同步机21章原理.ppt

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1、第五篇 同步机,第21章 同步发电机原理 21.1 空载运行 21.2 电枢反应 21.3 隐极机的数学模型 21.4 凸极机的数学模型 21.5 功率和转矩,什么是同步发电机空载运行？ -转子绕组通入直流、 -转子本体同步速旋转、 -定子绕组空载。,21.1 同步发电机的 空载运行,主极磁通： 主极主磁通、 主极漏磁通。 电枢磁通： 空载时无电枢磁通。,2 空载磁通,主磁路、主磁通： 主磁路-由气隙、定子齿或槽、定子轭、转子主极、转子轭五部分组成。 主磁通-主磁路上的磁通，叫主磁通。它包括来自转子的主极主磁通、来自定子的电枢主磁通。 显然，空载时只有主极主磁通，没有电枢主磁通。,2 空载磁通

2、 续1,漏磁路、漏磁通： 漏磁路-分转子漏磁路、定子漏磁路。 转子漏磁路-由转子主极、转子极间、转子轭三部分组成。 定子漏磁路-由定子齿或槽、部分定子轭、部分气隙三部分组成。 漏磁通-漏磁路上的磁通，叫漏磁通。它包括转子漏磁通、定子漏磁通。,2 空载磁通 续2,空载电势，又叫励磁电势，由主极主磁通在电枢绕组内感应产生（感生），是空载运行时电枢绕组内的唯一电势。,2 空载电势,电枢反应是相对电枢刺激而言的。什么是电枢刺激？-主极主磁场旋转时对电枢绕组的切割作用，叫做电枢刺激。 空载时有空载电枢反应，那就是电枢中空载电势E0的产生。 负载时有负载电枢反应。见下。,21.2 电枢反应,什么是负载电枢

3、反应？-负载时，电枢绕组内产生电流、继而该电流在电机内建立磁场的现象，称为负载电枢反应。 负载电枢反应，简称电枢反应 电枢反应的效应：削弱、增强、或者扭曲气隙合成磁场。 什么是气隙合成磁场？见下。,21.2 电枢反应 续1,8 气隙合成磁场：气隙中有两个磁场，一个是主极主磁场，一个是电枢主磁场。这两个主磁场的和（合成），称为气隙合成磁场，简称气隙磁场，或合成磁场。 9 削弱：负载时的气隙磁场小于空载时的气隙磁场，方向不变； 10 增强：负载时的气隙磁场大于空载时的气隙磁场，方向不变；,21.2 电枢反应 续2,11 扭曲：负载时的气隙磁场大于空载时的气隙磁场，且方向改变。 12 电枢反应对气隙

4、磁场的扭曲作用，通常被称为交轴电枢反应，或交磁性质的电枢反应。扭曲气隙磁场也说成是使气隙磁场发生畸变。,21.2 电枢反应 续3,什么是内功率因数角0？-0是电枢电流落后励磁电势的相位角，称之为内功率因数角。它决定电枢反应的效应是削弱、增强、扭曲，还是它们的某种复合。 0=0时电枢反应的效应-扭曲气隙磁场。分析见下。,21.2 电枢反应 续4,一些术语,1 主极轴线：+d轴、-d轴 +d轴-转子中S指向N的方向 -d轴-+d轴的反方向 2 主极轴线：+q轴、-q轴 +q轴-超前+d轴90的方向 -q轴-+q轴的反方向,一些术语 续1,3 相轴：相绕组的对称轴 4 A相相轴：+A相轴、-A相轴

5、+A相轴-电流按正向流动（X入A出）时磁通的方向 -A相轴-+A相轴的反方向,一些术语：续2,5 时轴-时间参考轴：当用相量表示时间变化量时，若相量向某固定轴的投影等于该相量所代表的时间变化量的瞬时值，则该固定轴就是该相量的时轴。,0=0时电枢反应的效应分析（以A相为例）,1 主极主磁通0A相量的位置-+d轴上 0A是主极主磁场穿过A相绕组的磁通。它是一个时间变量，因而可用0A相量表示。 当主极轴线+d对准+A相轴时， 0A最大。故若选+A相轴为A相时轴（时相合一），则0A相量应画在+A相轴，也就是+d轴上。-见下页图。,时相合一时主极主磁通、 励磁电势等相量的位置,时相合一时电枢合成磁势Fa

6、、电枢电流IA同相位。因为当A相电流最大即IA转到时轴上时， Fa也转到+A相轴上。,0=0时电枢反应的效应分析（以A相为例）,励磁电势E0A相量的位置：-q轴 E0A相量是0A相量感应出来的相量。按照法拉第感应定律，前者滞后后者90。故E0A相量的位置在-q轴上。 3 电枢电流IA相量的位置：-q轴 因为0=0，故IA相量、 E0A相量位置相同。,0=0时电枢反应的效应分析（以A相为例）,0=0时电枢反应的效应分析（以A相为例）,由前面分析可知：主极磁势位于+d轴上，电枢磁势位于-q轴上，二者相互正交。所以，称之为交轴电枢反应。 交轴电枢反应的效应是：一方面使合成磁势增大，另一方面使合成磁势

7、扭斜。也说扭曲、畸变。 从空间矢量的角度说，就是合成磁势空间矢量的方向，不在沿着直轴方向，而是沿着直轴、交轴之间的方向。,0=90时电枢反应的效应分析（以A相为例）,类似分析可知： 主极磁势位于+d轴上， 电枢磁势位于-d轴上， 二者相互减弱。所以， 称之为去磁电枢反应。,0= - 90时电枢反应的效应分析（以A相为例）图略。,类似分析可知： 主极磁势位于+d轴上， 电枢磁势位于+d轴上， 二者相互加强。所以， 称之为助磁电枢反应。,0=（0，90）时电枢反应的效应分析（以A相为例）图略。,类似分析可知： 主极磁势位于+d轴上， 电枢磁势位于-d轴、-q轴之间， 效应为：既交磁、又去磁。,0=

8、（- 90， 0）时电枢反应的效应分析（以A相为例）图略。,类似分析可知： 主极磁势位于+d轴上， 电枢磁势位于+d轴、-q轴之间， 效应为：既交磁、又助磁。,21.3 隐极发电机的 数学模型,21.3.1 不计饱和时的数学模型：可用叠加原理 主要内容：电压方程式、 等效电路、 相量图。 21.3.2 计及饱和时的数学模型：忌用叠加原理 主要内容：电压方程式、 等效电路、 相量图。,1 物理模型：电磁关系,21.3.1 隐极发电机的 数学模型：不计饱和时,2 数学模型：电压方程式,21.3.1 隐极发电机的 数学模型：不计饱和时,这是电压方程的初始形式。下面引入电抗。,3 电抗的引入,观察电磁

9、关系中的第2行：,它体现了电生磁、磁生电的过程。头尾都是电：电流、电势；中间是磁：磁势、磁通。 下面说明头尾成正比：第一，磁势与电流成正比,第二，磁通与磁势成正比,假设磁路未饱和，从而磁导率为常数。 第三，电势与磁通成正比,综上三点可见，电势与电流成正比。记这个比例系数为X。这是大小。 相位：电势滞后磁通90，不计铁耗时电流与磁通同相位。故电势滞后电流90。,于是，源于电枢电流的电势可以写成负的电抗压降的形式：,引入电抗后，电压方程变为：,4 不计饱和时隐极发电机的等效电路,上式中Xs称同步电抗，Xa称电枢 反应电抗，X称电枢漏电抗。 Xs=Xa+X,5 不计饱和时隐极发电机的复杂相量图,6

10、不计饱和时隐极发电机的简单相量图,1 物理模型：电磁关系,21.3.2 隐极发电机的 数学模型：计及饱和,2 数学模型：电压方程式,21.3.2 隐极发电机的 数学模型：不计饱和时,计及饱和时，没有电枢反应电抗的概念，也没有同步电抗的概念，只有漏阻抗的概念。,3 计及饱和时隐极发电机的 等效电路,4 计及饱和时隐极发电机的 复杂相量图,5 电枢磁势换算系数ka 的物理意义,隐极机的励磁磁势为梯形波，如右图示，而电枢磁势Fa为基波。二者波形不同，故需要换算。ka的意义为产生同样大小的基波气隙磁场时，一安匝的电枢磁动势相当于多少安匝的梯形波主极磁动势，一般ka0.931.03。Ka的计算公式不要求

11、。,6 计及饱和时隐极发电机的 简单相量图,21.4.1 双反应理论 21.4.2 不计饱和时凸极发电机的数学模型 电压方程式 相量图 21.4.3 直轴、交轴同步电抗的比较,21.4 凸极发电机的双 反应理论和数学模型,凸极机电枢反应电势电抗化的困难,21.4.1 凸极发电机的双 反应理论,回忆电抗诞生的过程如右。引入电抗的条件是：磁势正比于电流，磁通正比于磁势，电势正比于磁通-导致电势正比于电流。,凸极机电枢反应电势电抗化的困难：续,现在，即使不计饱和，磁通也不与磁势F成正比。因为：凸极机的气隙不均匀-气隙长度L不为常数。 故：电枢反应电势无法用一个电抗压降表示-电抗无法引入。,2 凸极机

12、电枢反应电势电抗化困难的克服,虽然凸极机的电枢反应电势无法用一个电抗压降表示，但是却可以用二个电抗压降表示-Blondel的双反应理论：当不计饱和时，把任意位置的电枢磁势分解成直轴、交轴两个分量；这两个特定位置上的电枢反应电势可以表示为相应的负电抗压降；这两个负电抗压降之和就是总的电枢反应电势。 注意：双反应理论成立的前提-磁路线性。,1 物理背景-电磁关系,21.4.2 不计饱和时凸极发电机的数学模型,凸极机的数学模型-电压方程式的初始形式 据前述电磁关系可得：,3 凸极机的数学模型-电压方程式的常用形式-引入电抗,直轴电枢反应电抗Xad 交轴电枢反应电抗Xaq 直轴同步电抗Xd=Xad +

13、 X 交轴同步电抗Xq=Xaq + X,4 凸极发电机的电抗参数,5 凸极发电机的相量图,6 凸极发电机的虚拟电势EQ 要画出相量图，除需要给定发电机的电压、电流、负载的功率因数角以及电机的参数Ra、Xd和Xq之外，还必须先确定0角，以便把电枢电流分解成直轴和交轴两个分量。为此，研究虚拟电势EQ，以确定内功率因数角0 。,凸极发电机的虚拟电势EQ与励磁电势E0同相位,因此，确定了虚拟电势，等于确定了内功率因数角。,虚拟电势EQ的表达式,7 凸极发电机的内功率因数角 0的确定：由EQ到E0,8 同步发电机的等效电路,1 电感 = 匝数的平方 X 磁导,21.4.3 直轴、交轴同步电抗的比较,2

14、电抗 = 角频率 X 电感,3 电抗 = 角频率 X 匝数的平方 X 磁导,4 电抗与磁路有关-说到电抗，要想到磁路：磁阻越大，电抗越小；磁阻越小，电抗越大。,直轴主磁路气隙小、磁阻小、电抗大； 交轴主磁路气隙大、磁阻大、电抗小。 故：直轴电枢反应电抗大于交轴电枢反应电抗 直轴同步电抗大于交轴同步电抗,21.5.1 电磁功率 21.5.2 功率方程 21.5.3 转矩方程 21.5.4 功率角的空间含意,21.5 同步发电机的功率和转矩,1 电磁功率的定义：励磁电势所发出的有功功率 叫 电磁功率。由等效电路可见： 电磁功率=输出功率+电枢铜耗,21.5.1 电磁功率：以隐极机为例,与感应电机的

15、电磁功率表达式相同。针对同步电机，电磁功率还可写成,2 电磁功率表达式：参见相量图,上页电磁功率的两个表达式表明：交轴电流对能量转换有决定性的意义-要进行能量转换，电枢电流中必须要有有功分量，即交轴分量。,3 电磁功率表达式的意义：交轴电流对能量转换有决定意义,21.5.2 功率方程,21.5.3 转矩方程：轴入功率方程两边同时除以同步角速度，即得转矩方程如下：,1 功率角的定义：励磁电动势与端电压之间的夹角称为功率角。不难看出，交轴电枢反应愈强（即电枢电流的交轴分量愈大），功率角就愈大。,21.5.4 功率角的空间含意,2 励磁电势E0对应到主磁场B0,21.5.4 功率角的空间含意,3 端电压U对应到合成磁场BU（包括主磁场、电枢反应磁场和电枢漏磁场）,忽略电阻时,可见，端电压U确实对应到合成磁场BU（包括主磁场、电枢反应磁场和电枢漏磁场）,21.5.4 功率角的空间含意,4 B0和Bu分别超前于E0和U以90电角度，于是亦可以近似地认为，功率角是主磁场B0与电枢合成磁场Bu之间的空间相角差。对于同步发电机，B0总是超前于Bu。,