第16章同步電機基本電磁關系

1、教學目的：教學目的： 從第從第1010、1111章得知，同步電機運行時有兩個章得知，同步電機運行時有兩個旋轉(zhuǎn)磁場存在。旋轉(zhuǎn)磁場存在。 兩個旋轉(zhuǎn)磁場共同作用下實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。兩個旋轉(zhuǎn)磁場共同作用下實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。主要研究在這兩個磁場作用下電端口的電壓、電主要研究在這兩個磁場作用下電端口的電壓、電流之間的關系，建立基本方程，得到等效電路。流之間的關系，建立基本方程，得到等效電路。本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容：1 1）空載運行（勵磁磁場單獨存在）分析，介紹）空載運行（勵磁磁場單獨存在）分析，介紹 時空相時空相- -矢量圖的分析方法；矢量圖的分析方法；2 2）電樞反應：分析電樞磁場對勵磁磁場的影響；）電樞反

2、應：分析電樞磁場對勵磁磁場的影響；3 3）隱極式與凸極式同步發(fā)電機的電動勢相量圖、）隱極式與凸極式同步發(fā)電機的電動勢相量圖、 方程式、等值電路。方程式、等值電路?？蛰d運行：當原動機帶動發(fā)電機在同步轉(zhuǎn)速空載運行：當原動機帶動發(fā)電機在同步轉(zhuǎn)速下運行，勵磁繞組流過適當?shù)膭畲烹娏鳎娤逻\行，勵磁繞組流過適當?shù)膭畲烹娏鳎姌欣@組不帶任何負載（樞繞組不帶任何負載（ ）時的運行情況。）時的運行情況。0I 當勵磁繞組中通入直流電當勵磁繞組中通入直流電流后，產(chǎn)生隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的流后，產(chǎn)生隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的磁動勢，稱為勵磁磁動勢。因磁動勢，稱為勵磁磁動勢。因為它隨轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動，從定子為它隨轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動，從定子上看，

3、它也是一個旋轉(zhuǎn)磁動勢，上看，它也是一個旋轉(zhuǎn)磁動勢，所以同電樞繞組磁動勢的分析所以同電樞繞組磁動勢的分析方法一樣。方法一樣。 A AX XB BC CY Yz z00+A+A1n對比閉合回路對比閉合回路1-51-5的氣隙磁勢：的氣隙磁勢：彼此相等?。ê雎澡F心磁壓降）彼此相等?。ê雎澡F心磁壓降）0f223212KN i12KN iff1ff4 12KN i0f223212KN iff1ff4 12KN i14ffffFFk F2ffN i4fkfk0f223212KN i12KN iff1ff4 12KN iA AX XB BC CY Yz z00+A+A1n12fffFN i0 k0 定定子子轉(zhuǎn)

4、子轉(zhuǎn)子 00FsFsF FmF Fb b1fF12fffFN I1fffFk Ffk2Z2Z5fkNNA AX XB BC CY Yz z00+A+A1n1fF1) 1) 隱極機隱極機 氣隙均勻，當鐵心不飽和時，氣隙磁密與磁動氣隙均勻，當鐵心不飽和時，氣隙磁密與磁動勢成正比，基波磁動勢產(chǎn)生正弦波磁密，若不考慮勢成正比，基波磁動勢產(chǎn)生正弦波磁密，若不考慮磁鐵的磁滯渦流效應下，磁密波的相位和磁動勢波磁鐵的磁滯渦流效應下，磁密波的相位和磁動勢波的相位相同。的相位相同。2) 2) 凸極機凸極機 氣隙不均勻，即使鐵心不飽和，氣隙中產(chǎn)生的氣隙不均勻，即使鐵心不飽和，氣隙中產(chǎn)生的磁密大小與磁動勢大小不成正比

5、，正弦的基波勵磁磁密大小與磁動勢大小不成正比，正弦的基波勵磁磁動勢產(chǎn)生的磁密波是非正弦分布的，磁密波還要磁動勢產(chǎn)生的磁密波是非正弦分布的，磁密波還要分解基波和一系列諧波，基波磁密和基波磁動勢仍分解基波和一系列諧波，基波磁密和基波磁動勢仍然同相位。然同相位。 f1fffb0bb001fF0B1fF22321fFA AX XB BC CY Yz z00+A+ASN0A+A+A0B3 6561161fFA AX XB BCYz00SN+A+A30 氣隙磁密旋轉(zhuǎn)切割定子三相繞組，定子繞組感氣隙磁密旋轉(zhuǎn)切割定子三相繞組，定子繞組感應隨時間正弦變化的電動勢，用時間相量來表示。應隨時間正弦變化的電動勢，用時

6、間相量來表示。由于空間坐標選由于空間坐標選A A相繞組軸線相繞組軸線+A+A為參考軸，所以時為參考軸，所以時間相量也分析間相量也分析A A相。相。A AX XB BC CY Yz z00+A+A1n繞組感應電動勢的規(guī)繞組感應電動勢的規(guī)定定正方向和繞組軸線方正方向和繞組軸線方向向符合右手關系，即尾符合右手關系，即尾進進首出。首出。000B1fF0E+A+j1 1）磁極中心與）磁極中心與+A+A軸線重合軸線重合A AX XB BC CY Yz z00+A+A1n0B結(jié)論：結(jié)論： 及及 在空間參考軸在空間參考軸+A+A上初相位上初相位 與與A A相相時間相量時間相量 在時間參考軸在時間參考軸+j+j

7、的初相位的初相位 之間存在之間存在一定關系，即：一定關系，即： ，此關系適合任意時刻。，此關系適合任意時刻。00B00E000901fFA AX XA AX XnX X X X001fF2 2） 及及 均領先均領先+A+A軸。軸。A A相繞組邊處于磁極中相繞組邊處于磁極中心線，磁密最大，心線，磁密最大，A A相繞組感應電動勢瞬時值為相繞組感應電動勢瞬時值為正最大。正最大。1fF0B+A+jNS+A0E 將空間將空間+A+A與時間與時間+j+j重合在一起，將磁勢與重合在一起，將磁勢與電勢向量畫在一個圖中，構成時間電勢向量畫在一個圖中，構成時間- -空間向量圖，空間向量圖，即時即時- -空相空相-

8、 -矢量圖。矢量圖。0E1fF0B00+A+A，+j+j0E0B+A+A，+j+j1fF 定子繞組開路、轉(zhuǎn)子由原動機拖動到額定轉(zhuǎn)定子繞組開路、轉(zhuǎn)子由原動機拖動到額定轉(zhuǎn)速并通入勵磁電流的運行狀態(tài)稱為同步發(fā)電機的速并通入勵磁電流的運行狀態(tài)稱為同步發(fā)電機的空載運行，稱空載運行，稱 的函數(shù)關系為空載的函數(shù)關系為空載特性，它是一條非線性關系的飽和曲線特性，它是一條非線性關系的飽和曲線。00( )fUEf i0()fEf i()ffiF0ENUfNIc0氣隙線氣隙線注意：空載曲線橫坐標是實際的勵磁電流，或每極注意：空載曲線橫坐標是實際的勵磁電流，或每極實際磁動勢波幅，而不是基波磁動勢。實際磁動勢波幅，而不

9、是基波磁動勢。0( )fEf i()ffiF0ENUfNIc0氣隙線氣隙線定義：電樞磁動勢對勵磁磁動勢的影響稱電樞反應定義：電樞磁動勢對勵磁磁動勢的影響稱電樞反應1fFaF1160 fnp（2 2） 轉(zhuǎn)速：轉(zhuǎn)速： (r/min) (r/min) 1) 1) 定子三相對稱繞組中對稱三相電流產(chǎn)生基波電定子三相對稱繞組中對稱三相電流產(chǎn)生基波電 樞磁動勢樞磁動勢aF（1 1） 大?。捍笮。?(A) (A) 1 111 35dpaN I kF.p（3 3） 轉(zhuǎn)向：沿通電相序轉(zhuǎn)向：沿通電相序A A、B B、C C的方向，它與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相同的方向，它與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相同（4 4） 極對數(shù)：和轉(zhuǎn)子極對數(shù)相同，決定于繞

10、組的結(jié)構極對數(shù)：和轉(zhuǎn)子極對數(shù)相同，決定于繞組的結(jié)構 1 1 兩個磁動勢分析兩個磁動勢分析2) 2) 轉(zhuǎn)子繞組通入直流產(chǎn)生每極基波勵磁轉(zhuǎn)子繞組通入直流產(chǎn)生每極基波勵磁 磁動勢磁動勢1fF（4 4） 極對數(shù)：和轉(zhuǎn)子磁極的極對數(shù)相同極對數(shù)：和轉(zhuǎn)子磁極的極對數(shù)相同（1 1） 幅值：幅值：1f12fffFk N i（2 2） 轉(zhuǎn)速：和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一樣，即同步速轉(zhuǎn)速：和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一樣，即同步速（3 3） 轉(zhuǎn)向：和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向一致轉(zhuǎn)向：和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向一致 定子繞組的基波電樞磁動勢和轉(zhuǎn)子的基波勵磁定子繞組的基波電樞磁動勢和轉(zhuǎn)子的基波勵磁磁動勢，它們的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、極對數(shù)均相同，彼此磁動勢，它們的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、極對數(shù)均相同，彼此

11、之間相對靜止，因此兩者的合成磁動勢將是一個同之間相對靜止，因此兩者的合成磁動勢將是一個同樣轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速、極對數(shù)的旋轉(zhuǎn)磁動勢，由它們合成樣轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速、極對數(shù)的旋轉(zhuǎn)磁動勢，由它們合成在電機中形成氣隙合成磁場。在電機中形成氣隙合成磁場?；?波波波波 形形大大 小小 位位 置置 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 速速 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 向向勵勵 磁磁磁磁 勢勢正弦波正弦波恒定，由恒定，由勵磁電流勵磁電流決定決定由轉(zhuǎn)子位由轉(zhuǎn)子位置決定置決定由原動機的由原動機的轉(zhuǎn)速決定轉(zhuǎn)速決定電電 樞樞反反 應應磁磁 勢勢正弦波正弦波恒定，由恒定，由三相電樞三相電樞電流決定電流決定由電樞電由電樞電流瞬時值流瞬時值決定決定由電樞電流由電樞電流的大小和相的大小和相

12、序決定序決定 電機帶負載后，電機帶負載后， ，由于所帶負載性質(zhì)，由于所帶負載性質(zhì)不同，使不同，使 和和 之間相位角之間相位角不同，電樞反應不同，電樞反應的性質(zhì)也不同。的性質(zhì)也不同。0I 0EI 設設 時，轉(zhuǎn)子時，轉(zhuǎn)子S S極中心極中心在空間坐標軸超前在空間坐標軸超前 的位置，的位置，即即 的位置。的位置。0t0090090空間基波電樞磁動勢向量空間基波電樞磁動勢向量 空間基波勵磁磁動勢向量空間基波勵磁磁動勢向量 空載時定子一相（空載時定子一相（A A相）相） 電動勢電動勢aF0E1fF1fFA1nAX0000900cos0900cos0EI0ELZaRjXLZ0EIUIUAAXX00jIAaF

13、,AjaFI 當時間當時間+j+j軸與空間參考軸都取同一相的量軸與空間參考軸都取同一相的量時，電樞電流時，電樞電流 將與電樞磁動勢將與電樞磁動勢 重合。重合。IaF 電樞反應磁動勢電樞反應磁動勢 落后勵磁磁動勢落后勵磁磁動勢 空間電角度，叫做交軸電樞反應磁動勢，交空間電角度，叫做交軸電樞反應磁動勢，交軸電樞反應使合成磁動勢軸電樞反應使合成磁動勢 與勵磁磁動勢與勵磁磁動勢 不在一個方向上，相差一個相角不在一個方向上，相差一個相角 。aF1fF090F1fFj, A1fF0EIaFF0900cos 與與 相差相差1801800 0 。 對對 起去磁作用，起去磁作用，叫直軸去磁電樞反應磁叫直軸去磁電

14、樞反應磁動勢。直軸去磁電樞反動勢。直軸去磁電樞反應使合成磁動勢應使合成磁動勢 比比 減小，氣隙磁密比空載減小，氣隙磁密比空載時減小，感應電動勢相時減小，感應電動勢相應減小，應減小， 與與 同相同相位，即位，即 aF1fFF00 aF0fk F1fF1fFFj1fF0EFIaF+A1fFaFj0EFI0900cos, Ajd軸q軸0EaF1fFAIFaFadaaqaFFsinFFcos, Aj0EaF1fFAId軸q軸aqFadFaqFF1fFadF1fF0EIUaRjXLZAX( )I A( )U V00U 0EIUaRjXLZAX0EIUaRjXLZAXx xA AIUaF1fFaF1fF1

15、fFaFaF1fFF0E1n1nfi0E1n0EIaFaRLZiA A電樞基波主磁場與其它漏磁場關系電樞基波主磁場與其它漏磁場關系1 1電樞基波主磁場與其它漏磁場關系電樞基波主磁場與其它漏磁場關系2 2電樞諧波磁場及其它漏磁場電樞諧波磁場及其它漏磁場,aaAF B,AAIEsXaXsaXXcsaXXXaRsjXajX0EULZAX1nIaRsjX0EAUXLZIaE1naaEjIX aRsjXAXLZU1nEIaE0E0aEEEaF1fFF0 asaaccEUIRjIXjIXUIRjXUIZassEUIRjIXUIZ0EIULZaRsjXAXoscacRX、0EUIcjIXaIR0EUIajI

16、XaIRsjIXE&0EUIcjIXaIR0EUIcjIXaIR0EUIcjIXaIR0BaFBaB0BaB1fF00aaBBBEEE100 ffSaaaiFBEEUIZIFBE0()fEf IfI0ENUfNIc0氣隙線氣隙線aEaFI090aEIaaEjIX aXaX0 () aaSaaEEEUI RjXEjIX 0 ()asaaccEUIRjIXjIXUI RjXUIZ CSaCCCCXXXXZrjX Z同步電抗同步阻抗cxcxcxIU0E 隱極同步發(fā)電機等效電路圖隱極同步發(fā)電機等效電路圖aR1 1 凸極發(fā)電機氣隙不均勻帶來的問題凸極發(fā)電機氣隙不均勻帶來的問題 基波磁動勢矢量兩側(cè)

17、氣隙可能不等基波磁動勢矢量兩側(cè)氣隙可能不等 不同位置基波磁動勢對應的氣隙不等，不同位置基波磁動勢對應的氣隙不等，這導致無法直接利用這導致無法直接利用 求取求取 ，也，也不能直接利用不能直接利用 求取求取 。aBaFFBaF1fFFaFa dFaqFadaaqaFFsinFFcosaF1fFadFaqF100 ffdadadadadqaqaqaqaqiFEIFEXIIFEX SEUIZaF1fFadFaqFaqIaIadIaF1fFadFaqFqIIdId軸q軸dqIIsinIIcos 凸極發(fā)電機中的凸極發(fā)電機中的 和和 ，可以看作是電樞電，可以看作是電樞電流流 的分量的分量 和和 產(chǎn)生的，產(chǎn)生

18、的， 與與 成成90900 0電角度，電角度， 與與 同在同在 軸上。即：軸上。即：aqFIdIqIdI0EqIadF0EaF1fFadFaqFqIIdIqaqFadFaF1fFaddadaqqaqEjI XEjI X 思考：比較思考：比較 與與 。adXaqXq軸d軸0 ()adaqasEEEEUI RjX dsaddqsaqqXXXXXXXX0 addasdadaqqqqEUIRjIXjI XjI XUIRjI XjI X已知：已知： ， ， 和電機和電機 參數(shù)。參數(shù)。IU, aIRUIqqjI xddjI x0EqIdId軸q軸aIRUIqqjI x0Ed軸q軸qjIxqEqaqEUIR

19、jIXqE0()qddqEEjIXXqE0E0qEE0()qddqEEjIXX0EqE0()qddqEEjIXXqEIULZaRqjXAX一、一、 凸極同步發(fā)電機的雙反應法凸極同步發(fā)電機的雙反應法 由于凸極發(fā)電機的氣隙不均勻，正弦分由于凸極發(fā)電機的氣隙不均勻，正弦分布的磁動勢在氣隙中產(chǎn)生的磁密波形發(fā)生畸布的磁動勢在氣隙中產(chǎn)生的磁密波形發(fā)生畸變。基波氣隙磁密變?；庀洞琶?的大小不僅和的大小不僅和 的大小的大小有關，而且和氣隙磁動勢有關，而且和氣隙磁動勢 在空間的位置有在空間的位置有關，由于關，由于 ，所以，所以 的大小及空間的大小及空間位置也隨負載位置不同而改變，不能直接利位置也隨負載位置不同而改變，不能直接利用用 求取求取 。BF0faFk FFFEFF依據(jù)疊加原理的雙反應法是把電樞基波磁依據(jù)疊加原理的雙反應法是把電樞基波磁動勢動勢 分解為兩個磁勢：在縱軸上的電樞分解為兩個磁勢：在縱軸上的電樞反應磁動勢反應磁動勢 ；在橫軸上的電樞反應磁；在橫軸上的電樞反應磁動勢動勢 。aFa dFaqFadaaqaFFsinFFcos100 ffSdadadadqaqaqaqiF