電機(jī)學(xué)課件第9章同步電機(jī)(電氣專業(yè)2013)

1、2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室1第第 九九 章章同同 步步 電電 機(jī)機(jī) 2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室2同步電機(jī)分類：同步電機(jī)分類：旋轉(zhuǎn)電樞式旋轉(zhuǎn)電樞式：電樞旋轉(zhuǎn)，磁極固定，因電樞功率：電樞旋轉(zhuǎn)，磁極固定，因電樞功率不易由滑動(dòng)部分送出，只適于較小容量發(fā)電機(jī)，不易由滑動(dòng)部分送出，只適于較小容量發(fā)電機(jī)，實(shí)用少。實(shí)用少。旋轉(zhuǎn)磁極式旋轉(zhuǎn)磁極式：磁極旋轉(zhuǎn)，電樞固定，電樞功率由：磁極旋轉(zhuǎn)，電樞固定，電樞功率由靜止部分送出，可傳送較大功率，實(shí)用廣，是同靜止部分送出，可傳送較大功率，實(shí)用廣，是同步發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)型式。步發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)型式。同步電機(jī)同步電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁極

2、式旋轉(zhuǎn)磁極式隱極式隱極式轉(zhuǎn)子：不計(jì)齒槽時(shí)氣隙均勻；機(jī)械強(qiáng)度高，轉(zhuǎn)子：不計(jì)齒槽時(shí)氣隙均勻；機(jī)械強(qiáng)度高，適用于高轉(zhuǎn)速；一般用于汽輪發(fā)電機(jī)；外形細(xì)長。適用于高轉(zhuǎn)速；一般用于汽輪發(fā)電機(jī)；外形細(xì)長。凸極式凸極式轉(zhuǎn)子：氣隙不均勻，極弧下較小，極間較大；轉(zhuǎn)子：氣隙不均勻，極弧下較小，極間較大；機(jī)械強(qiáng)度比隱極機(jī)低，適用于低轉(zhuǎn)速；一般用于水機(jī)械強(qiáng)度比隱極機(jī)低，適用于低轉(zhuǎn)速；一般用于水輪發(fā)電機(jī)，外形扁盤形。輪發(fā)電機(jī)，外形扁盤形。2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室3同同 步步 電電 機(jī)機(jī)概述（基本結(jié)構(gòu)和工作原理）概述（基本結(jié)構(gòu)和工作原理）同步電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的電磁關(guān)系同步電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的電磁關(guān)系同步電動(dòng)機(jī)的

3、起動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)的特性同步電動(dòng)機(jī)的特性同步電動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩關(guān)系同步電動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩關(guān)系同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行同步發(fā)電機(jī)的特性同步發(fā)電機(jī)的特性同步發(fā)電機(jī)的電勢方程式和相量圖同步發(fā)電機(jī)的電勢方程式和相量圖同步發(fā)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩關(guān)系同步發(fā)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩關(guān)系2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室4定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子滑環(huán)滑環(huán)氣隙氣隙旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和異步電機(jī)定的結(jié)構(gòu)和異步電機(jī)定子一樣。定子鐵心和子一樣。定子鐵心和繞組又稱為電樞鐵心繞組又稱為電樞鐵心和電樞繞組。和電樞繞組。 一、一、 同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)9.1 9

4、.1 概概 述述2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室52021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室6凸極同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室7裝配圖2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室82021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室92021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室102021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室112021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室122021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室13 定子鐵心是由硅鋼片疊成，它構(gòu)成電機(jī)磁路的一部分。 電樞繞組是三相

5、對稱繞組，由高強(qiáng)度漆包線繞成，它構(gòu)成電機(jī)的電路。2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室142021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室15 同步電機(jī)的定子鐵芯是由硅鋼片沖制后同步電機(jī)的定子鐵芯是由硅鋼片沖制后疊裝而成。當(dāng)大型同步電機(jī)沖片外圓的疊裝而成。當(dāng)大型同步電機(jī)沖片外圓的直徑大于直徑大于1m時(shí)，由于材料標(biāo)準(zhǔn)尺寸的限時(shí)，由于材料標(biāo)準(zhǔn)尺寸的限制，必須做成制，必須做成 扇形沖片，然后按圓周拼扇形沖片，然后按圓周拼合起來疊裝而成。合起來疊裝而成。 如圖所示：如圖所示：2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室16UV WU VWVWWUUVUUWVVW Y 接法接法

6、 接法接法WWUVVU接線盒接線盒注意：首尾端不能接反！注意：首尾端不能接反！定定 子子 三三 相相 繞繞 組組 接接 線線 方方 式式WUVU VWU 定定 子子UVVWW2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室172. 轉(zhuǎn)子：由鐵心、直流勵(lì)磁繞組、滑環(huán)和電刷等構(gòu)成。按結(jié)構(gòu)型式分成凸極式轉(zhuǎn)子和隱極式轉(zhuǎn)子這是根據(jù)定轉(zhuǎn)子之間的氣隙的分布情況來定義的。2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室18凸極結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的優(yōu)點(diǎn)是制造方便，缺點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度較差，因此多用在離心力較小，轉(zhuǎn)速較低的中小型電機(jī)中或用在水輪發(fā)電機(jī)中。凸凸 極極 式式 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 子子2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電

7、力電子教研室19隱隱 極極 式式 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 子子2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室20隱隱 極極 式式 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 子子 隱極轉(zhuǎn)子的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度好，但是制造工藝較復(fù)雜，因此多用在離心力較大、轉(zhuǎn)速較高的電機(jī)中。例如汽輪發(fā)電機(jī)多采用隱極結(jié)構(gòu)。2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室21凸凸 極極 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 子子隱隱 極極 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 子子d軸q軸d軸q軸特點(diǎn)：氣隙不均勻特點(diǎn)：氣隙均勻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 子子 結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu) 特特 點(diǎn)點(diǎn)2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室22 3 冷卻問題簡述冷卻問題簡述 ： 在中、小型電機(jī)中，都采用空氣作為冷卻介質(zhì)。當(dāng)電機(jī)的容量很大時(shí)，電機(jī)內(nèi)部的損耗及發(fā)

8、熱量迅速增加，冷卻問題顯得格外重要，此時(shí)必須加強(qiáng)通風(fēng)或采用其他的冷卻方式。 * 在大型汽輪發(fā)電機(jī)中，為了提高其冷卻效率，往往用氫氣冷卻，但是氫氣與空氣混合后，有爆炸危險(xiǎn)，必須有一套控制設(shè)備來保證外界空氣不會(huì)滲入到電機(jī)內(nèi)部。 目前在更大容量的發(fā)電機(jī)中，可以采用導(dǎo)線內(nèi)部直接冷卻。例如采用空心導(dǎo)體（如圖），冷卻介質(zhì)直接在導(dǎo)體中流通而把熱量帶走，這樣能更有效地降低電機(jī)的溫升。所采用的冷卻介質(zhì)一般有氫氣 及水等。 2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室234 同步電機(jī)的額定值同步電機(jī)的額定值同步電機(jī)的額定值有：1）額定電壓：是指在正常運(yùn)行時(shí)，按照制造廠的規(guī)定，定子三相繞組上的線電壓。電壓的

9、單位用V或kV表示。2）額定電流：額定運(yùn)行時(shí)流過定子繞組的線電流 。3）額定功率：是指在正常運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的輸出功率 。發(fā)動(dòng)機(jī)指的是輸出的有功功率，電動(dòng)機(jī)指的是軸上輸出的機(jī)械功率2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室24額定功率、電壓、電流、效率、功率因數(shù)之間的關(guān)系為：A：對于發(fā)電機(jī)而言：輸出的是電功率。B：對于電動(dòng)機(jī)而言：輸出的是機(jī)械功率。單位是KW。4） 相數(shù)m ：一般m=3。5） 額定頻率:我國額定工業(yè)頻率規(guī)定 =50Hz.310cos3NNNNIUP310cos3NNNNNIUPNf2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室25 6 6）額定轉(zhuǎn)速：額定轉(zhuǎn)速即為電機(jī)

10、的同步）額定轉(zhuǎn)速：額定轉(zhuǎn)速即為電機(jī)的同步速，在一定極數(shù)及頻率時(shí)，它的轉(zhuǎn)速是速，在一定極數(shù)及頻率時(shí)，它的轉(zhuǎn)速是定值。定值。pfnNN602021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室26二、同步電機(jī)的工作原理二、同步電機(jī)的工作原理 1、 電動(dòng)機(jī)： 定子三相對稱繞組，加三相對稱電壓，流入三相對稱電流，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場N1、 S1 。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為pf60n11 轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組，加直流電壓，產(chǎn)生恒定磁場N2、 S2 。 定子磁場N1、 S1 與轉(zhuǎn)子磁場N2、 S2 之間產(chǎn)生磁拉力，從而產(chǎn)生電磁力矩拖動(dòng)轉(zhuǎn)子與定子磁場同步旋轉(zhuǎn)同步旋轉(zhuǎn)。原理動(dòng)畫原理動(dòng)畫2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研

11、室272 2、同步發(fā)電機(jī)的工作原理、同步發(fā)電機(jī)的工作原理 如圖所示，外部直流電源通過滑環(huán)向如圖所示，外部直流電源通過滑環(huán)向轉(zhuǎn)子提供直流勵(lì)磁電流，并產(chǎn)生磁場；原轉(zhuǎn)子提供直流勵(lì)磁電流，并產(chǎn)生磁場；原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速動(dòng)機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n n按圖示方向按圖示方向作恒向旋轉(zhuǎn)。作恒向旋轉(zhuǎn)。 定子中三相繞組的導(dǎo)體依定子中三相繞組的導(dǎo)體依次切割磁力線，三相繞組便感次切割磁力線，三相繞組便感應(yīng)產(chǎn)生各相大小相等、相位彼應(yīng)產(chǎn)生各相大小相等、相位彼此相差此相差1201200 0的交流電動(dòng)勢。的交流電動(dòng)勢。若若氣隙磁通密度按正弦波分布?xì)庀洞磐芏劝凑也ǚ植?，則三相繞組感應(yīng)電動(dòng)勢波形如則三相繞組感應(yīng)電動(dòng)勢

12、波形如圖所示，且相序?yàn)閳D所示，且相序?yàn)锳BABC C。（1 1）交變感應(yīng)電動(dòng)勢的產(chǎn)生）交變感應(yīng)電動(dòng)勢的產(chǎn)生每相感應(yīng)電勢有效值每相感應(yīng)電勢有效值: : 01044. 4NfNKE2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室28. .（2 2）感應(yīng)電勢的頻率）感應(yīng)電勢的頻率 交流電動(dòng)勢的頻率交流電動(dòng)勢的頻率f f可這樣確定可這樣確定: :當(dāng)轉(zhuǎn)子為當(dāng)轉(zhuǎn)子為1 1對極時(shí)，轉(zhuǎn)子旋對極時(shí)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，定子繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢變化一個(gè)周期；當(dāng)同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)一周，定子繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢變化一個(gè)周期；當(dāng)同步發(fā)電機(jī)具有具有p p對極時(shí)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，感應(yīng)電動(dòng)勢就交變對極時(shí)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，感應(yīng)電動(dòng)勢就交變p p個(gè)

13、周期；當(dāng)個(gè)周期；當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為每分鐘轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為每分鐘n n轉(zhuǎn)時(shí)，則交變電動(dòng)勢的頻率為轉(zhuǎn)時(shí)，則交變電動(dòng)勢的頻率為: :60pnf 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速(r/min)(r/min) 由上式可知由上式可知: :同步發(fā)電機(jī)定子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢的同步發(fā)電機(jī)定子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢的頻率頻率取決于取決于它的它的極對數(shù)極對數(shù)p p和和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n n。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高，定子繞組感應(yīng)電勢。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高，定子繞組感應(yīng)電勢E E0 0的頻率越高。即的頻率越高。即 n fn f?？梢?，同步發(fā)電機(jī)極對數(shù)?？梢?，同步發(fā)電機(jī)極對數(shù)p p一定一定時(shí)，轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速n n與電樞電動(dòng)勢的頻率與電樞電動(dòng)勢的頻率f f之間具有嚴(yán)格不

14、變的關(guān)系。之間具有嚴(yán)格不變的關(guān)系。說明說明: : 如果發(fā)電機(jī)作為電源單獨(dú)給負(fù)載供電，對電源頻率的要求并如果發(fā)電機(jī)作為電源單獨(dú)給負(fù)載供電，對電源頻率的要求并不十分嚴(yán)格，對原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速要求也不很嚴(yán)格。不十分嚴(yán)格，對原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速要求也不很嚴(yán)格。 2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室29. .（3 3）同步轉(zhuǎn)速）同步轉(zhuǎn)速 現(xiàn)代的發(fā)電機(jī)，絕大多數(shù)都是向大電網(wǎng)并網(wǎng)供電，這就對同現(xiàn)代的發(fā)電機(jī)，絕大多數(shù)都是向大電網(wǎng)并網(wǎng)供電，這就對同步發(fā)電機(jī)的頻率要求嚴(yán)格了，我國電網(wǎng)頻率為步發(fā)電機(jī)的頻率要求嚴(yán)格了，我國電網(wǎng)頻率為50HZ50HZ，所以發(fā)電機(jī)，所以發(fā)電機(jī)發(fā)出的電動(dòng)勢頻率也必須為發(fā)出的電動(dòng)勢頻率也必

15、須為50HZ50HZ，如果發(fā)電機(jī)的頻率與電網(wǎng)頻率，如果發(fā)電機(jī)的頻率與電網(wǎng)頻率不等將會(huì)造成嚴(yán)重事故。不等將會(huì)造成嚴(yán)重事故。 同步轉(zhuǎn)速從供電品質(zhì)考慮，由眾多同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)構(gòu)成的交同步轉(zhuǎn)速從供電品質(zhì)考慮，由眾多同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)構(gòu)成的交流電網(wǎng)的頻率應(yīng)該是一個(gè)不變的值，這就要求發(fā)電機(jī)的頻率流電網(wǎng)的頻率應(yīng)該是一個(gè)不變的值，這就要求發(fā)電機(jī)的頻率應(yīng)該和電網(wǎng)的頻率一致。我國電網(wǎng)的頻率為應(yīng)該和電網(wǎng)的頻率一致。我國電網(wǎng)的頻率為50Hz 50Hz ，故有：，故有： ppfn300060要使得發(fā)電機(jī)供給電網(wǎng)要使得發(fā)電機(jī)供給電網(wǎng)50Hz50Hz的工頻電能，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速必須的工頻電能，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速必須為某些固定值，這些固定值

16、稱為為某些固定值，這些固定值稱為同步轉(zhuǎn)速同步轉(zhuǎn)速。例如。例如2 2極電機(jī)的同極電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為步轉(zhuǎn)速為3000r/min3000r/min，4 4極電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為極電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為1500r/min1500r/min，依次，依次類推。只有運(yùn)行于同步轉(zhuǎn)速，同步電機(jī)才能正常運(yùn)行，這也類推。只有運(yùn)行于同步轉(zhuǎn)速，同步電機(jī)才能正常運(yùn)行，這也是是同步電機(jī)名稱的由來同步電機(jī)名稱的由來。同步電機(jī)的特點(diǎn)同步電機(jī)的特點(diǎn)2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室30（4 4）. .電磁過程電磁過程 轉(zhuǎn)子沖轉(zhuǎn)到額定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子沖轉(zhuǎn)到額定轉(zhuǎn)速, ,汽輪發(fā)電汽輪發(fā)電3000r/min 3000r/min 轉(zhuǎn)子繞組

17、加轉(zhuǎn)子繞組加勵(lì)磁電流勵(lì)磁電流( (直流直流) ) 產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場 定子繞組切割磁力線產(chǎn)定子繞組切割磁力線產(chǎn)生三相對稱感應(yīng)電勢生三相對稱感應(yīng)電勢 發(fā)電機(jī)出線端三相對稱電壓。發(fā)電機(jī)出線端三相對稱電壓。 （5 5）. .電勢的調(diào)節(jié)電勢的調(diào)節(jié) 根據(jù)根據(jù)E E0 0=4.44fNk=4.44fNkN1N10 0 和和I If f 0 0可知，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流可知，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流I If f，可改變磁通可改變磁通0 0，從而改變定子繞組感應(yīng)電勢，從而改變定子繞組感應(yīng)電勢E E0 0。即。即I If fEE0 0；I If f E E0 0。（6 6）. .相序相序 相序決定于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向。從勵(lì)磁端看，汽

18、輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)向相序決定于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向。從勵(lì)磁端看，汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)向?yàn)槟鏁r(shí)針方向。為逆時(shí)針方向。 同步發(fā)電機(jī)原理小結(jié)同步發(fā)電機(jī)原理小結(jié): :外部直流電源通過滑環(huán)向轉(zhuǎn)子提供直外部直流電源通過滑環(huán)向轉(zhuǎn)子提供直流勵(lì)磁電流，并產(chǎn)生磁場；原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子磁極磁場流勵(lì)磁電流，并產(chǎn)生磁場；原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子磁極磁場切割三相定子繞組，感應(yīng)三相交流電。切割三相定子繞組，感應(yīng)三相交流電。2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室31在同步電機(jī)的氣隙中存在著兩種不同的旋轉(zhuǎn)磁場，只要這兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場在空間有位移，它們之間便會(huì)有電磁力，猶如兩塊磁鐵之間存在相互作用力一樣。同步電機(jī)的運(yùn)行方式 同步電機(jī)在

19、工作時(shí)，由于兩種旋轉(zhuǎn)磁場之間沒有相對運(yùn)動(dòng)，因此它們之間的相互位置決定著同步電機(jī)的運(yùn)行情況： 如轉(zhuǎn)子磁場在前，則當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，便拉著定子磁場旋轉(zhuǎn)，這時(shí)轉(zhuǎn)子磁場超前電樞磁場，這便是發(fā)電機(jī)運(yùn)行； 反之定子磁場旋轉(zhuǎn)拉著轉(zhuǎn)子磁場旋轉(zhuǎn)，便是電動(dòng)機(jī)運(yùn)行情況。 同步電機(jī)的作用力 2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室32旋轉(zhuǎn)，電磁力矩對轉(zhuǎn)子來說是阻力矩。轉(zhuǎn)子在原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下克服阻力矩，將轉(zhuǎn)子邊機(jī)械能轉(zhuǎn)化為定子邊電能。 2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室33u減少原動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率，減小，不計(jì)空載損耗，減小到 0 時(shí)，電機(jī)處于理想空載狀態(tài)，既不向電網(wǎng)提供有功，也不吸收電網(wǎng)有功。2

20、021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室34把原動(dòng)機(jī)撤掉并在轉(zhuǎn)子上加機(jī)械負(fù)載，F(xiàn)f 落后于F ，F(xiàn)拖著Ff一起旋轉(zhuǎn)，電磁力矩對轉(zhuǎn)子來說是動(dòng)力矩，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子上的機(jī)械負(fù)載作機(jī)械功，將電能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子邊機(jī)械能。2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室35afffaFFFFIFI 電樞反應(yīng): 電樞磁通勢的基波在氣隙中使氣隙磁通的大小及位置均發(fā)生變化, 這種影響稱為電樞反應(yīng).9.2 同步電機(jī)的電磁關(guān)系同步電機(jī)的電磁關(guān)系9.2.1同步電機(jī)的電樞反應(yīng)同步電機(jī)的磁通勢2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室36勵(lì)磁磁勢和電樞磁勢的區(qū)別磁勢類別基波波形大小位置轉(zhuǎn)速勵(lì)磁磁勢正弦波恒定

21、，勵(lì)磁電流決定由轉(zhuǎn)子位置決定由原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定電樞反應(yīng)磁勢正弦波恒定，由電樞電流決定由電流瞬時(shí)值決定由電流的f和P決定2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室37 先以同步發(fā)電機(jī)為例，分析一下它的空載運(yùn)行及負(fù)載運(yùn)行情況2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室38磁化曲線。實(shí)質(zhì)上是同步發(fā)電機(jī)的，所以，空載特性曲線，為為空載特性曲線，又因稱為磁化特性曲線，正比于電勢有效值定子繞組里產(chǎn)生的空載，這時(shí)電流為的速度旋轉(zhuǎn)，假設(shè)定子，相對于定子繞組以勵(lì)磁磁勢產(chǎn)生電流恒速旋轉(zhuǎn)，由直流勵(lì)磁同步轉(zhuǎn)速假設(shè)同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子以ffffffIFEIfEFfEnFIn00000011)()(02021

22、年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室39空載特性（E0）2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室40相對位置即相位關(guān)系之間的的影響，必須知道兩者對要確定相同，即相對靜止。轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向個(gè)同速旋轉(zhuǎn)磁勢，它們出現(xiàn)了，這樣發(fā)電機(jī)氣隙里轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速產(chǎn)生一旋轉(zhuǎn)磁場，中通過三相對稱電流，定子三相對稱繞組同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)012FFna2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室41。角下對勵(lì)磁磁勢的影響在不同的三相電流產(chǎn)生的磁勢下面分析一對極的電機(jī)的影響也不同，對的相位不同，與的相位關(guān)系表示與可以勢的相位關(guān)系與電流同相，則兩個(gè)磁產(chǎn)生的電樞磁勢表示。負(fù)載電流以的相位差與空載電勢負(fù)

23、載電流，滯后勵(lì)磁磁通空載感應(yīng)電勢afaaFFFIEIEFIEIE00000.902021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室42準(zhǔn)備工作 三個(gè)角 四個(gè)軸 :.:)(;,:;,:00三者關(guān)系的時(shí)間相位角與是功角功率角與負(fù)載有關(guān)的時(shí)間相位角與是外功率因數(shù)角與電機(jī)參數(shù)及負(fù)載有關(guān)的時(shí)間相位角與是內(nèi)功率因數(shù)角UEIUIE直軸（縱軸、d 軸） ：主磁極軸線位置。 交軸（橫軸、q 軸） ：與直軸成 900電角度的位置。 相軸： 每相繞組的軸線位置。 時(shí)軸: 時(shí)間相量在其上投影可得瞬時(shí)值 2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室43+90+900 0FFad軸軸q軸軸 交軸交軸A AX X

24、 Z ZB BCYFfNS 交軸電樞反應(yīng)此時(shí)此時(shí)A A相繞組勵(lì)磁電動(dòng)勢為相繞組勵(lì)磁電動(dòng)勢為最大值，其方向按右手定最大值，其方向按右手定則確定。因?yàn)閯t確定。因?yàn)?=0=0 ，所以，所以此瞬間此瞬間A A繞組中的電流也達(dá)繞組中的電流也達(dá)到最大值。到最大值。這種電樞磁動(dòng)勢稱為交軸電樞磁動(dòng)勢，用Faq表示，相應(yīng)的電樞反應(yīng)稱為交軸電樞反應(yīng)。內(nèi)功率因數(shù)角內(nèi)功率因數(shù)角=00對于氣隙磁場交軸電樞反應(yīng)將使合成磁場的軸線位置從空載時(shí)的直軸處逆轉(zhuǎn)向后移了一個(gè)銳角，且幅值也有所增加。但因磁路的飽和現(xiàn)象，交軸電樞反應(yīng)使幅值增加的很小。2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室44首端流入，尾端流出；，相電流和

25、電勢相位都為；，首端流入，尾端流出，為相電流和電勢相位都首端流出，尾端流入；，相電流和電勢相位都為同相，與化，假設(shè)電流按正弦規(guī)律變0150030090000CBAOAAiCiBiAEI2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室45時(shí)空相量圖同步電機(jī)的電樞反應(yīng)BI.AI.CI.AE0.時(shí)軸CE0.B0.E時(shí)軸：若取某軸為時(shí)間參考軸時(shí)，則旋轉(zhuǎn)相量 I2在該軸上的投影即為電流的瞬時(shí)值，即當(dāng)相量與該軸重合時(shí)，正弦量達(dá)到最大值。 相軸：繞組的軸線。當(dāng)某相電流達(dá)到最大值時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁勢的幅值就落在該相繞組的軸線上。 2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室46同理若忽略鐵心飽和的影響：

26、這時(shí)應(yīng)有 可從勵(lì)磁磁勢和電樞磁勢分別求出勵(lì)磁電勢和電樞反應(yīng)電勢，即同步電機(jī)的電樞反應(yīng)100ffFBE 11aaaaFBE a0相應(yīng)地有 EEEa0應(yīng)注意：這里所述的所有的時(shí)間相量都是屬于定子中某一相中的物理量。當(dāng)各相時(shí)軸和相軸都取在繞組的軸線上時(shí)，時(shí)空相量圖存在下列關(guān)系。 2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室47同步電機(jī)的電樞反應(yīng)同步電機(jī)的電樞反應(yīng)FaF 0I aE E0Ea Ff =0時(shí)的時(shí)的時(shí)時(shí)空相量圖空相量圖2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室48同步電機(jī)的電樞反應(yīng)同步電機(jī)的電樞反應(yīng)(1)磁通相量(時(shí)間相量)應(yīng)與產(chǎn)生它的磁密相量(空間相量)重合； 相量圖的

27、畫法：(2)忽略鐵心中的損耗影響時(shí)，磁通相量應(yīng)與產(chǎn)生它的電流相量同相位；(3)當(dāng)磁通與感應(yīng)電勢正方向符合右手螺旋法則時(shí)，電勢滯后于產(chǎn)生它的磁通90。 而磁勢與產(chǎn)生它的電流重合。(時(shí)軸與相軸取在一起)2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室49當(dāng)當(dāng)E0超前超前I 90（內(nèi)功率因數(shù)角內(nèi)功率因數(shù)角=900）時(shí)軸AE0.CE0.BE0.AI.CI.BI.d軸q軸 A軸A AX XZ ZB BCYFfNS直軸去磁電樞反應(yīng)直軸去磁電樞反應(yīng)Fa2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室50首端流出，尾端流入；，相位為，電流相電勢相位都為；，首端流入，尾端流出，時(shí)，電流相位相電勢相位為，

28、時(shí)，電流為相電勢相位為，落后, 02401500120300090900000000CCBAOAAiiCiBiAEI2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室51 內(nèi)功率因數(shù)角內(nèi)功率因數(shù)角=-900時(shí)軸AE0.CE0.BE0.CI.BI.AI.d軸q軸 A軸A AX XZ ZB BCYFfNS直軸助磁電樞反應(yīng)直軸助磁電樞反應(yīng)Fa2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室52首端流入，尾端流出；，相位為，電流相電勢相位都為；，首端流出，尾端流入，時(shí)，電流相位相電勢相位為，時(shí)，電流為相電勢相位為，超前, 06015006030018090900000000CCBAOAAiiCi

29、BiAEI2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室53 內(nèi)功率因數(shù)角內(nèi)功率因數(shù)角00900 時(shí)軸AE0.CE0.BE0.AI.CI.BI.d軸q軸 A軸A AX XZ ZB BCYFfNS既有交軸又有直軸去磁電樞反應(yīng)+90+900 0Fa2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室54AE0.CE0.BE0.AI.CI.BI.2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室55IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIdqccdcqbbdbqaadaqcqbqaqdcdbdadcbaccqbbqaaqccdbbdaad即寫成相量式：令交軸分

30、量直軸分量;cos;sin,cos,cos,cossin,sin,sin2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室56aqadaaaqaadaqadqdaFFFFFFFFFIIFI的合成，和分別產(chǎn)生的兩個(gè)磁勢和量看成電樞電流的兩個(gè)分可以所建立的電樞磁勢這樣由cossin2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室57 電樞磁勢和電樞電流分量 coscossinsinIIFFIIFFIIIFFFqaaqdaadqdaqada交軸分量直軸分量2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室58同步電機(jī)的電樞反應(yīng)同步電機(jī)的電樞反應(yīng)電樞反應(yīng)的重要性電樞反應(yīng)是同步電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)重要

31、的物理現(xiàn)象，它不僅是引起負(fù)載時(shí)端電壓變化時(shí)的主要原因，而且也是實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的樞紐；考慮電樞反應(yīng)作用，負(fù)載時(shí)電樞繞組中的感應(yīng)電勢將由氣隙合成磁場建立，氣隙電勢減去漏阻抗壓降，便得到端電壓。下圖表示了不同負(fù)載性質(zhì)時(shí)，電樞磁場與轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生電磁力（即電磁轉(zhuǎn)矩）的情況。 圖為=0時(shí)電樞磁場即交軸電樞磁場對轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的情況； 2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室59當(dāng)忽略電機(jī)本身參數(shù), =00, 有功電流產(chǎn)生電磁力, 并形成電磁轉(zhuǎn)矩TaqII2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室60同步電機(jī)的電樞反應(yīng)AXBYZCNS =0 由左手定則可知，這時(shí)的電磁力將構(gòu)成一個(gè)電

32、磁轉(zhuǎn)矩，它的方向正好和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反，企阻止轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)；交軸電樞磁場是由與空載電勢同相的電流分量即電流的有功分量Iq產(chǎn)生的。 n發(fā)電機(jī)要輸出有功功率，原動(dòng)機(jī)就必須克服由于有功分量引起的交軸電樞反應(yīng)磁場對轉(zhuǎn)子的阻力矩； 輸出的有功功率越大，交軸電樞反應(yīng)磁場越強(qiáng)，所產(chǎn)生的阻力矩也就越大，原動(dòng)機(jī)要輸入更大的能量才能克服電磁阻力矩，以維護(hù)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不變。 2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室61同步電機(jī)的電樞反應(yīng)AXBYZCNS=90n電樞電流的無功分量Id所產(chǎn)生的直軸電樞反應(yīng)磁場與轉(zhuǎn)子電流相互作用產(chǎn)生的電磁力，并不形成力矩，不妨礙轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)； 當(dāng)=90時(shí)電樞磁場即直軸電樞磁場對轉(zhuǎn)子電流

33、產(chǎn)生的電磁力情況； 2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室62同步電機(jī)的電樞反應(yīng)同步電機(jī)的電樞反應(yīng)所以，為了維持發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，必須隨負(fù)載的有功分量變化調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)的輸入功率；為了維護(hù)發(fā)電機(jī)端電壓不變，必須隨著負(fù)載無功分量的變化，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁電流。 為維護(hù)一定端電壓，所需的轉(zhuǎn)子直流勵(lì)磁電流就應(yīng)增加或減少。表明：當(dāng)發(fā)電機(jī)供給純感性和純?nèi)菪詿o功功率負(fù)載時(shí)，并不需要原動(dòng)機(jī)付出功率，但直軸電樞反應(yīng)磁場對轉(zhuǎn)子磁場起去磁或助磁作用；2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室63 9.3 9.3 同同 步步 電電 動(dòng)動(dòng) 機(jī)機(jī)1.掌握同步電動(dòng)機(jī)的分析方法及分析結(jié)果。2. 掌握功角的概念

34、及意義，矩角特性及其應(yīng)用。3.熟練掌握同步電動(dòng)機(jī)的U型曲線及其意義。4. 掌握工作特性中的cos=f（P2）曲線形狀及其意義。5.了解同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法；了解其他同電機(jī) 。要求：要求：2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室64n同步電機(jī)的另一種重要的運(yùn)行方式。n轉(zhuǎn)速恒定為同步轉(zhuǎn)速，同負(fù)載大小無關(guān)，調(diào)節(jié)電源頻率可以調(diào)速。n功率因數(shù)可以任意調(diào)節(jié)（調(diào)If） ，雙邊勵(lì)磁，無功從定子和轉(zhuǎn)子兩邊提供，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流使同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)從滯后到超前范圍內(nèi)平滑改變。n與異步電動(dòng)機(jī)比，氣隙大，電抗小，過載能力強(qiáng)(x小，Pemax大），靜態(tài)穩(wěn)定好。2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室

35、65UTmax2UT 2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室66u廣泛應(yīng)用于拖動(dòng)恒速機(jī)械負(fù)載。小型同步電機(jī)廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中，如步進(jìn)同步電機(jī)、永磁同步機(jī)等，尤其永磁同步機(jī)近年來作為發(fā)電機(jī)引起極大的關(guān)注，風(fēng)力發(fā)電作為綠色能源之一，已在世界上和我國得到一定的應(yīng)用，風(fēng)力發(fā)電采用永磁同步發(fā)電機(jī)有重量輕、可靠性和效率高的優(yōu)點(diǎn)。 2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室67一、凸極式同步電動(dòng)機(jī)的雙反應(yīng)原理通的情況。在電機(jī)主磁路里產(chǎn)生磁和單獨(dú)考慮，橫軸電樞磁勢縱軸電樞磁勢分成兩個(gè)分量：，可以把與轉(zhuǎn)子之間無相對運(yùn)動(dòng)由于電樞磁勢aqadaqadaaqadaaFFFFFFFFF20

36、21年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室68IPNkFNa22423電樞磁勢的大小為：dNadIPNkF22423：縱軸電樞磁勢的大小為qNaqIPNkF22423：橫軸電樞磁勢的大小為qdIII2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室69 二、凸極同步電動(dòng)機(jī)的電勢平衡方程式二、凸極同步電動(dòng)機(jī)的電勢平衡方程式1、電動(dòng)勢：、電動(dòng)勢：；稱為橫軸電樞反應(yīng)電抗；稱為縱軸電樞反應(yīng)電抗同理，因磁路線性，抗。是定子繞組一相的漏電；是定子繞組一相的電阻aqadaqqaqaddaddaddadadadadadaqadxxxI jExI jEIEIFFExrjxrIEEEU,)(11.11.0

37、2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室70稱為橫軸同步電抗稱為縱軸同步電抗，得到，可忽略電阻當(dāng)同步電機(jī)容量較大時(shí)）（）（）（）（代入，得將1.1.0.111.1.0.11.0.11.0.;)()(xxxxxxxIjxIjEUrrIIxxIjxxIjEjxrIIxIjxIjEUIIIjxrIxIjxIjEUaqqaddqqddqdaqqaddqdaqqaddqdaqqadd2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室71IqIUE0Ff =0時(shí)的時(shí)的時(shí)時(shí)空相量圖空相量圖.0.qqddxIjxIjEUddxI j已知已知E0、I，I 超前超前 E0IdqqxI j2021年1

38、2月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室72凸極電動(dòng)機(jī)的電磁過程fIfF00EqIdIadFaqFadaqaddadxI jEaqqaqxI jEI)(11jxrIU1xI jE2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室73凸極發(fā)電機(jī)的電磁過程fIfF00EIqIdIadFaqFadaqadEaqEEEarI2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室74三、 隱極同步電動(dòng)機(jī).0.0.11.0.,)(sqdqqddssqdqdaqqaddxIIjExIjxIjEUxxxxIIIjxrIxIjxIjEU）（步電抗。為隱極同步電動(dòng)機(jī)的同于氣隙均勻，對隱極同步電動(dòng)機(jī)，由代入，得將2

39、021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室752021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室76輸入功率P1機(jī)械損機(jī)械損耗耗p pm m附加損耗ps鐵損pFe電磁功率PM定子銅損pcu1輸出功率P2SFemSFemMMcuPPPPPPPPPPPP0211)(2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室77一、 電磁功率sin,coscos,sinsinsin3coscos3)cos(3cos3,cos301UxIUExIIIIIUIUIUIUIPUIPPqqddqdMM又2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室782sin)11(23sin3sin)cos(3

40、cossin3sin3cos3200dqddddqMXXUXUEXUEUXUUUIUIP基本分量基本分量附加分量附加分量2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室79二、二、 功角特性功角特性表示最大，用時(shí)，當(dāng)勵(lì)磁電磁功率：勵(lì)勵(lì)凸勵(lì)mMdMMMdqdMPPXUEPPPXXUXUEP002090sin32sin)11(23sin32021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室80)11(23452sin)11(2332020dqmmMdqMdmXXUPPPXXUPXUEP 表示最大，用時(shí)，當(dāng)凸極電磁功率：凸凸2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室81三、 矩角特性s

41、in32sin2)(3sin32sin)11(23sin302020dqdqddMdqdMXUETXXXXUXUEPTXXUXUEP對于隱極式同步電機(jī)2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室82這樣，我們就可以畫出凸極同步電動(dòng)機(jī)的功這樣，我們就可以畫出凸極同步電動(dòng)機(jī)的功角特性曲線。為了結(jié)構(gòu)上的簡單，在某些小角特性曲線。為了結(jié)構(gòu)上的簡單，在某些小容量同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上不安放直流勵(lì)磁繞容量同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上不安放直流勵(lì)磁繞組，因此轉(zhuǎn)子就不能產(chǎn)生磁場，感應(yīng)電勢組，因此轉(zhuǎn)子就不能產(chǎn)生磁場，感應(yīng)電勢 ，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的電磁功率并不為零，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的電磁功率并不為零，仍有仍有 有了電磁功率就有電磁

42、轉(zhuǎn)矩，因此轉(zhuǎn)子沒有勵(lì)磁有了電磁功率就有電磁轉(zhuǎn)矩，因此轉(zhuǎn)子沒有勵(lì)磁的凸極同步電動(dòng)機(jī)也能旋轉(zhuǎn)。的凸極同步電動(dòng)機(jī)也能旋轉(zhuǎn)。00E2sin)11(232dqMXXUP2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室832021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室842021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室85B BA ATLT0Pem(Tem)隱極機(jī)隱極0Pem(Tem)凸極機(jī)凸極機(jī)2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室86 功角功角 既是既是E0與與U之間的夾角之間的夾角，又是合成氣隙磁勢，又是合成氣隙磁勢F

43、與轉(zhuǎn)子磁勢與轉(zhuǎn)子磁勢F 之間的夾角。之間的夾角。S1S2N2N1n1氣隙磁場氣隙磁場 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁極被定子電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁極被定子氣隙磁場牽著以氣隙磁場牽著以n1旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)。 在在0 90內(nèi)，內(nèi)， 越大電越大電磁力矩越大磁力矩越大。2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室87S1S2N2N1n1 當(dāng)當(dāng)氣隙磁場落后氣隙磁場落后轉(zhuǎn)子磁場轉(zhuǎn)子磁場 ( 0)時(shí)，相當(dāng)于時(shí)，相當(dāng)于轉(zhuǎn)子磁場牽轉(zhuǎn)子磁場牽著定子著定子氣隙磁場氣隙磁場n1旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)。 但但定子不動(dòng)，所以轉(zhuǎn)子會(huì)定子不動(dòng)，所以轉(zhuǎn)子會(huì)受到受到制動(dòng)電磁力矩制動(dòng)電磁力矩作用，轉(zhuǎn)子作用，轉(zhuǎn)子必須有外力作用才能正常運(yùn)行，必須有外力作用才能正常運(yùn)行，此

44、時(shí)工作于發(fā)電機(jī)狀態(tài)。此時(shí)工作于發(fā)電機(jī)狀態(tài)。 判斷同步電機(jī)狀態(tài)：順轉(zhuǎn)向，判斷同步電機(jī)狀態(tài)：順轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)子磁場轉(zhuǎn)子磁場落后落后 角角為電動(dòng)狀態(tài)；為電動(dòng)狀態(tài)；轉(zhuǎn)子磁場超前轉(zhuǎn)子磁場超前 角為發(fā)電狀態(tài)。角為發(fā)電狀態(tài)。2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室882021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室89四、同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性及過載能力四、同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性及過載能力B BA ATLTma0Pem(Tem) 同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性運(yùn)行必須滿足：同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性運(yùn)行必須滿足：Tem=TL 。 交點(diǎn)交點(diǎn)AB都滿足：都滿足：Tem=TL 。但只有但只有A點(diǎn)為穩(wěn)定工作

45、點(diǎn)。點(diǎn)為穩(wěn)定工作點(diǎn)。A點(diǎn)：擾動(dòng)使點(diǎn)：擾動(dòng)使nTemTLn失步失步n1S1S2N2N12021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室90 隱極同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定隱極同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定工作區(qū)為：工作區(qū)為： 0 If1時(shí)，過勵(lì)狀態(tài)時(shí)，過勵(lì)狀態(tài)此時(shí)電機(jī)呈純阻性，叫此時(shí)電機(jī)呈純阻性，叫正正常勵(lì)磁狀態(tài)。常勵(lì)磁狀態(tài)。會(huì)增加，其端點(diǎn)沿平會(huì)增加，其端點(diǎn)沿平行的直線上移。行的直線上移。.0Ec.jxI.I）當(dāng)減少）當(dāng)減少If正常勵(lì)正常勵(lì)磁時(shí)磁時(shí),為容性；為容性；Ifxq所以所以E0EQ（感性）感性）2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室132UI ra Ij xqIEQjxdIdE0jxqIqUI

46、ra Ijxq IEQjxdIdjxq IqE0UIra Ijxq IEQjxd Idjxq IqE0 (c) 電電容容性性(a) 電電感感性性(b) 電電阻阻性性 忽略忽略 ra 時(shí)時(shí)UI jxqIEQjxdIdE0jxq IqUIjxq IEQjxdIdjxq IqE0UIjxqIEQjxd Idjxq IqE0 同步發(fā)電機(jī)的負(fù)載運(yùn)行同步發(fā)電機(jī)的負(fù)載運(yùn)行2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室133 忽略電樞電阻，相量圖重畫如下忽略電樞電阻，相量圖重畫如下同步發(fā)電機(jī)的負(fù)載運(yùn)行同步發(fā)電機(jī)的負(fù)載運(yùn)行UI jxqIEQjxdIdE0jxqIq NOG IdIq線段線段ON的長度為的長

47、度為cosONU所以勵(lì)磁電勢所以勵(lì)磁電勢E0 由相量圖可得由相量圖可得 1sincosqIxUtgU0cosddEUI x2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室134例：例：某三相同步發(fā)電機(jī)，已知某三相同步發(fā)電機(jī)，已知UN = 11kV，Y形聯(lián)結(jié)，形聯(lián)結(jié)，IN =460A，cos = 0.8（感性），（感性），xd = 16，xq = 8，ra 忽略不計(jì)。求忽略不計(jì)。求 、 、E0 。 U = UN 3= = 6 351 V 111031.732Vtan = Usin xqIUcos 6 3510.68460 6 3510.8=V = 1.474 = arctan1.474 =

48、55.85o = = 55.85o 36.87o = 18.98o E0 = Ucos xdId = (6 351cos18.98o16460sin 55.85o )V = 12096.63 V同步發(fā)電機(jī)的負(fù)載運(yùn)行同步發(fā)電機(jī)的負(fù)載運(yùn)行解：解：2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室135同步發(fā)電機(jī)的特性同步發(fā)電機(jī)的特性1. 一臺凸極式同步發(fā)電機(jī)，額定值為一臺凸極式同步發(fā)電機(jī)，額定值為PN=72500kW，UN=10.5kV,，Y接法，接法，cos N=0.8（滯后），已知（滯后），已知xd*=1，xq*=0.544，不計(jì)電阻，求，不計(jì)電阻，求額定狀態(tài)下發(fā)電機(jī)的額定狀態(tài)下發(fā)電機(jī)的 、

49、Id*、Iq*及及E0*各為多少？各為多少？2. 有一臺有一臺400kW、6300V、Y接法接法cos N=0.8（滯后）的三相凸極式同步發(fā)電機(jī)，若發(fā)電機(jī)在（滯后）的三相凸極式同步發(fā)電機(jī)，若發(fā)電機(jī)在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí) =60，電樞每相勵(lì)磁電勢為，電樞每相勵(lì)磁電勢為7400V，試求，試求Id、Iq、xd、xq。補(bǔ)充作業(yè)補(bǔ)充作業(yè)2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室1369.4.3 三相同步發(fā)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩三相同步發(fā)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩1. 功率功率(1) 輸入功率輸入功率(2) 空載損耗空載損耗(3) 電磁功率電磁功率(4) 銅損耗銅損耗(5) 輸出功率輸出功率(6)

50、功率關(guān)系功率關(guān)系P1 = T1p0 = pFep psPM = P1p0pCu = 3raI2 P2 = PMpcu = 3UIcos P1 = p0PM = pFep pspCuP2 2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室137(7) 功率流程圖和效率功率流程圖和效率P1p0PMpCuP2 = 100% P2P12. 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩(1) 輸入轉(zhuǎn)矩輸入轉(zhuǎn)矩(2) 空載轉(zhuǎn)矩空載轉(zhuǎn)矩(3) 電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩(4) 轉(zhuǎn)矩關(guān)系轉(zhuǎn)矩關(guān)系T1 = P11T0 = p01TM = PM1T1 = TM + T0= P1 n602 = p0 n602 = PM n602 三相同步發(fā)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩三

51、相同步發(fā)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室1389.4.4 三相同步發(fā)電機(jī)的特性三相同步發(fā)電機(jī)的特性同步發(fā)電機(jī)的對稱運(yùn)行是指電機(jī)轉(zhuǎn)速為額定值且保持同步發(fā)電機(jī)的對稱運(yùn)行是指電機(jī)轉(zhuǎn)速為額定值且保持恒定，并供給三相對稱負(fù)載時(shí)的一種穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方式。恒定，并供給三相對稱負(fù)載時(shí)的一種穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方式。 同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行性能可以通過它的基本特性以及由同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行性能可以通過它的基本特性以及由這些特性所求得的一些主要參數(shù)來加以說明。這些特性所求得的一些主要參數(shù)來加以說明。 同步發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)速不變時(shí)，有三個(gè)互相影響的變量，同步發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)速不變時(shí)，有三個(gè)互相影響的變量，即端電壓即端電

52、壓U，電樞電流，電樞電流I和勵(lì)磁電流和勵(lì)磁電流If。 負(fù)載的功率因數(shù)負(fù)載的功率因數(shù)cos 對它們之間的關(guān)系也有影響，為對它們之間的關(guān)系也有影響，為便于分析，設(shè)便于分析，設(shè)cos 不變；不變； 在端電壓、電樞電流和勵(lì)磁電流三者中令其一為常數(shù)，在端電壓、電樞電流和勵(lì)磁電流三者中令其一為常數(shù)，而求其他二者之間的關(guān)系，就稱為同步發(fā)電機(jī)的基本而求其他二者之間的關(guān)系，就稱為同步發(fā)電機(jī)的基本特性。特性。 本節(jié)還要介紹同步發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)的功角特性。本節(jié)還要介紹同步發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)的功角特性。 重要！重要！2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室139同步發(fā)電機(jī)的特性同步發(fā)電機(jī)的特性一、空載特性和短路特性一、

53、空載特性和短路特性 1. 空載特性空載特性指在發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速保持為同步轉(zhuǎn)速（指在發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速保持為同步轉(zhuǎn)速（n=n1），電樞電），電樞電路開路（路開路（I=0）的情況下?？蛰d電壓（）的情況下?？蛰d電壓（U0=E0）與勵(lì)磁）與勵(lì)磁電流電流If 之間的關(guān)系曲線之間的關(guān)系曲線U0=f(If)。 空載特性曲線實(shí)際上就是電機(jī)的磁化曲線，它可用計(jì)空載特性曲線實(shí)際上就是電機(jī)的磁化曲線，它可用計(jì)算法得到，也可用實(shí)驗(yàn)法測出?？捎孟聢D電路。算法得到，也可用實(shí)驗(yàn)法測出?？捎孟聢D電路。 實(shí)驗(yàn)測定時(shí)，電樞繞組開路，用原動(dòng)機(jī)把發(fā)電機(jī)拖到實(shí)驗(yàn)測定時(shí)，電樞繞組開路，用原動(dòng)機(jī)把發(fā)電機(jī)拖到同步轉(zhuǎn)速，然后逐漸增加勵(lì)磁電流并記錄不同勵(lì)

54、磁電同步轉(zhuǎn)速，然后逐漸增加勵(lì)磁電流并記錄不同勵(lì)磁電流下對應(yīng)的電樞端電壓，直到流下對應(yīng)的電樞端電壓，直到U0=1.3UN左右，再逐步左右，再逐步減少減少If ，記錄對應(yīng)的，記錄對應(yīng)的U0和和If 值，由于鐵磁材料的磁滯值，由于鐵磁材料的磁滯現(xiàn)象，將得到上升和下降兩條不同的曲線見下圖。現(xiàn)象，將得到上升和下降兩條不同的曲線見下圖。 2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室140同步發(fā)電機(jī)的特性同步發(fā)電機(jī)的特性(b)空載特性的校正空載特性的校正 (a)不同剩磁下的空載特性不同剩磁下的空載特性空載特性是同步發(fā)空載特性是同步發(fā)電機(jī)的基本特性之電機(jī)的基本特性之一，是一條非常重一，是一條非常重要的

55、特性，它體現(xiàn)要的特性，它體現(xiàn)了電機(jī)中電與磁的了電機(jī)中電與磁的關(guān)系。一方面表征關(guān)系。一方面表征了電機(jī)磁路的飽和了電機(jī)磁路的飽和情況，另一方面把情況，另一方面把它和短路特性、零它和短路特性、零功率因數(shù)特性配合功率因數(shù)特性配合在一起，可以確定在一起，可以確定電機(jī)的基本參數(shù)額電機(jī)的基本參數(shù)額定勵(lì)磁電流和電壓定勵(lì)磁電流和電壓調(diào)整率等。調(diào)整率等。 2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室141同步發(fā)電機(jī)的特性同步發(fā)電機(jī)的特性2. 短路特性短路特性 短路特性是指發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速保持不變，將電樞繞組穩(wěn)短路特性是指發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速保持不變，將電樞繞組穩(wěn)態(tài)短路，短路電流態(tài)短路，短路電流Ik與勵(lì)磁電流與勵(lì)磁電流

56、If之間的關(guān)系曲線，之間的關(guān)系曲線，即即Ik=f(If)。 它不僅可用來說明同步發(fā)電機(jī)的性能，更重要的是可它不僅可用來說明同步發(fā)電機(jī)的性能，更重要的是可借以測定電機(jī)參數(shù)。借以測定電機(jī)參數(shù)。 短路試驗(yàn)的接線圖中只需把空載實(shí)驗(yàn)圖中的短路試驗(yàn)的接線圖中只需把空載實(shí)驗(yàn)圖中的A、B、C三端短接即可。三端短接即可。 試驗(yàn)時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速保持為同步轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流試驗(yàn)時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速保持為同步轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流If使電樞的短路電流從零開始一直到使電樞的短路電流從零開始一直到1.25IN左右為至，左右為至，記取對應(yīng)的短路電流記取對應(yīng)的短路電流Ik 和勵(lì)磁電流和勵(lì)磁電流If ，得短路特性曲，得短路特性曲線如下圖所示。

57、線如下圖所示。 2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室142同步發(fā)電機(jī)的特性同步發(fā)電機(jī)的特性IfIkINIfko短路特性曲線短路特性曲線短路時(shí)，發(fā)電機(jī)端電壓短路時(shí)，發(fā)電機(jī)端電壓U=0，限制，限制短路電流的僅是電機(jī)的內(nèi)部阻抗，短路電流的僅是電機(jī)的內(nèi)部阻抗，由于一般同步發(fā)電機(jī)的電樞電阻遠(yuǎn)由于一般同步發(fā)電機(jī)的電樞電阻遠(yuǎn)小于同步電抗可忽略不計(jì)，所以小于同步電抗可忽略不計(jì)，所以 ssasjxjxrZ90000ssskxEjxEZEI（隱極式）（隱極式） 短路電流短路電流 所以短路電流可認(rèn)為是純感性的，即所以短路電流可認(rèn)為是純感性的，即 = 90，這時(shí)，這時(shí)電樞電流只有直軸分量，它所產(chǎn)生的電

58、樞磁勢基本電樞電流只有直軸分量，它所產(chǎn)生的電樞磁勢基本上是一個(gè)起純?nèi)ゴ抛饔玫闹陛S磁勢，即上是一個(gè)起純?nèi)ゴ抛饔玫闹陛S磁勢，即Fa=Fad，而，而Faq=0。2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室143同步發(fā)電機(jī)的特性同步發(fā)電機(jī)的特性E0 Ik jxd FfFadFadF Ea=-jxadIkE0=jxdIkE =jx IkIk(b)短路時(shí)的相量圖短路時(shí)的相量圖 (a)短路時(shí)的等效電路短路時(shí)的等效電路 此時(shí)繞組的電抗，若為凸極式發(fā)電機(jī)，則為直軸同步此時(shí)繞組的電抗，若為凸極式發(fā)電機(jī)，則為直軸同步電抗，因此短路時(shí)，不論是隱極機(jī)還是凸極機(jī)都具有電抗，因此短路時(shí)，不論是隱極機(jī)還是凸極機(jī)都具有

59、相同形式的等效電路和相量圖，電路如下圖相同形式的等效電路和相量圖，電路如下圖(a)所示。所示。 從等效電路可看出，由于從等效電路可看出，由于U=0，ra=0，則，則0kskkakaEjI xjI xjI xjI xExI jEEEka0相量圖如圖相量圖如圖(b)所示。所示。2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室144同步發(fā)電機(jī)的特性同步發(fā)電機(jī)的特性此時(shí)氣隙合成磁勢此時(shí)氣隙合成磁勢F 很小，合成磁勢所產(chǎn)生的氣隙磁很小，合成磁勢所產(chǎn)生的氣隙磁場在電樞繞組中感應(yīng)的電勢完全被漏抗壓降所平衡，場在電樞繞組中感應(yīng)的電勢完全被漏抗壓降所平衡，即即 xI jEk所以對應(yīng)的氣隙合成磁通很小，電機(jī)的

60、磁路處于不飽所以對應(yīng)的氣隙合成磁通很小，電機(jī)的磁路處于不飽和狀態(tài)，磁勢和磁通成線性關(guān)系，因此和狀態(tài)，磁勢和磁通成線性關(guān)系，因此 FE 另一方面，由于電樞磁勢正比于電樞電流，即另一方面，由于電樞磁勢正比于電樞電流，即 kaIF 所以勵(lì)磁磁勢所以勵(lì)磁磁勢 afFFF也與也與Ik成正比，所以成正比，所以 kfIF 同時(shí)同時(shí) ffIF 故短路特性是一條直線，即故短路特性是一條直線，即 fkII kkI xI2021年12月6日星期一武漢理工大學(xué)電力電子教研室1451. 外特性外特性當(dāng)當(dāng) n = n1，If、cos = 常數(shù)時(shí)，常數(shù)時(shí)，U 與與 I 的關(guān)系，的關(guān)系， 即即 U = f (I)。 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)