同步发电机的基本电磁关系

基本概念空载运行：同步发电机被原动机拖到同步转速，转子绕组通入直流励磁电流而电枢绕组开路，这种运行状态称为空载运行或无载运行。励磁磁动势：同步发电机空载运行时电枢电流为零，电机气隙中只有转子励磁电流if产生的磁动势Ff和磁场，称为励磁磁动势和励磁磁场。同步发电机的基本电磁关系§10-1同步发电机的空载运行主磁通漏磁通基本概念主磁通（励磁磁通）：既链过转子，又通过气隙并与电枢绕组交链的磁通Φ0，称为主磁通，它就是空载时的气隙磁通，或称励磁磁通。主极漏磁通：只交链励磁绕组的磁通Φfσ称为主极漏磁通，它不参与电机的机电能量转换过程。同步发电机的基本电磁关系§10-1同步发电机的空载运行同步发电机空载运行分析励磁电动势：将发电机用原动机拖动，使转子以同步速旋转，则主磁通Φ0将在气隙内形成一个旋转磁场，如果定子绕组是对称的，则主磁通切割电枢绕组感应出频率为f的三相对称电动势，称为励磁电动势，不计谐波，三相励磁电动势为：01000044.4240;120;0wCBAfwkEEEEEEE同步发电机的基本电磁关系§10-1同步发电机的空载运行同步发电机空载运行分析空载特性：改变励磁电流if，就可得到不同的Φ0和励磁电动势E0，曲线E0＝f(if)表示在同步转速下，空载电动势E0与励磁电流if之间的关系，称为发电机的空载特性。如图所示。由于E0∝if，if∝Ff，所以，空载曲线实质上就反映了电机的磁化曲线。同步发电机的基本电磁关系§10-1同步发电机的空载运行气隙线Gabc00ENUfFfFfi0fi0fFfi0同步发电机空载特性分析当主磁通Φ0较小时，整个磁路处于不饱和状态，绝大部分磁动势消耗于气隙，所以空载特性的下部是一条直线，与空载曲线下部相切的线OG称为气隙线,随着Φ0的增大，铁心逐渐饱和，空载曲线逐渐变弯。空载特性是同步发电机的基本特性之一。同步发电机的基本电磁关系§10-1同步发电机的空载运行同步发电机空载特性分析一般设计的电机，空载电动势等于额定电压的一点在曲线转弯处，电机的饱和因数普通同步电机的kμ值一般在1.1～1.25左右。ffiibacak0同步发电机的基本电磁关系§10-1同步发电机的空载运行同步发电机空载特性分析讨论：空载特性反映了发电机的磁化特性，而磁化特性不管空载或负载都适用，所以从这个意义上看，励磁电动势与励磁电流的关系不仅适用于空载情况，负载情况也是适用的。同步发电机的基本电磁关系§10-1同步发电机的空载运行基本概念电枢磁动势：同步发电机空载时，电机中只有一个同步旋转的励磁磁动势，带上负载以后，由于电枢绕组有电流通过，就出现第二个磁动势——电枢磁动势。如果绕组对称，三相负载亦对称，电枢磁动势的基波就将为一同步旋转的旋转磁动势，励磁磁动势的基波和电枢磁动势基波二者之和，就构成了负载时的合成磁动势，从而决定了气隙合成磁场。电枢反应：负载时电枢磁动势的基波对主极磁通基波的影响，就称为电枢反应，因此，电枢磁动势又称为电枢反应磁动势。同步发电机的基本电磁关系§10-2三相同步发电机的电枢反应基本概念旋转电机实现机电能量转换的基本条件：同步电机的电枢磁动势的基波与励磁磁动势转速相同，转向一致，因此它们在空间保持相对静止。正由于这种相对静止，才使它们之间的相互关系保持不变，从而建立稳定的气隙磁场、产生平均电磁转距，实现机电能量转换。实际上，定转子磁动势相对静止是一切电磁感应型旋转电机正常运行的基本条件。同步发电机的基本电磁关系§10-2三相同步发电机的电枢反应时空相矢图——分析电枢反应时采用时间相量和空间矢量统一图，简称为“时空相矢图”。1.空间矢量：凡是沿空间按正弦分布的量都可表示为空间矢量。基波励磁磁动势及其磁密为一空间矢量。该矢量位于转子的极轴线上，方向为N极指向，以同步速旋转，如图所示。1fF0B同步发电机的基本电磁关系§10-2三相同步发电机的电枢反应图10-3励磁磁动势空间矢量NSA1fF0BAZBXCY1n电枢磁动势也为空间矢量，它的位置可以这样来确定，即当某相电流达到最大值时，电枢磁动势刚好转到该相绕组的轴线上，它的指向与绕组中的电流方向符合右手螺旋定则，而且转向与转子转向一致，并以同步速旋转。aF同步发电机的基本电磁关系§10-2三相同步发电机的电枢反应aF图10-4电枢磁动势空间矢量tAIBICIAAZBXCY1naF1n如图所示。图中A相电流最大，所以刚好转到A相轴线上。(电流的规定正方向仍由末端流向首端)。2.时间相量：凡是随时间按正弦规律变化的量都可表示为时间相量。同步发电机的基本电磁关系§10-2三相同步发电机的电枢反应同步电机的空载电动势(励磁电动势）是时间向量，该相量的相位由转子的位置决定，如转子处于图示位置，当电动势规定正方向与电流规定正方向一致时，A相感电动势为正的最大，所以位于时间轴线上。如图所示。电动势相量的角频率与转子旋转的角速度都是ω。0E0E1fFAN图10-5空载电动势相位的确定t0EI同步电机的电枢电流也是时间相量，它的相位决定于电机内部的阻抗和负载的性质。电机内部的阻抗和负载的性质决定了电枢电流和空载电动势之间的相位差角ψ，称为内功率因数角。如图所示。I同步发电机的基本电磁关系§10-2三相同步发电机的电枢反应1fFAN图10-5空载电动势相位的确定t0EI同步电机的空间矢量是指整个电机的量，没有三相之分，而同步电机的时间相量却有三相之分。由于研究电机带三相对称负载运行，所以，为了简便，在今后的相量图中，仅画A相时间相量，而且在相量符号中不加注脚A。其它相的量可根据互差120度画出来。同步发电机的基本电磁关系§10-2三相同步发电机的电枢反应3.时空相矢图：由于空间矢量和时间相量旋转的角速度都是ω。为了分析上的方便，我们可以把空间轴线+A与时间轴线+t重合在一起。这样，空间矢量和时间相量就画在同一张图中，称为时间相量和空间矢量统一图，简称为“时空相矢图”。同步发电机的基本电磁关系§10-2三相同步发电机的电枢反应图10-6时空相矢图t0EAIBICI)(I1fFANt0EIaF0BAAZBXCY1naF在时空相矢图上总是落后于以90度，总是与重合。与之间的相位差随着负载的性质不同而改变。而与之间的空间相位差为，因此，二者的相对位置完全取决于ψ角。所以电枢反应的性质是由ψ角决定的，也就是说单机运行时电枢反应的性质是由负载的性质决定的。0E1fFaF90I同步发电机的基本电磁关系§10-2三相同步发电机的电枢反应0EIaF1fF不同ψ角时的电枢反应1.与同相位时的电枢反应——交轴电枢反应0EI同步发电机的基本电磁关系§10-2三相同步发电机的电枢反应AZBXCYNSd轴q轴aff1ff1n图10-7时的电枢反应01fFANt0EIaFF不同ψ角时的电枢反应作用在与相垂直的方向，通常把转子磁极轴线称为直轴或d轴，与它垂直的极间中心线称为交轴或q轴。当ψ=0时，位于交轴上，这种情况称为交轴电枢反应，这种情况的称为交轴电枢反应磁动势，常用表示。aqF同步发电机的基本电磁关系§10-2三相同步发电机的电枢反应1fFaFaFaF交轴电枢反应的作用：1）对主磁极而言，交轴电枢反应磁动势在前极端(顺转向看、极靴的前部)起去磁作用，在后极端（顺转向看，极靴的后部)起加磁作用。定子合成磁动势扭斜了θ’角，幅值也有所增加，从而使气隙磁场的大小也有所增加。2）同步电机的电磁转矩和能量转换与交轴电枢反应密切相关。只有具有交轴电枢反应，定子合成磁动势和主磁极之间才会形成一定的θ’角，从而实现机、电能量转换，所以交轴电枢反应是实现机、电能量转换的必要条件。同步发电机的基本电磁关系§10-2三相同步发电机的电枢反应同步发电机的基本电磁关系不同ψ角时的电枢反应2.落后90o时的电枢反应——直轴电枢反应0EI§10-2三相同步发电机的电枢反应AZBXCYNSd轴q轴aff1ff1n1fFAt0EIaF0BFaF90图10-8时的电枢反应90同步发电机的基本电磁关系位于直轴上，这种情况称为直轴电枢反应，这种情况的称为直轴电枢反应磁动势，常用表示。adFaFaF§10-2三相同步发电机的电枢反应直轴电枢反应的作用：1）对主磁场而言，直轴电枢反应磁动势起去磁作用，使得气隙合成磁场减小。2）由于合成磁动势没有扭斜现象（），此时直轴电枢反应磁场与励磁磁场正对，相当于N极、S极轴线重合，不会产生切向力，所以不产生电磁转距，因而也不能进行机电能量转换。0同步发电机的基本电磁关系§10-2三相同步发电机的电枢反应同步发电机的基本电磁关系不同ψ角时的电枢反应3.超前90o时的电枢反应——直轴电枢反应0EI§10-2三相同步发电机的电枢反应AZBXCYNSd轴q轴aff1ff1n1fFAt0EIaFF90图10-9时的电枢反应90直轴电枢反应的作用：1）对主磁场而言，直轴电枢反应磁动势起加磁作用，使得气隙合成磁场增强。2）由于合成磁动势没有扭斜现象（），所以也不会产生电磁转矩，也不能进行机电能量转换。0同步发电机的基本电磁关系§10-2三相同步发电机的电枢反应4.一般情况下的电枢反应同步发电机的基本电磁关系§10-2三相同步发电机的电枢反应1fFANt0EIaF0BFadFaqFdIqIAAZBXCY1naFNSaqFadFF1fF900图10-10时的电枢反应电枢磁动势可以分解成直轴和交轴两个分量。cossinaaqaadaqadaFFFFFFF＝＝式中称为直轴电枢反应磁动势称为交轴电枢反应磁动势adFaqF同步发电机的基本电磁关系§10-2三相同步发电机的电枢反应若把电流也分解成和两个分量，则IdIqIcossinIIIIIIIqdqd式中：同步发电机的基本电磁关系§10-2三相同步发电机的电枢反应其中和同相位，三相电流的q轴分量（即、、）产生交轴电枢磁动势；落后于qI0EAqIBqICqIaqFdI0E90adF以，三相电流的d轴分量产生直轴电枢反应磁动势。同步发电机的基本电磁关系§10-2三相同步发电机的电枢反应交轴电枢反应磁动势使气隙磁场扭斜，而直轴电枢反应磁动势对励磁磁动势起去磁作用，使气隙磁场减小。结论：只有交轴电枢反应的存在，才能实现机械能与电能之间的转换，而直轴电枢反应的存在，将只引起气隙磁场的变化，进而引起电机端电压的变化。同步发电机的基本电磁关系－90oψ0o时，交轴电枢反应磁动势使气隙磁场扭斜，而直轴电枢反应磁动势对励磁磁动势起加磁作用，使气隙磁场加强。§10-2三相同步发电机的电枢反应不考虑饱和时的电动势方程式、同步电抗和相量图电磁关系：)(励磁电流fi1fF00E)(定子三相电流系统IaFaaE平衡与arIUEE同步发电机的基本电磁关系§10-3隐极同步发电机的电动势方程式、同步电抗和相量图IarLZU0EEaE图10-11一相绕组中电动势、电压和电流规定正方向aarIUEEE0同步发电机的基本电磁关系§10-3隐极同步发电机的电动势方程式、同步电抗和相量图电枢反应电抗：由于电枢反应电动势Ea正比于电枢反应磁通Φa(Ea＝4.44fwkw1Φa)。不考虑饱和及定子铁耗时，电枢反应磁通Φa又正比于电枢磁动势、电流，即IFEaaaIEa同步发电机的基本电磁关系于是§10-3隐极同步发电机的电动势方程式、同步电抗和相量图在时间相位上，落后于以相角，而与同相，所以落后于以相角，因此可写成负的电抗压降的形式，即aEa90II90aaxIjE同步发电机的基本电磁关系aaEaE§10-3隐极同步发电机的电动势方程式、同