第16章同步電機(jī)基本電磁關(guān)系(10)-5-29

第十六章同步電機(jī)的電磁關(guān)系教學(xué)目的：從第13、14章得知，同步電機(jī)運(yùn)行時(shí)有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)存在。兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)共同作用下實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。本章研究在這兩個(gè)磁場(chǎng)作用下電端口的電壓、電流之間的關(guān)系，建立基本方程，得到等效電路。

在第13章研究電勢(shì)的問(wèn)題是假設(shè)已知磁密波形.本章進(jìn)一步從產(chǎn)生磁密的根源---磁動(dòng)勢(shì)的角度進(jìn)行研究。第十六章同步電機(jī)的電磁關(guān)系主要內(nèi)容：1）空載運(yùn)行（勵(lì)磁磁場(chǎng)單獨(dú)存在）分析，時(shí)空相-矢量圖2）電樞反應(yīng)：電樞磁場(chǎng)對(duì)勵(lì)磁磁場(chǎng)的影響3）隱極式與凸極式同步發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)相量圖、方程式、等值電路認(rèn)識(shí)兩個(gè)磁場(chǎng)的作用1）從實(shí)例看電樞磁場(chǎng)在能量轉(zhuǎn)換中的作用從同步電動(dòng)機(jī)模型理解電樞磁場(chǎng)在能量轉(zhuǎn)換中的作用：電樞的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁極代替手動(dòng)磁鐵的驅(qū)動(dòng)作用。電樞的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁極代替手動(dòng)磁鐵的驅(qū)動(dòng)作用。2）從同步發(fā)電機(jī)能量轉(zhuǎn)換關(guān)系理解電樞磁場(chǎng)在能量轉(zhuǎn)換中的作用同步發(fā)電機(jī)示意圖從轉(zhuǎn)子可以輸入數(shù)十萬(wàn)千瓦機(jī)械功率，但是轉(zhuǎn)子不會(huì)超速，也是因?yàn)槎ㄗ颖砻嬗械刃Т艠O的阻力16-1同步發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行

空載運(yùn)行：當(dāng)原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)在同步轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，勵(lì)磁繞組流過(guò)適當(dāng)?shù)膭?lì)磁電流，電樞繞組不帶任何負(fù)載時(shí)的運(yùn)行情況。1基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)

當(dāng)勵(lì)磁繞組中通入直流電流后，產(chǎn)生隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的磁動(dòng)勢(shì)，稱為勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)。因?yàn)樗S轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動(dòng)，從定子上看，它也是一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，所以同電樞繞組磁動(dòng)勢(shì)的分析方法一樣。AXBCYz+A0+A（2）凸極轉(zhuǎn)子的矩形波磁勢(shì)對(duì)比閉合回路1-5的氣隙磁勢(shì)(定子內(nèi)圓到轉(zhuǎn)子表面的磁壓降)：彼此相等！忽略鐵心磁壓降都等于1）凸極轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁勢(shì)0（1）磁勢(shì)表示方法要表示的是哪個(gè)表面的磁勢(shì)？----定子表面轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的定子表面的磁勢(shì)。為什么“定子表面”？---目的是研究切割定子導(dǎo)體的磁場(chǎng)。0磁勢(shì)表示方法坐標(biāo)固定在定子表面原點(diǎn)與方向和表示定子磁動(dòng)勢(shì)時(shí)相同+A磁勢(shì)正負(fù)：定子N極為正。圖中定子表面N極在上面還是下面？（2）凸極轉(zhuǎn)子的矩形波磁勢(shì)及其基波+A00+A表示矩形波周期函數(shù)。稱為波形系數(shù)+A如何在定子內(nèi)圓坐標(biāo)系中根據(jù)前面分析在范圍磁勢(shì)為正。幅值基波幅值隱極機(jī)轉(zhuǎn)子上有兩個(gè)大齒與若干小齒。在小齒旁邊的槽中放置勵(lì)磁繞組，使得兩個(gè)大齒及其兩側(cè)小齒分別成為N極與S極區(qū)域。每極磁勢(shì)最大幅值為2)隱極機(jī)階梯波磁動(dòng)勢(shì)及其基波

1230af=5NKI/2f=3NKI/2f=NKI/2回路1氣隙磁勢(shì)：回路2：回路3：認(rèn)識(shí)大齒電流方向N、S極區(qū)域隱極電機(jī)階梯波氣隙磁勢(shì)看大圖圖示3個(gè)閉合回路所包圍的安匝數(shù)分別為NkI,3NkI與5NkI，對(duì)應(yīng)氣隙磁勢(shì)則為安匝數(shù)的一半，所以氣隙磁勢(shì)為階梯波.0a0FsFmFb問(wèn)題：分析圖示階梯波中Fs、Fm與Fb的值隱極同步電機(jī)氣隙磁勢(shì)的基波階梯波氣隙磁勢(shì)的基波幅值Ff1與階梯波幅值Ff之比Kf是階梯形磁勢(shì)波的波形系數(shù)，通常略大于1

。+A0仿照電樞繞組基波磁動(dòng)勢(shì)的空間矢量表示，也可以用空間矢量表示勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)基波。2基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)空間矢量AXBCYz+AAXBCYz+A分析勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)基波矢量的特點(diǎn)圖中轉(zhuǎn)子S極中心正對(duì)著坐標(biāo)軸原點(diǎn)；空間矢量的位置：與+A軸重合。轉(zhuǎn)子S極中心在定子內(nèi)圓對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)就是矢量與+A軸夾角。勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)基波矢量與轉(zhuǎn)子軸線重合，與轉(zhuǎn)子同速旋轉(zhuǎn)+A3p0AXBCYz+A轉(zhuǎn)子S極中心在定子內(nèi)圓對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)就是矢量與+A軸夾角。隱極同步電機(jī)氣隙磁勢(shì)基波矢量的畫法與凸極電機(jī)相同3基波氣隙磁密空間矢量

2)凸極機(jī)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(dòng)勢(shì)大小不成正比，正弦的基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)仍然同相位。3基波氣隙磁密空間矢量

正弦波磁動(dòng)勢(shì)兩者空間相位相同。產(chǎn)生正弦波磁密1）隱極機(jī)基波氣隙磁密

+A+A分析：正弦波磁勢(shì)產(chǎn)生同相位正弦波磁密的條件：忽略轉(zhuǎn)子槽開口的影響，認(rèn)為氣隙均勻；忽略鐵心飽和，氣隙磁密與磁動(dòng)勢(shì)成正比；于是均為正弦。忽略鐵心的磁滯渦流效應(yīng)，得到相同相位磁勢(shì)2）凸極機(jī)基波氣隙磁密

隱極磁密正弦波凸極磁密“草帽”波4定子相繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、時(shí)間相量1）電動(dòng)勢(shì)正方向轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，氣隙磁密基波切割定子繞組，產(chǎn)生正弦波電動(dòng)勢(shì)。選A相作為參考相進(jìn)行分析。電動(dòng)勢(shì)正方向與+A軸線成右手螺旋關(guān)系。AXBCYz+Ae2）氣隙磁密與電勢(shì)波形

t=0時(shí)刻磁密波位置+A電勢(shì)波wewt3）正弦波電勢(shì)的旋轉(zhuǎn)矢量表示

電勢(shì)波ewt矢量長(zhǎng)度=電勢(shì)最大值矢量在時(shí)間軸投影=電勢(shì)瞬時(shí)值矢量旋轉(zhuǎn)速度=電勢(shì)角頻率+j電勢(shì)的三種表示方法：公式：曲線與旋轉(zhuǎn)矢量4）磁極中心與+A軸線重合瞬間的電動(dòng)勢(shì)時(shí)間相量AXBCYz+A+A+j結(jié)論：及在空間參考軸+A上初相位與A相時(shí)間相量在時(shí)間參考軸+j的初相位之間存在一定關(guān)系，即：，此關(guān)系適合任意時(shí)刻。AXAXnXX5）及均領(lǐng)先+A軸90o瞬間的電動(dòng)勢(shì)相量。A相繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)瞬時(shí)值為正最大。+A+jNS+A5時(shí)空相—矢量圖

將空間+A與時(shí)間+j重合在一起，將磁勢(shì)與電勢(shì)向量畫在一個(gè)圖中，構(gòu)成時(shí)間-空間向量圖，即時(shí)-空相-矢量圖+A，+j+A，+j6空載特性

定子繞組開路、轉(zhuǎn)子由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速并通入勵(lì)磁電流的運(yùn)行狀態(tài)稱為同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行，稱的函數(shù)關(guān)系為空載特性，它是一條非線性關(guān)系的飽和曲線。氣隙線6空載特性

注意：空載曲線橫坐標(biāo)是實(shí)際的勵(lì)磁電流，或每極實(shí)際磁動(dòng)勢(shì)波幅，而不是基波磁動(dòng)勢(shì)。氣隙線16-2對(duì)稱負(fù)載時(shí)的電樞反應(yīng)定義：電樞磁動(dòng)勢(shì)對(duì)勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)的影響稱電樞反應(yīng)1)定子三相對(duì)稱繞組中對(duì)稱三相電流產(chǎn)生基波電樞磁動(dòng)勢(shì)（1）大?。?A)（2）轉(zhuǎn)速：(r/min)（3）轉(zhuǎn)向：沿通電相序A、B、C的方向，它與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相同（4）極對(duì)數(shù)：和轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)Ｐ相同，決定于繞組的節(jié)距

1磁動(dòng)勢(shì)分析2)轉(zhuǎn)子繞組通入直流產(chǎn)生每極基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)（4）極對(duì)數(shù)：和轉(zhuǎn)子磁極的極對(duì)數(shù)相同（1）大?。?A)（2）轉(zhuǎn)速：和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一樣為同步速（3）轉(zhuǎn)向：和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向一致定子繞組的基波電樞磁動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)子的基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)，它們的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、極對(duì)數(shù)均相同，彼此之間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此兩者的合成磁動(dòng)勢(shì)將是一個(gè)同樣轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速、極對(duì)數(shù)的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，由它們合成在電機(jī)中產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)。本節(jié)分析發(fā)電機(jī)帶不同性質(zhì)負(fù)荷時(shí)電樞磁場(chǎng)是對(duì)消弱還是增強(qiáng)激磁磁場(chǎng)，或者其他作用。通過(guò)感應(yīng)電勢(shì)與電樞電流為橋梁分析定轉(zhuǎn)子磁勢(shì)基波在空間的相互位置。感應(yīng)電勢(shì)與電樞電流之間的關(guān)系，按照下圖分析（1個(gè)電勢(shì)5個(gè)阻抗元件）2)電樞反應(yīng)分析方法激磁電勢(shì)與回路中可能的阻抗rjxinRL1jXL2-jXL3發(fā)電機(jī)工作過(guò)程中激磁電勢(shì)與電樞電流的三種可能關(guān)系：兩者同相位:電流滯后電流超前。2基波電樞磁動(dòng)勢(shì)對(duì)基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)的作用

設(shè)時(shí)，轉(zhuǎn)子S極中心在空間坐標(biāo)軸超前的位置，即的位置。參考位置1），cos=1的情況+A，+j電樞反應(yīng)交磁：產(chǎn)生力矩+A，+j當(dāng)時(shí)間+j軸與空間參考軸都取同一相的量時(shí)，電樞電流將與電樞磁動(dòng)勢(shì)重合。結(jié)論：2)（落后），的情況+A，+j直軸去磁電樞反應(yīng)：帶電感性負(fù)載，去磁；為了保證端電壓，勵(lì)磁電流應(yīng)增加+A，+j3)（超前），的情況+A，+j直軸增磁電樞反應(yīng)：帶電容性負(fù)載，增磁；為了保證端電壓，勵(lì)磁電流應(yīng)減小+A，+jd軸q軸4）電樞電流落后（超前）于激磁電勢(shì)一個(gè)任意銳角的情況d軸q軸電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)可以分解為兩個(gè)分量：直軸分量對(duì)起去磁作用；交軸分量起交磁作用，使合成磁動(dòng)勢(shì)偏離轉(zhuǎn)子軸線，與產(chǎn)生夾角，從而產(chǎn)生力矩。+A+jd軸q軸+A+j顯然，直軸與交軸分量就是合成磁勢(shì)在相應(yīng)軸線上的投影電樞反應(yīng)（增磁、去磁）使得發(fā)電機(jī)的端電壓，與負(fù)載電流的大小和負(fù)載性質(zhì)密切相關(guān)。16-3隱極同步發(fā)電機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì)相—矢量圖和電動(dòng)勢(shì)相量圖

1負(fù)載電流對(duì)端電壓的影響電容性負(fù)載電阻性負(fù)載電感性負(fù)載負(fù)載電流對(duì)端電壓的定性影響圖中當(dāng)負(fù)載阻抗為電阻性與電感性，電流均落后于激磁電勢(shì)，電樞反應(yīng)去磁使得電流增大時(shí)端電壓下降。思考：電容負(fù)載如何？如何確定端電壓與負(fù)載電流的具體關(guān)系為了確定端電壓與負(fù)載電流的關(guān)系，需要建立電壓程?？紤]到空載特性已知；所以，需要找出它與負(fù)載流、端電壓的關(guān)系。2負(fù)載時(shí)定子繞組一相的電壓方程式xA建立隱極同步發(fā)電機(jī)電壓方程的基本思路設(shè)法確定在激磁電流和電樞電流共同存在的情況下，電機(jī)內(nèi)部感應(yīng)的什么電勢(shì)，呈現(xiàn)出什么阻抗。途徑1不考慮鐵芯飽和,分別考慮激磁磁勢(shì)和電樞磁勢(shì)建立的磁場(chǎng)。確定在激磁電勢(shì)作用下的電樞電流在電機(jī)內(nèi)部遇到了什么阻抗。這是本節(jié)重點(diǎn)！2)建立隱極同步發(fā)電機(jī)電壓方程的兩個(gè)途徑途徑2

考慮飽和，求出兩個(gè)磁勢(shì)的合成磁勢(shì)及其建立的合成氣隙磁場(chǎng)、氣隙感應(yīng)電勢(shì)，以及該電勢(shì)對(duì)應(yīng)的阻抗（自學(xué)）。思考：兩種分析途徑的優(yōu)缺點(diǎn)是什么？3）分析內(nèi)部阻抗的方法（途徑1）基于疊加原理，先分析第一個(gè)磁勢(shì)(轉(zhuǎn)子磁勢(shì))的作用。左圖表示轉(zhuǎn)子磁極與磁力線旋轉(zhuǎn)，在實(shí)際繞組內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)的狀況。右圖表示，將感應(yīng)電勢(shì)移出到外部電路后轉(zhuǎn)子上就沒有勵(lì)磁電流與磁極區(qū)域。其中轉(zhuǎn)子僅僅是一個(gè)圓柱形鐵心。3）分析內(nèi)部阻抗的方法（途徑1）電樞電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)分析電機(jī)負(fù)載時(shí)，在激磁電勢(shì)作用下會(huì)產(chǎn)生電樞電流。電樞電流的存在，產(chǎn)生第二個(gè)磁勢(shì)——電樞磁勢(shì)，其建立的部分磁場(chǎng)如圖所示。現(xiàn)在只要求出該磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)的磁鏈就可以求出電抗。3）分析內(nèi)部阻抗的方法（途徑1）基波磁場(chǎng)與漏磁場(chǎng)動(dòng)畫1動(dòng)畫2動(dòng)畫3iA電樞電流流過(guò)定子繞組，所產(chǎn)生磁場(chǎng)包括跨越氣隙的基波磁場(chǎng)和漏磁場(chǎng)。對(duì)稱三相電流的基波磁場(chǎng)則為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。漏磁場(chǎng)包括三個(gè)部分：槽漏磁場(chǎng)；端接漏磁場(chǎng)；諧波漏磁場(chǎng)。3）分析內(nèi)部阻抗的方法（途徑1）（3）參考相磁通與電勢(shì)的正方向電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)的幅值為氣隙磁通密度

3）分析內(nèi)部阻抗的方法（途徑1）漏磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)的電抗為，稱為漏電抗；基波磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)的電抗為，稱為電樞反應(yīng)電抗；兩個(gè)電抗的合成，稱為同步電抗。這樣電樞磁場(chǎng)對(duì)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行的影響可轉(zhuǎn)化為電路中的電抗表示，其電機(jī)模型電路圖如下頁(yè)所示。右圖表示，將勵(lì)磁感應(yīng)電勢(shì)移出到外部電路后，轉(zhuǎn)子僅僅是一個(gè)圓柱形鐵心；再把電樞磁場(chǎng)對(duì)電樞繞組的影響用電抗表示后，現(xiàn)在定子部分僅僅是電樞鐵心繞組了。3）分析內(nèi)部阻抗的方法（途徑1）3）分析內(nèi)部阻抗的方法（途徑1）通常將電流在電樞反應(yīng)電抗上產(chǎn)生的壓降用電勢(shì)表示：通常將勵(lì)磁磁場(chǎng)在電樞繞組中感應(yīng)的勵(lì)磁電勢(shì)和電樞基波主磁場(chǎng)在電樞繞組中感應(yīng)的電樞電勢(shì)合在一起稱為氣隙合成電勢(shì)：3）分析內(nèi)部阻抗的方法（途徑1）氣隙合成電勢(shì)的物理意義其實(shí)質(zhì)就是同步電機(jī)負(fù)載時(shí)，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁基波磁勢(shì)和電樞基波磁勢(shì)合成的氣隙基波磁勢(shì)產(chǎn)生的磁場(chǎng)在電樞繞組里感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)。4）隱極同步發(fā)電機(jī)一相電壓方程及等效電路已知發(fā)電機(jī)的端電壓、負(fù)載電流和功率因數(shù)及參數(shù)，，負(fù)載為感性。Ed&5）隱極同步發(fā)電機(jī)相量圖隱極發(fā)電機(jī)的相量圖及外特性解釋1、純電阻負(fù)載2、純電感負(fù)載3、純電容負(fù)載第四節(jié)凸極同步發(fā)電機(jī)的雙反應(yīng)理論及電動(dòng)勢(shì)相量圖

一、凸極同步發(fā)電機(jī)的雙反應(yīng)法由于凸極發(fā)電機(jī)的氣隙不均勻，正弦分布的磁動(dòng)勢(shì)在氣隙中產(chǎn)生的磁密波形發(fā)生畸變。基波氣隙磁密的大小不僅和的大小有關(guān)，而且和氣隙磁動(dòng)勢(shì)在空間的位置有關(guān)，由于，所以的大小及空間位置也隨負(fù)載位置不同而改變，不能直接利用求取。依據(jù)疊加原理的雙反應(yīng)法是把電樞基波磁動(dòng)勢(shì)分解為兩個(gè)磁勢(shì)：在縱軸上的電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)；在橫軸上的電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)。d軸q軸二、凸極發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)相量圖

直軸同步電抗交軸同步電抗凸極發(fā)電機(jī)中的和，可以看作是電樞電流的分量和產(chǎn)生的，與成900電角度，與同相位。即：凸極同步發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)向量圖：落后時(shí)，領(lǐng)先時(shí)，已知：，，和電機(jī)參數(shù)若已知和的夾角，可求得和的夾角：三、等值電路

和同相位,但，

假設(shè)，用代替，得到其等值電路。設(shè)：rq