福州大学-电机学-12同步电机的基本理论和运行特性

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1、第四篇同步电机第十六章同步电机的基本理论和运行特性电气工程与自动化学院主讲黄灿水2016.3配套教材：《电机学》，林荣文（福州大学），中国电力出版社，2014.1第十六章同步电机的基本理论和运行特性16.1同步发电机的空载运行16.2对称负载时同步电机的电枢反应16.3隐极同步发电机的分析方法16.4凸极同步发电机的分析方法16.5同步发电机对称运行时的特性16.6同步发电机的参数测定和短路比目录第一节同步发电机的空载运行空载的定义励磁绕组加直流：If=IfN，n=n1电枢绕组开路：Ia=0→Fa=0→E

2、0≠0空载电动势E0随时间变化规律与转子磁场沿空间分布规律相同。一、隐极式同步电机的空载磁动势定义：励磁磁动势波形系数实际波形基波分量kf取决于r（小齿齿距之和/极距）NS二、凸极式同步电机的空载磁动势实际波形基波分量定义：励磁磁动势波形系数三、同步电机空载电动势相量气隙磁场由转子磁极建立磁通：主磁通和漏磁通主磁路：气隙、电枢齿、电枢轭、磁极极身、转子轭四、电压波形的正弦畸变率定义：额定容量为10VA到1MVA的交流发电机，其线电压波形允许的正弦畸变率不超过10%额定容量为1MVA以上的交流发电机，其线电

3、压波形允许的正弦畸变率不超过5%考虑：如何改善同步发电机的电压波形？五、时间相量和空间矢量空间矢量：在空间按正弦规律分布的量气隙磁动势基波分量气隙磁密基波分量时间相量：随时间按正弦规律变化的量定子绕组所匝链的磁通定子绕组感应电动势时空矢量图的定义：将具有相同角速度的空间矢量和时间相量画在同一坐标即为时空矢量图。思考：相量图和矢量图的区别？Ff1φ0ABf1E0A直轴A相轴/时轴SNAXBZCYω1=2πf同步电机空载时的时空矢量图时间相量和空间矢量都以相绕组轴线作为参考轴。同步电机空载时的时空矢量图交轴交

4、轴说明1时间相角有明确的物理意义，空间相角也有明确的物理意义，但是时、空之间的“相角”无物理意义。2参考轴可以任意选择，但一般选择在相绕组轴线3空间矢量是由三相电枢或主极的共同作用产生的，如磁动势和磁通密度。而时间相量仅指一相的量，表示其电动势、电压、电流及绕组匝链的磁通。4空间矢量相对于转子而言是静止的，由于转子以同步速旋转，所以空间矢量相对于气隙而言就是以同步速旋转的。第二节对称负载时同步电机的电枢反应电枢反应的概念电机带负载后，电枢电流产生的磁场将使空载气隙磁场的分布发生变化，从而使绕组中的感应电动

5、势发生变化，这种现象称为电枢反应。三个特殊角内功率因数角：是到的时间相位角，与电机参数及负载有关外功率因数角：是到的时间相位角，与负载有关功率角（功角）：是与的时间相位角三者关系：+=这是为了分析电机特性而引入的角度负载时的时空矢量图四个轴：直轴、交轴、相轴、时轴空载时空矢量图负载时的时空矢量图Ψ交轴电枢磁场：有功分量直轴电枢磁场：无功分量一、和同相()时的电枢反应特点：以A相绕组轴线作为空间矢量和时间相量的参考轴，则在时空矢量图上Φ0A与Ff1同相位，Fa与I同相位。一、和同相()时的电枢反应运行状态：

6、Fa滞后Ff1，处于发电机运行状态。功率交换：仅向电网输出有功功率（P>0，Q=0）。电枢反应性质：交轴电枢反应。励磁情况：正常励磁。二、滞后90º()时的电枢反应运行状态：Fa与Ff1相位相反，处于补偿机运行状态。功率交换：仅向电网输出感性无功功率（P=0，Q>0）。电枢反应性质：直轴去磁电枢反应。励磁情况：为保持输出电压不变，必须增大励磁电流（过励）。二、滞后90º()时的电枢反应结论：过励运行状态的同步电机将向电网输送感性无功功率。三、滞后180º()时的电枢反应运行状态：Fa超前Ff1，处于电动机

7、运行状态。功率交换：仅从电网吸收有功功率（P<0，Q=0）。电枢反应性质：交轴电枢反应。励磁情况：正常励磁。四、超前90º()时的电枢反应运行状态：Fa与Ff1同相位。功率交换：仅向电网输出容性无功功率（P=0，Q<0）。电枢反应性质：直轴助磁电枢反应。励磁情况：为保持输出电压不变，必须减小励磁电流（欠励）。五、一般情况下的电枢反应直轴分量：交轴分量：可以把电枢电流和电枢反应磁动势分解为两个分量：直轴交轴A相相轴FaFf1E0IΨFaFaFaIII小结Ψ=0°～90°发电机P>0Q>0直轴去磁、交磁过励Ψ

8、=90°～180°电动机P<0Q>0直轴去磁、交磁过励Ψ=-90°～0°发电机P>0Q<0直轴助磁、交磁欠励Ψ=-180°~-90°电动机P<0Q<0直轴助磁、交磁欠励Fad根据角判断同步电机的运行方式1、当-90°<Ψ<90°时，Fa滞后Ff电机向电网输出有功功率------发电机2、当90°<Ψ<270°时，Fa超前Ff电机从电网吸收有功功率------电动机3、当Ψ=90°时，Fa滞后Ff180°有功为零，向电网输出感性