电机学教案 第六章同步电机 6.1概述 同步电机特点:同步电机转速与极对数、电流频率有严格的关系。 高压、大容量的同步电动机采用旋转磁极式结构;小容量采用旋转电枢式。 转枢式-转子绕组(电枢),定子磁极 转极式-转子磁极,定子电枢。 隐极式:气隙均匀、转子高机械强度高转速。适合细长汽轮发电机 凸极式:气隙不均匀,适合中速、低速运行。短粗水轮发电机结构 6.1.1同步电机的结构型式 隐极电机 部件名称作用 结构 定子铁心形成磁路 05mm硅钢片叠制。直径大开口槽(大型) 于1米的铁心用扇形片拼成 定子绕组电路部分,感应电「圆铜线或扁铜线 三相双层短路叠绕组:高压大 电流用多根并绕换位导线 「机座 机械支撑 大型用钢板焊接 气隙 磁场耦合 绕线转子要利用滑环和电刷 转子铁心「磁路的一部分「整块的良导磁合金钢(导高强度合金钢与转轴锻成 磁、承受高转速、大离心力)体 转子绕组流过电流建立磁「电机用扁铜导线绕成同心|同心线圈被槽楔压紧在槽里 励磁绕组场 护环 保护励磁绕组端 中心环 阻挡励磁绕组轴 向移动 滑环引入励磁电流 端盖 封盖电机两端部无磁性硅铝轻合金材料铸 轴承 承受转子重量和 离心力 凸极同步电机 隐极式同步电机只有卧式一种;凸极式则分为卧式和立式结构 卧式:多数同步电动机、调相机、内燃机发电机、冲击式水轮发电机 立式:低速、大型水轮发电机 1.卧式凸极同步电机的结构特点
电机学教案 １ 第六章 同步电机 6．1 概述 同步电机特点：同步电机转速与极对数、电流频率有严格的关系。 高压、大容量的同步电动机采用旋转磁极式结构；小容量采用旋转电枢式。 转枢式---转子绕组（电枢），定子磁极 转极式---转子磁极，定子电枢。 隐极式：气隙均匀、转子高机械强度高转速。适合细长汽轮发电机。 凸极式：气隙不均匀，适合中速、低速运行。短粗水轮发电机结构。 6．1．1 同步电机的结构型式 一． 隐极电机 部件名称 作用 材料 结构 定子铁心 形成磁路 0.5mm 硅钢片叠制。直径大 于 1 米的铁心用扇形片拼成 开口槽（大型） 定子绕组 电路部分，感应电 势 圆铜线或扁铜线 三相双层短路叠绕组；高压大 电流用多根并绕换位导线 机座 机械支撑 大型用钢板焊接 气隙 磁场耦合 绕线转子要利用滑环和电刷 转子铁心 磁路的一部分 整块的良导磁合金钢（导 磁、承受高转速、大离心力） 高强度合金钢与转轴锻成一 体 转子绕组 励磁绕组 流过电流建立磁 场 电机用扁铜导线绕成同心 线圈 同心线圈被槽楔压紧在槽里 护环 保护励磁绕组端 部 中心环 阻挡励磁绕组轴 向移动 滑环 引入励磁电流 端盖 封盖电机两端部 无磁性硅铝轻合金材料铸 造 轴承 承受转子重量和 离心力 二． 凸极同步电机 隐极式同步电机只有卧式一种；凸极式则分为卧式和立式结构。 卧式：多数同步电动机、调相机、内燃机发电机、冲击式水轮发电机 立式：低速、大型水轮发电机 1．卧式凸极同步电机的结构特点
沈阳工业大学 磁极用1~3mm的钢板冲制叠成。高速电机用实心磁极。 励磁绕组用扁铜线绕制成同心线圈套在极身上。 磁轭用铸钢或冲片叠制 阻尼绕组用铜条插在磁极极靴槽中。作用是改善起动性能。 2.立式凸极同步电机的结构特点 定子分数槽波绕组 转子:用髙强度钢整体锻造,制成空心式以减轻重量;支架由轮毂和轮辐构成:磁极用 1~1.5mm钢板叠压,用螺杆拉紧 同步电机的励磁方式 励磁绕组中通入直流电流,建立磁场 励磁系统有:1)直流发电机励磁系统:采用独立供电的直流并励发电机,与主发电机同轴 输出的直流电经电刷、滑环引入同步发电机转子励磁绕组。 2〕静止式交流整流励磁系统:为解决换相火花问题,采用交流励磁机取代直流 励磁机,但是要经过半导体整流系统把交流电变成直流电供给同步机励磁 绕组。 3)旋转式交流整流励磁系统:亦称无刷励磁系统。转枢式的交流励磁发电机, 与电机一起旋转,整流器也在轴上一起旋转,这样将整流输出直接供给同 步发电机励磁,既不用直流励磁发电机的换向器又不用同步机的电刷滑环 引入系统 6.1.3同步电机的冷却方式 空气冷却、氢气冷却、水冷却、超导发电机 6.1.4同步电机的额定值 与异步电动机一样,额定电压、电流为线值,另外有: 额定容量:发电机出线端额定视在功率, VA KVA 额定功率:发电机输出电功率PN= SN cOS=√3 Ia cos9y 电动机输出机械功率Py= SN COSONn=√3 UNIN COSONn 额定功率因数及额定效率 6.2同步电机的运行原理 研究三相同步电机在对称负载下稳态运行时的内部物理过程,包括基本方程式、矢量图、等 效电路
沈阳工业大学 ２ 磁极用 1~3mm 的钢板冲制叠成。高速电机用实心磁极。 励磁绕组用扁铜线绕制成同心线圈套在极身上。 磁轭用铸钢或冲片叠制 阻尼绕组用铜条插在磁极极靴槽中。作用是改善起动性能。 2．立式凸极同步电机的结构特点 定子分数槽波绕组 转子：用高强度钢整体锻造，制成空心式以减轻重量；支架由轮毂和轮辐构成；磁极用 1~1.5mm 钢板叠压，用螺杆拉紧 6．1．2 同步电机的励磁方式 励磁绕组中通入直流电流，建立磁场。 励磁系统有：1）直流发电机励磁系统：采用独立供电的直流并励发电机，与主发电机同轴。 输出的直流电经电刷、滑环引入同步发电机转子励磁绕组。 2）静止式交流整流励磁系统：为解决换相火花问题，采用交流励磁机取代直流 励磁机，但是要经过半导体整流系统把交流电变成直流电供给同步机励磁 绕组。 3）旋转式交流整流励磁系统：亦称无刷励磁系统。转枢式的交流励磁发电机， 与电机一起旋转，整流器也在轴上一起旋转，这样将整流输出直接供给同 步发电机励磁，既不用直流励磁发电机的换向器又不用同步机的电刷滑环 引入系统。 6．1．3 同步电机的冷却方式 空气冷却、氢气冷却、水冷却、超导发电机 6．1．4 同步电机的额定值 与异步电动机一样，额定电压、电流为线值，另外有： 额定容量：发电机出线端额定视在功率，VA kVA. 额定功率：发电机输出电功率 N N N N N N P = S cos = 3U I cos 电动机输出机械功率 N N N N N N N N P = S cos = 3U I cos 额定功率因数及额定效率 6．2 同步电机的运行原理 研究三相同步电机在对称负载下稳态运行时的内部物理过程，包括基本方程式、矢量图、等 效电路
电机学教案 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 E0=4.44 NNkNIS 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。 φ漏磁通:由N极→极间气隙→S极→转子轭一→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E0=(1),因为E0∝F∝1,经过适当比例变换,可得师=∫(F),它 就是电机的磁化曲线。根据磁化曲线求饱和系数kn=50=20(11-1.25) F8 UN Fo空载额定电压所需要磁势; F6负载额定电压气隙磁势 E磁路不饱和时,对应Fo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Fn以及它产生的气隙磁密基波Bn,波幅同处于直轴正方 向,都以同步角频率a1=2r旋转 时间相量:定子绕组交链的磁通,以及它在绕组中感应的电动势E。E0在时间上滞后 p90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 n=2×100% 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
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 2f 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 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n,定子对称 相绕组产生电枢磁势基波转速n==∞0nP 1.电枢电流Ⅰ滞后励磁电动势E一个锐角v时的电枢反应,即0≤v≤90 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φ角,也达到最大值。主磁通ψ超前感应电势E090 令时轴与相轴重合,则,(图6.17) (1)与B重合,忽略磁滞涡流时,w与F重合。(2)与F重合 根据图6.17b得 Fad= F Faa= F, cosy =l cosy 此时产生去磁磁势Fa,产生交磁磁势Fa 特殊地:申=0F=0F=F只有交轴磁势:=9,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Fn的各自独立 作用,然后进行叠加。即 直流励磁电流一Fn励磁基波磁芋一4主磁通一E0感应电动势(定子统组) ψa漏磁通(与转子交链) i负载定子电流一E电枢磁势基波「一电枢磁通一Ea电枢感应电动势 ψ定子漏磁通一Ea定子感应漏电势 定子绕组上产生的三个感应电动势E、Ea、Ea各自滞后于产生它们的磁通90度电 角度。 合成气隙磁通φ=十,气隙电动势E=E0+E
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 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, 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)中=90,正弦电枢磁势基波作用在d轴上 (2)中=0,正弦电枢磁势基波作用在q轴上。 (3)0≤v≤90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)Bn=k,B=kFk B (波形系数) (2)直轴电枢磁势产生的基波磁密幅值Bm=kBm=k,出Fk2B(电枢磁场波形 B dI 系数) (3)交轴电枢磁势产生的基波磁密幅值B1=kB=kn0F (4)将正弦波电枢磁势Fn,F折算为等效的励磁绕组方波磁势F,F,折算前后的基波磁 密幅值不变。 1ka直轴交轴电枢磁势折算 o F=k (5)根据F,F查电机的空载特性曲线,可以得到Fa,F产生的磁场在电枢绕组中的感应 电动势
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 6.2.3隐极同步发电机的负载运行 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620 所示参考方向,得定子电动势平衡方程: Eo+Ea+Es=U+/R 其中,Ea=-j1xa;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;电枢感应漏电势,Ⅹ。漏电抗总为常数 所以,E=U+IRn+1Xn+∥X=U+IRn+jX1 Ⅹ=Xa+Xa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:621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) 622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。求磁通的,由磁通求电势E 电势平衡方程:EB+Ea=U+R Es=u++ilX 根据图624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。 J直流励磁电流一→Fn励磁基波磁势一ψ主磁通一Eo感应电动势(定子绕组) ψ漏磁通(与转子交链) 负载定子电流→→d→Fa-中a一Ea电枢感应电动势 定子漏磁通→E定子感应漏电势 E0+Ea+Ea+Ea=U+/R相量图625
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
电机学教案 同时有: nd o dad oc Fad o Fad oc l记{2a=-1x Eaa=-jlg 电抗 是直轴电枢反应电抗和交轴电枢反应电抗,它们物理意义是反映定子电流产 生的磁场在定子绕组中感应电动势的能力。 IRa+jld xad+j. JIX 方程式进一步可以写出:=U+/Rn+j14(xa+xn)+j2(Xm+X) IRa+jla xa+jlg xq 参数 X>X4(∵〈)。分别称为凸极同步电机直轴同步电抗和交轴同步电抗 相量图6.26 2.考虑饱和 考虑饱和后,首先要把作用在直轴上的磁势进行叠加,然后求各自的直轴磁通和电势以及 交轴磁通和电势,最后再合成交直轴电势。即 Ft 平衡方程式:Ea+Ea+Eo=U+Rn=E+Eo 交轴气隙大,可以认为磁路线性,交轴电枢反应电抗为常数,则Ed=U+IRn+j1Xa+IX 相量图6.27 6.3同步发电机的运行特性 运行特性是指:空载特性Eo=(I):短路特性Ik=f();零功率因数特性U=f(l;外特性 U=f(I);调整特性Irf()。 两个重要参数:短路比ke和电压调整率 采用标么值分析同步电机,基值选取如下 容量基值:S6= MUNSIN单位VA 电压、电流基值:Ub=U1,b6=l
电机学教案 ７ 同时有： aq aq aq aq q ad ad ad ad d E F F I E F F I ' ' 记 = − = − aq q q ad d d E j I X E j I X . . 电抗 Xad, Xaq 是直轴电枢反应电抗和交轴电枢反应电抗，它们物理意义是反映定子电流产 生的磁场在定子绕组中感应电动势的能力。 方程式进一步可以写出： a d d q q a d ad q aq a d ad q aq U I R j I X j I X U I R j I X X j I X X E U I R j I X j I X j I X . . . . . . . . . . . . . 0 . ( ) ( ) = + + + = + + + + + = + + + + 参数 = + = + X X X X X X q aq d ad ， Xd>Xq（ d q ）。分别称为凸极同步电机直轴同步电抗和交轴同步电抗。 相量图 6.26 2．考虑饱和 考虑饱和后，首先要把作用在直轴上的磁势进行叠加，然后求各自的直轴磁通和电势以及 交轴磁通和电势，最后再合成交直轴电势。即： If Ff Fd φd Ed Id Fad Iq Faq φaq Eaq φσ Eσ 平衡方程式： . . . . . . . Ed + Ead + E = U+ I Ra = E + E 交轴气隙大，可以认为磁路线性，交轴电枢反应电抗为常数，则 X E U I R j I X j I d a q aq . . . . . = + + + 相量图 6.27 6．3 同步发电机的运行特性 运行特性是指：空载特性 E0=f(If)；短路特性 Ik=f(If)；零功率因数特性 U=f(If)；外特性 U=f(I)；调整特性 If=f(I)。 两个重要参数：短路比 kc 和电压调整率 采用标么值分析同步电机，基值选取如下： 容量基值： b N N S = mU I 单位 VA 电压、电流基值： b N b N U =U , I =I
沈阳工业大学 阻抗基值:z 转速基值:a=2mmad/s 励磁电流:1/b=10(E=Ux) 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Eo与励磁电流Ir的关系。 由于铁磁材料的磁滞现象,当励磁电流由I0→→I血→→=0时,上升和下降曲 线不重合。并且改变不同的Iim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I=0的下降曲线,然后进行效正。图628 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:E0=U+1Rn+j1x 凸极电机:不饱和: Eo=0+IRa+jld xa+jl q 饱和:Es=U+IRn+∥X。 饱和: Es=U+IRa+J 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=F-F,其产生气隙感 应电动势Es≈jX。。 气隙合成磁通小,磁路处于不饱和状态。又∝E0E0∝∵lk∝l线性短路特性 特性三角形:见图629a,线段AB表示直轴电枢反应磁势,线段AC反应漏电抗压降X。(可求漏 电抗) 3.零功率因数负载特性 负载特性:n=nN,I= constant,cos中= constant,U=f(If) 零功率因数负载特性:n=nN,I= constant,cosψ=0,U=f();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)
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 Cx=kAC不与(要结合书上的图和笔记理解 lm(lk=IN)l/0lm“E 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(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,X4XpX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 投入并联的条件 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髙 3.发电机相电动势与电网电压幅值相等、相位相同;否则,产生环流髙达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。 、投入并联的方法 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 f1≠f2 △U=U2-1=√no2- sino,t))=[21sma-a;}eos2+e2r=△ U cos+a 显然,该电压差幅值△U随着时间以频率在0~2√U之间变化:△U变化频率为 讨论:(1)若a2=1,则MUn=0,三组灯上的电压为零,灯同时熄灭。此时和上开关, 10
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
