同步发电机的基本电磁关系

1、1第十章第十章 同步发电机的基本电磁关系同步发电机的基本电磁关系 （对称稳态运行）（对称稳态运行）n主要内容：n1. 同步发电机的电枢反应。n2隐极发电机的方程式、相量图、等效电路。n3凸极发电机的方程式、相量图、等效电路。n4同步发电机的运行特性及参数测定。2n空载运行空载运行：（定子绕组开路， I=0） ，转子励磁。n励磁电流产生的磁通 ：励磁磁通 1nn10()fffIF 主磁通漏磁通010-1 同步发电机的空载运行同步发电机的空载运行300AEE0120BEE 0240CEE 0104.44wEfwK0E：励磁电动势（空载电动势）1nn0( )fEf i空载特性。时，4n 时， 空载特

2、性。 所以也适用于负载情况。标幺值：基值 ：饱和系数 1nn0( )fEf i0NffUUii0ffiKi0()ff F 空载特性空载特性反映了电机的磁化曲线5n10-2 三相同步发电机的电枢反应三相同步发电机的电枢反应 n主要内容主要内容：n1、电枢反应的概念n2、时空相矢图 时空相矢图上，各物理量之间的相位关系n3、电枢反应的性质 直轴以及交轴电枢反应的作用6n10-2 三相同步发电机的电枢反应三相同步发电机的电枢反应 n一、电枢反应的定义一、电枢反应的定义 1101()()ffaiFnEIF n1faFFFE E气隙电动势aF电枢反应磁动势 气隙磁动势：7n二、时空相矢图二、时空相矢图n

3、 空间矢量：在空间上按余弦规律分布的量空间矢量：在空间上按余弦规律分布的量 基波物理量 （对整个电机而言） 励磁磁势励磁磁势： 大小：正比于励磁安匝数 位置：位于转子磁极轴线 指向： N极方向 转速： 10fFB （ ）1( )n8电枢反应磁势电枢反应磁势 大小： 位置： 指向： 转速：aaFB （ ）1( )n11.35awIwFkp9n 时间相量：在时间上按余弦规律分布的量时间相量：在时间上按余弦规律分布的量 n基波（有三相之分）；以A相为例 n 励磁电势（空载电势）励磁电势（空载电势） 大小： 位置：依转子位置而定 角频率： 00AEE01104.44wEfw K10n 电枢电流：电枢电

4、流：I00SLSLEEIZZZZ：内功率因数角内功率因数角 11n 时空相矢图（步骤）时空相矢图（步骤）1fF0EIaF（1） ：依转子位置而定：依转子位置而定（4） ：位于磁势幅值的位置：位于磁势幅值的位置（2） ：依电磁感应原理：依电磁感应原理（3） ：由内功率因数角确定：由内功率因数角确定12n 时空相矢图时空相矢图 0AE1fF90aFIaF1fF90 与 之间相差（ ）特点： 落后于 ； 与 同相位；13n 三、三、 不同不同 角时的电枢反应角时的电枢反应0aqFFd轴 q轴 n 时纵轴，直轴，d轴横轴，交轴，q轴 是实现机电能量转换的必要条件。交轴电枢反应磁势交轴电枢反应磁势：作用

5、： 使 扭斜一个角 ；1490adF090 adFq轴 d轴 n 时 n直轴电枢反应磁势直轴电枢反应磁势：作用： 去磁作用； ，不产生切向力。n 时：加磁作用15n 时 0901faFFF aadaqFFF sinsincoscosadadaqaqFFIIFFII11()fafadaqFFFFFF900d轴 q轴 n 时16 aadaqFFFadFaqFFFn小结：电枢反应的作用小结：电枢反应的作用 ：去磁或加磁作用，影响 的大小； ：使 扭斜，是实现机电能量转换的必要条件； 具体情况视 角而定。1710-3 隐极同步发电机的稳态分析隐极同步发电机的稳态分析n主要内容：n1.电磁感应过程n2.

6、 三种分析方法： 电势方程式、相量图、等效电路n3.参数的物理意义 漏抗、电枢反应电抗、同步电抗18n10-3 隐极同步发电机的稳态分析隐极同步发电机的稳态分析n一、不考虑饱和一、不考虑饱和（叠加原理）n 1、电磁感应过程、电磁感应过程 n2、电势方程式（一相）、电势方程式（一相）190aaEEEUIrIarLZU0EEaE0aaEEEUIrEEjIx aEUIrjIx （1 1）漏磁电动势：）漏磁电动势：20（2）电枢反应电动势）电枢反应电动势 aar IUEEE0aEaaE aFIaaEjIx ax0 () aaaaaaasEUIrEEUIrjIxjIxUIrjI xxUIrjIxasxx

7、x 同步电抗 ：电枢反应电抗（3）电势方程式（一相）电势方程式（一相）21n3、同步电抗、同步电抗 ：等效参数 ：综合参数 IExaaaaaIFE 三相（一相）aaE axasxxx（1）（2）22n4、相量图、相量图0aaEEEUIrjIx 0 =aaasEUIrjIxjIxUIrjIxcosUIn已知： 、 、 、电机参数n例：感性负载23n几何关系：几何关系：1sincossaIxUtgIrU240000Q ：单机运行时，由负载性质决定。：发感性无功；：发容性无功；sLZZ：单机运行时，由 决定。它决定了电枢反应的性质。：功角，由输入功率的性质决定。0EU输入机械能： 超前于 ，作发电机

8、运行；U0E输入电能： 落后于 ，作电动机运行。25n 等值电路等值电路0 aaasEUIrjIxjIxUIrjIx26n二、考虑饱和二、考虑饱和 （磁化曲线非线性，不能应用叠加原理）n 电磁关系：电磁关系：n 方程式：方程式： )(励磁电流fi1fF)(定子三相电流系统IaFFEE平衡与ar IUafFFF1x I jr IUEa27aEUIrjIx cosUIn已知： 、 、 、电机参数E 作n例：感性负载 相量图相量图28n求 （阶梯波）；F29n 作 （正弦波）FF 基波基波基波基波阶梯形波FkFf)(FkFf30等效条件： 与 产生的基波磁通相同。1fFfF1fffFKF波形系数 1

9、afKK折和系数31 作 aF1faFFF1fafFK F1fF 作0E 作 32n 电压调整率电压调整率U 0100NNEUUU3310-4 凸极同步发电机的稳态分析凸极同步发电机的稳态分析n主要内容：n1、双反应理论n2、电磁感应过程n3、分析方法：电势方程式、相量图n4、参数的物理意义及其大小关系 直轴以及交轴电枢反应电抗、 直轴以及交轴同步电抗34n一、一、 凸极电机不能采用隐极电机的分析方法凸极电机不能采用隐极电机的分析方法隐极机特点：n10-4 10-4 凸极同步发电机的稳态分析凸极同步发电机的稳态分析FBaFaB气隙 均匀，由 ， 与 同相位。aIEax 由于 ， 是恒定参数。凸

10、极机特点：aBaFax气隙 不均匀， 不同时，同一个 产生的 不同，因而 不是常数。3590 036d轴q轴290aFab37n二、二、 双反应理论双反应理论（ Blondel）aadaqFFF，adqIII addadadaqqaqaqIFEIFE 三相三相38fi1fF00EIdIadFadadEqIaqFaqaqEEaU Ir （ 励 磁 电 流 ）系 统定 子 三相 电 流()系 统系 统与平 衡三、不考虑饱和时凸极同步发电机的稳态分析三、不考虑饱和时凸极同步发电机的稳态分析1.1.电磁过程电磁过程0adaqaEEEEUIr39n 电势方程式：电势方程式：dadadadIFE， ，aa

11、qadr IUEEEE0addadEjI x aqq aqEjI x Ej I x adxaqx直轴和交轴电枢反应电抗qaqaqaqIFE， ，40直轴和交轴直轴和交轴同步电抗同步电抗 dadxxx0adadq aqEUIrjIxjI xjI x()adqd adq aqUIrj IIxjI xjI x()()adadqaqUIrjIxxjIxxaddq qUIrjI xjI xqaqxxxdxqx41n 电抗的大小以及物理意义电抗的大小以及物理意义 211adaddxw211aqaqqxwadaqxxdqxx42n 相量图相量图0addqqEUIrjI xjI x0dddqaqqdqEjI

12、xjI xUIrjI xjI x0()QddqaqEEjIxxUIrjIx0ddaqqEjI xUIrjI xUI已知： 、 、 、参数， n例：感性负载431sincosqaIxUtgIrU0coscosaddEUIrI x4410-5 同步发电机的运行特性及同步发电机的运行特性及 参数测定参数测定n主要内容：n1、运行特性 空载特性、短路特性、零功率因数特性n2、由运行特性求取电机参数的方法 漏抗（普梯电抗）、d轴同步电抗、短路比45n10-5 同步发电机的运行特性及参数测定同步发电机的运行特性及参数测定 n一、一、 空载特性空载特性 n饱和系数：10( )fnnIUf i，空载特性fi0

13、E0E00fiNUfi气隙线00ffNiEKiU46n二、二、 短路特性短路特性 n分析：1,0,( )kfnn UIf i时0U 0ar 0asksEUIrjIxjI xdkII0qI0fifkikINI0kEI90adaFF0aqFadF所以 ， ， ， 起去磁作用。 短路电流只有直轴分量短路电流只有直轴分量。47akEUIrjIxjI xkIaF90aF1fFFxI jEk0E此时，其相量图如右。0fkiEI1faFFF0.1 0.2x1kI0.10.2E一般 ，当 时， 故短路特性为一条直线。所以磁路不饱和磁路不饱和。48n三、零功率因数特性三、零功率因数特性1cos0()( )fnn

14、IUf i，滞后 ，常数时，0ar aEUI rj I xUj I xafFFF11faFFFfaaFFK Ffffaiiifai：电枢反应磁势的等效励磁电流。：电枢反应磁势的等效励磁电流。 EUI x 分析： 49AEF：特性三角形，普梯三角形特性三角形，普梯三角形 fifi0NUUfaifkiIxBCAFEK空载特性零功率因数特性fffaiiiEUI x50n四、参数测取四、参数测取n 漏抗漏抗 ：由空载特性和零功率因数特性求取。()()EAxI相值相值O FOKpxx(1.11.3)pxxpxx普梯电抗普梯电抗 fi负载时，转子漏磁比空载时大，实际测得的 大于理论值。隐极机：凸极机：51

15、n 同步电抗的不饱和值同步电抗的不饱和值：n由空载特性和短路特性求取。n凸极机：短路时，dkII0qI 0kdEj I x0()()dkExI相值相值空载特性短路特性fikI0E0EkIfi00Edx注意注意：由于电机短路时， 磁路不饱和，所以得到的 为不饱和值。此时， 从气隙线获得。 52n 短路比短路比 ：由空载特性和短路特性求取。cKNffkNcIiiIK时000fNfkkNiUUiII时时0kNdcNNIExKII0NNdNE UI xU1dkx空载特性短路特性fikI0E0E00fiNUfifkiacbdNIkNI气隙线53n 对电机特性的影响：对电机特性的影响： （电机运行性能好）； 电机的静态稳定性好； 转子定子成本高。cKcKdxUcKdxmfFffwicK54n10-6 用转差法测同步电机的同步电抗用转差法测同步电机的同步电抗=同步转速转子实际转速同步转速转差率 1(1) 0()finn开路 ，0fi 00E qqddaxI jxI jr IU00ar ddq qUjI xjI xNU、(2) 定子加三相对称电压，约 (0.020.15) UI(3) 测 、步骤：55nd轴：nq轴： ddq0fumax2Umax2Imin2Imin2UU(b)(a