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1、第十章同步发电机运行原理,招电力专业人才，上电力英才网,主要内容 1 同步电机的基本知识 2 空载和负载时同步电机的磁场 3 隐极同步发电机电动势方程、同步电抗、相量图 4 同步发电机功率及转矩方程,10.1 同步电机基本知识,一、同步电机的基本工作原理及特点,同步发电机的基本原理 结构 定子：电枢铁心、电枢绕组 转子：磁极铁心、励磁绕组 原理 励磁绕组通入直流电流， 电机里就产生了磁场； 原动机拖动主磁极以恒速 n 逆时针旋转，磁场与定子上的导体之间就有了相对运动，于是，在定子绕组里便感应出交流电动势。,10.1 同步电机基本知识,一、同步电机的基本工作原理及特点,感应电势的频率：,定子三相
2、电枢电动势与三相负载接通，则三相定子绕组内流通三相电流，产生三相合成、旋转的电枢磁动势，其基波的转速为n1，即,转子转速=同步转速,同步电机,10.1 同步电机基本知识,二、同步电机类型,1. 按运行方式，同步电机分发电机、电动机和调相机。,2. 按结构型式，同步电机分旋转电枢式和旋转磁极式。 其中旋转磁极式同步电机按磁极形状，又分隐极式和凸极式 两种。,10.1 同步电机基本知识,二、同步电机类型,10.1 同步电机基本知识,三、同步电机基本结构,10.1 同步电机基本知识,三、同步电机基本结构,10.1 同步电机基本知识,三、同步电机基本结构,（1）定子铁心,10.1 同步电机基本知识,三
3、、同步电机基本结构,（1）定子铁心,10.1 同步电机基本知识,三、同步电机基本结构,（2）转子,在大容量高转速汽轮发电机中，转子圆周线速度极高，最 大可达170米/秒。为了减小转子本体及转子上的各部件所 承受的巨大离心力，大型汽轮发电机都做成细长的隐极式 圆柱体转子。,四、同步发电动机铭牌数据、额定值,10.1 同步电机基本知识,四、同步发电动机铭牌数据、额定值,10.1 同步电机基本知识,发电机,电动机,一、空载运行时主磁极磁场及空载特性,10.2 空载和负载时同步电机的磁场,什么是同步发电机空载运行？,同步发电机被原动机拖动到同步转速，励磁绕组中通入直流电流If，定子绕组开路的运行称为空
4、载运行。,空载运行是同步发电机最简单的运行方式，其气隙磁场由转子磁势单独建立。,一、空载运行时主磁极磁场及空载特性,10.2 空载和负载时同步电机的磁场,感应电势的频率：,感应电势的有效值：,一、空载运行时主磁极磁场及空载特性,10.2 空载和负载时同步电机的磁场,当空载运行时,励磁电势随励磁电流变化的关系称为同步发电机的空载特性。,一、空载运行时主磁极磁场及空载特性,10.2 空载和负载时同步电机的磁场,由图可见，当励磁电流较小时，由于磁通较小，电机磁路没有饱和，空载特性呈直 线（将其延长后的射线称为气隙线）。随着励磁电流的增大，磁路逐渐饱和，磁化曲线开始进入饱和段。为了合理地利用材料，空载
5、额定电压一般设计在空载特性的弯曲处，如图中的c点。,二、对称负载运行时的电枢反应,10.2 空载和负载时同步电机的磁场,当电枢绕组接上三相对称负载后，电枢绕组和负载一起构成闭合通路，通路中流过的是三相对称的交流电流。当三相对称电流流过三相对称绕组时，将会形成一个以同步速度旋转的旋转磁势。,旋转电枢磁势的形成,二、对称负载运行时的电枢反应,10.2 空载和负载时同步电机的磁场,当电枢绕组接上三相对称负载后，电枢绕组和负载一起构成闭合通路，通路中流过的是三相对称的交流电流。当三相对称电流流过三相对称绕组时，将会形成一个以同步速度旋转的旋转磁势。,二、对称负载运行时的电枢反应,10.2 空载和负载时
6、同步电机的磁场,电枢磁势基波特点： 幅值恒定，Fa用空间矢量表示时，磁势矢量顶点的轨迹是圆； 当某相的电流为最大时，此时磁势的轴线在该相绕组的轴线上； 转速 n1=60f/p=n 与磁极的转速相等； 转向与磁极转向相同。 电枢磁势的基波与磁极励磁磁势相对静止，共同产生气隙合成磁场。,二、对称负载运行时的电枢反应,10.2 空载和负载时同步电机的磁场,电枢反应:电机带上负载后，电枢磁动势的基波在气隙中使气隙磁通的大小及位置均发生变化, 这种影响称为电枢反应。(增磁、去磁或交磁),二、对称负载运行时的电枢反应,10.2 空载和负载时同步电机的磁场,电枢反应,励磁磁势和电枢磁势的区别,二、对称负载运
7、行时的电枢反应,10.2 空载和负载时同步电机的磁场,电枢反应,内功率因数角：相量E0A 和IA 之间的相位差，称为内功率因数角。,电枢反应的情况决定于空间相量 和 之间的夹角，而这一 夹角又和时间相量E0A 和IA 之间的相位差相关连。,二、对称负载运行时的电枢反应,10.2 空载和负载时同步电机的磁场,三个角,几个基本概念,二、对称负载运行时的电枢反应,10.2 空载和负载时同步电机的磁场,几个基本概念,四个轴,三个空间轴,相轴：每相绕组的轴线位置,相绕组轴线（相轴）正方向：规定当相绕组首端电流流出，尾端流入时，按右手螺旋关系，拇指所指方向规定为相绕组轴线正方向。,二、对称负载运行时的电枢
8、反应,10.2 空载和负载时同步电机的磁场,几个基本概念,四个轴,三个空间轴,d轴（纵轴、直轴）：主磁极轴线位置,转子d轴（直轴）正方向：规定N极磁力线 穿出的方向为转子d轴正方向；,d,二、对称负载运行时的电枢反应,10.2 空载和负载时同步电机的磁场,几个基本概念,四个轴,三个空间轴,q轴（横轴、交轴）：与d轴成90电角度的轴,转子q轴正方向：由 d轴逆转子转向转过90规定为转子 q轴正方向。,d,q,d、q坐标轴是随转子旋转的。,二、对称负载运行时的电枢反应,10.2 空载和负载时同步电机的磁场,几个基本概念,四个轴,一个时间轴,时轴参考轴正方向的选取一般是任 意的，但令时轴参考轴正方向
9、与 空间参考轴A正方向重合，会给分 析带来方便。,时空相量图,j,二、对称负载运行时的电枢反应,10.2 空载和负载时同步电机的磁场,1. 电枢电流 与励磁电势 同相(=0 ),d,二、对称负载运行时的电枢反应,10.2 空载和负载时同步电机的磁场,1. 电枢电流 与励磁电势 同相(=0 ),A相电势最大,A相电流最大,=0,A相磁势F最大，空间位置在A轴上,电枢磁势 轴线与 励磁磁势 轴线垂直,二、对称负载运行时的电枢反应,10.2 空载和负载时同步电机的磁场,时空相量图,j,二、对称负载运行时的电枢反应,10.2 空载和负载时同步电机的磁场,1. 电枢电流 与励磁电势 同相(=0 ),时空
10、相量图,j,A,q,d,=00 ：Fa和Ff1之间的夹角为90度，即二者正交，转子磁 势作用在直轴上，而电枢磁势作用在交轴上，这种作用在交 轴上的电枢反应称为交轴电枢反应，简称交磁作用,影响： 扭歪主磁场 交轴磁势与主磁场相互作用产生电磁转矩，实现机电能量转换的必要条件！ 发电机有有功功率输出至电网，处于发电运行状态，此时发电机不发出无功功率,二、对称负载运行时的电枢反应,10.2 空载和负载时同步电机的磁场,时空相量图,j,A,q,d,交轴电枢反应,二、对称负载运行时的电枢反应,10.2 空载和负载时同步电机的磁场,2. 电枢电流 滞后励磁电势 90(=90),A相电势最大,A相电流为0,=
11、90,电枢磁势 轴线与 励磁磁势 轴线同在直轴轴线，方向相反,二、对称负载运行时的电枢反应,10.2 空载和负载时同步电机的磁场,时空相量图,j,A,q,d,二、对称负载运行时的电枢反应,10.2 空载和负载时同步电机的磁场,时空相量图,j,A,q,d,影响： 去磁 不产生切向作用力和电磁转矩，不进行机电能量转换。,二、对称负载运行时的电枢反应,10.2 空载和负载时同步电机的磁场,3. 电枢电流 超前励磁电势 90(=-90),A相电势最大,A相电流为0,=-90,电枢磁势 轴线与 励磁磁势 轴线同在直轴轴线，方向相同,二、对称负载运行时的电枢反应,10.2 空载和负载时同步电机的磁场,时空
12、相量图,j,A,q,d,二、对称负载运行时的电枢反应,10.2 空载和负载时同步电机的磁场,时空相量图,j,A,q,d,影响： 增磁 不产生切向作用力和电磁转矩，不进行机电能量转换。,二、对称负载运行时的电枢反应,10.2 空载和负载时同步电机的磁场,4.一般情况090,电枢电流 滞后励磁电势 度,时空相量图,j,A,q,d,二、对称负载运行时的电枢反应,10.2 空载和负载时同步电机的磁场,4.一般情况090,d,q,交轴电枢磁势：,直轴电枢磁势：,二、对称负载运行时的电枢反应,10.2 空载和负载时同步电机的磁场,4.一般情况090,d,q,影响： 横轴电枢反应磁动势将改变磁场分布，使定转
13、子之间产生切向电磁转矩，进行机电能量转换。 纵轴电枢反应磁动势起去磁作用，使合成气隙磁动势减小。,一、不计磁路饱和时的分析,10.3 隐极同步发电机的电动势方程、同步电抗、相量图,与外电压平衡,一、不计磁路饱和时的分析,10.3 隐极同步发电机的电动势方程、同步电抗、相量图,电枢反应电动势和漏电动势,电枢反应电抗，为比例系数，反映综合影响参数,漏电抗,一、不计磁路饱和时的分析,10.3 隐极同步发电机的电动势方程、同步电抗、相量图,转子磁场与电枢磁场分别在定子绕组中感应电势。,其为考虑了电枢反应影 响后发电机的内电动 势，是与气隙合成磁动 势相对应的气隙电动势。,一、不计磁路饱和时的分析,10
14、.3 隐极同步发电机的电动势方程、同步电抗、相量图,同步电抗的物理意义：表征在对称负载下单位电枢电流三 相联合产生的电枢总磁场在电枢每相绕组中感应的电动势。,隐极发电机的等效电路,ra:定子绕组相电阻() x:定子漏抗(),一、不计磁路饱和时的分析,10.3 隐极同步发电机的电动势方程、同步电抗、相量图,一、不计磁路饱和时的分析,10.3 隐极同步发电机的电动势方程、同步电抗、相量图,一、不计磁路饱和时的分析,10.3 隐极同步发电机的电动势方程、同步电抗、相量图,隐极发电机的相量图,取U0为参考相量,功率角或转矩角,内功率因数角,功率因数角,一、功率方程,10.5 同步发电机功率及转矩方程,二、损耗及效率,10.5 同步发电机功率及转矩方程,三、电磁功率P,10.5 同步发电机功率及转矩方程,式中 表示电枢电流在横轴上的 分量，其使合成磁场偏离d轴，同时使主极 受到一制动转矩，原动机克服此制动转矩做 功，从而进行机电能量转换。,四、转矩平衡方程,在式 的两边同时除以机械角速度 得,令 为空载损耗,其中1为机械角速度，单位rad/s M1 为原动机输入转矩； M 为发电机电磁转矩，呈阻转性质； M0 为空载损耗对应的阻转矩,10.5 同步发电机功率及转矩方程,
