos coscos +sin+sin sinsin ) ) =mUI =mUIq qcoscos + +mUImUId dsinsin 内功率因数角：内功率因数角：功角：功角： = =- - ，表示发电机的励磁电势表示发电机的励磁电势 0 0和端电压和端电压 之间相角差。功角之间相角差。功角 对于对于研究同步电机的功率变化和运行的稳研究同步电机的功率变化和运行的稳定性有重要意义

78、定性有重要意义。中大型同步发电机：电枢电阻中大型同步发电机：电枢电阻 N N) )，较长时间后会使电机温升超过允许，较长时间后会使电机温升超过允许值，甚至损坏电机，所以值，甚至损坏电机，所以k kM M仅表示电机具有的静态稳定工仅表示电机具有的静态稳定工作的能力。作的能力。113n主要参数：主要参数：x xd d、x xq q、x xs s等。等。n用转差法可测凸极机的用转差法可测凸极机的x xd d和和x xq q值。值。 6.6.3 同步发电机的参数同步发电机的参数 实验时加的低电压，电枢电流较小，磁势较小，实验时加的低电压，电枢电流较小，磁势较小，磁路不饱和，测得的磁路不饱和，测得的x

79、xd d和和x xq q为不饱和值。为不饱和值。 一、同步发电机的稳态参数一、同步发电机的稳态参数114n励磁绕组开路（或经大电阻短路，以防过电压），励磁绕组开路（或经大电阻短路，以防过电压），I If f=0=0；n用外力拖动转子转动，使用外力拖动转子转动，使n n接近接近n n1 1，转差率，转差率s s 1%1%；n定子绕组外加额定频率三相对称电压定子绕组外加额定频率三相对称电压( (低压低压0.020.020.150.15U UN N) )，测量定子电压及对应电流。用示波器拍摄，测量定子电压及对应电流。用示波器拍摄转子励磁绕组开路电压、定子电压和电流波形。转子励磁绕组开路电压、定子电压

80、和电流波形。 u转差法测量同步电抗的实验步骤：转差法测量同步电抗的实验步骤：115转差法试验时转子转差法试验时转子开路电压开路电压及及定子电压定子电压和和电流电流波形波形 116转子与定子旋转磁场有相对运动，旋转磁场轴线不转子与定子旋转磁场有相对运动，旋转磁场轴线不断和转子断和转子d d 轴或轴或q q 轴重合，定子电抗随旋转磁场与轴重合，定子电抗随旋转磁场与转子主极相对位置的变化，在转子主极相对位置的变化，在x xd d 最大值与最大值与x xq q 最小值最小值之间周期性变动。之间周期性变动。旋转磁场轴线与旋转磁场轴线与d d 轴一致时，磁阻最小，轴一致时，磁阻最小，x xd d 最大，最

81、大，定子电流最小定子电流最小I Iminmin，由于供电线路压降最小，故定子，由于供电线路压降最小，故定子每端电压为最大每端电压为最大U Umaxmax，忽略定子电阻，则，忽略定子电阻，则u转差法测量同步电抗的实验步骤：转差法测量同步电抗的实验步骤：117X Xd dX XadadX X n nn1U U最大，最大，I I最小时，最小时， 在在d d 轴上，为直轴同步电抗：轴上，为直轴同步电抗：u转差法测量同步电抗的实验步骤：转差法测量同步电抗的实验步骤：118X Xq qX XaqaqX X n nn n1 1U U最小，最小，I I最大时，最大时， 在在q q轴上，为交轴同步电抗：轴上，为交轴同步电抗：u转差法测量同步电抗的实验步骤：转差法测量同步电抗的实验步骤：二、同步发电机的动态参数二、同步发电机的动态参数交轴动态电抗交轴动态电抗直轴动态电抗直轴动态电抗