第三章 同步发电机的基本方程
park变换
Vq Eq jX d I d Vd jX q I q
V Eq j ( X d X q ) I d jX q I
定义： EQ Eq j ( X d X q ) I d
有：
V EQ jX q I
第三章 同步发电机的基本方程
二、同步电机的对称稳态运行
同步电机对称稳态运行时，
1）id , iq 均为直流常数； 2） d q 0 3） iD iQ 0 4） r＝0
则上述方程变为：
第三章 同步发电机的基本方程
Vq d X ad i f X d id Eq X d id Vd q X q iq
上述磁链方程中，由于 1）转子绕组相对于定子绕组旋转； 2）转子仅对d、q轴对称。 造成定、转子绕组间互感，定子自、互感周期性变化，仅 有转子绕组自感和转子绕组间互感为常数。所以上述电压、 磁链原始方程很难求解。
第三章 同步发电机的基本方程
第三节
一、坐标变换
d、q、0坐标系的同步电机方程
定子a,b,c三相绕组对转子的影响可考虑为其对转子 d,q轴的影响之效应和，为此我们引入一种数学变换，即： 著名的派克变换。从数学角度考虑，派克变换是一种线性 变换；从物理意义上理解，它将观察者的角度从静止的定 子绕组转移到随转子一同旋转的转子上，从而使得定子绕 组自、互感，定、转子绕组间互感变成常数，大大简化了 同步电机的原始方程。
即：
I a ,b,c P 1 I d ,q ,o
第三章 同步发电机的基本方程
ia，ib，ic三相不平衡时，每相中都含有相同的零轴电流 i0。三相零轴电流大小一样，空间互差120°，其在气隙中 的合成磁势为零，只产生与定子绕组相交链的磁通，不产 生与转子绕组交链的磁通。
电力系统分析(上) 2019随堂练习
B．周期分量
C．自由分量
D．倍频分量
参考答案：B
2.(单选题)计算短路冲击电流，在简化电力网络时，影响负荷能否合并或忽略的主要因素是（）。
A．负荷间的距离
B．短路的类型
C．负荷的特性
D．负荷对短路点的电气距离
参考答案：D
3.(单选题)计算负荷提供的冲击电流时，对于小容量的电动机和综合负荷，冲击系数取（）。
D、±7% ~±10%
参考答案：B
3.(单选题)发电机的额定电压与系统的额定电压为同一等级时，假如系统额定电压取值为1时，发电机额定电压应取值为（）。
A、1
B、1.10
C、1.05
D、1.025
参考答案：C
4.(单选题)如果变压器的短路电压小于7%或直接与用户连接时，变压器的二次绕组的额定电压规定比系统的额定电压（）。
1.(单选题)我国35kV及以上电压等级的电力用户，供电电压正常允许的偏移范围是额定值的（）。
A、±5%
B、±7%
C、±5% ~±7%
D、±7% ~±10%
参考答案：A
2.(单选题)我国10kV及以下电压等级的电力用户，供电电压正常允许的偏移范围是额定值的（）
A、±5%
B、±7%
C、±5% ~±7%
A、架空输电线路的电容参数小于同电压等级、同样长度的电缆线路
B、架空输电线路导线之间的几何均距越大，线路的电容参数越大
C、架空输电线路导线之间的几何均距越大，线路的电容参数越小
D、架空输电线路导线的等效半径越大，线路的电容参数越大
参考答案：B
3.(单选题)同电压等级、同长度的架空输电线路和电缆线路，如果导线的截面积相同，则下述说法中正确的是（）。
简述同步发电机的基本方程
2. 定子绕组间的互感系数
L ab L ba [m 0 m 2 cos 2( 30 o )] L bc L cb [m 0 m 2 cos 2( 90 o )] L ca L ac [m 0 m 2 cos 2( 150 o )]
（1-26）
1 id sin( 120 o ) 1 iq sin( 120 o ) 1 i0
sin
(1 2绕组电压、磁链都可 以进行，且变换矩阵P（P-1）相同
[dq0坐标系变量的零轴分量]
[例1-1] 定子绕组三相对称电流分别为直流、基频、倍频，变换到dq0坐标系后分别 成为基频、直流、基频。
二、 d、q、0坐标系统的电势方程
转子绕组的变量（v、i、ψ）本身就是 dq0坐标系统变量。 定子绕组的原始电势方程为
& vabc ψabc rS i abc (1 28)
全式左乘P，并经过矩阵运算推导，得 d、q、0坐标系统的定子电势方程
二、假定正向的选取
转子绕组电压、电流的正向按“负荷法则” 选取：支路电流由电位“+”流向电位“-” 定子绕组电压、电流的正向按“发电机法则 ”选取：支路电流由电位“-”流向电位
另外，在理想同步电机结构示意图中：
• 转子d轴超前q轴90o • 定子绕组轴线正向与该绕组磁链正向一致 • 转子的位置用d轴与定子a轴的夹角α表示
4. 定子绕组和转子绕组间的互感系数
Laf Lfa m af cos L bf Lfb m af cos( 120 o ) Lcf Lfc m af cos( 120 o ) LaD L Da maD cos
L bD L Db maD cos( 120 o ) LcD L Dc maD cos( 120 o )
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
3.1 基本前提
转子各绕组电流 的正方向
转子旋转的正方 向：逆时针
各相绕组轴线的 正方向
各绕组轴线正方向就是该相绕组磁链的正方向。
对本绕组产生正向磁链的电流为该绕组的正电流，定子电流正方向为末进首 出各相感应电动势的正方向与电流相同。
3.1 基本前提
三、参考方向的选取
1.定子电量参考方向的选取
ia
绕组a的自感系数
绕组a与绕 组b之间的 互感系数
Ψa
Ψb
Laa Lba
Lab Lbb
Lac Laf Lbc Lbf
LaD LbD
LaQ LbQ
ia ib
Ψc
Lca Lcb Lcc Lcf LcD LcQ
ic
2
Ψ
f
Lfa
Lfb
Lfc Lff
LfD
LfQifFra bibliotekΨD 同步发电机的基本方程
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 3.6 同步电机的对称稳态运行
3.1 基本前提
符
合
一、理想同步电机
以
上
几点假设：
假
设
1.磁路：忽略饱和、磁滞、涡流等的影响，认为导 条
磁系数为常数。叠加原理。
件
wa wb w
定子a、b相间的互感系数为：
Lab
Lba
ba ia
w2[m
1 4
(ad
aq
)
1 2
(ad
aq ) cos2(
30 )]
[m0 m2cos（2 30）]
m0
w 2[m
同步发电机的基本方程
P 1 S P ψ dq0
d sin dt d 2 cos dt 3 0
2 3 0 3 d 2 dt 0
sin( 120 )
d dt d cos( 120 ) dt 0
ib I cos( 120 ) ic I cos( 120 )
id I cos( ) iq I sin( )
图2-7 通用电流相量在两种坐标系统上的投影关系
由两种不同的投影可得他们之间的关系
2 i d [i a cos ib cos( 120 ) ic cos( 120 ) 3 2 i q [i a sin ib sin( 120 ) ic sin( 120 ) 3
id iq i 0 cos( 120 ) cos( 120 ) cos 2 sin sin( 120 ) sin( 120 ) 3 1 1 1 2 2 2 ia ib ic
2-2 同步发电机的原始方程
正方向的规定： (1) 绕组轴线的正方 向作为磁链的正方向. (2)定子绕组产生的磁 链方向与轴线方向相 反时的电流为正值. (3)转子绕组产生的磁 链方向与轴线方向相 同时的电流为正值. （4）电压的正方向 如图2－2示。 图2-1 同步发电机各绕组轴线正方向示意图
图2-2
R i v abc ψ abc S abc
左乘P
R i v dq0 Pψ abc S dq 0
由于Ψdq0=Pψabc
所以
P ψ Pψ ψ dq 0 abc abc
同步发电机的基本方程
ia ib i c if iD i Q
v abc abc rs 0 i abc v fDQ 0 rR i fDQ fDQ
绪论 事故统计
绪论 短路的类型
三相短路：（symmetrical three-phase fault）
f (3)
两相短路： （line-to-line fault）
f ( 2)
绪论
两相短路接地： （double line-to-ground fault）
f (1,1)
单相短路： （single line-to-ground fault）
磁链方程：
Laa Lba Lca L fa LDa L Qa Lab Lbb Lcb L fb LDb LQb Lac Lbc Lcc L fc LDc LQc Laf Lbf Lcf L ff LDf LQf LaD LbD LcD L fD LDD LQD
绪论
电磁暂态过程：与短路、断线等故障有关，涉 及工频电流、电压幅值随时间的变化，持续时 间较波过程长(ms～s)――故障分析
绪论
机电暂态过程：与系统振荡、稳定性破坏、 异步运行等有关，涉及发电机组功率角、转 速、系统频率、电压等随时间的变化，过程 持续时间较长(s～m) ――稳定分析
起振Biblioteka 拉入 同步电力系统电磁暂态分析
SDUST
绪论 课程内容
电力系统稳态分析
电磁暂态（故障分析）
电力系统暂态分析
机电暂态（稳定分析）
绪论 电力系统稳态分析：
电力系统的基本概念 电网元件的参数及等值电路 电力系统潮流计算 有功功率与频率调整 无功功率与电压调整
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第三章
同步发电机的基本方程
3-1 基本前提
3.1 基础假设
•电机铁心的导磁系数为常数；
•电机定子三相绕组结构对称，磁轴空间相
差120o；
•电机转子在结构上对纵轴和横轴对称；
•转子绕组的磁动势在定子绕组所感应的空载电动势是时间的正弦函数；
•电机定、转子表面光滑。
3.1 正方向的规定
•定子绕组：
磁链正方向：各轴线正方向；
电流正方向：产生正向磁连
的电流；
•转子绕组：
横轴落后于纵轴。
同步机磁路结构图
3.1 正方向的规定
同步机电路结构图•定子绕组：
–三相电流的正方向：流出绕组为正；
•转子绕组：
–励磁电流的正方向：从励磁电源流出为正。
3-2 同步发电机的原始方程
3.2.3 同步发电机原始方程的电感系数
•定子各绕组的自感系数：
的变化规律
自感L
aa
⇓
定子绕组的自感系数是以Π
为周期是时变的。
3.2.3 同步发电机原始方程的电感系数•定子绕组间的互感系数：
⇓
定子绕组的互感系数是以Π
为周期是时变的。
互感L ab 的变化规律
3.2.3 同步发电机原始方程的电感系数
•转子绕组间的自感系数：
由于定子是个空心的圆柱，转子绕组电流产生的磁通，其磁路的磁导总是不变的。
因此，转子各绕组的自感系数L
ff 、L
DD
和L
QQ
都是常数。
3.2.3 同步发电机原始方程的电感系数
•转子绕组间的互感系数：
由于定子是个空心的圆柱，且转子绕组间的相互位置固定不变，从而转子绕组电流产生的磁通，其磁路的磁导总是不变的。
因此，转子各绕组的互感系数都是常数。
3.2.3 同步发电机原始方程的电感系数
•转子绕组间的互感系数：
•d轴绕组间：
励磁绕组f和阻尼绕组D之间的互感系数
L fD =L
fD
=常数。
•d、q轴绕组间：
由于d、q轴绕组相互垂直，因此d、q轴
绕组间的互感系数L
fQ = L
Qf
=L
DQ
=L
QD
=0。
3.2.3 同步发电机原始方程的电感系数•定、转子绕组间的互感系数：
⇓
定、转子绕组间的互感系数是以2
Π为周期是时变的。
互感L af 的变化规律
3-3 d、q、0坐标系的同步机方程
3.3.1 同步发电机原始方程变系数产生的原因
•转子的旋转
•转子的d、q轴不对称
3.3.2 电流相量的分解
•采用双反应理论
把电流相量分解为
和横轴
纵轴分量i
d
分量i。
q
3.3.2 电流相量的分解
综合电流相量I 可分别表示为：
cos()sin()d q i I i I αθαθ=−⎧⎪⎨=−⎪⎩
(,)(,)
I a a d θα∧
∧==cos cos(120)cos(120)
a b c i I i I i I θθθ=⎧⎪=−⎨⎪=+⎩
3.3.4 Park变换
Park变换的特点有：
•将d、q、0坐标系下的直流变换成a、b、c坐标系下的对称基频交流；
•将d、q、0坐标系下的基频交流变换成a、b、c 坐标系下的直流和倍频电流。
3.3.5 dq0坐标系下的电势方程有：
000d q d d q d q q v ri v ri v ri ψωψψωψψ⎧=−−−⎪
⎪⎪
=−−−⎨⎪⎪=−−⎪⎩
i
i i
3-4 同步电机的对称稳态运行
3.4.1 实用正向
改选转子d
轴的负方向
作为定子电
压（电势）、
电流d轴分量
的正方向。
实用正向
3.4.2 实用正向下同步电机的电势方程
采用实用正向后，同步机的电势方程变为：
00d q d d q d q q f f f f D D D Q Q Q
v ri v ri v r i r i r i
ψψψψψψψ⎧=+−⎪
⎪
=+−⎪⎪⎪
=+⎨⎪⎪=+⎪⎪=+⎪⎩
i
i i i
i
3.4.3 实用正向下同步电机的磁链方程采用实用正向后，同步机的磁链方程变为：
d d d ad f ad D q q q aq Q
d ad d f f ad D d ad d ad f D D q
ad q Q Q
x i x i x i x i x i x i x i x i x i x i x i x i x i ψψψψψ⎧=−++⎪=+⎪⎪=−++⎨⎪=−++⎪⎪=+⎩
3.4.4 同步电机对称稳态运行的电势方程•从而稳态时的电势方程可表示为：
q d
q d q d q V E jx I V jx I ⎧=−⎪⎨⎪=−⎩
i i i
i i 作相应的交流等值电路图如右。
凸级机纵轴
凸级机横轴。