電機學筆記—同步電機1：同步發電機磁場

作者：由向灰狼發表于體育時間：2022-03-20

1 同步電機

同步電機

是屬於交流電機，電樞繞組通交流電流，而轉子磁場由勵磁繞組加直流勵磁電流產生或者永磁體產生。轉子旋轉速度與定子繞組所產生的旋轉磁場的速度是一樣的，所以稱為

同步電機

。

同步電機勵磁繞組所需的直流勵磁功率大約為同步電機額定功率的1%~3%，這一功率由勵磁系統提供。對於永磁同步電機而言，不需要產生轉子直流磁通的電功率，因而有提高電機效率的潛力。但是否採用永磁體，要進行權衡，因為用永磁體勵磁時，轉子上的直流磁通的幅值無法根據電機執行條件的改變而調節。

2 同步電機的結構與執行狀態

同步電機的基本結構

：

隱極

同步電機：隱極轉子外表呈圓柱形，在圓柱表面開槽以安放直流勵磁繞組，並用金屬槽楔固緊，使

電機具有均勻的氣隙

。由於高速旋轉時巨大的離心力，要求轉子有很高的機械強度。隱極式轉子一般由高強度合金鋼整塊鍛成，槽形一般為開口形，以便安裝勵磁繞組。

凸極

同步電機：與隱極同步電機相反，電機具有不均勻氣隙的電機即為凸極同步電機。

隱極電機與凸極電機

同步電機的工作狀態

：

發電機：將機械能轉換為電能

補償機：沒有有功功率的轉換

電動機：將電能轉換為機械能

（a）發電機（b）補償機（c）電動機

3 同步發電機的磁場

同步發電機的空載執行

：發電機被原動機帶動到同步轉速，轉子勵磁繞組加勵磁電流，定子繞組開路（零電流）。此時氣隙中只有轉子勵磁電流激勵的主極磁場，若轉子直流勵磁電流

$I_{f}$

，勵磁繞組匝數為

$N_{f}$

，則轉子直流勵磁磁動勢為

$F_{f}=N_{f}I_{f}$

。主極磁場如下圖所示，主極磁場的磁路包括兩部分：

主磁通

$\Phi_{0}$

構成的主磁路，包括轉子軛、主極極身、氣隙、電樞齒和電樞軛等

漏磁通

$\Phi_{f\sigma}$

形成的漏磁路

空載時同步發電機內部磁通分佈示意圖

勵磁繞組通入勵磁電流

$I_{f}$

$\rightarrow$

磁動勢

$F_{f}$

$\rightarrow$

旋轉磁場、磁通（主、漏磁通）

$\rightarrow$

激磁

［1］

電動勢（定子電流為零）

三相激磁電動勢

：

$\tilde{E}_{0A}=\tilde{E}_{0}\angle0^{°}$

$\tilde{E}_{0B}=\tilde{E}_{0}\angle-120^{°}$

$\tilde{E}_{0C}=\tilde{E}_{0}\angle120^{°}$

激磁電動勢的有效值

：

$E_{0}=4.44fN_{1}k_{w1}\Phi_{0}$

式中，

$N_{1}k_{w1}$

為定子繞組每相基波有效匝數

同步發電機的空載特性曲線

：當調節勵磁電流

$I_{f}$

時，主極磁通

$\Phi_{0}$

隨著改變，空載電動勢

$E_{0}$

也改變。在同步轉速下，空載電動勢

$E_{0}$

（也即為空載端電壓）隨著勵磁電流

$I_{f}$

變化的關係曲線稱為空載特性曲線。

空載特性初始段，勵磁電流

$I_{f}$

較小時，磁通

$\Phi_{0}$

較小，鐵芯不飽和，

$E_{0}$

與

$I_{f}$

成正比，為直線關係。當磁通

$\Phi_{0}$

較大時，隨著鐵芯的飽和，

$E_{0}$

與

$I_{f}$

之間的關係呈非線性關係。這是，因鐵芯飽和，增加勵磁電流，感應電動勢的變化越來越小，空載特性曲線逐漸彎曲。因此，同步電機的空載特性曲線反映了電機主磁路的飽和情況。當

$E_{0}=U_{N\varphi}$

時，所加的勵磁電流為

$I_{f0}$

稱為空載勵磁電流。

同步發電機的空載特性曲線

空載特性的作用

：

驗證電機設計的合理性

與短路特性相結合，求取電機引數

用來判斷三相繞組的對稱性及勵磁系統故障

同步發電機空載時的向量圖

：空載執行時，以定子繞組A相為例，當A相繞組中的感應電動勢為最大值時，主極磁通與定子繞組中感應電動勢的相量關係如下圖所示。圖中電樞繞組中的方向為感應電動勢的方向（右手定則），由於空載執行，電樞電流為零。通常定義主磁極的軸線為直軸（d軸），與直軸正交（滯後於d軸90°電角度）的軸線為交軸（q軸）。

同步發電機空載時的向量圖

同步發電機的負載執行與電樞反應

：

同步發電機帶上三相對稱

負載

後，三相電樞繞組中將流過

三相對稱電流

，此時電機內部除轉子磁動勢外，電樞繞組三相電流還將產生

電樞磁動勢

。三相對稱負載電流同時產生

電樞磁場

，其

基波

為一以同步速度旋轉的磁動勢和磁場，與轉子主極磁場保持相對靜止。所以發電機負載執行時，氣隙內的

合成磁場

是由主極磁動勢和電樞磁動勢共同作用產生的。

同步發電機的負載執行：負載

$\rightarrow$

電樞電流

$\rightarrow$

電樞磁動勢

$\rightarrow$

電樞磁場

負載執行相量圖

：當定子三相繞組接三相對稱負載阻抗時，由於旋轉的主極磁場在繞組中感應的三相對稱電動勢

$E_{0}$

的作用，將有電樞電流

$I_{a}$

流向負載。若規定電動勢和電流的正方向相同，且與磁通正方向之間滿足右手螺旋關係，而負載電流的相位取決於負載的性質：

負載若為感性：

$\dot{I}_{a}$

將落後於

$\dot{E}_{0}$

負載若為容性：

$\dot{I}_{a}$

將領先於

$\dot{E}_{0}$

隱極同步發電機負載執行相量圖

同步發電機電樞反應

：同步發電機負載執行時，隨著電樞磁動勢的產生，使氣隙中的磁動勢從空載時的主極磁動勢變為負載時的合成磁動勢。電樞磁動勢使氣隙中磁場的大小和位置發生變化，這種現象稱為

電樞反應

，相應的電樞磁動勢又稱為

電樞反應磁動勢。電樞反應的性質

：

增磁、去磁或交磁

，取決於電樞磁動勢與主磁場在空間的相對位置，取決於空載電動勢與負載電流之間的夾角

$\Psi_{0}$

（

內功率因數角

）。

分下列四種情況進行討論：

負載電流

$\dot{I}_{a}$

和空載電動勢

$\dot{E}_{0}$

同相

負載電流

$\dot{I}_{a}$

滯後空載電動勢

$\dot{E}_{0}$

90°相位

負載電流

$\dot{I}_{a}$

超前空載電動勢

$\dot{E}_{0}$

90°相位

負載電流

$\dot{I}_{a}$

滯後空載電動勢

$\dot{E}_{0}$

$\Psi_{0}$

相位

3.1 負載電流 #FormatImgID_61# 和空載電動勢 #FormatImgID_62# 同相時的電樞反應

：

A相激磁電動勢

$\dot{E}_{0A}$

的瞬時值達到正的最大值，A相電流也將達到正的最大值，B相和C相電流分別滯後於A相電流120°和240°。基波電樞磁動勢

$\dot{F}_{a}$

的軸線應與A相繞組軸線重合，即與轉子交軸重合：

$\dot{F}_{a}|_{\Phi_{0}=0°}=\dot{F}_{aq}$

電樞磁動勢

$\dot{F}_{a}$

是交軸磁動勢，所產生的電樞反應為

交軸電樞反應

。

$\dot{F}_{a}$

與主極磁動勢

$\dot{F}_{f}$

在空間上相互垂直。

$\dot{F}_{a}$

與

$\dot{F}_{f}$

共同作用產生氣隙合成磁動勢，氣隙合成磁動勢滯後於主極磁場，電磁轉矩為制動性質。

感應電動勢、電樞電流和主磁通是時間相量，其變化頻率為

；主極磁動勢、電樞磁動勢和氣隙磁動勢是空間向量，以同步轉速旋轉。由於以

頻率變化的速度也是同步轉速，所以圖中時間向量的變化速度與空間向量的變化速度相同，各量相互之間保持相對靜止。因此儘管空間向量和時間相量代表完全不同的物理關係，習慣上仍然畫在一個圖上，稱為

相量—向量圖

。如圖（c）所示，

$\dot{F}_{f}$

既代表主極基波磁動勢的空間向量，也表示時間向量

$\dot{\Phi}_{0}$

的相位；

$\dot{I}$

既代表A相的電流向量，也表示電樞磁動勢

$\dot{F}_{a}$

的空間相位。

3.2 負載電流

$\dot{I}_{a}$

滯後空載電動勢

$\dot{E}_{0}$

90°相位時的電樞反應

：

電樞反應表現為去磁作用，電樞磁動勢是一個直軸去磁磁動勢：

$\dot{F}_{a}|_{\Phi_{0}=90°}=\dot{F}_{ad}$

3.3 負載電流

$\dot{I}_{a}$

超前空載電動勢

$\dot{E}_{0}$

90°相位時的電樞反應

：

電樞反應表現為增磁作用，電樞磁動勢是一個直軸增磁磁動勢：

$\dot{F}_{a}|_{\Phi_{0}=-90°}=\dot{F}_{ad}$

3.4 負載電流

$\dot{I}_{a}$

滯後空載電動勢

$\dot{E}_{0}$

$\Psi_{0}$

相位時的電樞反應

：

電樞反應表現為去磁和交磁作用，電樞磁動勢既有直軸去磁磁動勢，也有交軸電樞磁動勢：

$F_{a}=F_{ad}+F_{aq}$

$F_{ad}=F_{a}sin\Psi_{0}$

$F_{aq}=F_{a}cos\Psi_{0}$

時空向量圖繪製要點

：

取每相的相軸與時軸重合；

相電流向量

$\dot{I}$

與該電流系統產生的磁動勢向量

$\dot{F}_{a}$

重合；

$\dot{F}_{f}$

與

$\dot{F}_{a}$

的空間相角差等於

$\dot{\Phi}_{0}$

與

$\dot{I}$

的相角差，或等於

$\dot{E}_{0}$

與

$\dot{I}$

的時間相角

$\Psi_{0}$

加90°；

$\Psi_{0}$

=0°時，

$\dot{F}_{a}=\dot{F}_{aq}$

；

$\Psi_{0}$

=±90°時，

$\dot{F}_{a}=\dot{F}_{ad}$

；

$\Psi_{0}$

為任意角時，

$F_{a}=F_{ad}+F_{aq}$

。

電樞反應對同步電機的影響

：

直軸電樞反應：改變了主極磁場的大小，會引起單機運行同步發電機的端電壓波動，會影響併網運行同步發電機的無功功率和功率因數。

交軸電樞反應：改變了電樞合成磁動勢與主極磁動勢之間的夾角，

該夾角的大小決定了能力的傳遞方向

。

參考

激磁一般用在發電機上，發電機在發電時線圈要切割磁力線才會產生電流，發出電來。因為這種發電機靠的是自身剩磁，所以它剛開始的時候是很少電出來，後來透過激磁發出電來，電又透過線圈產生更多更強的磁力線讓發電機的轉子切割，就產生更多的電來。激磁也叫自勵電磁。

標簽：電樞磁動勢空載電流勵磁

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