同步电机的运行原理新

6.2同步电机的运行原理要点：1、时空相-矢量图2、负载运行时两个旋转磁动势a.由直流电流产生的励磁磁动势b.三相对称交流电流产生的电枢磁动势3、隐极式同步发电机的电动势相量图，方程式，等值电路.4、凸极式同步发电机的电动势相量图，方程式，等值电路。一、同步发电机工作原理1、定子：三相绕组，空间互差1200电角度，匝数相等转子：If,由转子N极出来气隙定子铁心气隙转子S极原动机n逆时针恒速旋转转子旋转磁场定子上导体切割磁力线产生e二、感应电势e设沿极面正弦分布，则导体电势ec=Bxlv=Bmlvsinwt=EcmsinwtBm--正弦波磁通密度最大值则：eA=EcmsinwteB=Ecmsin（wt-1200）eC=Ecmsin（wt+1200）三、转子转速n:一对极：转子转一周，e为一个周波；p对极：转子转一周，e为p个周波；则一般f=50HZ,则p、n成反比。p、f一定时，为恒值.pfn601pfn601同步电机异步电机同步转速nn1nn16.2.1同步发电机空载运行空载运行：当原动机带动发电机在同步转速下运行，励磁绕组通过适当的励磁电流，电枢绕组不带任何负载时的运行情况。一、基波励磁磁动势当励磁绕组中通入直流电流后，产生随转子一起旋转的磁动势，称为励磁磁动势。因为它随转子一起转动，从定子上看，它也是一个旋转磁动势，所以同电枢绕组磁动势的分析方法一样。1、凸极电机的励磁磁动势励磁绕组放置在磁极两边槽里，磁极中间不放绕组以使磁极磁动动势波形接近正弦，每极磁势最大幅值为Ff=Nfif/2，通过实际总槽数Z2与沿转子表面开的等距槽的总槽数Z2的比值查表得kf。2、隐极电机的励磁磁动势空间参考轴选择定子A组绕组轴线+A处，该处为α=0基波励磁磁动势用空间向量表示,向量长度等于基波磁动势的副值,向量位置为基波磁动势正波幅所在位置，向量以同步角速度ω逆时针方向转动。二、基波励磁磁动势空间矢量三、基波气隙磁密空间矢量1、隐极机：气隙均匀，当铁心不饱和时，气隙磁密与磁动势成正比，基波磁动势产生正弦波磁密，再不考虑磁铁的磁滞涡流效应下，磁密波的相位和磁动势波的相位相同。2、凸极机：气隙不均匀，即使铁心不饱和，气隙中产生的磁密大小与磁动势大小不成正比，正弦的基波励磁磁动势产生的磁密波是非正弦分布的，磁密波还要分解基波和一系列谐波，基波磁密和基波磁动势仍然同相位。四、定子相绕组的感应电动势、时间相量气隙磁密B0旋转切割定子三相绕组，定子绕组感应随时间正弦变化的电动势，用时间相量来表示。由于空间坐标选A相绕组轴线+A为参考轴，所以时间相量也分析A相，感应电动势效值用E0表示。1、Ff1及B0均与+A轴重合，A相绕组的有效边处于极间磁密为零处，A相绕组感应电势瞬时值为零，即E0在+j时间轴的投影为零。2、A相绕组边处于磁极中心线，磁密最大，A相绕组感应电动势瞬时值为正最大。结论：Ff1及B0在空间参考轴+A上初相位α0与A相时间相量E0在时间参考轴+j的初相位Ψ0之间存在一定关系，即：Ψ0=α0-900，此关系适合任意时刻。五、时空相—矢量图将空间矢量图参考轴+A与时间相量参考轴+j重合在一起，构成时间空间相量图，即时-空相矢量图。注意：时间相量与空间矢量的物理意义截然不同，放在一起无实际意义，只是为了方便找出向量的相对位置六、空载特性：(磁化曲线)注意：空载曲线横坐标是实际的励磁电流，或每极实际磁动势波幅，而不是基波磁动势。定子绕组开路、转子由原动机拖动到额定转速并通入励磁电流的运行状态称为同步发电机的空载运行，称的函数关系为空载特性，它是一条非线性关系的饱和曲线。)i(fEUf00☆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（将其延长后的射线称气隙线）。NUEbcack'0k1k饱和系数气隙系数E0OIfNUNIf气隙线abcdgE0=f(If)（2）转速：(r/min)（1）大小：(A)6.2.2同步电机的电枢反应Armaturereactionofsynchronousgenerator定义：电枢磁动势对励磁磁动势的影响叫电枢反应。一、磁动势分析1、定子三相对称绕组中对称三相电流产生基波电枢磁动势FapKIN35.1F1N11apf60n11（3）转向：沿通电相序A、B、C的方向，它与转子转向相同（4）极对数：和转子极对数Ｐ相同，决定于绕组的节距y1（1）大小：(A)（2）转速：和转子转速一样为同步转速（3）转向：和转子转向一致（4）极对数：和转子磁极的极对数相同2、转子绕组通入直流产生每极基波励磁磁动势Ff1fff1fiNK21F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决定二、电枢反应的性质Fa——空间基波电枢磁动势向量Ff1——空间基波励磁磁动势向量E0——空载时定子一相电动势电机带负载后，I≠0，由于所带负载性质不同，使E和I之间相位角Ψ不同，电枢反应的性质也不同。设ωt=0时，转子S极中心在空间坐标轴超前90°的位置，即的位置。0090直轴（纵轴、d轴）：主磁极轴线位置。交轴（横轴、q轴）：与直轴成900电角度的位置。相轴：每相绕组的轴线位置。时轴:时间相量在其上投影可得瞬时值（1）有关的基本概念:.:)(,:,:00三者关系的时间相位角与是功角功率角与负载有关的时间相位角与是外功率因数角与电机参数及负载有关的时间相位角与是内功率因数角UEIUIEθθ内功率因数角Ψ=00BI.AI.CI.AE0.时轴CE0.B0.EΨ+900FδFad轴q轴A轴AXZBCYFfNS交轴电枢反应（2）电枢反应性质内功率因数角Ψ=900时轴AE0.CE0.BE0.AI.CI.BI.ψd轴q轴A轴AXZBCYFfNS直轴去磁电枢反应Fa内功率因数角Ψ=-900时轴AE0.CE0.BE0.CI.BI.AI.ψd轴q轴A轴AXZBCYFfNS直轴助磁电枢反应Fa内功率因数角00Ψ900时轴AE0.CE0.BE0.ψAI.CI.BI.d轴q轴A轴AXZBCYFfNS既有交轴又有直轴去磁电枢反应Ψ+900Fa当ψ角为不同值的电枢反应位置电枢反应性质对电机的影响负载性质n(f)UΨ=00q轴交轴波形畸变下降不变RΨ=900d轴直、去削弱不变下降LΨ=-900d轴直、助增强不变上升C00Ψ900d、q轴交、直去削弱下降下降R、L-900Ψ00d、q轴交、直助增强下降上升R、C1、凸极机（气隙不均匀）直轴磁路中的气隙短，磁阻小；交轴磁路中的气隙长，磁阻大。Fa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、交轴两分量分别讨论---引入双反应理论。三、凸极同步电机的双反应理论2、双反应理论Fa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。3、直轴、交轴的折算把电枢磁动势折算到励磁绕组（转子绕组）侧★励磁磁动势Ff的基波磁通密度Bf1：Ff----方波，恒作用于d轴kf----波形系数kd----正弦波Fad作用于d轴的波形系数Bf=0Ff/(k)Bf1=Bfkf=kf0Ff/(k)为方波与基波之间关系式★类似地Bad1=kd0Fad/(k)★正弦波Faq(马鞍形）作用于q轴等效到d轴上的基波磁通密度Baq1：Baq1=kq0Faq/(k)★直轴、交轴正弦波电枢（定子）磁动势折算为方波（转子绕组）励磁磁动势即Fad'=kdFad/kf=kadFadFaq'=kqFaq/kf=kaqFaqkd0Fad/(k)=kf0Fad'/(k)kq0Faq/(k)=kf0Faq'/(k)kad=kd/kf直轴电枢磁动势折算系数交轴kaq=kq/kf交轴电枢磁动势折算系数交轴★物理意义建立同样大小的基波磁场时，单位安匝的直轴或交轴正弦磁动势（Fad、Faq）所对应的等效的方波励磁磁动势（Fad'、Faq'）同一台发电机，端电压的变化，不仅与负载电流的大小有关，还与负载性质有关。6.2.3隐极同步发电机的负载运行一、负载电流对端电压的影响：.Ea.E.E0.I.U同步发电机加负载后，定子中有三相对称的电枢电流流过，产生电枢磁势，与励磁磁势合成气隙磁势，将在气隙中产生磁密波,以同步速旋转，切割定子绕组，定子每相绕组中感应电势为。二、负载时定子绕组一相的电压方程式：电枢电流流过定子绕组，在每相绕组中产生电阻压降和漏电抗压降，定子绕组产生的漏磁通包括三个部分：（1）槽漏磁通；（2）端接漏磁通；（3）差漏磁通。定子每相的电压方程式为：三、定子一相漏磁通ZIE)XIjRI(EUa每相漏阻抗隐极发电机的电磁过程aaXIjEXIjEaaaEFI00ffEFIEaRIE四、隐极同步发电机的电枢反应、同步电抗和等效电路不计饱和电枢反应电动势是由产的，在相位上总是落后于电角度，若引入一个比例常数则和的关系可写成成：，相当于一个感抗，称作同步电机的电枢反应电抗。aaXIjEaXaEaEaXaX090IaF0EIrcjxUttaaa0aaaa0ZIU)jXR(IU)jXjXR(IUEXIjEXIjERIUEEEEE同步电抗tatXXXX同步阻抗ttatZjXRZ隐极发电机的相量图已知发电机的端电压、负载电流和功率因数cosφ及参数Ra、xtφUIaRItXIjψ0Eθ当功率因数cosφ滞后时的相量图fIfF00EIqIdIadFaqFadaqadEaqEEEarI6.2.4凸极同步发电机的双反应理论及电动势相量图一、电磁关系二、凸极发电机的电动势相量图：凸极机电动势关系式为：cosIIsinIIqdaqqaqaddadXIjEXIjE同相位。与电角度，成与产生的，和的分量电流，可以看作是由电枢和凸极发电机的0d00qqdaqadEI90EIIIIFFqqddaaqqadda0aaqad0XIjXIjRIUXIjXIjXIjRIUE)XIjRI(UEEEEaaXIjEXIjE交轴同步电抗直轴同步电抗qqaqdaddXXXXXXXXdIqIIRUIqqjIxddjIx0E000UI0UI时，领先时，落后cosUIRsinUIXarctgaq。的夹角和可求得，的夹角和若已知IEIU三、等值电路：qqdda0qqqdaqaQXIjXIjRIUEXIjXIjRIUXIjRIUE设：)XX(IjEE,EEEEqddQ00Q0Q同相位，但是与图6-18不计饱和时隐极同步发电机等效电路图1、电磁关系不能再用叠加原理计算E，+，转子励磁电流IfFfFf1定子三相电流IFa1IaF1..E.E..0.a.E.E0+.Ea基波四、隐极机饱和时与满足空载特性。F.E2、磁势方程=Ff1+Fa1(*)F13、电势方程：=+=+Ra.E.E.E.UI.或.E=.U+I.Ra+jIX.4、饱和时，由F1求（磁势Fa1折算）：求作用在主磁路上的合成磁势F'，然后利用电机的磁化曲线（空载特性）求负载时气隙合成电势。.E.EF1=Ff1+Fa1为基波磁势，但空载特性E0=f(Ff)是用励磁磁势(阶