同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)

1、國(guó)61施晴歌極式同生電機(jī)的類型6）信極式b）凸極式6.1 同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)一、同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)按照結(jié)構(gòu)型式，同步電機(jī)可以分為 旋轉(zhuǎn)電樞式和旋轉(zhuǎn)磁極式兩類。旋轉(zhuǎn)電樞式一一 電樞裝設(shè)在轉(zhuǎn)子上，主磁極裝設(shè)在定子上。這種結(jié)構(gòu)在小容量同步電 機(jī)中得到一定的應(yīng)用。旋轉(zhuǎn)磁極式一一 主磁極裝設(shè)在轉(zhuǎn)子上，電樞裝設(shè)在定子上。對(duì)于高壓、大容量的同步電機(jī)，通常采用旋轉(zhuǎn)磁極式結(jié)構(gòu)。由于勵(lì)磁部分的容量和電壓常較電樞小得多，電刷和集電環(huán)的負(fù)載就大為減輕，工作條件得以改善。目前，旋轉(zhuǎn)磁極式結(jié)構(gòu)已成為中、大型同步電機(jī) 的基本結(jié)構(gòu)型式。在旋轉(zhuǎn)磁極式電機(jī)中，按照主極的形狀，又可分成隱極式和凸極式，如圖6-1所示。隱極

2、式一一轉(zhuǎn)于做成圓柱形，氣隙為均勻；凸極式一一轉(zhuǎn)子有明顯的凸出的磁極，氣隙為不均勻。對(duì)于高速的同步電機(jī)（3000r/min）.從轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度和妥善地固定勵(lì)磁繞組考慮，采用勵(lì)磁繞組分布于轉(zhuǎn)子表面槽內(nèi)的隱極式結(jié)構(gòu)較為可靠.對(duì)于低速電機(jī)（1000r/min及以下）,轉(zhuǎn)子的離心力較小，故采用制造 簡(jiǎn)單、勵(lì)磁繞組集中安放的凸極 式結(jié)構(gòu)較為合理。大型同步發(fā)電 機(jī)通常采用汽花機(jī)或水輪機(jī)作 為原動(dòng)機(jī)來拖動(dòng)，前者稱為汽輪 發(fā)電機(jī)，后者稱為水輪發(fā)電機(jī)。 由于汽輪機(jī)是一種高速原動(dòng)機(jī)， 所以汽輪發(fā)電機(jī)一般采用隱極 式結(jié)構(gòu)。水輪機(jī)則是一種低速原 動(dòng)機(jī)，所以水輪發(fā)電機(jī)一般都是 凸極式結(jié)構(gòu)。同步電動(dòng)機(jī)、由內(nèi) 燃機(jī)拖動(dòng)的同步發(fā)

3、電機(jī)以及同 步補(bǔ)償機(jī).大多做成凸極式，少數(shù)兩極的高速同步電動(dòng)機(jī)亦有 做成隱極式的。隱極同步電機(jī)以汽輪發(fā)電機(jī)為例來說明隱極同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)。現(xiàn)代的汽輪發(fā)電機(jī)一般都是兩極的，同步轉(zhuǎn)速為3000r/min（對(duì)50Hz的電機(jī)）。由于轉(zhuǎn)速高，所以汽輪發(fā)電機(jī)的直徑較小，長(zhǎng)度較 長(zhǎng).汽輪發(fā)電機(jī)均為臥式結(jié)構(gòu)，圖62表示一臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)的外形圖。汽輪發(fā)電機(jī)的定子由定子鐵心、定于繞組、機(jī)座、端蓋等部件組成。定子鐵心一般用厚o. 5mm的DR360硅鋼片疊成，每疊厚度為 36cm,疊與疊之間留有寬 0.81cm的通風(fēng)槽。整個(gè)鐵心用非磁性 壓板壓緊.固定在機(jī)座上。圖6-3汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子大容量汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子周速可達(dá)17

4、0-180m/so由于周速高，轉(zhuǎn)子受到極大的機(jī) 械應(yīng)力，因此轉(zhuǎn)子一般都用整塊具有良好導(dǎo) 磁性的高強(qiáng)度合金鋼鍛成.沿轉(zhuǎn)子表面約2/3部分銃有軸向凹槽，勵(lì)磁繞組就嵌放在這 些槽里；不開槽的部分組成一個(gè)“大齒”，嵌線部分和大齒一起構(gòu)成了主磁極（圖6-la）。為把勵(lì)磁繞組可靠地固定在轉(zhuǎn)子上， 轉(zhuǎn)子槽楔 采用非磁性的金屬槽楔，端部套上用高強(qiáng)度 非磁性鋼段成的護(hù)環(huán)。圖6-3表示一臺(tái)嵌完 線的汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子。由于汽輪發(fā)電機(jī)的機(jī)身比較細(xì)長(zhǎng)， 轉(zhuǎn)子 和電機(jī)中部的通風(fēng)比較困難. 所以良好的通 風(fēng)、冷卻系統(tǒng)城對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)非常重要。凸極同步電機(jī)凸極同步電機(jī)通常分為臥式（橫式）和立式兩種結(jié)構(gòu)。絕大部分同步電動(dòng)機(jī)、同步

5、補(bǔ)償機(jī)和用內(nèi)燃機(jī)或沖擊式水輪機(jī)拖動(dòng)的同步發(fā)電機(jī)都采用臥式結(jié)構(gòu)。 型水泵電動(dòng)機(jī)則采用立式結(jié)構(gòu)。臥式同步電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與感應(yīng)電機(jī)基本相同，低速、大容量的水輪發(fā)電機(jī)和大定子亦由機(jī)座、鐵心和定子繞組8 8 88等部件組成；轉(zhuǎn)子則由主磁極、磁軻、勵(lì)磁繞組、集電環(huán)和轉(zhuǎn)軸等部件組成。圖64表圖64凸極同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子機(jī)的分瓣定子。除勵(lì)磁繞組外，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子上還常裝有阻尼繞組。示一臺(tái)已經(jīng)裝配好的凸極同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子。大型水輪發(fā)電機(jī)通常都是立式結(jié) 構(gòu)。由于它的轉(zhuǎn)速低、極數(shù)多，要求 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大。故其特點(diǎn)是直徑大、長(zhǎng) 度短。在立式水輪發(fā)電機(jī)中，整個(gè)機(jī) 組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重量以及作用在水輪機(jī) 轉(zhuǎn)子上的水推力均由推力軸承支

6、撐， 并通過機(jī)架傳遞到地基上，如圖6-5所示。圖66表示一臺(tái)大型水輪發(fā)電阻尼繞組與籠型感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子的籠形繞組結(jié)構(gòu)相似， 它由插入主極極靴槽中的銅條和兩端的端環(huán)焊成一個(gè)閉合繞組。在同圖A 6龍城懶峻蛔機(jī)巔箍魂定子步發(fā)電機(jī)中，阻尼繞組起抑制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速振蕩的作用;在同步電動(dòng)機(jī)和補(bǔ)償機(jī)中，主要作為起動(dòng)繞組用。二、同步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)當(dāng)同步電機(jī)的定子 （電樞）繞組中通過對(duì)稱的 三相電流時(shí).定子將產(chǎn)生一個(gè)以同步轉(zhuǎn)速推移的旋 轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。穩(wěn)態(tài)情況下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速亦是同步轉(zhuǎn)速，于是定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)恒與直流勵(lì)磁的轉(zhuǎn)子主 極磁場(chǎng)保持相對(duì)靜止，它們之間相互作 用并產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩.進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。同 步電機(jī)有三種運(yùn)行狀態(tài)：發(fā)電機(jī)、電動(dòng)

7、機(jī)和補(bǔ)償機(jī)。發(fā)電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電 能，電動(dòng)機(jī)把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，補(bǔ)償 機(jī)中沒有有功功率的轉(zhuǎn)換，專門發(fā)出或 吸收無功功率、調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率因數(shù)。分析表明，同步電機(jī)運(yùn)行于哪一種狀 態(tài).主要取決于定子合成磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子主 磁場(chǎng)之間的夾角8 , 8稱為功率角。若轉(zhuǎn)子主磁場(chǎng)超前于定子合成磁 場(chǎng)，8 >0,此時(shí)轉(zhuǎn)于上將受到一個(gè)與其 旋轉(zhuǎn)方向相反的制動(dòng)性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩， 如圖6- 7a所示。為使轉(zhuǎn)子能以同步轉(zhuǎn) 速持續(xù)旋轉(zhuǎn).轉(zhuǎn)子必須從原動(dòng)機(jī)輸入驅(qū)麥特座子合成量場(chǎng)的舞鼓極圖5-H 同冷量機(jī)的三件運(yùn)行賊態(tài)。俎電機(jī) b）補(bǔ)密機(jī)cy電腦桃動(dòng)轉(zhuǎn)矩。此時(shí)轉(zhuǎn)子輸入機(jī)械功率，定子繞組向電網(wǎng)或負(fù)載輸出電功率，電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行。

8、若轉(zhuǎn)子主磁場(chǎng)與定子合成磁場(chǎng)的軸線重合，8=0,則電磁轉(zhuǎn)矩為零，如圖6-7b所示。此時(shí)電機(jī)內(nèi)沒有有功功率的轉(zhuǎn)換，電機(jī)處于補(bǔ)償機(jī)狀態(tài)或空載狀態(tài)。若轉(zhuǎn)子主磁場(chǎng)滯后于定子合成磁場(chǎng)，8<0,則轉(zhuǎn)子上將受到一個(gè)與其轉(zhuǎn)向相同的驅(qū)動(dòng)性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩，如圖67c所示。此時(shí)定子從電網(wǎng)吸收電功率，轉(zhuǎn)子可拖動(dòng)負(fù)載而輸出機(jī)械功率，電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。三、同步電機(jī)的勵(lì)磁方式供給同步電機(jī)勵(lì)磁的裝置，稱為勵(lì)磁系統(tǒng)。下面對(duì)它作一簡(jiǎn)介。 直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁直流勵(lì)磁機(jī)通常與同步發(fā)電機(jī)同軸，井采用并勵(lì)或他勵(lì)接法。 他勵(lì)時(shí)，勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁由另一臺(tái)與主勵(lì)磁機(jī)同軸的副勵(lì)磁機(jī)供給，如圖68所示。為使同步發(fā)電機(jī)的輸出電壓保持恒定，常在勵(lì)磁電路中

9、加進(jìn)一個(gè)反映負(fù)載大小的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使發(fā)電機(jī)的負(fù)載電流增加時(shí)，勵(lì)碰電流相應(yīng)地增大. 這 樣的系統(tǒng)稱為復(fù)式勵(lì)磁 系統(tǒng)。整流器勵(lì)磁整流器勵(lì)磁又分為靜止式和旋轉(zhuǎn)式兩種。圖6-9表不靜止整流器勵(lì)磁系統(tǒng)的原理圖。 田 中主勵(lì)磁機(jī)是一臺(tái)與同 步發(fā)電機(jī)同軸連接的三忸 6-9根據(jù)主發(fā)電機(jī)端電壓的偏差和負(fù)載大小，通過電壓調(diào)整器對(duì)主勵(lì)磁相100Hz發(fā)電機(jī)，其交 流輸出經(jīng)靜止三相橋式 不可控整流器整流后， 通過集電環(huán)接到主發(fā)電 機(jī)的勵(lì)磁繞組，供給其 直流勵(lì)磁；主勵(lì)磁機(jī)的 勵(lì)磁由交流副勵(lì)磁機(jī)發(fā) 出的交流電經(jīng)靜止可控 整流器整流后供給。副 勵(lì)磁機(jī)是一臺(tái)中頻三相 同步發(fā)電機(jī)（有時(shí)采用 永磁發(fā)電機(jī)）,它也與主 發(fā)電機(jī)同軸連

10、接。副勵(lì) 磁機(jī)的勵(lì)磁，開始時(shí)由 外部直流電源供給，待 電壓建起后再轉(zhuǎn)為自勵(lì)。機(jī)的勵(lì)磁進(jìn)行調(diào)節(jié)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁的自動(dòng)調(diào)節(jié)。由于取消了直流勵(lì)磁機(jī)，這種勵(lì)磁系統(tǒng)維護(hù)方便，勵(lì)磁容量得以提高，因而在大容量汽 輪發(fā)電機(jī)中獲得廣泛的應(yīng)用。當(dāng)勵(lì)磁電流超過 2000A時(shí)，為避免集電環(huán)的過熱，可采用取消集電環(huán)的旋轉(zhuǎn)整流器勵(lì)磁系統(tǒng)。此系統(tǒng)的主勵(lì)磁機(jī)是與主發(fā)電機(jī)同軸連接的旋轉(zhuǎn)電樞式三相同步發(fā)電機(jī)，電樞的交流輸出經(jīng)與主軸一起旋轉(zhuǎn)的不可控整流器整流后，直接送到主發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組， 供給其勵(lì)磁。因?yàn)橹鲃?lì)磁機(jī)的電樞，整流裝置與主發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組三者為同軸旋轉(zhuǎn)，不再需要集電環(huán)和電刷裝置，所以這種系統(tǒng)又稱為無刷勵(lì)磁系

11、統(tǒng).無刷勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行比較可靠，這種系統(tǒng)大多用于大、中容量的汽輪發(fā)電機(jī)、補(bǔ)償機(jī)以及 在防燃、防爆等特殊環(huán)境中工作的同步電動(dòng)機(jī)。在小型同步發(fā)電機(jī)中，還經(jīng)常采用具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和具有自勵(lì)恒壓等特點(diǎn)的三次諧波勵(lì)磁、電抗移相勵(lì)磁等勵(lì)磁方式。四、額定值同步電機(jī)的額定值有(1)額定容Sn(或額定功率Pn)指額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的輸輔出功率。同步發(fā)電機(jī)的額定容量既可用視在功率表示，亦可用有功功率表示；同步電動(dòng)機(jī)的額定功率是指軸上輸出的機(jī)械功率；補(bǔ)償機(jī)則用無功功率表示。(2)額定電壓Un指額定運(yùn)行時(shí)定子的線電壓。(3)額定電流In指額定運(yùn)行時(shí)定子的線電流。(4)額定功率因數(shù)cos 指額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的功率因數(shù)。(5)額定頻

12、率fN指額定運(yùn)行時(shí)電樞的頻率。我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)工頻規(guī)定為50Hz。(6)額定轉(zhuǎn)速nN指額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，對(duì)同步電機(jī)而言，即為同步轉(zhuǎn)速。除上述額定值以外，銘牌上還常常列出一些其他的運(yùn)行數(shù)據(jù)，例如額定負(fù)載時(shí)的溫升On,額定勵(lì)磁電流和電壓 IfN、UfN等。6.2 空載和負(fù)載時(shí)同步發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)一、空載運(yùn)行用原動(dòng)機(jī)施動(dòng)同步發(fā)電機(jī)到同步轉(zhuǎn)速，勵(lì)磁繞組通入直流勵(lì)磁電流，電樞繞組開路 (或 電樞電流為零)的情況，稱為同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行?？蛰d運(yùn)行時(shí)，同步電機(jī)內(nèi)僅有由勵(lì)磁電流所建立的主極磁場(chǎng)。 圖6-l0表示一臺(tái)四極電 機(jī)空載時(shí)的磁通示意圖。從圖可見，主極磁通分成主磁通 勤和漏磁通 。兩部分，前者通 過氣隙并與定

13、子繞組相交鏈， 后者不通過氣隙， 僅與勵(lì)磁繞組相交鏈。 主磁通所經(jīng)過的主磁 路包括空氣隙、電樞齒、電樞軻、磁極極身和轉(zhuǎn)子軻等五部分。當(dāng)轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，主磁場(chǎng)將在氣隙中形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，它“切割”對(duì)稱的三相定子繞組后，就會(huì)在定子繞組內(nèi)感應(yīng)出一組頻率為f的對(duì)稱三相電動(dòng)勢(shì)，稱為激磁電動(dòng)勢(shì)，(6-1)E0A E0 00E0AE01200 E0A E0 120°忽略高次諧波時(shí)， 激磁電動(dòng)勢(shì)(相電動(dòng)勢(shì))的有效值Eo=4.44fN1kw1(D0,其中0為每極的主磁 通量。這樣，改變直流勵(lì)磁電流 If,便可得到不同的主磁通 (D0o和相應(yīng)的激磁電動(dòng)勢(shì) E0,從而得到空載特性 E0=f(lf),

14、如圖6-11所示?？蛰d特性是同步電機(jī)的一條基本特性。空載曲線的下部是一條直線，與下部相切的直線稱為氣隙線。隨著0的增大，鐵心逐漸飽和，空載曲線就逐漸彎曲。二、對(duì)稱負(fù)載時(shí)的電樞反應(yīng)同步發(fā)電機(jī)帶上對(duì)稱負(fù)載后，電樞繞組中將流過對(duì)稱三相電流，此時(shí)電樞繞組就會(huì)產(chǎn)生電樞磁動(dòng)勢(shì)及相應(yīng)的電樞磁場(chǎng)，其基波與轉(zhuǎn)子同向、同速旋轉(zhuǎn)。負(fù)載時(shí)，氣隙內(nèi)的磁場(chǎng)由電樞磁動(dòng)勢(shì)和主極磁動(dòng)勢(shì)共同作用產(chǎn)生，電樞磁動(dòng)勢(shì)的基波在氣隙中所產(chǎn)生的磁場(chǎng)就稱為電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)的性質(zhì)(增磁、去磁或交磁)取決于電樞磁動(dòng)勢(shì)和主磁場(chǎng)在空間的相對(duì)位置。 分析表明，此相對(duì)位置取決于激磁電動(dòng)勢(shì)E0和扭載電流l之間的相角差 30(9稱為內(nèi)功率因數(shù)角)。下面分成

15、兩種情況來分析。l與E0同相時(shí)圖612a表示一臺(tái)兩極同步發(fā)電機(jī)的示意圖。為簡(jiǎn)明計(jì)，圖中電樞繞組每相用一個(gè)集中線圈來表示，E。和I的正方向規(guī)定為從繞組首端流出，從尾端流入.在圖 612a所示瞬間，主極軸線與電樞 A相繞組的軸線正交， A相鏈過的主磁通為零；因?yàn)殡妱?dòng)勢(shì)滯后于感ffi 6-12曲時(shí)間步裳電機(jī)的電樞反應(yīng)。定于融世內(nèi)的電。外，電詵和鞋前勢(shì)的空同矢量用對(duì)間相圖 G圖-空統(tǒng)一矢，陽d)氣瞅合直掩結(jié)與主班埔的栩巽位生它的磁通90° ,故A相激磁電動(dòng)勢(shì)E 0A的瞬時(shí)值達(dá)到正的最大值，其方向如圖中所示(從X入，從A出)；B、C兩相的激磁電動(dòng)勢(shì)E°b,和Eoc分別滯后于Eoa以1

16、20。和240。， 如圖612b所示。設(shè)電樞電流I與激磁電動(dòng)勢(shì)Eo同相位，即內(nèi)功率因數(shù)角%=0° ,則在圖示瞬間，A相電流亦將達(dá)到正的最大值，B相和C相電流分別滯后于 A相電流以120°和240° ,如圖6-12b 中所示。從第四章中得知，在對(duì)稱三相繞組中通以對(duì)稱三相電流時(shí)，若某相電流達(dá)到最大值，則在同一瞬間，三相基波合成磁動(dòng)勢(shì)的幅值將與該相繞相的軸線重合。因此在圖612a所示瞬間，基波電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa,的軸線應(yīng)與A相繞組軸線和轉(zhuǎn)子交軸重合。由于Fa與轉(zhuǎn)子均以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，所以在其他瞬間，F(xiàn)a的軸線恒與轉(zhuǎn)于交軸重合。由此可見，30=0。時(shí)，F(xiàn)a是一個(gè)交軸磁動(dòng)勢(shì)。即F

17、a(90=0 )= Faq(6-2)交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)所產(chǎn)生的電樞反應(yīng)稱為交軸電樞反應(yīng)。由于交軸電樞反應(yīng)，使氣隙合成磁場(chǎng)B與主磁場(chǎng)B0在空間形成一定的相角差，如圖 6-1 2d所示。對(duì)于同步發(fā)電機(jī)，當(dāng) 甲0=0。時(shí)，主磁場(chǎng)將超前于氣隙合成磁場(chǎng)，于是主極上 將受到一個(gè)制動(dòng)性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩。所以交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)與產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩及能量轉(zhuǎn)換直接相 關(guān)。從圖6-12a和b可見，用電角度表示時(shí)，主磁場(chǎng)B0與電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa之間的空間相位關(guān)系，恰好與鏈過 A相的主磁通中 0A與A相電流1A之間的時(shí)間相位關(guān)系相一致，且圖 a 的空間矢量與圖b的時(shí)間相量均為同步旋轉(zhuǎn)。于是，若把圖b中的時(shí)間參考軸與圖 a中A相繞組的軸線取為

18、重合(例如均取為水平),就可以把圖a和圖b合并，得到一個(gè)時(shí)-空統(tǒng)一矢量 圖，如圖c所示。由于三相電動(dòng)勢(shì)和電流均為對(duì)稱，所以在統(tǒng)一矢量圖中，僅畫出A相一相的激磁電動(dòng)勢(shì)、電流和與之匝鏈的主磁通，并把下標(biāo)A省略，寫成E。、1和。在統(tǒng)一矢量圖中，F(xiàn)f既代表主極基波磁動(dòng)勢(shì)的空間矢量，亦表示時(shí)間相量 0的相位；1既代表A相電流相量，又表示電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa的空間相位。I與E0不同相時(shí)下面進(jìn)一步分析I與E0不同相時(shí)的情況。 在圖613a所示瞬間，A相繞組的激磁電動(dòng) 勢(shì)E0達(dá)到正的最大值。若電樞電流滯后于激磁電動(dòng)勢(shì)某一相角皿(90° >0>0° ),則A相電流在經(jīng)過t=W0/1這段

19、時(shí)間后才達(dá)到其正的最大值；換言之，在t=W0/3l秒后，電樞磁動(dòng)勢(shì)的幅值才與 A相繞組軸線重合。所以在圖613a所示瞬間，電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa應(yīng)在距離 A相軸線W0電角度處，即Fa滯后于主極磁動(dòng)勢(shì) Ff以90° +W0電角度。由于Fa與Ff同向、 同速旋轉(zhuǎn)，所以它們之間的相對(duì)位置將始終保持不變。不難看出，此時(shí)Fa可以分成兩個(gè)分量，一為交軸電樞磁動(dòng)勢(shì) Faq另一為直軸電樞磁動(dòng)勢(shì) Fad,即Fa=F aq+F aq(6 3)其中Fad=Fasin W,Faq=FaCOS 農(nóng)(6-4)交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)所產(chǎn)生的交軸電樞反應(yīng)，其作用已在前面說明。 直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)所產(chǎn)生的直軸電樞反應(yīng)，對(duì)主極而言，其作用

20、可為去磁，亦可為增磁，視乎0角的正、負(fù)而定。從圖 6 13b和c不難看出，對(duì)于同步發(fā)電機(jī)，若電樞電流I滯后于激磁電動(dòng)勢(shì) E0,則直軸電樞反 應(yīng)是去磁性；若I超前于E0,直軸電樞反應(yīng)將是增磁性。直軸電樞反應(yīng)對(duì)同步電機(jī)的運(yùn)行 性能影響很大。若同步發(fā)電機(jī)單獨(dú)供電給一組負(fù)載，則負(fù)載以后，去磁或增磁性的直軸電樞反應(yīng)將使氣隙內(nèi)的合成磁通減少或增加，從而使發(fā)電機(jī)的端電壓產(chǎn)生變動(dòng)。如果發(fā)電機(jī)接在電網(wǎng)上，從6.8節(jié)可知，其無功功率和功率因數(shù)是超前還是滯后與直軸電樞反應(yīng)的性質(zhì)密切 相關(guān)。A杷鼎盤用6T4障根同步線電機(jī)負(fù)截時(shí)的磁防分布再把氣隙電動(dòng)勢(shì)E減去電樞繞組的電阻壓降I Ra和漏抗壓降j I X （X。為電樞繞

21、組的漏電 抗），便得電樞繞組的端電壓 U。采用發(fā)電機(jī)慣例，以輸出電流作為電樞電流的正方向時(shí)，J，海后于酎的空崗生圖bj il1后氤時(shí)的it-空一矢國(guó) 7 JBH音”時(shí)的計(jì)空統(tǒng)一失附圖6-14表示負(fù)載時(shí)隱極同步發(fā)電機(jī)內(nèi)的磁場(chǎng)分布圖。6.3隱極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程、相量圖和等效電路上面分析了負(fù)載時(shí)同步發(fā)電機(jī)內(nèi)部的磁場(chǎng)。在此基礎(chǔ)上，即可導(dǎo)出隱極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程，并回出相應(yīng)的相量圖和等效電路。一、不考慮磁飽和時(shí)同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，除了主極磁動(dòng)勢(shì)Ff之外，還有電樞磁動(dòng)勢(shì) Fa。如果不計(jì)磁飽和（即認(rèn)為磁路為線性）,則可應(yīng)用疊加原理，把 Ff和Fa的作用分別單獨(dú)考慮，再把它們的 效果疊加起來。設(shè)Ff和

22、Fa各自產(chǎn)生主磁通 0和電樞磁通 a ,并在定子繞組內(nèi)感應(yīng)出相應(yīng) 的激磁電動(dòng)勢(shì)Eo和電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì) Ea,把E。，和Ea相量相力口，可得電樞一相繞組的合成 電動(dòng)勢(shì)E （亦稱為氣隙電動(dòng)勢(shì)）。上述關(guān)系可表示為： 國(guó)腳Ktr肘同步犍電機(jī)的電樞反應(yīng)9主極It f用faf £o電樞/f凡f屁f良電樞的電壓方程為E0 Ea I(Ra jX ) U因?yàn)殡姌蟹磻?yīng)電動(dòng)勢(shì)Ea正比于電樞反應(yīng)磁通a不計(jì)磁飽和時(shí),（6 5）a又正比于電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa和電樞電流I,即Eaa Fa I因此Ea正比于I；在時(shí)間相位上，Ea滯后于©,以900電角度，若不計(jì)定子鐵耗，©,與1 同相位，則E滯后于I以9

23、0。電角度。于是£2亦可寫成負(fù)電抗壓降的形式，即Ea jIXa（6-6）式中，Xa是與電樞反應(yīng)磁通相應(yīng)的電抗，稱為電樞反應(yīng)電抗。將式（6 6）代人式（65）,經(jīng)過整理，可得(6-7)Eo U IRa jIX jIXa U IRa jIXs式中，Xs稱為隱極同步電機(jī)的同步電抗，X s=X a+X a,它是對(duì)稱穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)表征電樞反應(yīng)和電樞漏磁這兩個(gè)效應(yīng)的一個(gè)綜合參數(shù)。不計(jì)飽和時(shí)，Xs是一個(gè)常值。圖615a和b表示與式（6 5）和式（67）相對(duì)應(yīng)的相量圖，圖6 15c表示與式（67）相應(yīng)的等效電路。從圖615c可以看出，隱極同步發(fā)電機(jī)的等效電路由激磁電動(dòng)勢(shì)Eo和同步阻抗Ra+jXs串聯(lián)組成

24、，其中E0表示主磁場(chǎng)的作用，Xs表示電樞反應(yīng)和電樞漏磁場(chǎng)的作用。用6-JS酹俄同步發(fā)電機(jī)的物圉和等效電題 和b）用圖c）等就電踣考慮磁飽和時(shí)考慮磁飽和時(shí)，由于磁路的非線性，疊加原理不再適用。此時(shí)，應(yīng)先求出作用在主磁路上的合成磁動(dòng)勢(shì) F,然后利用電機(jī)的磁化曲線（空載曲線）求出負(fù)載時(shí)的氣隙磁通 及相應(yīng)的氣隙電動(dòng)勢(shì)E,即再?gòu)臍庀峨妱?dòng)勢(shì) E減去電樞繞組的電阻和漏抗壓降，使得電樞的端電壓U,即E I（Ra jX ） U陽6 16號(hào)麻照和時(shí)血被同步發(fā)電機(jī)的和圖G電動(dòng)力“曾動(dòng)揚(yáng)國(guó)b）由合成動(dòng)號(hào)Fit定，*電動(dòng)E或 相應(yīng) 的矢 量 圖、 相量 圖和 FE 間的 關(guān)系 如圖 6 16a 和b 所 示。 圖6-1

25、6a 中既 有電動(dòng)勢(shì)相量，又有磁動(dòng)勢(shì)矢量.故稱為電動(dòng)勢(shì)一磁動(dòng)勢(shì)圖。這里有一點(diǎn)需要注意，通常的磁化曲線習(xí)慣上用勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff的幅值（對(duì)隱極電機(jī)，勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)為一梯形波， 如圖617所示）或勵(lì)磁電流 值作為橫坐標(biāo)，而電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa的幅值則是基波的幅值，因此在Ff和Fa矢量相加時(shí)，需要把基波電樞磁動(dòng) 勢(shì)Fa乘上換算系數(shù)ka以換算為等效梯形波的作用。ka的意義為，產(chǎn)生同樣大小的基波氣隙磁場(chǎng)時(shí)，一安匝 的電樞磁動(dòng)勢(shì)相當(dāng)于多少安匝的梯形波主極磁動(dòng)勢(shì)。通常 ka- 0.93-1.03?？紤]飽和效應(yīng)的另一種方法是，通過運(yùn)行點(diǎn)將磁 化曲線線性化，并找出相應(yīng)的同步電抗飽和值Xs（飽和）。弓I,把問題化作線性問題來處

26、理。6.4凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程和相量圖圖6-17汽輪發(fā)電機(jī)主板破動(dòng)勢(shì)的分布凸極同步電機(jī)的氣隙沿電樞圓周是不均勻的，因此在定量分析電樞反應(yīng)的作 用時(shí)，需要應(yīng)用雙反應(yīng)理論。一、雙反應(yīng)理論凸極同步電機(jī)的氣隙是不均勻的，極面下氣隙較小，兩極之間氣隙較大，故直軸下單 位面積的氣隙磁導(dǎo)入d （入d=科0/入d）要比交軸下單位面積的氣隙磁導(dǎo)入q （入q=科0/入q）大很多，如圖618a所示。當(dāng)正弦分布的電樞磁動(dòng)勢(shì)作用在直軸上時(shí)，由于入 d較大，故在 一定大小的磁動(dòng)勢(shì)下，直軸基波磁場(chǎng)的幅值 Bad1相對(duì)較大。當(dāng)同樣大小的磁動(dòng)勢(shì)作用在交軸 上時(shí)，由于入q較小，在極間區(qū)域，交軸電樞磁場(chǎng)出現(xiàn)明顯下凹，相對(duì)來講，

27、基波幅值Baq1將顯著減小，如圖618c中所示。一般情況下，若 電樞磁動(dòng)勢(shì)既不在直軸、亦不在交軸而是在空間任 意位置處，可把電樞磁動(dòng)勢(shì)分解成直軸和交軸兩個(gè) 分量（如圖6- 18b）,再用對(duì)應(yīng)的直軸磁導(dǎo)和交軸磁 導(dǎo)分別算出直軸和交軸電樞反應(yīng)，最后把它們的效 果疊加起來。這種考慮到凸極電機(jī)氣隙的不均勻性， 把電樞反應(yīng)分成直軸和交軸電樞反應(yīng)分別來處理的 方法，就稱為雙反應(yīng)理論。實(shí)踐證明，不計(jì)磁飽和 時(shí)，這種方法的效果是令人滿意的。在凸極電機(jī)中，直軸電樞磁動(dòng)勢(shì) Fad和交軸電樞 磁動(dòng)勢(shì)Faq,換算到勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)時(shí)，分別應(yīng)乘以直軸 和父軸換算系數(shù)kad和kaq。二、凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程和相量圖不計(jì)磁飽

28、和時(shí)，根據(jù)雙反應(yīng)理論，把電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa分解成直軸和交軸磁動(dòng)勢(shì)Fad、Faq ,分別求出其所產(chǎn)生的直軸、交軸電樞磁通 ad、aq和電樞繞組中相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)Ead、Eaq, 再與主磁通 。所產(chǎn)生的激磁電動(dòng)勢(shì) Eo相量相加，便得一相繞組的合成電動(dòng)勢(shì) E （通常稱為 氣隙電動(dòng)勢(shì)）。上述關(guān)系可表示如下：再?gòu)臍庀峨妱?dòng)勢(shì)云減去電樞繞組的電阻和漏抗壓降，便得電樞的端電壓U.采用發(fā)電機(jī)慣例，電樞的電壓方程為Eo Ead Eaq I (RajX ) U(6-9)與隱極電機(jī)相類似，由于Ead和Eaq分別正比于相應(yīng)的ad、 aq，不計(jì)磁飽和時(shí),ad和aq又分別正比于Fad、Faq,而Fad、Faq又正比于電樞電流的直軸

29、和交軸分量 Id、Iq 于是可得Ead Id Ead Id這里Iad=IsinIaq=IcOS也在時(shí)間相位上，不計(jì)定于鐵耗時(shí)，E ad和E即分別滯后于1d%以90。電角度，所以Ead和Eaq可以用相應(yīng)的負(fù)電抗壓降來表示,Ead jIdXad式中，Xad稱為直軸電樞反應(yīng)電抗;并考慮到11d I ,可得E0 UIRajIXEaqjIqXaqXaq稱為交軸電樞反應(yīng)電抗。將式j(luò)IdXad jIqXaq(610)(610)代入式(69),UIRajId(X Xad)jIq(X Xaq)UIRajIdXdjIqXq(611)tfl 619凸根同城發(fā)電機(jī)的相量幅式中，Xd和Xq分別稱為 直軸同步電抗 和交

30、軸同步電抗，它們是表征對(duì)稱穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí) 電樞漏磁和直軸或交軸電樞反應(yīng)的一個(gè)綜 合參數(shù)。式(611)就是凸極同步發(fā)電機(jī)的 電壓方程。圖619表示與式(611)相對(duì) 應(yīng)的相量圖。要畫出圖619所示相量圖，除需給 定端電壓U、負(fù)載電流I、功率因數(shù)角 c0s 以及電機(jī)的參數(shù) Ra、Xd和Xq之 外，必須先把電樞電流分解成直軸和交軸 兩個(gè)分量,為此須先確定 W0角。引入虛擬 電 動(dòng) 勢(shì)Eq, 使Eq Eo jId(Xd Xq)市徨Eq(UI RajIdXd jlqXq)jId(Xd Xq) U IRajIXq(6 12)因?yàn)橄嗔?d與Eo相垂直，故jId(XdXq)必與Eo同相位，因此Eq與Eo亦是同相位

31、,如圖6-20所示。將端電壓U沿著I和垂直于I的方向分成U sin甲和Ucon兩個(gè)分量, 由圖6-20不難確定U sin IX q 0 arctan(613)引入虛擬電動(dòng)勢(shì) Eq后，由式(6 12)可得凸極同步發(fā)電機(jī)的等效電路，如圖621所示。此電路在計(jì)算凸極同步電機(jī)的運(yùn)行問題時(shí)常常用至LU cosIRa三、直軸和交軸同步電抗的意義由于電抗與繞組匝數(shù)的平方和所經(jīng)磁路的磁導(dǎo)成正比，所以Xd Ni2 d XqNi2 q式中，Ni為電樞每相的串聯(lián)匝數(shù);d和q為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)直軸和交軸的電樞等效磁導(dǎo)。d adq aq，其中 ad和aq為直軸和交軸電樞反應(yīng)磁通所經(jīng)磁路的磁導(dǎo),為電樞漏磁通所經(jīng)磁路的磁導(dǎo)；如圖

32、6-22所示。對(duì)于凸極電機(jī)，由于直軸下的氣隙較交軸下小，ad> aq ,所以Xad>Xaq,因此在凸極同步電機(jī)中，Xd>Xq。對(duì)于隱極電機(jī)，由于氣隙是均勻的，故XdXq«Xso中"(2)七(4)圖6-22 凸理同步電機(jī)電限反應(yīng)磁通及漏磁通所經(jīng)磁路及其磁導(dǎo)G直軸電樞磁導(dǎo)b類釉包根磁號(hào)臺(tái)凸極同步發(fā)電機(jī)，其直軸和交軸同步電抗的標(biāo)幺值為*Xd 1.0*Xq 0.6,電樞電阻略去不計(jì)， 試計(jì)算該機(jī)在額定電壓、*激磁電動(dòng)勢(shì)的標(biāo)幺值 E0(不計(jì)I和)。解以端電壓作為參考相量額定電流、cos0.8(滯后)時(shí)0036.870一*虛擬電動(dòng)勢(shì)Eq為*EqUjl*Xq1 j0.6

33、36.87° 1.442 19.44°即8角為19. 44° ,19.44036.870 56.310電樞電流的直軸、交軸分量和激磁電動(dòng)勢(shì)分別為.*. *I d I sin 00.8321 I q I cos 00.5547E0EQ Id(Xd X；) 1.442 0.8321(1 0.6) 1.7756.5同步發(fā)電機(jī)的功率方程和轉(zhuǎn)矩方程一、功率方程和電磁功率功率方程若轉(zhuǎn)子勵(lì)磁損耗由另外的直流電源供給，則發(fā)電機(jī)軸上輸入的機(jī)械功率Pi扣除機(jī)械損耗P和定子鐵耗PFe后，余下的功率將通過旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和電磁感應(yīng)的作用，轉(zhuǎn)換成定 子的電功率，所以轉(zhuǎn)換功率就是電磁功率Pe,即R

34、p PFePe(6-14)pCuaP2再?gòu)碾姶殴β蔖e中減去電樞銅耗Pcua可得電樞端點(diǎn)輸出的電功率P2；即, 2 、 一式中，PcuamI RaF2同步發(fā)電機(jī)的功率方程.電磁功率 從式(615)可知,mUI cos電磁功率,m為定子相數(shù)。式 (6-14)和式(6-15)就是Pe由圖623可見U cosmUI cosIRa E cosPe為.2mI Ra mI (U cosIRa)EqCOS 0,故同步電機(jī)的電磁功率亦可寫成PemEI cosmEQ I cos 0(616)(615)式中， 是E與I的夾角。上式的第一部分與感應(yīng)電機(jī)的電磁功率表達(dá)式相同，第二部分則是同步電機(jī)常用的。對(duì)于隱極同步電

35、機(jī)，由于Eq=E0,故有Pe mE0I cos 0(617)圖63從相量圖導(dǎo)出 卡IR.式（6-16）表明，要進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，電樞電流 中必須要有交軸各量 Iq。在6.2節(jié)中已經(jīng)說明，在 發(fā)電機(jī)中，交軸電樞反應(yīng)使主極磁場(chǎng)超前于氣隙合 成磁場(chǎng)，使主極上受到一個(gè)制動(dòng)性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩； 在旋轉(zhuǎn)過程中，原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩克服制動(dòng)的電磁 轉(zhuǎn)矩而作功，同時(shí)通過電磁感應(yīng)在電樞繞組內(nèi)產(chǎn)生 電動(dòng)勢(shì)并向電網(wǎng)送出有功電流，使機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電 能。在圖619中，激磁電動(dòng)勢(shì)E0與端電壓U之 間的夾角8稱為功率角。不難看出，Iq愈大，交軸電樞反應(yīng)愈強(qiáng)，功率角8就愈大；8愈大，在一定 的范圍內(nèi)，電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率亦愈大。二、轉(zhuǎn)矩方

36、程把功率方程（614）除以同步角速度s,可得轉(zhuǎn)矩方程Ti To Ti 式中，工為原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩， PPFeI 0 轉(zhuǎn)矩，s 。6.6同步電機(jī)參數(shù)的測(cè)定為了計(jì)算同步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能，除需知道電機(jī)的工況（端電壓、電樞電流和功率因數(shù)等），還應(yīng)給出同步電機(jī)的參數(shù)。下面說明穩(wěn)態(tài)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)確定法。一、用空載特性和短路特性確定Xd空載特性可以用空載試驗(yàn)測(cè)出。試驗(yàn)時(shí)，電樞開路（空載），用原動(dòng)機(jī)把被試同步電機(jī)拖動(dòng)到同步轉(zhuǎn)速，改變勵(lì)磁電流If,并記取相應(yīng)的電樞端電壓Uo （空載時(shí)即等于 Eo,直到U0=1.253左右，可得空載特性曲線E0f（If）。短路特性可由三相穩(wěn)態(tài)短路試驗(yàn)測(cè)得，試驗(yàn)線路如圖1-24a所示。將

37、被試同步電機(jī)的電樞端點(diǎn)三相短路，用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)被試電機(jī)到同步轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流If使電樞電流I從零起一直增加到1.2In左右，便可得到短路特性曲線1f（If）,如圖6 24b所示。短路時(shí)，端電壓 U = 0,短路電流儀受電機(jī)本身阻抗的限制。通常電樞電阻遠(yuǎn)小于同步電抗，因此短路電流可認(rèn)為是純感性，此時(shí)電樞磁動(dòng)勢(shì)接近于純?nèi)ゴ判缘闹陛S磁(6-18)P1s ; Pe為電磁轉(zhuǎn)矩,Te烏s ; T。為發(fā)電機(jī)的空載n如Nt恃性ffl 6-24 三相矩踣試電和羯踣粉性G期踏試*卷找圖爆映將批勢(shì)，因而電機(jī)的磁路處于不飽和狀態(tài),路時(shí),090°,故1 q 0? I故短路特性是一條直線，如圖1d，而624b

38、所不'。所以EoUI RajIdXd jIqXq jIXd(6-19)Xd(6-20)EoI因?yàn)槎搪吩囼?yàn)時(shí)磁路為不飽和，所以這里的Eo （每相值）應(yīng)從氣隙線上查出，如圖 625所示，求出的Xd值為不飽和值。察霾掙件短路恃性6-25用空戳和短器特性來桶定箱M小IS 6*26 Xioz的瑞定Xd的飽和值與主磁路的飽和情況有關(guān)。主磁路的飽和程度取決于實(shí)際運(yùn)行時(shí)作用在主磁路 上的合成磁動(dòng)勢(shì)，因而取決于相應(yīng)的氣隙電動(dòng)勢(shì)；如果不計(jì)漏阻抗壓降， 則可近似認(rèn)為取決于電樞的端電壓，所以通常用對(duì)應(yīng)于額定電壓時(shí)的Xd值作為其飽和值。為此，從空載曲線上查出對(duì)應(yīng)于額定端電壓 Un時(shí)的勵(lì)磁電流If0 ,再?gòu)亩搪诽?/p>

39、性上查出與該勵(lì)磁電流相應(yīng)的短路電流I',如圖626所示，這樣即可求出X d （飽和）Xd（飽和）。Un(6 -21)式中，Un為額定相電壓。對(duì)于隱極同步電機(jī),Xd就是同步電抗Xs。例6 2有一臺(tái)25000kW、10.5kV（星形聯(lián)結(jié)）、C0S N0.85 （滯后）的汽輪發(fā)電機(jī)，從其空載、短路試驗(yàn)中得到下列數(shù)據(jù)，試求同步電抗。從空載特性上查得：相電壓 U10.5/J3kV時(shí)，If0=155A;從短路特性上查得:從氣隙線上得查得:解從氣隙線上查出,I=In=1718A 時(shí)，Ifk = 280A;If = 280A 時(shí)，U 22.41 反kVoIf=280A時(shí)，激磁電動(dòng)勢(shì)E022400/、312930在同一勵(lì)磁電流下，由短路特性查出，短路電流Xd(即 Xs)I = 1718A;所以同步電抗為129302.1331718用標(biāo)幺值計(jì)算時(shí),*EoEoUn22.41052.133從空載和短路特性可知,X* 詢,1_X d （飽和） *I'I fO / I fkfk(I In)1 f 0(U UN )