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1、第六章第六章 同步电机同步电机6.1 同步电机的同步电机的基本结构和运行基本结构和运行状态状态6.2 空载和空载和负载时同步发负载时同步发电机的磁场电机的磁场6.3 隐极同隐极同步发电机的电步发电机的电压方程、相量压方程、相量图和等效电路图和等效电路6.4 凸极同凸极同步发电机的电步发电机的电压方程和相量压方程和相量图图6.5 同步发同步发电机的功率方电机的功率方程和转矩方程程和转矩方程6.6 同步电机同步电机 参数的测定参数的测定6.7 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性6.1 同步电机的基本结构和运行状态同步电机的基本结构和运行状态 同步电机同步电机一、同步电机的基本结构一、同步电机
2、的基本结构 旋转电枢式旋转电枢式 旋转磁极式旋转磁极式 隐极式隐极式（Salient-pole）凸极式凸极式（Cylindrical-Rotor）二、同步电机的运行状态二、同步电机的运行状态发电机发电机把机械能转换为电能把机械能转换为电能 电动机电动机把电能转换为机械能把电能转换为机械能补偿机补偿机没有有功功率的转换，只发出或吸没有有功功率的转换，只发出或吸 收无功功率收无功功率 同步电机运行状态，主要取决于定子合成磁同步电机运行状态，主要取决于定子合成磁场与转子主磁场之间的夹角场与转子主磁场之间的夹角，称为功率角称为功率角 6.1 同步电机的基本结构和运行状态同步电机的基本结构和运行状态 三
3、、同步电机的励磁方式三、同步电机的励磁方式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直流励磁机通常与同步发电机 同轴，采用并励或他励接法。同轴，采用并励或他励接法。如图如图6 68 8所示所示 整流器励磁整流器励磁静止式静止式如图如图6-96-9旋转式旋转式6.1 同步电机的基本结构和运行状态同步电机的基本结构和运行状态 l 额额 定定 容容 SN 指额定运行时电机的输辅出功率指额定运行时电机的输辅出功率 l 额定电压额定电压UN 指额定运行时定子的线电压指额定运行时定子的线电压 l 额定电流额定电流IN 指额定运行时定子的线电流指额定运行时定子的线电流 l 额定功率因数额定功率因
4、数指额定运行时电机的功率因数指额定运行时电机的功率因数 l 额定频率额定频率fN 指额定运行时电枢的频率指额定运行时电枢的频率l 额定转速额定转速nN 指额定运行时电机的转速，即为指额定运行时电机的转速，即为l 同步转速同步转速 四、额定值四、额定值 6.1 同步电机的基本结构和运行状态同步电机的基本结构和运行状态 返回 空载运行时，同步电机内仅有由励磁电流所空载运行时，同步电机内仅有由励磁电流所建立的主极磁场。建立的主极磁场。图图6 6l0l0表示一台四极电机空载表示一台四极电机空载时的磁通示意图。从图可见，主极磁通分成主磁时的磁通示意图。从图可见，主极磁通分成主磁通通0 0和漏磁通和漏磁通
5、ff两部分，前者通过气隙并与定两部分，前者通过气隙并与定子绕组相交链，后者不通过气隙，仅与励磁绕组子绕组相交链，后者不通过气隙，仅与励磁绕组相交链。主磁通所经过的主磁路包括空气隙电枢相交链。主磁通所经过的主磁路包括空气隙电枢 齿、电枢轭、磁极极身和转子轭等五部分。齿、电枢轭、磁极极身和转子轭等五部分。6.2 空载和负载时同步发电机的磁场空载和负载时同步发电机的磁场一、空载运行一、空载运行6.2 空载和负载时同步发电机的磁场空载和负载时同步发电机的磁场一、空载运行一、空载运行 当转子以同步转速旋转时，主磁场将在气隙中形成一个旋当转子以同步转速旋转时，主磁场将在气隙中形成一个旋转磁场，在定子绕组内
6、感应出对称三相电动势（激磁电动势）转磁场，在定子绕组内感应出对称三相电动势（激磁电动势）空载特性是同步电机的一条基本特性。如空载特性是同步电机的一条基本特性。如图图6 61111所示所示二、对称负载时的电枢反应二、对称负载时的电枢反应l 电枢磁动势的基波在气隙中所产生的磁场就电枢磁动势的基波在气隙中所产生的磁场就称为电枢反应。电枢反应的性质称为电枢反应。电枢反应的性质(增磁、去磁或增磁、去磁或交磁交磁)取决于电枢磁动势和主磁场在空间的相对取决于电枢磁动势和主磁场在空间的相对位置。分析表明，此相对位置取决于激磁电动势位置。分析表明，此相对位置取决于激磁电动势E E0 0和扭载电流和扭载电流I I
7、之间的相角差之间的相角差0 0(0 0称为内功率称为内功率因数角因数角)。下面分成两种情况来分析。下面分成两种情况来分析。6.2 空载和负载时同步发电机的磁场空载和负载时同步发电机的磁场 与与 同相时同相时0EIa)a)定子绕组电动势、电流和磁动势的空间矢量图定子绕组电动势、电流和磁动势的空间矢量图相相轴轴线线AfFA0BXZYBCNSsnsnaF 与与 同相时同相时0EIb)b)时间矢量图时间矢量图时时间间参参考考轴轴CE0 A0 C0 BE0 AE0 B I1 00B0 AICI 与与 同相时同相时0EIc)c)时时-空统一矢量图空统一矢量图轴轴dfF)(aqnFF)(00 B I0 E1
8、 与与 同相时同相时0EId)d)气隙合成磁场与主磁场的相对位置气隙合成磁场与主磁场的相对位置aFeTAXZYBCNS0BBsn 与与 不同相时不同相时0EI a)a)滞后于滞后于 时的空间矢量图时的空间矢量图0 E IsnadF相相轴轴线线AAXZBCsnaFaqFNSfF 与与 不同相时不同相时0EI b)b)滞后滞后 时的时时的时-空统一矢量图空统一矢量图0 E IfFadFaFaqF I0 0 1 0 E 与与 不同相时不同相时0EI c)c)超前超前 时得时时得时-空统一矢量图空统一矢量图0 E I1 0 IfFadFaF0 0 E返回同步发电机负载运行时物理量的关系：同步发电机负载
9、运行时物理量的关系：l 一、不考虑磁饱和时一、不考虑磁饱和时fI主主极极fF 0 0E E aE aaF I电枢电枢 E)(XIjE6.3 隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路 在时间相位上，在时间相位上，滞后于滞后于 以以9090电角度，若不计定子电角度，若不计定子铁耗铁耗,与与 同相位，则同相位，则 将滞后于将滞后于 以以9090电角度于是电角度于是 亦可写成负电抗压降的形式，即亦可写成负电抗压降的形式，即 采用发电机惯例，以输出电流作为电枢电流的正方向时，采用发电机惯例，以输出电流作为电枢电流的正方向时，电枢的电压方程为电枢的电压方程为 因为电枢反应电动势因为电枢反应电动势EaEa
10、正比于电枢反应磁通正比于电枢反应磁通aa不计磁饱不计磁饱和时，和时，aa又正比于电枢磁动势又正比于电枢磁动势FaFa和电枢电流和电枢电流I I，即，即aEIaaaEI (6 (65)5)(6 (66)6)将式将式(6(66)6)代人式代人式(6(65)5)，可得，可得 (6 (67)7)式中，式中，XsXs称为隐极同步电机的同步电抗，称为隐极同步电机的同步电抗，Xs=Xa+XXs=Xa+X，它，它是对称稳态运行时表征电枢反应和电枢漏磁这两个效应的一是对称稳态运行时表征电枢反应和电枢漏磁这两个效应的一个综合参数。不计饱和时，个综合参数。不计饱和时，XsXs是一个常值。是一个常值。图图6 615a
11、15a和和b b表示与式表示与式(6(65)5)和式和式(6(67)7)相对应的相量图，相对应的相量图，图图6 615c15c表示与式表示与式(6(67)7)相应的等效电路。从相应的等效电路。从图图6 615c15c可以可以看出，隐极同步发电机的等效电路由激磁电动势和同步阻抗看出，隐极同步发电机的等效电路由激磁电动势和同步阻抗Ra+jXsRa+jXs串联组成，其中串联组成，其中E E0 0表示主磁场的作用，表示主磁场的作用，XsXs表示电枢反表示电枢反应和电枢漏磁场的作用。应和电枢漏磁场的作用。考虑磁饱和时，由于磁路的非线性，叠加原理不再适用。考虑磁饱和时，由于磁路的非线性，叠加原理不再适用。
12、此时，应先求出作用在主磁路上的合成磁动势此时，应先求出作用在主磁路上的合成磁动势F F，然后利用电，然后利用电机的磁化曲线机的磁化曲线 (空载曲线空载曲线)求出负载时的气隙磁通求出负载时的气隙磁通 及相应及相应的气隙电动势的气隙电动势 。二、考虑磁饱和时二、考虑磁饱和时EfFFaaFk E 再从气隙电动势再从气隙电动势 减去电枢绕组的电阻和漏抗压降，使减去电枢绕组的电阻和漏抗压降，使得电枢的端电压得电枢的端电压 ，即，即EU 相应的矢量图、相量图和相应的矢量图、相量图和F FE E间的关系如图间的关系如图6 616a16a和和6 616b16b所示。图所示。图6-16a6-16a中既有电动势相
13、量，又有磁动势矢量。故中既有电动势相量，又有磁动势矢量。故称为电动势称为电动势磁动势图。磁动势图。或或返回 考虑到凸极电机气隙的不均匀性，把电枢反应分成直考虑到凸极电机气隙的不均匀性，把电枢反应分成直轴和交轴电枢反应分别来处理的方法，就称为双反应理论。轴和交轴电枢反应分别来处理的方法，就称为双反应理论。凸极同步电机的气隙是不均匀的，极面下气隙较小，凸极同步电机的气隙是不均匀的，极面下气隙较小，两极之间气隙较大，故直轴下单位面积的气隙磁导两极之间气隙较大，故直轴下单位面积的气隙磁导d d(d(d00d)d)要比交轴下单位面积的气隙磁导要比交轴下单位面积的气隙磁导q q(q(q00q)q)大很多，
14、大很多，如图如图6 618a18a所示。所示。当正弦分布的电枢磁动势作用在直轴上时，由于当正弦分布的电枢磁动势作用在直轴上时，由于dd较较大，故在一定大小的磁动势下，直轴基波磁场的幅值大，故在一定大小的磁动势下，直轴基波磁场的幅值Bad1Bad1相对较大。相对较大。一、双反应理论一、双反应理论6.4 凸极同步发电机的电压方程和相量图 不考虑磁饱和时不考虑磁饱和时同步发电机负载运行时物理量的关系：同步发电机负载运行时物理量的关系：二、凸极同步发电机的电压方程和相量图二、凸极同步发电机的电压方程和相量图6.4 凸极同步发电机的电压方程和相量图fIfF0 0 E EadE ad adFaF Iaq
15、aqE aqF E XI jl 从气隙电动势云减去电枢绕组的电阻和漏抗压降，便从气隙电动势云减去电枢绕组的电阻和漏抗压降，便得电枢的端电压。采用发电机惯例，电枢的电压方程为：得电枢的端电压。采用发电机惯例，电枢的电压方程为：6-9l 不计磁饱和时不计磁饱和时 和和 可以用相应的负电抗压降来表示可以用相应的负电抗压降来表示adEaqEqdIII6-10将式将式(6-10)(6-10)代入式代入式(6-9)(6-9)，并考虑，并考虑 ，可得可得 式中，式中，XdXd和和XqXq分别称为分别称为直轴同步电抗直轴同步电抗和和交轴同步电抗交轴同步电抗，它们是表征对称稳态运行时电枢漏磁和直轴或交轴电枢反它
16、们是表征对称稳态运行时电枢漏磁和直轴或交轴电枢反应的一个综合参数。上式就是凸极同步发电机的电压方程。应的一个综合参数。上式就是凸极同步发电机的电压方程。图图6-196-19表示与上式相对应的相量图。表示与上式相对应的相量图。引入虚拟电动势引入虚拟电动势 ，使，使 可得可得QE)(0qddQXXI jEE6-126-12 由式由式6-126-12相量图如图相量图如图6-206-20所示。由所示。由图图6-206-20不难确定不难确定 由式由式6-126-12可得凸极同步发电机的等效电路，如可得凸极同步发电机的等效电路，如图图6-216-21所所示。示。三、直轴和交轴同步电抗的意义三、直轴和交轴同步电抗的意义 由于电抗与绕组匝数的平方和所经磁路由于电抗与绕组匝数的平方和所经磁路的磁导成正比，所以的磁导成正比，所以 如如图图6-226-22所示。对于凸极电机，由于直所示。对于凸极电机，由于直轴下的气隙较交轴下小，轴下的气隙较交轴下小，所以，所以X XadadXXaqaq，因此在凸极同步电机中，因此在凸极同步电机中，X Xd dXXq q。对于隐极电机，由于气隙是均匀的，故对于隐极电机，由于气
