同步电机电枢反应1

E
I


u
I ra
U E 0 E a I ra j I x





E 0 I ra j I xa j I x

Ff
在前，F
a
Fa
在后一起旋转。

做电动机运行时，
依靠磁拉力驱动直流励磁的转子同速同向旋转。

定子三相交流绕组（电枢绕组）接三相电源。定子产生三相合成旋转磁场F a
Baidu Nhomakorabea
Fa 在前， F f 在后一起旋转。

第十四章

同步电机的基本结构和工作原理

Fa


与 Ff

始终是同速同向旋转， 相对静止，形成气隙合成磁势为 F
Z
Ff
A
F f , B f , fm

Fa

n1
N
S

I
Y
E0
q轴 A轴
C
X
换言之，欠激的同步电机将向电网输送容性无功功率， 或自电网吸取感性无功功率。
第一节 对称负载时的电枢反应
四,

I 和 E 0 反相 ( ) 时的电枢反应



时，电枢旋转磁势 Fa
的轴线作用在q轴，为交轴电枢反应。 F 交轴电枢反应使合成磁场 F 轴线的位置 从直轴处顺转向前移了一个锐角， 其幅值则有所增加。
aq

E ad E aq

E
E

1、漏电势
E j I L j Ix




I ra
u
不饱和。所以，x 是个常数，且数值较小。
2、电枢反应电势 E ad E aq ，当磁路末饱和时
Ead ad Fad I d

Eaq aq Faq I q
1，等效励磁磁势 Ff I f * N（方波）产生的基波磁密 f
B f 1 k f d F f
f

Bf1
d
kf
——磁极极面范围每单位面积的磁导（磁阻的倒数） ——波形系数（折算到正弦波）
Nk N 1 3 Id （正弦）产生的基波磁密 2，直轴电枢磁势 Fad 0.9 2 p
Bad1
二、直流励磁的旋转磁场
转子的励磁绕组两端接直流电源， 在励磁绕组内通过直流励磁电流 i f 时会产生直流励磁磁场

Ff
随转子一起以同步速旋转
第十四章 三、工作原理
同步电机的基本结构和工作原理
作发电机运行时
定子三相绕组切割该旋转磁场，感应空载电势E 0 感应电势的频率为 f pn1 60 加负载后，定子三相交流绕组（亦称电枢绕组） 出现电枢电流 I ，产生电枢磁场，磁势为
第一节 对称负载时的电枢反应
三 , I 超前于 E 0 90o


(

2
) 时的电枢反应
(容性负载)



2
同步电机将向电网输送容性无功功率，


F
d轴
_ _ _
电枢旋转磁势Fa 的轴线作用在d轴上,方向与 F f 的方向相同,起去磁反应,称直轴助磁电枢反应。
当电机的端电压保持不变时，合成气隙磁场 也应近似不变,否则会引起电势和电流的变化。 故当电枢反应呈助磁作用时，为要保持激励 原有的气隙磁场，原有的直流励磁就过大了， B 必须减小主极激磁,使同步电机处于欠激状态。
第三节 同步电抗
二、隐极电机的同步电抗
气隙均匀 d q
xad xaq xa
xa
———隐极同步电机的电枢反应电抗。相当于异步电机的xm
在同样大小电流情况下,如果 xa 越大，电枢反应电势也越大，表 示着电枢磁势所产生的电枢磁通很强。因此 x 的大小可以说明 a 电枢反应的强弱。
xd x ad x x a x xt xq x aq x x a x xt
Bad1 k d d Fad
3，交轴电枢磁势 Faq 0.9
3 2
ad
Nk N 1 Iq （正弦）产生的基波磁密 p

Baq1
Baq1 k q d Faq
aq

第三节 同步电抗
一、凸极电机的同步电抗
If

Ff
Id Iq
0


E0


F ad
ad


I


F aq
I, F a
Fad
Nk 3 0.9 N 1 I d 2 p
第二节 电枢反应磁通
If

Ff
Fa
F



d轴 F f , B f , fm
_
_
_
E
A
I
If

Ff
Ff
Fa
F


I
隐极同步电机的电枢反应
凸极电机气隙不均匀，相同电枢磁势
在不同位置的电枢反应结果不一样, 采用双反应理论,分别求出直轴电枢反应 和交轴电枢反应，最后把它们的效果迭加起来。 E0 0 If Ff
Fa
Faq
I Id Iq I d I sin
A



d轴 F f , B f , fm
_
_
_
Ff
I q I cos
n1
B
_
Nk 3 0.9 N 1 I 2 p
Nk 3 0.9 N 1 I q 2 p
N S
X

_

Iq
F aq
E0
Id F ad

_
q轴 A轴
汽轮发电机都采用隐极式。直流励磁绕组嵌放在槽中，两个大齿分别
形成N、S极。
（2）凸极式
这种型式构造简单，通常用于多极低速的同步电机中，
水轮发电机都采用凸极式。励磁绕组在磁极上。
二、电枢旋转式
励磁绕组在定子上，电枢绕组在转子上，由于从转动着的电枢绕组 要通过滑动接触才能输出或输入电能，只适用于几个千瓦以下的小功率范围

n1
B
_
N S
X

_

Iq
F aq
E0
Id F ad

_
q轴 A轴
I, F a

I
Id Iq
F ad
ad



F aq
Ff
aq
F d

E ad E aq
d


E
磁路不饱和

If

磁路饱和时

E d

I
Id Iq
F ad
F aq
aq

E
E aq
第二节 电枢反应磁通
发电机：输出的是电功率
PN 3U N I N cosN
电动机：输出的是机械功率
PN 3U N I NN cosN
第三节
同步电机的额定值
4)相数m ：一般m=3。 5) 额定频率:我国额定工业频率规定 f =50Hz.
N
6）额定转速：额定转速即为电机的同步速，在一 定极数及频率时，它的转速是定值。
第四篇
同步电机
同步电机的特点是转子转速与定子产生旋转磁场的转速相等
n n1
同步电机的一个主要用途是作发电机，此外，也作电 动机或调相机运行。 通常,同步电机的转子磁场 是一个恒定磁场, 定子磁场是一个旋转磁场
第十四章
同步电机的基本结构和工作原理基本构造型式
一、磁极旋转式 （1） 隐极式 这种型式构造牢固，用于少极高速的同步电机中，
当电机的端电压保持不变时，合成气隙磁场 也应近似不变,否则会引起电势和电流的变化。 故当电枢反应呈去磁作用时，为要保持激励 所需的气隙磁场，原有的直流励磁就不够了， B 必须增大主极激磁,使同步电机处于过激状态。
Z
Ff
A

F

n1
N

Y
E0
S
X
I

q轴 A轴
C
Fa
换言之，过激的同步电机将向电网输送感性无功功率， 或自电网吸取容性无功功率。

F F f F a
电枢磁势的基波 F a

对气隙磁势基波

Ff
的影响称为电枢反应
转子励磁绕组不切割磁场， 故在励磁绕组内不产生感应电势。
第三节
同步电机的额定值
1）额定电压：是指在正常运行时，按照制造厂的规定，
定子三相绕组上的线电压。电压的单位用V或kV表示。
2）额定电流：流过定子绕组的线电流 。 3）额定功率：是指在正常运行时，电机的输出功率 。
电枢旋转磁势 F 可有任意的相对位置。 a
d轴 F f , B f , fm
_
_
_
Ff
A
n1
B
_
N S
X

_

Iq
F aq
E0
Id F ad

_
q轴 A轴
0

2
I, F a
电枢磁势和电枢电流分量
Fa F ad F aq 直轴分量 Fad Fa sin 交轴分量 Faq Fa cos
Z
_

d轴 F f , B f , fm
_
_
_
Ff
A
n1
N S

Y
E0
I, F a
B
q轴 A轴
C
E 0 和 I 反向， 发电机吸收有功电功率 ， 电动工作状态 输出机械能 ，


X
第一节 对称负载时的电枢反应
五,

为任意值时的电枢反应

可把电枢磁势分解为直轴分量和交轴分量。 直轴分量又可能起 去磁作用或助磁作用。 当直轴电枢磁势起去磁作用时， 不论是发电机状态或是电动机， 均系处在过激状态。 当直轴电枢磁势起助磁作用时， 不论它用作发电机或是电动机， 均系处在欠激状态。 发电机阻感性负载较多
从相位上来看， E ad 滞后 I d 90 E aq 滞后 I q 90




第三节 同步电抗
E ad j I d x ad E aq j I q x aq

x ad x aq
———直轴电枢反应电抗和交轴电枢反应电抗。
A
d轴 F f , B f , fm
F f , B f , fm
A
_
_
_
d轴
Ff
Z
B
fm A 0
d轴 直轴 纵轴 横轴
_
n1
N S

Y
E0
q轴 A轴
C
q轴 交轴
磁极旋转磁势 两极之间的中线
X
第一节 对称负载时的电枢反应
一,
I 和 E 0 同相 (


0) 时的电枢反应

时，电枢旋转磁势 Fa 的轴线作用在q轴，称为交轴电枢反应。 交轴电枢反应使合成磁场 F 轴线的位置
60 f N nN p
7）额定励磁电压 8）额定励磁电流
第十五章
基本要求：
同步电机的基本方程式和相量图
了解同步电机的电枢反应。 掌握同步电机的同步电抗、磁路末饱和时的基本方程式和相量图。
第一节 对称负载时的电枢反应
同步电机转子直流励磁磁势 F f
以同步速切割电枢绕组，在电枢绕组内 对应感应出三相电势，每相为 E0 称为励磁电势。 由电枢电流I产生的电枢磁势 Fa 则气隙合成磁势为 F F f F a 电枢绕组切割气隙合成磁场， 感应出三相电势，每相为 E
E a j I xa


xt
———隐极同步电机的同步电抗。
xd xq xt
第四节 基本方程式和相量图
每极励磁磁势 电枢每极基波磁势 气隙合成每极磁势
q轴
磁路不饱和时
d轴
Ff N f i f
——
Fad Faq

Fd Ff Fad Faq
E0
If

Ff
Id Iq

I
E ad j I d x ad



E aq j I q xaq



E
磁路饱和时
If

Ff
Id Iq
F d
d


E d

F ad

I
F aq
aq

E
E aq
第四节 基本方程式和相量图
一、隐极同步电机的电势方程式和矢量图
If

Ff
a
0
E0



E a j I xa
E j Ix
第十四章
同步电机的基本结构和工作原理
一、定子交流励磁的旋转磁场
同步电机定子与异步电机的相同。当时间相位对称的三相 交流电通过空间三相对称分布的交流绕组时，气隙中产生 一个三相合成的旋转磁场 Fa m2 2 N 60 f fa k N 1 I sin(t a) n1 2 p p
X
第一节 对称负载时的电枢反应
二 , I 滞后于 E 0 90o


(

2
) 时的电枢反应
(感性负载)
F f , B f , fm
_ _ _


2
同步电机将向电网输送感性无功功率，


d轴
电枢旋转磁势Fa 的轴线作用在d轴上,方向与 F f 的方向相反,起去磁反应,称直轴去磁电枢反应。
_
_
_
Ff
由于直轴磁路和磁导大于交轴磁路的磁导，

xad xaq
B
_
直轴系统和交轴系统同时存在电枢漏电抗，故
n1
F ad
N

_

Iq
F aq
E0
Id
x d x ad x x q x aq x
S
X

_
q轴 A轴
I, F a
x d 和 xq
———直轴同步电抗和交轴同步电抗。




称合成气隙电势。
第一节 对称负载时的电枢反应
内功率因数角 : 在电枢绕组内每相的电枢电流 I 滞后于励磁电势 E 0 的相角。


0则 I 滞后于 E 0


相量图
电枢绕组每相都用一个等效整距集中 绕组来表示，磁极画成凸极式(更形象 直观，同样适用于隐极式)。励磁磁势 和电枢磁势只考虑基波，并选取A相 电势达最大值时刻绘制相量图。
0
F f , B f , fm
_
_
_
d轴

F
从直轴处逆转向后移了一个锐角， 其幅值则有所增加。


Ff
A
Z
Fa
为三相合成磁势,当A相电流 I 最大时,

Fa 的方向与A轴一致
E 0 和 I 同相位， 发电机输出纯有功功率


B
Tem
n1
N S


_
Y

E0, I, F a
Fa
C
q轴 A轴