第16章同步电机基本电磁关系

f
f f1

0
b
bf
b0
0


A
Y
N

C
A
X

Ff 1
Ff 1
3 2
+A

+A
z
S
00

B

2
0
2

B0
+A

A
Y
C
+A
X
N

+A
Ff 1
0 6 3
5 6
11 6

Ff 1
S
z

B


00
B0
3
4 定子相绕组的感应电动势的时间相量
气隙磁密旋转切割定子三相绕组，定子绕组感 应随时间正弦变化的电动势，用时间相量来表示。 由于空间坐标选A相绕组轴线+A为参考轴，所以时 +A 间相量也分析A相。
电机带负载后， I 0 ，由于所带负载性质 不同，使 E0 和 I 之间相位角Ψ不同，电枢反应 的性质也不同。
A
设 t 0 时，转子S极中心 在空间坐标轴超前 90 0 的位置， 即 0 900 的位置。
X
Ff 1
A
n1
Fa ——空间基波电枢磁动势向量
Ff 1 ——空间基波励磁磁动势向量
2
（2） 转速：和转子转速一样，即同步速
（3） 转向：和转子转向一致 （4） 极对数：和转子磁极的极对数相同
结论：
定子绕组的基波电枢磁动势和转子的基波励磁 磁动势，它们的转速、转向、极对数均相同，彼此 之间相对静止，因此两者的合成磁动势将是一个同 样转向、转速、极对数的旋转磁动势，由它们合成 在电机中形成气隙合成磁场。
Fa 与 Ff 1 相差 1800
j +A
E0

Fa
I
3)
90 （超前）， cos 0 的情况
0
j +A
E0

Ff 1
Fa
F
I
4） 为落后的一个任意角
A, j
E0
F


q轴
Fa
IA

d轴
Ff 1
电枢反应磁动势 Fa 可以分解为两个分量： （1）沿纵轴方向的分量 Fad 对 Ff 1 起去磁 作用 （2）沿横轴方向的分量 Faq 使合成磁动势 F 与 Ff 1 产生夹角 θ
励磁磁势和电枢磁势的关系
基 波 大 波 形 小 位 置 转 速 转 向
恒定，由 由转子位 由原动机的 励 磁 磁 势 正弦波 励磁电流 置决定 转速决定 决定 恒定，由 由电枢电 由电枢电流 电 枢 反 应 正弦波 三相电枢 流瞬时值 的大小和相 电流决定 决定 序决定 磁 势
2
基波电枢磁动势对基波励磁磁动势的作用
Fm


0
Fs Fb 0
转子 0 定 子

隐极同步电机气隙磁势
阶梯波气隙磁势的基波可以 用空间矢量 Ff 1 表示。图中
N f 5 Nk
Ff 1 k f Ff Ff 1 N I f f 2
通过实际总槽数 Z 2 与沿转子表面开的等距槽的总 槽数 Z 2 的比值查表得 k 。
f
2 基波励磁磁动势空间矢量表示
§16-1
同步发电机空载运行
空载运行：当原动机带动发电机在同步转速 下运行，励磁绕组流过适当的励磁电流，电 枢绕组不带任何负载（ ）时的运行情况。 I 0
1
基波励磁磁动势
当励磁绕组中通入直流电
流后，产生随转子一起旋转的
+A
磁动势，称为励磁磁动势。因
C
Y
为它随转子一起转动，从定子
上看，它也是一个旋转磁动势，
0
E0 ——空载时定子一相（A相）
电动势
E0 和 I 之间相位角 的物理意义： A Ra jX A I E0 U ZL I E0 U X
X
ZL
1) 2) 3)
0 ，cos =1 的情况
0
0 0
cos 0 的情况 90 （落后），
cos 0 的情况 90 （领先），
第十三章
教学目的：
同步电机的电磁关系
从第10、11章得知，同步电机运行时有两个 旋转磁场存在。 两个旋转磁场共同作用下实现能量转换。 主要研究在这两个磁场作用下电端口的电压、电 流之间的关系，建立基本方程，得到等效电路。 思考：两个什么性质的磁场？
本章主要内容：
1）空载运行（励磁磁场单独存在）分析，介绍 时空相-矢量图的分析方法； 2）电枢反应：分析电枢磁场对励磁磁场的影响； 3）隐极式与凸极式同步发电机的电动势相量图、 方程式、等值电路。
结论：
空间向量的参考轴选择定子A组绕组轴线+A处； 基波励磁磁动势空间向量的位置， 为基波磁动势正波幅所在位置，也 就是总在转子S极与N极的连线上， 方向为S极指向N极方向；向量长度 等于基波磁动势的幅值； 向量以 角速度ω逆时针方向转动。
+A
Y
Ff 1
C
A
n1
z 00
X

B
3 基波气隙磁密空间矢量表示
X
A
n1
z
所以同电枢绕组磁动势的分析
方法一样。

00
B
1）凸极机矩形波磁动势
f
f f1
ff
1 NKi 2
41 N i 2 K
3 2


2
0
2
1 NKi 2
对比闭合回路1-5的气隙磁势： 彼此相等！（忽略铁心磁压降）
f
f f1
ff
1 NKi 2
41 N i 2 K
3 2
1) 隐极机 气隙均匀，当铁心不饱和时，气隙磁密与磁动 势成正比，基波磁动势产生正弦波磁密，若不考虑 磁铁的磁滞涡流效应下，磁密波的相位和磁动势波 的相位相同。 2) 凸极机 气隙不均匀，即使铁心不饱和，气隙中产生的 磁密大小与磁动势大小不成正比，正弦的基波励磁 磁动势产生的磁密波是非正弦分布的，磁密波还要 分解基波和一系列谐波，基波磁密和基波磁动势仍 然同相位。
4)
为落后的一个任意角
1） 0 ，cos =1的情况
0
jAΒιβλιοθήκη j ,AI

Fa


Fa I


旋转磁动势
当时间+j轴与空间参考轴都取同一相的量 时，电枢电流 I 将与电枢磁动势F 重合。
a
j, A
E0
F
Ff 1

I
Fa

结论： 电枢反应磁动势 Fa 落后励磁磁动势 Ff 1 900 空间电角度，叫做交轴电枢反应磁动势，交 轴电枢反应使合成磁动势 F 与励磁磁动势 Ff 1 不在一个方向上，相差一个相角 θ 。
jX
A
I
E0
U
X
ZL
负载电流对端电压的定性影响
图中当负载阻抗为电阻性与电感性，电流均落后 于激磁电势，电枢反应去磁使得电流增大时端电 压下降。 思考：电容负载如何？
Ra
jX
U (V )
电容性负载
A
I
U0
E0
U
X
ZL
电阻性负载
电感性负载
0
I ( A)
如何确定端电压与负载电流的具体关系
Ra
jX
为了确定端电压与 负载电流的关系， 需要建立电压方程。 考虑到空载特性已 知；所以，需要 找出负载电流、端电 压的关系。
if
n1 n1
E0
3）分析内部阻抗的方法（途径1）
右图表示，将感应电势移出到外部电路后转子上就 没有励磁电流与磁极区域。其中转子仅仅是一个圆 柱形铁心。
n1
E0
3）分析内部阻抗的方法（途径1）
电机负载时，在激 磁电势作用下会产 生电枢电流。电枢 电流的存在，产生 第二个磁势——电 枢磁势，其建立的 部分磁场如图所示。 现在只要求出该磁 场对应的磁链就可 以求出电抗。
0
I fN
6 空载特性
E0
气隙线
E0 f (i f )
UN
c
i f ( Ff )
0
I fN
注意：空载曲线横坐标是实际的励磁电流，或每极 实际磁动势波幅，而不是基波磁动势。
§16-2
对称负载时的电枢反应
Fa
定义：电枢磁动势对励磁磁动势的影响称电枢反应
Ff 1
§16-2
对称负载时的电枢反应
1 两个磁动势分析 1) 定子三相对称绕组中对称三相电流产生基波电
Fa , Ba , A
I A , EA
参考相磁通与电势的正方向
枢磁动势 Fa
（1） 大小：Fa 1.35 N1I1kdp1 (A)
p
（2） 转速：n1 60 f1
p
(r/min)
（3） 转向：沿通电相序A、B、C的方向，它与转子转向相同
（4） 极对数：和转子极对数Ｐ相同，决定于绕组的结构
2) 转子绕组通入直流产生每极基波励磁 磁动势 Ff 1
（1） 幅值： Ff 1 1 k f N f if

B

2
0
2
1 NKi 2
2) 隐极机阶梯波磁动势 励磁绕组放置在磁极两边槽里，磁极中间不放 绕组以使磁极磁动动势波形接近正弦，每极磁 势最大幅值为 Ff 1 N f i f 。
2
0

隐极同步电机气隙磁势
图示3个闭合回路所包围的安匝数分别为NkI, 3NkI与 5NkI，所以气隙磁势为阶梯波。