第16章同步電機(jī)基本電磁關(guān)系

1、教學(xué)目的：教學(xué)目的： 從第從第1010、1111章得知，同步電機(jī)運(yùn)行時(shí)有兩個(gè)章得知，同步電機(jī)運(yùn)行時(shí)有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場存在。旋轉(zhuǎn)磁場存在。 兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場共同作用下實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場共同作用下實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。主要研究在這兩個(gè)磁場作用下電端口的電壓、電主要研究在這兩個(gè)磁場作用下電端口的電壓、電流之間的關(guān)系，建立基本方程，得到等效電路。流之間的關(guān)系，建立基本方程，得到等效電路。本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容：1 1）空載運(yùn)行（勵(lì)磁磁場單獨(dú)存在）分析，介紹）空載運(yùn)行（勵(lì)磁磁場單獨(dú)存在）分析，介紹 時(shí)空相時(shí)空相- -矢量圖的分析方法；矢量圖的分析方法；2 2）電樞反應(yīng)：分析電樞磁場對勵(lì)磁磁場的影響；）電樞反

2、應(yīng)：分析電樞磁場對勵(lì)磁磁場的影響；3 3）隱極式與凸極式同步發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢相量圖、）隱極式與凸極式同步發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢相量圖、 方程式、等值電路。方程式、等值電路?？蛰d運(yùn)行：當(dāng)原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)在同步轉(zhuǎn)速空載運(yùn)行：當(dāng)原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)在同步轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，勵(lì)磁繞組流過適當(dāng)?shù)膭?lì)磁電流，電下運(yùn)行，勵(lì)磁繞組流過適當(dāng)?shù)膭?lì)磁電流，電樞繞組不帶任何負(fù)載（樞繞組不帶任何負(fù)載（ ）時(shí)的運(yùn)行情況。）時(shí)的運(yùn)行情況。0I 當(dāng)勵(lì)磁繞組中通入直流電當(dāng)勵(lì)磁繞組中通入直流電流后，產(chǎn)生隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的流后，產(chǎn)生隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的磁動(dòng)勢，稱為勵(lì)磁磁動(dòng)勢。因磁動(dòng)勢，稱為勵(lì)磁磁動(dòng)勢。因?yàn)樗S轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動(dòng)，從定子為它隨轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動(dòng)，從定子上看，

3、它也是一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢，上看，它也是一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢，所以同電樞繞組磁動(dòng)勢的分析所以同電樞繞組磁動(dòng)勢的分析方法一樣。方法一樣。 A AX XB BC CY Yz z00+A+A1n對比閉合回路對比閉合回路1-51-5的氣隙磁勢：的氣隙磁勢：彼此相等！（忽略鐵心磁壓降）彼此相等?。ê雎澡F心磁壓降）0f223212KN i12KN iff1ff4 12KN i0f223212KN iff1ff4 12KN i14ffffFFk F2ffN i4fkfk0f223212KN i12KN iff1ff4 12KN iA AX XB BC CY Yz z00+A+A1n12fffFN i0 k0 定定子子轉(zhuǎn)

4、子轉(zhuǎn)子 00FsFsF FmF Fb b1fF12fffFN I1fffFk Ffk2Z2Z5fkNNA AX XB BC CY Yz z00+A+A1n1fF1) 1) 隱極機(jī)隱極機(jī) 氣隙均勻，當(dāng)鐵心不飽和時(shí)，氣隙磁密與磁動(dòng)氣隙均勻，當(dāng)鐵心不飽和時(shí)，氣隙磁密與磁動(dòng)勢成正比，基波磁動(dòng)勢產(chǎn)生正弦波磁密，若不考慮勢成正比，基波磁動(dòng)勢產(chǎn)生正弦波磁密，若不考慮磁鐵的磁滯渦流效應(yīng)下，磁密波的相位和磁動(dòng)勢波磁鐵的磁滯渦流效應(yīng)下，磁密波的相位和磁動(dòng)勢波的相位相同。的相位相同。2) 2) 凸極機(jī)凸極機(jī) 氣隙不均勻，即使鐵心不飽和，氣隙中產(chǎn)生的氣隙不均勻，即使鐵心不飽和，氣隙中產(chǎn)生的磁密大小與磁動(dòng)勢大小不成正比

5、，正弦的基波勵(lì)磁磁密大小與磁動(dòng)勢大小不成正比，正弦的基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢產(chǎn)生的磁密波是非正弦分布的，磁密波還要磁動(dòng)勢產(chǎn)生的磁密波是非正弦分布的，磁密波還要分解基波和一系列諧波，基波磁密和基波磁動(dòng)勢仍分解基波和一系列諧波，基波磁密和基波磁動(dòng)勢仍然同相位。然同相位。 f1fffb0bb001fF0B1fF22321fFA AX XB BC CY Yz z00+A+ASN0A+A+A0B3 6561161fFA AX XB BCYz00SN+A+A30 氣隙磁密旋轉(zhuǎn)切割定子三相繞組，定子繞組感氣隙磁密旋轉(zhuǎn)切割定子三相繞組，定子繞組感應(yīng)隨時(shí)間正弦變化的電動(dòng)勢，用時(shí)間相量來表示。應(yīng)隨時(shí)間正弦變化的電動(dòng)勢，用時(shí)

6、間相量來表示。由于空間坐標(biāo)選由于空間坐標(biāo)選A A相繞組軸線相繞組軸線+A+A為參考軸，所以時(shí)為參考軸，所以時(shí)間相量也分析間相量也分析A A相。相。A AX XB BC CY Yz z00+A+A1n繞組感應(yīng)電動(dòng)勢的規(guī)繞組感應(yīng)電動(dòng)勢的規(guī)定定正方向和繞組軸線方正方向和繞組軸線方向向符合右手關(guān)系，即尾符合右手關(guān)系，即尾進(jìn)進(jìn)首出。首出。000B1fF0E+A+j1 1）磁極中心與）磁極中心與+A+A軸線重合軸線重合A AX XB BC CY Yz z00+A+A1n0B結(jié)論：結(jié)論： 及及 在空間參考軸在空間參考軸+A+A上初相位上初相位 與與A A相相時(shí)間相量時(shí)間相量 在時(shí)間參考軸在時(shí)間參考軸+j+j

7、的初相位的初相位 之間存在之間存在一定關(guān)系，即：一定關(guān)系，即： ，此關(guān)系適合任意時(shí)刻。，此關(guān)系適合任意時(shí)刻。00B00E000901fFA AX XA AX XnX X X X001fF2 2） 及及 均領(lǐng)先均領(lǐng)先+A+A軸。軸。A A相繞組邊處于磁極中相繞組邊處于磁極中心線，磁密最大，心線，磁密最大，A A相繞組感應(yīng)電動(dòng)勢瞬時(shí)值為相繞組感應(yīng)電動(dòng)勢瞬時(shí)值為正最大。正最大。1fF0B+A+jNS+A0E 將空間將空間+A+A與時(shí)間與時(shí)間+j+j重合在一起，將磁勢與重合在一起，將磁勢與電勢向量畫在一個(gè)圖中，構(gòu)成時(shí)間電勢向量畫在一個(gè)圖中，構(gòu)成時(shí)間- -空間向量圖，空間向量圖，即時(shí)即時(shí)- -空相空相-

8、 -矢量圖。矢量圖。0E1fF0B00+A+A，+j+j0E0B+A+A，+j+j1fF 定子繞組開路、轉(zhuǎn)子由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)到額定轉(zhuǎn)定子繞組開路、轉(zhuǎn)子由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速并通入勵(lì)磁電流的運(yùn)行狀態(tài)稱為同步發(fā)電機(jī)的速并通入勵(lì)磁電流的運(yùn)行狀態(tài)稱為同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行，稱空載運(yùn)行，稱 的函數(shù)關(guān)系為空載的函數(shù)關(guān)系為空載特性，它是一條非線性關(guān)系的飽和曲線特性，它是一條非線性關(guān)系的飽和曲線。00( )fUEf i0()fEf i()ffiF0ENUfNIc0氣隙線氣隙線注意：空載曲線橫坐標(biāo)是實(shí)際的勵(lì)磁電流，或每極注意：空載曲線橫坐標(biāo)是實(shí)際的勵(lì)磁電流，或每極實(shí)際磁動(dòng)勢波幅，而不是基波磁動(dòng)勢。實(shí)際磁動(dòng)勢波幅，而不

9、是基波磁動(dòng)勢。0( )fEf i()ffiF0ENUfNIc0氣隙線氣隙線定義：電樞磁動(dòng)勢對勵(lì)磁磁動(dòng)勢的影響稱電樞反應(yīng)定義：電樞磁動(dòng)勢對勵(lì)磁磁動(dòng)勢的影響稱電樞反應(yīng)1fFaF1160 fnp（2 2） 轉(zhuǎn)速：轉(zhuǎn)速： (r/min) (r/min) 1) 1) 定子三相對稱繞組中對稱三相電流產(chǎn)生基波電定子三相對稱繞組中對稱三相電流產(chǎn)生基波電 樞磁動(dòng)勢樞磁動(dòng)勢aF（1 1） 大?。捍笮。?(A) (A) 1 111 35dpaN I kF.p（3 3） 轉(zhuǎn)向：沿通電相序轉(zhuǎn)向：沿通電相序A A、B B、C C的方向，它與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相同的方向，它與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相同（4 4） 極對數(shù)：和轉(zhuǎn)子極對數(shù)相同，決定于繞

10、組的結(jié)構(gòu)極對數(shù)：和轉(zhuǎn)子極對數(shù)相同，決定于繞組的結(jié)構(gòu) 1 1 兩個(gè)磁動(dòng)勢分析兩個(gè)磁動(dòng)勢分析2) 2) 轉(zhuǎn)子繞組通入直流產(chǎn)生每極基波勵(lì)磁轉(zhuǎn)子繞組通入直流產(chǎn)生每極基波勵(lì)磁 磁動(dòng)勢磁動(dòng)勢1fF（4 4） 極對數(shù)：和轉(zhuǎn)子磁極的極對數(shù)相同極對數(shù)：和轉(zhuǎn)子磁極的極對數(shù)相同（1 1） 幅值：幅值：1f12fffFk N i（2 2） 轉(zhuǎn)速：和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一樣，即同步速轉(zhuǎn)速：和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一樣，即同步速（3 3） 轉(zhuǎn)向：和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向一致轉(zhuǎn)向：和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向一致 定子繞組的基波電樞磁動(dòng)勢和轉(zhuǎn)子的基波勵(lì)磁定子繞組的基波電樞磁動(dòng)勢和轉(zhuǎn)子的基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢，它們的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、極對數(shù)均相同，彼此磁動(dòng)勢，它們的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、極對數(shù)均相同，彼此

11、之間相對靜止，因此兩者的合成磁動(dòng)勢將是一個(gè)同之間相對靜止，因此兩者的合成磁動(dòng)勢將是一個(gè)同樣轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速、極對數(shù)的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢，由它們合成樣轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速、極對數(shù)的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢，由它們合成在電機(jī)中形成氣隙合成磁場。在電機(jī)中形成氣隙合成磁場?；?波波波波 形形大大 小小 位位 置置 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 速速 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 向向勵(lì)勵(lì) 磁磁磁磁 勢勢正弦波正弦波恒定，由恒定，由勵(lì)磁電流勵(lì)磁電流決定決定由轉(zhuǎn)子位由轉(zhuǎn)子位置決定置決定由原動(dòng)機(jī)的由原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定轉(zhuǎn)速?zèng)Q定電電 樞樞反反 應(yīng)應(yīng)磁磁 勢勢正弦波正弦波恒定，由恒定，由三相電樞三相電樞電流決定電流決定由電樞電由電樞電流瞬時(shí)值流瞬時(shí)值決定決定由電樞電流由電樞電流的大小和相的大小和相

12、序決定序決定 電機(jī)帶負(fù)載后，電機(jī)帶負(fù)載后， ，由于所帶負(fù)載性質(zhì)，由于所帶負(fù)載性質(zhì)不同，使不同，使 和和 之間相位角之間相位角不同，電樞反應(yīng)不同，電樞反應(yīng)的性質(zhì)也不同。的性質(zhì)也不同。0I 0EI 設(shè)設(shè) 時(shí)，轉(zhuǎn)子時(shí)，轉(zhuǎn)子S S極中心極中心在空間坐標(biāo)軸超前在空間坐標(biāo)軸超前 的位置，的位置，即即 的位置。的位置。0t0090090空間基波電樞磁動(dòng)勢向量空間基波電樞磁動(dòng)勢向量 空間基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢向量空間基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢向量 空載時(shí)定子一相（空載時(shí)定子一相（A A相）相） 電動(dòng)勢電動(dòng)勢aF0E1fF1fFA1nAX0000900cos0900cos0EI0ELZaRjXLZ0EIUIUAAXX00jIAaF

13、,AjaFI 當(dāng)時(shí)間當(dāng)時(shí)間+j+j軸與空間參考軸都取同一相的量軸與空間參考軸都取同一相的量時(shí)，電樞電流時(shí)，電樞電流 將與電樞磁動(dòng)勢將與電樞磁動(dòng)勢 重合。重合。IaF 電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢 落后勵(lì)磁磁動(dòng)勢落后勵(lì)磁磁動(dòng)勢 空間電角度，叫做交軸電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢，交空間電角度，叫做交軸電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢，交軸電樞反應(yīng)使合成磁動(dòng)勢軸電樞反應(yīng)使合成磁動(dòng)勢 與勵(lì)磁磁動(dòng)勢與勵(lì)磁磁動(dòng)勢 不在一個(gè)方向上，相差一個(gè)相角不在一個(gè)方向上，相差一個(gè)相角 。aF1fF090F1fFj, A1fF0EIaFF0900cos 與與 相差相差1801800 0 。 對對 起去磁作用，起去磁作用，叫直軸去磁電樞反應(yīng)磁叫直軸去磁電

14、樞反應(yīng)磁動(dòng)勢。直軸去磁電樞反動(dòng)勢。直軸去磁電樞反應(yīng)使合成磁動(dòng)勢應(yīng)使合成磁動(dòng)勢 比比 減小，氣隙磁密比空載減小，氣隙磁密比空載時(shí)減小，感應(yīng)電動(dòng)勢相時(shí)減小，感應(yīng)電動(dòng)勢相應(yīng)減小，應(yīng)減小， 與與 同相同相位，即位，即 aF1fFF00 aF0fk F1fF1fFFj1fF0EFIaF+A1fFaFj0EFI0900cos, Ajd軸q軸0EaF1fFAIFaFadaaqaFFsinFFcos, Aj0EaF1fFAId軸q軸aqFadFaqFF1fFadF1fF0EIUaRjXLZAX( )I A( )U V00U 0EIUaRjXLZAX0EIUaRjXLZAXx xA AIUaF1fFaF1fF1

15、fFaFaF1fFF0E1n1nfi0E1n0EIaFaRLZiA A電樞基波主磁場與其它漏磁場關(guān)系電樞基波主磁場與其它漏磁場關(guān)系1 1電樞基波主磁場與其它漏磁場關(guān)系電樞基波主磁場與其它漏磁場關(guān)系2 2電樞諧波磁場及其它漏磁場電樞諧波磁場及其它漏磁場,aaAF B,AAIEsXaXsaXXcsaXXXaRsjXajX0EULZAX1nIaRsjX0EAUXLZIaE1naaEjIX aRsjXAXLZU1nEIaE0E0aEEEaF1fFF0 asaaccEUIRjIXjIXUIRjXUIZassEUIRjIXUIZ0EIULZaRsjXAXoscacRX、0EUIcjIXaIR0EUIajI

16、XaIRsjIXE&0EUIcjIXaIR0EUIcjIXaIR0EUIcjIXaIR0BaFBaB0BaB1fF00aaBBBEEE100 ffSaaaiFBEEUIZIFBE0()fEf IfI0ENUfNIc0氣隙線氣隙線aEaFI090aEIaaEjIX aXaX0 () aaSaaEEEUI RjXEjIX 0 ()asaaccEUIRjIXjIXUI RjXUIZ CSaCCCCXXXXZrjX Z同步電抗同步阻抗cxcxcxIU0E 隱極同步發(fā)電機(jī)等效電路圖隱極同步發(fā)電機(jī)等效電路圖aR1 1 凸極發(fā)電機(jī)氣隙不均勻帶來的問題凸極發(fā)電機(jī)氣隙不均勻帶來的問題 基波磁動(dòng)勢矢量兩側(cè)

17、氣隙可能不等基波磁動(dòng)勢矢量兩側(cè)氣隙可能不等 不同位置基波磁動(dòng)勢對應(yīng)的氣隙不等，不同位置基波磁動(dòng)勢對應(yīng)的氣隙不等，這導(dǎo)致無法直接利用這導(dǎo)致無法直接利用 求取求取 ，也，也不能直接利用不能直接利用 求取求取 。aBaFFBaF1fFFaFa dFaqFadaaqaFFsinFFcosaF1fFadFaqF100 ffdadadadadqaqaqaqaqiFEIFEXIIFEX SEUIZaF1fFadFaqFaqIaIadIaF1fFadFaqFqIIdId軸q軸dqIIsinIIcos 凸極發(fā)電機(jī)中的凸極發(fā)電機(jī)中的 和和 ，可以看作是電樞電，可以看作是電樞電流流 的分量的分量 和和 產(chǎn)生的，產(chǎn)生

18、的， 與與 成成90900 0電角度，電角度， 與與 同在同在 軸上。即：軸上。即：aqFIdIqIdI0EqIadF0EaF1fFadFaqFqIIdIqaqFadFaF1fFaddadaqqaqEjI XEjI X 思考：比較思考：比較 與與 。adXaqXq軸d軸0 ()adaqasEEEEUI RjX dsaddqsaqqXXXXXXXX0 addasdadaqqqqEUIRjIXjI XjI XUIRjI XjI X已知：已知： ， ， 和電機(jī)和電機(jī) 參數(shù)。參數(shù)。IU, aIRUIqqjI xddjI x0EqIdId軸q軸aIRUIqqjI x0Ed軸q軸qjIxqEqaqEUIR

19、jIXqE0()qddqEEjIXXqE0E0qEE0()qddqEEjIXX0EqE0()qddqEEjIXXqEIULZaRqjXAX一、一、 凸極同步發(fā)電機(jī)的雙反應(yīng)法凸極同步發(fā)電機(jī)的雙反應(yīng)法 由于凸極發(fā)電機(jī)的氣隙不均勻，正弦分由于凸極發(fā)電機(jī)的氣隙不均勻，正弦分布的磁動(dòng)勢在氣隙中產(chǎn)生的磁密波形發(fā)生畸布的磁動(dòng)勢在氣隙中產(chǎn)生的磁密波形發(fā)生畸變。基波氣隙磁密變。基波氣隙磁密 的大小不僅和的大小不僅和 的大小的大小有關(guān)，而且和氣隙磁動(dòng)勢有關(guān)，而且和氣隙磁動(dòng)勢 在空間的位置有在空間的位置有關(guān)，由于關(guān)，由于 ，所以，所以 的大小及空間的大小及空間位置也隨負(fù)載位置不同而改變，不能直接利位置也隨負(fù)載位置不同而改變，不能直接利用用 求取求取 。BF0faFk FFFEFF依據(jù)疊加原理的雙反應(yīng)法是把電樞基波磁依據(jù)疊加原理的雙反應(yīng)法是把電樞基波磁動(dòng)勢動(dòng)勢 分解為兩個(gè)磁勢：在縱軸上的電樞分解為兩個(gè)磁勢：在縱軸上的電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢反應(yīng)磁動(dòng)勢 ；在橫軸上的電樞反應(yīng)磁；在橫軸上的電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢動(dòng)勢 。aFa dFaqFadaaqaFFsinFFcos100 ffSdadadadqaqaqaqiF