第12章 同步发电机的基本理论

1、电机学电机学第第12章章 同步发电机的基本理论同步发电机的基本理论2 内容内容 12.3 12.3 隐极同步发电机的电动势方程式和相量图隐极同步发电机的电动势方程式和相量图 12.1 12.1 同步发电机的空载运行同步发电机的空载运行12.2 12.2 同步发电机的电枢反应同步发电机的电枢反应12.4 12.4 凸极同步发电机的电动势方程式和相量图凸极同步发电机的电动势方程式和相量图 12.5 12.5 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性3 掌握同步发电机的电枢反应概念，不同负载性质时电枢反应的性质。掌握同步发电机的电枢反应概念，不同负载性质时电枢反应的性质。 理解电枢磁动势的双反应理论

2、及其在凸极发电机中的应用。理解电枢磁动势的双反应理论及其在凸极发电机中的应用。 掌握隐极和凸极同步发电机负载时的电磁过程。掌握隐极和凸极同步发电机负载时的电磁过程。 掌握隐极和凸极同步发电机的电动势方程式和相量图。掌握隐极和凸极同步发电机的电动势方程式和相量图。 理解电枢反应电抗和同步电抗的物理意义。理解电枢反应电抗和同步电抗的物理意义。 掌握同步发电机的各种运行特性。掌握同步发电机的各种运行特性。 要求要求 12.1 同步发电机的空载运行一、主磁通和漏磁通 转子由原动机拖动以同步转速旋转；转子由原动机拖动以同步转速旋转； 转子励磁绕组通以直流励磁电流；转子励磁绕组通以直流励磁电流； 定子电枢

3、绕组开路，电枢电流为零。定子电枢绕组开路，电枢电流为零。空载运行：空载运行： 定子：定子：Ia = 0, = 0, 不建立电枢磁场。不建立电枢磁场。空载时空载时:0 转子：转子：If （Ff）主磁通主磁通f主极漏磁通主极漏磁通 是恒定磁场，随转子一起旋转，是恒定磁场，随转子一起旋转，称为机械旋转磁场。称为机械旋转磁场。0空载主磁场（主极磁场）：空载主磁场（主极磁场）： 穿过气隙交链定子绕组，切割定子并在定子绕组中感应电动势，起能量转换作用。穿过气隙交链定子绕组，切割定子并在定子绕组中感应电动势，起能量转换作用。 空载漏磁场：空载漏磁场：f 它也不会在励磁绕组中感应电动势。它也不会在励磁绕组中感

4、应电动势。 是恒定磁场，是恒定磁场，只交链励磁绕组，不会在定子绕组中感应电动势，不参与能量转换。只交链励磁绕组，不会在定子绕组中感应电动势，不参与能量转换。 二、空载特性00EffFI)(=0fFf)(=0fIfE空载特性空载特性磁化曲线磁化曲线二者形状相同。二者形状相同。空载特性反映了电机主磁路的饱和程度：空载特性反映了电机主磁路的饱和程度： 空载电动势空载电动势励磁电动势励磁电动势011044.4=wkfNE（随转子以同步速旋）（随转子以同步速旋）直流直流fI)(=0fIfE空载特性：空载特性：0较大时，磁路饱和，空载特性曲线逐渐向下偏离气隙线；较大时，磁路饱和，空载特性曲线逐渐向下偏离气

5、隙线；fF00较小时，磁路不饱和，较小时，磁路不饱和，（气隙线）；（气隙线）；发电机的额定工作点一般处于临界饱和点。发电机的额定工作点一般处于临界饱和点。fffINF=励磁磁动势励磁磁动势0主磁通主磁通12.1 同步发电机的空载运行12.2 同步发电机的电枢反应电枢反应：电枢磁动势对空载主磁场（主极磁场）产生的影响称为电枢反应。电枢反应：电枢磁动势对空载主磁场（主极磁场）产生的影响称为电枢反应。电枢反应性质（交磁、去磁、增磁）电枢反应性质（交磁、去磁、增磁）:aI0E相角差相角差与与取决于取决于（内功率因数角（内功率因数角 ）负载运行时负载运行时:定子三相电流定子三相电流aF（电气旋转磁场）与

6、转子同转向、同转速旋转。（电气旋转磁场）与转子同转向、同转速旋转。Fa 对对 将产生影响（电枢反应）。将产生影响（电枢反应）。0气隙磁场由气隙磁场由 Fa 与与 Ff 共同建立，共同建立，即即 取决于发电机负载的性质。取决于发电机负载的性质。同同相相位位）与与（aIE00=一、 时的电枢反应在图示瞬间：在图示瞬间：U相相0EaI最大最大最大最大aF处在处在U相轴线上相轴线上 转子磁极轴线称为直轴（转子磁极轴线称为直轴（d轴）轴） 两极之间轴线称为交轴（两极之间轴线称为交轴（q轴）轴） 定义定义aF此时此时处于交轴，称为交轴电枢反应。处于交轴，称为交轴电枢反应。afFFF+=气隙合成磁动势气隙合

7、成磁动势 交轴电枢反应使气隙磁场的轴线位置发生变化，幅交轴电枢反应使气隙磁场的轴线位置发生变化，幅值也发生变化（增大）。值也发生变化（增大）。0=时，只有交轴电枢反应：时，只有交轴电枢反应：同相位与滞后0a0090EIEaqaFF=结论：结论：12.2 同步发电机的电枢反应）滞后90(0EIa90=二、 时的电枢反应相相反反位位于于直直轴轴，方方向向与与fFFa此时此时，为直轴去磁电枢反应，为直轴去磁电枢反应，afFFF=气隙合成磁动势气隙合成磁动势 U相相0E0=aI最大，最大，当磁极转到水平位置时，当磁极转到水平位置时，aF处在处在U相轴线上（如图）相轴线上（如图） U相相aI当磁极再转过

8、当磁极再转过90o时，时，才达到最大才达到最大90900a00EIE滞后滞后adaFF=直轴去磁电枢反应使气隙磁场减弱。直轴去磁电枢反应使气隙磁场减弱。12.2 同步发电机的电枢反应）超前90(0EIa90= 三、 时的电枢反应相相同同位位于于直直轴轴，方方向向与与fFFa此时此时，为直轴增磁电枢反应，为直轴增磁电枢反应:afFFF+=气隙合成磁动势气隙合成磁动势 U相相0E0=aI最大，最大，当磁极转到水平位置时，当磁极转到水平位置时，aF处在处在U相轴线上（如图）相轴线上（如图） U相相aI之前之前90o，磁极处于垂直位置时，磁极处于垂直位置时，已达最大已达最大90900a00EIE超前滞

9、后直轴增磁电枢反应使气隙磁场增强。直轴增磁电枢反应使气隙磁场增强。adaFF=12.2 同步发电机的电枢反应四、一般情况下的电枢反应900.1角角）滞滞后后EIa0( sincosadaqIIII分分解解法法sin=cos=aadaaqFFFFqdaIII+=aqadaFFF+=U相相0E0=aI最大，最大，当磁极转到水平位置时，当磁极转到水平位置时，aF处在处在U相轴线上（如图）相轴线上（如图） U相相aI当磁极再转过当磁极再转过 时，时，才达到最大才达到最大直轴直轴去磁去磁电枢反应电枢反应 交磁电枢反应交磁电枢反应 12.2 同步发电机的电枢反应090.2角角）超超前前EIa0(同理分析可

10、得：此时的电枢反应性质为：交磁和直轴同理分析可得：此时的电枢反应性质为：交磁和直轴增磁增磁。0=90=90= 9000aqadXXdqXX6.0一般一般参参数数12.4 凸极同步发电机的电动势方程式和相量图三、相量图)(+=qddqaXXI jXI jU)(=+0qddqaXXI jEXI jU0aRUaIcosdXqX已知量：已知量：为了画相量图，应先求出为了画相量图，应先求出 dIqIqdqdqqddXI jXI jXI jXI jUE+=0dIE0重合)(qddXXI j与0E位置即为相量0)+(EXI jUqadIqIcossin+tan=1UUXIqa由相量图：由相量图：讲解讲解 例

11、 12.4.1 ddXIUE+cos=012.4 凸极同步发电机的电动势方程式和相量图12.5 同步发电机的运行特性,=cos,=1CnnUaIfI之间的关系：运行特性。之间的关系：运行特性。描述描述同步发电机运行时，同步发电机运行时，一、空载特性用途：用途： 表征磁路饱和情况，磁路设计的合理性；表征磁路饱和情况，磁路设计的合理性； 与短路特性配合可以确定同步电抗参数。与短路特性配合可以确定同步电抗参数。取磁滞回线的平均值作为空载特性曲线。取磁滞回线的平均值作为空载特性曲线。 )(=00fIfEU0=aI1=nn定义定义：即定子空载电压与励磁电流之间的关系。即定子空载电压与励磁电流之间的关系。

12、实验测取方法：实验测取方法：NfUUI25.10=调节调节025.1=NfUUI调节调节得到磁滞回线得到磁滞回线二、短路特性fINSII25.10=调节调节, 使使变化，记录几组数据，可变化，记录几组数据，可画出短路特性曲线。画出短路特性曲线。 实验测取方法：实验测取方法：)(=fSIfI0=U1=nn定义定义：即定子稳态短路电流即定子稳态短路电流与励磁电流之间的关系。与励磁电流之间的关系。12.5 同步发电机的运行特性短路特性是直线：短路特性是直线：dsII=不饱和去磁)(dFfIE0sIE0fsII900EIs滞后0=UaaXR短路电流不大短路电流不大: 从磁路看：从磁路看：)()(=d不

13、大不大IXI jEEd)(=去磁ddsFIIdsXEI0=dsddXI jXI jE=0从电路看：从电路看：dXsI不大不大较大较大同步发电机稳同步发电机稳态三相短路是态三相短路是没有危险的。没有危险的。12.5 同步发电机的运行特性三、外特性 )(=aIfUCIf=1=nn定义定义：即即 端电压端电压与负载电流之间的关系。与负载电流之间的关系。C=cos负载性质不同，外特性曲线形状不同负载性质不同，外特性曲线形状不同:感性负载时，外特性是下降的。感性负载时，外特性是下降的。UXIa)(去磁aFUEaI容性负载容性负载 时，外特性是上升的。时，外特性是上升的。)0()(助磁aFUEaI电阻性负

14、载电阻性负载： a0F 略大于sX略有直轴去磁略有直轴去磁UXIa端电压略有下降。端电压略有下降。12.5 同步发电机的运行特性 感性负载感性负载 阻性负载阻性负载 容性负载容性负载0EU0EU电压变化率：电压变化率： %100=%0NNUUEUfNI1n在在 下：下：Ncos电压变化率是同步发电机重要的运行性能指标。反映了端电压波动的程度。电压变化率是同步发电机重要的运行性能指标。反映了端电压波动的程度。现代同步发电机装有自动调压装置，可自动调节励磁电流，维持电压基本不变。现代同步发电机装有自动调压装置，可自动调节励磁电流，维持电压基本不变。 3048% （汽轮发电机）（汽轮发电机）1830 %（水轮发电机）（水轮发电机）12.5 同步发电机的运行特性四、调整特性)(=afIfICU=1=nn定义定义：即即 励磁电流励磁电流与负载电流之间的关系。与负载电流之间的关系。C=cos当当 Ia 变化时，变化时，U将发生变化，为保持将发生变化，为保持U 恒定，可以通过调节恒定，可以通过调节 If 来实现。来实现。感性和阻性负载时：感性和阻性负载时：fI，为保持，为