沈阳工业大学：《电机学》第六章同步电机.doc_大学文库

电机学教案３ 6．2．1 同步发电机的空载运行 1．空载特性与饱和系数空载时，定子绕组开路，电流为零，转子绕组通入直流励磁电流，发电机被拖动以同步速度旋转转子以同步速度 n1 旋转时，主磁通切割定子绕组感应电势频率为 f，则 0 44 1 0 E = 4. fNk N  0 为主磁通：由 N 极气隙定子齿定子轭定子齿气隙 S 极转子轭 N 极特点是经过气隙，同时与定转子交链的磁通。  f 漏磁通：由 N 极极间气隙 S 极转子轭 N 极特点是不经过气隙，仅与励磁绕组自身交链，不与定子交链的磁通。发电机空载特性 ( ) 0 f E = f I ，因为 f f E  F  I 0 0 ，经过适当比例变换，可得 ( ) 0 Ff  = f ，它就是电机的磁化曲线。根据磁化曲线求饱和系数   F F k 0 = = U N E ' 0 （1.1~ 1.25） F0 空载额定电压所需要磁势； Fδ 负载额定电压气隙磁势； ' E0 磁路不饱和时，对应 F0 磁势产生的感应电动势。 2．空载时-空相量图空间相量：励磁磁势基波分量 Ff1 以及它产生的气隙磁密基波 Bf1, 波幅同处于直轴正方向，都以同步角频率  2f 1 = 旋转。时间相量：定子绕组交链的磁通 0 .  ，以及它在绕组中感应的电动势 0 . E 。 0 . E 在时间上滞后 0 .  900 电角度。 3. 电压波形正弦性畸变率--- 各次谐波幅值平方和的平方根与基波幅值之比。 100% 1 2 2 =    = U U k n n M 6．2．2 同步电机的电枢反应同步电机空载时，气隙中的同步旋转主磁场仅由转子励磁电流（直流）建立；负载时定子绕组流过电流产生磁势（称为电枢磁势），它与励磁磁势共同作用产生合成气隙磁场。因此存在电枢反应问题。电枢磁场和主极磁场都是相对静止的，二者本身是旋转的。电枢反应：电枢磁势基波对主磁场的影响。同样包括去磁、助磁、交磁三种情况。它会使气隙磁场畸变

沈阳工业大学４电枢磁势基波与励磁磁势同转速、同转向，相对静止；因为励磁磁势转速 n1，定子对称三相绕组产生电枢磁势基波转速 1 1 60 60 60 n n p p p f n = = = 1．电枢电流 . I 滞后励磁电动势 . E0 一个锐角  时的电枢反应，即 0≤  ≤900 假设某时刻，A 相绕组交链最大磁通，产生最大励磁电动势 E0，此时刻作为时间起点。此时刻电流滞后ψ角，也达到最大值。主磁通 0 .  超前感应电势 E0900。令时轴与相轴重合，则，（图 6.17）（1） 0 .  与 B 重合，忽略磁滞涡流时， 0 .  与 Ff 1 重合。（2） . I 与 Fa 重合根据图 6.17b 得        = = = +   cos sin aq a ad a a ad aq F F F F F F F 和        = = = +   cos sin . . . I I I I I I I q d q d 此时 d I 产生去磁磁势 Fad ， q I 产生交磁磁势 Faq 。特殊地： ψ=0 Fad =0 Faq =Fa 只有交轴磁势；ψ=90，只有直轴磁势。只要知道时间相量的相位关系，便可以确定空间相量间的相位关系，进而分析电枢反应的情况与性质。 2. 隐极同步电机的电枢反应特点由于隐极同步电机气隙均匀，电枢磁势对主极磁场的影响在气隙圆周上任何位置都一样，可以整体考虑电枢反应的影响，不用分成交直轴分量考虑。磁路不饱和：利用叠加原理，分别考虑负载时电枢磁势 Fa 和励磁磁势 Ff1 的各自独立作用，然后进行叠加。即 . f I 直流励磁电流 Ff 1 励磁基波磁势 0 .  主磁通 0 . E 感应电动势（定子绕组）   f . 漏磁通（与转子交链） . I 负载定子电流 Fa 电枢磁势基波 a .  电枢磁通 Ea . 电枢感应电动势 .  定子漏磁通  . E 定子感应漏电势定子绕组上产生的三个感应电动势 0 . E 、 Ea . 、  . E 各自滞后于产生它们的磁通 90 度电角度。合成气隙磁通 . . 0 .  = +a ，气隙电动势 . . 0 . E = E + Ea

电机学教案５磁路饱和：不能使用叠加原理。电流产生磁势，求合成磁势，再求合成气隙磁通及感应电动势。即， . f I Ff 1 F .  . E . I Fa   .  . E 3. 凸极同步电机的双反应理论凸极同步电机的气隙不均匀，同一电枢磁势作用在不同气隙位置时，电枢磁势对主极磁场的影响不同，所以气隙磁场会有变化。 (1) ψ=90,正弦电枢磁势基波作用在 d 轴上。 (2) ψ=0, 正弦电枢磁势基波作用在 q 轴上。 (3) 0≤  ≤900 电枢磁势作用在任意位置，电枢磁场分布不对称，磁场波形与ψ和 Fa 大小有关。不能直接确定电枢反应的大小。在这种情况下，为了分析电枢反应的影响，提出了双反应理论。双反应理论：当电枢磁势的轴线既不和直轴重合又不和交轴重合时，可以把电枢磁势分解成直轴分量和交轴分量。分别求出直轴和交轴磁势的电枢反应，最后再把它们的效果叠加起来。双反应理论适合饱和以及不饱和情况。 4．直轴和交轴电枢磁势的折算（1）励磁磁密基波幅值（转子励磁磁势产生） f f f f f f f f B B F k k B k B k 0 1 1 = = =    （波形系数）（2）直轴电枢磁势产生的基波磁密幅值 ad ad ad d ad d ad d B B F k k B k B k 0 1 1 = = =    （电枢磁场波形系数）（3）交轴电枢磁势产生的基波磁密幅值 aq aq aq q aq q aq q B B F k k B k B k 0 1 1 = = =    （4）将正弦波电枢磁势 Fad Faq , 折算为等效的励磁绕组方波磁势 ' ' , ad aq F F ，折算前后的基波磁密幅值不变。        =  = = =  = = aq aq aq f q q aq f aq aq ad ad ad f d d ad f ad ad F k F k k F F k F k k k F k F k k F F k F k k k 0 0 ' ' 0 0 ' '             ad aq k ,k 直轴交轴电枢磁势折算系数（5）根据 ' ' , Fad Faq 查电机的空载特性曲线，可以得到 Fad Faq , 产生的磁场在电枢绕组中的感应电动势

沈阳工业大学６ 6．2．3 隐极同步发电机的负载运行 1．不考虑饱和正像前面分析的那样，不计饱和时，可以利用叠加原理。按照发电机惯例，如图 6.20 所示参考方向，得定子电动势平衡方程： a Ra E E E U I . . . . . 0 + +  = + 其中， a Xa E j I . . = − ；电枢反应电势， Xa电枢反应电抗：数值上等于单位电流所感应的电枢反应电动势；物理意义表示对称三相电流产生的电枢反应磁场在定子绕组中感应电动势的能力。  X E j I . . = − ；电枢感应漏电势， Xσ漏电抗总为常数。所以， a a a Xt E U I R j I X j I X U I R j I . . . . . . . . 0 = + +  + = + + Xt=Xa+Xσ为隐极同步电机的同步电抗，它表征对称稳态远行时电枢反应基波磁场和漏磁场综合效应的电磁参数。相量图：6.21 不计饱和时隐极同步发电机的时空矢量图和等效电路（任意波形） 6.22 不计饱和时用励磁电动势和同步电抗表示的隐极同步发电机的时空相量图和等效电路（正弦波形） 2．考虑饱和考虑饱和时，不能利用叠加原理。应该由合成磁势 F 求磁通  ，由磁通求电势 E 电势平衡方程： Ra E E U I . . . . .  +  = +  X E U I R j I a . . . . . = + + 根据图 6.24 知，饱和时漏抗压降的延长线不和空载励磁电动势闭合。 6．2．4 凸极同步发电机的负载运行 1．不考虑饱和此时，转子直流励磁电流和定子绕组电流的交直轴分量各自作用产生磁势，在产生磁通，进一步会感应电势。最终将所有电势叠加起来得到平衡方程式及相应的相量图。 . f I 直流励磁电流 Ff 1 励磁基波磁势 0 .  主磁通 0 . E 感应电动势（定子绕组）   f . 漏磁通（与转子交链） . I 负载定子电流 Id Fad φad E ad . 电枢感应电动势 Iq Faq φaq Eaq .  定子漏磁通  . E 定子感应漏电势则， ad aq Ra E E E E U I . . . . . 0 . + + +  = + 相量图 6.25

沈阳工业大学８阻抗基值：   N N b b b I U I U Z = = 转速基值： rad s nN b / 60 2  = 励磁电流： ( ) fb f 0 E0 UN I =I = 6．3．1 同步发电机的运行特性 1．空载特性空载特性是指电机在同步转速下空载运行时，励磁电势 E0 与励磁电流 If 的关系。由于铁磁材料的磁滞现象，当励磁电流由 If=0 Ifm If=0 时，上升和下降曲线不重合。并且改变不同的 Ifm 值会得到不同的磁滞回线，工程上采用平均的磁化曲线。实验室中完成的是 U0=1.3UN 到 If=0 的下降曲线，然后进行效正。图 6.28 作用：（1）从空载特性曲线可以反映出电机设计合理性（2）利用空载特性的短路特性可以求出同步电机的重要参数—同步电抗。 2．短路特性电机定子三相稳态短路，同步旋转，U=0 时电枢电流与励磁电流的关系。首先看看方程：隐极电机：不饱和： a Xt E U I R j I . . . 0 . = + + 凸极电机：不饱和： a d d q Xq E U I R j I X j I . . . . 0 . = + + + 饱和：  X E U I R j I a . . . . = + + 饱和：  X E U I R j I a . . . . = + + 短路时，限制短路电流的只有发电机的同步阻抗，忽略电枢电阻只考虑同步电抗的话，短路电流可认为纯感性，电枢磁势基本是一个纯去磁作用的直轴磁势。因此作用在直轴上的磁势有直流励磁磁势和电枢去磁磁势，合成磁势 ' ' F = Ff − Fad ，其产生气隙感应电动势  . E ≈jIXσ。气隙合成磁通小，磁路处于不饱和状态。又 k f k f I  E E  I I  I 0 0 线性短路特性。特性三角形：见图 6.29a，线段 AB 表示直轴电枢反应磁势，线段 AC 反应漏电抗压降 IXσ（可求漏电抗） 3．零功率因数负载特性负载特性： n=nN，I=constant, cosψ=constant,U=f(If) 零功率因数负载特性: n=nN，I=constant, cosψ=0,U=f(If)；实验时电机要接三相纯电感负载。两种方法求零功率因数负载特性：试验法和空载特性结合特性三角形（短路三角形）法

电机学教案 (1)试验法:保持I=IN,n=nN,调节励磁电流和负载电抗,测量电压,则U=f(I (2)由空载特性利用特性三角形得到零功率因数负载特性特性三角形左上角顶点沿着空载特性曲线移动时,其右下角顶点的轨迹即为所求的零功率因数负载特性因为:接纯电感负载,电枢磁势就是直轴去磁磁势,同时负载电流也会产生漏磁通感应漏电势。(笔记上讲的明白)换句话说,负载时要产生与空载同样的电压,直流励磁电流必须提供平衡直轴去磁磁势和感应漏电势所需要的电流。 4.外特性当n=nN,Ir= constant,cos中= constant,U=f(I) (1)在感性负载和纯电阻负载情况下,电枢反应有去磁作用,空载电势E0N。定子电阻和漏抗引起电压下降,外特性是一条下降的曲线。电机需要补偿较大的励磁电流,称其过励状态 (2)容性负载时,电枢反应是助磁的,外特性上升E0UN。电机需要减小励磁电流(与额定励磁电流比较),称其欠励状态 (3)从外特性求同步发电机的电压变化率(亦称为调整率)△U=E0-0N×10% 电机额定运行时,空载励磁电动势与额定电压差与额定电压的比值。一般凸极电机18~30%,隐极电机30~48%(感性负载) 5.调整特性-—-它与外特性相反,感性和纯阻性负载,转子电流随着负载电流増加而増加(因为电枢反应去磁作用,需要增加补偿的励磁电流):容性负载时则电枢反应的助磁作用要减小励磁电流。当n=nN,U= constant,cos巾= constant. If=f(I 6.3.2特性曲线在参数计算中的作用由空载特性和零功率因数负载特性确定定子漏电抗和电枢反应的等效励磁磁动势(见上、保梯电抗当考虑转子漏磁影响时,此时的特性三角形由短路三角形变成保梯三角形,由保梯三角形求得得定子漏抗称为保梯电抗Xp(Xp>X)(笔记或图635) 、利用空载特性和短路特性确定Xd的不饱和值在磁路不饱和的情况下,对应的直轴同步电抗Xd称为Xd不饱和值。方法: 在同一个励磁电流下,从空载特性Eo=f(lf)曲线,求出气隙线上的Eo 再从短路特性上Ik=f(Ie,求出电流Ik 则Xd不泡和=Eo/k 标么值2VW 四、短路比空载额定电压的历次电流下三相稳态短路时的短路电流与额定电流比值19Wn 因为短路特性是一条直线,A0∝1/0,klk,转化为励磁电流的比,即:

电机学教案９（1）试验法：保持 I=IN，n=nN，调节励磁电流和负载电抗，测量电压，则 U=f(If) （2）由空载特性利用特性三角形得到零功率因数负载特性特性三角形左上角顶点沿着空载特性曲线移动时，其右下角顶点的轨迹即为所求的零功率因数负载特性。因为：接纯电感负载，电枢磁势就是直轴去磁磁势，同时负载电流也会产生漏磁通感应漏电势。（笔记上讲的明白）换句话说，负载时要产生与空载同样的电压，直流励磁电流必须提供平衡直轴去磁磁势和感应漏电势所需要的电流。 4．外特性当 n=nN，If=constant, cosψ=constant,U=f(I) (1)在感性负载和纯电阻负载情况下，电枢反应有去磁作用，空载电势 E UN  0 。定子电阻和漏抗引起电压下降，外特性是一条下降的曲线。电机需要补偿较大的励磁电流，称其过励状态。（2）容性负载时，电枢反应是助磁的，外特性上升 E UN  0 。电机需要减小励磁电流（与额定励磁电流比较），称其欠励状态（3）从外特性求同步发电机的电压变化率（亦称为调整率） 0 100% −  = N N U E U U 电机额定运行时，空载励磁电动势与额定电压差与额定电压的比值。一般凸极电机 18~30%，隐极电机 30~48%（感性负载） 5．调整特性------它与外特性相反，感性和纯阻性负载，转子电流随着负载电流增加而增加（因为电枢反应去磁作用，需要增加补偿的励磁电流）；容性负载时则电枢反应的助磁作用要减小励磁电流。当 n=nN，U=constant, cosψ=constant,If=f(I) 6．3．2 特性曲线在参数计算中的作用一、由空载特性和零功率因数负载特性确定定子漏电抗和电枢反应的等效励磁磁动势（见上节）二、保梯电抗当考虑转子漏磁影响时，此时的特性三角形由短路三角形变成保梯三角形，由保梯三角形求得得定子漏抗称为保梯电抗 Xp (Xp>Xσ) (笔记或图 6.35) 三、利用空载特性和短路特性确定 Xd 的不饱和值在磁路不饱和的情况下，对应的直轴同步电抗 Xd 称为 Xd 不饱和值。方法：在同一个励磁电流下，从空载特性 E0=f(If)曲线，求出气隙线上的 E0 再从短路特性上 Ik=f(If)，求出电流 Ik 则 Xd(不饱和)=E0/Ik 标么值    = = = N k N b k d d I E U I I E Z X X ' 0 ' 0   四、短路比空载额定电压的历次电流下三相稳态短路时的短路电流与额定电流比值 0 0 f f I I N k c I I k = = 因为短路特性是一条直线， k0 f 0 I  I ， N fk I  I ，转化为励磁电流的比，即：

沈阳工业大学１０ ' 0 ' 0 ' 0 0 0 ( ) ( ) E U k I I I I I I I I U U k N fk f f f fk k N f N c = =  = = = =kμ/X* d(不饱和) (要结合书上的图和笔记理解) 短路比：就是用标么值表示的直轴同步电抗不饱和值的倒数与饱和系数之积。短路比对电机的影响：（1）短路比大，同步电抗不饱和值效，过载能力大，负载电流引起的端电压变化小。（2）短路比小，负载变化时端电压变化大，电机成本低。（3）气隙加大，可减小 Xd（不饱和）值，短路比增加，电机性能好，成本高五、利用空载特性和零功率因数负载特性确定 Xd 的饱和值磁路饱和时不能利用线性原理，必须先求合成磁势，再从空载特性上求出气隙电动势。 6．3．3 同步发电机稳态参数的计算对称稳定运行时，参数 Xd, Xq, Xp, Xσ的实验测定法。 1． 4 同步发电机的并联运行 6．4．1 投入并联的条件和方法优点：（1）提高电能供电的可靠性（2）提高发电厂的运行效率一、投入并联的条件 1．发电机频率与电网频率相同，f2=f1；否则，发电机输出电压与电网电压之间有相位差存在，并联运行时将产生环流。 2．发电机相电动势与电网电压波形要相同；否则，并联时将在电机与电网之间产生高次谐波环流，使运行损耗和温升增高。 3．发电机相电动势与电网电压幅值相等、相位相同；否则，产生环流高达 20~30 倍额定值。 4．二者相序相同；否则，产生环流。上述条件中，2 和 4 可以在设计、制造上保证；1 和 3 要在并网运行时满足的条件。二、投入并联的方法 1. 准确同步法（1）直接接法亦称为灯光熄灭法从连接图可见，每组灯上的电压就等于该相电网电压和发电机电压之差。假设 1 2 1 2 U =U f  f 则： U U U U ( t t)  U t  t Um t 2 cos 2 cos 2 2 sin sin 2 2 sin 2 1 1 2 1 2 2 1 1 2 1 1         + =  +  −  = − = − = 显然，该电压差幅值 Um 随着时间以 2 2 −1 频率在 0 ~ 2 2 U1 之间变化； U 变化频率为 2 1 +2 讨论：（1）若 2 =1 ，则 Um =0，三组灯上的电压为零，灯同时熄灭。此时和上开关

沈阳工业大学：《电机学》第六章 同步电机

沈阳工业大学：《电机学》第六章同步电机