《航空電機(jī)學(xué)》課件第9章 同步電機(jī)的對(duì)稱運(yùn)行原理

1、1第九章 三相同步發(fā)電機(jī)對(duì)稱運(yùn)行原理 本章內(nèi)容:研究同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)對(duì)稱運(yùn)行的基本電磁關(guān)系同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行對(duì)稱負(fù)載時(shí)的電樞反應(yīng)同步發(fā)電機(jī)的時(shí)間空間矢量圖凸極同步發(fā)電機(jī)的雙反應(yīng)理論及磁勢(shì)電勢(shì)相量圖隱極同步發(fā)電機(jī)的磁勢(shì)電勢(shì)相量圖同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行性能同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁方式239-1空載磁路和空載特性主磁通磁極漏磁通主磁路（主磁通所經(jīng)磁路）： 氣隙、電樞齒、電樞軛、磁極、磁極軛勵(lì)磁磁勢(shì)和勵(lì)磁磁場(chǎng)4一、同步電機(jī)氣隙磁路特點(diǎn)氣隙磁場(chǎng)：(凸極、隱極）基波氣隙磁場(chǎng)幅值：每極基波磁通量：5極弧系數(shù)：計(jì)算極弧系數(shù)： 空載時(shí)氣隙的基波磁感應(yīng)強(qiáng)度的平均值與實(shí)際氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度之比值每極基波磁通量：6空載磁路的計(jì)算目的與

2、方法：安培環(huán)路定律：主磁路分為五段： 氣隙、電樞齒、電樞軛、磁極、磁極軛電機(jī)的磁化曲線：7二、空載特性 在一定的轉(zhuǎn)速下，空載端電壓隨勵(lì)磁電流變化的關(guān)系即：氣隙線電機(jī)的磁路飽和系數(shù)：8空載特性的作用 可以反映電機(jī)設(shè)計(jì)是否合理，電機(jī)的磁路是否過于飽和或者材料有沒有充分利用。空載特性結(jié)合短路特性(在后面介紹 )可以求取同步電機(jī)的參數(shù)。可通過測(cè)取空載特性來判斷三相繞組的對(duì)稱性以及勵(lì)磁系統(tǒng)的故障。 電樞反應(yīng)9旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)10旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)11旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)12三相合成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的特點(diǎn)：1）、磁勢(shì)是空間運(yùn)動(dòng)的；2）、磁勢(shì)的幅值恒定用空間矢量表示時(shí)，磁勢(shì)矢量頂點(diǎn)的軌跡是圓；3）、磁勢(shì)運(yùn)動(dòng)的速度同步轉(zhuǎn)速：4）、磁勢(shì)運(yùn)動(dòng)的方向：

3、從電流超前相轉(zhuǎn)到電流滯后相5）、磁勢(shì)合成矢量位置：當(dāng)某相的電流為最大時(shí)，此時(shí)磁勢(shì)的軸線在該相繞組的軸線上返回圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)：由三相對(duì)稱繞組通入三相對(duì)稱交流電產(chǎn)生139-2同步發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)空載時(shí)：勵(lì)磁磁勢(shì)，勵(lì)磁電勢(shì)E0負(fù)載時(shí)： 三相感應(yīng)電勢(shì)，頻率f=pn/60 ，三相電樞電流，電樞磁勢(shì)電樞磁勢(shì)基波：幅值 Fa=1.35IWkW1/p 、轉(zhuǎn)向同磁極的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速 n1=60f/p=n 與磁極的轉(zhuǎn)速相等電樞磁勢(shì)的基波與磁極勵(lì)磁磁勢(shì)相對(duì)靜止，共同產(chǎn)生氣隙合成磁場(chǎng)回顧電樞磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)同向、同速旋轉(zhuǎn)！14同步電機(jī)的電樞反應(yīng)：定義：同步電機(jī)的電樞反應(yīng)：同步電機(jī)電樞磁勢(shì)基波對(duì)磁極主磁場(chǎng)的影響電樞反應(yīng)磁場(chǎng)：電

4、樞磁勢(shì)基波單獨(dú)通過氣隙所建立的磁場(chǎng)15一、負(fù)載性質(zhì)對(duì)電樞反應(yīng)的影響性質(zhì)：交軸電樞反應(yīng)作用： 1）扭歪主磁場(chǎng) 2）交軸磁勢(shì)與主磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，必要條件1、電流與勵(lì)磁磁勢(shì)同相?直軸與交軸162、電流 滯后勵(lì)磁磁勢(shì)直軸去磁電樞反應(yīng)17超前勵(lì)磁磁勢(shì)直軸增磁電樞反應(yīng)3、電流18交軸電樞反應(yīng)直軸增磁電樞反應(yīng)直軸去磁電樞反應(yīng)19二、雙軸電樞反應(yīng)分析法1、一般負(fù)載情況時(shí)電樞磁勢(shì)的分解滯后勵(lì)磁電勢(shì) 角電流20 直軸、交軸電樞磁場(chǎng)特點(diǎn)： 波形對(duì)稱、易于確定！任意角度磁路直接計(jì)算困難！21雙反應(yīng)理論（雙軸電樞反應(yīng)分析法）交軸電樞磁勢(shì)：直軸電樞磁勢(shì)：雙反應(yīng)理論：對(duì)于凸極同步電機(jī)， 將電樞磁

5、勢(shì)分解成直軸分量和交軸分量，分別求出直軸和交軸電樞反應(yīng)，然后再合成起來作用效果。222、磁勢(shì)電勢(shì)矢量圖時(shí)間矢量圖:（每相）時(shí)軸（時(shí)間矢量最大時(shí)刻）空間矢量圖：相軸（繞組軸線）時(shí)空矢量圖：好處?233、電樞磁勢(shì)的折合由于交軸、直軸磁路不相同，即使Ff、Fad、Faq三者幅值相等時(shí)，所建立的磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值和分布規(guī)律各不相同電樞磁勢(shì)和勵(lì)磁磁勢(shì)產(chǎn)生基波磁場(chǎng)的能力不等效電樞反應(yīng)計(jì)算時(shí)必須加以折算24（1）直軸電樞反應(yīng)的折合直軸電樞磁勢(shì)折合系數(shù)：?jiǎn)挝话苍阉⒌幕ù鸥袘?yīng)強(qiáng)度大小相比 Kad*Fad 折算后可與 Ff 合成直軸磁勢(shì)：折合的意義？25（2）交軸電樞反應(yīng)的折合交軸電樞磁勢(shì)折合系數(shù)：交軸磁勢(shì)：F

6、q=Kaq*Faq Kad、Kaq的求算 直接磁場(chǎng)分析，很復(fù)雜?。ㄊ菢O弧寬度的函數(shù)，同時(shí)與極靴形狀、氣隙大小的函數(shù)） 查表法26電樞磁勢(shì)折合系數(shù)：279-3 電壓平衡式和矢量圖一、電壓平衡式和等值電路 電樞磁勢(shì)Fa、勵(lì)磁磁勢(shì) Ff 產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)，感應(yīng)氣隙電勢(shì)E 電樞磁勢(shì)Fa 產(chǎn)生電樞漏磁場(chǎng)，感應(yīng)漏磁感應(yīng)電勢(shì)E1、等值電路：282、電壓平衡式：3、矢量圖：E分析？凸極隱極？飽和？29二、不飽和凸極同步發(fā)電機(jī)途徑：雙反應(yīng)理論+疊加原理 勵(lì)磁磁勢(shì) Ff、直軸電樞磁勢(shì)Fad、交軸電樞磁勢(shì)Faq分別 產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)E0、Ead、Eaq，電磁關(guān)系：磁路不飽和，Ead、Eaq與Id、Iq成線性關(guān)系 電摳反應(yīng)磁

7、場(chǎng)由三相電樞磁勢(shì)合成，因此電樞反應(yīng)電抗包含了相繞組的自感電抗和相間的互感電抗30 磁路不飽和，Ead、Eaq與Id、Iq成線性關(guān)系，相位上電勢(shì)滯后90 ？ xad：直軸電樞反應(yīng)電抗 xaq：交軸電樞反應(yīng)電抗 物理意義：三相的單位直軸或交軸電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)磁場(chǎng)在每相電樞繞組中所感應(yīng)的電勢(shì)引入電抗31同步電抗直軸同步電抗：xd=xad+x交軸同步電抗：xq=xaq+x同步電抗是對(duì)應(yīng)電樞總磁場(chǎng)(包括電樞反應(yīng)磁場(chǎng)和漏磁場(chǎng))的電抗。復(fù)雜的電磁現(xiàn)象轉(zhuǎn)換為電路的方法！32功率角：功率因數(shù)角：內(nèi)功率因數(shù)角：矢量圖：的確定？例題9-13334三、計(jì)及飽和的凸極同步發(fā)電機(jī)飽和非線性！電抗變化運(yùn)用雙反應(yīng)理論分析（

8、不計(jì)直、交軸相互影響）勵(lì)磁磁勢(shì) Ff、直軸電樞磁勢(shì)Fad 直軸合成磁勢(shì)Fd交軸電樞磁勢(shì)Faq 交軸合成磁勢(shì)Fq空載特性氣隙線35矢量圖：沒有了！36矢量圖：例題9-237四、隱極式同步發(fā)電機(jī)氣隙均勻無需折合=0.75近似相等！ 無需雙反應(yīng)理論，勵(lì)磁磁勢(shì)與電樞磁勢(shì)直接相加！381、磁路不飽和直軸、交軸電樞反應(yīng)電抗：xad=xaq電樞反應(yīng)電抗：xa=xad=xaq同步電抗： xs=xa+x1)、電壓平衡式2)、等值電路3)、矢量圖：392、計(jì)及飽和電磁關(guān)系： 由負(fù)載條件和空載特性，可解算隱極同步發(fā)電機(jī)！查空載特性40已知：U、I、，求 E0步驟：1)求2)確定 F3)求4)求 E0419-4 同步

9、發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性一、外特性： 在一定的轉(zhuǎn)速和勵(lì)磁電流時(shí)，端電壓隨負(fù)載電流變化的規(guī)律。變化的原因：1、電樞反應(yīng)2、電阻和漏抗的壓降42電壓調(diào)整率：在額定電壓下和額定負(fù)載工況下，切除負(fù)載而不改變勵(lì)磁電流時(shí)，端電壓變化相對(duì)額定電壓的百分比。E與U的大小關(guān)系？43二、調(diào)節(jié)特性： 轉(zhuǎn)速不變，維持電壓不變時(shí)，勵(lì)磁電流隨負(fù)載電流變化的規(guī)律容性？44三、短路特性和短路比 同步發(fā)電機(jī)的短路特性是將同步電機(jī)定子繞組出線端短路后，定子電流隨勵(lì)磁電流變化的特性短路試驗(yàn)也是同步電機(jī)的基本試驗(yàn)之一（短路比、同步電抗）實(shí)驗(yàn)方法：輸出短接，拖到同步速，通入勵(lì)磁電流，改變勵(lì)磁電流，記錄短路電流45 三相穩(wěn)定短路時(shí)，短路電流與勵(lì)磁

10、電流之間的關(guān)系。1、短路特性：短路特性是一條直線！462、短路運(yùn)行分析：交軸電流近似為0，去磁作用使氣隙磁場(chǎng)很弱，磁路不飽和！F很?。『雎詒a47穩(wěn)態(tài)短路時(shí)磁勢(shì)If與Ik近似成正比48短路時(shí)端電壓U=0，氣隙電動(dòng)勢(shì)E等于電機(jī)漏阻抗壓降E 較小， B較小合成磁動(dòng)勢(shì)F較小去磁作用，電機(jī)磁路不飽和，不飽和電抗忽略F，短路電流Ik與If近似成正比，短路電流數(shù)值不大穩(wěn)態(tài)短路的運(yùn)行特點(diǎn)：493、短路比：額定轉(zhuǎn)速條件下空載電壓為UN時(shí)的勵(lì)磁電流為If0短路比定義一：指勵(lì)磁電流為If0時(shí)的三相穩(wěn)定短路電流IK0與額定電流IN之比短路比定義二：空載額定電壓時(shí)的勵(lì)磁電流If0與三相短路電流等于額定電流時(shí)的勵(lì)磁電流

11、IfK之比50代入短路比公式？在短路試驗(yàn)時(shí)51短路比的幾個(gè)結(jié)論短路比隨電機(jī)的飽和程度而增加，同時(shí)又隨電抗Xd的增大而減?。ㄔ褦?shù)、氣隙）短路比的大小對(duì)電機(jī)影響較大（短路電流、電壓變化率、并聯(lián)運(yùn)行穩(wěn)定性、體積重量）短路比的選擇要兼顧運(yùn)行性能和電機(jī)造價(jià)兩個(gè)方面52(在W1中)電抗的基本概念分析與討論X和L的定義X和L的大小決定因素電抗、電感名稱的理解磁路飽和對(duì)電抗的影響G正比于磁導(dǎo)率、磁路面積、反比于磁路長(zhǎng)度539-5 同步電機(jī)電抗及測(cè)試方法一、電樞反應(yīng)電抗1、直軸電樞反應(yīng)電抗（不飽和值）xadId建立直軸電樞磁場(chǎng)：Fad建立的氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度：每極基波磁通：每相感應(yīng)電勢(shì)：令：則：54直軸電樞反應(yīng)電抗

12、（不飽和值）xad：1、xad的物理意義：三相單位直軸電流產(chǎn)生的直軸電樞反應(yīng)磁場(chǎng)在每相電樞繞組中所感應(yīng)的電勢(shì)2、磁路不飽和，常數(shù)，計(jì)及磁壓降，其值要小3、由結(jié)構(gòu)參數(shù)決定，正比于W2l/4、電樞反應(yīng)磁場(chǎng)，是m相的合成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其值既包括自感電抗，又包括互感電抗5、 當(dāng)某相電流為最大時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軸線與該相繞組的軸線重合，即每相繞組的磁通與電流同相位。所以，感應(yīng)電勢(shì)滯后磁通也即滯后電流90。（注意與電抗壓降區(qū)別）552、交軸電樞反應(yīng)電抗（不飽和值）xaqIq建立交軸電樞磁場(chǎng)：同理：交軸電樞反應(yīng)電抗（不飽和值）3、隱極同步電機(jī)的電樞反應(yīng)電抗（不飽和值）xa勵(lì)磁磁勢(shì)正弦分布，所以電樞反應(yīng)電抗（不飽和值）

13、電勢(shì)：56電樞反應(yīng)電抗（飽和值） 飽和電樞反應(yīng)電抗也可用來表示電壓平衡關(guān)系，但飽和后同步電機(jī)一般采用空載特性和磁勢(shì)電勢(shì)矢量圖來分析 電樞反應(yīng)電抗、同步電抗隨飽和程度的變化而變 分析計(jì)算方法：空載特性+向量圖 57漏磁：槽部：槽漏磁 齒頂漏磁 端接部分：基本漏抗：諧波磁場(chǎng)：諧波漏抗：總漏抗：二、電樞繞組漏抗與基波同頻與主磁通同路徑58四、直軸同步電抗（不飽和值）xd的測(cè)試空載特性試驗(yàn)和三相穩(wěn)態(tài)短路特性試驗(yàn)氣隙線上查?。∞D(zhuǎn)速對(duì)測(cè)量影響？59五、交軸同步電抗（不飽和值）xq的測(cè)試小轉(zhuǎn)差法：1、將轉(zhuǎn)子由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)至接近同步速，保持小轉(zhuǎn)差2、勵(lì)磁繞組開路3、定子電樞繞組加三相交流電60六、漏抗x的測(cè)試取出轉(zhuǎn)子法：電樞繞組加低壓三相交流電xb通過加測(cè)試線圈測(cè)定。測(cè)量線圈的端電壓Uc 。xb通過直接計(jì)算得到：61七、同步發(fā)電機(jī)的零功率因素負(fù)載特性和波梯電抗1、