第九章同步电机的对称运行原理课件.ppt

1、第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理1第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理29-1空载磁路和空载特性空载磁路和空载特性主磁通磁极漏磁通主磁路（主磁通所经磁路）：气隙、电枢齿、电枢轭、磁极、磁极轭励磁磁势和励磁磁场第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理3一、同步电机气隙磁路特点一、同步电机气隙磁路特点气隙磁场：(凸极、隐极）基波气隙磁场幅值：1B每极基波磁通量：121lB第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理4ppbBB21极弧系数：计算极弧系数：空载时气隙的基波磁感应强度的平均值

2、与实际气隙磁感应强度之比值lB112B每极基波磁通量：121lB第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理5空载磁路的计算空载磁路的计算目的与方法：安培环路定律：主磁路分为五段：气隙、电枢齿、电枢轭、磁极、磁极轭电机的磁化曲线：)F(ff1第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理6二、空载特性二、空载特性 在一定的转速下，空载端电压随励磁电流变化的关系)I(fUf0即：)I(fEf0气隙线ffffFFIIk00电机的磁路饱和系数：第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理7空载特性的作用空载特性的作用 可以反映电机设计是

3、否合理，电机的可以反映电机设计是否合理，电机的磁路是否过于饱和或者材料有没有充分磁路是否过于饱和或者材料有没有充分利用。利用。空载特性结合短路特性空载特性结合短路特性(在后面介绍在后面介绍)可可以求取同步电机的参数。以求取同步电机的参数。可通过测取空载特性来判断三相绕组的可通过测取空载特性来判断三相绕组的对称性以及励磁系统的故障。对称性以及励磁系统的故障。电枢反应电枢反应第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理8旋转磁势旋转磁势)240(sin)120(sin)(sinCBtIitIitIimmmA90t012t033t054tmmAIiiIi21CBmCAmBIii

4、Ii21mBAmCIiiIi21第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理9旋转磁势旋转磁势第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理10旋转磁势旋转磁势第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理11三相合成旋转磁场的特点：三相合成旋转磁场的特点：1 1）、磁势是空间运动的；）、磁势是空间运动的；2 2）、磁势的幅值恒定）、磁势的幅值恒定用空间矢量表示时，磁势矢量顶点的轨迹是圆；用空间矢量表示时，磁势矢量顶点的轨迹是圆；3 3）、磁势运动的速度）、磁势运动的速度同步转速：同步转速：min)/()/(601rsrnpfpf4

5、 4）、磁势运动的方向：从电流超前相转到电流滞后相）、磁势运动的方向：从电流超前相转到电流滞后相5 5）、磁势合成矢量位置：当某相的电流为最大时，此时磁势）、磁势合成矢量位置：当某相的电流为最大时，此时磁势的轴线在该相绕组的轴线上的轴线在该相绕组的轴线上)sin(1xtFFa返回返回圆形旋转磁场：由圆形旋转磁场：由三相对称绕组通入三相对称交流电三相对称绕组通入三相对称交流电产生产生第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理129-2同步发电机的电枢反应同步发电机的电枢反应l空载时：励磁磁势，励磁电势E0l负载时：l 三相感应电势，频率f=pn/60，三相电枢电流，电枢磁

6、势l电枢磁势基波：幅值 Fa=1.35IWkW1/p、转向同磁极的转向、转速 n1=60f/p=n 与磁极的转速相等l电枢磁势的基波与磁极励磁磁势相对静止相对静止，共同产生气隙合成磁场回顾回顾电枢磁场与转子磁场同向、同速旋转！第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理13同步电机的同步电机的电枢反应电枢反应：定义：同步电机的同步电机的电枢反应电枢反应：同步电机电枢磁势：同步电机电枢磁势基波基波对磁极主磁场的对磁极主磁场的影响影响 电枢反应磁场：电枢磁势基波电枢反应磁场：电枢磁势基波单独单独通过气通过气隙所建立的磁场隙所建立的磁场第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三

7、相同步电机的对称运行原理14一、负载性质对电枢反应的影响一、负载性质对电枢反应的影响性质：交轴电枢反应作用：1）扭歪主磁场 2）交轴磁势与主磁场相互作用产生电磁转矩，实现机电能量转换，必要条件必要条件1、电流与励磁磁势I0E同相)0(?直轴与交轴第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理152、电流 滞后励磁磁势I)90(900E直轴去磁电枢反应第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理16超前励磁磁势I)90(900E直轴增磁电枢反应3、电流第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理17交轴电枢反应直轴增磁电枢反应直轴去

8、磁电枢反应第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理18二、双轴电枢反应分析法1、一般负载情况时电枢磁势的分解滞后励磁磁势 角I0E电流第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理19 直轴、交轴电枢磁直轴、交轴电枢磁场场特点特点：波形对称、易于波形对称、易于确定！确定！任意角度磁路直接计算困难！第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理20双反应理论双反应理论（双轴电枢反应分析法双轴电枢反应分析法）交轴电枢磁势：交轴电枢磁势：sinaadFFcosaaqFF直轴电枢磁势：直轴电枢磁势：双反应理论：对于凸极同步电机，双反应理

9、论：对于凸极同步电机，将电枢磁势分解成直轴将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电枢反应，然后再分量和交轴分量，分别求出直轴和交轴电枢反应，然后再合成起来作用效果。合成起来作用效果。第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理212、磁势电势矢量图、磁势电势矢量图n时间矢量图:（每相）n时轴（时间矢量最大时刻）n空间矢量图：n相轴（绕组轴线）n时空矢量图：sinIIdcosIIq好处?第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理223、电枢磁势的折合、电枢磁势的折合u由于交轴、直轴磁路不相同，即使由于交轴、直轴磁路不相同，即使Ff、F

10、ad、Faq三者幅值相等时，所建立的磁感应强度幅值和分布三者幅值相等时，所建立的磁感应强度幅值和分布规律各不相同规律各不相同u电枢磁势和励磁磁势产生基波磁场的能力不等效电枢磁势和励磁磁势产生基波磁场的能力不等效u电枢反应计算时必须加以折算电枢反应计算时必须加以折算第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理23（1）直轴电枢反应的折合）直轴电枢反应的折合直轴电枢磁势折合系数：ffadadFBFBadK/11单位安匝所建立的基波磁感应强度大小相比1adK Kad*Fad 折算后可与 Ff 合成直轴磁势：adadfdFKFF折合的意义？第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理

11、三相同步电机的对称运行原理24（2）交轴电枢反应的折合）交轴电枢反应的折合交轴电枢磁势折合系数：ffaqaqFBFBaqK/11交轴磁势：Fq=Kaq*Faq adaqKK Kad、Kaq的求算 直接磁场分析，很复杂！（是极弧宽度的函数，同时与极靴形状、气隙大小的函数）查表法第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理25电枢磁势折合系数：电枢磁势折合系数：第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理269-3 电压平衡式和矢量图电压平衡式和矢量图一、电压平衡式和等值电路一、电压平衡式和等值电路 电枢磁势Fa、励磁磁势 Ff 产生气隙磁场，感应气隙电

12、势E 电枢磁势Fa 产生电枢漏磁场，感应漏磁感应电势E1 1、等值电路：、等值电路：第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理EFI272、电压平衡式：、电压平衡式：arIUEExIjE)(jxrIUEa3 3、矢量图：、矢量图：E分析？凸极隐极？饱和？第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理28二、不饱和凸极同步发电机二、不饱和凸极同步发电机途径：双反应理论+叠加原理 励磁磁势 Ff、直轴电枢磁势Fad、交轴电枢磁势Faq分别 产生感应电势E0、Ead、Eaq，aqadEEEE0电磁关系：0EFIffIadaddEFIaqaqqEFI E磁路

13、不饱和，磁路不饱和，Ead、Eaq与与Id、Iq成线性关系成线性关系EFI第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理 电抠反应磁场由三相电枢磁势合成，因此电枢反应电抗包含了相绕组的自感电抗和相间的互感电抗29 磁路不饱和，Ead、Eaq与Id、Iq成线性关系，相位上电势滞后90？addadxIjEaqqaqxIjE xad：直轴电枢反应电抗 xaq：交轴电枢反应电抗 物理意义物理意义：三相三相的单位直轴或交轴电流产生的电枢反应磁场在每相电枢绕组中所感应的电势)(0jxrIxIjxIjUEaaqqadd引入电抗引入电抗EFI第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步

14、电机的对称运行原理30同步电抗同步电抗直轴同步电抗：xd=xad+x交轴同步电抗：xq=xaq+xqdIIIxIjxIjxIjqdaqqddrIxIjxIjUE0)(0jxrIxI jxI jUEaaqqadd同步电抗是对应电枢总磁场(包括电枢反应磁场和漏磁场)的电抗。复杂的电磁现象转换为电路的方法！第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理31qqqIxxIDCDBcoscossincoscos0daIxIrUE功率角：cossinUIrUIxOGBGtgaq功率因数角：内功率因数角：矢量图：矢量图：aqqddrIxIjxIjUE0的确的确定？定？)(0jxrIxIj

15、xIjUEaaqqadd例题例题19-1第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理32三、计及饱和的凸极同步发电机三、计及饱和的凸极同步发电机饱和非线性！电抗变化运用双反应理论分析（不计直、交轴相互影响）u励磁磁势 Ff、直轴电枢磁势Fad 直轴合成磁势Fdu交轴电枢磁势Faq 交轴合成磁势FqffFIIadadFIaqaqFIaqaqqFKF dEqEqdEEE)(jxrIUaadadfdFKFFE空载空载特性特性气隙气隙线线第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理33矢量图：sincoscosIxIrUEadaaqaqFKKECDBDcos

16、coscossinUIrUIxBDtgaaqaqaqqFKKEE没有了！addadxIjEaqqaqxIjE第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理34矢量图：例题例题19-2aqaqaqqFKKEEaaqaqFKKECDBDcoscos第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理35四、隐极式同步发电机四、隐极式同步发电机气隙均匀无需折合1aaqadKKK=0.75近似相等！无需双反应理论，励磁磁势与电枢磁势直接相加！第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理361、磁路不饱和、磁路不饱和直轴、交轴电枢反应电抗：xad=

17、xaq电枢反应电抗：xa=xad=xaq同步电抗：xs=xa+x1)、电压平衡式saxIjrIUE02)、等值电路3)、矢量图：第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理372、计及饱和、计及饱和电磁关系：ffFIaFI afFFF E)(jxrIUEa 由负载条件和空载特性，可解算隐极同步发电机！查空载特性查空载特性第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理38已知：U、I、，求 E0步骤：1)求E2)确定 F3)求afFFF4)求 E0第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理39IFEIxE IEx dtdf1W)(

18、1WG(在W1中)ILIL电抗的基本概念分析与讨论分析与讨论vX和和L的定义的定义vX和和L的大小决定因素的大小决定因素v电抗、电感名称的理解电抗、电感名称的理解v磁路饱和对电抗的影响磁路饱和对电抗的影响第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理409-4 电枢反应电抗和漏抗一、电枢反应电抗（不饱和值）一、电枢反应电抗（不饱和值）1、直轴电枢反应电抗（不饱和值）、直轴电枢反应电抗（不饱和值）xadId建立直轴电枢磁场：建立直轴电枢磁场：pWKImFWdad19.02Fad建立的气隙磁感应强度：建立的气隙磁感应强度：KFKBadadad0每极基波磁通：每极基波磁通：ada

19、dlB1每相感应电势：每相感应电势：1144.4adWadfWKEdadWIKpWKKlmf210)(2令：令：dadadIxE则：adWadKpWKKlmfx210)(2第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理41直轴电枢反应电抗（不饱和值）xad：1、xad的物理意义：的物理意义：三相单位直轴电流产生的直轴电枢反三相单位直轴电流产生的直轴电枢反应磁场在每相电枢绕组中所感应的电势应磁场在每相电枢绕组中所感应的电势2、磁路不饱和，常数，计及磁压降，其值要小、磁路不饱和，常数，计及磁压降，其值要小3、由结构参数决定，正比于、由结构参数决定，正比于W2/4、电枢反应磁场，

20、是电枢反应磁场，是m相的合成旋转磁场，其值既相的合成旋转磁场，其值既包括自感电抗，又包括互感电抗包括自感电抗，又包括互感电抗5、当某相电流为最大时，旋转磁场轴线与当某相电流为最大时，旋转磁场轴线与该相绕组的轴线重合，即每相绕组的磁通与电流同相位。所该相绕组的轴线重合，即每相绕组的磁通与电流同相位。所以，感应电势滞后磁通也即滞后电流以，感应电势滞后磁通也即滞后电流90。addadxIjEadWadKpWKKlmfx210)(2第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理422、交轴电枢反应电抗（不饱和值）、交轴电枢反应电抗（不饱和值）xaqIq建立交轴电枢磁场：建立交轴电枢

21、磁场：aqqaqxIjE同理：交轴电枢反应电抗同理：交轴电枢反应电抗（不饱和值）（不饱和值）aqWaqKpWKKlmfx210)(2aqadKKaqadxx3、隐极同步电机的电枢反应电抗（不饱和值）、隐极同步电机的电枢反应电抗（不饱和值）xa1aaqadKKK励磁磁势正弦分布，所以励磁磁势正弦分布，所以/2电枢反应电抗（不饱和值）电枢反应电抗（不饱和值）pWKKlmfxWa210)(4电势：电势：aaxIjE第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理43二、电枢反应电抗（饱和值）二、电枢反应电抗（饱和值）饱和电枢反应电抗也可用来表示电压平衡关系，但饱和后同步电机一般采用

22、空载特性和磁势电势矢量图来分析 电枢反应电抗、同步电抗随饱和程度的变化而变 分析计算方法：空载特性+向量图 第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理44漏磁：槽部：槽漏磁 齿顶漏磁 端接部分：基本漏抗：002fLx00 xIjE谐波磁场：fnpfvvv60vmWvvfWKE44.4谐波漏抗：1vvvIEx总漏抗：vxxx0三、电枢绕组漏抗三、电枢绕组漏抗ppnpfpfn6060与基波同频与基波同频第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理459-5 外特性和调节特性外特性和调节特性一、外特性：在一定的转速和励磁电流时，端电压随负载电流变化的规律

23、。变化的原因：1、电枢反应2、电阻和漏抗的压降第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理46电压调整率电压调整率：在额定电压下和额定负载工况下，切除负载而不改变励磁电流时，端电压变化相对额定电压的百分比。%1000NNUUEUE与与U的的大小关系？大小关系？第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理47二、调节特性：二、调节特性：转速不变，维持电压不变时，励磁电流随负载电流变化的规律容性？容性？第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理489-6 9-6 短路特性和短路比短路特性和短路比 同步发电机的短路特性是将同步电机定

24、子绕组出线端短路后，定子电流随励磁电流变化的特性短路试验也是同步电机的基本试验之一（短路比、同步电抗）实验方法：输出短接，拖到同步速，通入励磁电流，改变励磁电流，记录短路电流第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理49 三相稳定短路时，短路电流与励磁电流之间的关系。一、短路特性：一、短路特性：短路特性是一条直线！短路特性是一条直线！第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理50二、短路运行分析：二、短路运行分析：0UaqqddrIxIjxIjE0aqaKqKrxrIxItg90aqrxdKxIjE0aKKrIxIjE交轴电流为交轴电流为0，去磁

25、作用使气隙去磁作用使气隙磁场很弱，磁路磁场很弱，磁路不饱和！不饱和！ra很小！很小！cossinUIrUIxtgaq第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理51稳态短路时磁势稳态短路时磁势0FfaadFFKIf与与Ik近似成正比近似成正比dKxIjE00aKKrIxIjE第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理52 短路时端电压U=0，气隙电动势E等于电机漏阻抗压降 E 较小，B较小 合成磁动势F较小 去磁作用，电机磁路不饱和，不饱和电抗 短路电流短路电流Ik与与If近似成正比，数值不大近似成正比，数值不大稳态短路的运行特点：稳态短路的运行特

26、点：第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理53三、短路比：三、短路比：额定转速条件下空载电压为UN时的励磁电流为If0短路比短路比定义一：指励磁电流为If0时的三相稳定短路电流IK0与额定电流IN之比NKcIIK0fKfcIIK0短路比短路比定义二：空载额定电压时的励磁电流If0与三相短路电流等于额定电流时的励磁电流IfK之比第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理54NKcIIK0kIIUEffN/00NUkE0dNdKxUkxEI/00代入短路比公式代入短路比公式NdNcIxUkK/？)/(*NNddIUxx*/dcxkK在短路试验时在

27、短路试验时第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理55短路比的几个结论短路比的几个结论 短路比随电机的饱和程度而增加，同时又短路比随电机的饱和程度而增加，同时又随电抗随电抗Xd的增大而减小（匝数、气隙）的增大而减小（匝数、气隙）短路比的大小对电机影响较大（短路电流、短路比的大小对电机影响较大（短路电流、电压变化率、并联运行稳定性、体积重量）电压变化率、并联运行稳定性、体积重量）短路比的选择要兼顾运行性能和电机造价短路比的选择要兼顾运行性能和电机造价两个方面两个方面*/dcxkK第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理569-7 同步电机电抗的

28、测试同步电机电抗的测试一、直轴同步电抗（不一、直轴同步电抗（不饱和值）饱和值）xd的测试的测试 空载特性试验和三相稳态短路特性试验KdIEx0气隙线上气隙线上查取！查取！转速对测量影响？转速对测量影响？第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理57二、交轴同步电抗（不饱和值）二、交轴同步电抗（不饱和值）xq的测试的测试minmaxIUxdmaxminIUxq小转差法：1、将转子由原动机拖动至接近同步速，保持小转差2、励磁绕组开路3、定子电枢绕组加三相交流电第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理58三、漏抗三、漏抗x 的测试的测试取出转子法：电

29、枢绕组加低压三相交流电IUz322arzxbxxxxb通过加测试线圈测定。测量线圈的端电压Uc。ccWcUWWkU)/(1IUWWkIUxccWcb1xb通过直接计算得到：pWklmfxWb210)(4第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理59四、同步发电机的零功率因素负载特性和波梯四、同步发电机的零功率因素负载特性和波梯电抗电抗1、同步发电机的零功率因素负载特性：纯电感负载，保持负载电流为常数，发电机端电压随励磁电流变化的特性曲线。第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理60NIDEx/GFKDEA短路三角形或特性三角形GOKDCA第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理612、波梯电抗、波梯电抗 同步发电机的零功率因素负载特性实际曲线与理论曲线不一致。原因：磁极漏磁随励磁电流的增大而增大，提高了磁极和磁轭的饱和程度，因此获得同样的气隙磁通所需的励磁电流比理论值要大。第九章第九章 三相同步电机的对称运行原理三相同步电机的对称运行原理62xxxdadxxxqaqxxxsaNpIEDx/xxp波梯电抗（不同于漏抗）（不同于漏抗）五、电枢反应电抗五、电枢反应电抗