CH三相同步发电机的运行原理实用教案

1、1第一节 同步发电机的空载(kn zi)运行 以同步转速n 1 ，且转子励磁(l c)I f ，而定子 I = 0，称为空载运行。1.空载(kn zi)磁场主磁场 对称电动势在三相绕组中感应作用：极靴极身转子轭极身极靴气隙电枢齿电枢轭电枢齿路径：气隙主磁通 00 B FIff f漏磁通 If0f同步电机的空载磁场第1页/共47页第一页，共48页。2第2页/共47页第二页，共48页。3 44. 401N10 k f NE601pnf 240120000 EE EEEE0C0B0A 0若主磁场B0 在气隙中正弦分布(fnb)，且以同步速n1旋转，则在定子绕组中产生对称三相电动势 有效值：频率(pn

2、l)：空载(kn zi)电动势，激磁电动势。三相对称电动势第3页/共47页第三页，共48页。42.空载(kn zi)特性 n 1 = c E0 = f (I f) Ff If E0 0 电机的磁化(chu)曲线 0= f (F f)同步电机的空载(kn zi)特性 0较小时，磁路不饱和，空载曲线的下部是一条直线；随 o的增大，铁心逐渐饱和，空 载 曲线弯曲。气隙线：不计铁心磁阻的空载特性曲线。空载特性是同步电机的一条基本特性。第4页/共47页第四页，共48页。5oaNUEoadnaback0第5页/共47页第五页，共48页。6第二节 对称三相负载时同步(tngb)发电机的电枢反应一.接三相对(

3、xingdu)称负载时的物理过程 35160 111I kpN.F pf n F INaa基波合成磁动势B气隙合成磁场空载(kn zi)时，同步电机的气隙磁场是由励磁磁动势所产生的主磁场B0。)60(1pnf 空载磁场）电枢反应磁场(0BBa(空载电动势或激磁电动势)气隙磁统aaffFIFI0第6页/共47页第六页，共48页。7第7页/共47页第七页，共48页。8二.电枢反应：电枢磁动势的基波(j b)对气隙磁场的影响 电枢(din sh)反应使气隙磁场空间位置发生变化，直接关系到电机的 机电能量转换。 电枢反应的去磁或增磁，对电机的运行(ynxng)性能产生影响。电枢反应的性质（交磁，去磁或

4、增磁）取决于电枢磁动势和主磁场在空间的相对位置。这一相对位置决定于空载电动势 和负载电流 的之间的相位差 ，称为内功率因数角。0EI第8页/共47页第八页，共48页。91. = 0 时 定子(dngz)绕组电动势、电流及磁动势在此时刻，A相电动势、电流(dinli)达到最大值，电枢磁动势的轴线与A相绕组轴线重合，同时也与q轴重合，即 Faq=Fa，称为交轴电枢反应磁动势。相轴线AfFA0BXZYBCNSsnsnaF同步(tngb)发电机的交轴电枢反应第9页/共47页第九页，共48页。10定子绕组(roz)电动势、电流和磁通的时间相量图时时间间参参考考轴轴C0EA0C00BEA0EB Is 00

5、BAICI各相电动势、电流和磁通间的相位(xingwi)关系是相同的，所以后边只画出一相。定子(dngz)绕组电动势、电流和磁通的时间相量图第10页/共47页第十页，共48页。11在时 - 空统一矢量图中，电枢磁动势Fa（空间矢量）与电枢电流 （时间相量）同相位； 空载(kn zi)磁通 与励磁磁动势Ff同相位。时-空统一(tngy)矢量图轴轴dfF)(aqaFF)(00B I0 EsI0时-空统-矢量图第11页/共47页第十一页，共48页。12气隙合成(hchng)磁场与主磁场的相对位置aFeTAXZYBCNS0BBsn相对于主磁场，气隙合成磁场的轴线偏移了一个角度，且幅值有所增加。这是由于

6、电枢磁动势（Fa=Faq）的作用(zuyng)造成的，称之为交磁作用(zuyng)。气隙合成磁场(cchng)与主磁场(cchng)的相对位置图第12页/共47页第十二页，共48页。132. 0时 cos aaq交磁FF电流(dinli)滞后电动势snadF相轴线AAXZBCsnaFaqFNSfFY弱作用称之为去磁。轴磁场有削向，对反与dsinfaadFFF电流(dinli)滞后电动势的向量图第13页/共47页第十三页，共48页。14 cos aaq交磁FF电流(dinli)超前电动势相轴线AsnadFAXZBCsnaFaqFNSfFY强作用称之为助磁。轴磁场有加向，对同与dsinfaadFF

7、F电流(dinli)超前电动势的向量图第14页/共47页第十四页，共48页。15同步发电机负载电流(dinli)滞后空载电势90时轴AE0.CE0.BE0.AI.CI.BI.d轴q 轴 A轴AXZBCYFfNSFa A相电流瞬时值达最大值时，A相电势瞬时值为零，此时主磁极轴线位于A相轴线的反向(fn xin)位置，为直轴电枢反应。第15页/共47页第十五页，共48页。16 转子磁势和电枢磁势一同作用在直轴上，方向相反，电枢反应为纯去磁作用，合成(hchng)磁势的幅值减小。 这一电枢反应称为直轴去磁电枢反应。 第16页/共47页第十六页，共48页。17同步发电机负载电流超前空载(kn zi)电

8、势90时轴AE0.CE0.BE0.CI.BI.AI.直轴助磁电枢(din sh)反应d轴q 轴 A轴AXZBCYFfNSFa第17页/共47页第十七页，共48页。18 此时此时Ff与与Fa之间的之间的夹角为夹角为0 ，即二者同相，即二者同相，转子转子(zhun z)磁势和电磁势和电枢磁势一同作用在直轴枢磁势一同作用在直轴上，方向相同，电枢反上，方向相同，电枢反应为纯增磁作用，合成应为纯增磁作用，合成磁势的幅值加大。磁势的幅值加大。 这一电枢反应称为直这一电枢反应称为直轴增磁电枢反应。轴增磁电枢反应。 第18页/共47页第十八页，共48页。19不同负载性质时电枢(din sh)反应磁场与转子电流

9、的相互作用 三.机电(jdin)能量转换 交轴电枢反应(fnyng)磁场对转子产生阻力转矩。 直轴电枢反应(fnyng)磁场对转子磁场起去磁或助磁作用，不阻碍转子旋转。第19页/共47页第十九页，共48页。20直轴电枢反应(fnyng)的影响 直轴电枢反应磁场由定子电流的无功分量产生的，虽与转子绕组也产生电磁力，但不形成转矩，不妨碍转子旋转，只对转子磁场起去磁或增磁作用(zuyng)，为维持定子的端电压，就必须相应调节（增加或减小）转子励磁电流（直流电流）。交轴电枢反应(fnyng)的影响 交轴电枢反应磁场是由定子电流的有功分量产生的，产生的交轴电枢磁场对转子绕组产生阻转矩，阻碍转子旋转；定子

10、输出有功功率越大，有功电流分量就越大，交轴电枢反应磁场就越强，所产生的阻力转矩也越大，这就需要原动机输出更多动力，才能克服电磁阻转矩，以维持发电机转速不变。第20页/共47页第二十页，共48页。21结论(jiln)：p199为了(wi le)维持发电机转速不变，必须随着有功负载的变化调节原动机的输入功率；为了(wi le)维持发电机定子的端电压，必须随着无功功率的变化，相应的调节（增加或减小）转子励磁电流（直流电流）。第21页/共47页第二十一页，共48页。22第三节 隐极式同步(tngb)发电机 同步发电机负载(fzi)运行时物理量的关系一、不考虑(kol)磁饱和时fI )(转子主极fF 0

11、 0E E aE aaFI)(定子电枢 E)( XIjE 在分析了负载时同步发电机内部的磁场情况，结合KVL定律，列电压方程，作相量图和等效电路；隐极式与凸极式分开分析。第22页/共47页第二十二页，共48页。231.电压(diny)方程式 采用发电机惯例(gunl)规定正方向，可写出电压方程式aa0 rIUEEEIFEaaaIE a90aa滞后E同相位与Ia90 aIE 滞后aaj XI -EXa：电枢(din sh)反应电抗； ：电枢(din sh)漏电抗。j XIEXsaaa0jjjXI rIU XIXI rIUE as同步电抗XXX 同步电抗表征稳态时电枢反应磁场和电枢漏磁场两个效应的

12、综合参数，不计饱和时，为常值。第23页/共47页第二十三页，共48页。24）滞后（0EI直轴电枢(din sh)反应去磁+交磁电枢(din sh)反应2. 相量图 , , , 00。的角度滞后功率角的角度；滞后功率因数角；的角度滞后内功率因数角 EUUIEI a0a0EEE90Iar Ij XIaj XIaEEU0Ea0saaa0jjjXI rIU XIXI rIUE电动势的向量(xingling)图第24页/共47页第二十四页，共48页。25；，夹角为和）画出相量IU1平行；与，相量的末端画出电阻压降）在II rI rUaa2；超前相量末端画相量）在90j ,j3ssaIXIXIIr。的末端

13、得相量的首端和）连接0s j4EXIU已知 和电机(dinj)参数，画相量图的步骤 IU、UIar Isj XI0E用压降表示(biosh)的电动势的向量图第25页/共47页第二十五页，共48页。26等效电路 as XX Xsaaa0jjj XI rIU XIXIrIUE同步(tngb)电抗 a) 反映(fnyng)了a和的作用 b) 磁路(c l)不饱和时为常数 a211aa主磁路的磁导 )N (kfLXNc)图16-12隐极同步电机的等效电路 第26页/共47页第二十六页，共48页。27二、考虑(kol)磁路饱和时 非线性，迭加原理(yunl)不适用。afEFFF已知磁动势F，由电机(di

14、nj)的空载特曲线求得电动势E。 励磁磁动势在空间是梯形波，Ff是其幅值，而电枢磁动势在空间是正弦波，Fa是基波磁动势的幅值。为了利用空载特性，应把Fa换算到励磁磁动势。空载载特0EoFfFE隐极同步电机磁动势分布图第27页/共47页第二十七页，共48页。28对于(duy)汽轮发电机，ka，主要取决于大齿的宽度。 ka的意义：产生(chnshng)同样大小的基波气隙磁场时，一安匝的电枢磁动势相当与多少安匝的梯形波励磁磁动势。正弦波磁动势幅值； Fkaa等效梯形波磁动势的幅值。电枢(din sh)磁动势换算系数是k a aafEFFkFf1faFFk aF第28页/共47页第二十八页，共48页。

15、29电压(diny)方程和磁动势方程式 ajr IUxIE)j(axrIUEFFkFaaf由于磁路饱和，不能单独的计算(j sun)激磁电动势E0和电枢反应电动势Ea，而只有合成电动势E（气隙电动势）。漏磁场路径主要为气隙，没有饱和(boh)问题。* 考虑饱和的另一方法是根据运行点的饱和程度，找出相应的Xs(饱和)，即把空载特性在工作点线性化。ar IUEE图16-14 同步电机的空载特性曲线第29页/共47页第二十九页，共48页。30电压(diny)相量图和磁动势矢量图 )j(axrIUEaafFFkF Uar Ij XIEaaFkFfFIaaFk隐极同步电机磁动势-电动势向量(xingli

16、ng)图第30页/共47页第三十页，共48页。31第四节 凸极同步(tngb)发电机凸极同步电机的特点(tdin)：气隙不均匀(jnyn)，直轴气隙小，交轴气隙大。相同大小的磁枢磁动势作用于不同的气隙位置时，产生不同的磁密。采用双反应理论分析凸极同步电机。0f凸极同步电机磁场分布图 凸极同步电机气隙沿电枢圆周不均匀，采用双反应理论来分析。第31页/共47页第三十一页，共48页。32一. 双反应(fnyng)理论 双反应理论双反应理论电枢基波磁势电枢基波磁势FaFa分解为直轴上的直轴电枢反应磁分解为直轴上的直轴电枢反应磁势势FadFad和交轴上的交轴电枢反应磁势和交轴上的交轴电枢反应磁势FaqF

17、aq。根据直轴和交轴的磁导，分别求出直轴和交轴的磁通密度波及磁根据直轴和交轴的磁导，分别求出直轴和交轴的磁通密度波及磁通。通。求出在每相定子绕组中直轴电枢反应电势求出在每相定子绕组中直轴电枢反应电势EadEad和交轴电枢反应电势和交轴电枢反应电势EaqEaq。双反应理论的基础是，当不计饱和时，适用双反应理论的基础是，当不计饱和时，适用(shyng)(shyng)叠加原理，叠加原理，用双反应法来分析凸极同步电机。用双反应法来分析凸极同步电机。第32页/共47页第三十二页，共48页。33Ff、Fad和Faq幅值相同，但产生(chnshng)的基波磁密明显不同。引入折算系数kad和kaq。若Ff=

18、kad Fad= kaq Faq则产生(chnshng)基波磁密相同。凸极同步电机磁动势在dq轴作用(zuyng)的效果第33页/共47页第三十三页，共48页。34aqadaFFF作用于直轴上作用于交轴上直轴电枢(din sh)反应磁场Bad1交轴电枢反应(fnyng)磁场Baq1 实际上，前面考虑电枢磁场的去磁、助磁及交磁时，已涉及这一问题(wnt)，那时没考虑各分量磁动势所对应的气隙磁密的差异。 当电枢磁动势作用于交、直轴间的任意位置时，可将之分解成直轴分量和交轴分量，先分别求出直、交轴电枢反应，最后再把它们的效果叠加起来双反应理论。 第34页/共47页第三十四页，共48页。351、电压(

19、diny)方程二.磁路(c l)不饱和时的情况 00ffEFI aqaqaqadadad aE FE FFI aEEXIjEar IUE0：励磁电动势； Ead：直轴电枢反应(fnyng)电动势； Eaq：交轴电枢反应(fnyng)电动势； Ea：电枢反应(fnyng)电动势；E：合成电动势； E：漏抗电动势。第35页/共47页第三十五页，共48页。36ar IUEEEEaqad0按发电机惯例(gunl)写出电压方程式为：j XIEdadadadIFEdadIE 90adad滞后E同相位与dadI90dadIE 滞后addadj XI -Eaqqaqj XI -EXad：直轴电枢(din sh

20、)反应电抗 Xad=Ead/Id，单位直轴电流产生的直轴电枢(din sh)反应电动势。Xaq：交轴电枢反应电抗 Xaq=Eaq/Iq，单位(dnwi)交轴电流产生的交轴电枢反应电动势。第36页/共47页第三十六页，共48页。37 U rIXIj XIj XIj Eaaqqadd0qqddaXI jXI jr IUE0 交轴同步电抗直轴同步电抗XXXXXXaqqadd而且(r qi)有： sinIId cosIIqqdIII 0 U rI)X (XIj )X(XIj Eaaqqadd是表征对称(duchn)负载运行时电枢漏磁和直轴或交轴电枢反应的一个综合参数。第37页/共47页第三十七页，共4

21、8页。3800cossinIIIIqd ：功率因数(n l yn sh)角；：功率(gngl)角。：内功率因数(n l yn sh)角；直轴电枢反应电动势在直轴上，与激磁电动势在同一轴上。 =？qqddaXI jXI jr IUE00 qI0 E UdIqdjXI IaRIddj XI2.相量图凸极同步电机的电动势相量图第38页/共47页第三十八页，共48页。39qqddaXI jXI jr IUE0qaqddqqddaqddXI jr IUXXI jXI jXI jr IUXXI jE)()(0qaQXI jr IUE同相位且与是一个虚拟电动势 0EEQ)(0qddQXXI jEE EEUU

22、QQ 00)(qddXXI j公式两边同时减qXI j0 qI0 E 0 UdIqdj XI IaRIddj XIQE第39页/共47页第三十九页，共48页。40 cossinarctan aq0 IRUIxU qaQj XIr IUE)(jqdd0QXXIEE0 qI0 E 0 UdIqj XI IaRI）（qddjXXI第40页/共47页第四十页，共48页。41qaQXI jr IUE3.等效电路该等效电路在计算凸极同步电机在电网中的运行(ynxng)性能和功角时常常用到。 QEar I UqX凸极同步电机的虚构(xgu)等效电路第41页/共47页第四十一页，共48页。42磁路(c l)饱和时 )( )( f j dddddadadfaqqaq空载特性直轴不会饱和交轴气隙大，磁路F E E F Fk F XI -E aqqadjjxIx IIrUEEd为励磁磁动势和直轴电枢反应(fnyng)磁动势共同作用所产生。三.考虑磁路饱和时的情况也可在不饱和模型中采用(ciyng) X d 的饱和值来考虑直轴饱和的影响。第42页/共47页第四十二页，共48页。43 其中Fd、Fad、Faq均为折算(sh sun)到励磁绕组的等效励磁磁动势。用Fd和Faq查图空载特性得Ed和Eaq，则电枢任一相的电动势平衡方程式为 aaqdrIUEEEEEEqq