同步发电机的 运行 原理

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1、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,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,从图可见，主极磁通分成主磁通0和漏磁通f两部分，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,一、空载运行时的主磁通,空载时： I=0 ，If0 , 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,空载运行时气隙磁场仅由转子励磁磁动势单独

2、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,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,二、带对称负载时的主磁通,负载时： I 0 ，If0 , n=nN 负载时发电机内部电磁关系,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,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，称为电枢反应。,三、电枢反应,三、电枢反应,两种磁动势性质比较：,结论：电枢磁动势Fa和励磁磁动势

3、Ff在空间相对静止。,几个概念 内功率因数角：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； 功率因数角 ：与负载性质有关； 功率角（功角）：E0和U之间的夹角；且有 （电感性负载） 直轴（d轴）：主磁极轴线（纵轴）； 交轴（q轴）：转子相邻磁极轴线间的中心线为交轴（横轴）,三、电枢反应,三、电枢反应,电枢反应的性质：（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。分析表明，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 。电枢反应的性质可通过时空矢量图来反映。,时空矢量图：含有时间相量和空间向量的矢量

4、图。 作时空矢量图确定电枢反应的性质的规律： 取励磁磁势Ff作为参考向量，其方向就d轴方向； 空载磁通0与Ff 同方向，空载电势E0滞后空载磁通0 90； 定子电流I滞后空载电势E0 的角度为内功率因数角； 电枢磁势Fa 与定子电流I同相位。,三、电枢反应,1、=0 时的电枢反应,三、电枢反应,1、=0 时的电枢反应,三、电枢反应,电枢磁势Fa滞后励磁磁势Ff 90，合成磁势F的大小略有增加，分布滞后励磁磁势Ff一个锐角，此时电枢反应性质为交轴电枢反应。,1、=0 时的电枢反应 交轴电枢反应，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，

5、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。 交轴电枢反应实现了机电能量的转换，发电机有有功功率输出。,三、电枢反应,三、电枢反应,2、=90 时的电枢反应,三、电枢反应,2、=90 时的电枢反应 直轴去磁电枢反应。 电磁力f1在转子上不产生的电磁转矩。 合成磁动势F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。,三、电枢反应,3、=-90 时的电枢反应,时空矢量图,三、电枢反应,3、=-90 时的电枢反应 直轴增磁电枢反应。 电磁力f1在转子上不产生的电磁转矩。 合成磁动势F增大，使发电机的端电压上升。

6、 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。,4、 090 时的电枢反应,三、电枢反应,既有交轴电枢反应，又有直轴去磁电枢反应。 发电机既输出有功功率，又输出无功功率。,5、 -900 时的电枢反应,三、电枢反应,既有交轴电枢反应，又有直轴增磁电枢反应。 发电机既输出有功功率，又输出无功功率。,三、电枢反应,三、电枢反应,说明： ；对应： 而：,对应：,分别为直轴和交轴分量 。,6.2 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

7、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应的影响。,一、隐极同步发电机,当磁路不饱和时，采用叠加原理求解，即： = 0+ a ； E =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 F=Ff+Fa ，再由F求出、 E 。,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：,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。,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

8、正方向时，定子任一相的电动势方程为：,在时间相位上， 滞后于 90电角度，若不计定子铁耗, 与 同相位，则 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,因为电枢反应电动势Ea正比于电枢反应磁通a，不计磁饱和时，a又正比于电枢磁动势Fa和电枢电流I，即,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,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

9、电流的大小及在大电网中并列运行的稳定性。,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，则隐极同步发电机的电动势平衡方程式可写成：,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：,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：,1、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，把电枢反应分成直轴和交轴电枢反应分别来处理。（双反应理论）,二、凸极同步发电机,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,二、凸极

10、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：,二、凸极同步发电机,2、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,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： 直轴电枢反应电抗 交轴电枢反应电抗,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,由于电枢绕组的电阻ra很小，可以忽略不计，则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,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

11、，所以 如图所示。对于凸极电机，由于直轴下的气隙较交轴下小， ，所以XadXaq，因此在凸极同步电机中，XdXq,且Xq*0.6Xd* 对于隐极电机，由于气隙是均匀的，故Xd=Xq=Xt Xa（隐）Xad（凸）Xaq（凸）,二、凸极同步发电机,3、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,二、凸极同步发电机,说明： 、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 = mUN IN 电压基值 Ub = UN 电流基值 Ib

12、= IN 阻抗基值 Zb = UN /IN 励磁电流基值 Ifb = If0 (E0=UN),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=2.35，忽略电枢电阻，求额定运行时的E0N和N 。,二、凸极同步发电机,解：发电机定子额定电流,发电机定子采用Y接法，其额定相电压,二、凸极同步发电机,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

13、函数关系称为运行特性。,6.3 同步发电机的运行特性,1.定义： 2.实验接线： 3.步骤：IfU0=01.25UN，注意：只能单方向调磁；,一、空载特性,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k大约为1.11.25。,一、空载特性,空载电动势的调节： 根据E0=4.44fN1kN10 和If 0可知，调节励磁电流If，可改变磁通0，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

14、须使转速保持3000r/min。,1.定义： 2.实验接线： 3.步骤：n=nN，调If ，使Ik=01.25IN,二、短路特性,4.曲线： Ik=f ( If ),二、短路特性,短路电流Ik只有直轴分量，其电枢反应为纯去磁作用。磁路处于不饱和状态，E0If 又Ik=E0 / xd，xd为常数，就有IkIf,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随而；,由气隙线确定：,由空载特性曲线确定：,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。,二、短路特性,短路比kc是影响到同步发

15、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，但电机造价较便宜。 反之， kc 气隙大 xd 电机的成本和尺寸增加。 汽轮发电机 kc=0.6，水轮发电机 kc=0.81.2,解: 从气隙线上查出，If280A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I1718A；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、短路试验中得到下列数据，试求同步电抗。 从空载特性上查得：相电压 kV时，If0155A；从短路特性上查得：IIN1718A时，Ifk280A；从气隙线上得查得：If280A时， kV,用标幺值计算时 ，,故,从空载和短路特性可知，,故,二、短路特性,三、外特性和电压变化率,1.外特性 定义： 曲线：,三、外特性和电压变化率,cos 不同时分析发电机外特性的相量图 (a)cos =1；(b)cos =0.8(滞后)；(c)cos =0.8(超前),分析,三、外特性和电压变化率,2.电压变化率： 当保持额定运行时的励磁电流IfN 和转速nN 不变，将发电机的完全甩负荷时,发电机的端电压将由UN 变化为空载电动势 E0，电压变化的幅度可以用电压变化率来表示 U 是发电机的性能指标之