同步发电机的运行原理

第6章

同步发电机的运行原理同步发电机的主磁通同步发电机的电动势方程式和相量图同步发电机的运行特性1整理ppt一、空载运行时的主磁通同步发电机空载运行是指同步发电机被原动机带动到同步转速，转子励磁绕组通过直流励磁电流，定子绕组开路〔定子绕组电流为零〕时的运行状况。〔图示〕6.1同步发电机的主磁通2整理ppt从图可见，主极磁通分成主磁通Φ0和漏磁通Φfσ两局部，前者通过气隙并与定子绕组相交链，后者不通过气隙，仅与励磁绕组相交链。一、空载运行时的主磁通3整理ppt一、空载运行时的主磁通空载时：I=0，If≠0,n=nN

空载时发电机内部电磁关系

只增加磁极部分的饱和程度4整理ppt空载运行时气隙磁场仅由转子励磁磁动势单独建立，磁场的强弱仅由励磁电流大小决定。一、空载运行时的主磁通5整理ppt负载运行时，定子绕组中有电流流过，便会产生电枢基波旋转磁动势。负载运行时，同步电机内由励磁磁动势和电枢磁动势共同建立的主磁场。二、带对称负载时的主磁通6整理ppt二、带对称负载时的主磁通负载时：I≠0，If≠0,n=nN

负载时发电机内部电磁关系

主磁通7整理ppt负载运行时，同步电机内的主磁场由励磁磁动势和电枢磁动势共同建立。二、带对称负载时的主磁通8整理ppt空载：气隙磁动势负载：气隙磁动势同步发电机对称负载时，电枢磁动势Fa对励磁磁动势Ff的影响，称为电枢反响。三、电枢反响9整理ppt三、电枢反响两种磁动势性质比较：基波波形大小位置转速励磁磁动势正弦波恒定，由励磁电流决定由转子位置决定由转子转速决定电枢磁动势正弦波恒定，由电枢电流决定由电流瞬时值决定由电流的f和p决定结论：电枢磁动势Fa和励磁磁动势Ff在空间相对静止。10整理ppt几个概念①内功率因数角ψ：空载电动势E0和电枢电流I之间的夹角，与电机本身参数和负载的大小、性质有关；②功率因数角：与负载性质有关；③功率角〔功角〕θ：E0和U之间的夹角；且有〔电感性负载〕④直轴〔d轴〕：主磁极轴线〔纵轴〕；⑤交轴〔q轴〕：转子相邻磁极轴线间的中心线为交轴〔横轴〕三、电枢反响11整理ppt三、电枢反响电枢反响的性质：〔增磁、去磁或交磁〕与负载的性质和大小有关，主要取决于电枢磁动势和励磁磁动势在空间的相对位置。分析说明，此相对位置取决于空势电动势E0和定子电流I之间的相角差ψ。电枢反响的性质可通过时空矢量图来反映。12整理ppt时空矢量图：含有时间相量和空间向量的矢量图。作时空矢量图确定电枢反响的性质的规律：取励磁磁势Ff作为参考向量，其方向就d轴方向；空载磁通Φ0与Ff同方向，空载电势E0滞后空载磁通Φ090°；定子电流I滞后空载电势E0的角度为内功率因数角Ψ；电枢磁势Fa与定子电流I同相位。三、电枢反响13整理ppt1、ψ=0°时的电枢反响三、电枢反响时空矢量图14整理ppt1、ψ=0°时的电枢反响三、电枢反响电枢磁势Fa滞后励磁磁势Ff90°，合成磁势Fδ的大小略有增加，分布滞后励磁磁势Ff一个锐角，此时电枢反响性质为交轴电枢反响。15整理ppt1、ψ=0°时的电枢反响交轴电枢反响，即交磁作用。电枢磁场与转子励磁绕组相互作用产生的电磁力f1，在转子上产生的电磁转矩与转子的转向相反，对发电机起制动作用。要想维持转速不变，就要相应地增加原动机的输入机械功率。交轴电枢反响实现了机电能量的转换，发电机有有功功率输出。三、电枢反响16整理ppt三、电枢反响2、ψ=90°时的电枢反响时空矢量图17整理ppt三、电枢反响2、ψ=90°时的电枢反响直轴去磁电枢反响。电磁力f1在转子上不产生的电磁转矩。合成磁动势Fδ减小，使发电机的端电压下降。要想保持发电机的端电压不变，需增大发电机的励磁电流。发电机输出无功功率。18整理ppt三、电枢反响3、ψ=-90°时的电枢反响时空矢量图19整理ppt三、电枢反响3、ψ=-90°时的电枢反响直轴增磁电枢反响。电磁力f1在转子上不产生的电磁转矩。合成磁动势Fδ增大，使发电机的端电压上升。要想保持发电机的端电压不变，需减小发电机的励磁电流。发电机输出无功功率。20整理ppt4、0°<ψ<90°时的电枢反响三、电枢反响既有交轴电枢反响，又有直轴去磁电枢反响。发电机既输出有功功率，又输出无功功率。时空矢量图21整理ppt5、-90°<ψ<0°时的电枢反响三、电枢反响既有交轴电枢反响，又有直轴增磁电枢反响。发电机既输出有功功率，又输出无功功率。时空矢量图22整理ppt三、电枢反响ψ位置记作电枢反应性质影响Ψ≈φ负载性质UN(f)00q轴交轴波形畸变不变下降R900d轴直去削弱下降不变L-900d轴直增增强增大不变C0~900d、q轴交、直去削弱下降下降R、L-900~00d、q轴交、直增增强增大下降R、C23整理ppt三、电枢反响说明：；对应：而：对应：分别为直轴和交轴分量。24整理ppt6.2同步发电机的电动势方程式和相量图一、隐极同步发电机1、电磁过程其结构特点是气隙均匀，故同一电枢磁动势作用在圆周气隙上的任何位置所产生的气隙磁场和每极磁通量都是相同的，没必要象凸极转子一样分解成交、直两个分量，可以整体考虑电枢反响的影响。25整理ppt一、隐极同步发电机当磁路不饱和时，采用叠加原理求解，即：

Φδ=Φ0+Φa

；

Eδ=E0+Ea当磁路饱和时，磁场不再满足线性叠加条件，但由安培环路定律可知磁动势是可以叠加的，所以要先求合成气隙磁动势Fδ=Ff+Fa

，再由Fδ求出Φδ、

Eδ

。26整理ppt一、隐极同步发电机现在只讨论磁路不饱和情况。同步发电机内的电磁关系如下：27整理ppt一、隐极同步发电机2、电动势方程式参考正方向的选定：相电流：首端流出为正；相电动势：与相电流同正方向〔并非同相位〕；相电压：首端指向末端为正。28整理ppt一、隐极同步发电机采用发电机惯例，以输出电流作为电枢电流的正方向时，定子任一相的电动势方程为：29整理ppt在时间相位上，滞后于90°电角度，假设不计定子铁耗,与同相位，那么将滞后于90°电角度,于是亦可写成负电抗压降的形式，即一、隐极同步发电机因为电枢反响电动势Ea正比于电枢反响磁通Φa，不计磁饱和时，Φa又正比于电枢磁动势Fa和电枢电流I，即30整理ppt一、隐极同步发电机综上，有隐极同步发电机的电动势平衡方程式：其中：

—电枢反应电抗

—定子绕组漏电抗

—隐极同步发电机的同步电抗31整理ppt一、隐极同步发电机同步电抗xt表征对称稳态运行时，电枢旋转磁场和漏磁场总效应的一个综合参数。同步电抗是同步发电机的一个重要参数，它的大小直接影响发电机端电压随负载波动的幅度、发电机短路电流的大小及在大电网中并列运行的稳定性。32整理ppt一、隐极同步发电机由于电枢绕组的电阻ra很小，可以忽略不计，那么隐极同步发电机的电动势平衡方程式可写成：33整理ppt一、隐极同步发电机3、等效电路和相量图根据隐极同步发电机的电动势平衡方程式〔忽略电枢电阻〕可做出如下隐极同步发电机的等效电路图：34整理ppt一、隐极同步发电机以发电机端电压为参考相量，作带阻感负载的相量图如下：35整理ppt1、电磁过程其结构特点是气隙沿电枢圆周不均匀。考虑到凸极电机气隙的不均匀性，把电枢反响分成直轴和交轴电枢反响分别来处理。〔双反响理论〕二、凸极同步发电机36整理ppt二、凸极同步发电机图6.11凸极同步电机的磁路(a)直轴；(b)交轴37整理ppt二、凸极同步发电机38整理ppt现在只讨论磁路不饱和情况。同步发电机内的电磁关系如下：二、凸极同步发电机39整理ppt2、电动势方程式采用发电机惯例，以输出电流作为电枢电流的正方向时，定子任一相的电动势方程为：二、凸极同步发电机40整理ppt二、凸极同步发电机

和可以用相应的负电抗压降来表示不计磁饱和时其中：—直轴电枢反响电抗—交轴电枢反响电抗41整理ppt综上，有凸极同步发电机的电动势平衡方程式：二、凸极同步发电机42整理ppt由于电枢绕组的电阻ra很小，可以忽略不计，那么凸极同步发电机的电动势平衡方程式可写成：其中：

—直轴同步电抗，

—交轴同步电抗，二、凸极同步发电机43整理ppt直轴和交轴同步电抗的意义由于电抗与绕组匝数的平方和所经磁路的磁导成正比，所以

如下图。对于凸极电机，由于直轴下的气隙较交轴下小，>，所以Xad>Xaq，因此在凸极同步电机中，Xd>Xq,且Xq*≈0.6Xd*对于隐极电机，由于气隙是均匀的，故Xd=Xq=XtXa〔隐〕>Xad〔凸〕>Xaq〔凸〕二、凸极同步发电机44整理ppt3、相量图以发电机端电压为参考相量，作带阻感负载的相量图如下：二、凸极同步发电机45整理ppt二、凸极同步发电机说明：、ψ的公式同样适用于隐极电机，只要令

Xd=Xq=Xt公式中U、I、E

均为相值；

性质：滞后>0

、超前

<0；公式可直接改为标幺值形式。基值选定如下：容量基值Sb=mUNΦINΦ

电压基值Ub=UNΦ电流基值Ib=INΦ阻抗基值Zb=UNΦ/INΦ励磁电流基值Ifb=If0

(E0=UN)46整理ppt例1：一台汽轮发电机PN=135MW，定子三相绕组Y接法，额定电压UN=13.8kV，cos=0.8〔滞后〕，xt=2.35Ω，忽略电枢电阻，求额定运行时的E0N和ψN。二、凸极同步发电机解：发电机定子额定电流47整理ppt发电机定子采用Y接法，其额定相电压二、凸极同步发电机48整理ppt同步发电机在对称负载下稳定运行时，维持转速(频率)和功率因数为常数的条件下，发电机的端电压U、负载电流I、励磁电流If是3个主要的运行参数，它们都可以在运行中被测量。它们之间互有联系，当保持其中一个量为常数，另外两个量之间的函数关系称为运行特性。6.3同步发电机的运行特性49整理ppt1.定义：2.实验接线：3.步骤：If↑→U0=0～1.25UN↑，注意：只能单方向调磁；一、空载特性50整理ppt一、空载特性4.曲线：E0=f(If)

如右图。电机磁路的饱和系数：通常同步发电机的kμ大约为1.1～1.25。51整理ppt一、空载特性空载电动势的调节：根据E0=4.44fN1kN1Φ0和If→Φ0可知，调节励磁电流If，可改变磁通Φ0，从而改变定子绕组感应电势E0。即If↑→E0↑；If↓→E0↓。频率的调节：转子转速越高，定子绕组感应电势E0的频率越高。即n↑→f↑。f=pn/60要产生50Hz的交流电压，对于汽轮发电机〔p=1〕来说，必须使转速保持3000r/min。52整理ppt1.定义：2.实验接线：3.步骤：n=nN，调If，使Ik=0～1.25IN二、短路特性53整理ppt4.曲线：Ik=f(If)

二、短路特性短路电流Ik只有直轴分量，其电枢反响为纯去磁作用。磁路处于不饱和状态，E0∝If又Ik=E0/xd，xd为常数，就有Ik∝If54整理ppt二、短路特性利用空载和短路特性确定xd的不饱和值磁路不饱和时，xd为常数；磁路饱和时，xd随Φ↑而↓；由气隙线确定：由空载特性曲线确定：55整理ppt二、短路特性短路比kc

：指当空载电压为额定电压时，发电机出线端短路的短路电流Ik0与额定电流IN之比值。56整理ppt二、短路特性短路比kc是影响到同步发电机技术经济指标好坏的一个重要参数。短路比小，负载变化时发电机的电压变化较大，并联运行时发电机的稳定度较差，但电机造价较廉价。反之，kc↑→气隙大→xd↓→电机的本钱和尺寸增加。汽轮发电机kc=0.6，水轮发电机kc=0.8~1.257整理ppt解:从气隙线上查出，If＝280A时，激磁电动势；在同一励磁电流下，由短路特性查出，短路电流I＝1718A；所以同步电抗为二、短路特性例2：有一台25000kW、10.5kV、cos=0.8(滞后)，Y接法的汽轮发电机，从其空载、短路试验中得到以下数据，试求同步电抗。从空载特性上查得：相电压