同步发电机电枢反应
同步电机的电磁关系相关知识讲解
C
F&f A
N
SX
Z
B
Na
电枢反应磁动势 Fa 落后励磁磁动势 Ff ，900 空间电角度，
叫做横轴电枢反应磁动势，横轴电枢反应使合成磁动势 F 与
励磁磁动势 Ff 不在一个方向上，相差一个相角 θ 。
内功率因数角Ψ=900
+j
E. 0A
Y
.
IC
d轴
Na
A
N
ψ I. A
Ff1 F
.
E 0C I.B
同步电机的电磁关系相关知识讲解
要点： 1、时空相-矢量图
2、负载运行时两个旋转磁动势 a.由直流电流产生的励磁磁动势 b.三相对称交流电流产生的电枢磁动势
3、隐极式同步发电机的电动势相量图，方程式， 等值电路
4、凸极式同步发电机的电动势相量图，方程式， 等值电路
第一节 同步发电机空载运行
空载运行：当原动机带动发电机在同步转速 下运行，励磁绕组通过适当的励磁电流，电 枢绕组不带任何负载时的运行情况。
I. A ψ I.B
E. 0C
I.C
Y
d轴
Sa
A
N
E. 0B
F
Ff1 Fa
Z
q轴 +A
C
S
Na
X
B
Ff
与
1
Fa
同相位，Fa
对
Ff
起助磁作用，
1
叫
纵
轴
助
磁电枢反应磁动势。纵轴助磁电枢反应使合成磁动
势 R 比 Ff 1 增大，气隙磁密比空载时增大，感应电动 势相应增大，F 与 Ff 1 同相位，θ 00
求得 E0 和 I 的夹角
同步电机习题一 .二
同步电机复习题一一、填空1. 在同步电机中，只有存在 电枢反应才能实现机电能量转换。
答 交轴2. 同步发电机并网的条件是：（1） ；（2） ；（3） 。
答 发电机相序和电网相序要一致，发电机频率和电网频率要相同，发电机电压和电网电压大小要相等、相位要一致3. 同步发电机在过励时从电网吸收 ，产生 电枢反应；同步电动机在过励时向电网输出 ，产生 电枢反应。
答 超前无功功率，直轴去磁，滞后无功功率，直轴增磁4. 同步电机的功角δ有双重含义，一是 和 之间的夹角；二是 和 空间夹角。
答 主极轴线，气隙合成磁场轴线，励磁电动势，电压5. 凸极同步电机转子励磁匝数增加使q X 和d X 将 。
答 增加6. 凸极同步电机气隙增加使q X 和d X 将 。
7. 答 减小8. 凸极同步发电机与电网并联，如将发电机励磁电流减为零，此时发电机电磁转矩为 。
答 2q dmU 11()sin22X X δ-Ω 二、选择1. 同步发电机的额定功率指（ D ）。
A 转轴上输入的机械功率；B 转轴上输出的机械功率；C 电枢端口输入的电功率；D 电枢端口输出的电功率。
2. 同步发电机稳态运行时，若所带负载为感性8.0cos=ϕ，则其电枢反应的性质为（ C ）。
A 交轴电枢反应；B 直轴去磁电枢反应；C 直轴去磁与交轴电枢反应；D 直轴增磁与交轴电枢反应。
3. 同步发电机稳定短路电流不很大的原因是（ B ）。
A 漏阻抗较大；B 短路电流产生去磁作用较强；C 电枢反应产生增磁作用；D 同步电抗较大。
4. 对称负载运行时，凸极同步发电机阻抗大小顺序排列为（ D ）。
A q aq d ad X X X X X >>>>σ；B σX X X X X q aq d ad >>>>；C σX X X X X ad d aq q >>>>；D σX X X X X aq q ad d >>>>。
何谓同步发电机的电枢反应？
何谓同步发电机的电枢反应？
同步发电机空载时只有一个同步旋转的励磁磁通势，带上负载以后，由于电枢绕组有电流通过，就出现第二个磁通势——电枢磁通势。
或者说定子三相绕组中将通过对称三相电流，产生电枢磁通势，这时在同步发电机的气隙中同时作用着两个磁场。
定子绕组中产生的电枢磁通势的基波对主极磁场基波的影响，就称为电枢反应。
电枢磁通势又称为电枢反应磁通势。
同步发电机的气隙中同时作用着两个磁场，这两个磁通势以相同的转速、相同的转向旋转着，彼此在空间保持相对静止。
实际上，定子、转子磁通势相对静止是一切电磁感应型旋转电机能够正常运行的基本条件。
同步发电机电枢反应
四个轴
直轴（纵轴、d 轴）：主磁极轴线位置。 交轴（横轴、q 轴）：与直轴成 900 电角度的位置。 相轴： 每相绕组的轴线位置。 时轴: 时间相量在其上投影可得瞬时值
内功率因数角Ψ=00
时轴
.
E0A
Fδ
.
IA
.
E 0C
. IC
d轴 Ff
.
.
A
I B E0B
交轴电枢反应
q轴 A轴
Fa
Y
C
Ψ+90
电枢反 正弦 恒定，由电 由电流瞬 由电流的f 应磁势 波 枢电流决定 时值决定 和P决定
准备工作
三个角
•
•
内功率因数角 : 是 E0 与I 的时间相位角, 与电机参数及负载有关;
•
•
外功率因数角 : 是U 与I 的时间相位角,与负载有关;
•
•
功率角(功角) : 是 E0 与U 的时间相位角.三者关系:
无 , •
•
Id Ir
功电流产生电磁力, 不形成电磁转矩
Y n1
n
A
Z
C N
If X
S
B Φad
电枢磁势和电枢电流分量
Fa F ad F aq 直轴分量
•• •
I IdIq
Fad Fa sin 交轴分量
Faq Fa cos
I d I sin I q I cos
当忽略电机本身参数,
ψ≈φ=00,
•
Iq
•
Ia
,
有功电流产生电磁力, 并形成电磁转矩Tem
n1
Tem
当忽略电机本身参数, ψ≈φ=900,
同步发电机电枢反应
电枢反应的概念
电机学同步电机部分知识点总结
二、 对称负载时的电枢反应
1. 同步电机空载时，气隙磁场就是由励磁磁动势所产生的同步旋转的主磁场， 在定子绕组中只感应有空载电动势，因为定子电流为 0，所以端电压就等于 空载电动势。带上对称负载以后，定子绕组流过负载电流时，电枢绕组就会 产生电枢磁动势以及相应的电枢磁场，若仅考虑其基波，则它与转子同向、 同速旋转，它的存在使空气隙磁动势分布发生变化，从而使空气隙磁场以及 绕组中的感应电动势发生变化，这种现象称为电枢反应。
因此，与之对应有直轴电枢反应电抗和交轴电枢反应电抗，再把电枢反应电 抗与漏抗相加，可得直轴同步电抗和交轴同步电抗。
四、同步发电机的参数及测定 1.不饱和同步电抗和饱和同步电抗：不饱和同步电抗的数值要比饱和同步电抗的 数值大得多。（因为饱和时，磁阻大，电抗就小）（有一规律：气隙大，磁阻就大， 电抗就小） 2.漏抗的测定和保梯电抗（电抗三角形） （1）负载特性：当电枢电流及功率因数均为常数时，端电压与励磁电流之间的 关系曲线 U=f(If)称为负载特性。
同步电机的基本原理和运行特性
一、 同步电机（电机转子的转速和旋转磁场转速相同）的结构
转子上装有磁极和励磁绕组。当励磁绕组通以直流电流后，电机内就产生转 子磁场。同步电机的磁极通常装在转子上，而电枢绕组放在定子上，通常称为旋 转磁极式电机。
旋转磁极式同步电机的转子有隐极和凸极两种结构，隐极电机的气隙均匀， 凸极电机的气隙不均匀（极弧下较小，而极间较大）。
6. 由内功率因数角判断同步电机的运行方式。
三、 隐极+凸极同步发电机的分析方法
1.电枢反应电抗的物理意义：电枢反应磁场在定子每相绕组中所感应的电枢反应 电动势 ，可以把它看作相电流所产生的一个电抗电压降，这个电抗便是电枢 反应电抗 。 2.同步电抗： = + ,包含两部分，一部分对应于定子绕组的漏磁通，另 一部分对应于定子电流所产生的电枢反应磁通。在实用上，我们通常不把它们分 开，而是把 + 当作一个同步电抗来处理。
12第12章 同步发电机的基本理论概述
Xd Xq
一般 X q 0.6 X d
第12章 同步发电机的基本理论
三、相量图
已知量： U
cos I a
Xd
X q Ra 0
I 为了画相量图，应先求出 I d q
U jI X jI X jI X jI X E 0 d d q q d q d q
气隙合成磁通 δ 0 a
第12章 同步发电机的基本理论
将
jI X E a a a
jI X E a
E E U I R 代入 E 0 a a a
U I R jI (X X ) 得 E 0 a a a a
jI X jI (X X ) U a q d d q
jI X E jI (X X ) U a q 0 d d q
I E 0 d
与 jI ( X X )重合 E 0 d d q
jI X )即为E 位置 I I 相量(U a q 0 d q I X q U sin 1 a 由相量图： tan U cos
滞后E Ψ角） 1. 0 90 ( I a 0
最大，I 0 当磁极转到水平位置时，U相 E 0 a 才达到最大 当磁极再转过 时， U相 I a
分 解 法
Fa 处在U相轴线上（如图）
交磁电枢反应. 直轴去磁电枢反应.
I I Fa Fad Faq I a d q
f (I f )
E0 f ( I f ) 空载特性
E0 0
I f Ff
电机学作业答案
同步电机章节作业：1. 有一台TS854-210-40的水轮发电机，P N =100兆瓦，U N =13。
8千伏，9.0cos =N ϕ，f N =50赫兹，求〔1〕发电机的额定电流；〔2〕额定运行时能发多少有功和无功功率？〔3〕转速是多少？〔1〕额定电流4648.6A〔2〕有功功率MW P N 100=无功功率48.4MVar〔3〕转速 150rpm2 同步发电机的电枢反应性质主要决定于什么？在以下情况下〔忽略电机自身电阻〕，电枢反应各起什么作用？1） 三相对称电阻负载；2） 电容负载8.0*=c x ，发电机同步电抗0.1*=t x ； 3） 电感负载7.0*=L x答：电枢反应的性质取决于内功率因数角ψ，而ψ角既与负载性质有关，又与发电机本身的参数有关。
①电枢反应既有交轴又有直轴去磁电枢反应；②电枢反应为直轴去磁电枢反应；③电枢反应为直轴去磁电枢反应。
3. 试述直轴和交轴同步电抗的意义。
X d 和X q 的大小与哪些因素有关？答：直轴〔交轴〕同步电抗是表征对称稳态运行时直轴〔交轴〕电枢反应基波磁场和漏磁场综合效应的电磁参数。
与气隙大小、电源频率、绕组匝数、铁心几何尺寸、材质及磁路的饱和程度有关。
4. 有一台70000kV A 、60000kW 、13.8kV(Y 接)的三相水轮发电机，交、直轴同步电抗的标幺值分别为0.1*=Xd ,7.0*=Xq ，试求额定负载时发电机的激磁电动势*0E 〔不计磁饱和与定子电阻〕(1.732)%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%5.同步发电机短路特性曲线为什么是直线？当N k I I =时，这时的激磁电流已处于空载特性曲线的饱和段，为什么此时求得的d x却是不饱和值，而在正常负载下却是饱和值？ 答：因x σ很小，故气隙电动势很小，用来感应气隙电动势的气隙磁通很小，所以短路时，电机磁路不饱和，E 0∝I f ，而E 0∝I k ，因此I k ∝I f ，所以短路特性是一条过原点的直线。
电机与拖动基础电子教案——第四篇第十三章 同步发电机的运行原理
在这里需要注意的是：我们习惯上称转
子磁极轴线为直轴，用d来进行表示，而
N，S极之间的中线为交轴，用q来进行
表示。所以，由于交轴磁势的存在，使
合成磁势的轴线的位置产生一定的位移，
幅值发生一定的变化。
13.1.2
.
Ia
滞后
.
E0
90电角度（ψ=90
°）时
的电枢反应 ：
见相量图：
显然，此时的电枢磁势和气隙磁势方向相反，电 枢反应是去磁效果。
.
.
E aq j I d X aq
和隐极电机一样，直轴和交轴电枢反应 电抗各和定子漏抗相加，便可以得到直 轴同步电抗和交轴同步电抗，即
X d X ad X
X q X aq X
注意：在直轴磁路上，由于气隙小，磁阻
小， 于气
所以 隙很
大X，ad
较大。在交轴 磁阻大，所以
磁路
X aq
很显然，由于直轴处的气隙比交轴处小， 故直轴磁导比交轴磁导大。这样，同样大 小的电枢磁动势作用在直轴和交轴上时， 所产生的电枢磁场将有明显的差别。而不 同的磁阻将对应着不同的电抗。
所以，在这里，我们将磁动势 Fa 分解成沿
直轴和交轴方向的两个分量。
Fad Fa sin
Faq Fa cos
直轴电枢磁势固定地作用在直轴磁路上，
电枢反应。这个结论十分重要，它对发 电机性能的影响将在后面几章提到。
13.2 同步电抗的概念
同步电抗是同步电机中一个极为重要的参 数，它的大小对同步电机的性能有很大 影响，因此在未具体研究同步电机性能 以前，先对同步电抗的概念作一介绍。
13.2.1 隐极同步电机：
隐极同步电机有一个特点就是定转子之间 的气隙是均匀分布的。下面我们就来分 析他的电抗。
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当ψ角为不同值的电枢反应
位置 Ψ=00 Ψ=900 Ψ=Ψ=-900
00<Ψ<900 -900<Ψ<00
Fa
F f Fa
夹角
Fa 记作
电枢反 应性质 交轴
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
对电机的影响
波形 畸变 削弱 增强
Ψ=
q轴 d轴 d轴 d 、q 轴 d 、q 轴
Ψ+900
Fδ
n(f) 下降
不变 不变 下降 下降
U 不变 下降 上升 下降 上升
.
q轴 A轴 轴 轴
E0 A
.
Fa Fδ
Y C
I
.
A
Ψ+90 Ψ+90
0
d轴 轴
Ff
.
A
N
E 0C
. I
C
. I
S
X
B
E0B
Z B
交轴电枢反应
5
内功率因数角Ψ=900 内功率因数角
时轴
.
q轴 A轴
E0A
.
Y
C
IC
ψ
. .
d轴
Ff
IA
.
A
N
Z B
S
Fa
X
E 0C
.
IB
E 0B
直轴去磁电枢反应
6
内功率因数角 内功率因数角Ψ=-900
大小
位置
转速
励磁磁 正弦 恒定，由励 由转子位 由原动机的 势 波 磁电流决定 置决定 转速决定 电枢反 正弦 恒定，由电 由电流瞬 由电流的f 应磁势 波 枢电流决定 时值决定 和P决定
3
三个角
准备工作
内功率因数角 : 是 E 0 与 I 的时间相位角 与电机参数及负载有关 Ψ , ;
外功率因数角 : 是U 与 I 的时间相位角与负载有关 , ;
负载性质
R L C R 、L R 、C
9
F aq
Ψ+900
直、去
F ad
Ψ+900 Ψ+900 Ψ+900
F ad
Faq+Fad Faq+Fad
直、助
交、直去 削弱 交、直助 增强
电枢磁势和电枢电流分量
Fa = F
ad
+F
aq
I = Id+ Iq
直轴分量 F ad = F a sin Ψ 交轴分量 F aq = F a cos Ψ I q = I cos Ψ I d = I sin Ψ
功率角(功角)δ : 是 E 0 与U 的时间相位角三者关系: Ψ = + δ .
四个轴
直轴（纵轴、d 轴） ：主磁极轴线位置。 交轴（横轴、q 轴） ：与直轴成 900 电角度的位置。 相轴： 每相绕组的轴线位置。 时轴: 时间相量在其上投影可得瞬时值
4
内功率因数角 内功率因数角Ψ=00
时轴
同步发电机电枢反应
Armature reaction of synchronous generator
1
电枢反应的概念
I
F
f
a
If F F
δ
= F
f
+ F
a
电枢反应: 电枢磁通势的基波
在气隙中使气隙磁通的大小及位 置均发生变化, 这种影响称为电 枢反应.
2
励磁磁势和电枢磁势的区别
基波 波形
q轴 A轴
时轴
.
E0A
.
.
Y
C
IA ψ
.
.
IB
d轴 Ff
.
Fa
A
N
S
X
E 0C
IC
E 0B
Z
B
直轴助磁电枢反应
7
内功率因数角 0<Ψ<900 内功率因数角0
时轴
.
q轴 A轴
E0 A
.
Y
C
Ψ+900 Ψ+90
IC
.
ψ IA
.
d轴
.
Ff
A
Fa S
X
N
.
E 0C
IB
E0B
Z B
既有交轴又有直轴去磁电枢反应
10
11
当忽略电机本身参数, ψ≈φ=00, I ≈ I , 有功电流产生电磁力, 并形成电磁转矩Tem
q a
n1
Tem
12
当忽略电机本身参数, ψ≈φ=900, I ≈ I , 无功电流产生电磁力, 不形成电磁转矩
d r
Y n1 n A S Z B Φad
13
N
C
If X