第3章三相同步电机

N So
主极
δ > 0时，Te为制动转矩，原动机的驱动转矩与电磁转矩Te 平衡 。转子吸收 机械功率，定子发出电功率。
• 电动机运行状态
δ < 0 时，Te为驱动转矩，带 动负载运行。转子输出机械
功率，定子吸收电功率。
S ns Te No
c) 电动机
N δ
So
• 补偿机运行状态
δ = 0 时，不进行能量转换， 仅发出或吸收无功功率，补 偿机。
的首端和jI X 的末端得相量 。 4）连接U E s 0
I
U
R I a
3、等效电路
U I R jIX jIX U I R jIX E 0 a σ a a s
4、同步电抗
X s X a X
a) 反映了a和σ 的作用 b) 磁路不饱和时为常数
S ns Te=0
N
No
b) 补偿机
So
四、额定值
• 额定容量 SN 或额定率PN 单位为 kW, kVA
同步发电机的额定功率是指额定运行时，电枢绕组输出的视在功率或有功功率 同步电动机的额定功率是指额定运行时，轴上输出的机械功率 补偿机的额定功率是指额定运行时，电枢绕组输出的无功功率
• 额定电压
嵌入式结构
转子铁心 N S 永磁体 转轴
内置式结构
转子铁心 永磁体 N S 转轴
永磁体 隔磁衬套 转子铁心 转轴 N S N S N S N
S
N
N
S
S
N S
N
S
S
S N
N
嵌入式转子结构
（a）永磁体径向充磁； （b）永磁体横向充磁 内置式转子结构
在嵌入式和内置式电机中，交、直轴磁路磁阻是不相等的。
0
一台2极同步发电机 (直轴)
定子三相对称绕组以集中绕组表示 转子励磁绕组也以集中绕组表示。 （转子直轴和交轴）
电枢绕组中电动势和电流的正方向 规定：从首端流出，尾端流入。
0A 图示瞬间，A相绕组电动势 E 达正的最大值，方向从X入，A 出。
•从导体切割磁力线分析。
(交轴)
0 B、C相绕组电动势 E 0C B相绕组 E 滞后A相电动势120度和240度。
q轴
相量在时轴上的投影为它的瞬时值
时间相量图
Fa ( 0 ) Faq
0
电枢磁动势是一个交轴磁 动势，由此所产生的电枢 反应为交轴电枢反应。 主磁场 B0 与电枢磁动势 Fa 之 间的空间相位关系，恰好与链 0 A 与A相的电 过A相的主磁通 流 IA 之间的时间相位关系一 致。 时-空统一矢量图 三相对称，因此把表示A相量的 0 , I , 0 。 下标A省略，写成 E
3.
0＜Ψ 0＜90时 电流滞后电动势
Fad Fa sin ψ 0 Bad Faq Fa cosψ 0 Baq
去磁 交磁
4.
-90 ＜Ψ 0＜ 0时
电流超前电动势
Fad Fa sin 0 Bad 增磁
Faq Fa cos 0 Baq 交磁
发电机分别接纯电阻、纯 电感和纯电容负载时的内 功率因数角各为多少？
• 从磁通的变化来分析。 A相磁通为零，电动势滞后磁 通90度。
Bo A Z B
ns N S
d轴
1. o = 0 时
A相电动势达最大值
Y ns C X
A 相轴线 Fa
A相电流达最大值 基波磁动势 Fa 轴线 与A相绕组轴线重合 电枢磁动势的轴线 与转子直轴正交， 与交轴重合 电枢磁动势是 交轴磁动势
三相对称电流
(空载电动势或激磁电动势)
pns (f ) 60
F I a
60 f n s P 基波合成磁动势 F 1.35 N1 k I a w1 P

Ba电枢反应磁场 B0 (空载磁场）
}
气隙合成磁场 B
电枢反应：电枢磁动势的基波对气隙磁场的影响
b) 凸极式 有明显的凸出的磁极，气隙不均匀， 制作简单。
适合于低速发电机
永磁励磁：表面式，嵌入式，内置式。 表面式结构
转子铁心 N S 永磁体 转轴
转子铁心
N S
永磁体 转轴
S
N
N
S
S
N
N
S
S N
S N
（a）
（b ）
表面式转子结构
由于永磁体的磁导率与气隙相近，表面式结构的电机交、直轴磁 路磁阻基本相同，因此是一种隐极式同步电动机 。
• 电枢反应使气隙磁场空间位置发生变化，直接关系到电机的 机电能量转换。 •电枢反应的去磁或增磁，对电机的运行性能产生影响 电枢反应的性质（交磁，去磁或增磁）取决于电枢磁动势和主 磁场在空间的相对位置。
和负载电流 I 的之间的 这一相对位置决定于空载电动势 E 相位差 o ，称为内功率因数角。
E 转子： I f Ff 0 0
E F 定子：I a a a

E
1、电压方程式
采用发电机惯例规定正方向，可写出电压方程式 E E U I R E
0 a

a
Ea a Fa I
90 滞后 E a a
2. Ψ0 =±90 时
Ψ0=90
a与F f 反相 F a与B f 反相 B
产生直轴电枢反应，使 气隙磁场减弱，去磁。
Fa Fad
Ψ0= -90
a与F f 同相 F a与B f 同相 B
产生直轴电枢反应，使 气隙磁场增强，增磁。
a Fad F
只有直轴电枢反应时，气隙磁场的空间相位不变，转子不受转矩的作用。
• 额定电流 • 额定功率因数 • 额定频率 • 额定转速 • 额定温升Fra bibliotekUN 单位为kV
IN 单位为A, kA
cos N
f N 单位为Hz n N单位为r/min θN
• 额定励磁电流和电压 IfN 、UfN
3-2 同步发电机的磁场
一、空载运行 n s If I=0
1、空载磁场——主磁场
I f Ff B0 0
E 1200 E 0C 0
空载电动势，激磁电动势
有效值：
E0 4.44 f N1 kw1 0
pns 频率： f 60
2、 空载特性
ns=c E0 = f (I f)
Ff ∝ If E0 ∝ 0 电机的 磁化曲线 0 = f (F f) • o较小时，磁路不饱和，空载曲 线的下部是一条直线；随 o的增 大，铁心逐渐饱和，空 载 曲线弯 曲。 • 气隙线：不计铁心磁阻的空载 特性曲线。 • 空载特性是同步电机的一条基本 特性。
同步电机的三种运行状态：发电机，电动机，补偿机。
I f B0 I 1 Ba
B B0 Ba
三种运行状态是由转子磁场B0与合成磁场B的相对位置决定。 δ转子磁场轴线领先合成磁场轴线的夹角 — 功率角
• 发电机运行状态 ns No
主极
S δ Te
a) 发电机
X s X a X σ — 同步电抗
•反映电枢反应磁场和电枢漏磁场综合效应的一个综合参数
2、相量图
U I R jIX jIX U I R jIX E 0 a σ a a s
E 0
E a

0
a


900

I
X jI a
直轴电枢反应的影响：
• 电机单机运行时，直轴电枢反应将直接影响端电压的大小。 •并网运行时，直轴电枢反应影响电机输出的无功功率。
负载时隐极同步发电机内的磁场分布图
3-3 隐极同步发电机的基本电磁关系
隐极同步发电机的电压方程式、相量图和等效电路。
一、磁路不饱和时(线性系统)
磁路不饱和时，系统是线性的，可使用迭加原理进行分析， 即主磁场和电枢反应磁场分别考虑。
φo Eo , U nφ
气 隙 线
空 载特 性
O
Ifo
If, Ff
同步电机的空载特性
二、负载运行
空载时，同步电机的气隙磁场是由励磁磁动势所产生的主磁场B0。
E 0A 接三相对称负载 E0 B E
0C
I - I A 0 I - - 1200 I B 0 I - 1200 I C 0
路径：气隙 电枢齿 电枢轭 磁极 主磁通 极身 转子轭 作用：在三相绕组中感应 对称电动势
I f f
漏磁通
若主磁场B0 在气隙中正弦分布，且以同步速ns旋转，则在定 子绕组中产生对称三相电动势：
E 00 E 0A 0
E -1200 E 0B 0
电励磁
整块高强度合金钢。 隐极 : 气隙均匀， 铁心 整体或低碳钢片迭成。 凸极 : 气隙不均匀， 直流励磁绕组: 同心式绕组。
同步电机又分为隐极式和凸极式两种
N
N S S N
S
a) 隐极式 转子圆柱形，气隙均匀，转子机械 强度高，励磁绕组固定容易。 适合于高速发电机
产生交轴电枢反应，使 气隙磁场的空间相位改 变，且幅值增加。转子 磁极受到转矩作用，从 而实现机电能量转换。 对同步发电机，当 0=0时，主磁场超前 气隙合成磁场，主极上 受到一个制动性质的电 磁转矩。
B
气隙合成磁场与主磁场的相对位置
• 交轴电枢反应使能量转 换得以实现。 • 交轴电枢反应使气隙磁 场增强。
直轴电枢反应去磁
已知
、 I U
和电机参数，画相量图的步骤
和I ，夹角为 1 ）画出相量 U ；
的末端画出电阻压降 ，相量R I 与I 平行； 2 ）在U Ra I a