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1、同步电机的基本理论与运行特性同步电机的基本理论与运行特性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流形成分布磁场，匝链定子上的各相绕组。定子上嵌放有对称三相绕组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l设转子以恒定速度旋转转子以恒定速度旋转l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律变化。l由于各相匝数相等，从而各相电势的大小相等，由于各相绕组空间分布彼此相距120，从而三相电势时间相位差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，则为同步发电机当对称的三相电流流过对称的三相绕组时，当对称的三相电流流过对称的三相绕组
2、时，合成磁势为一旋转磁势合成磁势为一旋转磁势定子绕组磁势产生的气隙圆形气隙圆形旋转磁场旋转磁场与转子励磁产生的磁场有相同的极对数，磁极相互吸引，驱动转子旋转同步同步电动机电动机一、同步电机的结构一、同步电机的结构同步电机的型式与构造1.基本构造型式2.汽轮机3.水轮机基本构造型式基本构造型式l组成：固定的定子和可旋转的转子l分：磁极旋转式和电枢旋转式。l磁极旋转式以电枢为定子，磁极为转子。使磁极旋转，激磁电流通过集电环送入激磁绕组。l旋转电枢式应用于小容量同步电机 磁极旋转式同步电机磁极旋转式同步电机l 定子、转子、气隙定子、转子、气隙l定子定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律
3、排列的三相对称交流绕组三相对称交流绕组。这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组 l转子转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场(也称主磁场、转子磁场)。 l气隙气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性能有重大影响。 发电机原理发电机原理示意示意l主磁场的建立：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。 l 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。
4、l切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。l 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，即可提供交流电源。l 感应电势 频率： 感应电势的频率决定于同步电机的转速n 和极对数p ，即l交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。同步转速同步转速l同步转速 从供电品质考虑，由众多同步发电机并联构成的交流电网的频率应该是一个不变的值，要求发电要求
5、发电机的频率应该和电网的频率一致机的频率应该和电网的频率一致。我国电网的频率为50Hz ，故有： l发电机的转速必须为某些固定值同步转速。例如2极电机的同步转速为3000r/min，4极电机的同步转速为1500r/min，依次类推。只有运行于同步转速，同步电机才能正常运行。电动机原理电动机原理l将同步电机定子绕组接至三相交流电源，频率为f的三相交流电流将在电机气隙中产生转速为同步转速n1的旋转磁场。l在一定条件下旋转磁场将吸住转子磁极一起旋转，它们有相同的转速和转向有相同的转速和转向无相对运动无相对运动l转子转速为同步转速 n60fp l同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大
6、型同步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。 同步补偿机运行同步补偿机运行l电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。 l过激时，有超前的无功功率，如电容器凸极式转子凸极式转子l凸极式转子上有明显凸出的成对磁极和励磁线圈l当励磁线圈中通过直流励磁电流后，每个磁极就出现一定的极性，相邻磁极交替为 N 极和 S 极l对水轮发电机来说，由于水轮机的转速较低，要发出工频电能，发电机的极数就比较多，做成凸极式结构工艺上较为简单。中小型同步电机多半也做成凸极式。隐极式转子隐极式
7、转子l隐极式转子上没有凸出的磁极l沿着转子本体圆周表面上，开有许多槽，这些槽中嵌放着励磁绕组。在转子表面约1/3部分没有开槽，构成大齿大齿，是磁极的中心区。l励磁绕组通入励磁电流后，沿转子圆周也会出现 N 极和 S 极。l在大容量高转速汽轮发电机中，转子圆周线速度极高，最大可达170米/秒。为了减小转子本体及转子上的各部件所承受的巨大离心力，大型汽轮发电机都做成细长的隐极式圆柱体转子。 汽轮发电机汽轮发电机l以汽轮机或燃气轮机为原动机。汽轮机的运行性能在高速时较为经济，应有尽可能高的转速。火电站中汽轮发电机一般为两极隐极式。原子能电站的大型汽轮发电机一般采用4极隐极式。 l定子与异步电机相同，
8、定子铁心由0.35mm或0.5mm或其它厚度的电工钢片叠成。定子外径较小时，采用圆形冲片，当定子外径大于1m 时，采用扇形冲片。l转子隐极式转子，其外形常做成一个细长的圆柱体外形常做成一个细长的圆柱体为了减少高速旋转引起的离心力。转子铁心表面圆周上铣有许多槽，励磁绕组嵌放在这些槽内。 励磁绕组为同心式绕组，以铜线绕制，并用不导磁的槽楔用不导磁的槽楔将绕组紧固在槽内。l转轴经联轴器与汽轮机相联的一端为汽机端，称与励磁机相接的一端为励磁机端。l集电环：激磁绕组的两个出线端，通过装在励磁机侧的集电环经电刷与直流激磁电源接通。 汽轮发电机图汽轮发电机图汽轮发电机组汽轮发电机组水轮发电机水轮发电机l特点
9、极数多，直径大，轴向长度短极数多，直径大，轴向长度短，整个转子在外形上与汽轮发电机大不相同，具扁短形扁短形。大多数水轮发电机为立式。l定子铁心水轮发电机的直径很大，定子铁心由扇形电工钢片拼装叠成。为了散热的需要，定子铁心中留有径向通风沟。l定子绕组每槽内只有一线棒，称单层绕组。为改善电压波形，常为改善电压波形，常采用分数槽绕组采用分数槽绕组。l转子磁极由厚度为12mm的钢片叠成；磁极两端有磁极压板，用来压紧磁极冲片和固定磁极绕组。有些发电机磁极的极靴上开有一些槽，槽内放上铜条，并用端环将所有铜条连在一起构成阻尼绕组，其作用是用来拟制短路电流和减弱电机振荡，在电动机中作为起动绕组用。水轮发电机图
10、水轮发电机图分数槽绕组基本概念分数槽绕组基本概念l原因：水轮发电机由于极数很多，极距相对较小，每极每相槽数q就不可能太大，否则总槽数便过多，使制造工艺发生困难。若q取较小整数取较小整数，却不能充分利不能充分利用绕组分布的方法来削弱由非正弦波分布的磁场所感用绕组分布的方法来削弱由非正弦波分布的磁场所感应的电势中的谐波分量应的电势中的谐波分量。此外，q较小时齿谐波电势齿谐波电势的次数较低而数值较大的次数较低而数值较大。l水轮发电机和低速同步电动机的每极每相槽数q常不用整数，而用分数，例如采用q=b+c/d。分数槽绕组。 分数槽绕组示意分数槽绕组示意分数槽绕组意义分数槽绕组意义l把各个极对依此重叠起
11、来，则各不同极对下的齿和槽便不能各个重合。槽与槽之间有了一个位移角。位于各个极对下的每相导体的感应电势便必须用几何方法相加。l分数槽实现了极对与极对间的分布分数槽实现了极对与极对间的分布，与分布绕组实现了槽与槽的分布和短匝绕组实现了层与层的分布相似，都起着削弱谐波分量的作用。l在求分数槽绕组的分布因数时，应考虑极对与极对之间的分布。将各极对重叠，化成一台等效二极机，然后求出分布因数。 同步电机铭牌同步电机铭牌l电机型号l额定容量 SN (VA,kVA,MVA等) 或额定功率PN (W,kW,MW等) ：指电机输出功率输出功率的保证值。l额定电压 (V,kV等) ：额定时定子输出端线电压。l额定
12、电流 (A) ：指额定运行时定子的线电流。l额定功率因数 ：额定运行时输出电功率的功率因数。l额定频率 ：额定运行时电机电枢输出端电能的频率，我国标准工业频率规定为50Hz。l额定转速 ：额定运行时电机的转速，即同步转速。 同步电机名牌上还有其它的运行数据，如额定负载时的温升 、励磁容量 和励磁电压 ，定子绕组连接等。我国生产的汽轮发电机有QFQ、QFN、QFS等系列。前两个字母表示汽轮发电机；第三个字母表示冷却方式，Q表示氢外冷，N表示氢内冷，S表示双水内冷。系列：TS系列，T表示同步，S表示水轮。举例：QFS-300-2 表示容量为300MW双水内冷2极汽轮发电机。TSS1264/160-
13、48表示双水内冷水轮发电机，定子外径为1264厘米，铁心长为160厘米，极数为48。外同步电动机系列有TD、TDL等，TD表示同步电动机，后面的字母指出其主要用途。如TDG表示高速同步电动机；TDL表示立式同步电动机。同步补偿机为TT系列。思考题思考题l为什么同步电机不能有任意的转速？l如何从外形上区分汽轮发电机和水轮发电机？l定子电枢绕组安排的基本要求各相绕组感应电势对称二、同步电机的励磁系统二、同步电机的励磁系统1.基本概念2.励磁的要求3.励磁方式4.几种励磁系统概念概念l励磁方式同步电机获取直流直流励磁电流的方式l励磁系统供结励磁电流的整个系统，包括装置和线路励磁机励磁调节器（手动、自
14、动）灭磁装置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l为维持端电压或电网电压值，随负载情况变化，励磁电流能相应调节l当系统电压严重下降时（如发生短路故障等），能强行励磁提高电势，保持电压稳定l突然丢负荷时，如水轮机组转速明显升高，能强行减磁，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， 能快速灭磁和减磁，以减小故障的损坏程度。l对两台以上并列运行发电机， 能成组成组调节无功功率，使无功合理分配。l其他：反映迅速，运行可靠，结构简单，损耗小，成本低，体积小等强励指标强励指标l励磁电流增长幅度l励磁电流增长速度一般值，K=1.5-2，v=0.5
15、-1.0励磁方式励磁方式l它励由另外电源供电直流发电机，带整流的交流发电机运动方式同轴，独立工作l自励自并励，自复励，谐波绕组励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，待电压建立起来后再转为自励(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励磁机主励磁机的交流输出电流
16、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。它励式它励式在中小型同步发电机中，也可采用自励式整流系统在中小型同步发电机中，也可采用自励式整流系统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。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。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
17、绕组。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。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、同步电机的空载运行三、同步电机的空载运行1.空载磁势2.时空矢量3.空载电势4.电压波形畸变1、空载与空载磁势、空载与空载磁势l空载运行：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，电枢绕组不带任何负载时。l 空载运行是同步发电机最简单的运行方式，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 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，沿转子圆周气隙近似
18、均匀气隙近似均匀。l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,气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l合理地选择大齿的宽度可以使气隙磁密的分布接近正弦波。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，磁势波为矩形波矩形波l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分布不均气隙沿整个电枢圆周分布不均匀匀，极面下气隙较小，磁阻较小；极间气隙较大，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
19、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一系列谐波。 l感应电势的波形和大小与气隙磁密的分布形状及幅值大小紧密相关。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，从而得到较高品质的感应电势。 2 同步电机中的时空量同步电机中的时空量将相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）与空间矢量参考轴重合转子绕组轴线两极间中心线时间相量时间相量绕组的感应电势、电压和电流，匝链的磁通空间矢量空间矢量磁势和磁通密度（随时间变化）3 空载电势空载电势三相电势对称三相电势对称主主磁通磁通 0漏磁通漏磁通 只有主磁通才在
20、定子绕组中产生感应电势4 电压波形畸变电压波形畸变l定义：实际空载线电压波形与正弦波形的偏差程度。规定规定：空载及额定电压时，容量在300kVA之上时不超过5%，较小容量不超过10%。影响影响：危害用电设备（瞬时电压值可大大超过额定电压），导致线路附加损耗，高频辐射影响通讯。措施措施：使气隙磁密波形接近正弦波，定子采用分布和短距绕组，三相Y形接法消除三次及其倍数次谐波。四、对称运行时的电枢反应四、对称运行时的电枢反应l负载后磁势分析，电枢反应l概念：内功率因数角 l不同情况电枢反应分析4.1 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Ff随轴同转的转子
21、磁势 (称为机械旋转磁势机械旋转磁势) ，在电枢绕组中感应出三相对称交流电势，励磁电势，即空载电势E0。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 ，将形成一个以同步速度旋转的旋转磁势电枢磁势Fa电枢旋转磁势 (称为电气旋转磁势电气旋转磁势）。两个旋转磁势的转速均为同步速，且转向一致，二者在空间处于相对静止状态，矢量合成为一个合成磁势 。 气隙磁场 由合成磁势 在电机的气隙中建立起来的磁场。同步发电机负载以后，电机内部的磁势和磁场及绕组中感应电势将发生显著变化，此变化主要由电枢磁势的出现所致。 电枢反应电枢反应4.2内功率因数角内功率因数角 E0Ia 解释：时间相量解释：时
22、间相量Ia与与空间矢量空间矢量Fa同向同向电枢磁势Fa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；A相电流Ia如Ia最大，则Ia在相轴上，此时Fa正好在交轴上4.3 =0时的时的电枢反应分析电枢反应分析l输出电流 和空载电势同相，有功功率从电机输至电网发电机状态发电机状态。l0，cos1，sin0，不发出无功功率不发出无功功率。 转子磁势在直轴上，电枢磁势作用在交轴上，电枢反应的结果使得合成磁势的轴线位置产生一定的偏移，幅值发生一定的变化。作用在交轴上的电枢反应称为交轴电枢反应，简称交磁作用 解释：时间相量解释：时间相量Ia与与空间矢量空间矢量Fa同向同向电枢磁势Fa三
23、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；A相电流Ia如Ia最大，则Ia在相轴上，此时Fa正好在交轴上交轴交轴电枢反应电枢反应Fa滞后于滞后于Ff1发电机发电机4.4 =/2 时的时的电枢反应分析电枢反应分析l输出电流滞后于空载电势90，cos0，sin1，有功功率等于零，仅发出电感性无功功率发出电感性无功功率。 直轴电枢反应直轴电枢反应 转子磁势和电枢磁势均作用在直轴上，方向相反，电枢反应为纯去磁作用，合成磁势的幅值减小直轴去磁电枢反应直轴去磁电枢反应。为保持电压不变，应增大励磁，即为过激状态，将输出电感性无功功率 4.5 = 时的时的电枢反应分析电枢反应分析lI与E
24、0反相。cos1，sin0，有功功率将从电网输送到电机电动机运行状态电动机运行状态。 lsin0，不发出无功功率不发出无功功率。 交轴交轴电枢反应电枢反应Fa超前于超前于Ff1电动机电动机转子磁势作用在直轴上，电枢磁势作用在交轴上，电枢反应使合成磁势的轴线位置产生一定的偏移，幅值发生一定的变化。4.6 =-/2 时的时的电枢反应分析电枢反应分析l输出电流超前空载电势90，cos0，sin1，有功功率等于零，仅发出电容性无功功率发出电容性无功功率，或吸收电感性无功功率。 直轴电枢反应直轴电枢反应转子磁势和电枢磁势均作用在直轴上，方向一致，合成磁势的幅值加大，电枢反应为纯增磁作用直轴助磁助磁电枢反
25、应。 为保持电压不变，应减少励磁，即为欠激状态，将输出电容输出电容性无功功率性无功功率 4.7 为任意角度时的电枢反应为任意角度时的电枢反应l将电枢磁势分解为直轴和交轴两个分量。交轴分量Faq滞后于Ff1为发电机运行，超前于Ff1为电动机运行，分别对应于输出和输入有功功率。直轴分量Fad可能是磁化或去磁作用，当去磁作用时，处于过激状态。当直轴电枢磁势起磁化作用时，接在电网上的同步电机处于欠激状态。 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）电枢反应是实现能量转换的关键电枢反应是实现能量转换的关键l同步电机空载运行时，定子绕组开路，没
26、有负载电流：不存在电枢反应，不存在电枢反应，不存在由转子到定子的能量传递不存在由转子到定子的能量传递。当同步发电机带有负载时，就产生了电枢反应电枢反应。 不同负载性质时，电枢磁场与转子电流产生不同性质的电磁力和电磁转产生不同性质的电磁力和电磁转矩矩。实现能量的传递实现能量的传递 （a)：电枢反应交轴作用，电磁力与旋转方向相反，为了维持发电机的转速不变，必须随着有功负载的变化调节原动机的输入功率（b）（c）：电枢反应直轴作用，b为去磁，c为助磁，为保持发电机的端电压不变，必须随着无功负载的变化相应地调节转子的激磁电流。五、不计饱和分析隐极同步发电机五、不计饱和分析隐极同步发电机l当不考虑磁路饱和
27、现象时，可以应用叠加原理：假设转子磁场与电枢磁场分别在定子绕组中感应电势。转子磁场感应的电势为空载电势；电枢磁场感应的电势为电枢反应电势。l定子回路（每相）电压平衡式 5.1 隐极发电机的等效电路隐极发电机的等效电路lE0空载电势，反应转子磁场的作用lEa电枢反应电势，反应电枢磁场的作用。是三相合成电枢反应磁场在一相绕组中的感应电势。5.2 隐极电机电枢反应电抗隐极电机电枢反应电抗xal当三相对称电枢电流流过电枢绕组时，将产生旋转的电枢磁势 ，在电机内部产生跨过气隙的电枢反应磁通 和不通过气隙的漏磁通 ，分别在电枢各相绕组中感应出电枢反应电势 和漏磁电势 。 l 与电枢电流 的大小成正比(不计
28、饱和)，比例常数称 为电枢反应电抗。考虑到相位关系后，每相电枢反应电势为： 物理意义：电枢反应磁场在定子每相绕组中感应的电枢反应电势，可以看作相电流所产生的一个电抗电压降Xa推导推导电枢磁势基波振幅电枢磁场基波振幅每极电枢磁通 电枢反应电势电枢反应电抗 隐极电机同步电抗隐极电机同步电抗 xs对应于定子绕组的漏磁通对应于定子电流所产生的空气隙旋转磁场 定子旋转磁势是三相电流联合产生的，幅值为每相脉动磁势幅值的3/2倍。磁通在绕组中的感应电势用相电流 在电抗上的压降表示，为每相值xs5.3 隐极发电机的相量图隐极发电机的相量图在作相量图时，假设已知：发电机的端电压，电枢电流，负载功率因数角，同步电
29、抗。根据方程式求得励磁电势 步骤1：在水平方向作出相量 U步骤2：根据角作I 的方向并作出相量 步骤3：在U 的尾端加上 Ira 和 相量jIx0 ，它超前于I 90 得到E相量步骤4：再加上相量jIxa，得到E0相量5.3 隐极发电机的相量图隐极发电机的相量图功角功角 E0与U间的夹角，与功率有关位移角位移角i 空间矢量Ff1与F间的相位角，反映负载后磁势的位移附、电枢反应磁势的折算附、电枢反应磁势的折算l磁路不饱和时，分别由磁势-磁密-感应电势，然后进行叠加。l考虑磁路饱和，则叠加原理不适用。必须先合成磁势，利用磁化曲线，确定产生合成的磁场及其合成感应电势。l电枢磁势折算为等效的转子磁势，
30、并与原转子磁势合成为等效的气隙合成磁势。l隐极机与凸极机气隙形状不一样，有不同的折算结果。附附.1 隐极机电枢反应磁势的折算隐极机电枢反应磁势的折算l折算原则：产生相等的基波磁场产生相等的基波磁场l由于气隙均匀，则需基波磁势振幅相等基波磁势振幅相等l转子磁势ff，阶梯波，振幅为Ff，基波振幅为Ff1=kfFf。电枢反应磁势基波分量fa，正弦分布，振幅为Fa设折算至转子磁势的折算值为Fa（阶梯形分布），相应的基波分量振幅为kfFa依据折算原则，则kfFa = Fa即： 隐极机气隙磁场简单计算隐极机气隙磁场简单计算思考题思考题l12-3 同步电抗对应于什么磁通?为什么说同步电抗是三相电流产生的电抗
31、而它的数值又是每相值？每相同步电抗与每相绕组本身的激磁电抗有什么区别? l哪些是空间矢量?哪些是时间相量?如何理解电流相量与电枢磁势“同相”? 三相电流通过对称三相绕组时产生电枢磁势（为三相合成磁势，空间矢量），幅值总是和具有最大电流的相绕组轴线重合。当某相电流最大时，电流相量在时间轴上。在时空图上，取时间轴与相绕组轴线（空间轴）重合，则有电流相量与电枢磁势“同相”重合。六、不计饱和凸极电机的分析六、不计饱和凸极电机的分析l凸极同步机的气隙不均匀凸极同步机的气隙不均匀在极面下的磁导大，两极之间的磁导小。l同一电枢磁势波作用在气隙不同处，会遇到不同的磁阻，产生不同的磁密。F=，B= Sl双双反反
32、应应法法电枢基波磁势Fa分解为直轴上的直轴电枢反应磁势Fad和交轴上的交轴电枢反应磁势Faq。l根据直轴和交轴的磁导，分别求出直轴和交轴的磁通密度波及磁通。l求出在每相定子绕组中直轴电枢反应电势Ead和交轴电枢反应电势Eaq。l双反应法的基础是，当不计饱和时，适用叠加原理，用双反应法来分析凸极同步电机。6.1 电路方程与等效电路电路方程与等效电路电枢反应电枢反应Fad磁通磁通ad电枢反应电枢反应Faq磁通磁通aq机械旋转机械旋转Ff 磁通磁通0定子绕组漏磁场定子绕组漏磁场 6.2 直轴电枢反应电抗直轴电枢反应电抗xadl直轴电枢反应磁势fad 基波振幅为 l磁通密度分布波的振幅l磁通密度波基波
33、分量振幅 l直轴电枢反应基波每极磁通 l感应产生的直轴电枢反应电势 kd的数值，一般在081之间，它和磁极下的最大、最小气隙之比值及极弧与极距之比值等数值有关 气隙越大，则磁阻越大，电枢反应电抗越小6.3 交轴电枢反应电抗交轴电枢反应电抗xaqkq的数值，一般在040.6之间 6.4 同步电抗同步电抗l主要受电枢反应电抗的影响，与电枢绕组匝数平方N2成正比，与磁导成正比l铁心饱和程度提高，则磁导减小l气隙增大，则磁导减小l激磁绕组匝数增加，如不改变磁路饱和程度，则同步电抗不变6.5 凸极发电机的相量图凸极发电机的相量图l由负载性质，作出U和I相量l 确定E0的方向，得到内功率因数角l分解负载电
34、流Id=Isin ,Iq=Icos l得到E06.6 电抗简单比较说明电抗简单比较说明l变压器激磁电抗标幺值为几十（无气隙，磁阻小，主磁通大），Im在0.02-1标幺值l异步电机激磁电抗标幺值为几（气隙小，磁阻小，对应空载气隙主磁通），Im在0.2-0.5标幺值l同步电机同步电抗标幺值：隐极机在0.9-3.5，凸极机在0.6-1.6（交轴0.4-1.0），由于气隙大，磁阻大附、电枢反应磁势的折算附、电枢反应磁势的折算l磁路不饱和时，分别由磁势-磁密-感应电势，然后进行叠加。l考虑磁路饱和，则叠加原理不适用。必须先合成磁势，利用磁化曲线，确定产生合成的磁场及其合成感应电势。l电枢磁势折算为等效的
35、转子磁势，并与原转子磁势合成为等效的气隙合成磁势。l隐极机与凸极机气隙形状不一样，有不同的折算结果。附附.2 凸极机电枢反应磁势的折算凸极机电枢反应磁势的折算l气隙不均匀，电枢磁势波与磁密波有不同波形，折算条件：产生相同的基波磁密产生相同的基波磁密。l假设：不考虑交、直轴磁场间的相互影响（主要是对磁路饱和程度的影响）l交、直轴电枢反应磁场波形不同，分别进行折算。凸极机转子励磁磁势凸极机转子励磁磁势l激磁磁势ff为矩形波振幅为 Ff=NfIf产生的磁密波近似矩形bf 振幅为Bf基波分量 bf1 振幅为Bf1直轴电枢反应的折算直轴电枢反应的折算l直轴电枢反应磁势fad基波振幅为Fad磁场磁密波ba
36、d的振幅为Bad基波分量bad1的振幅为Bad1折算：交轴电枢反应的折算交轴电枢反应的折算l交轴电枢反应磁势faq基波振幅为Faq产生马鞍形磁密波马鞍形磁密波假想在直轴上磁密baq振幅为Baq基波磁密波baq1的振幅为Baq1折算：凸极机磁场简单分析凸极机磁场简单分析l折算的物理意义：建立同样大小的基波磁场时，单位安匝的直轴或交轴电枢磁势（基波）相当于多少安匝的励磁磁势（指幅值）l一般，kqkd，在隐极机中kd=kq=1比较多个折算的异同比较多个折算的异同l变压器：用假想的绕组代替变压器一侧绕组，使成为k=1的变压器，折算原则保持内部电磁平衡关系l异步电机：绕组折算同变压器，将转子绕组的电压、
37、电流和阻抗进行折算；频率折算是将旋转的转子等效为静止的转子，与定子绕组有相同的频率。l同步电机：激磁磁势为阶梯形波，电枢磁势为正弦波，波形不同需折算，原则是产生相同的基波磁势（隐极机）或相同的基波磁密（凸极机：由于气隙不均匀）七、电枢绕组的漏抗七、电枢绕组的漏抗l漏磁通在定子绕组中感应漏抗电势E ，用漏抗x表示l漏磁路主要为气隙：不饱和，漏抗为常数，数值很小，标幺值不饱和，漏抗为常数，数值很小，标幺值0.07-0.45间间l高次空间谐波磁通（旋转速度为同步速），在电枢中感应电势为基波频率，用差漏抗或谐波漏抗表示，数值更小。l漏抗的影响漏抗的影响：1.槽漏磁通产生电流的集肤效应，增加铜耗；2.端
38、部漏磁通引起涡流，产生局部热；3.漏抗电势影响端电压。作业作业l思12-1，2，3，4l12-1，12-2要求绘出相量图，说明参考相量，区分角度、。 可以由上两题体会汽轮发电机与水轮发电机的参数差异。同步电机对称运行时的特性同步电机对称运行时的特性1.空载特性、短路特性、负载特性（曲线）2.测定同步电抗、计算短路比、测定漏抗3.外特性与调整特性4.电压变化率分析一、同步电机的特性分析基础一、同步电机的特性分析基础l对称运行：指电机转速为额定值且保持恒定，并供给三相对称负载时的一种稳态运行稳态运行方式 l主要变量变量：电压U、电枢电流I、激磁电流If和功率因数cos l特性： (1)空载特性：
39、I=0 (2)短路特性： U0 (3)负载特性： Iconst、cos=const (4)外特性： Ifconst、cosconst (5)调整特性： Uconst、cos=const 主要参数参数：同步电抗xs、xd、xq及漏抗x 区别不同的条件、参数间关系标幺值计算时的基值标幺值计算时的基值l定子侧电压基值额定相电压电流基值额定相电流容量功率基值电压基值*电流基值阻抗基值电压基值/电流基值l转子侧转子电流基值空载电势为额定相电压时的激 磁电流1.同步发电机的空载特性同步发电机的空载特性l当空载运行时（电枢绕组开路，I=0）,空载电动势E0随转子励磁电流If变化的关系 。l空载特性与电机磁路
40、的磁化曲线具有类似的变化规律空载特性与电机磁路的磁化曲线具有类似的变化规律 E00 If Ff 当励磁电流较小时，由于磁通较小，电机磁路没有饱和，空载特性呈直线（将其延长后的射线称为（气隙线）磁势主要消耗在气隙上磁势主要消耗在气隙上磁势主要消耗在气隙上磁势主要消耗在气隙上随着励磁电流的增大，磁路逐渐饱和，磁化曲线开始进入饱和段。（向下弯曲）铁磁饱和后，需磁势迅速增大，横向距离bcbc为铁磁部分的磁压为了合理地利用材料，空载额定电压一般设计在空载特性的弯曲处，如图中的c点 ba饱和系数：E0*=1时的总磁势与气隙磁势之比，一般在1.1-1.25间意义：空载磁路饱和后，由励磁磁势所建立的磁通和感应
41、电势都降低到未饱和时的1/k。空载特性的实验测定空载特性的实验测定l调节可变电阻，使激磁电流逐步上升，每次记下If和E0的读数。l作同步电机的空载特性l由于存在剩磁，规定用规定用下降曲线来表示空载特下降曲线来表示空载特性性。 l从1.3UN对应的激磁逐步减小剩磁电动势空载特性的工程应用空载特性的工程应用l 将设计好的电机的空载特性与常规空载特性相比较，如果两者接近，说明电机设计合理，反之，则说明该电机的磁路磁路过于饱和或者材料没有充分利用。如太饱和太饱和，将使励磁绕组用铜过多，且电压调节困难如饱和度太低饱和度太低，则负载变化时电压变化较大，且铁心利用率较低，铁心耗材较多l结合短路特性可以求取同
42、步电机的参数结合短路特性可以求取同步电机的参数。l发电厂通过测取空载特性来判断三相绕组的对称性以及励磁系统的故障。 必须掌握（*）2.同步发电机的短路特性同步发电机的短路特性l发电机三相稳态短路试验时，电枢短路电流Ik与激磁电流If间的关系曲线。忽略绕组电阻忽略绕组电阻ra(c) 短路运行时，Ik 滞后于E0 90o电角度， y =90o，交轴分量Ikq =0 ，电枢反应为纯去磁纯去磁作用。 影响：电机磁路处于不饱和状态。短路特性曲线短路特性曲线l去磁作用减少了电机中的磁通，磁路处于不饱和状态磁路处于不饱和状态l电枢磁势Fa正比于电枢电流I=Ikl短路特性是一直线短路特性是一直线IkIf0U=
43、0稳态短路时，电枢反应为纯去磁作用，电机的磁通和感应电势较小，短路电流不大，三相稳态短路稳态短路运行没有危险短路特性的测定短路特性的测定短路试验短路试验l先将三相电枢绕组在出线端处短接，再起动原动机将发电机带到同步转速，通入不同数值的激磁电流If，读取每次相应的短路电流Ik，即得同步发电机的短路特性。 零功率因数特性（零功率因数特性（2） ：cos =0的负载特性纯感性负载，纯去磁作用的电枢反应 Faq=0,Fad=Fa合成磁势端电压3.负载特性曲线负载特性曲线端电压与激磁电流间的曲线Uf(If)I=const，cos=const矢量（相量）关系变成了代数关系矢量（相量）关系变成了代数关系重点
44、：空载特性与零功率因数曲线重点：空载特性与零功率因数曲线 lmn对应于去磁磁势对应于去磁磁势kadFad的激磁电流的激磁电流on：合成磁势om=mn+om：激磁磁势Ffan：E合成电势ab：Ix bn=cm：U=E-Ix c点：对应(U,If)为零功率因数特性曲线上一点电抗三角形abc如电枢电流保持不变，三角形大小不变高ab= Ix，底边bc=mn均正比于电枢电流c点轨迹即为零功率因数点轨迹即为零功率因数曲线曲线负载时实际激磁零零功率因数曲线求取功率因数曲线求取两点试验两点试验实验法实验法当电机较大时，将电机并联于电网，有功调节为零，调节励磁使发出无功电流达到IN，即为e点.短路点e点（I=I
45、N,U=0）调节发电机励磁电流，使三相稳定短路电流为额定值额定电压点c点（ I=IN,U=UN ）调节发电机处于过激，电枢电流为额定值，输出有功功率为0（零功率因数），激磁电流和额定电压决定c点二、同步发电机的参数及测定二、同步发电机的参数及测定l同步电抗：饱和与不饱和值lxd和xq的转差法测定l短路比l漏抗和保梯电抗1.同步电抗的实验测定同步电抗的实验测定l不不饱和同步电抗饱和同步电抗 短路时不计饱和凸极电机的交轴同步电抗可以利用经验公式求得 饱和同步电抗饱和同步电抗l在纯感性负载时磁路饱和决定于空气隙中的合成磁场，忽略漏阻抗压降，则决定于端电压。不同的端电压时，xs不同当磁路不饱和时，同步
46、电抗电压为ca，比ca大。不饱和同不饱和同步电抗的数值步电抗的数值比饱和同步电抗的数值大大。2.转差率试验，测定转差率试验，测定xd、xql同步电机由原动机带动，转速接近于同步转速，转子激磁绕组开路（不加激磁），在定子端子上外施对称三相电压。为了避免转子被牵入同步，外施电压约外施电压约为额定电压的为额定电压的1/4左右左右，且使其相序能保证电枢旋转磁场的转向与转子的转向致。l调节原动机转速，使约有1一2的转差。此时，定子旋转磁场的轴线交替地与转子直轴和交轴重合。 当定子旋转磁场与转子直轴重合时，定子的电抗为xd，此时电抗最大，定子电流最小，线路压降最小，端电压为最大。当定子旋转磁场与转子交轴重
47、合时，定子的电抗为xq，此时电抗最小，定子电流最大，线路压降最大，端电压为最小。计算为不饱和值应用：正常运行时，电机磁路饱和，d轴气隙小而磁导大，磁路饱和而使xd减小，分析时应用xd饱和值；短路时，由于电枢反应的去磁作用，使电机磁路处于不饱和状态，xd用不饱和值。q轴：磁路气隙较长，磁导小，磁路不饱和，xq取不饱和值。1 外施电压低，定子电枢磁场较小2 无激磁电流，没有转子励磁磁场3.短路比短路比kKl在空载时使空载电势有额定值时的激磁电流If0与在短路时使短路电流有额定值时的激磁电流Ifk之比 IN在激磁电流为If0时的短路电流标幺值3.短路比短路比kK分析：短路比略大于不饱和同步电抗的倒数
48、短路比大，则同步电抗小，负载变化时发电机的电压变化就小，并联运行时发电机的稳定度较高；设计上，电机气隙较大，转子的额定激磁磁势和用铜量增大。短路比小，同步电抗大，负载变化时发电机的电压变化就大电压调整率大电压调整率大，发电机的稳定度较差。工程上：随着单机容量的增大，为了提高材料利用率，随机组容量增大短路比降低。由于采用自动励磁调节装置，大大提高了运行稳定性，降低短路比可以提高电机经济指标4.漏抗的测定漏抗的测定l电抗三角形法l抽出转子法bc等效于电枢反应的励磁电流抽出转子法测漏抗抽出转子法测漏抗l抽出电机转子，定子绕组外施三相对称电压，使输入电流达到额定值（U=15%UN）l电压方程 忽略定子
49、绕组电阻，则：l特点：实测值大于实际值转子空间也归入了漏磁路，使总磁阻减小，转子空间也归入了漏磁路，使总磁阻减小，表现漏抗增大表现漏抗增大。可采用探测线圈修正。保梯电抗保梯电抗xpl在三相稳态短路时，纵边为INx短路三角形l随着电压增加，三角形纵变将增大，对应于U=UN，边长为INxP保梯(potier)三角形l汽轮发电机，极间漏磁通较小，xp近似等于x l凸极发电机，xp=(1.1-1.3) x零功率因数试验时，磁极漏磁较大，磁极饱和程度较空载时高，为此必须加大激磁曲线2：由特征三角形及空载特性作出当考虑转子漏磁影响后，特当考虑转子漏磁影响后，特性三角形纵边并非恒定不变。性三角形纵边并非恒定
50、不变。三、同步发电机的稳态运行特性三、同步发电机的稳态运行特性l外特性l电压变化率l调整特性l效率特性l磁势法求电压变化率和额定励磁电流1. 发电机的外特性发电机的外特性ln=n1, I f =const，cos=const，单机运行，发电机端电压U随负载电流 I的变化关系与负载的性质有关 影响因数：1. 电枢反应2. 漏抗压降当容性负载且内功率因数超前时，电枢反映是助磁作用，特性可以呈上升形状。在容性负载时，需适当降低励磁，呈欠激运行在感性负载下需供给较大励磁，称为过激运行过激运行不同功率因数下，不同功率因数下，I=IN时均有时均有U=UN2.发电机的调整特性发电机的调整特性ln=n1, U
51、 =const，cos=const，作单机运行，负载电流 I与励磁电流If的关系l物理意义：维持端电压不变，励磁电流需随负载电流的大小变化维持端电压不变，励磁电流需随负载电流的大小变化进行调节进行调节。在感性负载时，随负载增大，需增加励磁以抵消电增加励磁以抵消电枢反应的去磁作用枢反应的去磁作用在容性负载时，随负载增大，需减小励磁以平衡电减小励磁以平衡电枢反应的助磁影响枢反应的助磁影响3.效率特性效率特性n=nN，U=UN，cos= cosN，效率与输出功率P2的关系测量方法测量方法：直接负载法，损耗分析法损耗分析损耗分析：1.基本损耗：电枢铁耗，电枢铜耗，励磁损耗，机械损耗2.杂散损耗：漏磁引
52、起的涡流损耗，谐波引起的转子表面损耗等额定效率范围：1 水轮发电机（空气冷却）：96%-98.5%2 汽轮发电机（空气冷却）：94%-97.8%四、电压变化率四、电压变化率额定工作点额定工作点：额定电压、额定负载（额定电流与功率因数）保持转速与励磁不变，如负载减小，则电枢反应的去磁作用也减小，端电压将升高电压变化电压变化1. 电压调整率电压调整率l保持额定运行时的励磁电流和转速不变，发电机的额定运行时的端电压为UN，空载时端电压为空载电势 E0 ，电压调整率表示 U是发电机的性能指标之一，按国家标准规定应不大于50% 通过采用快速励磁调节器，可以自动改变激磁电流使发电机端电压保持不变2. 电势
53、法求电势法求U%l从等效电路根据相量图分析UIIrajIxsE0E0应用同步电抗的饱和值3. 磁势法求磁势法求U%l考虑了磁路的饱和情况，直接反应电枢磁势Fa的作用l用保梯电抗xp代替漏抗，反映负载时转子漏磁的变化已知额定负载时已知额定负载时U=UN，I=IN，cos=conN 已知电机参数已知电机参数ra，xp，Kad，KaqU、IIf2 短路特性1 空载特性UNINN If0 aIf0Ifa Ifk-IfaIfNIfNE0UEE Ifa电枢反应相当的激磁电流额定激磁电流额定激磁电流例题例题12-1 分析分析l求参数注意：每相值，容量与功率，绕组接法l电势法求电压变化率凸极电机应首先确定E0
54、的方向，双反应分解l磁势法实用简化图，Ifa超前If0为N角思考题思考题1.为什么感性负载特性（零功率因数特性）和空载特性有相同的形状？感性负载时，电枢反应为纯去磁作用，磁势间的关系以及电势间的关系为纯代数关系，即：思考题思考题2.为什么同步电机空气隙比容量相当的异步电机大？同步电机空气隙大，同步电抗小，短路比大，电机运行稳定性高。但电机尺寸大，成本高；异步电机的励磁由电网供给，如采用较大的气隙，则激磁电流增大。思考题思考题3.比较变压器、异步电机的激磁电抗与同步电机的同步电抗。变压器：异步电机：同步电机：同步电抗包括两个部分，（1）对应于定子绕组的漏磁通x ，（2）对应与定子电流产生的空气隙旋转磁场xa。非主气隙合成磁场的作用对应于-E1，即主磁通作业作业l12-5l12-6 参考例12-1
