同步电机-同步发电机的基本电磁关系PPT课件

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 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产生的磁动势Ff和磁场 称为励磁磁动势和励磁磁场 同步发电机的基本电磁关系 10 1同步发电机的空载运行 2 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 0 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 f 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 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 0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 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 0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 同步发电机的基本电磁关系 10 1同步发电机的空载运行 6 同步发电机空载特性分析 当主磁通 0较小时 整个磁路处于不饱和状态 绝大部分磁动势消耗于气隙 所以空载特性的下部是一条直线 与空载曲线下部相切的线OG称为气隙线 随着 0的增大 铁心逐渐饱和 空载曲线逐渐变弯 空载特性是同步发电机的基本特性之一 同步发电机的基本电磁关系 10 1同步发电机的空载运行 同步发电机空载特性分析 一般设计的电机 空载电动势等于额定电压的一点在曲线转弯处 电机的饱和因数普通同步电机的k 值一般在1 1 1 25左右 同步发电机的基本电磁关系 10 1同步发电机的空载运行 同步发电机空载特性分析 讨论 空载特性反映了发电机的磁化特性 而磁化特性不管空载或负载都适用 所以从这个意义上看 励磁电动势与励磁电流的关系不仅适用于空载情况 负载情况也是适用的 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 电枢磁动势 同步发电机空载时 电机中只有一个同步旋转的励磁磁动势 带上负载以后 由于电枢绕组有电流通过 就出现第二个磁动势 电枢磁动势 如果绕组对称 三相负载亦对称 电枢磁动势的基波就将为一同步旋转的旋转磁动势 励磁磁动势的基波和电枢磁动势基波二者之和 就构成了负载时的合成磁动势 从而决定了气隙合成磁场 电枢反应 负载时电枢磁动势的基波对主极磁通基波的影响 就称为电枢反应 因此 电枢磁动势又称为电枢反应磁动势 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 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 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 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 基波励磁磁动势及其磁密为一空间矢量 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 如图所示 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 13 电枢磁动势也为空间矢量 它的位置可以这样来确定 即当某相电流达到最大值时 电枢磁动势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 而且转向与转子转向一致 并以同步速旋转 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 15 如图所示 图中A相电流最大 所以刚好转到A相轴线上 电流的规定正方向仍由末端流向首端 2 时间相量 凡是随时间按正弦规律变化的量都可表示为时间相量 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 同步电机的空载电动势 励磁电动势 是时间相量 该相量的相位由转子的位置决定 如转子处于图示位置 当电动势规定正方向与电流规定正方向一致时 A相感电动势为正的最大 所以位于时间轴线上 如图所示 电动势相量的角频率与转子旋转的角速度都是 17 同步电机的电枢电流也是时间相量 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流和空载电动势之间的相位差角 称为内功率因数角 如图所示 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 19 同步电机的空间矢量是指整个电机的量 没有三相之分 而同步电机的时间相量却有三相之分 由于研究电机带三相对称负载运行 所以 为了简便 在今后的相量图中 仅画A相时间相量 而且在相量符号中不加注脚A 其它相的量可根据互差120度画出来 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 3 时空相矢图 由于空间矢量和时间相量旋转的角速度都是 为了分析上的方便 我们可以把空间轴线 A与时间轴线 t重合在一起 这样 空间矢量和时间相量就画在同一张图中 称为时间相量和空间矢量统一图 简称为 时空相矢图 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 22 在时空相矢图上总是落后于以90度 总是与重合 与之间的相位差随着负载的性质不同而改变 而与之间的空间相位差为 因此 二者的相对位置完全取决于 角 所以电枢反应的性质是由 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 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 不同 角时的电枢反应 1 与同相位时的电枢反应 交轴电枢反应 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 图10 7 0时的电枢反应 不同 角时的电枢反应 作用在与相垂直的方向 通常把转子磁极轴线称为直轴或d轴 与它垂直的极间中心线称为交轴或q轴 当 0时 位于交轴上 这种情况称为交轴电枢反应 这种情况的称为交轴电枢反应磁动势 常用表示 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 交轴电枢反应的作用 1 对主磁极而言 交轴电枢反应磁动势在前极端 顺转向看 极靴的前部 起去磁作用 在后极端 顺转向看 极靴的后部 起加磁作用 定子合成磁动势扭斜了角 幅值也有所增加 从而使气隙磁场的大小也有所增加 2 同步电机的电磁转矩和能量转换与交轴电枢反应密切相关 只有具有交轴电枢反应 定子合成磁动势和主磁极之间才会形成一定的角 从而实现机 电能量转换 所以交轴电枢反应是实现机 电能量转换的必要条件 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 同步发电机的基本电磁关系 不同 角时的电枢反应 2 落后90o时的电枢反应 直轴电枢反应 10 2三相同步发电机的电枢反应 同步发电机的基本电磁关系 位于直轴上 这种情况称为直轴电枢反应 这种情况的称为直轴电枢反应磁动势 常用表示 10 2三相同步发电机的电枢反应 直轴电枢反应的作用 1 对主磁场而言 直轴电枢反应磁动势起去磁作用 使得气隙合成磁场减小 2 由于合成磁动势没有扭斜现象 此时直轴电枢反应磁场与励磁磁场正对 相当于N极 S极轴线重合 不会产生切向力 所以不产生电磁转距 因而也不能进行机电能量转换 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 同步发电机的基本电磁关系 不同 角时的电枢反应 3 超前90o时的电枢反应 直轴电枢反应 10 2三相同步发电机的电枢反应 直轴电枢反应的作用 1 对主磁场而言 直轴电枢反应磁动势起加磁作用 使得气隙合成磁场增强 2 由于合成磁动势没有扭斜现象 所以也不会产生电磁转矩 也不能进行机电能量转换 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 4 一般情况下的电枢反应 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 电枢磁动势可以分解成直轴和交轴两个分量 称为直轴电枢反应磁动势 称为交轴电枢反应磁动势 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 若把电流也分解成和两个分量 则 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 其中和同相位 三相电流的q轴分量 即 产生交轴电枢磁动势 落后于 以 三相电流的d轴分量产生直轴电枢反应磁动势 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 交轴电枢反应磁动势使气隙磁场扭斜 而直轴电枢反应磁动势对励磁磁动势起去磁作用 使气隙磁场减小 结论 只有交轴电枢反应的存在 才能实现机械能与电能之间的转换 而直轴电枢反应的存在 将只引起气隙磁场的变化 进而引起电机端电压的变化 同步发电机的基本电磁关系 90o 0o时 交轴电枢反应磁动势使气隙磁场扭斜 而直轴电枢反应磁动势对励磁磁动势起加磁作用 使气隙磁场加强 10 2三相同步发电机的电枢反应 不考虑饱和时的电动势方程式 同步电抗和相量图 电磁关系 同步发电机的基本电磁关系 10 3隐极同步发电机的电动势方程式 同步电抗和相量图 同步发电机的基本电磁关系 10 3隐极同步发电机的电动势方程式 同步电抗和相量图 电枢反应电抗 由于电枢反应电动势Ea正比于电枢反应磁通 a Ea 4 44fwkw1 a 不考虑饱和及定子铁耗时 电枢反应磁通 a又正比于电枢磁动势 电流 即 同步发电机的基本电磁关系 于是 10 3隐极同步发电机的电动势方程式 同步电抗和相量图 在时间相位上 落后于以相角 而与同相 所以落后于以相角 因此可写成负的电抗压降的形式 即 同步发电机的基本电磁关系 10 3隐极同步发电机的电动势方程式 同步电抗和相量图 式中 称为电枢反应电抗 就大小而言 它就是 正比于 的比例常数 因此 就是对称负载下每相电流为1安时所感应的电枢反应电动势 同步发电机的基本电磁关系 10 3隐极同步发电机的电动势方程式 同步电抗和相量图 电枢反应电抗的物理意义 虽然 和都是某一相的物理量 但应理解为三相对称电流系统联合产生的电枢反应磁场所感应于一相中的电动势与相电流的比值 因此它实际上综合反映了三相对称电枢电流所产生的电枢反应磁场对于一相的影响 是一个等效电抗 同步发电机的基本电磁关系 10 3隐极同步发电机的电动势方程式 同步电抗和相量图 漏电抗 漏磁电动势也可写成负的漏抗压降的形式 即 式中 为与漏磁通相对应的漏电抗 同步发电机的基本电磁关系 10 3隐极同步发电机的电动势方程式 同步电抗和相量图 同步电抗 综上分析 不考虑饱和时隐极同步发电机的电动势方程式可写为 称为同步电机的同步电抗 同步发电机的基本电磁关系 式中 它是表征对称稳态运行时电枢反应磁场和电枢漏磁场的一个综合参数 它就是三相对称电枢电流所产生的全部磁通在某一相中所感应的总电动势与相电流之间的比例常数 同步电抗是同步电机的基本参数之一 10 3隐极同步发电机的电动势方程式 同步电抗和相量图 气隙电动势 不计饱和时 把主磁通和电枢反应磁通感应的电动势相加 即得气隙电动势 用表示 同步发电机的基本电磁关系 10 3隐极同步发电机的电动势方程式 同步电抗和相量图 相量图 感性负载下隐极同步发电机的相量图 同步发电机的基本电磁关系 10 3隐极同步发电机的电动势方程式 同步电抗和相量图 等效电路 隐极同步发电机的等效电路 同步发电机的基本电磁关系 10 3隐极同步发电机的电动势方程式 同步电抗和相量图 电压调整率 所谓电压调整率 就是指当励磁电流保持不变 发电机从满载和额定电压下逐渐甩去全部负载 电压变化的百分数 即 式中 E0为对应于额定负载和额定电压时得励磁电流下得空载电动势 UN 为额定相电压 同步发电机的基本电磁关系 10 3隐极同步发电机的电动势方程式 同步电抗和相量图 双反应理论 同步发电机在运行过程中 负载是随时调节的 I 随之变化 Fa a随之变化 为了便于引出双反应理论 可以假定I保持不变 但 变化 因而 变化 而Fa大小不变 位置变化 同步发电机的基本电磁关系 10 5凸极同步发电机的双反应理论 双反应理论 对于隐极机 气隙均匀 不管 取何值 也就是不管Fa处于哪一位置 由于气隙均匀 a保持不变 Ea保持不变 xa保持不变 常数 xs保持不变 常数 同步发电机的基本电磁关系 10 5凸极同步发电机的双反应理论 双反应理论 对于凸极机 气隙不均匀 取值不同 也就是Fa处于不同位置 由于气隙不均匀 a变化 Ea变化 xa不是常数 xs不是常数 这将对电机运行分析造成困难 同步发电机的基本电磁关系 10 5凸极同步发电机的双反应理论 双反应理论 同步发电机空载特性曲线中的励磁磁动势处于直轴上 但同步电机的气隙合成磁动势F 不一定处于直轴 同步发电机的基本电磁关系 10 5凸极同步发电机的双反应理论 双反应理论 对于隐极机 气隙均匀 不管 取何值 也就是不管F 处于哪一位置 由于气隙均匀 等效处于直轴位置 可以利用空载特性曲线确定气隙电动势 同步发电机的基本电磁关系 10 5凸极同步发电机的双反应理论 54 双反应理论 对于凸极机 气隙不均匀 若F 不处于直轴位置 则不能简单地利用空载特性曲线确定气隙电动势 基于以上两个原因 凸极机分析远较隐极机复杂 同步发电机的基本电磁关系 10 5凸极同步发电机的双反应理论 双反应理论 直轴电枢磁场 当正弦分布的电枢磁动势作用在直轴上时 因为极弧下的气隙不均匀 则在极中心下 直轴电枢磁场较强 向两边逐渐减弱 而在极间区域由于电枢磁动势较小 气隙又较大 电枢磁场就很弱 如图所示 同步发电机的基本电磁关系 10 5凸极同步发电机的双反应理论 双反应理论 交轴电枢磁场 当正弦分布的电枢磁动势作用在交轴位置时 由于极间区域气隙较大 故交轴电枢磁场比较弱 整个磁场呈马鞍形分布 如图所示 同步发电机的基本电磁关系 10 5凸极同步发电机的双反应理论 双反应理论 由于电枢反应主要指电枢磁动势对主极基波磁场的影响 所以在图中 同时画出了直轴和交轴电枢磁场的基波 不难看出 若同样大小的电枢磁动势 则直轴电枢磁场基波的幅值Bad1将比交轴电枢磁场基波幅值Baq1大 同步发电机的基本电磁关系 10 5凸极同步发电机的双反应理论 当电枢磁动势恰好作用于直轴或交轴位置时 电枢磁场波形是对称的 电枢反应就不难确定 但在一般情况下 是任一角度 此时电枢磁场分布是不对称的 如图所示 其形状和大小取决于Fa和 两个因素 而且无法用解析公式表达 因此就难于直接确定电枢反应的大小 为了解决这一困难 提出了双反应理论 双反应理论 同步发电机的基本电磁关系 10 5凸极同步发电机的双反应理论 60 当电枢磁动势的轴线既不和直轴又不和交轴重合时 可以把电枢磁动势分解成直轴分量和交轴分量 如图所示 然后分别分析直轴和交轴电枢磁动势的电枢反应 最后再把它们的的效果迭加起来 这种考虑到凸极电机中气隙的不均匀性 把电枢反应分为直轴和交轴电枢反应的处理方法 叫做双反应理论 讨论 不计饱和时 采用双反应理论来分析凸极电机 结果相当理想 双反应理论 同步发电机的基本电磁关系 10 5凸极同步发电机的双反应理论 凸极同步发电机励磁磁场的分布 矩形波 为了适应通常的空载特性 需要将电枢磁动势换算为励磁磁动势 直轴和交轴电枢磁动势的折算 同步发电机的基本电磁关系 10 5凸极同步发电机的双反应理论 直轴和交轴电枢磁动势的折算 kad的意义为 产生同样大小的基波磁场时 单位安匝的直轴电枢磁动势相当于多少励磁磁动势 把直轴电枢磁动势Fad乘以系数kad 就可以得到折算至励磁绕组的等效励磁磁动势 矩形波 基波 正弦波 同步发电机的基本电磁关系 10 5凸极同步发电机的双反应理论 直轴和交轴电枢磁动势的折算 矩形波 基波 正弦波 同步发电机的基本电磁关系 10 5凸极同步发电机的双反应理论 不考虑饱和时的相量图 同步发电机的基本电磁关系 10 5凸极同步发电机的电动势方程式 同步电抗和相量图 和隐极电机相似 不计饱和时 即直轴电枢反应电动势Ead正比于直轴电流Id 交轴电枢反应电动势Eaq正比于交轴电流Iq 从相位上来看和又分别滞后于和以相角 因此直轴和交轴电枢反应电动势可用相应的负电抗压降表示 同步发电机的基本电磁关系 10 5凸极同步发电机的电动势方程式 同步电抗和相量图 式中xad xaq分别称为直轴电枢反应电抗 交轴电枢反应电抗 表征当对称的三相直轴或交轴电枢电流每相为1安时 三相联合产生的基波电枢反应磁场在每一相绕组中感应的直轴或交轴电枢反应电动势 同步发电机的基本电磁关系 10 5凸极同步发电机的电动势方程式 同步电抗和相量图 w为定子每相串联匝数 ad和 aq分别为直轴和交轴电枢反应磁通所经磁路的磁导 其磁路如图所示 由于直轴电枢反应磁通所经磁路的气隙小 磁导大 交轴电枢反应磁通所经磁路的气隙大 磁导小 即 同步发电机的基本电磁关系 10 5凸极同步发电机的电动势方程式 同步电抗和相量图 69 70 对于隐极电机 气隙均匀 同步发电机的基本电磁关系 10 5凸极同步发电机的电动势方程式 同步电抗和相量图 凸极同步发电机的电动势方程式 同步发电机的基本电磁关系 10 5凸极同步发电机的电动势方程式 同步电抗和相量图 分别称为凸极同步电机的直轴同步电抗和交轴同步电抗 其物理意义为当对称三相直轴或交轴电枢电流每相为1安时 三相联合产生的电枢总磁场在电枢每一相绕组中感应的电动势 同步发电机的基本电磁关系 10 5凸极同步发电机的电动势方程式 同步电抗和相量图 讨论 1 由于xad xaq 所以xd xq 2 对于隐极电机 由于xad xaq xa 所以xd xq xs 同步发电机的基本电磁关系 10 5凸极同步发电机的电动势方程式 同步电抗和相量图 不考虑饱和时的相量图 同步发电机的基本电磁关系 10 5凸极同步发电机的电动势方程式 同步电抗和相量图 已知U I cos 及电机参数 同步发电机的基本电磁关系 10 5凸极同步发电机的电动势方程式 同步电抗和相量图 讨论 实际上并不存在电动势 但由于它与同相位 在数值上又接近 因此可以近似代替 已知U I cos 及电机参数 相量图作法 同步发电机的基本电磁关系 10 5凸极同步发电机的电动势方程式 同步电抗和相量图 空载特性 空载特性 n n1 I 0时 E0 U0 f if 测取方法 在电枢空载 开路 的情况下 用原动机把发电机转子拖到同步速 然后调节励磁电流 使空载电枢电压达到额定值的1 3倍左右 然后单方向逐步减少励磁电流并记录不同励磁电流下对应的电枢端电压 同步发电机的基本电磁关系 10 6从空载特性 短路特性求同步电抗的不饱和值和短路比 空载特性 绘制空载曲线时 既可以采用励磁电流和端电压的实际值 亦可以采用其标么值 如果采用标么值 则电枢电压应以额定电压作为基值 励磁电流通常以空载产生额定电压时的励磁电流作为基值 同步发电机的基本电磁关系 10 6从空载特性 短路特性求同步电抗的不饱和值和短路比 80 空载特性 同步发电机的基本电磁关系 10 6从空载特性 短路特性求同步电抗的不饱和值和短路比 空载特性是发电机的基本特性之一 空载特性一方面表征了电机磁路的饱和情况 另一方面把它和短路特性等其它特性配合在一起 还可以确定同步电机的基本参数 短路特性 表示电机在同步转速下 电枢端点三相短路时 电枢电流 短路电流 与励磁电流的关系 即 n n1 U 0时 Ik f if 同步发电机的基本电磁关系 10 6从空载特性 短路特性求同步电抗的不饱和值和短路比 通过三相稳态短路试验测取 发电机的转速保持为同步速 调节励磁电流 使电枢电流约为1 2倍额定值 同时量取电枢电流和励磁电流 然后逐渐减小励磁电流 使励磁电流降低到零为止 83 短路特性是一条直线 为什么 短路特性 以隐极电机为例 同步发电机的基本电磁关系 10 6从空载特性 短路特性求同步电抗的不饱和值和短路比 85 86 87 利用空载特性和短路特性求同步电抗的不饱和值 同步发电机的基本电磁关系 10 6从空载特性 短路特性求同步电抗的不饱和值和短路比 式中E0是在短路电流为Ik时之励磁电流所对应的空载电动势 考虑到短路时电机磁路处于不饱和状态 所以E0应该从气隙线上查出 相应地 由此确定的xs值是不饱和值 利用空载特性和短路特性求同步电抗的不饱和值 同步发电机的基本电磁关系 10 6从空载特性 短路特性求同步电抗的不饱和值和短路比 1 E0和Ik是电枢的相电动势和相电流 如果空载曲线的纵坐标采用线电压 短路曲线的纵坐标采用线电流 则应算出相应的相值 再进行计算 如果空载特性 短路特性均采用标么值 则相 线之间不需换算 计算的xs即为标么值 利用空载特性和短路特性求同步电抗的不饱和值 同步发电机的基本电磁关系 10 6从空载特性 短路特性求同步电抗的不饱和值和短路比 2 如果被试电机是凸极电机 由于短路时 90 此时电枢反应为直轴电枢反应 因此求出的同步电抗为直轴同步电抗xd的不饱和值 91 短路比 在相应于空载额定电压的励磁电流下 三相稳态短路时的短路电流与额定电流之比值 同步发电机的基本电磁关系 10 6从空载特性 短路特性求同步电抗的不饱和值和短路比 93 短路比 同步发电机的基本电磁关系 10 6从空载特性 短路特性求同步电抗的不饱和值和短路比 95 讨论 不计饱和时 k 1 同步发电机的基本电磁关系 10 6从空载特性 短路特性求同步电抗的不饱和值和短路比 短路比的数值对电机性能影响很大 短路比小 说明同步电抗大 这时短路电流小 但负载变化时发电机机端电压变化较大 并联运行时稳定性较差 但电机的成本较低 反之 短路比大则电机性能较好 但成本高 因为短路比大表示同步电抗小 故气隙大 使励磁电流增大 转子用铜量增大 所以短路比的选择要合理地统筹兼顾运行性能和电机造价这两方面地要求 汽轮发电机的Kc 0 47 0 63 水轮发电机的Kc 1 0 1 4 水轮发电机的短路比较大是由于水轮发电机为凸极结构 气隙大之故 零功率因数负载特性 同步发电机带纯感性负载 cos 0 转速保持同步速 并保持负载电流I I IN 不变 求取发电机端电压与励磁电流之间的关系 即 同步发电机的基本电磁关系 10 7同步发电机的零功率因数负载特性及保梯电抗的测定 零功率因数负载特性 试验方法 电枢接一个可调节三相纯感性负载 将同步发电机拖动至同步转速 然后调节励磁电流和电枢的大小 使电枢电流始终保持为常值 I IN 记录不同励磁电流下发电机的电压 即可得到零功率因数曲线 如图所示 同步发电机的基本电磁关系 10 7同步发电机的零功率因数负载特性及保梯电抗的测定 99 零功率因数特性在空载特性的右侧 其形状与空载特性相似 这表明两条曲线之间具有某种联系 为什么 100 101 102 同步发电机的基本电磁关系 零功率因数特性和空载特性之间相差一个直角三角形AEF 该三角形称为同步电机的特性三角形或保梯三角形 特性三角形的一条直角边 铅垂边 是定子漏抗压降Ix 另一条直角边 水平边 是电枢反应磁动势的等效励磁电流ifa 测取零功率因数特性时 电流I保持不变 可见Ix 和ifa不变 即特性三角形的大小不变 因此只要把特性三角形的底边保持水平位置而使其顶点E沿空载特性上移动 则其右边顶点的轨迹即为零功率因数特性 当特性三角形移到其水平边与横坐标重合时 可得K点 该点的端电压U 0 故实质上即为短路点 10 7同步发电机的零功率因数负载特性及保梯电抗的测定 104 由零功率因数负载特性和空载特性确定定子漏抗和电枢反应磁动势 同步发电机的基本电磁关系 在零功率因数特性上取两点 额定电压点 U UN I IN 另一点为短路点K U 0 I IN 10 7同步发电机的零功率因数负载特性及保梯电抗的测定 106 AEF特性三角形 研究表明 由于零功率因数负载时转子的漏磁比空载时大 零功率因数特性和空载特性所确定的漏抗将比实际的定子漏抗稍大 一般把由零功率因数特性和空载特性确定的漏抗称为保梯电抗 以xp表示 对一般的电机来说 试验和作图求取的零功率因数特性的差别是不大的 在隐极电机中 因为极间漏磁通较小 故xp x 而凸极电机中 则xp 1 1 1 3 x 同步发电机的基本电磁关系 10 7同步发电机的零功率因数负载特性及保梯电抗的测定 为了求电枢反应磁动势和定子漏抗 只要已知空载特性和零功率因数特性上的K和F两点就可以了 K点可以通过短路特性找出 零功率因数持性实验只需做一点F即可 同步发电机的基本电磁关系 10 7同步发电机的零功率因数负载特性及保梯电抗的测定 外特性 发电机的转速保持同步转速 励磁电流 负载功率因数保持不变 发电机的端电压和负载电流的关系 即 同步发电机的基本电磁关系 10 7同步发电机的外特性和调整特性 110 根据外特性可以求出发电机的电压调整率 调节发电机的励磁 使额定负载时发电机的端电压为额定电压 此励磁电流就称为额定励磁电流 然后保持励磁和转速不变 卸去负载 此时端电压变化的标么值 就称为同步发电机的电压调整率 如图所示 同步发电机的基本电磁关系 10 7同步发电机的外特性和调整特性 112 调整特性 当发电机的负载发生变化时 为了保持端电压不变 必须同时调节发电机的励磁电流 当发电机的转速保持为同步速 发电机的端电压和负载功率因数不变时 负载电流变化时励磁电流的调整曲线 就称为发电机的调整特性 即 同步发电机的基本电磁关系 10 7同步发电机的外特性和调整特性 114 调整特性 在感性和纯电阻负载时 为克服负载电流所产生的去磁电枢反应和阻抗压降 以保持端电压为一常数 随着负载的增加 励磁电流必须相应地增大 因此 这两种情况下的调整特性是上升的 反之 在容性负载时 调整特性也可能是下降的 同步发电机的基本电磁关系 10 7同步发电机的外特性和调整特性 并联运行的必要性 电能的供应可以相互调剂 合理使用 从而更合理地利用动力资源和发电设备 提高供电可靠性 供电质量提高 由于系统容量很大 电网的电压和频率基本保持恒定 同步发电机的并联运行 11 1概述 并联运行的必要性 系统愈大 负载愈趋均匀 不同性质的负载 相互补偿 联成电力系统 可以使发电厂的布局更加合理 同步发电机的并联运行 11 1概述 无限大电网 无限大电网 现代电网的电压和频率可以看作是不变的 即U 常数 f 常数 称为无限大电网 所以无限大电网实际上相当于一个内阻抗等于零的恒频 恒压电源 同步发电机的并联运行 11 1概述 研究并联运行时所用的规定正方向 同步发电机的并联运行 11 1概述 并联投入条件 为了避免并联合闸时引起电流 功率以及由此引起的发电机内部的机械应力的冲击 将要投入电网的发电机应满足下列条件 1 发电机的电压幅值等于电网电压幅值 而且波形一致 2 投入时 发电机的电压相位与电网电压相位一致 3 发电机的频率等于电网的频率 4 发电机的相序必须与电网相序一致 同步发电机的并联运行 11 2同步发电机并联投入的条件和方法 不满足并联条件投入的后果 频率相等 相序一致 但发电机电压和电网电压不相等 由于发电机和电网之间存在着电位差 故在并联投入时 发电机和电网之间将出现环流 同步发电机的并联运行 11 2同步发电机并联投入的条件和方法 122 不满足并联投入条件的后果 电压相等 相序一致 但发电机频率和电网频率不相等 同步发电机的并联运行 11 2同步发电机并联投入的条件和方法 发电机电压相量和电网电压相量之间存在相对运动 设fG fS 并把电网电压相量看成相对静止的 则发电机的电压相量将以wG wS的相对速度向前旋转 此时 发电机和电网之间将出现一个大小和相位均不断变化的电位差 并联投入时将在发电机和电网内产生环流 124 不满足并联投入条件的后果 电压相等 频率相等 但发电机三相电压和电网三相电压相序不同 绝对不允许投入 因为即使某相满足前面三个条件 但其它两相由于相序不同而使电压相位相差120度 它将引起冲击环流 危害电机的安全运行 同步发电机的并联运行 11 2同步发电机并联投入的条件和方法 并联投入方法 整步过程 把发电机投入到电网所进行的操作过程称为整步过程 或称并车 整步方法 准整步和自整步 同步发电机的并联运行 11 2同步发电机并联投入的条件和方法 并联投入方法 准整步 把发电机调整到完全合乎并联投入条件 然后投入电网 这种方法叫准整步 自整步 首先校验发电机的相序 并按照规定的转向 和定子旋转磁场的转向一致 把发电机拖动到接近同步速旋转 把励磁绕组通过一限流电阻短路 不加励磁 然后把发电机投入电网 并立即加上励磁 依靠定 转子间形成的电磁力矩 把转子自动地拉入同步 同步发电机的并联运行 11 2同步发电机并联投入的条件和方法 并联投入方法 1 进行自整步操作时要注意 发电机投入电网时 励磁绕组不应开路 否则励磁绕组中将感生危险高压 励磁绕组也不直接短路 否则合闸时定子电流会有很大冲击 通常的做法是把灭磁电阻接入闭合的励磁回路作为限流电阻 2 自整步法主要缺点是投网时冲击电流稍大 同步发电机的并联运行 11 2同步发电机并联投入的条件和方法 并联投入方法 为判断发电机是否满足并联投入条件 常常采用同步指示器 最简单的同步指示器由三组同步指示灯组成 同步指示器有两种接法 一种是暗灯法 另一种叫旋转灯光法 同步发电机的并联运行 11 2同步发电机并联投入的条件和方法 并联投入方法 1 暗灯法 在并联刀闸的对应端接上三组灯泡 如图所示 每一组灯泡称为相灯 由于相灯两端电压最大可达两倍相电压 因此 对于相电压为220伏的发电机 应用两个220伏的灯泡串联作为一组相灯 如果发电机和电网电压较高 必须用电压互感器降压后再接相灯 而且发电机和电网的电压互感器必须有相同的联结组别 同步发电机的并联运行 11 2同步发电机并联投入的条件和方法 131 并联投入方法 设发电机的相序和电网的相同 电压也相同 但 则发电机和电网这两组电压相量之间就有相对运动 由于三相同步指示灯分别接在AS AG BS BG CS CG之间 故三组相灯上的电压同时发生变化 于是三组灯将同时亮 同时灭 亮灭的快慢决定于 调节发电机的转速 直到三组灯亮 灭变化很慢时 就表示 当三组灯同时熄灭 AS AG间电压表读数为零时 就表示发电机已经满足了并联投入条件 此时就可合闸 同步发电机的并联运行 11 2同步发电机并联投入的条件和方法 133 134 135 并联投入方法 如果发电机的相序定错了 就会发生把发电机C相接到电网B相 发电机B相接到电网C相的错误 同步发电机的并联运行 11 2同步发电机并联投入的条件和方法 137 138 139 140 并联投入方法 这时 灯光亮暗呈旋转现象 因此 遇到按暗灯法接线 而灯光出现旋转现象时 说明相序接错 绝对禁止把发电机投入电网 必须把发电机接在并联开关的任意两根线互相对调一下 然后重新整步 才能合闸 同步发电机的并联运行 11 2同步发电机并联投入的条件和方法 并联投入方法 2 灯光旋转法 同步发电机的并联运行 11 2同步发电机并联投入的条件和方法 143 144 145 146 并联投入方法 2 灯光旋转法 同步发电机的并联运行 11 2同步发电机并联投入的条件和方法 若相序正确 则会出现灯光旋转现象 调节发电机电压 使UG US 调节发电机转速 使灯光旋转缓慢 说明wG已接近于wS 等到不交叉的相灯 即相灯1熄灭时 说明电压相等而且同相位 即可把发电机投入电网 并联投入方法 若按灯光旋转法接线 而发现灯光同时亮 同时灭 则说明相序接错 需要改变发电机的相序 才能进行整步投入 同步发电机的并联运行 11 2同步发电机并联投入的条件和方法 并联投入方法 现代发电厂通常装有更精密 便于观察的同步指示器或相应的自动化装置 以减少并联投入时发生误操作 自动准同期装置 准同步法优点是合闸时没有冲击电流 缺点是操作较复杂 尤其当电网发生故障时 电网电压和频率时刻都在变化 采用准整步法就很难投入 为了把发电机迅速投入电网 可采用自整步法 同步发电机的并联运行 11 2同步发电机并联投入的条件和方法 功率平衡方程式 发电机对称稳态运行时 原动机输入到发电机的机械功率为P1 扣除发电机的机械损耗pm 铁耗pfe和附加损耗pad后 通过电磁感应和定 转子磁场的相互作用 机械能就转换为电能 这部分转换的功率称为电磁功率PM 用方程式表示为 同步发电机的并联运行 11 3同步发电机的功率和转矩平衡方程式 功率平衡方程式 电磁功率PM是从转子方面通过气隙合成磁场传递到定子的功率 发电机带负载时 定子电流通过电枢绕组还要损失一部分功率 即电枢铜耗pcua mI2ra 余下的才为输出功率P2 即 同步发电机的并联运行 11 3同步发电机的功率和转矩平衡方程式 转子 励磁 铜耗没有列入上列功率方程式 这是由于励磁铜耗由另外的直流电源供给 152 153 转矩方程式 式中 T1为原动机驱动转矩 T0为发电机空载转矩 TM为发电机电磁转矩 同步发电机的并联运行 11 3同步发电机的功率和转矩平衡方程式 功角特性 指同步电机接在电网上对称稳态运行时 电机的电磁功率与功率角之间的关系 功角特性是同步电机并网运行的基本特性之一 通过功角特性 可以确定稳态运行时发电机所能发出的最大电磁功率 还可以用它来分析静态稳定等问题 功率角 指励磁电动势和电网电压这两个相量之间的夹角 用表示 同步发电机的并联运行 11 4同步发电机的功角特性 隐极式同步发电机的功角特性 即 在恒定励磁和恒定电网电压 即E0 常数 U 常数 时 电磁功率取决于功率角 PM f 关系称为同步发电机的功角特性 同步发电机的并联运行 11 4同步发电机的功角特性 157 1 若功角特性两边同除以同步机械角速度 1 则得 因此适当改变比例尺 功角特性也可表示为TM f 的关系曲线 2 不同的励磁电流产生不同的励磁电动势E0 因此可以得到不同的功角特性 同步发电机的并联运行 11 4同步发电机的功角特性 159 3 若用标么值表示 则 同步发电机的并联运行 11 4同步发电机的功角特性 凸极式同步发电机的功角特性 称为基本电磁功率 称为附加电磁功率 同步发电机的并联运行 11 4同步发电机的功角特性 162 凸极式同步发电机的功角特性 1 对于隐极机 xd xq xs 因此附加电磁功率为零 2 对于凸极机 由于xd xq 所以附加电磁功率将不为零 附加电磁功率是由凸极效应即直轴和交轴磁阻不相等所引起的 所以又称为凸极电磁功率或磁阻功率 同步发电机的并联运行 11 4同步发电机的功角特性 凸极式同步发电机的功角特性 3 附加电磁功率只与电网电压U有关 而与E0的大小无关 即使E0 0 即转子没有励磁 只要U 0 就会产生附加电磁功率 计及附加电磁功率时 凸极机的最大电磁功率将比具有同样E0 U和xd的隐极机略大 且 90 时 电磁功率就达到最大值 同步发电机的并联运行 11 4同步发电机的功角特性 165 166 凸极式同步发电机的功角特性 同步发电机的并联运行 11 4同步发电机的功角特性 1 将凸极同步电动机的功角特性两边同除以同步机械角速度 则得 为基本电磁转矩 为附加电磁转矩或凸极电磁转矩 凸极式同步发电机的功角特性 同步发电机的并联运行 11 4同步发电机的功角特性 2 凸极同步发电机的功角特性 无功功率 凸极式同步发电机的功角特性 同步发电机的并联运行 11 4同步发电机的功角特性 2 隐极同步电动机的功角特性 无功功率 凸极式同步发电机的功角特性 同步发电机的并联运行 11 4同步发电机的功角特性 171 功率角 的物理意义 1 功率角是和之间的时间相位差角 对发电机而言 角是励磁电动势超前于端电压的时间角 同步发电机的并联运行 11 4同步发电机的功角特性 功率角 的物理意义 2 由于励磁电动势是主磁场感应产生的 电枢端电压可认为由一电枢等效合成磁场感应产生 所以可以近似地赋予功率角 以空间意义 主磁场与电枢等效合成磁场之间的空间角 若用一等效磁极表示电枢等效合成磁场 则功率角也可看作是转子磁极轴线与电枢等效合成磁极轴线之间的空间角 同步发电机的并联运行 11 4同步发电机的功角特性 174 功率角 实际上反映了定子合成磁场扭斜的角度 它愈大 产生的电磁功率和电磁转矩也愈大 而形成 角的原因是由于有交轴电枢反应磁动势Faq 或Iq 存在 所以 交轴电枢反应磁动势是产生电磁转矩 进行机电能量转换的必要条件 功率角 的物理意义 同步发电机的并联运行 11 4同步发电机的功角特性 以隐极电机为例 饱和影响和电枢电阻略去不计 由于把电网看作无限大电网 所以U 常值 且f 常值 同步发电机的并联运行 11 5同步发电机与无限大电网并联运行时有功功率的调节和静态稳定 有功功率的调节 当发电机不输出有功功率时 由原动机输入的功率恰好补偿各种损耗 没有多余的部分可以转化为电磁功率 忽略定子铜耗 因此 0 PM 0 此时 虽然E0 U 且有电流输出 但它是无功电流 同步发电机的并联运行 11 5同步发电机与无限大电网并联运行时有功功率的调节和静态稳定 178 有功功率的调节 如果增加来自原动机输入功率P1 也就是增大输入转矩T1 使T1 T0 空载转矩 这时便出现了剩余转矩T1 T0作用在机组转轴上 转子加速 转子主磁场和d轴便开始超前于定子等效合成磁场 受电网频率不变的限制 其转速保持同步速 相应地 励磁电动势相量超前于端电压相量一个相角 于是 0 PM 0 发电机开始向外输出有功电流 同时出现与电磁功率相对应的制动电磁转矩TM 当 增加至某一数值使TM T1 T0 转子回到同步速 发电机就在 角下稳定运行 同步发电机的并联运行 11 5同步发电机与无限大电网并联运行时有功功率的调节和静态稳定 180 有功功率的调节 同步发电机的并联运行 11 5同步发电机与无限大电网并联运行时有功功率的调节和静态稳定 1 对于一台并联在无限大电网上的同步发电机 要想增加发电机的输出功率 就必须增加来自原动机的输入功率 而随着输出功率的增大 当励磁不作调节时 电机的功率角就必须增大 在调节有功过程中 转子的瞬时速度虽然稍有变化 但最后发电机的转速仍将保持为同步速不变 有功功率的调节 同步发电机的并联运行 11 5同步发电机与无限大电网并联运行时有功功率的调节和静态稳定 2 不能无限制地增加来自原动机的输入功率以增大发电机的电磁功率 对于隐极发电机 当功率角 达到90 时 电磁功率将达到最大值PMmax 它称为同步发电机的功率极限 如果再增加来自原动机的输入功率 则无法建立新的平衡 电机转速将连续上升而导致失步 有功功率的调节 同步发电机的并联运行 11 5同步发电机与无限大电网并联运行时有功功率的调节和静态稳定 在电网或原动机方面偶然发生一些微小扰动时 当扰动的原因消失以后 发电机能否回到原先的状态继续运行 这个问题称为同步发电机的静态稳定问题 如果能回到原先的状态 发电机就是 静态稳定 的 反之 就是不稳定的 静态稳定 同步发电机的并联运行 11 5同步发电机与无限大电网并联运行时有功功率的调节和静态稳定 185 设发电机原先运行在A点 功率角为 a 忽略空载转矩T0 则T1 TM并以同步速稳定运行 A点稳定 B点不稳定 静态稳定条件 以 角表示 对于隐极同步发电机 运行在0 90 范围内 发电机是静态稳定的 运行在90 180 范围内 发电机是静态不稳定的 当 90 时 是静态稳定和不稳定的转折点 称为静态稳定极限 静态稳定 同步发电机的并联运行 11 5同步发电机与无限大电网并联运行时有功功率的调节和静态稳定 187 设发电机原先运行在A点 功率角为 a 忽略空载转矩T0 则T1 TM并以同步速稳定运行 A点稳定 B点不稳定 对于凸极同步发电机 由功角特性 发电机运行在0 m范围内 发电机是静态稳定的 在 m 180 范围内 发电机是不稳定的 它的静态稳定极限小于90 静态稳定 同步发电机的并联运行 11 5同步发电机与无限大电网并联运行时有功功率的调节和静态稳定 静态稳定条件 以微分形式表示 发电机是否稳定取决于 由于外界的扰动使发电机的功角变化时 电磁转矩的增量是大于零还是小于零 若用微分形式表示是否静态稳定 则可用当功率角 增加一个d 时 如果电磁转矩也增加一个dTM 当功率角减小一个d 时 电磁转矩也减小一个dTM 则运行是稳定的 静态稳定 同步发电机的并联运行 11 5同步发电机与无限大电网并联运行时有功功率的调节和静态稳定 则同步发电机是静态稳定的 则同步发电机是静态不稳定的 为静态稳定极限 此时发电机保持静态稳定的能力为零 静态稳定 同步发电机的并联运行 11 5同步发电机与无限大电网并联运行时有功功率的调节和静态稳定 dTM d 愈大 保持静态稳定的能力 保持同步的能力 愈强 也就是说 稳定性愈高 一般把dTM d 称为同步电机的同步转矩系数 隐极电机 凸极电机 静态稳定 同步发电机的并联运行 11 5同步发电机与无限大电网并联运行时有功功率的调节和静态稳定 192 dTM d 的正 负标志同步机是否稳定运行 而dTM d 的大小 标志同步机稳定运行的能力 静态稳定 同步发电机的并联运行 11 5同步发电机与无限大电网并联运行时有功功率的调节和静态稳定 1 隐极汽轮发电机的额定运行点一般设计在 30 40 范围内 以保证一定大小的同步转矩系数 即电机具备一定的稳定能力 2 凸极发电机的静态稳定极限处于 m 90 的功率角上 一般设计的凸极同步发电机 额定运行点在 20 30 的范围内 过载能力 最大电磁转矩 或最大电磁功率 与额定电磁转矩 或额定电磁功率 之比 称为过载能力 用km表示 对于隐极电机 隐极电机的过载能力km 1 5 2左右 静态稳定 同步发电机的并联运行 11 5同步发电机与无限大电网并联运行时有功功率的调节和静态稳定 1 过载能力是表示静态稳定的程度 而不是发电机可以过载的电流倍数 2 要提高静态稳定的程度 即提高过载能力 必然要提高最大电磁功率PMmax mUE0 xs 其中电网电压U是不变的 在一定的励磁电动势E0下 为了提高PMmax 必须减小同步电抗xs 电机成本增加 静态稳定 同步发电机的并联运行 11 5同步发电机与无限大电网并联运行时有功功率的调节和静态稳定 前提 电网容量足够大 即认为电网电压不会改变 频率也不会改变 为一个无限大电网 同步发电机的并联运行 11 6无功功率的调节和V形曲线 发电机空载情况下无功功率的调节 正常励磁 如果发电机是在理想条件下并联合闸到电网上去 合闸后 电枢电流为零 这时的励磁电流称为空载正常励磁 此时 发电机既不发有功功率 也不发无功功率 同步发电机的并联运行 11 6无功功率的调节和V形曲线 发电机空载情况下无功功率的调节 过励 保持原动机输出不变 如果把励磁电流调大 称为 过励 发电机发出落后的无功电流 以产生去磁的电