1、同步电机全册精品同步电机全册精品 完整课件完整课件1 第第15章章 同步电机同步电机原理和结构原理和结构 概概 述述 同同步电机步电机是又一类非常重要的交流电机。是又一类非常重要的交流电机。同步电机同步电机主要作主要作发电机发电机，用来生产交流，用来生产交流 电能。现代电力网中的巨大的电能几乎全部由同步发电机提供。电能。现代电力网中的巨大的电能几乎全部由同步发电机提供。 同步电机有三种运行方式：发电机、电动机、补偿机同步电机有三种运行方式：发电机、电动机、补偿机 同步发电机与配套的原动机一起构成发电机机组。同步发电机与配套的原动机一起构成发电机机组。 15-1 同步电机同步电机原理原理简述简述
2、 定子上有定子上有三相对称交流绕组三相对称交流绕组（电枢绕电枢绕 组组）。）。 转子上有成对转子上有成对磁极磁极、励磁绕组励磁绕组。通以。通以 直流电流时，将会在电机的气隙中形成直流电流时，将会在电机的气隙中形成 磁场，称为磁场，称为励磁磁场励磁磁场(也称也称主磁场主磁场、转子转子 磁场磁场)。 定转子之间的定转子之间的气隙气隙层的层的厚度厚度和和形状形状对对 电机内部磁场的分布和同步电机的性能电机内部磁场的分布和同步电机的性能 有重大影响。有重大影响。 除了除了转场式转场式同步电机外同步电机外,还有还有转枢式转枢式同同 步电机。步电机。 一、结构模型一、结构模型 图 四极同步电机 A X A
3、 X B B Y Y C Z C Z 实际的水轮发电机转子照片实际的水轮发电机转子照片 二、工作原理二、工作原理 励磁绕组励磁绕组通以通以直流直流励磁电流，建立极性相间的励磁电流，建立极性相间的励磁磁场励磁磁场，即，即主磁场主磁场。 原动机原动机拖动转子旋转拖动转子旋转,主磁场主磁场随轴旋转并顺次被电枢各相绕组切割。随轴旋转并顺次被电枢各相绕组切割。 交变电势交变电势的产生：的产生：电枢绕组电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称三相对称 交变电势交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。通过引出线，即可提供交流电源。 感应电势感应电势有效值有效值
4、: 0 4.44 wf ENfkF 感应电势感应电势频率频率: 60 pn f 交变性交变性与与对称性对称性 三、同步转速三、同步转速 交流电网的交流电网的频率频率应该是一个不变的值，这就要求发电机的频率应该和电网的频率应该是一个不变的值，这就要求发电机的频率应该和电网的频率 一致。我国电网的频率为一致。我国电网的频率为50Hz ，故转子的转速为，故转子的转速为: 603000f n pp 三相同步发电机工作原理动画：二极模型，四极模型 要使得发电机供给电网要使得发电机供给电网50Hz的工频电能，发电机的转速必须为某些固定值，这些的工频电能，发电机的转速必须为某些固定值，这些 固定值称为固定值
5、称为同步转速，同步转速，即与定子旋转磁场的转速即与定子旋转磁场的转速 n1 相同。只有运行于同步转速，相同。只有运行于同步转速， 同步电机才能正常运行，这也是同步电机名称的由来。同步电机才能正常运行，这也是同步电机名称的由来。 四、运行方式四、运行方式 发电机、电动机、补偿机发电机、电动机、补偿机 15-2 同步电机同步电机型式型式和和结构结构 一一、转子、转子型式型式 同步电机同步电机定子结构定子结构与异步电机相似与异步电机相似。而。而转子结构转子结构有着自己的特点。有着自己的特点。 根据原动机的特点根据原动机的特点(汽轮机、水轮机汽轮机、水轮机)，同步电机的转子也制成两种型式与之配套。，同
6、步电机的转子也制成两种型式与之配套。 （1）凸极式凸极式 凸极式凸极式转子（转子（1，2）上有明显凸出的）上有明显凸出的成对磁成对磁 极极和集中和集中励磁绕组励磁绕组。多极电机做成凸极结构，。多极电机做成凸极结构， 工艺较为简单，所以凸极电机与工艺较为简单，所以凸极电机与转速较低的水转速较低的水 轮机轮机相配套。相配套。 正在检修中的同步发电机定子照片正在检修中的同步发电机定子照片 正在加工的大型同步发电机定子机座正在加工的大型同步发电机定子机座 （2）隐极式）隐极式 隐极式隐极式转子（转子（1，2）上没有凸出的磁）上没有凸出的磁 极。转子本体表面开有极。转子本体表面开有槽槽，槽中嵌放，槽中嵌
7、放励励 磁绕组磁绕组。隐极转子适合于。隐极转子适合于2极极高速电机高速电机， 常与大容量高转速汽轮机常与大容量高转速汽轮机(线速度可达线速度可达 170米米/秒秒)配套。考虑到转子冷却和强配套。考虑到转子冷却和强 度方面的要求，隐极式转子的结构和加度方面的要求，隐极式转子的结构和加 工工艺较为复杂。工工艺较为复杂。 二二、结构、结构特点特点 汽轮发电机汽轮发电机 定子铁心：定子铁心：叠片结构叠片结构：圆形圆形或或扇形冲扇形冲片。片。 机座：机座：由由钢板钢板焊接而成焊接而成-能满足能满足强度强度-刚度刚度-通风通风-散热散热的的 需要。需要。 定子绕组：定子绕组：要有足够的要有足够的绝缘强度绝
8、缘强度(高压高压)，一般采用，一般采用 B 级或级或 F 级绝缘。级绝缘。 转子：转子：采用采用隐极式隐极式。细长细长-铣槽铣槽-槽型槽型-同心式励磁绕组同心式励磁绕组- 不导磁槽楔不导磁槽楔。 凸极式转子凸极式转子 隐极式转子隐极式转子 水轮发电机水轮发电机 极数多极数多-直径大直径大-轴向长度短轴向长度短-立式立式。 定子铁心定子铁心由由扇形扇形电工钢片拼叠。有电工钢片拼叠。有径向通风沟径向通风沟。 转子转子采用采用凸极式凸极式，磁极由厚度为，磁极由厚度为12mm的钢片叠成的钢片叠成，阻尼绕组，阻尼绕组(起动绕组起动绕组)抑制抑制短短 路电流路电流和减弱和减弱电机振荡电机振荡，磁极与，磁极
9、与磁极轭磁极轭部采用部采用 T 形或鸽尾形连接。形或鸽尾形连接。 汽轮发电机插转子汽轮发电机插转子 水轮发电机转子吊装 三、三、励磁方式励磁方式简介简介 直流励磁机直流励磁机通常与同步发电机通常与同步发电机同轴同轴，采用并励或者他励接法。采用他励接法时，采用并励或者他励接法。采用他励接法时， 励磁机的励磁电流由另一台被称为励磁机的励磁电流由另一台被称为副励磁机副励磁机的同轴的直流发电机供给。的同轴的直流发电机供给。 获得励磁电流的方法称为获得励磁电流的方法称为励磁方式励磁方式。 目前采用的目前采用的励磁方式励磁方式分为两大类：一类是用直流发电机作为励磁电源的分为两大类：一类是用直流发电机作为励
10、磁电源的直流励磁直流励磁 机励磁系统机励磁系统；另一类是用；另一类是用硅整流装置硅整流装置将交流转化成直流后供给励磁的将交流转化成直流后供给励磁的整流器励磁整流器励磁 系统系统。 (1)直流励磁机励磁直流励磁机励磁 (2) 静止整流器励磁静止整流器励磁 同一轴上有三台交流发电机，即同一轴上有三台交流发电机，即主发电机主发电机、交流主励磁机交流主励磁机和和交流副励磁机交流副励磁机。副励。副励 磁机的励磁电流开始时由外部直流电源提供，待电压建立起来后再转为自励磁机的励磁电流开始时由外部直流电源提供，待电压建立起来后再转为自励(有时有时 采用永磁发电机采用永磁发电机)。副励磁机的输出电流经过静止晶闸
11、管整流器整流后供给主励磁。副励磁机的输出电流经过静止晶闸管整流器整流后供给主励磁 机，而主励磁机的交流输出电流经过静止的三相桥式硅整流器整流后供给主发电机机，而主励磁机的交流输出电流经过静止的三相桥式硅整流器整流后供给主发电机 的励磁绕组。的励磁绕组。 (3) 旋转整流器励磁旋转整流器励磁 静止整流器静止整流器的直流输出必须经过电刷和集电环才能输送到旋转的励磁绕组，对于的直流输出必须经过电刷和集电环才能输送到旋转的励磁绕组，对于 大容量的同步发电机，其励磁电流达到数千安培，使得集电环严重过热。因此，大容量的同步发电机，其励磁电流达到数千安培，使得集电环严重过热。因此， 在大容量的同步发电机中，
12、常采用不需要电刷和集电环的在大容量的同步发电机中，常采用不需要电刷和集电环的旋转整流器励磁系统旋转整流器励磁系统。 主励磁机是主励磁机是旋转电枢式旋转电枢式三相同步发电机，旋转电枢的交流电流经与主轴一起旋转三相同步发电机，旋转电枢的交流电流经与主轴一起旋转 的硅整流器整流后，直接送到主发电机的转子励磁绕组。交流主励磁机的励磁电的硅整流器整流后，直接送到主发电机的转子励磁绕组。交流主励磁机的励磁电 流由同轴的交流副励磁机经静止的晶闸管整流器整流后供给。由于这种励磁系统流由同轴的交流副励磁机经静止的晶闸管整流器整流后供给。由于这种励磁系统 取消了集电环和电刷装置，故又称为无刷励磁系统。取消了集电环
13、和电刷装置，故又称为无刷励磁系统。 小型同步发电机励磁系统 15-3 三相同步电机的三相同步电机的额定值额定值和和型号型号 一、额定值一、额定值 额定容量额定容量 SN (VA,kVA,MVA等等) 或或额定功率额定功率PN(W,kW,MW等等) ：指电机输出功率的：指电机输出功率的 保证值保证值。发电机通过。发电机通过额定容量额定容量值可以确定值可以确定电枢电流电枢电流，通过，通过额定功率额定功率可以确定配套可以确定配套原原 动机的容量动机的容量。电动机电动机的额定容量一般用的额定容量一般用kW数表示，数表示，补偿机补偿机则用则用kVAR表示。表示。 额定电压额定电压 UN(V,kV等等)
14、：指额定运行时定子输出端的：指额定运行时定子输出端的线电压线电压。 额定电流额定电流IN(A)：指额定运行时定子的：指额定运行时定子的线电流线电流。 额定功率因数额定功率因数cosj jN 额定运行时电机的功率因数。额定运行时电机的功率因数。 额定频率额定频率fN(Hz)：额定运行时电机电枢端电能的频率，我国标准工业频率规定为：额定运行时电机电枢端电能的频率，我国标准工业频率规定为 50Hz。 额定转速额定转速nN ：额定运行时电机的转速，即同步转速。：额定运行时电机的转速，即同步转速。 除上述额定值外，同步电机铭牌上还常列出一些其它的运行数据，例如额定负载除上述额定值外，同步电机铭牌上还常列
15、出一些其它的运行数据，例如额定负载 时的温升时的温升t tN、励磁容量、励磁容量PfN和励磁电压和励磁电压UfN等。等。 二、国产同步电机型号二、国产同步电机型号 汽轮发电机有汽轮发电机有QFQ、QFN、QFS等系列，前两个字母表示等系列，前两个字母表示汽轮发电汽轮发电 机机；第三个字母表示；第三个字母表示冷却方式冷却方式，Q表示表示氢外冷氢外冷，N表示表示氢内冷氢内冷，S表示表示 双水内冷。双水内冷。 大型水轮发电机为大型水轮发电机为TS系列，系列，T表示表示同步同步，S表示表示水轮水轮。 举例：举例： QFS-300-2 表示容量为表示容量为300MW双水内冷双水内冷2极汽轮发电机极汽轮发
16、电机。 TSS1264/160-48 表示表示双水内冷水轮发电机双水内冷水轮发电机，定子外径为，定子外径为1264厘米，铁心长为厘米，铁心长为160厘米，厘米， 极数为极数为48。 同步电动机系列有同步电动机系列有TD、TDL等，等，TD表示表示同步电动机同步电动机，后面的字母，后面的字母 指出其主要用途。如指出其主要用途。如TDG表示表示高速高速同步电动机；同步电动机；TDL表示表示立式立式同步电同步电 动机。动机。 同步补偿机为同步补偿机为TT 第第16章章 同步发电机同步发电机对称运行对称运行分析分析 16-1 空载空载运行分析运行分析 电枢绕组不带任何负载时的运行情况，称为电枢绕组不带
17、任何负载时的运行情况，称为空空 载运行载运行。空载气隙磁场空载气隙磁场由由转子磁势转子磁势单独建立，分单独建立，分 析较为简单。析较为简单。 一、空载一、空载气隙磁场气隙磁场 凸极电机凸极电机：气隙不均、径向磁密气隙不均、径向磁密分布近似于分布近似于平平 顶顶的的波形、中线上磁密为波形、中线上磁密为0、磁密、磁密可分解出空间可分解出空间 基波基波和谐波。通过调整和谐波。通过调整气隙形状气隙形状可以使可以使气隙磁密气隙磁密 分布接近分布接近正弦正弦（如（如偏心气隙偏心气隙）。）。 隐极电机：隐极电机：气隙视为气隙视为均匀均匀、励磁磁势分布为、励磁磁势分布为阶梯形阶梯形 齿槽的影响会使得磁密波动齿
18、槽的影响会使得磁密波动。合理地选择合理地选择大齿大齿的宽度的宽度 可以使可以使气隙磁密分布气隙磁密分布接近接近正弦正弦。 感应电势感应电势的的波形波形和和大小大小与与气隙磁密气隙磁密的分布形状及的分布形状及 幅值大小紧密相关，在设计和制造电机时，应采取幅值大小紧密相关，在设计和制造电机时，应采取 适当的措施，以获得尽可能接近正弦分布的气隙磁适当的措施，以获得尽可能接近正弦分布的气隙磁 密，从而得到品质较高的感应电势。密，从而得到品质较高的感应电势。 二、二、空载空载特性特性 空载特性：空载特性： n=n1, Ia=0时时, E0=f(If) , E0F Ff，IfFf 空载特性空载特性E0=f
19、(If)与电机磁路的磁化曲线与电机磁路的磁化曲线F Fff(Ff)具有类似的变化规律。具有类似的变化规律。 为了合理地利用材料，空载额定电压为了合理地利用材料，空载额定电压UN一般设计在空载特性的一般设计在空载特性的弯曲处弯曲处。 空载特性可以通过空载特性可以通过计算计算或或试验试验得到。试验测定的方法与直流发电机类似。得到。试验测定的方法与直流发电机类似。 同步电机的空载特性也常用同步电机的空载特性也常用标么值标么值表示，空载电势以额定电压表示，空载电势以额定电压UN为基值，取为基值，取 E0=UN时的励磁电流时的励磁电流IfN(称为额定称为额定励磁电流励磁电流)为励磁电流的基值。为励磁电流
20、的基值。 用标么值表示的空载特性具有用标么值表示的空载特性具有典型性典型性， 不论电机容量的大小，电压的高低，其空不论电机容量的大小，电压的高低，其空 载特性彼此非常接近。载特性彼此非常接近。 空载特性在同步发电机理论中有着重要空载特性在同步发电机理论中有着重要 作用：作用： 判断判断电机设计电机设计是否合理。是否合理。 空载特性结合空载特性结合短路特性短路特性(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。 发电厂通过测取空载特性来判断发电厂通过测取空载特性来判断三相绕三相绕 组的对称性组的对称性以及励磁系统的故障。以及励磁系统的故障。 16-2 负载负载运行和运
21、行和电枢反应电枢反应 一、负载后一、负载后磁势分析磁势分析 空载时，空载时，IfFf (机械旋转磁势机械旋转磁势) 负载后，负载后，Ia，Ib，IcFa (电气旋转磁势电气旋转磁势)。 Ff，Fa转速均为转速均为n1,转向转向一致，一致，Ff+Fa=F (合成磁势合成磁势)。 气隙磁场气隙磁场Bd d可以看成是由可以看成是由F 所建立。所建立。Bd d 也是转速为也是转速为 n1的旋转磁场。的旋转磁场。 负载后，负载后，磁势磁势和和磁场磁场将发生显著变化，这一变化主要由将发生显著变化，这一变化主要由电枢磁势电枢磁势的出现所致。的出现所致。 动画：负载后的旋转磁势 二、二、电枢反应的概念与内功率
22、因数角电枢反应的概念与内功率因数角 Fa的存在，将使的存在，将使气隙磁场气隙磁场的大小和位置发生的大小和位置发生 变化，这一现象称为变化，这一现象称为电枢反应电枢反应。电枢反应会对。电枢反应会对 电机性能产生重大影响。电机性能产生重大影响。 简单地说，电枢反应就是简单地说，电枢反应就是Fa对对Ff的影响，这的影响，这 种影响分为种影响分为增磁、去磁增磁、去磁或或交磁交磁。 Fa和和Ff之之相角差相角差决定了决定了电枢反应电枢反应的性质。的性质。 F Ff为励磁绕组产生的与为励磁绕组产生的与A相绕组匝链的磁通，相绕组匝链的磁通，F Ff在在A相绕组中产生的感应电势相绕组中产生的感应电势E0滞后于
23、滞后于F Ff90 度。在图示的瞬间，度。在图示的瞬间，F Ff过过零零点而点而E0达到达到最大值最大值。 当当Ff与与A相轴线重合时，相轴线重合时，F Ff最大。最大。Ff与与A相轴线正交时，相轴线正交时，F F为为零零。可见。可见Ff和和A相轴线的夹角与相轴线的夹角与 F Ff同时变化。同时变化。 若以直轴若以直轴d同时作为同时作为时间相位时间相位和和空间相位空间相位的的0点，在图示瞬间，点，在图示瞬间，Ff和和F Ff相位角均为相位角均为0，E0的相的相 位角为滞后位角为滞后90度（达度（达最大值最大值）。）。 如果如果Ia与与E0的相位差的相位差(由由负载性质决定负载性质决定)为为0，
24、则，则Ia的相位角也是滞后的相位角也是滞后90度，达到其度，达到其最大值最大值。 当当Ia达到达到最大值最大值时，时，Fa将处于将处于A相绕组的轴线相绕组的轴线(交轴交轴)上，上，Fa的相位角也是滞后的相位角也是滞后90度。度。 如果如果Ia与与E0的相位差不为的相位差不为0，而是滞后于，而是滞后于E0一个一个y y 角，则角，则Fa也将滞后于也将滞后于A相轴线一个相轴线一个y y 角。角。 可见可见Ia在在时间相位时间相位上滞后于上滞后于E0的角度的角度y y 就等于就等于Fa 在在空间相位空间相位上滞后于上滞后于A相轴线相轴线的角度。在图的角度。在图 示的瞬间示的瞬间Fa滞后于滞后于Ff
25、90+y y 度。度。 由于由于Fa和和Ff在空间在空间相对静止相对静止，所以在任意瞬间，所以在任意瞬间，Fa均滞后于均滞后于Ff 90+y y度。度。 可见可见y y 角决定了角决定了Fa与与Ff之间的之间的相位差相位差。y y角称为角称为内功率因数角内功率因数角。 时空相量图）时空相量图） 将将时间时间相量相量F Ff/F Fa/E E0/E Ea/I Ia等和等和空间空间相量相量Ff/Fa/F等画一起可构成等画一起可构成时空时空相量图。相量图。 在在时空时空相量图中相量图中F Ff和和Ff 处于处于d轴，轴，E E0滞后于滞后于d轴轴90,处于处于q轴，轴，I Ia和和E E0之间的相位
26、差之间的相位差 y y由由负载性质负载性质决定，决定，Fa和和Ff重合。重合。 利用利用时空时空相量图分析不同负载情况时同步发电机电枢反应的情况甚为方便。相量图分析不同负载情况时同步发电机电枢反应的情况甚为方便。 三、不同负载时电枢反应分析三、不同负载时电枢反应分析 ( (1 1) )y y = 0或者或者180 此时此时Fa和和Ff之夹角为之夹角为90/270 ，Fa作用在作用在q轴上，使合成磁势轴上，使合成磁势F的轴线位置产生一的轴线位置产生一 定的偏移，幅值发生一定的变化。这种作用在交轴上的电枢反应称为定的偏移，幅值发生一定的变化。这种作用在交轴上的电枢反应称为交轴电枢反交轴电枢反 应，
27、简称应，简称交磁交磁作用。作用。 ( (2 2) )y y = 90 此时 此时Fa和和Ff之夹角为之夹角为180，电枢反应为，电枢反应为直轴去磁电枢反应直轴去磁电枢反应。 动画：时空相量图 ( (3 3) )y y = -90 此时此时Fa和和Ff之夹角为之夹角为0 ，电枢反应为，电枢反应为直轴增磁电枢反应直轴增磁电枢反应。 ( (4 4) )一般情况下的电枢反应一般情况下的电枢反应 将将Ia分解为分解为Id，Iq,分别产生分别产生Fad，Faq。 Fad/Faq分别产生分别产生d轴和轴和q轴电枢反应。轴电枢反应。 adq III sin da IIycos qa IIy aadaq FFF
28、sin ada FFycos aqa FFy 四、四、电枢反应电抗电枢反应电抗和和同步电抗同步电抗 负载后负载后,Fa将在电机内部产生将在电机内部产生跨过气隙跨过气隙的的电枢反应磁通电枢反应磁通F Fa和不和不通过气隙通过气隙的的漏磁通漏磁通 F Fs s,分别在电枢各分别在电枢各相绕组相绕组中感应出中感应出电枢反应电势电枢反应电势Ea 和和漏磁电势漏磁电势Es s。 不计饱和时不计饱和时,Ea与电枢电流与电枢电流Ia成正比成正比,比例常数称比例常数称Xa为为电枢反应电抗电枢反应电抗。考虑到相位。考虑到相位 关系后，关系后，每相电枢反应电势每相电枢反应电势为：为： Xa和和F Fa所经过磁路的
29、所经过磁路的磁阻磁阻成反比。对于凸极电机而言成反比。对于凸极电机而言,当当Fa和和Ff重合时重合时,F Fa经过直经过直 轴气隙和铁心而闭合轴气隙和铁心而闭合(直轴磁路直轴磁路);该路径磁阻较小该路径磁阻较小,对应的对应的Xa就较大。就较大。 当当Fa和和Ff正交时正交时,F Fa经过交轴磁路而闭合。磁阻较大经过交轴磁路而闭合。磁阻较大,所以所以Xa较小。较小。 aaa EjX I 一般情况下一般情况下,Fa和和Ff之间的夹角由负载的性质决定之间的夹角由负载的性质决定,为为90+y y,F Fa的流通路径介于直轴的流通路径介于直轴 磁路和交轴磁路之间，磁路和交轴磁路之间，Xa的大小也就介于最大
30、和最小之间。的大小也就介于最大和最小之间。 不同负载对应的不同负载对应的Xa也不同也不同,这给分析问题带来了诸多不便。为了解决这一问题这给分析问题带来了诸多不便。为了解决这一问题,人们人们 采用了正交分解法和叠加原理采用了正交分解法和叠加原理,将将Fa看成是其直轴分量看成是其直轴分量Fad和交轴分量和交轴分量Faq的叠加的叠加,并认并认 为单独激励直轴电枢反应磁通为单独激励直轴电枢反应磁通F Fad,对应有一个固定的对应有一个固定的直轴电枢反应电抗直轴电枢反应电抗Xad,并在定子并在定子 每相绕组每相绕组中产生中产生直轴电枢反应电势直轴电枢反应电势Ead;Faq单独激励单独激励交轴电枢反应磁通
31、交轴电枢反应磁通F Faq,对应交轴对应交轴 电枢反应电抗电枢反应电抗Xaq,产生产生交轴电枢反应电势交轴电枢反应电势Eaq。 aadaqaddaq q EEEjX IjX I F Fs s引起的漏抗电势引起的漏抗电势 电枢绕组中由电枢绕组中由Ia引起的总的感应电势为引起的总的感应电势为 a EjX I ss () ()() aadaqaddaqqdq adqaqqddqq EEEEEjXIjX IjXII j XXIj XXIjX IjX I sss ss 其中其中Xd=Xad+Xs s定义为定义为直轴同步电抗直轴同步电抗，Xq=Xaq+Xs s定义为定义为交轴同步电抗交轴同步电抗。 对于对
32、于隐极电机隐极电机来说，可以认为直轴磁路和交轴磁路的来说，可以认为直轴磁路和交轴磁路的磁阻磁阻相等，则相等，则Xad=Xaq=Xa () aa aaaas a EEjX IjX Ij XXIjX I sss 式中式中Xs=Xa+Xs s定义为定义为隐极电机的同步电抗隐极电机的同步电抗。由定义可知，。由定义可知，同步电抗同步电抗包括两部分：包括两部分： 电枢绕组的漏电抗电枢绕组的漏电抗和和电枢反应电抗电枢反应电抗，又称为主电抗和漏电抗。，又称为主电抗和漏电抗。 Xs、Xa随着饱和程度随着饱和程度 的增加而减小；的增加而减小；Xs s不随饱和程度的变化而改变，不随饱和程度的变化而改变，Xs s比比
33、Xa小得多小得多。 16-3 同步电机的同步电机的电势方程式电势方程式和和相量图相量图 一、电势方程式电势方程式 负载后负载后,发电机电枢绕组中存的电势：发电机电枢绕组中存的电势： 0111 4.44 fwf Ef N kF F aaaddaq q EjX IjX IF EjX I ssss F 电枢电阻很小，其压降可以忽略。发电机每相的电势方程为电枢电阻很小，其压降可以忽略。发电机每相的电势方程为 0a EEEU s 对凸极电机来说对凸极电机来说, 000addq qqddq EEEEjX IjX IUEUjX IjX I s 对隐极电机来说对隐极电机来说, 000as aqs a EEEE
34、jX IUEUjX I s 二、电势相量图二、电势相量图 同步电机理论中，用同步电机理论中，用电势相量图电势相量图来进行分析是十分重要和方便的方法。来进行分析是十分重要和方便的方法。 作相量图时，作相量图时，U与与Ia的夹角为的夹角为负载功率因数角负载功率因数角j j, ,Xs为已知量，根据方程式求得为已知量，根据方程式求得E0。 (1)隐极电机相量图画法隐极电机相量图画法(动画动画) 在水平方向作出相量在水平方向作出相量U； 根据根据j j角作出相量角作出相量Ia； 在在U的尾端的尾端,加上相量加上相量jXsIa,它超前它超前Ia90。 作出由作出由U的首端指向的首端指向jXsIa尾端的相量
35、尾端的相量,该相量便是该相量便是E0。 A j sa jX I 0 E B y d 0 U 1 sin tan cos sa X IU U j y j 内功率因数角内功率因数角 a I (2)凸极电机相量图画法凸极电机相量图画法(动画动画) 凸极电机首先必须将凸极电机首先必须将Ia分解为分解为Id和和Iq，然后才能根据方程式作出其，然后才能根据方程式作出其电势相量图电势相量图。 由于由于Iq与与E0同方位，同方位，Id与与E0正交，找出正交，找出E0方位即可。方位即可。 两边同时加上两边同时加上 0ddq q EUjX IjX I电势电势方程式方程式 () dqd j XXI () 0dqdd
36、dqqddqd qqqdqa Ej XXIUjX IjX IjX IjX I UjX IjX IUjX I 左边相量显然与左边相量显然与E0处于同一方位，而右边的相量可以很方便地求得，这样就可找处于同一方位，而右边的相量可以很方便地求得，这样就可找 到到E0的方位。的方位。 凸极电机的相量图画法：凸极电机的相量图画法： 在水平方位作出相量在水平方位作出相量U/错开错开j j角作角作Ia； 在在U的尾端加上相量的尾端加上相量jXqIa，超前于，超前于Ia 90经过经过U首端和首端和jXqIa尾端的直线为的尾端的直线为的E0 方位方位(q轴轴) 将将Ia分解为分解为Id和和Iq； 根据方程根据方程
37、E0=U+jXdId+jXqIq作出作出E0。 相量图很直观地显示了同步电机各个相量之间的数值关系和相位关系，对于分析相量图很直观地显示了同步电机各个相量之间的数值关系和相位关系，对于分析 和计算同步电机的许多问题有较大的帮助作用。和计算同步电机的许多问题有较大的帮助作用。 A j q a jX I 0 E B y d 0 U 1 sin tan cos qa X IU U j y j 内功率因数角内功率因数角 a I d I q I dd jX I q q jX I q d C 16-4 负载特性和电抗测定负载特性和电抗测定 一、短路特性一、短路特性 n=n1，电枢绕组三相持续短路，然后加励
38、磁电流，称为，电枢绕组三相持续短路，然后加励磁电流，称为稳态短路运行稳态短路运行。 这时这时U=0，如果改变，如果改变If，则短路电枢电流，则短路电枢电流Ik也改变。也改变。Ik=f(If)就是短路特性。就是短路特性。 短路运行时，短路运行时，Ik和和E0之间的相位差之间的相位差y y仅由仅由Xs和绕组电阻决定，忽略电阻时，和绕组电阻决定，忽略电阻时，Ik将滞将滞 后于后于E090电角度，其电角度，其电枢反应电枢反应表现为直轴纯去磁作用。表现为直轴纯去磁作用。 去磁作用减少了电机中的磁通，磁路不饱和去磁作用减少了电机中的磁通，磁路不饱和E0=f(If)呈线性。由于短路电流呈线性。由于短路电流I
39、k=- jE0/Xs 所以所以Ik=f(If)也呈线性，是一条通过原点的直线。也呈线性，是一条通过原点的直线。 稳态短路时，电机中的电枢反应为稳态短路时，电机中的电枢反应为直轴纯去磁作用直轴纯去磁作用，电机的磁通和感应电势较小，电机的磁通和感应电势较小， 短路电流也不会过大，所以三相稳态短路运行没有危险。短路电流也不会过大，所以三相稳态短路运行没有危险。 对凸极电机来说，短路时交轴电枢磁势对凸极电机来说，短路时交轴电枢磁势Fq=0 分析时只需将分析时只需将Xs用用Xd、 、将 将Ia用用Id代替即代替即 可。可。 二、利用二、利用Ik=f(If)和和E0=f(If)求求Xs/Xd 短路且略去电
40、阻压降时，短路且略去电阻压降时， 0sk EjX I () () 0f s kf EI X II 测定同步电抗的简单方法：测定同步电抗的简单方法： 用原动机带动同步发电机在同步转速下运转，测取用原动机带动同步发电机在同步转速下运转，测取E0=f(If)和和Ik=f(If)特性。特性。 E0=f(If)和和Ik=f(If)绘成曲线，并在绘成曲线，并在E0=f(If)上作出上作出气隙线气隙线。 选取某一选取某一If，求得对应的短路电流，求得对应的短路电流Ik1和对应于气隙线上的电势和对应于气隙线上的电势E01，则，则 不饱和同步电抗不饱和同步电抗 () 01 1 sd k E XX I 在在E0=
41、f(If)求得对应于额定电求得对应于额定电 压压UN的励磁电流的励磁电流IfN，再从，再从 Ik=f(If)上求得对应于上求得对应于IfN的短路的短路 电流电流Ik2，则，则 f I fN I 1f I 1k I 01 E 2k I 凸极电机的凸极电机的Xq可以利用经可以利用经 验公式求得验公式求得Xq0.65Xd 饱和同步电抗饱和同步电抗 () 2 N sd k U XX I 三、三、零功率因数负载特性零功率因数负载特性 负载特性是指当负载电流负载特性是指当负载电流Ia=常数，功率因数常数，功率因数cosj j =常数的条件下，端电压常数的条件下，端电压U与励与励 磁电流磁电流If的关系。的
42、关系。 对应于对应于cosj j=0 超瞬变过程结束超瞬变过程结束 后后,IF=开始衰减开始衰减,并逐渐达到稳态并逐渐达到稳态,这一过程称为这一过程称为瞬变过程瞬变过程。 超瞬变超瞬变、瞬变瞬变和和稳态稳态三个过程开始的瞬间三个过程开始的瞬间 F Fa经过的路径不同经过的路径不同,分别如图分别如图19.6(a)(b)(c) 所示。所示。 三、三、 瞬态短路时的电抗瞬态短路时的电抗 从电路的角度来看从电路的角度来看,短路电流的大小决定于回路的参数短路电流的大小决定于回路的参数,即决定于同步电机的电抗即决定于同步电机的电抗 的大小。对于感性回路有的大小。对于感性回路有 X=w wL=w wN2/R
43、=w wN2L L 式中式中N为绕组串联匝数为绕组串联匝数,R为磁路的磁阻为磁路的磁阻,L L 为磁路的磁导。为磁路的磁导。 稳态情况下稳态情况下,电枢电流产生电枢反应磁通电枢电流产生电枢反应磁通F Fa 和电枢漏磁通和电枢漏磁通F Fas s,对应的磁路见图对应的磁路见图 19.6(c),略去铁心部分的磁阻略去铁心部分的磁阻,F Fa对应的就是气隙磁导对应的就是气隙磁导L Lad,F Fas s对应的是漏磁导对应的是漏磁导L Ls s,所以所以 稳态短路电流产生的总磁通对应的总磁导为稳态短路电流产生的总磁通对应的总磁导为 L Ld=L Lad+L Ls s 对应的电抗为对应的电抗为 Xd=X
44、ad+Xs s 它就是直轴同步电抗。它就是直轴同步电抗。 突然短路时突然短路时(超瞬变瞬间超瞬变瞬间),F Fa对应的磁路见图对应的磁路见图19.6(a),它遇到了它遇到了气隙磁阻气隙磁阻、阻尼绕组阻尼绕组 漏磁阻漏磁阻和和励磁绕组漏磁阻励磁绕组漏磁阻,再考虑到电枢绕组的再考虑到电枢绕组的漏磁通漏磁通F Fas s后后,电枢磁通的总磁导为电枢磁通的总磁导为 对应的电抗为对应的电抗为 称为称为直轴超瞬态电抗直轴超瞬态电抗,XZs s和和XFs s为阻尼绕组和励磁绕组的漏磁电抗。为阻尼绕组和励磁绕组的漏磁电抗。 当瞬态短路进入当瞬态短路进入瞬变过程瞬变过程时时,阻尼绕组中的电流已衰减完毕阻尼绕组中
45、的电流已衰减完毕,此时此时F Fa对应的磁路见对应的磁路见 图图19.6(b),它遇到了气隙磁阻和励磁绕组漏磁阻它遇到了气隙磁阻和励磁绕组漏磁阻,再考虑到电枢绕组的漏磁通后再考虑到电枢绕组的漏磁通后,电电 枢磁通的总磁导为枢磁通的总磁导为 对应的电抗为对应的电抗为 称为直轴瞬态电抗。称为直轴瞬态电抗。 19-4 突然短路电流突然短路电流 在了解了在了解了超瞬态电抗超瞬态电抗和和瞬态电抗瞬态电抗后后,便可以分析突然短路后的便可以分析突然短路后的电枢电流电枢电流。以。以A相相 为例，电枢电流的交变分量为例，电枢电流的交变分量iA为为 其中其中,I= E0 / Xd,E0为短路前励磁电势有效值，为短
46、路前励磁电势有效值，I称为电枢绕组的称为电枢绕组的超瞬态电流超瞬态电流。 若无阻尼绕组若无阻尼绕组,则则I= E0 / Xd,I称称瞬态电流瞬态电流。 同样同样,电枢电流非周期性分量为电枢电流非周期性分量为 由于实际绕组都有电阻由于实际绕组都有电阻,都要消耗能量都要消耗能量,各绕组中的电流最终将衰减至各绕组中的电流最终将衰减至 稳态短路时的数值。稳态短路时的数值。 下面分析电枢电流衰减的规律。可以认为下面分析电枢电流衰减的规律。可以认为,电枢电流周期性分量的衰减电枢电流周期性分量的衰减 分为两个阶段：分为两个阶段： 从超瞬态电流从超瞬态电流I“衰减到瞬态电流衰减到瞬态电流,I这一阶段的衰减量这
47、一阶段的衰减量(I”-I)由阻尼绕组中对应电流由阻尼绕组中对应电流 的衰减而引起的衰减而引起,其时间常数为其时间常数为 Td“=LZ”/RZ(LZ“为对应于阻尼绕组的等效电感为对应于阻尼绕组的等效电感,RZ为阻为阻 尼绕组的电阻尼绕组的电阻)。 从瞬态电流从瞬态电流I到稳态电流到稳态电流I,这一阶段的衰减量这一阶段的衰减量(I-I)由励磁绕组中对应电流的衰减由励磁绕组中对应电流的衰减 而引起而引起,其时间常数为其时间常数为Td=LF/RF (LF为对应于励磁绕组的等效电感为对应于励磁绕组的等效电感,RF为阻尼绕组的为阻尼绕组的 电阻电阻)。 电枢电流的非周期性分量电枢电流的非周期性分量IA=的
48、衰减由定子绕组本身的电阻引起的衰减由定子绕组本身的电阻引起,其时间常数为其时间常数为 Ta“=La”/Ra(La“为对应于定子绕组的等效电感为对应于定子绕组的等效电感,Ra为定子绕组的电阻为定子绕组的电阻)。 以上衰减过程结束后以上衰减过程结束后,发电机进入稳态短路发电机进入稳态短路,电流变为电流变为I =E0/Xd。 根据以上分析根据以上分析,突然短路后电枢电流可以写为突然短路后电枢电流可以写为 图图19.7画出了当画出了当a a0=0电枢短路电流的情况。在这种情况下电枢短路电流的情况。在这种情况下,经过半个周期电流达到经过半个周期电流达到 最大值最大值,通常认为它是超瞬态电流幅值通常认为它是超瞬态电流幅值 的的1.8倍左右。倍左右。 动画:突然短路电流的变化 19-5 同步电机的振荡同步电机的振荡 同步电机在实际运行中同步电机在实际运行中,有多种原因可能导致振荡。比如原动机输入转矩的突然有多种原因可能导致振荡。比如原动机输入转矩的突然 变化、电网参数的改变、励磁调节器发生故障、外部负载不稳定或突然变化等因变化、电网参数的改变、励磁调节器发生故障、外部负载不稳定或突然变化等因 素都能引起电机
