第三章同步发电机的基本方程PPT课件
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第三章同步发电机的基本方程-76页PPT资料
Ψ正方向——i正方向——轴线正方向
27.04.2020
电力系统分析 第三章 同步发电机的基本方程
6
二、假定正向的选取
定子回路 定子电流的正方向——绕组中性点流向端点的方向 各相感应电势的正方向与相电流的相同 向负荷侧看，电压降落方向与相电流正向一致。
转子 各个绕组感应电势的正方向与本绕组电流的正方向相同 向励磁绕组提供正向励磁电流的外加励磁电压是正的 两个阻尼回路的外加电压为零
aa a(aad co saq sin ) a 2ia(sad co 2saq si2 n)
Laaaa iaa 2(sad co2saq si2n ) l0l2co2s
Go：定子绕组的自感
l0a 2[s1 2(adaq)]
Laa
l2 12a2(ad－aq)
同步发电机的回忆复习
现代电力工业中，无论是火力发电、水力发电或核能发 电，几乎全部采用同步交流发电机。
电机的电枢布置在定子上，励磁绕组布置在转子上（旋 转式磁极）。
同步发电机的转速n(转/min)、系统频率(Hz)之间的关 系：
n=60f/p
27.04.2020
电力系统分析 第三章 同步发电机的基本方程
0 0
0 ic
0
if
转
0
D
0
0
0
0
rD
0
iD
0 Q 0 0 0 0 0 rQ iQ
v ：各绕组端电压；i :各绕组电流；r :定子每相绕组电阻； ψ:各绕组的总磁链； ψ&dψ:磁/d链t 对时间的导数。
27.04.2020
电力系统分析 第三章 同步发电机的基本方程
9
vvfaD bQ cψ ψ & & faD bQ cr0S
27.04.2020
电力系统分析 第三章 同步发电机的基本方程
6
二、假定正向的选取
定子回路 定子电流的正方向——绕组中性点流向端点的方向 各相感应电势的正方向与相电流的相同 向负荷侧看，电压降落方向与相电流正向一致。
转子 各个绕组感应电势的正方向与本绕组电流的正方向相同 向励磁绕组提供正向励磁电流的外加励磁电压是正的 两个阻尼回路的外加电压为零
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Laaaa iaa 2(sad co2saq si2n ) l0l2co2s
Go：定子绕组的自感
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同步发电机的回忆复习
现代电力工业中，无论是火力发电、水力发电或核能发 电，几乎全部采用同步交流发电机。
电机的电枢布置在定子上，励磁绕组布置在转子上（旋 转式磁极）。
同步发电机的转速n(转/min)、系统频率(Hz)之间的关 系：
n=60f/p
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电力系统分析 第三章 同步发电机的基本方程
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v ：各绕组端电压；i :各绕组电流；r :定子每相绕组电阻； ψ:各绕组的总磁链； ψ&dψ:磁/d链t 对时间的导数。
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电力系统分析 第三章 同步发电机的基本方程
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vvfaD bQ cψ ψ & & faD bQ cr0S
《同步发电机原理》课件
05
同步发电机的发展趋势与展望
高效、环保的同步发电机研究
高效能
随着技术的不断进步，同步发电机在 效率和能效方面取得了显著提升，未 来研究将进一步探索提高发电效率的 方法，降低能源损失。
环保设计
为应对全球气候变化和环境问题，同 步发电机将更加注重环保设计，减少 对环境的影响，如采用低碳材料、减 少噪音和振动等。
智能化的同步发电机控制技术
自动化和远程控制
通过引入先进的传感器和控制技术，实现同步发电机的自动化和远程控制，提 高运行稳定性和可靠性。
智能诊断和维护
利用大数据和人工智能技术，实现同步发电机的智能诊断和维护，及时发现潜 在问题，降低维护成本。
同步发电机在新能源领域的应用前景
可再生能源整合
随着可再生能源（如风能、太阳能）的普及，同步发电机将作为重要的能源转换 和调节设备，实现可再生能源的有效整合和利用。
《同步发电机原理》ppt课件
目 录
• 同步发电机概述 • 同步发电机的工作原理 • 同步发电机的特性 • 同步发电机的控制与保护 • 同步发电机的发展趋势与展望
01
同步发电机概述
同步发电机的定义
同步发电机
一种将机械能转换为电能的旋转 电机，通过原动机（如汽轮机、 水轮机等）驱动转子旋转，从而 在定子中产生三相交流电。
短路保护
当发电机发生短路故障 时，快速切断电源以保
护发电机不受损坏。
过载保护
当发电机过载运行时， 及时切断电源或降低负 荷，防止发电机过热损
坏。
欠压保护
当发电机电压过低时， 自动切断电源以防止发
电机受损。
过压保护
当发电机电压过高时， 自动切断电源或降低励 磁电流，以防止发电机
3同步发电机的基本方程
基础知识
R ：磁阻
：磁导
F ：磁势
λ 1 R
Fa ωaia
Φ ：气隙磁通 Φ λF
R
G
V I GV
：磁链 Ψ Φ Li
uL
dΨ dt
dΦ
dt
L di dt
第三章同步发电机的基本方程
电枢反应：三相同步电机有两个旋转磁通势，一个是励磁旋转 磁通势（转子旋转磁通势），是机械方式形成的；一个是定子 旋转磁通势（电枢旋转磁通势），是电气方式形成的。气隙总 磁通势是这两者合成的。电枢电流不同，电枢旋转磁通势便会 不同，合成磁通势也不同。因此电枢旋转磁通势对合成旋转磁 通势的影响称为电枢反应。
aq
Fa
I ia
ib
ia I
I cos cos( 120
)
ic I cos( 120 )
d
id I cos( )
iq
ic
id
ib
iq
I
sin(
)
b
定子电流通用向量
c
第三章同步发电机的基本方程
三角恒等式：
cos( ) 2 [cos cos cos( 120 )cos( 120 ) cos( 120 )cos( 120 )]
0
3 d 2 dt 0 0
0
d 0
0 0
q 0
0
0 0
0 d q
0
q
d
0 0 0
变压器电势：
•
d
•
q
发电机电势： d
q
•
vdq0 ( dq0 S ) rsidq0
d
•
d
q
rid
•
q q d riq
第3章 同步发电机的基本方程_2014
Park变换的另一种推导方法
同理可对定子电压和磁链作同样的变换。
✓ 不同频率abc三相对称电流的dq0分量
➢ dq0坐标系下的发电机电势方程
✓ “伪静止”等效绕组
➢ dq0系统的磁链方程和电感系数
➢ 同步电机常用标幺制
✓ 同步电机标幺值方程
➢ 基本方程的拉氏运算式
✓ 同步电机的电抗
➢ 同步电机对称稳态运行：根据同步电机Park方程式，得 到用相量表示的稳态电势方程式，等值电路，相量图； 空载电势Eq和等值隐极机电势EQ的定义；
➢ 基本前提
同步电机基本回路图（理想同步电机假设、假定正方向）
➢ 同步电机原始方程
✓ 电势方程
✓ 磁链方程
✓ 电感系数
Review：磁路欧姆定律
➢ dq0坐标系的同步电机方程
坐标变换和dq0系统 ✓ 采用通用相量表示定子三相电流
✓ 通用相量的dq轴分量
✓ 用dq轴分量表示iabc
✓ Park变换—idq0 ---iabc
设想：将静止的abc三相定子绕组等效为随转子旋转的dd 和qq绕组。等效绕组中的电流id和iq产生的磁势对转子相对 静止，磁通磁路磁阻不变，因此电感系数为常数。
➢ 本节主要结论
✓ 磁链方程式中，同步电机许多电感系数随转子位置角 发生周期性变化，是时变系数；
✓ 将磁链方程代入同步电机电势方程，将得到一组时变 系数微分方程，不便于求解；
✓ 磁链方程式出现变系数的原因：（1）转子的旋转使 定转子绕组间产生相对运动，致使定转子绕组间的互 感系数发生相应的周期性变化；（2）转子在磁路上 只是分别对d轴和q轴对称，而不是随意对称，由此导 致定子各绕组的自感和互感发生周期性变化；
定子绕组自感系数—以a相为例
同步发电机的基本方程
VS
详细描述
同步发电机的电压方程是描述发电机端电 压与内部电势、电流和阻抗之间关系的数 学表达式。这个方程通常采用三相坐标系 或同步坐标系来表示。在三相坐标系中， 电压方程可以表示为三个一阶微分方程， 而在同步坐标系中，电压方程可以简化为 一个二阶微分方程。
同步发电机的电流方程
总结词
描述同步发电机内部电流与电压、磁链和阻 抗之间的关系。
工业领域
在工业领域中，同步发电机可用于驱动各种电动 机、压缩机、泵等设备。
交通领域
在交通领域中，同步发电机可用于驱动列车、地 铁、船舶和飞机等交通工具。
02
同步发电机的基本原理
同步发电机的电磁原理
总结词
描述同步发电机如何通过磁场和电流相互作用产生电力的过程。
详细描述
同步发电机的基本原理是利用磁场和电流的相互作用产生电能。在发电机中，磁场由励磁系统产生，而转子上的 导线则会在旋转过程中切割磁力线，从而产生感应电动势。这个电动势的大小与磁场强度、导线切割磁力线的速 度以及导线与磁场的相对角度有关。
详细描述
功率控制的主要目标是确保发电机输出的有功功率和 无功功率满足电网的需求，同时保持电网的稳定运行 。为实现这一目标，功率控制器需要监测电网的有功 功率和无功功率需求，以及发电机的输出功率，通过 调节发电机的励磁电流和气门开度等参数，实现有功 功率和无功功率的解耦控制。常用的功率控制策略包 括恒功率控制、恒压控制和下垂控制等。
详细描述
同步发电机的磁链方程是描述发电机内部磁链与电压、电流和极对数之间关系的数学表 达式。这个方程通常采用三相坐标系或同步坐标系来表示。在三相坐标系中，磁链方程 可以表示为三个一阶微分方程，而在同步坐标系中，磁链方程可以简化为一个二阶微分
第3章 同步发电机的基本方程讲解
a,b,c系统中的直流分量和倍频交流分量对应于d,q,0 系统的基频分量， a,b,c系统中的基频交流分量对应于 d,q,0系统的直流分量。参见p55之例题3-1.结论必须熟
第三章 同步发电机的基本方程
二、d，q，0系统的电势方程和磁链方程 1）电势方程
vd
d
q
rid
vq
或
E0 = －j4.44 kw1 N1f1 Φ0
电枢相电压： U0P = E0
电枢线电压（Y 形联结）： U0L =√3 E0
E0 的频率：
pn f1 = 60
如果： f1 = 50Hz，则： pn = 3 000
第三章 同步发电机的基本方程
2 三相同步电机的基本结构
一、主要部件
(1)定子铁心： 由硅钢片叠成。 1. 定子（电枢） (2)定子绕组：对称三相绕组。
简化起见，假定在d轴方向的三个绕组只有一个公共 磁通，q轴方向的两个绕组只有一个公共磁通，即认为：
X af X aD X fD X ad
X aQ X aq
称 X ad , X aq 分别为d，q轴电枢反应电抗，以下标 表示漏抗，
有：
第三章 同步发电机的基本方程
X d Xa X ad
Ed ,Vd , id
各变量实用正向的选取
第三章 同步发电机的基本方程
采取实用正向时，同步电机电势方程和磁链方程：
Vd
d q
rid
Vq q d riq
V f
f if rf
0
D
iD
rD
0
第三章 同步发电机的基本方程
二、d，q，0系统的电势方程和磁链方程 1）电势方程
vd
d
q
rid
vq
或
E0 = －j4.44 kw1 N1f1 Φ0
电枢相电压： U0P = E0
电枢线电压（Y 形联结）： U0L =√3 E0
E0 的频率：
pn f1 = 60
如果： f1 = 50Hz，则： pn = 3 000
第三章 同步发电机的基本方程
2 三相同步电机的基本结构
一、主要部件
(1)定子铁心： 由硅钢片叠成。 1. 定子（电枢） (2)定子绕组：对称三相绕组。
简化起见，假定在d轴方向的三个绕组只有一个公共 磁通，q轴方向的两个绕组只有一个公共磁通，即认为：
X af X aD X fD X ad
X aQ X aq
称 X ad , X aq 分别为d，q轴电枢反应电抗，以下标 表示漏抗，
有：
第三章 同步发电机的基本方程
X d Xa X ad
Ed ,Vd , id
各变量实用正向的选取
第三章 同步发电机的基本方程
采取实用正向时，同步电机电势方程和磁链方程：
Vd
d q
rid
Vq q d riq
V f
f if rf
0
D
iD
rD
0
第3章同步发电机的基本方程
a
f
f
x
ad
d a
a
ad
d
f a f x
maf wwf ad
f a f x d
ad
a d
(4)定子绕组和转子各绕组间的互感系数—abc--D
a
ad
a
D
D
x
aD wwD iD ad cos
L L m cos Da aD aD LbD LDb maD cos 120 L L m cos 120 Dc aD cD
绕组轴线正向示意图
3-3 dq0坐标系的同步电机方程
1. 坐标变换和 dq0坐标系 2. dq0坐标系下的电势方程
3. dq0坐标系下的磁链方程和电感系数
4. 同步电机标幺值基本方程
1. 坐标变换与dq0坐标系
（1）采用通用相量表示定子三相电流
F
a
I
定子三相对称电流可以用以同 步转速旋转的通用相量I表示；
if rf uf iD rD ec eD iQ rQ eQ rc ua ub uc ic ef ra ea eb rb ib ia
i
abc rS u abc ψ u ψ fDQ fDQ 0
0 i abc i rR fDQ
eQ
i
e
3-2 同步电机的原始方程式
1. 电势方程
ua u b uc u f 0 0 a r b 0 c 0 f D Q 0 0 r 0 0 r 0 rf 0 0 0 0 rD 0 ia ib ic 0 i f 0 iD rQ iQ
第3章同步发电机的基本方程ppt课件
➢ dq0系统的磁链方程和电感系数
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
➢ 同步电机常用标幺制
✓ 同步电机标幺值方程
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
定子绕组自感系数—abc三相
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
✓ 同步电机标幺值方程—矩阵形式
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
✓ 同步电机电磁功率
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
定子绕组和转子各绕组间的互感系数—abc--f
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
定子绕组和转子各绕组间的互感系数—abc--D
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
✓ 磁链方程
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
➢ 同步电机常用标幺制
✓ 同步电机标幺值方程
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
定子绕组自感系数—abc三相
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
✓ 同步电机标幺值方程—矩阵形式
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
✓ 同步电机电磁功率
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
定子绕组和转子各绕组间的互感系数—abc--f
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
定子绕组和转子各绕组间的互感系数—abc--D
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
✓ 磁链方程
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LaQ = LQa
Lbf = Lfb LbD = LDb LbQ = LQb
Lcc Lab = Lba LQQ = LQ LDQ = LQD Lcf = Lfc LcD = LDc LcQ = LQc
2021/2/11
电力系统分析 第三章 同步发电机的基本方程
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二、电感系数 1．定子各相绕组的自感系数
10
vabc v fDQ
ψabc ψ fDQ
rS
0
0 iabc
rR
i
fDQ
各绕组的磁链方程矩阵形式
rs:定子电阻矩阵 rR:转子电阻矩阵
a Laa Lab Lac Laf LaD LaQ ia
b
Lba
Lbb
Lbc
Lbf
LbD
LbQ
ib
c f
Lca Lfa
c f
0 0
0 0
r 0
0 rf
0 0
0 ic
0
i
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转
0
D
0
0
0
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0
iD
0
Q 0 0 0 0 0 rQ iQ
v ：各绕组端电压；i :各绕组电流；r :定子每相绕组电阻； ψ:各绕组的总磁链； ψ dψ:磁/ d链t 对时间的导数。
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电力系统分析 第三章 同步发电机的基本方程
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3.1 基本前提
一、理想同步电机的假设
1. 忽略磁路饱和、磁滞、涡流影响，假设电机铁心部分导磁系 数为常数。（即线性元件、叠加原理）
2. 电机转子在结构上对于纵轴（d）和横轴（q）分别对称。
3. 定子的a、b、c三相绕组的空间位置互差120°，完全对称而 又相同的三个绕组，气隙中产生正弦分布的磁势。
d
a
q
y
n
c
D
a
f xx
Q
b
z
b c
2021/2/11
电力系统分析 第三章 同步发电机的基本方程
6
正方向确定的描述：
定子三相绕组ax、by、cz中心轴线a、b、c彼此相差 120°。c相滞后a相轴线120°，b相轴线滞后a相 240°。
转子极中心线用d表示，纵（直）轴；极间轴q横（交） 轴。按转子旋转方向，q轴滞后d轴90°。 励磁绕组ff轴线与d轴重合；阻尼绕组用相互正交 短接线路表示；DD纵轴阻尼绕组轴线与d轴重合； QQ横轴阻尼绕组与q轴重合。 隐极机转子涡流效应可用阻尼绕组等效，外形不同， 凸极机特例。
2021/2/11
电力系统分析 第三章 同步发电机的基本方程
11
二、电感系数
Hale Waihona Puke 定子绕组自感系数Laa
定子绕组间互感系数 Lab = Lba
转子绕组自感系数
Lff = Lf
Lbb Lab = Lba LDD = LD
转子绕组间互感系数 LfD = LDf LfQ = LQf
定转子绕组间互感系 数
Laf = Lfa LaD = LDa
现代电力工业中，无论是火力发电、水力发电或核能发 电，几乎全部采用同步交流发电机。
电机的电枢布置在定子上，励磁绕组布置在转子上（旋 转式磁极）。
同步发电机的转速n(转/min)、系统频率(Hz)之间的关 系：
n=60f/p
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电力系统分析 第三章 同步发电机的基本方程
2
根据转子结构形式 隐极式发电机
a相为例
a绕组有电流ia Fa＝ωaia
ωa为a相绕组的等效匝数
λad和λaq分别表示沿d轴和q轴方向气隙磁通路径的磁导
a
d
q
d轴分量Facosα Φad adFa cos
Fa
α
q轴分量Fasinα
Φaq
aq Fa
sin
ω
a
x
定子绕组漏磁通
Φ a s Fa
λsσ：漏磁通路径的磁导
D
LDa
Q LQa
Lcb Lfb LDb LQb
Lcc Lfc LDc LQa
Lcf Lff LDf LQf
LcD LcQ ic
LfD
LfQ
if
LDD LDQ iD
LQD LQQ iQ
abc fDQ
Lss
LRS
LSR LRR
iabc
i
fDQ
Laa:绕组a的自感系数 Lab:绕组a和绕组b之间的互感系数
_
ea = －d dt = －
2021/2/11
电力系统分析 第三章 同步发电机的基本方程
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3.2 同步发电机的原始方程 一、电势方程和磁链方程
根据规定的正方向，定子和转子各回路的矩阵电势方程：
Va
定
Vb
a r 0 0 0 0 0 ia
b
0
r
0
0
0
0
ib
Vc V
f
d dt
Ψ正方向——i正方向——轴线正方向
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电力系统分析 第三章 同步发电机的基本方程
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二、假定正向的选取
定子回路 定子电流的正方向——绕组中性点流向端点的方向 各相感应电势的正方向与相电流的相同 向负荷侧看，电压降落方向与相电流正向一致。
转子 各个绕组感应电势的正方向与本绕组电流的正方向相同 向励磁绕组提供正向励磁电流的外加励磁电压是正的 两个阻尼回路的外加电压为零
4. 定子绕组沿定子均匀分布，电机空载，转子恒速旋转时，转 子绕组的磁动势在定子绕组所感应的空载电势是时间的正弦 函数。
5. 电机的定子和转子具有光滑的表面。（即不考虑定转子槽、
通风沟等）
Go:正向选取
2021/2/11
电力系统分析 第三章 同步发电机的基本方程
5
同步发电机各绕组轴线正方向示意图（凸极）
第3章 同步发电机的基本方程
3.1 基本前提 3.2 同步发电机的原始方程 3.3 d、q、0坐标系的同步电机方程 ※ ※ 3.4 同步电机的常用标幺制 3.5 基本方程的拉氏运算形式 3.6 同步电机的对称稳态运行
2021/2/11
电力系统分析 第三章 同步发电机的基本方程
1
同步发电机的回忆复习
凸极式发电机
气隙均匀 气隙不均匀
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电力系统分析 第三章 同步发电机的基本方程
3
本章内容提要
在一定前提条件下，提出同步发电机的原始方程； 通过派克变换，实现从a、b、c系统到d、q、0坐
标系统的转换，得到发电机的基本方程及其标幺 制形式；
2021/2/11
电力系统分析 第三章 同步发电机的基本方程
Go:正向选取
2021/2/11
电力系统分析 第三章 同步发电机的基本方程
8
同步发电机的回路图 转子
定子
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if
vf
ef
ef ea
eb
eD
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eQ
V 转子0
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f rf i rDiD
f
定子VVba
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