第16章同步電機基本電磁關系(10)-5-29

1、教學目的：教學目的： 從第從第1313、1414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磁場存在。旋轉磁場存在。 兩個旋轉磁場共同作用下實現(xiàn)能量轉換。兩個旋轉磁場共同作用下實現(xiàn)能量轉換。 本章研究在這兩個磁場作用下電端口的電壓、本章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。電流之間的關系，建立基本方程，得到等效電路。 在第在第1313章研究電勢的問題是假設已知章研究電勢的問題是假設已知磁密波形磁密波形. . 本章進一步從產(chǎn)生磁密的根本章進一步從產(chǎn)生磁密的根源源-磁動勢的角度進行研究。磁動勢的角度進行研究。主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：1 1）空載

2、運行（勵磁磁場單獨存在）分析，時空）空載運行（勵磁磁場單獨存在）分析，時空相相- -矢量圖矢量圖2 2）電樞反應：電樞磁場對勵磁磁場的影響）電樞反應：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l1 1） 從實例看電樞磁場在能量轉換中的作用從實例看電樞磁場在能量轉換中的作用 從同步電從同步電動機模型理解動機模型理解電樞磁場在能電樞磁場在能量轉換中的作量轉換中的作用：用： 電樞的旋電樞的旋轉磁場的磁極轉磁場的磁極代替手動磁鐵代替手動磁鐵的驅(qū)動作用。的驅(qū)動作用。電樞的旋轉磁場的磁極代替手動磁鐵的驅(qū)

3、動作用。電樞的旋轉磁場的磁極代替手動磁鐵的驅(qū)動作用。 2 2）從同步發(fā)電機能量轉換關系理解電樞磁場）從同步發(fā)電機能量轉換關系理解電樞磁場在能量轉換中的作用在能量轉換中的作用空載運行：當原動機帶動發(fā)電機在同步轉速空載運行：當原動機帶動發(fā)電機在同步轉速下運行，勵磁繞組流過適當?shù)膭畲烹娏?，電下運行，勵磁繞組流過適當?shù)膭畲烹娏?，電樞繞組不帶任何負載時的運行情況。樞繞組不帶任何負載時的運行情況。 當勵磁繞組中通入直當勵磁繞組中通入直流電流后，產(chǎn)生隨轉子一流電流后，產(chǎn)生隨轉子一起旋轉的磁動勢，稱為勵起旋轉的磁動勢，稱為勵磁磁動勢。因為它隨轉子磁磁動勢。因為它隨轉子一起轉動，從定子上看，一起轉動，從定子上看

4、，它也是一個旋轉磁動勢，它也是一個旋轉磁動勢，所以同電樞繞組磁動勢的所以同電樞繞組磁動勢的分析方法一樣。分析方法一樣。 A AX XB BC CY Yz z00+A+ASN000+A+A對比閉合回路對比閉合回路1-51-5的氣隙磁的氣隙磁勢勢( (定子內(nèi)圓定子內(nèi)圓到轉子表面的到轉子表面的磁壓降磁壓降) )：彼此相等！忽彼此相等！忽略鐵心磁壓降略鐵心磁壓降都等于都等于12ffNi0000+A+Af+A012fffFNi1fF0+A+A14ffffFFk F4fkfk+A+A2ffN i根據(jù)前面分析在根據(jù)前面分析在 范圍磁勢為正。幅值范圍磁勢為正。幅值2基波幅值基波幅值12fffFN i 1 12

5、 23 30 0 f=5Nf=5NK KI / 2f=3Nf=3NK KI / 2f=Nf=NK KI / 2回路回路1 1氣隙磁勢：氣隙磁勢：回路回路2 2：回路回路3 3：認識大齒認識大齒電流方向電流方向N N、S S極區(qū)域極區(qū)域看大圖看大圖k k0 0FsFsF FmF Fb b12fffFN I 1fffFk Ff+A01fF1fF001fFA AX XB BC CY Yz z+A+ASN1fF00A AX XB BC CY Yz z+A+ASN1fF分析勵磁磁動勢基波矢量的特點分析勵磁磁動勢基波矢量的特點勵磁磁動勢基波矢量與轉子軸線重合，勵磁磁動勢基波矢量與轉子軸線重合，與轉子同速旋

6、轉與轉子同速旋轉1fF+A3f01fF1fFA AX XB BCYz00SN+A1fffFk F1fF1fF2) 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，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。 正弦波磁動勢正弦波磁動勢1fF0B兩者空間相位相同。兩者空間相位相同。產(chǎn)生正弦波磁密產(chǎn)生正弦波磁密1

7、 1）隱極機基波氣隙磁密）隱極機基波氣隙磁密 +A+A1fF0B+A+A1fF0B分析：正弦波磁勢產(chǎn)生同分析：正弦波磁勢產(chǎn)生同相位正弦波磁密的條件：相位正弦波磁密的條件： 忽略轉子槽開口的影忽略轉子槽開口的影響，認為氣隙均勻；忽略響，認為氣隙均勻；忽略鐵心飽和，氣隙磁密與磁鐵心飽和，氣隙磁密與磁動勢成正比；于是均為正動勢成正比；于是均為正弦。弦。 忽略鐵心的磁滯渦流忽略鐵心的磁滯渦流效應，得到相同相位效應，得到相同相位磁勢磁勢2 2）凸極機基波氣隙磁密）凸極機基波氣隙磁密 隱極磁密正弦波隱極磁密正弦波凸極磁密凸極磁密“草帽草帽”波波1 1）電動勢正方向）電動勢正方向 轉子旋轉，氣隙磁密基波切割

8、定轉子旋轉，氣隙磁密基波切割定子繞組，產(chǎn)生正弦波電動勢。子繞組，產(chǎn)生正弦波電動勢。 選選A A相作為參考相進行相作為參考相進行分析。電動勢正方向與分析。電動勢正方向與+A+A軸線成右手螺旋關系。軸線成右手螺旋關系。A AX XB BC CY Yz z00+A+ASNe2 2）氣隙磁密與電勢波形）氣隙磁密與電勢波形 t=0時刻磁密波時刻磁密波位置位置+A+A電勢波電勢波 e t3 3）正弦波電勢的旋轉矢量表示）正弦波電勢的旋轉矢量表示 電勢波電勢波e t矢量長度矢量長度= =電勢最大值電勢最大值矢量在時間軸投影矢量在時間軸投影= =電勢瞬時值電勢瞬時值矢量旋轉速度矢量旋轉速度= =電勢角頻率電勢

9、角頻率E sin0mte0E+j電勢的三種表示方法：電勢的三種表示方法：公式：公式：曲線與旋轉矢量曲線與旋轉矢量000B1fF0EA AX XB BC CY Yz z00+A+ASN+A+j0E0B結論：結論： 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 X001fF5 5） 及及 均領先均領先+A+A軸軸9090o o瞬間的電動勢相量。瞬間的電動

10、勢相量。A A相繞組感應電動勢瞬時值為正最大。相繞組感應電動勢瞬時值為正最大。1fF0B+A+jNS+A 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- -矢量圖矢量圖0E1fF0B000E0B+A+A，+j+j+A+A，+j+j1fF 定子繞組開路、轉子由原動機拖動到額定轉定子繞組開路、轉子由原動機拖動到額定轉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

11、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 IfI0ENUfNIc0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，而不是基波磁動勢。0()fEf IfI0ENUfNIc0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） 大小：大?。?(A) (A) 1 1

12、11 35dpaN I kF.p1160 fnp（2 2） 轉速：轉速： (r/min) (r/min) （3 3） 轉向：沿通電相序轉向：沿通電相序A A、B B、C C的方向，它與轉子轉向相同的方向，它與轉子轉向相同1y（4 4） 極對數(shù)：和轉子極對數(shù)相同，決定于繞組的節(jié)距極對數(shù)：和轉子極對數(shù)相同，決定于繞組的節(jié)距 1 1 磁動勢分析磁動勢分析2) 2) 轉子繞組通入直流產(chǎn)生每極基波勵磁轉子繞組通入直流產(chǎn)生每極基波勵磁 磁動勢磁動勢1fF（4 4） 極對數(shù)：和轉子磁極的極對數(shù)相同極對數(shù)：和轉子磁極的極對數(shù)相同（1 1） 大?。捍笮。?(A) (A) 1f12fffFk N i（2 2） 轉

13、速：和轉子轉速一樣為同步速轉速：和轉子轉速一樣為同步速（3 3） 轉向：和轉子轉向一致轉向：和轉子轉向一致 定子繞組的基波電樞磁動勢和轉子的基定子繞組的基波電樞磁動勢和轉子的基波勵磁磁動勢，它們的轉速、轉向、極對數(shù)波勵磁磁動勢，它們的轉速、轉向、極對數(shù)均相同，彼此之間無相對運動，因此兩者的均相同，彼此之間無相對運動，因此兩者的合成磁動勢將是一個同樣轉向、轉速、極對合成磁動勢將是一個同樣轉向、轉速、極對數(shù)的旋轉磁動勢，由它們合成在電機中產(chǎn)生數(shù)的旋轉磁動勢，由它們合成在電機中產(chǎn)生氣隙磁場。氣隙磁場。 本節(jié)分析發(fā)電機帶不同性質(zhì)負荷時電樞本節(jié)分析發(fā)電機帶不同性質(zhì)負荷時電樞磁場是對消弱還是增強激磁磁場，

14、或者其他磁場是對消弱還是增強激磁磁場，或者其他作用。作用。l通過感應電勢與電樞電流為橋梁分析定通過感應電勢與電樞電流為橋梁分析定轉子磁勢基波在空間的相互位置。轉子磁勢基波在空間的相互位置。l感應電勢與電樞電流之間的關系，按照感應電勢與電樞電流之間的關系，按照下圖分析（下圖分析（1個電勢個電勢5個阻抗元件）個阻抗元件）0ErjxinRL1jXL2-jXL3I 發(fā)電機工作過發(fā)電機工作過程中激磁電勢與電程中激磁電勢與電樞電流的三種可能樞電流的三種可能關系：關系：兩者同相位兩者同相位:電流滯后電流滯后電流超前。電流超前。 設設 時，轉子時，轉子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

15、，的位置，即即 的位置。的位置。 0t0090090參考位置參考位置000E+A+A，+j+j1fFIaF電樞反應交磁：電樞反應交磁：產(chǎn)生力矩產(chǎn)生力矩0E+A+A，+j+j1fFaFFI 當時間當時間+j+j軸與空間參考軸都取同一軸與空間參考軸都取同一相的量時，電樞電流相的量時，電樞電流 將與電樞磁動勢將與電樞磁動勢 重合。重合。IaF0900cos0E+A+A，+j+j1fFIaF直軸去磁電樞反應：帶電感性負載，去磁；直軸去磁電樞反應：帶電感性負載，去磁；為了保證端電壓，勵磁電流應增加為了保證端電壓，勵磁電流應增加0E+A+A，+j+j1fFIaFF0900cos0E+A+A，+j+j1fF

16、IaF直軸增磁電樞反應：帶電容性負載，增磁；直軸增磁電樞反應：帶電容性負載，增磁；為了保證端電壓，勵磁電流應減小為了保證端電壓，勵磁電流應減小0E+A+A，+j+j1fFIaFF,Ajd軸q軸0EaF1fFId軸q軸aF電樞反應磁動勢電樞反應磁動勢 可以可以分解為兩個分量：分解為兩個分量： 直軸分量直軸分量 對對 起去磁作用；起去磁作用；adF1fF 交軸分量交軸分量 起交起交 磁作用，使合成磁磁作用，使合成磁 動勢動勢 偏離轉子偏離轉子 軸線，與軸線，與 產(chǎn)生產(chǎn)生 夾角夾角 ，從而產(chǎn)，從而產(chǎn) 生力矩。生力矩。aqFF1fF0EaF1fFIadFaqF+A +j+A +jFd軸q軸0EaF1f

17、FIadFaqF+A +j+A +jFadaaqaFFsinFFcos顯然，直軸與交軸顯然，直軸與交軸分量就是合成磁勢分量就是合成磁勢在相應軸線上的投在相應軸線上的投影影0EIUaRjXLZAX( )I A( )U V00U 0EIUaRjXLZAX0EIUaRjXLZAXx xA AIUaF1fFaF1fF1fFaFaF1fFF1n0E1n0E1n0EIaFaRLZ動畫動畫1 1動畫動畫2 2動畫動畫3 3iA A,aaAF B,AAIE電樞反應磁動勢的幅值為電樞反應磁動勢的幅值為111.35dpaN kFIP0aaBFk氣隙磁通密度 sXaXsaXXcsaXXXaRsjXajX0EULZA

18、X1nIaRsjX0EAUXLZIaE1naaEjIX aRsjXAXLZU1nEIaE0E0aEEEaF1fFF0 asaaccEUIRjIXjIXUIRjXUIZassEUIRjIXUIZ0EIULZaRsjXAXoscacRX、0EUIcjIXaIR0EUIajIXaIRsjIXE&0EUIcjIXaIR0EUIcjIXaIRaIRcjIX0EUI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?；庀洞琶茏??；庀洞琶?/p>

19、 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 ffSdadadadqaqaq

20、aqiFEEUIZIFEIIFE , Ajd軸q軸0EaF1fFadFaqFIdIqIdqIIsinIIcosaddadaqqaqEjI XEjI X0 ()adaqSEEEEUI rjX dSaddqSaqqXXXXXXXX直軸同步電抗直軸同步電抗交軸同步電抗交軸同步電抗 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)生的， 與與 成成90900 0電角度，電角度， 與與 同相位。即：同相位。即：aqFIdIqIdI0EqIadF0E0 SdadqaqddqqEUIrjIXjI XjI XUIrjI XjI X 凸極同步發(fā)電機的電

21、動勢凸極同步發(fā)電機的電動勢向量圖：向量圖：落后落后 時，時， 領先領先 時，時， 0 000IUIU已知：已知： ， ， 和電機參數(shù)和電機參數(shù)IUIRUIqqjI xddjI x0EqIdI 若已知若已知 和和 的夾角的夾角 ，可求得，可求得 和和 的夾角的夾角 ：IU0EIqIXUsinarctgIrUcoscosacabcoscosqqqI XacabIX ddjI xbqE0EcqqjI xqjIXOqIIdIRaU0ddqqEUIrjI XjI X 和和 同相位同相位, ,但但 ，qE0E0qEE0()qddqEEjIXX 假設假設 ，用，用 代替代替 ，得到其等值電，得到其等值電路路

22、。 0qEE0EqE() qqdqqdqqqEUIrjIXUIrj IIXUIrjI XjI X設：設：rqjxrqjxIUqE1 1、電壓調(diào)整率定義、電壓調(diào)整率定義0100%NNEUUUa a、電壓升高的調(diào)整率、電壓升高的調(diào)整率: :( )I A( )UV0NU 電容性負載電容性負載電阻性負載電阻性負載電感性負載電感性負載NI1 1、純電阻負載、純電阻負載0EUIcjIXIr2 2、純電感負載、純電感負載0EUIcjIXIr3 3、純電容負載、純電容負載0EUIcjIXIr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?；庀洞琶茏儭；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