第8章 同步電機(jī)

目錄第一節(jié)12第二節(jié)3第三節(jié)4第四節(jié)5第五節(jié)第8章同步發(fā)電機(jī)的電磁關(guān)系和分析方法以同步發(fā)電機(jī)為對(duì)象,研究同步電機(jī)的基本電磁關(guān)系，定性、定量地描述各電磁量的相互關(guān)系。電壓方程式相量圖，矢量圖，時(shí)空相矢量圖等效電路8.1同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行空載運(yùn)行：同步發(fā)電機(jī)電樞繞組開路，由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)以額定轉(zhuǎn)速（同步轉(zhuǎn)速）旋轉(zhuǎn)，勵(lì)磁繞組中通入勵(lì)磁電流。氣隙中產(chǎn)生磁場(chǎng)，電樞繞組切割氣隙磁場(chǎng)，產(chǎn)生對(duì)稱的三相電動(dòng)勢(shì)E0，稱為空載電動(dòng)勢(shì)。同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行參考方向規(guī)定電樞繞組電動(dòng)勢(shì)和電流：如圖。磁動(dòng)勢(shì)：磁感應(yīng)線出定子、進(jìn)轉(zhuǎn)子為正。勵(lì)磁繞組在一對(duì)極下的匝數(shù)為Nf

。勵(lì)磁電流為If，產(chǎn)生勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)。同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行建立空間坐標(biāo)系在定子內(nèi)圓表面原點(diǎn)（A相繞組的軸線）橫坐標(biāo)

：氣隙圓周上各點(diǎn)距離原點(diǎn)的空間電角度，逆時(shí)針方向?yàn)檎v坐標(biāo)：磁動(dòng)勢(shì)（大小與方向）基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)凸極同步發(fā)電機(jī)每極勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)幅值勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)的空間分布波形為矩形波?；▌?lì)磁磁動(dòng)勢(shì)凸極同步發(fā)電機(jī)每極基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)幅值為傅里葉級(jí)數(shù)分解可以得到基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)。kf

為勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)波形因數(shù)基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)凸極同步發(fā)電機(jī)在空間正弦分布。隨著轉(zhuǎn)子一起以同步轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn)。正幅值位于S極中心的位置?；▌?lì)磁磁動(dòng)勢(shì)的特點(diǎn)基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)隱極同步發(fā)電機(jī)每極勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)幅值勵(lì)磁繞組分布在多個(gè)槽中。勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)的空間分布波形為階梯波。基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)隱極同步發(fā)電機(jī)每極基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)幅值為傅里葉級(jí)數(shù)分解可以得到基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)。勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)波形因數(shù)kf與轉(zhuǎn)子槽的分布有關(guān)；kf≈1

?；▌?lì)磁磁動(dòng)勢(shì)隱極同步發(fā)電機(jī)在空間正弦分布。隨著轉(zhuǎn)子一起以同步轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn)。正幅值位于S極中心的位置。基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)的特點(diǎn)基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)空間矢量用空間矢量Ff1表示基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)，矢量的長(zhǎng)度等于磁動(dòng)勢(shì)的幅值，位置在正幅值所在處?；▌?lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff1隨轉(zhuǎn)子一起以同步轉(zhuǎn)速n1逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的電角速度為同步電角速度?；庀洞磐芏瓤臻g矢量隱極同步發(fā)電機(jī)氣隙均勻，不考慮飽和時(shí)，正弦分布的基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)，將產(chǎn)生正弦分布的氣隙磁通密度波。不考慮磁滯和渦流損耗時(shí)，氣隙磁通密度波與基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)相位相同。基波氣隙磁動(dòng)勢(shì)在氣隙中產(chǎn)生磁通密度波。規(guī)定氣隙磁通密度的參考方向與磁動(dòng)勢(shì)的相同。氣隙磁通密度的空間分布與氣隙磁路磁阻有關(guān)?；庀洞磐芏瓤臻g矢量隱極同步發(fā)電機(jī)基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff1產(chǎn)生的正弦分布的氣隙磁通密度波，可用空間矢量B0表示。基波氣隙磁通密度空間矢量凸極同步發(fā)電機(jī)氣隙不均勻，即使不飽和，基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的氣隙磁通密度波也是非正弦分布的。對(duì)非正弦分布的氣隙磁通密度波進(jìn)行分解，得到基波和諧波不考慮磁滯和渦流損耗時(shí)，基波氣隙磁通密度B0與基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff1的空間相位相同。氣隙磁通密度與電樞繞組有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在一相電樞繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。在空間正弦分布的基波氣隙磁通密度，感應(yīng)在時(shí)間上正弦變化的基波電動(dòng)勢(shì)。基波電動(dòng)勢(shì)可用時(shí)間相量表示。定子繞組一相的基波感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)時(shí)間相量一相繞組的基波感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)基波電動(dòng)勢(shì)（空載電動(dòng)勢(shì)）相量時(shí)空相矢量圖轉(zhuǎn)子在空間上轉(zhuǎn)過某一電角度，定子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在時(shí)間上經(jīng)過同樣的電角度。無論什么時(shí)刻，只要知道磁動(dòng)勢(shì)矢量或者電動(dòng)勢(shì)相量的位置，都可以知道與之相應(yīng)的相量或矢量的位置。時(shí)空相矢量圖為了分析方便，將時(shí)間相量圖與空間矢量圖畫在一起，成為時(shí)空相矢量圖。將空間參考軸+A與時(shí)間參考軸+j重合。用+A為空間參考軸時(shí)，各時(shí)間相量均是A相的。在時(shí)空相矢量圖上，空載電動(dòng)勢(shì)相量

始終滯后于產(chǎn)生它的基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)矢量Ff190電角度。時(shí)空相矢量圖注意：在時(shí)空相矢量圖上，相量滯后矢量Ff190電角度。此結(jié)論是+A與+j軸重合時(shí)才得到的。這一關(guān)系并沒有實(shí)際的物理意義，只是為了分析方便。時(shí)間相量和空間矢量的物理意義是完全不同的：相量是在時(shí)間上正弦變化矢量是在空間上正弦分布空載特性可通過電機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算或者空載試驗(yàn)得到空載特性E0＝f

(

If)。空載特性反映了空載電動(dòng)勢(shì)E0與勵(lì)磁電流If或勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff之間的關(guān)系?？蛰d特性因鐵心有飽和特性，故空載特性為非線性曲線?？v坐標(biāo)為一相空載電動(dòng)勢(shì)的有效值E0

；橫坐標(biāo)為實(shí)際的勵(lì)磁電流

If

，或者實(shí)際的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff（不是基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff1）。空載特性反映了磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，在定子繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的能力。8.2同步發(fā)電機(jī)負(fù)載時(shí)的電樞反應(yīng)電樞繞組帶上三相對(duì)稱負(fù)載時(shí)，其中流過三相對(duì)稱電流。三相對(duì)稱電流產(chǎn)生基波電樞磁動(dòng)勢(shì)，與基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)相互作用，合成得到總的氣隙磁動(dòng)勢(shì)?；姌写艅?dòng)勢(shì)對(duì)基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)的影響，稱為電樞反應(yīng)。對(duì)稱負(fù)載時(shí)的電樞反應(yīng)轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)幅值：轉(zhuǎn)向：與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相同（逆時(shí)針）。轉(zhuǎn)速：與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相同，為同步轉(zhuǎn)速n1。極對(duì)數(shù)：磁極的對(duì)數(shù)p

。對(duì)稱負(fù)載時(shí)的電樞反應(yīng)定子三相繞組產(chǎn)生的基波電樞磁動(dòng)勢(shì)幅值：轉(zhuǎn)向：沿著+A→+B→+C方向旋轉(zhuǎn)與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相同（逆時(shí)針）。轉(zhuǎn)速：極對(duì)數(shù)：與繞組布置有關(guān)，必須與轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)p相同。電樞繞組基波磁動(dòng)勢(shì)的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。+B軸在空間上超前+A軸，所以B相電動(dòng)勢(shì)在時(shí)間上滯后于A相。B相電流在時(shí)間上滯后于A相。三相繞組的合成基波磁動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)向：電流超前相轉(zhuǎn)向電流滯后相，即逆時(shí)針方向。n1轉(zhuǎn)速對(duì)稱負(fù)載時(shí)的電樞反應(yīng)基波電樞磁動(dòng)勢(shì)與基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)極對(duì)數(shù)相同轉(zhuǎn)速相同轉(zhuǎn)向相同

所以，二者在空間保持相對(duì)靜止?？梢赃M(jìn)行疊加，得到的合成磁動(dòng)勢(shì)也是同轉(zhuǎn)速、同轉(zhuǎn)向、同極對(duì)數(shù)的基波旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。合成磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生氣隙磁通。關(guān)于諧波磁動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的諧波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)極對(duì)數(shù)多，轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子相同，在定子繞組中感應(yīng)諧波電動(dòng)勢(shì)。定子繞組采用短距和分布后，諧波電動(dòng)勢(shì)被大幅削弱，可以不考慮。定子繞組產(chǎn)生的諧波磁動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、極對(duì)數(shù)都不一樣。諧波磁通與勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)無固定作用，不能直接合成。定子繞組諧波磁動(dòng)勢(shì)在定子繞組中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)的頻率仍為基波頻率，所以將在漏磁通中考慮。對(duì)稱負(fù)載時(shí)的電樞反應(yīng)主要考慮基波電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa

對(duì)基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff1的作用。負(fù)載性質(zhì)不同，電樞反應(yīng)的性質(zhì)也不同?？蛰d電動(dòng)勢(shì)與相電流的夾角

稱為內(nèi)功率因數(shù)角。內(nèi)功率因數(shù)角

與電機(jī)內(nèi)阻抗、負(fù)載阻抗有關(guān)。對(duì)稱負(fù)載時(shí)的電樞反應(yīng)在圖示時(shí)刻，確定勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)矢量Ff1的位置。確定空載電動(dòng)勢(shì)相量的位置。由＝0，確定電流相量的位置。確定電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa，求得合成磁動(dòng)勢(shì)F＝Ff1＋Fa

。＝0時(shí)對(duì)稱負(fù)載時(shí)的電樞反應(yīng)通過磁極中心線的軸線稱為直軸（d軸），相鄰磁極之間的中心線為交軸（q軸）（d軸與q軸相距90空間電角度）。此時(shí)電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa位于交軸，稱為交軸電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)。＝0時(shí)交軸電樞反應(yīng)的性質(zhì)——交磁作用：使合成磁動(dòng)勢(shì)F

偏離d

軸一個(gè)

角；且幅值F

＞Ff1

。對(duì)稱負(fù)載時(shí)的電樞反應(yīng)電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa

位于直軸，稱為直軸電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)。電樞反應(yīng)性質(zhì)：直軸去磁（與Ff1方向相反，起去磁作用）。＝90時(shí)對(duì)稱負(fù)載時(shí)的電樞反應(yīng)電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa

是直軸電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)。電樞反應(yīng)性質(zhì)：直軸增磁（與Ff1方向相同，起增磁作用）。＝－90時(shí)對(duì)稱負(fù)載時(shí)的電樞反應(yīng)0＜＜90時(shí)（任意角度）Fa可分解為2個(gè)分量：直軸電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)分量Fad；交軸電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)分量Faq

。電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa既不位于直軸，也不位于交軸。對(duì)稱負(fù)載時(shí)的電樞反應(yīng)直軸電樞反應(yīng)性質(zhì)：直軸去磁。交軸電樞反應(yīng)性質(zhì)：交磁作用。0＜＜90時(shí)（任意角度）由電樞反應(yīng)可以定性地看出：負(fù)載的性質(zhì)影響氣隙合成磁動(dòng)勢(shì)F（幅值和空間相位），從而影響F在電樞繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。Fa＝Fad＋Faq8.4凸極同步發(fā)電機(jī)的雙反應(yīng)理論和相量圖凸極同步發(fā)電機(jī)的雙反應(yīng)理論凸極同步電機(jī)氣隙不均勻，空間上正弦分布的磁動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生的氣隙磁通密度波不是正弦分布的，會(huì)發(fā)生畸變。即使分解得到基波磁通密度波，與產(chǎn)生它的基波磁動(dòng)勢(shì)也不同相。面臨的問題凸極同步發(fā)電機(jī)的雙反應(yīng)理論同樣的合成磁動(dòng)勢(shì)，作用在不同的位置，產(chǎn)生的氣隙磁通密度波是不同的?；庀洞磐芏鹊姆岛涂臻g相位，與合成氣隙磁動(dòng)勢(shì)的幅值與空間相位都有關(guān)。合成氣隙磁動(dòng)勢(shì)與負(fù)載的大小和性質(zhì)有關(guān)，其大小和相位會(huì)隨負(fù)載的不同而變化。無法由合成磁動(dòng)勢(shì)求出氣隙磁通密度波，再得到感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。不能直接用空載特性求電動(dòng)勢(shì)。凸極同步發(fā)電機(jī)的雙反應(yīng)理論啟示：勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的氣隙磁通密度氣隙不均勻，即使不飽和，正弦分布的基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)，也將產(chǎn)生非正弦分布的氣隙磁通密度波。對(duì)非正弦分布的氣隙磁通密度波進(jìn)行分解，得到其基波?；庀洞磐芏炔˙0與基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff1同相位，F(xiàn)f1與E0有確定的數(shù)量關(guān)系。凸極同步發(fā)電機(jī)的雙反應(yīng)理論由上面可以得到啟發(fā)：如果磁動(dòng)勢(shì)恰好作用在磁路的對(duì)稱軸線上時(shí)，如d軸或q軸，則基波磁動(dòng)勢(shì)與其產(chǎn)生的基波磁通密度相位相同，并有確定的數(shù)量關(guān)系。凸極同步發(fā)電機(jī)的雙反應(yīng)理論雙反應(yīng)理論（布朗戴爾雙反應(yīng)法）將基波電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa分解成兩個(gè)磁動(dòng)勢(shì)：直軸電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)Fad，作用在直軸上；交軸電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)Faq，作用在交軸上。Fa＝Fad＋Faq凸極同步發(fā)電機(jī)的雙反應(yīng)理論雙反應(yīng)理論（布朗戴爾雙反應(yīng)法）目的是使交、直軸磁動(dòng)勢(shì)分量作用的磁路固定。利用磁路對(duì)稱性，使基波磁通密度的相位與基波磁動(dòng)勢(shì)的相同。解決了因氣隙不均勻而產(chǎn)生的問題。凸極同步發(fā)電機(jī)的雙反應(yīng)理論此方法的理論基礎(chǔ)是疊加定理，所以不能考慮磁路的飽和作用。兩個(gè)磁動(dòng)勢(shì)作用在各自的磁路上，分別產(chǎn)生氣隙磁通密度，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。Fad＝Fa

sinFaq

＝Fa

cos直軸、交軸電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)雙反應(yīng)理論凸極同步發(fā)電機(jī)的雙反應(yīng)理論基于雙反應(yīng)理論的電磁關(guān)系將電樞電流也分解為兩個(gè)分量，分別產(chǎn)生兩個(gè)磁動(dòng)勢(shì)分量。Id＝I

sin，Iq

＝I

cos凸極發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)相量圖電壓方程式Xad

、Xaq分別為直、交軸電樞反應(yīng)電抗。用電抗參數(shù)表示電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電樞電流的關(guān)系。凸極發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)相量圖電動(dòng)勢(shì)相量圖Xd

、Xq分別為直、交軸同步電抗。Xd

＝X

＋

Xad

，Xq

＝X

＋

Xaq問題：角未知，則電流無法分解？凸極發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)相量圖電動(dòng)勢(shì)相量圖的作法o與