《航空電機學(xué)》課件第9章 同步電機的對稱運行原理

1、1第九章 三相同步發(fā)電機對稱運行原理 本章內(nèi)容:研究同步發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)對稱運行的基本電磁關(guān)系同步發(fā)電機的空載運行對稱負(fù)載時的電樞反應(yīng)同步發(fā)電機的時間空間矢量圖凸極同步發(fā)電機的雙反應(yīng)理論及磁勢電勢相量圖隱極同步發(fā)電機的磁勢電勢相量圖同步發(fā)電機的運行性能同步發(fā)電機勵磁方式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、磁極軛勵磁磁勢和勵磁磁場4一、同步電機氣隙磁路特點氣隙磁場：(凸極、隱極）基波氣隙磁場幅值：每極基波磁通量：5極弧系數(shù)：計算極弧系數(shù)： 空載時氣隙的基波磁感應(yīng)強度的平均值與實際氣隙磁感應(yīng)強度之比值每極基波磁通量：6空載磁路的計算目的與

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，空載端電壓隨勵磁電流變化的關(guān)系即：氣隙線電機的磁路飽和系數(shù)：8空載特性的作用 可以反映電機設(shè)計是否合理，電機的磁路是否過于飽和或者材料有沒有充分利用?？蛰d特性結(jié)合短路特性(在后面介紹 )可以求取同步電機的參數(shù)。可通過測取空載特性來判斷三相繞組的對稱性以及勵磁系統(tǒng)的故障。 電樞反應(yīng)9旋轉(zhuǎn)磁勢10旋轉(zhuǎn)磁勢11旋轉(zhuǎn)磁勢12三相合成旋轉(zhuǎn)磁場的特點：1）、磁勢是空間運動的；2）、磁勢的幅值恒定用空間矢量表示時，磁勢矢量頂點的軌跡是圓；3）、磁勢運動的速度同步轉(zhuǎn)速：4）、磁勢運動的方向：

3、從電流超前相轉(zhuǎn)到電流滯后相5）、磁勢合成矢量位置：當(dāng)某相的電流為最大時，此時磁勢的軸線在該相繞組的軸線上返回圓形旋轉(zhuǎn)磁場：由三相對稱繞組通入三相對稱交流電產(chǎn)生139-2同步發(fā)電機的電樞反應(yīng)空載時：勵磁磁勢，勵磁電勢E0負(fù)載時： 三相感應(yīng)電勢，頻率f=pn/60 ，三相電樞電流，電樞磁勢電樞磁勢基波：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)速相等電樞磁勢的基波與磁極勵磁磁勢相對靜止，共同產(chǎn)生氣隙合成磁場回顧電樞磁場與轉(zhuǎn)子磁場同向、同速旋轉(zhuǎn)！14同步電機的電樞反應(yīng)：定義：同步電機的電樞反應(yīng)：同步電機電樞磁勢基波對磁極主磁場的影響電樞反應(yīng)磁場：電

4、樞磁勢基波單獨通過氣隙所建立的磁場15一、負(fù)載性質(zhì)對電樞反應(yīng)的影響性質(zhì)：交軸電樞反應(yīng)作用： 1）扭歪主磁場 2）交軸磁勢與主磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換，必要條件1、電流與勵磁磁勢同相?直軸與交軸162、電流 滯后勵磁磁勢直軸去磁電樞反應(yīng)17超前勵磁磁勢直軸增磁電樞反應(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)載情況時電樞磁勢的分解滯后勵磁電勢 角電流20 直軸、交軸電樞磁場特點： 波形對稱、易于確定！任意角度磁路直接計算困難！21雙反應(yīng)理論（雙軸電樞反應(yīng)分析法）交軸電樞磁勢：直軸電樞磁勢：雙反應(yīng)理論：對于凸極同步電機， 將電樞磁

5、勢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、磁勢電勢矢量圖時間矢量圖:（每相）時軸（時間矢量最大時刻）空間矢量圖：相軸（繞組軸線）時空矢量圖：好處?233、電樞磁勢的折合由于交軸、直軸磁路不相同，即使Ff、Fad、Faq三者幅值相等時，所建立的磁感應(yīng)強度幅值和分布規(guī)律各不相同電樞磁勢和勵磁磁勢產(chǎn)生基波磁場的能力不等效電樞反應(yīng)計算時必須加以折算24（1）直軸電樞反應(yīng)的折合直軸電樞磁勢折合系數(shù)：單位安匝所建立的基波磁感應(yīng)強度大小相比 Kad*Fad 折算后可與 Ff 合成直軸磁勢：折合的意義？25（2）交軸電樞反應(yīng)的折合交軸電樞磁勢折合系數(shù)：交軸磁勢：F

6、q=Kaq*Faq Kad、Kaq的求算 直接磁場分析，很復(fù)雜?。ㄊ菢O弧寬度的函數(shù)，同時與極靴形狀、氣隙大小的函數(shù)） 查表法26電樞磁勢折合系數(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Fa、勵磁磁勢 Ff 產(chǎn)生氣隙磁場，感應(yīng)氣隙電勢E 電樞磁勢Fa 產(chǎn)生電樞漏磁場，感應(yīng)漏磁感應(yīng)電勢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)電機途徑：雙反應(yīng)理論+疊加原理 勵磁磁勢 Ff、直軸電樞磁勢Fad、交軸電樞磁勢Faq分別 產(chǎn)生感應(yīng)電勢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、場由三相電樞磁勢合成，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)磁場在每相電樞繞組中所感應(yīng)的電勢引入電抗31同步電抗直軸同步電抗：xd=xad+x交軸同步電抗：xq=xaq+x同步電抗是對應(yīng)電樞總磁場(包括電樞反應(yīng)磁場和漏磁場)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、計及飽和的凸極同步發(fā)電機飽和非線性！電抗變化運用雙反應(yīng)理論分析（

8、不計直、交軸相互影響）勵磁磁勢 Ff、直軸電樞磁勢Fad 直軸合成磁勢Fd交軸電樞磁勢Faq 交軸合成磁勢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)電機氣隙均勻無需折合=0.75近似相等！ 無需雙反應(yīng)理論，勵磁磁勢與電樞磁勢直接相加！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！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)電機運行特性一、外特性： 在一定的轉(zhuǎn)速和勵磁電流時，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)載而不改變勵磁電流時，端電壓變化相對額定電壓的百分比。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，勵磁電流隨負(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)電機的短路特性是將同步電機定子繞組出線端短路后，定子電流隨勵磁電流變化的特性短路試驗也是同步電機的基本試驗之一（短路比、同步電抗）實驗方法：輸出短接，拖到同步速，通入勵磁電流，改變勵磁電流，記錄短路電流45 三相穩(wěn)定短路時，短路電流與勵磁

10、電流之間的關(guān)系。1、短路特性：短路特性是一條直線！462、短路運行分析：交軸電流近似為0，去磁作用使氣隙磁場很弱，磁路不飽和！F很??！忽略ra47穩(wěn)態(tài)短路時磁勢If與Ik近似成正比48短路時端電壓U=0，氣隙電動勢E等于電機漏阻抗壓降E 較小， B較小合成磁動勢F較小去磁作用，電機磁路不飽和，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)短路的運行特點：493、短路比：額定轉(zhuǎn)速條件下空載電壓為UN時的勵磁電流為If0短路比定義一：指勵磁電流為If0時的三相穩(wěn)定短路電流IK0與額定電流IN之比短路比定義二：空載額定電壓時的勵磁電流If0與三相短路電流等于額定電流時的勵磁電流

11、IfK之比50代入短路比公式？在短路試驗時51短路比的幾個結(jié)論短路比隨電機的飽和程度而增加，同時又隨電抗Xd的增大而減?。ㄔ褦?shù)、氣隙）短路比的大小對電機影響較大（短路電流、電壓變化率、并聯(lián)運行穩(wěn)定性、體積重量）短路比的選擇要兼顧運行性能和電機造價兩個方面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電抗的影響G正比于磁導(dǎo)率、磁路面積、反比于磁路長度539-5 同步電機電抗及測試方法一、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：Fad建立的氣隙磁感應(yīng)強度：每極基波磁通：每相感應(yīng)電勢：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)磁場在每相電樞繞組中所感應(yīng)的電勢2、磁路不飽和，常數(shù)，計及磁壓降，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，是m相的合成旋轉(zhuǎn)磁場，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，旋轉(zhuǎn)磁場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：同理：交軸電樞反應(yīng)電抗（不飽和值）3、隱極同步電機的電樞反應(yīng)電抗（不飽和值）xa勵磁磁勢正弦分布，所以電樞反應(yīng)電抗（不飽和值）

13、電勢：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，但飽和后同步電機一般采用空載特性和磁勢電勢矢量圖來分析 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：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的測試空載特性試驗和三相穩(wěn)態(tài)短路特性試驗氣隙線上查??！轉(zhuǎn)速對測量影響？59五、交軸同步電抗（不飽和值）xq的測試小轉(zhuǎn)差法：1、將轉(zhuǎn)子由原動機拖動至接近同步速，保持小轉(zhuǎn)差2、勵磁繞組開路3、定子電樞繞組加三相交流電60六、漏抗x的測試取出轉(zhuǎn)子法：電樞繞組加低壓三相交流電xb通過加測試線圈測定。測量線圈的端電壓Uc 。xb通過直接計算得到：61七、同步發(fā)電機的零功率因素負(fù)載特性和波梯電抗1、