同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)

1、6.1 同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)一、同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)按照結(jié)構(gòu)型式，同步電機(jī)可以分為旋轉(zhuǎn)電樞式和旋轉(zhuǎn)磁極式兩類。旋轉(zhuǎn)電樞式電樞裝設(shè)在轉(zhuǎn)子上，主磁極裝設(shè)在定子上。這種結(jié)構(gòu)在小容量同步電機(jī)中得到一定的應(yīng)用。旋轉(zhuǎn)磁極式主磁極裝設(shè)在轉(zhuǎn)子上，電樞裝設(shè)在定子上。對于高壓、大容量的同步電機(jī)，通常采用旋轉(zhuǎn)磁極式結(jié)構(gòu)。由于勵磁部分的容量和電壓常較電樞小得多，電刷和集電環(huán)的負(fù)載就大為減輕，工作條件得以改善。目前，旋轉(zhuǎn)磁極式結(jié)構(gòu)已成為中、大型同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)型式。在旋轉(zhuǎn)磁極式電機(jī)中，按照主極的形狀，又可分成隱極式和凸極式，如圖6-l所示。隱極式轉(zhuǎn)于做成圓柱形，氣隙為均勻；凸極式轉(zhuǎn)子有明顯的凸出的磁極，氣隙為不

2、均勻。對于高速的同步電機(jī)(3000rmin)從轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度和妥善地固定勵磁繞組考慮，采用勵磁繞組分布于轉(zhuǎn)子表面槽內(nèi)的隱極式結(jié)構(gòu)較為可靠對于低速電機(jī)(1000rmin及以下)，轉(zhuǎn)子的離心力較小，故采用制造簡單、勵磁繞組集中安放的凸極式結(jié)構(gòu)較為合理。大型同步發(fā)電機(jī)通常采用汽柁機(jī)或水輪機(jī)作為原動機(jī)來拖動，前者稱為汽輪發(fā)電機(jī)，后者稱為水輪發(fā)電機(jī)。由于汽輪機(jī)是一種高速原動機(jī)，所以汽輪發(fā)電機(jī)一般采用隱極式結(jié)構(gòu)。水輪機(jī)則是一種低速原動機(jī)，所以水輪發(fā)電機(jī)一般都是凸極式結(jié)構(gòu)。同步電動機(jī)、由內(nèi)燃機(jī)拖動的同步發(fā)電機(jī)以及同步補(bǔ)償機(jī)大多做成凸極式，少數(shù)兩極的高速同步電動機(jī)亦有做成隱極式的。l 隱極同步電機(jī)以汽輪發(fā)電機(jī)為

3、例來說明隱極同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代的汽輪發(fā)電機(jī)一般都是兩極的，同步轉(zhuǎn)速為3000rmin(對50Hz的電機(jī))。由于轉(zhuǎn)速高，所以汽輪發(fā)電機(jī)的直徑較小，長度較長汽輪發(fā)電機(jī)均為臥式結(jié)構(gòu)，圖62表示一臺汽輪發(fā)電機(jī)的外形圖。汽輪發(fā)電機(jī)的定子由定子鐵心、定于繞組、機(jī)座、端蓋等部件組成。定子鐵心一般用厚o5mm的DR360硅鋼片疊成，每疊厚度為36cm，疊與疊之間留有寬0.8lcm的通風(fēng)槽。整個鐵心用非磁性壓板壓緊固定在機(jī)座上。圖63 汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子圖62汽輪發(fā)電機(jī)的外形圖大容量汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子周速可達(dá)170180m/s。由于周速高，轉(zhuǎn)子受到極大的機(jī)械應(yīng)力，因此轉(zhuǎn)子一般都用整塊具有良好導(dǎo)磁性的高強(qiáng)度合金鋼鍛

4、成沿轉(zhuǎn)子表面約23部分銑有軸向凹槽，勵磁繞組就嵌放在這些槽里；不開槽的部分組成一個“大齒”，嵌線部分和大齒一起構(gòu)成了主磁極(圖6-la)。為把勵磁繞組可靠地固定在轉(zhuǎn)子上，轉(zhuǎn)子槽楔采用非磁性的金屬槽楔，端部套上用高強(qiáng)度非磁性鋼段成的護(hù)環(huán)。圖6-3表示一臺嵌完線的汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子。由于汽輪發(fā)電機(jī)的機(jī)身比較細(xì)長，轉(zhuǎn)子和電機(jī)中部的通風(fēng)比較困難所以良好的通風(fēng)、冷卻系統(tǒng)城對汽輪發(fā)電機(jī)非常重要。l 凸極同步電機(jī)凸極同步電機(jī)通常分為臥式(橫式)和立式兩種結(jié)構(gòu)。絕大部分同步電動機(jī)、同步補(bǔ)償機(jī)和用內(nèi)燃機(jī)或沖擊式水輪機(jī)拖動的同步發(fā)電機(jī)都采用臥式結(jié)構(gòu)。低速、大容量的水輪發(fā)電機(jī)和大型水泵電動機(jī)則采用立式結(jié)構(gòu)。圖64 凸

5、極同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子臥式同步電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與感應(yīng)電機(jī)基本相同，定子亦由機(jī)座、鐵心和定子繞組等部件組成；轉(zhuǎn)子則由主磁極、磁軛、勵磁繞組、集電環(huán)和轉(zhuǎn)軸等部件組成。圖64表示一臺已經(jīng)裝配好的凸極同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子。大型水輪發(fā)電機(jī)通常都是立式結(jié)構(gòu)。由于它的轉(zhuǎn)速低、極數(shù)多，要求轉(zhuǎn)動慣量大。故其特點(diǎn)是直徑大、長度短。在立式水輪發(fā)電機(jī)中，整個機(jī)組轉(zhuǎn)動部分的重量以及作用在水輪機(jī)轉(zhuǎn)子上的水推力均由推力軸承支撐，并通過機(jī)架傳遞到地基上，如圖65所示。圖66表示一臺大型水輪發(fā)電機(jī)的分瓣定子。除勵磁繞組外，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子上還常裝有阻尼繞組。阻尼繞組與籠型感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子的籠形繞組結(jié)構(gòu)相似，它由插入主極極靴槽中的銅條和兩端的端

6、環(huán)焊成一個閉合繞組。在同步發(fā)電機(jī)中，阻尼繞組起抑制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速振蕩的作用；在同步電動機(jī)和補(bǔ)償 圖66大型水輪發(fā)電機(jī)的分瓣定子圖65 立式水輪發(fā)電機(jī)示意圖機(jī)中，主要作為起動繞組用。二、同步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)當(dāng)同步電機(jī)的定子(電樞)繞組中通過對稱的三相電流時定子將產(chǎn)生一個以同步轉(zhuǎn)速推移的旋轉(zhuǎn)磁場。穩(wěn)態(tài)情況下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速亦是同步轉(zhuǎn)速，于是定子旋轉(zhuǎn)磁場恒與直流勵磁的轉(zhuǎn)子主極磁場保持相對靜止，它們之間相互作用并產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。同步電機(jī)有三種運(yùn)行狀態(tài)：發(fā)電機(jī)、電動機(jī)和補(bǔ)償機(jī)。發(fā)電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，電動機(jī)把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，補(bǔ)償機(jī)中沒有有功功率的轉(zhuǎn)換，專門發(fā)出或吸收無功功率、調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率因數(shù)。分析表明

7、，同步電機(jī)運(yùn)行于哪一種狀態(tài)主要取決于定子合成磁場與轉(zhuǎn)子主磁場之間的夾角，稱為功率角。若轉(zhuǎn)子主磁場超前于定子合成磁場，>0，此時轉(zhuǎn)于上將受到一個與其旋轉(zhuǎn)方向相反的制動性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩，如圖67a所示。為使轉(zhuǎn)子能以同步轉(zhuǎn)速持續(xù)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子必須從原動機(jī)輸入驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。此時轉(zhuǎn)子輸入機(jī)械功率，定子繞組向電網(wǎng)或負(fù)載輸出電功率，電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行。若轉(zhuǎn)子主磁場與定子合成磁場的軸線重合，0，則電磁轉(zhuǎn)矩為零，如圖67b所示。此時電機(jī)內(nèi)沒有有功功率的轉(zhuǎn)換，電機(jī)處于補(bǔ)償機(jī)狀態(tài)或空載狀態(tài)。若轉(zhuǎn)子主磁場滯后于定子合成磁場，<0，則轉(zhuǎn)子上將受到一個與其轉(zhuǎn)向相同的驅(qū)動性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩，如圖67c所示。此時定子從電網(wǎng)吸收電功

8、率，轉(zhuǎn)子可拖動負(fù)載而輸出機(jī)械功率，電機(jī)作為電動機(jī)運(yùn)行。三、同步電機(jī)的勵磁方式供給同步電機(jī)勵磁的裝置，稱為勵磁系統(tǒng)。下面對它作一簡介。直流勵磁機(jī)勵磁直流勵磁機(jī)通常與同步發(fā)電機(jī)同軸，井采用并勵或他勵接法。他勵時，勵磁機(jī)的勵磁由另一臺與主勵磁機(jī)同軸的副勵磁機(jī)供給，如圖68所示。為使同步發(fā)電機(jī)的輸出電壓保持恒定，常在勵磁電路中加進(jìn)一個反映負(fù)載大小的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使發(fā)電機(jī)的負(fù)載電流增加時，勵碰電流相應(yīng)地增大這樣的系統(tǒng)稱為復(fù)式勵磁系統(tǒng)。整流器勵磁整流器勵磁又分為靜止式和旋轉(zhuǎn)式兩種。圖6-9表示靜止整流器勵磁系統(tǒng)的原理圖。田中主勵磁機(jī)是一臺與同步發(fā)電機(jī)同軸連接的三相100Hz發(fā)電機(jī)，其交流輸出經(jīng)靜止三相橋式

9、不可控整流器整流后，通過集電環(huán)接到主發(fā)電機(jī)的勵磁繞組，供給其直流勵磁；主勵磁機(jī)的勵磁由交流副勵磁機(jī)發(fā)出的交流電經(jīng)靜止可控整流器整流后供給。副勵磁機(jī)是一臺中頻三相同步發(fā)電機(jī)(有時采用永磁發(fā)電機(jī))，它也與主發(fā)電機(jī)同軸連接。副勵磁機(jī)的勵磁，開始時由外部直流電源供給，待電壓建起后再轉(zhuǎn)為自勵。根據(jù)主發(fā)電機(jī)端電壓的偏差和負(fù)載大小，通過電壓調(diào)整器對主勵磁機(jī)的勵磁進(jìn)行調(diào)節(jié)，即可實現(xiàn)對主發(fā)電機(jī)勵磁的自動調(diào)節(jié)。由于取消了直流勵磁機(jī)，這種勵磁系統(tǒng)維護(hù)方便，勵磁容量得以提高，因而在大容量汽輪發(fā)電機(jī)中獲得廣泛的應(yīng)用。當(dāng)勵磁電流超過2000A時，為避免集電環(huán)的過熱，可采用取消集電環(huán)的旋轉(zhuǎn)整流器勵磁系統(tǒng)。此系統(tǒng)的主勵磁機(jī)是

10、與主發(fā)電機(jī)同軸連接的旋轉(zhuǎn)電樞式三相同步發(fā)電機(jī)，電樞的交流輸出經(jīng)與主軸一起旋轉(zhuǎn)的不可控整流器整流后，直接送到主發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵磁繞組，供給其勵磁。因為主勵磁機(jī)的電樞，整流裝置與主發(fā)電機(jī)的勵磁繞組三者為同軸旋轉(zhuǎn)，不再需要集電環(huán)和電刷裝置，所以這種系統(tǒng)又稱為無刷勵磁系統(tǒng)無刷勵磁系統(tǒng)運(yùn)行比較可靠，這種系統(tǒng)大多用于大、中容量的汽輪發(fā)電機(jī)、補(bǔ)償機(jī)以及在防燃、防爆等特殊環(huán)境中工作的同步電動機(jī)。在小型同步發(fā)電機(jī)中，還經(jīng)常采用具有結(jié)構(gòu)簡單和具有自勵恒壓等特點(diǎn)的三次諧波勵磁、電抗移相勵磁等勵磁方式。四、額定值同步電機(jī)的額定值有 (1)額定容SN(或額定功率PN) 指額定運(yùn)行時電機(jī)的輸輔出功率。同步發(fā)電機(jī)的額定容量既

11、可用視在功率表示，亦可用有功功率表示；同步電動機(jī)的額定功率是指軸上輸出的機(jī)械功率；補(bǔ)償機(jī)則用無功功率表示。 (2)額定電壓UN指額定運(yùn)行時定子的線電壓。 (3)額定電流IN指額定運(yùn)行時定子的線電流。 (4)額定功率因數(shù)cos指額定運(yùn)行時電機(jī)的功率因數(shù)。 (5)額定頻率fN指額定運(yùn)行時電樞的頻率。我國標(biāo)準(zhǔn)工頻規(guī)定為50Hz。 (6)額定轉(zhuǎn)速nN指額定運(yùn)行時電機(jī)的轉(zhuǎn)速，對同步電機(jī)而言，即為同步轉(zhuǎn)速。除上述額定值以外，銘牌上還常常列出一些其他的運(yùn)行數(shù)據(jù)，例如額定負(fù)載時的溫升N，額定勵磁電流和電壓IfN、UfN等。6.2 空載和負(fù)載時同步發(fā)電機(jī)的磁場一、空載運(yùn)行用原動機(jī)施動同步發(fā)電機(jī)到同步轉(zhuǎn)速，勵磁繞

12、組通入直流勵磁電流，電樞繞組開路(或電樞電流為零)的情況，稱為同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行?？蛰d運(yùn)行時，同步電機(jī)內(nèi)僅有由勵磁電流所建立的主極磁場。圖6l0表示一臺四極電機(jī)空載時的磁通示意圖。從圖可見，主極磁通分成主磁通0和漏磁通f兩部分，前者通過氣隙并與定子繞組相交鏈，后者不通過氣隙，僅與勵磁繞組相交鏈。主磁通所經(jīng)過的主磁路包括空氣隙、電樞齒、電樞軛、磁極極身和轉(zhuǎn)子軛等五部分。當(dāng)轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，主磁場將在氣隙中形成一個旋轉(zhuǎn)磁場，它“切割”對稱的三相定子繞組后，就會在定子繞組內(nèi)感應(yīng)出一組頻率為f的對稱三相電動勢，稱為激磁電動勢， (61)忽略高次諧波時，激磁電動勢(相電動勢)的有效值Eo4.44f

13、N1kw10，其中0為每極的主磁通量。這樣，改變直流勵磁電流If，便可得到不同的主磁通0。和相應(yīng)的激磁電動勢E0，從而得到空載特性E0f(If)，如圖611所示?？蛰d特性是同步電機(jī)的一條基本特性?？蛰d曲線的下部是一條直線，與下部相切的直線稱為氣隙線。隨著0的增大，鐵心逐漸飽和，空載曲線就逐漸彎曲。二、對稱負(fù)載時的電樞反應(yīng)同步發(fā)電機(jī)帶上對稱負(fù)載后，電樞繞組中將流過對稱三相電流，此時電樞繞組就會產(chǎn)生電樞磁動勢及相應(yīng)的電樞磁場，其基波與轉(zhuǎn)子同向、同速旋轉(zhuǎn)。負(fù)載時，氣隙內(nèi)的磁場由電樞磁動勢和主極磁動勢共同作用產(chǎn)生，電樞磁動勢的基波在氣隙中所產(chǎn)生的磁場就稱為電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)的性質(zhì)(增磁、去磁或交磁)取

14、決于電樞磁動勢和主磁場在空間的相對位置。分析表明，此相對位置取決于激磁電動勢E0和扭載電流I之間的相角差0(0稱為內(nèi)功率因數(shù)角)。下面分成兩種情況來分析。與同相時圖612a表示一臺兩極同步發(fā)電機(jī)的示意圖。為簡明計，圖中電樞繞組每相用一個集中線圈來表示，和的正方向規(guī)定為從繞組首端流出，從尾端流入在圖612a所示瞬間，主極軸線與電樞A相繞組的軸線正交，A相鏈過的主磁通為零；因為電動勢滯后于感生它的磁通90°，故A相激磁電動勢的瞬時值達(dá)到正的最大值，其方向如圖中所示(從X入，從A出)；B、C兩相的激磁電動勢，和分別滯后于以120°和240°，如圖612b所示。設(shè)電樞電流

15、與激磁電動勢同相位，即內(nèi)功率因數(shù)角0=0°，則在圖示瞬間，A相電流亦將達(dá)到正的最大值，B相和C相電流分別滯后于A相電流以120°和240°，如圖612b中所示。從第四章中得知，在對稱三相繞組中通以對稱三相電流時，若某相電流達(dá)到最大值，則在同一瞬間，三相基波合成磁動勢的幅值將與該相繞相的軸線重合。因此在圖612a所示瞬間，基波電樞磁動勢Fa，的軸線應(yīng)與A相繞組軸線和轉(zhuǎn)子交軸重合。由于Fa與轉(zhuǎn)子均以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，所以在其他瞬間，F(xiàn)a的軸線恒與轉(zhuǎn)于交軸重合。由此可見，0=0°時，F(xiàn)a是一個交軸磁動勢。即Fa(0=0°)= Faq (62)交軸電樞磁動

16、勢所產(chǎn)生的電樞反應(yīng)稱為交軸電樞反應(yīng)。由于交軸電樞反應(yīng)，使氣隙合成磁場B與主磁場B0在空間形成一定的相角差，如圖61 2d所示。對于同步發(fā)電機(jī)，當(dāng)0=0°時，主磁場將超前于氣隙合成磁場，于是主極上將受到一個制動性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩。所以交軸電樞磁動勢與產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩及能量轉(zhuǎn)換直接相關(guān)。從圖6-12a和b可見，用電角度表示時，主磁場B0與電樞磁動勢Fa之間的空間相位關(guān)系，恰好與鏈過A相的主磁通中與A相電流之間的時間相位關(guān)系相一致，且圖a的空間矢量與圖b的時間相量均為同步旋轉(zhuǎn)。于是,若把圖b中的時間參考軸與圖a中A相繞組的軸線取為重合(例如均取為水平)，就可以把圖a和圖b合并，得到一個時-空統(tǒng)一矢

17、量圖，如圖c所示。由于三相電動勢和電流均為對稱，所以在統(tǒng)一矢量圖中，僅畫出A相一相的激磁電動勢、電流和與之匝鏈的主磁通，并把下標(biāo)A省略，寫成、和。在統(tǒng)一矢量圖中，F(xiàn)f既代表主極基波磁動勢的空間矢量，亦表示時間相量的相位；既代表A相電流相量，又表示電樞磁動勢Fa的空間相位。與不同相時下面進(jìn)一步分析與不同相時的情況。在圖613a所示瞬間，A相繞組的激磁電動勢達(dá)到正的最大值。若電樞電流滯后于激磁電動勢某一相角0(90°>0>0°)，則A相電流在經(jīng)過t01這段時間后才達(dá)到其正的最大值；換言之，在t01秒后，電樞磁動勢的幅值才與A相繞組軸線重合。所以在圖613a所示瞬間，

18、電樞磁動勢Fa應(yīng)在距離A相軸線0電角度處，即Fa滯后于主極磁動勢Ff以90°+0電角度。由于Fa與Ff同向、同速旋轉(zhuǎn)，所以它們之間的相對位置將始終保持不變。不難看出，此時Fa可以分成兩個分量，一為交軸電樞磁動勢Faq另一為直軸電樞磁動勢Fad，即Fa=Faq+Faq (63)其中Fad=Fasin0，F(xiàn)aq=Facos0 (64)交軸電樞磁動勢所產(chǎn)生的交軸電樞反應(yīng)，其作用已在前面說明。直軸電樞磁動勢所產(chǎn)生的直軸電樞反應(yīng)，對主極而言，其作用可為去磁，亦可為增磁，視0角的正、負(fù)而定。從圖613b和c不難看出，對于同步發(fā)電機(jī)，若電樞電流滯后于激磁電動勢，則直軸電樞反應(yīng)是去磁性；若超前于，直

19、軸電樞反應(yīng)將是增磁性。直軸電樞反應(yīng)對同步電機(jī)的運(yùn)行性能影響很大。若同步發(fā)電機(jī)單獨(dú)供電給一組負(fù)載，則負(fù)載以后，去磁或增磁性的直軸電樞反應(yīng)將使氣隙內(nèi)的合成磁通減少或增加，從而使發(fā)電機(jī)的端電壓產(chǎn)生變動。如果發(fā)電機(jī)接在電網(wǎng)上，從6.8節(jié)可知，其無功功率和功率因數(shù)是超前還是滯后與直軸電樞反應(yīng)的性質(zhì)密切相關(guān)。圖6-14表示負(fù)載時隱極同步發(fā)電機(jī)內(nèi)的磁場分布圖。6.3 隱極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程、相量圖和等效電路上面分析了負(fù)載時同步發(fā)電機(jī)內(nèi)部的磁場。在此基礎(chǔ)上，即可導(dǎo)出隱極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程，并畫出相應(yīng)的相量圖和等效電路。一、不考慮磁飽和時同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時，除了主極磁動勢Ff之外，還有電樞磁動勢Fa。如果

20、不計磁飽和(即認(rèn)為磁路為線性)，則可應(yīng)用疊加原理，把Ff和Fa的作用分別單獨(dú)考慮，再把它們的效果疊加起來。設(shè)Ff和Fa各自產(chǎn)生主磁通和電樞磁通，并在定子繞組內(nèi)感應(yīng)出相應(yīng)的激磁電動勢和電樞反應(yīng)電動勢，把，和相量相加，可得電樞一相繞組的合成電動勢(亦稱為氣隙電動勢)。上述關(guān)系可表示為：再把氣隙電動勢減去電樞繞組的電阻壓降Ra和漏抗壓降jX (X為電樞繞組的漏電抗)，便得電樞繞組的端電壓。采用發(fā)電機(jī)慣例，以輸出電流作為電樞電流的正方向時，電樞的電壓方程為 (65)因為電樞反應(yīng)電動勢Ea正比于電樞反應(yīng)磁通a不計磁飽和時，a又正比于電樞磁動勢Fa和電樞電流I，即因此Ea正比于I；在時間相位上，滯后于以9

21、0°電角度，若不計定子鐵耗，與同相位，則將滯后于以90°電角度。于是亦可寫成負(fù)電抗壓降的形式，即 (66)式中，Xa是與電樞反應(yīng)磁通相應(yīng)的電抗，稱為電樞反應(yīng)電抗。將式(66)代人式(65)，經(jīng)過整理，可得 (67)式中，Xs稱為隱極同步電機(jī)的同步電抗，Xs=Xa+X，它是對稱穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時表征電樞反應(yīng)和電樞漏磁這兩個效應(yīng)的一個綜合參數(shù)。不計飽和時，Xs是一個常值。圖615a和b表示與式(65)和式(67)相對應(yīng)的相量圖，圖615c表示與式(67)相應(yīng)的等效電路。從圖615c可以看出，隱極同步發(fā)電機(jī)的等效電路由激磁電動勢和同步阻抗Ra+jXs串聯(lián)組成，其中E0表示主磁場的作用，X

22、s表示電樞反應(yīng)和電樞漏磁場的作用。二、考慮磁飽和時考慮磁飽和時，由于磁路的非線性，疊加原理不再適用。此時，應(yīng)先求出作用在主磁路上的合成磁動勢F，然后利用電機(jī)的磁化曲線 (空載曲線) 求出負(fù)載時的氣隙磁通及相應(yīng)的氣隙電動勢，即再從氣隙電動勢減去電樞繞組的電阻和漏抗壓降，使得電樞的端電壓，即或 (68)相應(yīng)的矢量圖、相量圖和FE間的關(guān)系如圖616a和b所示。圖6-16a中既有電動勢相量，又有磁動勢矢量故稱為電動勢磁動勢圖。這里有一點(diǎn)需要注意，通常的磁化曲線習(xí)慣上用勵磁磁動勢Ff的幅值 (對隱極電機(jī)，勵磁磁動勢為一梯形波，如圖617所示) 或勵磁電流值作為橫坐標(biāo)，而電樞磁動勢Fa的幅值則是基波的幅值

23、，因此在Ff和Fa矢量相加時，需要把基波電樞磁動勢Fa乘上換算系數(shù)ka以換算為等效梯形波的作用。ka的意義為，產(chǎn)生同樣大小的基波氣隙磁場時，一安匝的電樞磁動勢相當(dāng)于多少安匝的梯形波主極磁動勢。通常ka0.931.03?？紤]飽和效應(yīng)的另一種方法是，通過運(yùn)行點(diǎn)將磁化曲線線性化，并找出相應(yīng)的同步電抗飽和值Xs(飽和)。引，把問題化作線性問題來處理。6.4 凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程和相量圖凸極同步電機(jī)的氣隙沿電樞圓周是不均勻的，因此在定量分析電樞反應(yīng)的作用時，需要應(yīng)用雙反應(yīng)理論。一、雙反應(yīng)理論凸極同步電機(jī)的氣隙是不均勻的，極面下氣隙較小，兩極之間氣隙較大，故直軸下單位面積的氣隙磁導(dǎo)d (d0d) 要比

24、交軸下單位面積的氣隙磁導(dǎo)q (q0q) 大很多，如圖618a所示。當(dāng)正弦分布的電樞磁動勢作用在直軸上時，由于d較大，故在一定大小的磁動勢下，直軸基波磁場的幅值Bad1相對較大。當(dāng)同樣大小的磁動勢作用在交軸上時，由于q較小，在極間區(qū)域，交軸電樞磁場出現(xiàn)明顯下凹，相對來講，基波幅值Baq1將顯著減小，如圖618c中所示。一般情況下，若電樞磁動勢既不在直軸、亦不在交軸而是在空間任意位置處，可把電樞磁動勢分解成直軸和交軸兩個分量(如圖618b)，再用對應(yīng)的直軸磁導(dǎo)和交軸磁導(dǎo)分別算出直軸和交軸電樞反應(yīng)，最后把它們的效果疊加起來。這種考慮到凸極電機(jī)氣隙的不均勻性，把電樞反應(yīng)分成直軸和交軸電樞反應(yīng)分別來處理

25、的方法，就稱為雙反應(yīng)理論。實踐證明，不計磁飽和時，這種方法的效果是令人滿意的。在凸極電機(jī)中，直軸電樞磁動勢Fad和交軸電樞磁動勢Faq，換算到勵磁磁動勢時，分別應(yīng)乘以直軸和交軸換算系數(shù)kad和kaq。二、凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程和相量圖不計磁飽和時，根據(jù)雙反應(yīng)理論，把電樞磁動勢Fa分解成直軸和交軸磁動勢Fad、Faq，分別求出其所產(chǎn)生的直軸、交軸電樞磁通、和電樞繞組中相應(yīng)的電動勢、，再與主磁通所產(chǎn)生的激磁電動勢相量相加，便得一相繞組的合成電動勢(通常稱為氣隙電動勢)。上述關(guān)系可表示如下：再從氣隙電動勢云減去電樞繞組的電阻和漏抗壓降，便得電樞的端電壓u采用發(fā)電機(jī)慣例，電樞的電壓方程為 (69)與

26、隱極電機(jī)相類似，由于Ead和Eaq分別正比于相應(yīng)的、，不計磁飽和時，和又分別正比于Fad、Faq，而Fad、Faq又正比于電樞電流的直軸和交軸分量Id、Iq于是可得，這里Iad=Isin0，Iaq=Icos0；在時間相位上，不計定于鐵耗時，和分別滯后于、以90°電角度，所以和可以用相應(yīng)的負(fù)電抗壓降來表示， (610)式中，Xad稱為直軸電樞反應(yīng)電抗；Xaq稱為交軸電樞反應(yīng)電抗。將式(610)代入式(69)，并考慮到，可得 (611)式中，Xd和Xq分別稱為直軸同步電抗和交軸同步電抗，它們是表征對稱穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時電樞漏磁和直軸或交軸電樞反應(yīng)的一個綜合參數(shù)。式(611)就是凸極同步發(fā)電機(jī)的電

27、壓方程。圖619表示與式(611)相對應(yīng)的相量圖。要畫出圖619所示相量圖，除需給定端電壓、負(fù)載電流、功率因數(shù)角以及電機(jī)的參數(shù)、和之外，必須先把電樞電流分解成直軸和交軸兩個分量，為此須先確定0角。引入虛擬電動勢，使，可得 (612)因為相量與相垂直，故必與同相位，因此與亦是同相位，如圖6-20所示。將端電壓沿著和垂直于的方向分成甲和兩個分量，由圖6-20不難確定 (613)引入虛擬電動勢后，由式(612)可得凸極同步發(fā)電機(jī)的等效電路，如圖621所示。此電路在計算凸極同步電機(jī)的運(yùn)行問題時常常用到。三、直軸和交軸同步電抗的意義由于電抗與繞組匝數(shù)的平方和所經(jīng)磁路的磁導(dǎo)成正比，所以，式中，N1為電樞每

28、相的串聯(lián)匝數(shù)；和為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時直軸和交軸的電樞等效磁導(dǎo)。，其中和為直軸和交軸電樞反應(yīng)磁通所經(jīng)磁路的磁導(dǎo)，為電樞漏磁通所經(jīng)磁路的磁導(dǎo)；如圖6-22所示。對于凸極電機(jī)，由于直軸下的氣隙較交軸下小，>，所以Xad>Xaq，因此在凸極同步電機(jī)中，Xd>Xq。對于隱極電機(jī)，由于氣隙是均勻的，故XdXqXs。例6l 一臺凸極同步發(fā)電機(jī)，其直軸和交軸同步電抗的標(biāo)幺值為，電樞電阻略去不計，試計算該機(jī)在額定電壓、額定電流、(滯后) 時激磁電動勢的標(biāo)幺值 (不計飽和)。解以端電壓作為參考相量虛擬電動勢為即角為1944°，于是電樞電流的直軸、交軸分量和激磁電動勢分別為6.5 同步發(fā)電機(jī)的功

29、率方程和轉(zhuǎn)矩方程一、功率方程和電磁功率功率方程若轉(zhuǎn)子勵磁損耗由另外的直流電源供給，則發(fā)電機(jī)軸上輸入的機(jī)械功率Pl扣除機(jī)械損耗和定子鐵耗后，余下的功率將通過旋轉(zhuǎn)磁場和電磁感應(yīng)的作用，轉(zhuǎn)換成定子的電功率，所以轉(zhuǎn)換功率就是電磁功率Pe，即 (614)再從電磁功率Pe中減去電樞銅耗可得電樞端點(diǎn)輸出的電功率P2；即 (615)式中，m為定子相數(shù)。式 (614) 和式 (615) 就是同步發(fā)電機(jī)的功率方程電磁功率從式(615)可知，電磁功率Pe為由圖623可見，故同步電機(jī)的電磁功率亦可寫成 (616)式中，是與的夾角。上式的第一部分與感應(yīng)電機(jī)的電磁功率表達(dá)式相同，第二部分則是同步電機(jī)常用的。對于隱極同步電

30、機(jī)，由于EQE0，故有 (617)式 (616) 表明，要進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，電樞電流中必須要有交軸分量 Iq 。在6.2節(jié)中已經(jīng)說明，在發(fā)電機(jī)中，交軸電樞反應(yīng)使主極磁場超前于氣隙合成磁場，使主極上受到一個制動性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩；在旋轉(zhuǎn)過程中，原動機(jī)的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩克服制動的電磁轉(zhuǎn)矩而作功，同時通過電磁感應(yīng)在電樞繞組內(nèi)產(chǎn)生電動勢并向電網(wǎng)送出有功電流，使機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。在圖619中，激磁電動勢與端電壓之間的夾角稱為功率角。不難看出，Iq愈大，交軸電樞反應(yīng)愈強(qiáng)，功率角就愈大；愈大，在一定的范圍內(nèi)，電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率亦愈大。二、轉(zhuǎn)矩方程把功率方程(614)除以同步角速度，可得轉(zhuǎn)矩方程 (618)式中，為原動機(jī)的驅(qū)

31、動轉(zhuǎn)矩，；為電磁轉(zhuǎn)矩，；為發(fā)電機(jī)的空載轉(zhuǎn)矩，。6.6 同步電機(jī)參數(shù)的測定為了計算同步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能，除需知道電機(jī)的工況 (端電壓、電樞電流和功率因數(shù)等)，還應(yīng)給出同步電機(jī)的參數(shù)。下面說明穩(wěn)態(tài)參數(shù)的實驗確定法。一、用空載特性和短路特性確定Xd空載特性可以用空載試驗測出。試驗時，電樞開路 (空載)，用原動機(jī)把被試同步電機(jī)拖動到同步轉(zhuǎn)速，改變勵磁電流If，并記取相應(yīng)的電樞端電壓U0 (空載時即等于EO，直到U01.25UN左右，可得空載特性曲線。短路特性可由三相穩(wěn)態(tài)短路試驗測得，試驗線路如圖1-24a所示。將被試同步電機(jī)的電樞端點(diǎn)三相短路，用原動機(jī)拖動被試電機(jī)到同步轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)勵磁電流If使電樞電流I

32、從零起一直增加到1.2IN左右，便可得到短路特性曲線，如圖624b所示。短路時，端電壓U0，短路電流儀受電機(jī)本身阻抗的限制。通常電樞電阻遠(yuǎn)小于同步電抗，因此短路電流可認(rèn)為是純感性，此時電樞磁動勢接近于純?nèi)ゴ判缘闹陛S磁動勢，因而電機(jī)的磁路處于不飽和狀態(tài)，故短路特性是一條直線，如圖624b所示。短路時，故，而 (619)所以 (620)因為短路試驗時磁路為不飽和，所以這里的E0 (每相值) 應(yīng)從氣隙線上查出，如圖625所示，求出的Xd值為不飽和值。 Xd的飽和值與主磁路的飽和情況有關(guān)。主磁路的飽和程度取決于實際運(yùn)行時作用在主磁路上的合成磁動勢，因而取決于相應(yīng)的氣隙電動勢；如果不計漏阻抗壓降，則可近

33、似認(rèn)為取決于電樞的端電壓，所以通常用對應(yīng)于額定電壓時的Xd值作為其飽和值。為此，從空載曲線上查出對應(yīng)于額定端電壓UN時的勵磁電流If0，再從短路特性上查出與該勵磁電流相應(yīng)的短路電流，如圖626所示，這樣即可求出 Xd(飽和)。 (621)式中，為額定相電壓。對于隱極同步電機(jī)，Xd就是同步電抗XS。例62有一臺25000kW、10.5kV(星形聯(lián)結(jié))、(滯后)的汽輪發(fā)電機(jī)，從其空載、短路試驗中得到下列數(shù)據(jù)，試求同步電抗。從空載特性上查得：相電壓kV時，If0155A；從短路特性上查得：IIN1718A時，Ifk280A；從氣隙線上得查得：If280A時，kV。解從氣隙線上查出，If280A時，激磁電動勢；在同一勵磁電流下，由短路特性查出，短路電流I1718A；所以同步電抗為用標(biāo)幺值計算時，故從空載和短路特性可知，于是Xd(飽和)為6.7 同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性一、同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性包括外特性、調(diào)整特性和效率特性。從這些特性中可以確定發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整率、