10同步发电机课件之空载运行及电枢反应
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同步发电机电枢反应
8
当ψ角为不同值的电枢反应
位置 Ψ=00 Ψ=900 Ψ=Ψ=-900
00<Ψ<900 -900<Ψ<00
Fa
F f Fa
夹角
Fa 记作
电枢反 应性质 交轴
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
对电机的影响
波形 畸变 削弱 增强
Ψ=
q轴 d轴 d轴 d 、q 轴 d 、q 轴
Ψ+900
Fδ
n(f) 下降
不变 不变 下降 下降
U 不变 下降 上升 下降 上升
.
q轴 A轴 轴 轴
E0 A
.
Fa Fδ
Y C
I
.
A
Ψ+90 Ψ+90
0
d轴 轴
Ff
.
A
N
E 0C
. I
C
. I
S
X
B
E0B
Z B
交轴电枢反应
5
内功率因数角Ψ=900 内功率因数角
时轴
.
q轴 A轴
E0A
.
Y
C
IC
ψ
. .
d轴
Ff
IA
.
A
N
Z B
S
Fa
X
E 0C
.
IB
E 0B
直轴去磁电枢反应
6
内功率因数角 内功率因数角Ψ=-900
大小
位置
转速
励磁磁 正弦 恒定，由励 由转子位 由原动机的 势 波 磁电流决定 置决定 转速决定 电枢反 正弦 恒定，由电 由电流瞬 由电流的f 应磁势 波 枢电流决定 时值决定 和P决定
3
三个角
准备工作
当ψ角为不同值的电枢反应
位置 Ψ=00 Ψ=900 Ψ=Ψ=-900
00<Ψ<900 -900<Ψ<00
Fa
F f Fa
夹角
Fa 记作
电枢反 应性质 交轴
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
对电机的影响
波形 畸变 削弱 增强
Ψ=
q轴 d轴 d轴 d 、q 轴 d 、q 轴
Ψ+900
Fδ
n(f) 下降
不变 不变 下降 下降
U 不变 下降 上升 下降 上升
.
q轴 A轴 轴 轴
E0 A
.
Fa Fδ
Y C
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.
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Ψ+90 Ψ+90
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d轴 轴
Ff
.
A
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X
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交轴电枢反应
5
内功率因数角Ψ=900 内功率因数角
时轴
.
q轴 A轴
E0A
.
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ψ
. .
d轴
Ff
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.
A
N
Z B
S
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X
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.
IB
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直轴去磁电枢反应
6
内功率因数角 内功率因数角Ψ=-900
大小
位置
转速
励磁磁 正弦 恒定，由励 由转子位 由原动机的 势 波 磁电流决定 置决定 转速决定 电枢反 正弦 恒定，由电 由电流瞬 由电流的f 应磁势 波 枢电流决定 时值决定 和P决定
3
三个角
准备工作
空载运行及电枢反应
Ff 1 同相
0 同相
E0 滞后90度
对称三相负载
IA IB
Fa
IC
相绕组中 E0与I的相位差角称 — —内功率因数角
一、ψ=0°时的电枢反应
E0与I同相
分析A相电流达到正的最 大值时刻 A相电动势达到正的最大值
性质：纯交轴电枢反应
e0
i
F
Fa
q
Y
C
Ff 1
A
N
Z
S
B
d
X
NS
作用：交轴电枢反应实现机电 能量转换
二、ψ=90°时的电枢反应
性质：纯直轴去磁
E0超前 0
e0
分析A相电流达到正的最
大值时刻
A相电动势为0
i
q
Fa
Y
C
d
NS
S
A
N F
X
作用：单机运行时影响机端电压
并网运行时影响发电机无功输出
Ff 1
的性质和大小
Z
B
二、ψ= - 90°时的电枢反应 性质：纯直轴助磁
E0滞后I90 0
e0
分析A相电流达到正的最
k
E0 UN
If
If0
同步发电机的空载特性
15-2 对称负载时的电枢反应
定、转子磁场转向相同、转速相等在空间保持相对静止
• 电枢反应——对称负载时，电枢磁动势的基波Fa对主极磁 动势基波Ff 1的影响
• 电枢反应的性质与负载的性质和大小及电机的参数有关，主
要决定于Fa与Ff 1的空间相对位置。
If
大值时刻
A相电动势为0
i
F
Y Ff1
C
q
A
同步发电机的基本电磁关系和运行规律
同步发电机的基本电磁关系
§10-1 同步发电机的空载运行
➢同步发电机空载运行分析
空载特性：改变励磁电流 if ，就可得到不同的 Φ0 和励 磁电动势E0，曲线E0＝f(if )表示在同步转速下，空载电 动势 E0与励磁电流 if 之间的关系，称为发电机的空载 特性。如图所示。由于E0∝ if ，if ∝ Ff ，所以，空载曲 线实质上就反映了电机的磁化曲线。
主磁通
漏磁通
同步发电机的基本电磁关系
§10-1 同步发电机的空载运行
➢基本概念
主磁通（励磁磁通）：既链过转子，又通过气隙并与 电枢绕组交链的磁通Φ0，称为主磁通，它就是空载时 的气隙磁通，或称励磁磁通。
主极漏磁通：只交链励磁绕组的磁通Φfσ称为主极漏磁 通，它不参与电机的机电能量转换过程。
同步发电机的基本电磁关系
同步发电机的基本电磁关系
§10-2 三相同步发电机的电枢反应
➢基本概念
旋转电机实现机电能量转换的基本条件：同步电机的电 枢磁动势的基波与励磁磁动势转速相同，转向一致，因 此它们在空间保持相对静止。正由于这种相对静止，才 使它们之间的相互关系保持不变，从而建立稳定的气隙 磁场、产生平均电磁转距，实现机电能量转换。实际上， 定转子磁动势相对静止是一切电磁感应型旋转电机正常 运行的基本条件。
§10-1 同步发电机的空载运行
➢同步发电机空载运行分析
励磁电动势：将发电机用原动机拖动，使转子以同步速 旋转，则主磁通Φ0将在气隙内形成一个旋转磁场，如 果定子绕组是对称的，则主磁通切割电枢绕组感应出频 率为f的三相对称电动势，称为励磁电动势，不计谐波， 三相励磁电动势为：
E AE 0 0;E BE 0 12 ;E 0 CE 0 24 E 04.4f4w w 1 k0
电力系统暂态分析—同步发电机的基本电磁关系
试说明同步电机中的 Ff 1、Fa、B0、Ba、E0、I 等物理量 哪些是空间矢量？哪些是时间相量？试述两种矢 （相）量之间的统一性。
§10-2 三相同步发电机的电枢反应
➢三、不同ψ角时的电枢反应
1. I 与 E0 同相位时的电枢反应－交轴电枢反应
d轴 q轴 F Ff 1 Fa
AБайду номын сангаасt
f
F
E 0
称为励磁磁动势和励磁磁场。
图10-1 同步发电机的空载磁路
§10-2 三相同步发电机的电枢反应
➢一、基本概念
旋转电机实现机电能量转换的基本条件：同步电机的电枢磁 动势的基波与励磁磁动势转速相同，转向一致，因此它们在 空间保持相对静止。正由于这种相对静止，才使它们之间的 相互关系保持不变，从而建立稳定的气隙磁场和产生平均电 磁转距，实现机电能量转换。实际上，定转子磁动势相对静 止是一切电磁感应型旋转电机正常运行的基本条件。
方向与电流正方向一致时，A相感电动势为正的最大，所以 E0
位于时间轴线上。如图(b)所示。电动势相量的角频率与转子旋
转的角速度都是ω。
A
电枢电流 I 也是时间相量，它 的相位决定于电机内部的阻抗
和负载的性质。电机内部的阻
抗和负载的性质决定了电枢电 Ff 1 N
t
E0
I
流和空载电动势之间的相位差
角ψ， ψ称为内功率因数角。
N
B0
图10-6 时空相矢图
3.时空相矢图：
结论：在时空相矢图上E0 总是落后于 Ff1 以90度，Fa 总是与I 重 合。E0与 I 之间相位差 随着负载的性质不同而改变。而 Fa 与Ff1 之间相对位置又完全取决于ψ角 (它们之间的空间相位差为90 角)，所以电枢反应的性质是由ψ角决定的，也就是说单机运行 时电枢反应的性质是由负载的性质决定的。
§10-2 三相同步发电机的电枢反应
➢三、不同ψ角时的电枢反应
1. I 与 E0 同相位时的电枢反应－交轴电枢反应
d轴 q轴 F Ff 1 Fa
AБайду номын сангаасt
f
F
E 0
称为励磁磁动势和励磁磁场。
图10-1 同步发电机的空载磁路
§10-2 三相同步发电机的电枢反应
➢一、基本概念
旋转电机实现机电能量转换的基本条件：同步电机的电枢磁 动势的基波与励磁磁动势转速相同，转向一致，因此它们在 空间保持相对静止。正由于这种相对静止，才使它们之间的 相互关系保持不变，从而建立稳定的气隙磁场和产生平均电 磁转距，实现机电能量转换。实际上，定转子磁动势相对静 止是一切电磁感应型旋转电机正常运行的基本条件。
方向与电流正方向一致时，A相感电动势为正的最大，所以 E0
位于时间轴线上。如图(b)所示。电动势相量的角频率与转子旋
转的角速度都是ω。
A
电枢电流 I 也是时间相量，它 的相位决定于电机内部的阻抗
和负载的性质。电机内部的阻
抗和负载的性质决定了电枢电 Ff 1 N
t
E0
I
流和空载电动势之间的相位差
角ψ， ψ称为内功率因数角。
N
B0
图10-6 时空相矢图
3.时空相矢图：
结论：在时空相矢图上E0 总是落后于 Ff1 以90度，Fa 总是与I 重 合。E0与 I 之间相位差 随着负载的性质不同而改变。而 Fa 与Ff1 之间相对位置又完全取决于ψ角 (它们之间的空间相位差为90 角)，所以电枢反应的性质是由ψ角决定的，也就是说单机运行 时电枢反应的性质是由负载的性质决定的。
电枢反应
4.阻感性负载 4.阻感性负载
ɺ E0A ɺ E0A ɺ E0A
=
ɺ E0C
+
ɺ E0C
电感性负载
ɺ E0B
阻感性负载Βιβλιοθήκη ɺ E0Bɺ E0C
电阻性负载
ɺ E0B
结论： 结论： 阻感性负载时， 0°< ψ <90° ，电枢磁场对 <90° 阻感性负载时， 转子载流导体产生的电磁力既对发电机转子起 制动作用，使发电机转速下降， 制动作用，使发电机转速下降，又使气隙磁场 减弱，导致发电机端电压降低。 减弱，导致发电机端电压降低。
1.电阻性负载 1.电阻性负载
ɺ E0
M
Z
A相 轴线 （交 轴） t
转子 A 磁极 轴线 （直 轴）
N
Y
n
-
π
2
0
π
N A相 相
2
ω
C相 相
S
B C X
ɺ I a
B相 相
ɺ E0A
π
2
-
π
2
0
c b
ωt
ɺ E0C ɺ E0B
直轴
A
结论： 结论： 电阻性负载时， 电阻性负载时，三相绕组合成 交轴 基波磁动势相量与转子交轴重 称此时的电枢反应为交轴 合，称此时的电枢反应为交轴 电枢反应。 电枢反应。 结果使气隙磁场的轴线位置 从空载时的直轴逆向旋转了一 个锐角，且幅值有所增加。 个锐角，且幅值有所增加。
ɺ 决定条件： 决定条件：电枢反应的性质主要取决于 E0与 的相位差ψ 亦即主要取决于负载的性质。 的相位差ψ ，亦即主要取决于负载的性质。
电阻性负载-- =0° 电阻性负载-- ψ=0° 电感性负载-- =90° 电感性负载-- ψ=90° 电容性负载-90° 电容性负载-- ψ=-90°
电机学-同步发电机的基本电磁关系
A
Y C
A Ff 1
N
S
B0
X
Z
n1
B
图10-3 励磁磁动势空间矢量
1.空间矢量：凡是沿空间按正弦分布的量都可表示为空间矢量。
电枢磁动势 F也a 为空间矢量，它的位置可以这样来确定，即当 某相电流达到最大时，电枢磁动势 Fa刚好转到该相绕组的轴线 上，它的指向与绕组中的电流方向符合右手螺旋定则，而且转
主磁通
漏磁通
图10-1 同步发电机的空载磁路
§10-1 同步发电机的空载运行
➢二、同步发电机空载运行分析
空载特性：改变励磁电流if ， 就可得到不同的Φ0和励磁电 动势E0 ，曲线E0＝f(if )表示 在同步转速下，空载电动势
E0 U N a
气隙线 G bc
E0与励磁电流if 之间的关系，
称为发电机的空载特性。由
§10-2 三相同步发电机的电枢反应
➢二、时空相矢图－分析电枢反应时采用时间相量和空间矢量统一 图，这种图简称为“时空相矢图”
1.空间矢量：凡是沿空间按正弦分布的量都可表示为空间矢量。
基波励磁磁动势
Ff
及其磁密
1
B0
为一空间矢量。该矢量位于转子
的极轴线上，方向为N极指向，以同步速旋转，如图10－3所示。
同步发电机的基本电磁关系
§10-1 同步发电机的空载运行
➢一、基本概念
空载运行：同步发电机被原动机拖到同步转速，转子绕组通入直
流励磁电流而电枢绕组开路，这种运行状态称为空载运行或无载
运行 。
主磁通
漏磁通
励磁磁动势：同步发电机空载
运行时电枢电流为零，电机气
隙中只有转子励磁电流 if 产生
《同步电机》PPT课件
精选ppt
10
5、饱和系数： 饱和电机中E0一定时，气隙线
上的横坐标为气隙磁动势空载特性上的横坐标
为为励磁磁动势
饱和系数k=励磁磁动势/气隙磁动势=ac/ab= E0/UN
三、空载运行时空矢量图（见图6-7）
1、凸极机中： d轴-----直轴，转子磁极轴线
q轴-----交轴，N、S之间的中心线，与d轴垂直。
空载运行：原动机带动发电机在同步转速下运行,励磁（转子）绕组通过适 当的励磁电流,电枢（定子）绕组不带任何负载（开路）时的运行情况，称 为空载运行。
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Ff（励 磁磁势）单独建立，称励磁磁场。又经气隙与定子交链的磁通。为一以同步转 速旋转的旋转磁场，磁密波形沿气隙圆周近似作正弦分布，其基波分量的 每极磁通用0表示， 0参与电机的机电能量转换。
E0
3、 E0 = f(Ff)：改变If，可改变0 及E0，由此得空载特性曲线如图66。 空载特性与电机磁路的磁化曲线 具有类似的变化规律。
☆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气 隙线）。
精选ppt 图6-6 空载特性曲线 9
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。为合理 利用材料，空载额定电压一般设计在空载特性的弯曲处，如图中的c点。
2、时空矢量图（取定子绕组的时间参考轴即时轴与相轴重合）
Ff中的基波分量Ff1 (空间矢量）与由它产生的Bf1 (空间矢量）
☆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，此时的励磁电流 (称为额定励磁电流)为励磁电流的基值。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。
同步发电机的电枢反应
为n1，转向与转子转向一致，极数与转子极数相 同，幅值大小不变，位置：哪相电流达最大值，
电枢磁动势就恰好转到哪相绕组轴线上。
Fa与Ff1两磁动势在空间均以n1速度同向旋转，故相对静止。
第６章 同步电机及同步电动机的电力拖动
3.什么叫电枢反应 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.
说明发电机带感性(或容性)无 功负载时,不需要原动机增加能量.
但是直轴去磁（或助磁）电枢反应对气隙 磁场有去磁（或助磁）作用，致使电压下降 （或上升）。为维持电压恒定所需的励磁电流 也需要相应增加（或减小）。
第６章 同步电机及同步电动机的电力拖动
一般情况下，发电机既带有功负载，又带感性无功负 载，有功电流的变化影响发电机的转速及频率，无功电流 的变化影响发电机的电压。
输出的有功功率越大，有功分量电流就越 大，交轴电枢反应越强，Tem越大，这就要 求原动机输入更大的驱动转矩，维持电机 的转速不变。
第６章 同步电机及同步电动机的电力拖动
当 900( 或 900） 时,直轴电枢反应磁动势是与E 0成900的Id 产生
的,可以认为Id 是I的无功分量.
直轴电枢反应磁场与励磁 电流共同作用,在励磁绕组上产 生电磁力,但不能形成电磁转矩.
向电网输出容性无功功率。
第６章 同步电机及同步电动机的电力拖动
6.3.4 一般情况下的电枢反应
一、 00 900 空载电动势 E超0 前电
枢电流 I角,
q轴 U轴
V2 W1
Ff 1与Fa之间夹
角为 900 d轴
900
Fa
N
S
电枢反应性质：
Ff
U1
既有交轴,还有直轴
电枢磁动势就恰好转到哪相绕组轴线上。
Fa与Ff1两磁动势在空间均以n1速度同向旋转，故相对静止。
第６章 同步电机及同步电动机的电力拖动
3.什么叫电枢反应 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.
说明发电机带感性(或容性)无 功负载时,不需要原动机增加能量.
但是直轴去磁（或助磁）电枢反应对气隙 磁场有去磁（或助磁）作用，致使电压下降 （或上升）。为维持电压恒定所需的励磁电流 也需要相应增加（或减小）。
第６章 同步电机及同步电动机的电力拖动
一般情况下，发电机既带有功负载，又带感性无功负 载，有功电流的变化影响发电机的转速及频率，无功电流 的变化影响发电机的电压。
输出的有功功率越大，有功分量电流就越 大，交轴电枢反应越强，Tem越大，这就要 求原动机输入更大的驱动转矩，维持电机 的转速不变。
第６章 同步电机及同步电动机的电力拖动
当 900( 或 900） 时,直轴电枢反应磁动势是与E 0成900的Id 产生
的,可以认为Id 是I的无功分量.
直轴电枢反应磁场与励磁 电流共同作用,在励磁绕组上产 生电磁力,但不能形成电磁转矩.
向电网输出容性无功功率。
第６章 同步电机及同步电动机的电力拖动
6.3.4 一般情况下的电枢反应
一、 00 900 空载电动势 E超0 前电
枢电流 I角,
q轴 U轴
V2 W1
Ff 1与Fa之间夹
角为 900 d轴
900
Fa
N
S
电枢反应性质：
Ff
U1
既有交轴,还有直轴
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e0
i
q
F
Ff 1
A
Fa
Y C
N
S
d
X
N
S
作用：交轴电枢反应实现机电 能量转换
Z
B
二、ψ=90°时的电枢反应
超前I 900 E 0
分析A相电流达到正的最 大值时刻
A相电动势为0
性质：纯直轴去磁
e0
i
q
C
Fa
Y
d
X
N
S
S
A
N
Z
F
B
作用：单机运行时影响机端电压
Ff 1
并网运行时影响发电机无功输出 的性质和大小
If
Ff 1 同相
对称三相负载
0
同相
I A IB I C
E 0
滞后90度
Fa
与I 的相位差角称— —内功率因数角 相绕组中E 0
一、ψ=0°时的电枢反应
与I 同相 E 0
分析A相电流达到正的最 大值时刻
A相电动势达到正的最大值
性质：纯交轴电枢反应
又有直轴去磁电枢反应
e0
i
Fa
Y C
F
S
A
q
d
X
N
N
S
Ff 1
Z
B
既有有功输出，又有感性无功输出
15-3 同步电抗的概念
一、隐极同步电机
I A IB I C
电枢反应磁通
a
电枢反应电抗
xa x
C
Fa
漏磁通
Y
漏电抗
同步电抗
xt xa x
A
X
Z
B
二、凸极同步电机
15-1 同步发电机的空载运行
• 空载运行——同步发电机被原动机拖动 到同步转速，转子绕组通入直流励磁电 流，定子绕组开路（定子电流为零）
A
Y
C
X
If
励磁磁动势（或主极磁动势） F f
主磁通Φ0
电动势
Z
E0 4.44f N1k N10
磁路的饱和系数 1.1~1.25
E0 0 UN
气隙线 E0
I A IB I C
直轴 交轴
漏磁通
ad
电枢反应电抗 电枢反应电抗
漏电抗
xad
电枢反应磁通
Fa
aq
xaq
x
直轴同步电抗 xd 同步电抗
xad x
交轴同步电抗 xq
xaq x
xq xd
B
E0 k UN
I
If0
同步发电机的空载特性
f
15-2 对称负载时的电枢反应
定、转子磁场转向相同、转速相等在空间保持相对静止 • 电枢反应——对称负载时，电枢磁动势的基波Fa对主极磁 动势基波Ff 1的影响 • 电枢反应的性质与负载的性质和大小及电机的参数有关，主 要决定于Fa与Ff 1的空间相对位置。
二、ψ= - 90°时的电枢反应
滞后I 900 E 0
分析A相电流达到正的最 大值时刻
A相电动势为0
性质：纯直轴助磁
e0
i
qFΒιβλιοθήκη YFf 1C
A
N S
Z
Fa
X
d
N
S
B
一、ψ=0°~90°时的电枢反应
性质：既有交轴电枢反应
超前I 角 E 0
分析A相电流达到正的最 大值时刻
A相电动势正