1、第四篇 同 步 電 機電機學多媒體課件系列2013.8第十六章 同步電機的基本理論和運行特性第一節 同步電機的空載運行第二節 對稱負載時同步電機的電樞反應第三節 隱極同步發電機的分析方法第四節 凸極同步發電機的分析方法第五節 同步發電機對稱運行時的特性第六節 同步發電機的電抗參數和短路比 該E0的數值取決于勵磁電流If在氣隙中所產生的磁動勢Ff，改變If以改變主磁通0 ，便可得到不同的空載電動勢E0。 同步電機的運行特性主要由主磁極磁動勢Ff的基波分量Ff1決定的，Ff不是正弦波，應先分別了解隱極機、凸極機主極磁動勢Ff的分布波形，從中求出其基波分量Ff1 。空載：空載時氣隙中僅有轉子磁場Bf

2、1定子繞組開路。定子三相繞組產生空載電動勢E0 第一節 同步電機的空載運行1、隱極式同步電機的空載磁動勢(207)定義：勵磁磁動勢波形系數實際波形基波分量轉子磁極轉子繞組為分布繞組 轉子是圓形的，勵磁繞組為分布繞組，轉子磁動勢的空間分布為階梯波形 , 從中求出基波分量Ff1 。Kf取決于r（小齒齒距之和/極距）2、凸極式同步電機的空載磁動勢(213)實際波形基波分量轉子磁極基波幅值：磁勢波形系數：轉子繞組為集中繞組 凸極同步電機的勵磁繞組是集中繞組，它所產生的磁動勢波是矩形波，應中求出基波分量Ff1 。3、同步電機空載電動勢E0圖16-1 空載時同步電機內部磁通分布示意圖氣隙磁場由轉子磁極建立

3、 磁通：主磁路：氣隙、電樞齒、電樞軛、磁極極身、轉子軛。 主磁通 主極漏磁通 轉子通直流電If,產生恒定勵磁磁場Bf1 ;當轉子以同步速n1旋轉時，磁場Bf1以同步速n1“切割” 定子繞組，在三相定子繞組內感應出頻率為f的空載基波電動勢,稱為空載電動勢E0 。三相空載電動勢為:式中， 為每極的主極磁通量。相電勢大有效值:電勢頻率： 4、時間相量和空間矢量b)時間相量：隨時間按正弦規律變化的量;a)空間矢量：在空間按正弦規律分布的量;氣隙磁勢基波分量:氣隙磁密基波分量:繞組所匝鏈的磁通:定子感應電動勢:空間矢量相軸w=2pfw=2pf時間相量時軸時間相量d)時空矢量圖參考軸的選取:某相(A相)繞

4、組軸線作為空間矢量參考軸(相軸),并令時間相量參考軸(時軸)與其重合.時軸時-空間矢量 時軸相軸w=2pf空間矢量相軸w=2pfw=2pfc)時空矢量圖:具有相同角速度的空間矢量和時間相量合 并畫在同一坐標平面上的表示法.圖16-2dq5、同步電機空載時的空矢量圖以A相繞組軸線作為時間相量和空間矢量參考軸,則：A相繞組軸線a)空間矢量b)時間相量c)時-空間矢量c)A相時間相量磁通 與空間矢量 重合。6、電壓波形的正弦畸變率定義：實際空載線電壓波形與正弦波形的偏差程度 額定功率為10到1000kVA的交流發電機，其線電壓波形允許的正弦畸變率不超過10%， 額定功率為1000kVA以上的交流發電

5、機，其線電壓波形允許的正弦畸變率不超過5%。 改善電壓波形的途徑:使勵磁電流產生接近于正弦分布的氣隙磁通密度波形；定子每相繞組采用分布和短距線圈；三相繞組采用Y接法。第二節 對稱負載時的電樞反應1.電樞反應的概念 同步電機空載時，定子電樞電流 ，氣隙中僅有勵磁電流建立的轉子磁場 ，電樞端電壓 . 電機帶負載后，定子繞組流過三相對稱負載電流 , 電樞電流 產生的磁場將使空載氣隙磁場的分布發生變化，從而使繞組中的感應電動勢發生變化，這種現象稱為電樞反應。2.三個特殊角 a)內功率因數角 ：是 與 的時間相位角，與電機參數及負載有關,這是為了分析電機特性而引入的角度. b)外功率因數角 ：是 與 的

6、時間相位角，與負載有關,是可以測量的. c)功率角（功角） ：是 與 的時間相位角 滯后 (感性)內功率因數角實際不存在也不可以測量，因為電機帶載后，由于電樞反應，氣隙磁場發生變化，定子繞組感應電動勢將不再是空載時的電動勢。 =0 時 0 時與 同相超前 (容性) 3.不同角,電樞反應性質不同: 電樞反應的性質取決于電樞磁動勢Fa和主磁場磁動勢Ff之間的相對位置，即取決于負載電流的性質。 0 時一、 和 同相( )時的電樞反應 16-3 時的電樞反應 1)A相繞組在磁極中心線上，所以最大,在時軸上。因為 則A相電流也為最大值， 恰好也在時軸上。2)三相電動勢、電流時間相量圖如圖所示。 1、時間

7、相量圖： 一臺同步電機的剖面簡圖，AX、BY、CZ分別為定子等效三相集中繞組，磁極畫成凸極式，勵磁磁動勢Ff和電樞磁動勢Fa只考慮基波。 取A相軸作時軸(b)2、空矢量圖：取A相軸作參考軸1)三相電流共同產生 是旋轉磁動勢，當哪一相電流達到最大，就恰好轉到那一相的軸線上，可見 與A相繞組軸線重合。 2)轉子磁勢 在d軸上， 滯 ， 恰好作用 在q軸上,作交軸電樞反應。(c)1)同時選A相軸作空間矢量和時間相量的參考軸，把它們畫在一個坐標平面上，則有 與 同方向， 與 同方向。2) 為電樞反應磁通,該瞬間A相繞組交鏈的 為最大值，故畫在時軸上。3、 時空矢量圖dq可見，交軸電樞反應使合成磁場的軸

8、線位置從直軸處逆轉向后移一個銳角，其幅值有所增加。 二、 滯后 90( )時的電樞反應16-4 時的電樞反應 1、時間相量圖：取A相軸作時軸 A相繞組在磁極中心線上，所以最大,在時軸上。因為 則 滯后 電角度。三相電動勢、電流相量如圖所示。 2、空矢量圖：取A相軸作參考軸 二、 滯后 90( )時的電樞反應 轉到A相軸上時矢量圖 當 為最大值 轉到A相軸上時，時間上已過 此時轉子d軸也已轉過 如右圖所示, 在d軸的反向處. 可見： 滯后 180，作用在直軸上，是直軸電樞反應。電樞反應起去磁作用。結論：過勵運行狀態的同步電機將向電網輸送感性無功功率。3、 時空矢量圖同時選A相軸作時軸和相軸，把它

9、們畫在一個坐標平面上，如圖：結果過勵狀態： 電樞反應為直軸去磁作用，即 從空載到負載，為保持接到電網電機電壓不變，就要求氣隙磁場基本保持不變,這時應相應增大勵磁電流If ，增大If后的運行狀態稱為過勵狀態。 與 重合，三、 滯后 180( )時的電樞反應16-6 時的電樞反應 三、 滯后 180( )時的電樞反應1.因為 則 滯后 電角度。三相電動勢、電流如圖. 2. 與 重合，當 轉到相軸上為最大值時，轉子也已轉過了 因而此時 在q軸的反向處.可見： 超前 90，作用 在交軸,是交軸電樞反應。 四、 超前 90( )時的電樞反應16-7 時的電樞反應 與 重合，因而此時 在d軸處.當 轉到相

10、軸上為最大值時，轉子也已轉過了 四、 超前 90( )時的電樞反應1.因為 則 超前 電角度。三相電動勢、電流如圖. 可見： 與 同相位，作用在直軸，是直軸助磁電 樞反應。可見： 超前 90( )時的電樞反應結論：欠勵運行狀態的同步電機將向電網輸送 容性無功功率。 欠勵狀態：電樞反應起助磁作用 ，從空載到負載，為保持接到電網電機電壓不變，必須減小勵磁電流，減小勵磁電流后的運行狀態稱為欠勵狀態。五、一般情況下的電樞反應可以把電樞反應磁動勢分解為兩個分量：直軸分量：交軸分量：或三相 產生直軸電樞磁勢 ,三相 產生交軸電樞磁勢 。運行狀態分析：當-/2/2時， Ff1超前Fa時，為發電機運行狀態當/

11、2XaX（3）電樞反應電抗和同步電抗的物理意義：3、 定子漏抗 X電樞繞組總磁通常數、較小(0.10.2)X電樞漏磁通電樞漏抗差漏抗（或諧波漏抗）主磁通槽漏磁通端接部分漏磁通高次諧波漏磁通a、電樞主磁通:c 、電樞高次空間諧波磁通的電抗:差漏抗或諧波漏抗;通常所測漏抗X為b、c項之和.d、電樞漏磁通的影響槽漏磁通使導體內的電流產生集膚效應繞組的銅耗增加端部漏磁通將在端部構件（端蓋、壓環等）引起渦流，產生局部發熱.漏磁電動勢將影響電機的端電壓b 、電樞漏磁通:過勵隱極同步發電機相量圖4、隱極發電機的相量圖步驟：以U為參考，畫I畫畫標注各角度畫磁通:=a+0隱極發電機的簡化相量圖簡化相量圖：二、磁

12、路飽和時隱極同步發電機分析方法 考慮磁飽和時，由于磁路的非線性，疊加原理不再適用。此時，應先求出作用在主磁路上的合成磁動勢 ，然后利用電機的磁化曲線 (空載曲線) 求出負載時的氣隙磁通 ,及相應的氣隙電動勢 。其電磁關系:電勢方程式為:a)為 的等效勵磁磁勢與 同波形(階梯波) b) c)折算原則:則有:2、隱極同步電機電樞反應磁勢的折算(不講)隱極同步機電樞反應磁動勢的折算系數:第四節 凸極同步發電機的分析方法1、凸極同步發電機的電樞反應-雙反應理論 凸極同步電機氣隙分布不均勻，極面下氣隙較小，兩極之間氣隙較大。由于直軸處的氣隙比交軸處小，因此，直軸磁導比交軸磁導大。同樣大小的電樞磁動勢 作

13、用在直軸和交軸所產生的電樞磁場將有明顯的差別，不同的磁阻有著不同的電樞反應電抗,所以引入雙反應理論。 一、不計磁路飽和時凸極同步發電機分析方法 雙反應理論: 考慮到凸極電機氣隙的不均勻性，把電樞反應 分成直軸 和交軸 電樞反應兩個分量來分別進行分析的方法，就稱為雙反應理論。 三相三相1 、凸極發電機的電磁過程2、電路方程和等效電路(3)等效電路:(2)電路方程為：圖16-15 凸極同步發電機等效電路 電樞反應磁場，在定子繞組中分別產生交、直軸電樞反應電動勢 ;則凸極同步電機定子繞組的電壓平衡式:(1)直軸電樞反應電抗 :3、直軸與交軸電樞反應電抗和同步電抗圖16-16 作用在直軸磁路上,在定子

14、繞組中感生 。由于直軸的磁阻都恒定不變，所以 正比于 且滯后90。 因此其復數形式:2、交軸電樞反應電抗圖16-17 作用在交軸磁路上，產生磁通 ,在定子繞組中感應產生 。由于交軸的磁阻都恒定不變，所以 正比于 且滯后 90 .因此其復數形式:注意：Fad和Faq都是正弦波，但由于氣隙不均勻，所以其對應的磁密波bad和baq都不是正弦波。 直軸和交軸電樞反應電抗各和定子漏抗相加，便可得到直軸同步電抗和交軸同步電抗，即注:直軸磁路氣隙小，磁阻小，所以 較大。交軸磁路氣隙很大，磁阻大，所以 較小。當直軸及交軸的同步電抗相等時，就是隱極電機.3、直軸同步電抗與交軸同步電抗*隱極機可以看成是凸極機的特

15、例，即：電樞反應電抗: 同步電抗:4、凸極同步發電機的相量圖（1）電動勢平衡方程式（2）凸極發電機的相量圖由上可見： 同相位。 根據電動勢平衡方程式:要做出向量圖還缺 和 兩個分量。即要知道 與 的夾角。因此，在上式的基礎上需要整理，得到 : d軸q軸過勵凸極同步發電機相量圖步驟：以U為參考，畫I畫EQ，并確定d、q軸分解電流Id、Iq畫 相量圖 圖16-18二、凸極式同步電機電樞反應磁勢的折算(不講)1 、直軸電樞反應磁勢的折算a)直軸電樞:b)轉子:直軸電樞反應磁勢的折算系數:2、交軸電樞反應磁勢的折算(不講)a)交軸電樞:交軸電樞反應磁勢的折算系數:第五節 同步發電機對稱運行時的特性1、

16、空載特性：2、短路特性： 同步發電機對稱運行是指n=nN且保持恒定，并供給三相對稱負載時的一種穩態運行方式。 同步發電機的運行性能可以通過它的基本特性以及由這些特性所求得的一些主要參數來加以說明。主要有：3、負載特性：零功率因數特性：4、外特性：5、調整特性：一、空載特性: 指轉子繞組加 ,原動機帶動轉子以 轉,電樞開路 ,測得 關系曲線.用不同比例尺 和磁化曲線 相同.因此， 體現電機中電與磁的關系,是同步電機的重要特性. 已知 :1、空載特性求取:改變勵磁If氣隙磁動勢Ff變化E0變化E0=f(If)實驗線路:剩磁去磁曲線步驟:a)未激磁過電機:Oa段，剩磁:Er=0b)已激磁過電機: a

17、 c 段 ,剩磁:Er=ob圖16-21c)若剩磁Er太大, 應加以校正.典型的空載特性:p216(表16-1)圖16-22 空載曲線 及校正圖 圖16-23 空載特性 分析2、空載特性分析 開始 磁路未飽和,鐵芯磁動勢 很小， 主要消耗在氣隙中,空載特為一條直線;線性ob的延長線od稱氣隙線1；表示：隨 增大，磁路變飽和；鐵芯磁動勢 迅速增大;空載特性偏離直線向下彎曲, bc段為鐵芯磁動勢。飽和系數:3 、空載特性總結：空載特性體現電機中磁與電的關系，反映電機電磁設計合理性實驗室測定的空載特性是去磁下降曲線，且需單方向測量，當Er大時需修正典型空載特性曲線p216表16-1（標么值）飽和系數

18、：用于求同步電機的主要參數和其它運行特性 二、短路特性: c)短路特性: 是一條直線 ,主要用于測定同步參數. a)短路運行:當同步發電機運行于同步速 ,電樞三相繞組持續穩態短路（即U=0）運行。 b)短路實驗:將三相電樞繞組出線端短接,起動原動機將同步發電機帶到同步速nN ;通入不同的勵磁電流If，讀取相應的三相短路電流Ik.,即: . 同步發電機三相穩態短路試驗時，電樞短路電流 Ik與勵磁電流 If 間的關系曲線，稱為短路特性 。1、短路特性測定:2、短路特性 分析為什么它是一條直線. 可見:同步發電機短路時，電樞反應為純去磁反應，氣隙合成電動勢 的數值很小,只等于漏抗壓降 產生 的合成

19、很小,磁路出于不飽和狀態, 是線性關系,即 。 即 是線性直線3、短路時相量分析隱極機:如果略去電樞電阻ra 可以得到：可見，= 900，Ik為純感性負載(僅有直軸分量) 由相量圖：當忽略了電樞電阻，電樞是純電感電路，短路電流產生的電樞反應是直軸去磁效應。此時電機內的磁通很弱，磁路不飽和, Xs 為一個常數。凸極發電機: 三相短路時,由于 短路電流為純感性的,即=90,因此,短路電流Ik全是直軸分量Ik=Id,交軸分量Iq=0為零。電樞磁勢為純直軸去磁作用，磁路不飽和，所以 也是一個常數 。 三、負載特性： 當同步發電機 、電樞電流I=常數、cos= 常數時，端電壓U與勵磁電流If的關系U=f

20、(If)稱為負載特性其中:a)空載特性I=0時b)零功率因數特性cos=0, I=IN時兩條特性最重要。空載特性 I=0零功率因數特性 cos=0, I=IN電樞反應為純直軸去磁,即: Fa=Fad,Faq=0. I=Id,Iq=02、零功率因數負載特性分析 同步發電機帶純電感性負載（cos=0、I=IN）時, 關系曲線稱零功率因數負載特性. cos=0=900發電機帶純電感性負載: 由于電樞電阻ra 遠小于同步電抗，可以略去不計，所以此時 的夾角 。 由相量圖得:=90忽略ra電樞反應磁勢的折算系數:相量圖:a)隱極同步發電機:隱極b)凸極同步發電機同理：cos=0=900 90由相量圖得:

21、當忽略電樞電阻ra ，：直軸電樞反應磁勢的折算系數.則：I=Id,Iq=0 為純直軸去磁電樞反應。d忽略ra凸極作圖法求電抗（特性）三角形abca1E0E圖16-27取cm=UN，交于c點則om= Ff /Wf= IfN令nm=kadFad /Wf(已知)則on=(FfkadFad)/Wf=F/Wf 作垂線an交于a點則an = E= UN +INxab=INx定出b點，連ac，得電抗abc 橫坐標：om=FfN(IfN)為獲得UN時所需勵磁磁動勢（勵磁電流）mn=kadFad(Ifad )為直軸電樞反應去磁磁動勢折算值on=F(If)氣隙合成磁動勢（勵磁電流折算值）oe=Ffk(Ifk)短路

22、時獲得IkN所需磁動勢（勵磁電流） 縱坐標：mc=UN 同步發電機端電壓na=E=UN+IN x 合成電勢mE0=E0=UN+INxd=U+IN x+INxad 空載電勢ab=INx 漏抗壓降，可求得x曲線各段物理意義E0Ea1圖16-27e點:U=0, Ik=IN ,a”b”=E= IN xoe=Ifk 即Ik=IN 時的勵磁電流. b”e=kadFak /wf ，Ik=IN 時的電樞反應折算勵磁電流. ob=Ifk- kadFak / wf 產生E對應勵磁電流. a1E0I=IN圖16-27作圖法求零功率因數特性曲線1)當知道空載特性及電抗abc，就可求零功率因數特性曲線UNIfof2)實驗法測定零功率因數特性曲線 特殊點e、c點：e點（額定短路點）：調節If使得Ik=IN、U=0時，讀取If=Ifkc點（定額點）：發電機接于電網UN，調節If及原動機轉速使n