同步发电机的运行原理概要

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、凸极同步发电机
二、凸极同步发电机


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：
If
Ff
0

E0

I

Id Iq
Fad
Faq


ad
aq


E ad
E aq


U Ira
E

二、凸极同步发电机
三、电枢反应
1、ψ=0° 时的电枢反应
F
Fa ( Faq )
1 d轴
E0
I
Ff
B0 (0 )
时空矢量图
三、电枢反应
1、ψ=0° 时的电枢反应 电枢磁势Fa滞 后励磁磁势Ff 90°，合成磁 势Fδ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。
三、电枢反应
一、空载运行时的主磁通
从图可见，主极 磁通分成主磁通 Φ 0和漏磁通Φ fσ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。
0
f
一、空载运行时的主磁通

空载时： I=0 ，If≠0 , n=nN

空载时发电机内部电磁关系
0 E0 4.44 fNkN 10 I f Ff I f N f f 只增加磁极部分

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，另外两个量之间的函数关系称为运 行特性。

一、空载特性
1.定义： n nN , I 0, E0 f ( I f ) 2.实验接线： 3.步骤：If↑→U0=0～1.25UN↑，注意：只能

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 ψ 。电枢反应的性质可通过时空矢量图 来反映。
三、电枢反应
时空矢量图：含有时间相量和空间向量的矢 量图。 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Φ0与Ff 同方向，空载电势E0滞后 空载磁通Φ0 90°； 定子电流I滞后空载电势E0 的角度为内功 率因数角Ψ； 电枢磁势Fa 与定子电流I同相位。

d轴
I
Iq
Ff
B0 (0 )
Fad Id
时空矢量图
• 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
ψ
Fa
位置
Fa
记作
电枢 反应 性质 交轴 直去 直增
影响
F
U
N(f)
Ψ≈φ 负载 性质 R L C
00 900 -900 0~900
同步发电机内的电磁关系如下：
励磁I f
电枢 I

Ff
0

E0

Fa


a


Ea

U I ra


E jIx
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
单方向调磁；
的相量图如下：
E0 ( Ixt U sin ) (U cos )
2
2
Ixt U sin tan U cos
二、凸极同步发电机
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）
三、电枢反应
3、ψ=-90° 时的电枢反应
F
1
Ff
d轴
B0 (0 )
Fa ( Fad )
I
时空矢量图
E0
三、电枢反应
3、ψ=-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Fδ增大，使发电机的端电压上升。
• 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。
而：
Fad Fa sin Faq Fa cos
对应：
I d I sin I q I cos
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。

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：
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 Φ a，不计磁饱和时，Φ a又正比于电枢磁动 势Fa和电枢电流I，即
°电角度，若 滞后于 Φ 在时间相位上，E 90 a a Φ a 同相位，则 不计定子铁耗, 与 将滞后 E I a ,于是亦可写成负电抗压降 于 90°电角度 I 的形式，即
一、隐极同步发电机

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当磁路不饱和时，采用叠加原理求解，即：
Φδ= Φ0+ Φa ； E δ=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 Fδ=Ff+Fa ，再由Fδ求出Φδ、 Eδ 。
一、隐极同步发电机


现在只讨论磁路不饱和情况。
三、电枢反应
4、 0°<ψ<90° 时的电枢反应
F
1 d轴
Faq
E0
Iq

I
Ff
B0 (0 )
Id
时空矢量图
枢反应，又 有直轴去磁 电枢反应。 • 发电机既输 出有功功率， Fad 又输出无功 功率。
Fa• 既有交轴电
三、电枢反应
5、 -90°<ψ<0° 时的电枢反应
F
1
Fa
Faq
E0
二、凸极同步发电机
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=2.35Ω，忽略电 枢电阻，求额定运行时的E0N和ψN 。 解：发电机定子额定电流
二、凸极同步发电机
发电机定子采用Y接法，其额定相电压
6.3 同步发电机的运行特性
E0 U cos( ) I d xd U cos Ixd sin
tan
Ixq U sin U cos
二、凸极同步发电机
说明： E0、ψ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 Φ IN Φ – 电压基值 Ub = UN Φ – 电流基值 Ib = IN Φ – 阻抗基值 Zb = UNΦ /IN Φ – 励磁电流基值 Ifb = If0 (E0=UN)
三、电枢反应
2、ψ=90° 时的电枢反应
1
Fa ( Fad )
I
E0

B0 (0 )
F
d轴
时空矢量图
Ff
三、电枢反应
2、ψ=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Fδ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。
二、凸极同步发电机
其中： xd —直轴同步电抗，xd xq —交轴同步电抗， x

xad x q xaq x
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：
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，所以

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： xa —电枢反应电抗 x —定子绕组漏电抗 xt xa x —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、发电机短路电流的大小及在大电网中 并列运行的稳定性。
q轴 d轴 d轴
Faq
Fad Fad
波形 不变 下降 畸变 削弱 下降 不变 增强 增大 不变
交、 F F d、q轴 削弱 下降 下降 R、L ad aq 直去
-900~00 d、q轴
Fad Faq 交、 增强 增大 下降 R、C 直增
三、电枢反应
说明：
Fa Fad Faq；对应： I Id Iq

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：