cha13三相同步发电机的电磁关系及

第十三章三相同步发电机的电磁关系及分析方法本章分析同步发电机对称运行时的内部电磁关系，通过气隙磁场的分析导出基本方程是和相量图。第一节三相同步发电机空载时的气隙磁通当原动机带动同步发电机在同步转速下运行，励磁绕组通入适当的励磁电流，电枢绕组不带任何负载时的运行情况，称为空载运行。空载运行是同步发电机最简单的运行方式，其气隙中的磁场仅有直流励磁电流产生的励磁磁场，称为空载磁场或主磁场，磁场的强弱仅由励磁电流决定。fffFI0磁场的路径如图13-1所以，主磁场的路径：主极铁心→气隙→电枢齿→电枢磁轭→电枢齿→气隙→另一主极铁心→转子磁轭。漏磁场的路径主要是气隙和非磁性材料。主磁通0通过气隙与定、转子交链，随着转子同步速旋转，在定子绕组中感应三相电动势，从而实现定、转子间的机电能量转换。漏磁通f只与转子绕组交链，不参与定、转子间能量转换。第二节三相同步发电机带对称负载时的气隙磁场空载时，同步电机中只有一个直流励磁电流产生的励磁磁场，以同步转速旋转的励磁磁势。定子绕组带上对称负载后，转子保持为同步转速，定子边三相对称电流流入三相对称绕组产生的电枢磁势Fa，电枢磁势与励磁磁势共同形成气隙磁通。其关系为气隙磁统aaffFIFI0一、定、转子磁势关系111135dpaNIkF.p（1）大小：1160fnp（2）转速：(r/min)（3）转向：沿通电相序A、B、C的方向，它与转子转向相同1y（4）极对数：和转子极对数Ｐ相同，决定于绕组的节距y1fF2、转子绕组通入直流产生每极基波励磁磁势Ff11f12fffFkNi（1）大小：（2）转速：和转子转速一样为同步速（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Pfn6011、定子三相对称绕组中对称三相电流产生基波电Fa枢磁势IpNkFWa135.1可见两个旋转磁势的转速均为同步速，而且转向一致，二者在空间处于相对静止状态，称为“同步”，可以用矢量加法将其合成为一个合成气隙磁势。气隙磁密可以看成是由合成磁势在电机的气隙中建立起来的磁场。可见同步发电机负载以后，电机内部的磁势和磁场将发生显著变化，会使发电机的端电压发生变化，还将影响到发电机的机电能量转换和运行性能，这些变化主要由电枢磁势的出现所致。二、电枢反应电枢磁势的存在，将使气隙磁场的大小和位置发生变化，我们把这一现象称为电枢反应。电枢反应会对电机性能产生重大影响。电枢反应的性质有去磁、助磁和交磁。电枢反应的性质取决于这两个磁势幅值的相对位置，而这一位置与励磁电势和电枢电流之间的相位差，即角度有关，角由决定于负载的性质。（一）时空相矢图同步电机中需要定义坐标轴定义:直轴（纵轴或d轴）：主磁极轴线位置；交轴（横轴或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。（二）和同相（=0）时的电枢反应（：内功率因数角）I0E时空相矢图的作法：1、根据负载性质定出4、画出与对应的I2、选时轴、相轴和q、d轴3、画Ff1在d轴上，E0在q轴上5、Fa与I同“相”，aFfF⊥：交轴电枢反应使气隙磁势增加，且由直轴后移一个角度。Fa使得转子励磁绕组受一阻力矩（制动力矩）这样要维持n1，必须输入更多的机械功率。（三）=900的电枢反应（三）=900的电枢反应转子磁势和电枢磁势一同作用在直轴上，方向相反，电枢反应为纯去磁作用，合成磁势的幅值减小。这一电枢反应称为直轴去磁电枢反应。（四）=-900的电枢反应此时Ff与Fa之间的夹角为0度，即二者同相，转子磁势和电枢磁势一同作用在直轴上，方向相同，电枢反应为纯增磁作用，合成磁势的幅值加大，如图13-6。这一电枢反应称为直轴增磁电枢反应。图13-6=-900时的时空相矢图（五）一般情况下时的电枢反应如图，此时电枢反应的性质即有交磁电枢反应，又有直轴去磁电枢反应。(六)电枢反应对同步电机运行性能的影响当同步发电机空载运行时，定子绕组开路，没有负载电流，不存在电枢反应，因此也不存在由转子到定子的能量传递。当同步发电机带有负载时，产生电枢反应。如13-8表示不同负载性质时，电枢反应磁场与转子电流的相互作用。图13-8不同负载性质时电枢反应磁场与转子电流的相互作用（a）=0(b)=900(c)=-900当同步发电机带有负载时，产生电枢反应。如13-8表示不同负载性质时，电枢反应磁场与转子电流的相互作用。图13-8(a)为=0时，负载电流产生的交轴电枢反应磁场对转子电流产生电磁转矩的情况，由左手定则可知，这时电磁力将形成一个电磁转矩，它的方向和转子的旋转方向相反，对转子旋转起制动作用，此时交轴电枢磁场是由与空载电势同相的电流分量，即电流的有功分量Iq产生的。输出有功功率越大，Iq越大，交磁电枢反应越强，所产生的制动转矩越大，就要求原动机输入更大的驱动转矩，才能保持发电机的转速不变。为了维持发电机的转速不变，必须随着有功负载的变化调节原动机的输入功率。图13-8（b）（c）为电枢反应直轴作用，（b）为去磁，（c）为助磁，此时直轴电枢磁场与电流的直轴分量Id同相，即电流的无功分量Id产生的，直轴电枢磁场对转子电流所产生的电磁力不形成电磁转矩，不影响转子旋转，只影响气隙磁场的强弱，影响发电机的端电压。为保持发电机的端电压不变，必须随着无功负载的变化相应地调节转子的激磁电流。第三节隐极同步电机的分析方法一、磁路不饱和时隐极同步发电机的电磁过程fIfF00EIaFaEEEaarIaaxIjExIjE根据基儿霍夫定律，写出一相回路电压方程式：aarIUEEEE0其中U——定子绕组的端电压，I——定子电流，ra——定子绕组的电阻。电枢反应电抗与漏电抗设定子电流有效值为I，则产生的三相合成电枢反应磁势的幅值为：W:每相串联匝数电枢反应磁通：amaF：电枢反应磁通回路上的磁导m电枢反应电势：隐极机不计饱和，不计齿槽轮影响，气隙均匀，故m为常数，（a在定子上感应电势）故有：IFEaaaIpNkFWa135.1aWafNK.E1444引入比例系数：IExIxEaaaa比例系数xa称电枢反应电抗。考虑到相位关系后，每相电枢反应电势为：aaxIjEIE同理，根据(电枢电流)→（定子漏磁通）→（定子漏电势），漏电势用负漏抗压降形式表示为IjxE同步电抗：xxxasxs称为隐极同步电机的同步电抗，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个综合参数。不计饱和时，xs是一个常值。xxxas并且有同步电抗的物理意义：表征地对称负载下单位电枢电流三相联合产生的电枢总磁场在电枢每相绕组中感应电势三、磁路不饱和时隐极同步发电机的回路电压方程式、等效电路和相量图一相回路电压方程式为：可画出等效电路和带感性负载时的相量图ssaaaZIUxIjrIUxIjxIjrIUE0第四节凸极同步电机的分析方法凸极同步机的气隙不均匀．在极面下的磁导大，两极之间的磁导小。同一电枢磁势波作用在气隙不同处，会遇到不同的磁阻，产生不同的磁密。=F，=BS隐极机:气隙均匀，m为常数IExEFIaaaaa为了便于分析和计算勃郞德（Blondel）引入双反应理论。双反应理论分析过程是:双反应理论——电枢基波磁势Fa分解为直轴上的直轴电枢反应磁势分量Fad和交轴上的交轴电枢反应磁势分量Faq，如图Fa处于不同位置，产生的电枢磁场Ba不同，处于d，q轴上时，分别产生出如图所示的磁势。双反应理论——电枢基波磁势Fa分解为直轴上的直轴电枢反应磁势Fad和交轴上的交轴电枢反应磁势Faq。根据直轴和交轴的磁导，分别求出直轴和交轴的磁通密度波及磁通。求出在每相定子绕组中直轴电枢反应电势Ead和交轴电枢反应电势Eaq。双反应理论的基础是，当不计饱和时，适用叠加原理，用双反应法来分析凸极同步电机。根据双反应理论，不考虑饱和凸极同步电机的电磁过程如下二、直轴同步电抗与交轴同步电抗根据电磁关系，直轴电流分量Id产生直轴电枢反应磁势分量Fad基波幅值为adWadIPNk.F1351adadadadadRFFadWadfNK.E1444dadadadIFE同理qaqaqaqIFE所以dadIEqaqIE引入比例系数、计入相位关系aqqaqaddadxIjExIjExad、xaq分别称为直轴电枢反应电抗和交轴电枢反应电抗，它们分别反映出上述直轴和交轴电枢反应磁通的强弱。由于直轴磁路的磁导比交轴磁路的磁导要大得多，同样大小的电流产生的磁通和相应的电动势也都大得多，所以电抗xadxaq。直轴同步电抗为xd=xad+x交轴同步电抗为xq=xaq+xxd和xq表征了当对称三相直轴或交轴电流每相为1A时，三相总磁场在电枢绕组中每相感应的电势。三、磁路不饱和时凸极同步发电机的回路电压方程式和相量图一相回路电压方程式为：aqqaqaddadxIjExIjExxxaddxxxaqqxIjEaaqadRIUEEEEE0qdIIIxIjxIjxIjrIUEaqqadda0xIjxIjxIjxIjrIUqdaqqaddaqqddaxIjxIjrIUE0凸极同步发电机带感性负载时的相量图，步骤如下：（1）作，UIqaQXIjRIUE)2(qdIII)3(qqddaXIjXIjRIUE0)4(aqIRUUIXtgcossin13)、计算：4)功角：与的夹角U0E所在的方向q轴，确定QE