同步电机.pptx

1 1 同步电机同步电机 什么是同步电机？什么是同步电机？v一一.同步电机和异步电机的区别同步电机和异步电机的区别v转子绕组结构转子绕组结构v感应电机感应电机:三相双层叠绕组或其他交流绕组三相双层叠绕组或其他交流绕组 笼式绕组笼式绕组,构成闭合回路构成闭合回路v同步电机同步电机:多为同心式绕组，外接直电源多为同心式绕组，外接直电源转子转速和同步转速的关系转子转速和同步转速的关系绕组中的电流绕组中的电流气隙大小的差别气隙大小的差别二、同步电机的运行原理v当励磁绕组通以直流电之后，建立恒定的磁场，转子转速为n时，定子的导体感应交流电动势，其频率是 三.同步电机的分类v按运行方式和功转换方向：同步发电机 同步电动机 同步调相机v按结构分旋转磁极式 旋转电枢式(小容量)v按磁极的形状分：隐极机 凸极机v按原动机的类别分：汽轮发电机 水轮发电机 柴油发电机 燃汽轮发电机 风力发电机 v汽轮发电机转速高、离心力大(p=1,p=2)隐极式v水轮发电机转速低、极数多凸极式1.1 同步电机的结构一、隐极同步发电机的基本结构一、隐极同步发电机的基本结构 线棒换位线棒换位 v定子电流较大，每槽一般只嵌放两个有效导体定子电流较大，每槽一般只嵌放两个有效导体(线棒线棒)，为减少涡流损耗，每根导体常由多股截面为，为减少涡流损耗，每根导体常由多股截面为15mm2以下的扁铜线并联而成，而有进行编织换位。以下的扁铜线并联而成，而有进行编织换位。1 1、定子铁心、定子铁心2 2、定子绕组、定子绕组4 4、励磁绕组、励磁绕组机械端口机械端口电端口电端口ABC转子转子定子绕组定子绕组定子铁心定子铁心（二）、凸极同步电机的基本结构（二）、凸极同步电机的基本结构1 1、立式水轮发电机、立式水轮发电机2 2、卧式水轮发电机、卧式水轮发电机左江左江24MW24MW发电机转子在吊装发电机转子在吊装阻尼绕组在同步发电机中，起抑制转子转速振荡的作用，阻尼绕组在同步发电机中，起抑制转子转速振荡的作用，在同步电动机和补偿机中，主要作为起动绕组用。在同步电动机和补偿机中，主要作为起动绕组用。现场运行的水轮发电机现场运行的水轮发电机同步电机的励磁方式同步电机的励磁方式 同步电机运行时，必须在励磁绕组中通人直流电流，通常称同步电机运行时，必须在励磁绕组中通人直流电流，通常称之为励磁电流。所谓励磁方式是指同步电机获得直流励磁电流的之为励磁电流。所谓励磁方式是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。方式，而供给励磁电流的整个系统称为励磁系统。（一）直流励磁机励磁（一）直流励磁机励磁同步电机的励磁方式有以下几种：同步电机的励磁方式有以下几种：（二）静止的交流整流励磁系统（二）静止的交流整流励磁系统 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。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。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，而主励磁机的交流输出电流经过静止的三相桥式硅整流器整流后供给主励磁机，而主励磁机的交流输出电流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。主发电机的励磁绕组。1 1、他励式静止半导体励磁系统、他励式静止半导体励磁系统2 2、自励式静止半导体励磁系统、自励式静止半导体励磁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。因此，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。因此，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，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，如图所示。主励磁机是旋转电枢式三相同步发电机，旋转电枢的交流电流经与主如图所示。主励磁机是旋转电枢式三相同步发电机，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，直接送到主发电机的转子励磁绕组。交流主励磁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。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，故又称为无刷励磁系统。种励磁系统取消了集电环和电刷装置，故又称为无刷励磁系统。（三）旋转的交流整流励磁系统（三）旋转的交流整流励磁系统五、冷却方式：在中、小型电机中，都采用空气作为冷却介质。当电机的容量在中、小型电机中，都采用空气作为冷却介质。当电机的容量很大时，电机内部的损耗及发热量迅速增加，冷却问题显得格很大时电机内部的损耗及发热量迅速增加，冷却问题显得格外重要，此时必须加强通风或采用其他的冷却方式。外重要，此时必须加强通风或采用其他的冷却方式。1 1）在大型汽轮发电机中，为了提高其冷却效率，往往用氢气冷）在大型汽轮发电机中，为了提高其冷却效率，往往用氢气冷却，但是氢气与空气混合后，有爆炸危险，必须有一套控制设却，但是氢气与空气混合后，有爆炸危险，必须有一套控制设备来保证外界空气不会渗入到电机内部。备来保证外界空气不会渗入到电机内部。2 2）目前在更大容量的发电机中，可以采用导线内部直接冷却。）目前在更大容量的发电机中，可以采用导线内部直接冷却。例如采用空心导体，冷却介质直接在导体中流通而把热量带走，例如采用空心导体，冷却介质直接在导体中流通而把热量带走，这样能更有效地降低电机的温升。所采用的冷却介质一般有氢这样能更有效地降低电机的温升。所采用的冷却介质一般有氢气及水等。气及水等。1.2 同步电机的额定值同步电机的额定值同步电机的额定值有：同步电机的额定值有：1）额定电压：）额定电压：是指在正常运行时，按照制是指在正常运行时，按照制造厂的规定，定子三相绕组上的造厂的规定，定子三相绕组上的线电压线电压。电压的单位用电压的单位用V V或或kVkV表示。表示。2 2）额定电流：）额定电流：流过定子绕组的线电流流过定子绕组的线电流 。3 3）额定功率：）额定功率：是指在正常运行时，电机的是指在正常运行时，电机的输出功率输出功率 。A：对于发电机而言：输出的是电功率。对于发电机而言：输出的是电功率。B：对于电动机而言：输出的是机械功率。对于电动机而言：输出的是机械功率。4.4.相数相数m m ：一般一般m=3m=3。5.5.额定频率额定频率:我国额定工业频率规定我国额定工业频率规定 =50 =50Hz.Hz.v6）额定转速：）额定转速：额定转速即为电机的同步额定转速即为电机的同步速，在一定极数及频率时，它的转速是速，在一定极数及频率时，它的转速是定值。定值。v7 7）额定励磁电压）额定励磁电压v8 8）额定励磁电流）额定励磁电流二、国产同步电机型号二、国产同步电机型号 v汽轮发电机有汽轮发电机有QFQQFQ、QFNQFN、QFSQFS等系列，等系列，前两个字母表示汽轮前两个字母表示汽轮发电机；第三个字母表示冷却方式，发电机；第三个字母表示冷却方式，Q Q表示氢外冷，表示氢外冷，N N表示氢表示氢内冷，内冷，S S表示双水内冷。表示双水内冷。v大型水轮发电机为大型水轮发电机为TSTS系列，系列，T T表示同步，表示同步，S S表示水轮。表示水轮。v同步电动机系列有同步电动机系列有TDTD、TDLTDL等，等，TDTD表示同步电动机，后面的表示同步电动机，后面的字母指出其主要用途。如字母指出其主要用途。如TDGTDG表示高速同步电动机；表示高速同步电动机；TDLTDL表示表示立式同步电动机。同步补偿机为立式同步电动机。同步补偿机为TTTT系列。系列。v举例：举例：QFS-300-2 QFS-300-2：容量：容量300MW300MW双水内冷双水内冷2 2极汽轮发电机。极汽轮发电机。TSS1264/160-48TSS1264/160-48：双水内冷水轮发电机，定子外径为：双水内冷水轮发电机，定子外径为12641264厘厘米，铁心长为米，铁心长为160160厘米，极数为厘米，极数为4848。12.2 同步电机的运行原理 1 1、定子上：三相绕组，、定子上：三相绕组，空间互差空间互差1201200 0电角度，电角度，匝数相等匝数相等2 2、转子上：、转子上：I If f由由转转子子N N极出来极出来气隙气隙定子定子铁心铁心气隙气隙转子转子S S极极原动机原动机n n逆时针恒速旋转逆时针恒速旋转定子上导体切割磁力定子上导体切割磁力线线产生产生E E 一、同步发电机工作原理一、同步发电机工作原理二、感应电势二、感应电势e e设设 沿极面正弦分布，则导体电势沿极面正弦分布，则导体电势e ec c=B=Bx xlv=Blv=Bm mlvsinwt=Elvsinwt=EcmcmsinwtsinwtB Bm m正弦波磁通密度最大值正弦波磁通密度最大值则：则：e eA A=E=Ecmcmsinwtsinwt e eB B=E=Ecmcmsinsin（wt-wt-1201200 0）e eC C=E=Ecmcmsinsin（wt+wt+1201200 0）12.2.1 同步发电机的空载运行v空载运行空载运行原动机带动原动机带动发电机在同步转速下运行发电机在同步转速下运行,励励磁（转子）绕组通过励磁电流，电枢（定子）绕组不带磁（转子）绕组通过励磁电流，电枢（定子）绕组不带任何负载（开路）时的运行情况。任何负载（开路）时的运行情况。v空载运行是同步发电机最简单的运行方式，其气隙磁场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由转子磁势F Ff f（励磁磁势）单独建立，称励磁磁场。（励磁磁势）单独建立，称励磁磁场。转子励磁电流If 励磁磁势Ff气隙 空载主磁通0定子三相对称空载电势E0A、E0B、E0C定子电流I0图图 空载时发电机内部电磁关系空载时发电机内部电磁关系 一、空载气隙磁场一、空载气隙磁场 （一）磁场波形v对于凸极发电机来说，定转子间的气隙沿整个电枢圆周分布不均匀，极面下气隙较小，而极间气隙较大，极面下的磁阻较小，而极间磁阻很大。平顶波平顶波n在一个极的范围内气隙径在一个极的范围内气隙径向磁通密度的分布近似于平向磁通密度的分布近似于平顶的帽形。顶的帽形。n极靴以外的气隙磁通密度极靴以外的气隙磁通密度减少很快，相邻两极中线上减少很快，相邻两极中线上的磁通密度为零。的磁通密度为零。v隐极电机的励磁绕组嵌埋于转子槽内，沿转子圆周气隙可隐极电机的励磁绕组嵌埋于转子槽内，沿转子圆周气隙可视为是均匀的。励磁磁势在空间的分布为一个阶梯形，受视为是均匀的。励磁磁势在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。用谐波分析法可齿槽的影响，气隙磁密呈现出波动变化。用谐波分析法可求出其基波分量。合理地选择大齿的宽度可以使气隙磁密求出其基波分量。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。的分布接近正弦波。以后分析，如无特殊说明，以后分析，如无特殊说明，仅考虑磁通密度基波分量。仅考虑磁通密度基波分量。n感应电势的波形和大小与气隙磁密的分布形状及幅值大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，在设计和制造电机时，应采取适当的措施，小紧密相关，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的气隙磁密，从而得到品质以获得尽可能接近正弦分布的气隙磁密，从而得到品质较高的感应电势。较高的感应电势。以后的分析中，我们仅考虑感应电势的基波分量。以后的分析中，我们仅考虑感应电势的基波分量。（二）主漏磁通1、主磁通0：既与转子交链，又经气隙与定子交链的磁通。为一以同步转速旋转的旋转磁场，磁密波形沿气隙圆周近似作正弦分布，其基波分量的每极磁通用0表示，0参与电机的机电能量转换。2、漏磁通f：除0外的所有谐波成分，及励磁磁场中仅与转子励磁绕组交链而不与定子交链的磁通。f不参与电机的机电能量转换二、空载特性二、空载特性E E0 0f(If(If f)1.1.转子同步速为转子同步速为n n1 1，主磁场转速，主磁场转速n n1 1三相基波电势有效值为三相基波电势有效值为E E0 0=4.44fNk=4.44fNkN1N1 0 0空载时，定子绕组的端电压与感应电势相等空载时，定子绕组的端电压与感应电势相等式中，式中，NN定子每相绕组匝数；定子每相绕组匝数；k kN1N1绕组系数；绕组系数；0 0每极下基波磁通的平均值每极下基波磁通的平均值可变可变I If f2.2.空载运行时空载运行时,励磁电动势随励磁电流变化的关系称为同励磁电动势随励磁电流变化的关系称为同步发电机的空载特性步发电机的空载特性 E E0 0f(If(If f)。3.3.E E0 0=f(I=f(If f)E E0 00 0、F Ff fIIf f0 0=f(I=f(If f)、E E0 0=f(F=f(Ff f)、0 0=f(F=f(Ff f)：改变：改变I If f，可改变，可改变E E0 0，得空载特性曲线。，得空载特性曲线。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。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。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。4、空载特性曲线的饱和系数：vE0UN处v空载磁动势Ff0ac；气隙部分消耗的磁动势F=ab；其差是由铁心饱和引起的磁压降。v电机磁路饱和系数k：通常同步电机的通常同步电机的k k：约在：约在1.11.11.251.25U UN NE0E0：磁路不饱和时的空载电动势：磁路不饱和时的空载电动势即，磁路饱和后，由励磁磁势所建即，磁路饱和后，由励磁磁势所建立的磁通和感应电动势都降低到未立的磁通和感应电动势都降低到未饱和时的饱和时的1/k1/k。5 5、空载特性在同步发电机理论中有着重要作用、空载特性在同步发电机理论中有着重要作用根据设计好的电机的空载特性，可判断该电机的磁路根据设计好的电机的空载特性，可判断该电机的磁路是否过于饱和或者材料是否充分利用。是否过于饱和或者材料是否充分利用。空载特性结合短路特性空载特性结合短路特性(在后面介绍在后面介绍 )可以求取同步电可以求取同步电机的参数。机的参数。发电厂通过测取空载特性来判断三相绕组的对称性以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。及励磁系统的故障。三、空载运行时空矢量图三、空载运行时空矢量图.1.1.时间相量和空间矢量时间相量和空间矢量vF Ff1f1、B Bf1f1：空间上正弦分布曲线，旋转角速度：空间上正弦分布曲线，旋转角速度1 1，v空间上同相位；空间上同相位；vB Bf1f10 0EE0 0：0 0、E E0 0时间上变化周期时间上变化周期1 1。v时间相量时间相量0 0、E E0 0和空间矢量和空间矢量F Ff1f1、B Bf1f1变化频率一致，在同一坐标下，变化频率一致，在同一坐标下，取定取定子绕组的时间参考轴即时轴与相轴重合子绕组的时间参考轴即时轴与相轴重合形成时空矢量图。形成时空矢量图。AX2、凸极机：d轴：直轴，主磁极轴线（转子磁极轴线）q轴：交轴，N、S之间的中心线，滞后d轴903、时空矢量图Ff中的基波分量Ff1(空间矢量）与由它产生的Bf1(空间矢量）及0(时间矢量）同相位，波幅为d轴正方向；E0(时间矢量）滞后0900。d 直轴直轴q 交轴交轴AX四、正弦波畸变率四、正弦波畸变率(了解了解)各次谐波电压有效值为：各次谐波电压有效值为：采用正弦波畸变率衡量波形的质量。采用正弦波畸变率衡量波形的质量。正弦波畸变率正弦波畸变率k kM M电话谐波系数电话谐波系数n n1 1n n1 112.2.2 同步电机的电枢反应一、负载后磁势分析 v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”。电枢磁势电枢磁势结论：v随轴同转的转子磁势Ff(称为机械旋转磁势)；电枢旋转磁势Fa(称为电气旋转磁势)。转速均为同步速n1，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合成为一个合成磁势F。v因此，气隙中的磁场由主极磁场与电枢磁场二者合成。气隙磁场可以看成是由合成磁势F在电机的气隙中建立起来的磁场。也是以同步转速n1旋转的旋转磁场。F F励磁磁势和电枢磁势的区别基波波形大小位置转速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流瞬时值决定由电流的f和p决定1.1.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。二、电枢反应F F2.电枢反应会对电机性能产生重大影响v电枢反应的性质（去磁、助磁或交磁）决定于空间相量Fa和Ff1之间的相对位置，这一相对位置仅与时间相量0和之间的相位差相关连。即取决于以E0作为电动势供电的相回路内总电抗与总电阻的比值，故称为内功率因数角。其大小由负载的性质决定。v不同于功率因数角(电机端压U和电枢电流I的夹角)。三个角三个角四个轴四个轴 3.正方向规定1.相绕组轴线正方向：假定相绕组首端(A，B，C)电流方向为“.”，尾端(X，Y，Z)电流方向为“”按右手螺旋，得A、B、C三个相轴线，空间互差120空间电角，组成空间固定坐标系统。2.转子d轴和q轴正方向：规定转子N极磁力线穿出的方向，d轴；逆转子转向转过90空间电角，q轴。由于转子旋转，d轴和q轴随转子转动组成空间旋转坐标系统。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。4 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：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5 5、电枢反应的性质、电枢反应的性质 (1)(1)=0=0 E E0 0、I I同相同相 vFf1超前Fa90，二者正交，Ff1作用在直轴上；而Fa作用在交轴上，这种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。I IE Ea aE E0 0E EF Fa aI IE Ea aE E0 0E E电枢反应的影响：1.合成磁势F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Ff1“拖着”F同步转动，主极转子受到电磁制动性质的转矩。2.幅值较空载时略有增大。3.I和E0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。(2)(2)=90=90 E E0 0超前超前I 90I 90l 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，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，方向相反，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。E E0 0I I a a=90 F Fa a电枢反应的影响：1.Ff1和Fa在d轴上，Fa对Ff1起去磁作用，合成磁势F的幅值减小。2.F与Ff1都在d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。E E0 0I I a a=90 (3)=180 E0超前I 180，反相 vFa作用在交轴上，与相轴正方向反向180，为交轴电枢反应。F Fa a A A C C B B 0 0A A 0 0 F Fa aF FF Ff1f1 a a q q轴轴d d轴轴=180 电枢反应的影响：1.合成磁势F的轴线位置从空载时直轴处顺转子转向移一个锐角，改变磁场分布。2.F幅值较空载时略有增大。3.I和E0反相，有功功率从电网输送到发电机，同步电机处于电动机运行状态。0 0 F Fa aF FF Ff1f1 a a q q轴轴d d轴轴=180(3)(3)=-90 I=-90 I超前超前E E0 0 90 90 F Fa a和和F Ff1f1与之间的夹角为与之间的夹角为00，即二者同相，一同作用在直，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，轴上，电枢反应为纯助磁作用，合成磁势的幅值增大，这一电枢反应称为直轴助磁电枢反应。这一电枢反应称为直轴助磁电枢反应。F Fa a电枢反应的影响：1.=-90时纵轴电枢反应磁动势Fa对主极磁动势Ff起助磁作用，使合成气隙场增强。2.Fa、Ff同轴二者不产生切向力和电磁转矩，不进行机电能量转换。（4 4）一般情况）一般情况=(0=(090)90)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 Faqaq1.1.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），对主极磁动势有去磁作），对主极磁动势有去磁作用，使合成气隙磁动势减小。用，使合成气隙磁动势减小。当当角为不同值的电枢反应角为不同值的电枢反应 位置位置夹角夹角记作记作电枢反电枢反应性质应性质对电机的影响对电机的影响=负载性质负载性质n(f)n(f)U U=0=00 0q q轴轴+90+900 0交轴交轴波形波形畸变畸变下降下降不变不变R R=90=900 0d d轴轴+90+900 0直、去直、去削弱削弱不变不变下降下降L L=-90=-900 0d d轴轴+90+900 0直、助直、助增强增强不变不变上升上升C C0 00 090900 0d d、q q轴轴+90+900 0交、直去交、直去削弱削弱下降下降下降下降 R R、L L-90900 0000 0d d、q q轴轴+90+900 0交、直助交、直助增强增强下降下降上升上升R R、C C总结：v同步电机的运行方式可以由来判断：作发电机：-/2/2作电动机：/23/2v电枢反应改变了定转子磁动势之间夹角，该夹角大小决定了能量传递的方向。时空矢量图绘制的注意事项：1.取每相的相轴和时轴重合2.相电流相量I和该电流系统产生的合成磁动势Fa重合。3.Ff1和Fa的空间相角差等于0和I的时间相角差，等于（E0与I的时间相角）90；4.几种情况：a.0，FaFaq；b.90，FaFad；c.任意角，FaFaqFad例 试画出图示转子位置时，=60的空矢量图，并说明电枢反应的作用。n电枢反应对气隙磁场、感应电动势的影响与电机的磁路电枢反应对气隙磁场、感应电动势的影响与电机的磁路结构有关，需把隐极机、凸极机分开讨论。结构有关，需把隐极机、凸极机分开讨论。n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。三、隐极同步电机的电枢反应特点三、隐极同步电机的电枢反应特点 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.正方向规定：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 2 2、电势方程：、电势方程：E Ea 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：v电枢磁动势Fa产生的漏磁通，所引起漏电动势E与电枢电流I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。X Xt t: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:v考虑电枢反应后的发电机内电动势v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Un内电动势、内阻抗内电动势、内阻抗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:图图6.21 不计饱和时隐极同步发电机的相量图和等效电路不计饱和时隐极同步发电机的相量图和等效电路从电路观点看，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 Xt t)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 Xt t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。图图6.22 用励磁电势和同步电抗表示的隐极同步发电机的相量图和等效电路用励磁电势和同步电抗表示的隐极同步发电机的相量图和等效电路4、及E0的求取：v：0与之间的夹角v：与之间的夹角v：功率角v+=1.1.矢量法：利用平衡方程求解矢量法：利用平衡方程求解,进行矢量运进行矢量运算。算。2.2.标量法：根据相量图进行代数运算，运算标量法：根据相量图进行代数运算，运算简单简单 tantan=(IX=(IXt t+Usin+Usin)/(IR)/(IRa a+Ucos+Ucos)E E0 0=Ucos=Ucos+IR+IRa acoscos+IX+IXt tsinsin 问题：v1.为什么同步电抗是三相电流产生的电抗而其数值是每相值？答：环链定子绕组并由定子电流所产生的磁场，包括漏磁场和电枢反应磁场，与漏磁场相对应的是漏抗，与电枢反应相对应的是电枢反应电抗，其和为同步电抗。由于电枢反应磁场为三相电流产生的合成磁场，所以同步电抗是与三相有关的电抗；又由于磁通在每相绕组中感应的电势，用电流在电抗上的压降表示，故电抗为每相值。2.比较变压器、异步电机的励磁阻抗和同步电机同步阻抗的大小，为什么有这些差别？v答：变压器的励磁阻抗最大，异步电机励磁阻抗比同步电机的同步阻抗大，但比变压器的励磁阻抗小。因为变压器主磁通的路径是铁心，磁阻小主磁通大，所以励磁阻抗大。异步电机的励磁电抗对应气隙的主磁通，气隙磁阻大，所以励磁电抗比变压器的励磁电抗小。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（空载特性）求出气隙磁通和气隙电势。气隙磁通和气隙电势。书上：书上：1、电磁关系？n查取空载特性查取空载特性E E0 0=f(F=f(Ff f)。n但注意：但注意：E E0 0=f(F=f(Ff f)是用励磁磁势是用励磁磁势F Ff f(阶梯波），最大值阶梯波），最大值F Ff f=N=Nf fI If f或励磁电流或励磁电流I If f为横坐标，纵坐标是绕组感应的正弦形为横坐标，纵坐标是绕组感应的正弦形电动势；而电动势；而F F 为正弦波，为正弦波，F Fa a为正弦波，故要将为正弦波，故要将F F、F Fa a折算为折算为直流励磁磁动势梯形波。直流励磁磁动势梯形波。E E 正弦波正弦波梯形波梯形波梯形波梯形波折算系数励磁磁势曲线波形系数励磁磁势曲线波形系数折算到励磁磁动势梯形折算到励磁磁动势梯形波的等效气隙电动势波的等效气隙电动势折算到励磁磁动势梯形折算到励磁磁动势梯形波的等效电枢磁动势波的等效电枢磁动势5 5、相量图、相量图1 1、蓝色、蓝色和阴影和阴影相似，数值相差相似，数值相差k ka a倍。倍。2 2、漏抗压降延长线不和空载电势、漏抗压降延长线不和空载电势E E0 0闭合。闭合。F Ff f保持不变时，保持不变时，空载的气隙磁通比负载时多，此时主磁路饱和程度远比负空载的气隙磁通比负载时多，此时主磁路饱和程度远比负载时高，所以同样载时高，所以同样F Ff f产生的空载电势远小于负载时。产生的空载电势远小于负载时。对照对照 图图6.211 1、凸极机：气隙不均匀、凸极机：气隙不均匀n直轴：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别讨论-双反应理论。双反应理论。四、凸极同步电机的双反应理论四、凸极同步电机的双反应理论主磁极的励磁磁势和磁密的分布状况v由于磁极上放集中励磁绕组，作用在一个极下气隙各个位置的磁势都一样，磁势曲线为矩形波；但气隙不均匀，极间气隙较大，磁密较少。其气隙磁密分布为平顶波，基波分量为正弦波。2、双反应理论直轴和交轴电枢反应磁势与磁密分布状况vd轴电枢磁场中间强，两边逐渐减弱；vq轴电枢磁场呈马鞍形形状。v同步发电机内功率因数角090，此时Fa的幅值位置处在落后d轴+90处，此处气隙大小不易确定；负载改变，角改变，则Fa幅值位置相应改变，对应气隙也是变动的。vFa的轴线既不与直轴又不与交轴重合时，可把Fa分解为Fad、Faq，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双反应理论（Blondel提出）一般情况下Fad和Faq折算 自学v同隐极机类似，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。v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，应分别将Fad和Faq折算成相当的d轴转子励磁电动