同步发电机特性

1、目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出通常三相同步电机的定子是电枢，在定子铁心上开有槽，槽内安置三相绕组（图中只画出了一相），转子上装有磁极和励磁绕组。当励磁绕组通以直流电流后，转子即建立恒定磁场。式中 p电机的极对数； n转速，单位为r/min； f频率，单位为Hz。，当用原动机拖动施转时，定子导体由于与此磁场有相对运动而感生交流电动势， 电动势的频率电动势的频率:60pnf 电机的极对数、转速一定，电机发出的交流电动动势的频率一定电机的极对数、转速一定，电机发出的交流电动动势的频率一定极同步电机的构造原理图目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出 则需要在定子绕组上施以三相交流电压，电机

2、内部便产生一个旋转磁场。 这时转子绕组加上直流励磁，则转子将在定子旋转磁场的带动下，沿定子磁场的旋转方向以相同的转速旋转60 fp1旋 转 转 速 n160fnnp转子的转速：同步电机的特点同步电机的特点: :1)1)转子的转速n与电网频率f之间具有固定不变的关系，转速n称为同步转速。2)若电网的频率不变，则同步电机的转速恒为常值而与负载的大小无关。 目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出同步电机可以按运行方式和结构形式进行分类。同步电机机械能转换成电能电能转换为机械能发电机电动机调相机专门用来调节电网的无功功率，改善电网的功率因数，在调相机内基本上不转换有功功率。同步电机小容量同步电机中得

3、到某些应用旋转电枢式旋转磁极式应用比较广泛，并成为同步电机的基本结构形式目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出按照磁极的形状又可分为隐极式和凸极式按照磁极的形状又可分为隐极式和凸极式气隙特性气隙特性转子形转子形状状结构结构特性特性采用条件采用条件实例实例凸极式不均匀，极弧底下气隙较小，极间部气隙较大结构制造简单n11500r/min（2p4）水轮发电机，同步电动机及由内燃机拖动的同步发电机和调相机隐极式均匀圆柱形转速较高汽轮机隐极式旋转磁极式同步电机凸极式1定子 2凸极转子 3隐极转子 4集电环目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出机械端口机械端口转子转子定子绕组定子绕组定子铁心定子铁心电

4、端口电端口ABC目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出 1 1 同步发电机的空载运行同步发电机的空载运行 2 2 同步发电机的电枢反应同步发电机的电枢反应 3 3 同步发电机的负载运行同步发电机的负载运行目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出160 fp01114.44NEf K目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出改变转子的励磁电流If，就可以相应地改变主磁通1和空载电动势E0。曲线E0=f(If)称为发电机的空载特性发电机的空载特性。E01，IfFf,改变坐标后空载特性曲线也就可以表示为发改变坐标后空载特性曲线也就可以表示为发电机的磁化曲线电机的磁化曲线1 1=F(I=F(If f)

5、 )。说明了两个特性曲线具有本质上的内在联系，任何一台发电机的空载特性曲线实际上也反应了它的磁化曲线,当主磁通1较小时，磁路处于不饱和状态，铁心部分所消耗的磁压降相比较，可略去,认为绝大部分磁动势消耗于气隙中，1Ff，所以空载曲线（磁化曲线）下部是一条直线。把它延长后所得直线0G（曲线2）称为气隙线气隙线。随着1的增大，铁心逐渐饱和，它所消耗的磁压降不可忽略，此时空载曲线就逐渐变弯曲目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出 设计发电机时，通常把发电机的额定电压点设计在磁化曲线的弯曲处，如图曲线1上a点，此时的磁动势称为额定励磁磁动势Ff0。线段ab 表示消耗在铁心部分的磁动势。线段bc表示消耗

6、在气隙部分的动势F0。000fsNFEacdGKFUbcbc E0表示磁路不饱和时，对应于励磁磁动势Ff0的空载电动势Ff0与F0的比值反映发电机磁路的饱和程度，用Ks表示，称为饱和系数饱和系数。通常，同步发电机的饱和系数Ks值约为1.11.25左右。目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出空载特性可以通过计算或试验得到。试验测定的方法与直流发电机类似。同步电机的空载特性也常用标么值表示，空载电势以额定电压为基值。用标么值表示的空载特性具有典型性，不论电机容量的大小，电压的高低，其空载特性彼此非常接近。 空载特性在同步发电机理论中有着重要作用：空载特性在同步发电机理论中有着重要作用： 将设计好

7、的电机的空载特性与相应数据相比较，如果两者接近，说明电机设计合理，反之，则说明该电机的磁路过于饱和或者材料没有充分利用。空载特性结合短路特性可以求取同步电机的参数。发电厂通过测取空载特性来判断三相绕组的对称性以及励磁系统的故障。 几点补充几点补充目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出电枢磁动势Fa与负载电流I同相所以研究Ff与Fa间的空间相对位置可以归结为研究E0与I间的相位差（称为内功率因数内功率因数角角）。电枢反应的性质主要取决于E0与I之间的相位差，亦即主要取决于负载的性质。下面就下面就角的几种情况，分别讨论电枢反应的性质。角的几种情况，分别讨论电枢反应的性质。目目 录录下下 页页上上

8、 页页退退 出出同步发电机原理图目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出当=90时，定子各相电流的分布如图a、b所示。此时U相励磁电动势虽为最大值。此时转子的相对位置将如图 c、d所示，也就是说U相电流达到最大值时，转子已向前转过90，电枢磁动势的幅值恰好位于励磁磁动势的轴线上，但方向相反。此时的电枢磁动势称为直轴电枢磁动势，用Fad表示，相应的电枢反应称为直直轴轴电电枢反应枢反应，可见=90时直轴电枢反应的性质是纯粹去磁的。目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出说当U相电流达到最大值时，转子磁场的空间位置滞后=0时的转子磁场的位置90。这时电枢磁动势的幅值又位于励磁磁动势的轴线上，但两者方

9、向相同，其电枢反应的性质是纯粹增磁的，同样也称为直直轴电枢反应轴电枢反应。当=90时，定子各相电流的分布如图a所示。此时U相励磁电动势虽为最大值，但电枢电流仍为零。U相电流在超前90时达到最大值。此时转子的相对位置交如图c、d所示，也就是目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出图示瞬间，U相的励磁电动势恰好达到最大值，但由于电枢电流I滞后励磁电动势E0角，所示U相电流必须过了一段时间，等转子转过空间电角度时（图c所示位置）才能达到最大值，电枢磁动势Fa的幅值才位于U相绕组的转向位置上，此时电枢磁动势Fa滞后励磁磁动势Ff(90)空间电角度。这时的电枢反应既非交磁性质也非纯去磁性质，而是兼有两种

10、性质。目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出将此时电枢磁动势Fa分解成直轴和交轴两个分量，即sincosaadaqadaaqaFFFFFFF Faq起交磁作用，Faq起去磁作用。此时的电枢反应也可以这样说明，如将每一相的电枢电流I都分解Id和Iq两个分量，即sinco sdqdqIIIIIII其中Iq与励磁电动势E0同相位，它们（指三相的该分量，即IQu、IqV、IqW）产生交轴电枢磁动势Faq分量Iq叫做I I的交轴分量的交轴分量，而Id滞后励磁电动势E090，它们产生直轴电枢磁动势Fad，把分量Id叫做I I的直轴分量的直轴分量目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出电枢反应是同步发电机

11、负载运行时的重要物理现象，它不仅是引起有负载时端电压变化的主原因，而且也是发电机实现能量转换的枢纽。考虑电枢反应的作用，有负载时电枢绕组中的感应电动势将由气隙合成磁场建立。气隙电动势减去定子漏阻抗压降，便得到端电压。通常发电机的负载为感性负载，电枢反应含有去磁作用，使气隙磁场削弱。相应的气隙电动势将小于励磁电动势。随着负载的增加，必须增大励磁电流。目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出利用双反应理论和叠加原理进行分析，即把电枢磁场分解为直轴和交轴电枢磁场，它们和励磁磁场互相独立地存在于同一磁路中，这些磁场各自在定子绕组中感应电动势，这些电动势的总和便是每相绕组的气隙合成电动势气隙合成电动势E

12、,E减去定子漏阻抗压降后，便得到发电机的端电压发电机的端电压。电磁关系式表达电磁关系式表达：励磁磁动势励磁磁动势 Ff1E0直轴电枢反应磁动势直轴电枢反应磁动势 FadadEad E交轴电枢反应磁动势交轴电枢反应磁动势 FaqaqEaq目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出电枢回路的电动势方程电枢回路的电动势方程：E E=E=E0 0+E=+E+E=+Eaqaq=U+I(R=U+I(Ra a+J+Jxaxa) ) 式中 E0励磁磁动势（或空载电动势），由主磁磁通1产生 Ead及Eaq直轴电枢反应电动势和交轴电枢反应电动 势，它们分别由直轴电枢反应磁通ad和交轴电枢反应磁 通aq产生。不计饱和

13、，ad与aq正比于Fad及Faq，又分别正比于电流Id及Iq 即：sincosadadaddadaqaqqEFIIEFII addadaqqaqEjI XEjI X&滞后于 ， 滞后于 ，可写成：adE&90dI&aqE&90aI&式中Xad和Xaq直轴电枢反应直轴电枢反应电抗电抗和交轴电枢反应电抗交轴电枢反应电抗。目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出电枢磁动势不仅产生电枢反应磁通，还产生与转子无关的漏磁通a，感应漏磁通电动势感应漏磁通电动势Ea：EjIX&则由电枢回路的电动势方程式可得：dqjIXjI XjI X&0aq aqdaddqE U IR jIXjIXjI XI II & &

14、& &0aqaqdadaqqddE U IRjI XXjI XXU IRjI XjI X & & &式中 Xd直轴同步电抗，Xd=Xa+Xad; Xq交轴同步电抗，Xq=Xa+Xaq。 一般XdXq。目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出 同步发电机带感性负载，发电机的端电压U、负载电流I和功率因数cos及参数Ra、Xd、Xq均匀已知，并假定已知，则按照上式可以画出凸极同步发电机的相量图Id滞后于OG90，与OG同相。电阻压降IRa与电流I同相，交轴同步电抗压降MN=jIqXq及直轴同步电抗压降NG=jIdXd分别超前电流Iq和Id90,将U、IRa、jIdXd相量相加，即得励磁电动势E0=

15、OG。作图过程如下作图过程如下：先画出电压U及电流I，作OG 直线越前于电流I一个角，OG直线E0的方向。然后将电流I分解为直轴分量Id和交轴分量Iq，目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出 实际上相量图很难直接画出，这是因为E0和I之间相位差角是无法测定，这样就无法把电流I分解成直轴和交轴分量，整个相量图就作不出来。求出了内功率因数有，便可以把电流I分解为直轴分量Id和交轴分量Iq作出相量图：EQEQ与与E0E0的关系的关系：0QddqE EjI XX&sinarctancosqaIXUIR U 角：目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出隐极同步发电机中，由于气隙是均匀的，电枢反应用电枢

16、反应电抗Xt表示：dqtaXXXXX0atEUIRjIX&隐极同步发电机的电动势方程式隐极同步发电机的电动势方程式：电动势相量图电动势相量图：知U、I、R、Xt及cos，则可按上式求出相量E0。根据相量图可计算E0值，即 220cossinsinarctancosattaEUIRUIXIX UIR U 0QddqEEjI XX&E0=EQE0=EQ目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出 1 1、空载特性、空载特性空载特性空载特性：在发电机的转速保持同步转速（n=n1）、电枢开路（I=0）的情况下，空载电压（U0=E0）与励磁电流If的关系曲线U0=f(If)。空载特性是发电机的基本特性之一。

17、表示征了发电机磁路的饱和情况下把它和短路特性、零功率因数负载特性配合在一起，可以确定发电机的基本参数、额定励磁电流和电压调整率等目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出 2 2、短路特性、短路特性 短路特性短路特性：指发电机在同步转速下，电枢绕组端点三相短接时，电枢短路电流Ik与励磁电流If的关系曲线。即n=n1,U=0时Ik=f(If)。短路特性可由三相稳态短路试验测得。试验时试验时：发电机的转速保持为同步转速，调节励磁电流If，使电枢的短路电流从零开始，一直到1.25IN左右为止，记取对应的短路电流Ik和励磁电流If，即可得到短路特性曲线短路试验的接线图短路时由于电枢反应的去磁作用，发电机

18、中合成气隙磁动势数值很小，使磁路处于不饱和状态，所以短路特性是一条直线0kfdEIIX目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出短路时短路时：发电机的端电压U=0，限制短路电流的仅是发电机的内部阻抗。由于一般同步发电机的电枢电阻Ra远小于同步电抗，所以短路电流可认为是纯感性的，即90。这时的电枢电流几乎全部为直轴电流，它所产生的电枢磁动势基本上是一个纯去磁作用的直轴磁动势，即Fa=Fad,Faq=0,此时电枢绕组的电抗为直轴同步电抗Xd，等效电路相量图目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出1 1、外特性、外特性外特性是指发电机的转速保持同步转速，励磁电流和负载功率因数不变时，端电压与负载电流的

19、关系曲线，即n=n1,If=常值时，U=f(I)。 感性负载和纯电阻负载时感性负载和纯电阻负载时，外特性都是下降的（曲线1、2）。因为这两种情况下电枢反应均有去磁作用，此外定子漏阻抗压降也引起一定的电压下降。 容性负载时容性负载时，电枢反应是增磁的，因此端电压U随负载电流I的增大反而升高，外特性则是上升的（曲线3）。不同功率因数时同步发电机的外特性目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出从外特性曲线上可求出发电机的电压调整率从外特性曲线上可求出发电机的电压调整率U U* *( (见下图）见下图）调节励磁电流，使额定负载时（I=IN，cos= cosN）发电机的端电压额定电压UN，此时的励磁电流

20、称为额定励磁电流额定励磁电流I IfNfN。然后保持励磁和转速不变，卸去负载，此时端电压升高的标么值就称为同同步步发电机的电压调整率发电机的电压调整率，用U*表示，要求已大为放宽，为防止卸载时电压剧烈上升，以致击穿绕组绝缘，所以U*应小于50%。近代凸极发电机的U*大体在18%30%以内。汽轮发电由于电枢反应较大，故U*也较大，大体在30%48%范围内（均为cosN =0.8滞后）。电压调整率电压调整率是表征同步发电机运行性能的重要数据之一。近代同步发电机大多数均配有快速自动调压装置，因而对U*目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出 2 2、调整特性、调整特性 当发电机的负载发生变化时，为保

21、持端电压不变，必须同时调节励磁电流。保持发电机的转速为同步转速，当其端电压和功率因数不变时，负载电流变化时其励磁电流的高速特性曲线就称为发电机的调整特性，即n=n1,U=常值，cos=常值时，If=f(I)。 容性负载时容性负载时，随着负载的增加，必须相应地减小励磁电流，以维持端电压恒定（曲线3），则曲线是不下降的。 一常值，励磁电流必须相应增大。因此这两种情况下的调整特性都是上升的（曲线1和2）。 感性和纯电阻性负载时感性和纯电阻性负载时，为了克服负载电流所产生的去磁电枢反应和阻抗压降，随着负载的增加，要保持端电压为不同负载性质时同步发电机的调整特性目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出

22、稳态功角特性稳态功角特性: :指同步发电机接在网上稳态对称运行时，发电机的电磁功率PM与功率角之间的关系。所谓功率角就是指励磁电势E0与端电压U之间的相位角 。由于现代同步发电机的电枢绕组小于同步电抗，故可把Ra忽略不计，则发电机的凸极发电机的有功功率凸极发电机的有功功率功角特性功角特性2021122mdqdE UUPPmUIcosmsinmsinXXX 隐极发电机的有功功率功角特性隐极发电机的有功功率功角特性0mtE UPmUI cosmsinX 目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出凸极发电机功角特性曲线凸极发电机功角特性曲线凸极发电机的功角特性分两部分凸极发电机的功角特性分两部分: :

23、附加电磁功率的特点附加电磁功率的特点: :045;时附加电磁功率最大0;E附加电磁功率与无关.dqXX附加电磁功率是由于产生的0sinmdEUPmX 基本电磁功率211()sin22mqdUPmXX附加电磁功率凸极发电机凸极发电机目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出隐极发电机的功角特性曲线隐极发电机的功角特性曲线隐极发电机的有功功隐极发电机的有功功率功角特性的特点率功角特性的特点: :1)sin;mP电磁功率与功角 的正弦函数成正比00max2)90,;MtmE UPX时 功 率 达 到 极 限 值03)180 ,.mP为负值电机转为电动机运行隐极发电机隐极发电机目目 录录下下 页页上上

24、页页退退 出出1) 是电动势 和电压 间的时间相位角;0E&U&或称是励磁磁势 和合成磁势 间的空间夹角。fFuF2) 是感应电动势 的主磁通和产生电压 的电枢等效假想磁通之间的夹角。0E&U0&u&uu00, ,(),uaufuUFF&是一个虚拟磁通 假定发电机的端电压 是产生的由和合成并假定它是由定子的一个等效合成磁极简称定子合成磁极所产生因此由之间的夹角即为转子磁极 与定子合成磁极 之间的空间夹角功角功角 的双重物理意义的双重物理意义补充补充目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出2 2 有功功率和无功功率的调节有功功率和无功功率的调节为了简化分析，为了简化分析，设发电机为隐极机，不计磁

25、路饱和，不计电枢电阻，且电网为“无穷大电网”。“无穷大电网无穷大电网”: :指电网的容量相对于分析的同步发电机容量来说要大很多。因此电网的电压和频率不会因并联上去的同步发电机功率调节的影响而改变，即电网的电压和频率恒定为常值。实际上，电网上的负载发生变化时，总要引起电网电压和频率的波动，只是波动极微小，在定性分析中可忽略不计。在分析中都认为电网电网电压电压U=U=常数，电网频率常数，电网频率f=f=常数。常数。目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出有功功率的调节有功功率的调节增加输入机械功率P1，使P1P0，则输入功率扣除了空载损耗以后，其余部分将转变为电磁功率，即P1P0= PM，发电机将

26、输出有功功率。这个过程从能量守恒观点来看，发电机输出有功功率是由原动机输入的机械功率转换来的结论：结论：要改变发电机输出的有功功率，必须相应 地改变由原动机输入的机械功率。发电机整步过程结束处在空载运行状态，发电机的输入机械功率P1和空载损耗P0相平衡，电磁功率为零，即P1=Po，T=T0，PM= 0，发电机处于平衡状态。1)1)能量守恒观点来看有功功率能量守恒观点来看有功功率目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出结论：结论：要调节与电网并联的同步发电机的有功功率，必须调节原动机的输入功率，这时发电机内部会自行改变功率角，相应地改变电磁功率和输出功率，达到新的平衡状态。2)2)功率角功率角的

27、空间物理概念来加以说明有功功率的空间物理概念来加以说明有功功率空载时E0=U。功率角=0，如图a所示，电磁功率PM=0，此时气隙合成磁场和转子磁场的轴一重合，发电机无功率输出。增加原动机的输入功率P1时，即增加发电机的输入转矩T1，这时T1T0，于是转子就要加速，就使转子磁场超前于气隙合成磁场（即E0超前于U），也就是使功率角逐渐增大如图b所示。角的增大引起电磁功率PM增大，发电机便输出有功功率。当增大到某一数值，使相应的电磁功率达到PM=P1P0（T1-T0）时，转子加速的趋势即停止，发电机便处于新的平衡状态。目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出原动机输入功率的增加也不是无限制原动机输入

28、功率的增加也不是无限制的的目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出静态稳定静态稳定: : 指电网或原动机方面出现某些微小扰动时，同步发电机能在这种瞬时扰动消除后，继续保持原来的平衡运行状态。就称这时的同步发电机是“静态稳定”的，否则就是静态不稳定。3) 静态稳定静态稳定在a点运行时电机具有静态稳定的能力。若干扰使功角增大到b点， Pm和Tm增大，迫使电机减速，功角变小，电机回到a点。干扰使功角减小时，有同样结论。所以a点称为稳定运行点。而d点为不稳定运行点，分析略。综上所述综上所述:凡处于功角特性曲线上升部分的工作点，都是静态稳定的，下降部分的工作都是静态不稳定的。或者说在功角特性曲线上电磁功

29、率和功率角同时增大，或同时减小的那一部分是静态稳定的。目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出静态稳定的静态稳定的判断依据判断依据：比整步功率：比整步功率(kW/rad)(kW/rad)00mmcxdPPPd 或对对隐极隐极发电机，比整步功率为发电机，比整步功率为: :0mcxtdPE UPmcosdx电机稳定区域内，Pcx 越大，电机稳定增长性越好。Pcx可以表示发电机运行稳定度。如上图，当=0时，Pcx最大，故同步发电机在空载时最为稳定。当=90时，Pcx=0，正处在稳定的交界，此时发电机保持同步的能力为零，故该点即为静态稳定的极限。当90时，Pcx为负值，发电机便失去了稳定。目目 录录下下 页页上上 页页退退 出出4) 4) 过载能力过载能力001M maxtmMNNNtE UmPxKE UPsinmsinx 过载能力越大，电机的稳定性越好。过载能力是表达静态稳定的能力，不是发电机可以过载的倍