发电厂0082017发电厂及电气部分第6章

第六章同步电机的稳态分析,6.1同步电机的基本结构和运行状态,6.2空载和负载时同步发电机的磁场,6.3隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路,6.4凸极同步发电机的电压方程和相量图,6.5同步发电机的功率方程和转矩方程,6.6同步电机参数的测定,6.7同步发电机的运行特性,6.1同步电机的基本结构和运行状态,普通同步电机与异步电机的根本区别在转子上，同步电机的转子上装有磁极并通入直流电流励磁，故具有确定的极性。同步：当导体经过一对磁极，导体中的感应电势就变化了一个周波，若转子极对数为P，转子旋转一周，导体感应电势就变化了P个周波，设转子转速为n,则感应电势的频率为：f=pn/60,显然，转子的转速与气隙磁场的旋转速度相等，所以称之为同步电机。用途：主要作为发电机；作为电动机一般用在恒速的低速大功率机械中；亦可作同步补偿机，专门用来吸收和输送无功功率。,6.1同步电机的基本结构和运行状态,6.1同步电机的基本结构和运行状态,同步电机,一、同步电机的基本结构,旋转电枢式,旋转磁极式,隐极式（Salient-pole）适于高速旋转，多用于汽轮发电机；,凸极式（Cylindrical-Rotor）适于低、中速旋转，常用于水轮发电机。,凸极式同步发电机：卧式：同步电动机，调相机，由内燃机拖动的发电机，小型的水发；立式：水发，低速，容量大。相对于隐极机的特点：定子极数多，往往采用分数槽绕组，以减小谐波电动势和谐波磁动势；转子装有阻尼绕组，转子振荡时起阻尼作用，对电动机还起启动绕组作用。l/D1/10为防止机组甩负荷时转子转速升高过快，要求水轮机组有较大的飞轮矩GD2。,凸极式同步发电机：立式结构的特点：悬式机组运行稳定，适于高水头电站，但厂房高，投资大；伞式机组厂房低，投资省，适于低速的电站；还有半伞式结构的。,同步电机的主要结构部件有定子、转子、端盖、轴承等。,二、同步电机的运行状态,发电机把机械能转换为电能,电动机把电能转换为机械能,补偿机没有有功功率的转换，只发出或吸收无功功率,同步电机运行状态，主要取决于定子合成磁场与转子主磁场之间的夹角，称为功率角,6.1同步电机的基本结构和运行状态,三、同步电机的励磁方式,6.1同步电机的基本结构和运行状态,励磁系统是指为同步发电机提供可调励磁电流所需设备组成的系统。直流发电机励磁系统（在10MW以下的机组）交流发电机励磁系统：由一台与发电机同轴的交流发电机产生交流电，经整流变成直流电，给发电机转子励磁。又分为静止式交流整流励磁系统和旋转交流整流励磁系统。无励机励磁系统：将来自发电机机端的交流电经变压器降压，再整流变成直流电，作为发电机转子的励磁。,三、同步电机的励磁方式,直流励磁机励磁直流励磁机通常与同步发电机同轴，采用并励或他励接法。如图68所示,整流器励磁,静止式如图6-9a旋转式如图6-9b,6.1同步电机的基本结构和运行状态,无励磁机励磁系统（自并励励磁系统）,自并励励磁系统目前广泛应用于汽轮发电机、水轮发电机中，它具有以下优点：优良的动态控制特性，灵活、快速、可靠；良好的传输特性；简化机组轴系，轴短，运行维护简单；能方便地与不同类型和容量的发电机配用；损耗小。,6.1.3同步电机的冷却方式,空气冷却：50MW以下的汽轮发电机。氢气冷却：防漏、防爆问题。水冷却：泄露、积垢堵塞问题。水氢氢：定子绕组水内冷，转子绕组氢内冷，定、转子铁芯氢外冷双水内冷：定子绕组、转子绕组水内冷，定、转子铁芯空气冷却超导发电机,返回,6.1.4同步电机的额定值,额定电压UN（kV）指额定运行时定子的线电压额定电流IN（A）指额定运行时定子的线电流额定功率因数指额定运行时电机的功率因数额定效率指额定运行时电机的效率,额定频率fN（Hz）指额定运行时电枢的频率额定转速nN（r/min）指额定运行时电机的转速，即为同步转速额定功率PN（MW）指额定运行时电机的输出功率发电机电动机,6.1.4同步电机的额定值,空载运行时，同步电机内仅有由励磁电流所建立的主极磁场。图6l0表示一台四极电机空载时的磁通示意图。从图可见，主极磁通分成主磁通0和漏磁通f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。主磁通所经过的主磁路包括空气隙电枢齿、电枢轭、磁极极身和转子轭等五部分。,6.2空载和负载时同步发电机的磁场,一、空载运行,空载时：I=0，If0,n=nN空载时发电机内部电磁关系,只增加磁极部分的饱和程度,6.2.1空载和负载运行时同步发电机的磁场,6.2空载和负载时同步发电机的磁场,一、空载运行,当转子以同步转速旋转时，主磁场将在气隙中形成一个旋转磁场，在定子绕组内感应出对称三相电动势（激磁电动势）,空载特性是同步电机的一条基本特性。如图611所示,E0=4.44fN1KN10其空载特性曲线E0=f(If)和电机的磁化曲线相似，但还是有一定的区别，电机的磁化曲线与转速无关，只与电机本身有关，而E0=f(If)与转速有关。注意：这里引入了电机磁路的饱和系数。,通常同步发电机的k大约为1.11.25。,空载运行频率、波形要求频率：f=pn1/60波形：用电压波形正弦性畸变率kM和电话谐波因数THF%衡量,THF%=,二、对称负载时的电枢反应,负载运行时，电枢绕组中有电流流过，便会产生电枢基波旋转磁势，其转速应与转子转速恒相等，此磁势对主极基波磁势的影响称为电枢反应。若用Fa表示则气隙合成磁势为：F=Ff1+FaBE,6.2空载和负载时同步发电机的磁场,负载运行时，同步电机内的主磁场由励磁磁动势和电枢磁动势共同建立。,注意与直流电机电枢反应的区别在直流电机中，两个磁场都是静止的（电枢是旋转的，但由于电刷的作用使电枢磁场相对静止），而同步电机中二者只是保持相对静止，本身却是旋转的；此外同步电机特别强调的是基波之间的相互作用，但直流电机分析中无此种限制。,两种磁动势性质比较：,结论：电枢磁动势Fa和励磁磁动势Ff1在空间相对静止。,几个概念内功率因数角：空载电动势E0和电枢电流I之间的夹角，与电机本身参数和负载的大小、性质有关；功率因数角：与负载性质有关；功率角（功角）：E0和U之间的夹角；且有（电感性负载）直轴（d轴）：主磁极轴线（纵轴）；交轴（q轴）：转子相邻磁极轴线间的中心线为交轴（横轴）,电枢反应的性质(增磁、去磁或交磁)取决于电枢磁动势和主磁场在空间的相对位置。分析表明，此相对位置取决于激磁电动势E0和负载电流I之间的相角差0(0称为内功率因数角)。下面分成两种情况来分析。（用时空统一矢量图分析）时空矢量图：含有时间相量和空间向量的矢量图。,与同相时（=0）,a)定子绕组电动势、电流和磁动势的空间矢量图,与同相时,b)时间矢量图,与同相时,c)时-空统一矢量图,在时-空统一矢量图中，称直轴为d轴，交轴为q轴(与时轴、相轴三轴合一）。,与同相时,d)气隙合成磁场与主磁场的相对位置,凸极电机的分析也一样,结论：=0时的电枢反应交轴电枢反应，即交磁作用。电枢磁场与转子励磁绕组相互作用产生的电磁力f1，在转子上产生的电磁转矩与转子的转向相反，对发电机起制动作用。要想维持转速不变，就要相应地增加原动机的输入机械功率。交轴电枢反应实现了机电能量的转换，发电机有有功功率输出。,与不同相时（=90）,a)滞后于时的空间矢量图,与不同相时,b)滞后时的时-空统一矢量图,与不同相时,c)超前时得时-空统一矢量图,返回,2、=90时的电枢反应,凸极电机的分析也一样,=90时的电枢反应结论：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F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。,=-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F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。,4、090时的电枢反应,既有交轴电枢反应，又有直轴去磁电枢反应。发电机既输出有功功率，又输出无功功率。,5、-90Xaq，因此在凸极同步电机中，XdXq。Xq*0.6Xd*对于隐极电机，由于气隙是均匀的，故XdXqXt,例题,返回,二、考虑饱和时1.电磁关系,6.2.4凸极同步发电机负载运行,2.基本方程式,6.2.4凸极同步发电机负载运行,3.饱和时的时空矢量图,6.2.4凸极同步发电机负载运行,4.如何利用空载特性求一些值与隐极机相同，必须折算，由于d、q轴的气隙大小不一样，因此两者的折算系数不同。,6.2.4凸极同步发电机负载运行,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。,6.3同步发电机的运行特性,6.5同步发电机的运行特性,一、运行特性同步发电机的稳态运行特性包括外特性、调整特性、效率特性、空载特性、短路特性和零功率因数负载特性。1、外特性外特性表示发电机的转速为同步转速，且励磁电流和负载功率因数不变时，发电机的端电压与电枢电流之间的关系：即nn1，If=常值，cos=常值时，U=f(I)。图630表示带有不同功率因数的负载时，同步发电机的外特性。,电压变化率：当保持额定运行时的励磁电流IfN和转速nN不变，将发电机的完全甩负荷时，发电机的端电压将由UN变化为空载电动势E0，电压变化的幅度可以用电压变化率来表示U是发电机的性能指标之一，按国家标准规定应不大于50%。,6.3.1同步发电机的运行特性,2、调整特性调整特性表示发电机的转速为同步转速、端电压为额定电压、负载的功率因数不变时，励磁电流与电枢电流之间的关系；即nn1，U=UN，cos=常值时，If=f(I)。图631表示带有不同功率因数的负载时，同步发电机的调整特性,3、效率特性效率特性是指转速为同步转速、端电压为额定电压、功率因数为额定功率因数时，发电机的效率与输出功率的关系；即nn1，U=UN，cos=cosN时，=f(P2)。,返回,4.空载特性U0=E0=f(If),I=0一般采用从U01.3UN开始到If=0的下降曲线,如图所示。从图可知当If=0时有剩磁电动势，将曲线由此延长与横轴相交，取交点与原点距离为校正值，再将原实测曲线整体右移得工程中实用的校正曲线。,O,U0=E0,if0,if0,If,5.短路特性电机定子三相稳态短路，保持额定转速时，Ik=f(If)；实测曲线如书中图示。,O,IK.E0,Ff.If,D,A,B,C,FFad,E,IK,其时-空矢量图如图示。因为短路电压为零，电枢电阻远小于同步电抗，故短路电流可视为纯感性，900，电枢磁势基本上是一个纯去磁作用的直轴磁势，即Fa=Fad。合成磁势F=FfFad,再利用空载特性得到气隙合成电动势，其电势平衡方程式为：由于E较小，与之对应的合成磁通也较小，磁路处于不饱和状态。,6.3.1同步发电机的运行特性,由于磁路处于不饱和状态，所以FEIk，Fad=kadFad=kadFaIk，IfFf=F+FadIk。所以短路特性为一条直线。,6.3.1同步发电机的运行特性,ABC为同步发电机的特性三角形,图中三角形ABC称为同步发电机的特性三角形，底边AB为等效直轴电枢反应磁动势Fad，而直角边AC为所对应的漏抗压降Ix。,O,IK.E0,Ff.If,D,A,B,C,FFad,E,IK,为什么短路时电枢电流相位滞后空载电动势90度？（也可以用电压方程式判断出）,6、零功率因数负载特性负载特性：n=nN、I=C、cos=C的条件下，U=f(If)的关系，如下图所示。其中以零功率负载特性最有实用价值。,6.3.1同步发电机的运行特性,cos=0的负载在做实验时通常用感应调压器来代替。I=Id，Iq=0,零功率因数负载特性是在确保功率因数约为零的情况下测得，测试中通常保持I=IN。测试方法：将电机并入电网作空载运行，调If使电枢输出无功电流为IN，得到额定点F。再作短路实验，测得Ik=IN时的励磁电流Ifk，得短路点K。,6.3.1同步发电机的运行特性,由于功率因数为零，所以E0与I的夹角约为900，故电枢磁动势起纯去磁作用。其代数关系为：EU+IX，FFf-Fa,Ff,Fad,Fad,I,F,E0,UjIX,E,再看零功率因数负载特性图可知，0B表示UN，BC表示If0；接零功率负载时，要保持端电压不变，If（BF）必须大于If0（BC）以克服漏抗压降和电枢反应的去磁影响。从空载特性作EA垂直于BF，使EA=IX，CA为克服漏抗压降所增加的励磁电流，AF也就是克服电枢反应去磁作用所需要增加的励磁电流Ifa=kadFad/Nf。,If,0,F（Q）,U,UN,Cos=0,E0,BC,0,E,A,三角形EAF与短路特性中的三角形ABC具有相同的物理意义，也称电机的特性三角形。所以，空载特性与零功率因数特性之间存在一个特性三角形。由于在测定零功率因数特性时I保持不变，故此三角形的大小不变。,If,0,F（Q）,U,UN,Cos=0,E0,BC,0,E,A,一、由空载特性和零功率因数特性确定定子漏电抗和电枢反应的等效励磁磁动势,6.3.2特性曲线在参数计算中的应用,UN,二、保梯电抗实测的零功率因数特性（虚线部分）与理想的并不重合，如图示。这是因为在纯感性负载运行时，虽然产生气隙合成磁通所对应的等效励磁电流与空载时相同（OD），但主极漏磁增多，致使主磁路磁阻增加，尽管气隙合成磁动势相同（OD），但气隙合成磁通会略减，使实际的EDB。说明实测漏抗比X大，用XP表示，称为保梯电抗。,6.3.2特性曲线在参数计算中的应用,3.利用空载特性和短路特性确定Xd的不饱和值设短路时的励磁电流沿气隙线产生的空载电动势为E0，则电动势平衡方程式为：E=E0+Ead=E0-jIkXad=-jIkXE0=-jIk(Xad+X)=-jIkXd（不饱和）Xd（不饱和）=E0/IK,四、短路比kc指当空载电压为额定电压时，发电机出线端短路的短路电流Ik0与额定电流IN之比值。,6.3.2特性曲线在参数计算中的应用,短路比的数值对电机影响很大短路比小，负载变化时发电机的电压变化较大，并联运行时发电机的稳定度较差，但电机造价较便宜。反之则反。汽轮发电机kc=0.41.0，水轮发电机kc=0.81.8,五、利用空载特性和零功率因数特性确定Xd的饱和值,6.3.2特性曲线在参数计算中的应用,磁路饱和时，由F在空载特性曲线上得出E。E变化不大。,六、电压调整率和额定励磁磁势的求法1、凸极同步发电机,6.3.2特性曲线在参数计算中的应用,求IfN和U,2、隐极同步发电机,6.3.2特性曲线在参数计算中的应用,6.6同步电机参数的测定,一、用空载特性和短路特性确定Xd空载特性可以用空载试验测出。试验时，电枢开路(空载)，用原动机把被试同步电机拖动到同步转速，改变励磁电流If，并记取相应的电枢端电压U0(空载时即等于E0，直到U01.25UN左右，可得空载特性曲线。短路特性可由三相稳态短路试验测得，试验线路如图6-24a所示。将被试同步电机的电枢端点三相短路，用原动机拖动被试电机到同步转速，调节励磁电流If使电枢电流I从零起一直增加到1.2IN左右，便可得到短路特性曲线，如图624b所示。,短路时，故，而所以因为短路试验时磁路为不饱和，所以这里的E0(每相值)应从气隙线上查出，如图625所示，求出的Xd值为不饱和值。,(619),(620),Xd的饱和值与主磁路的饱和情况有关。主磁路的饱和程度取决于实际运行时作用在主磁路上的合成磁动势，因而取决于相应的气隙电动势；如果不计漏阻抗压降，则可近似认为取决于电枢的端电压，所以通常用对应于额定电压时的Xd值作为其饱和值。为此，从空载曲线上查出对应于额定端电压UN时的励磁电流If0，再从短路特性上查出与该励磁电流相应的短路电流，如图626所示，这样即可求出Xd(饱和),例题,返回,转差法：既能测Xd、又能测Xq。（不饱和值）将被试同步机的励磁绕组开路，用原动机将被试同步机拖动到接近同步速（s0.01），在定子侧加额定频率且相序与转子转向一致的三相对称低电压(0.020.15)UN,以保证被试电机不被牵入同步。,6.3.3同步电机稳态参数的测定,交轴,转差法：此时，E0=0，忽略电枢内阻有：当电枢磁场轴线与直轴重合时，Iq=0Xd=Umax/Imin当电枢磁场轴线与交轴重合时，Id=0Xq=Umin/Imax,6.3.3同步电机稳态参数的测定,Parallelconnectionoperationofsynchronousgenerator,6.7同步发电机的并联运行,并联运行的优点,1、提高供电的可靠性2、提高供电的经济性3、提高电能的质量（主要是U和f）4、便于轮流检修,无穷大电网：1）S2）ZS03）US=C4）fS=C,一、并联运行的条件和方法,方法：1.准同步法2.自同步法,投入并列联的原则：避免瞬间电流冲击，稳态时无环流。投入并联的总体条件：要求发电机空载电动势的瞬时值与电网对应电压的瞬时值相等。,投入并联的条件和方法具体要求有：波形、频率、幅值、相位、相序相同。注意：相序一致是绝对条件，其他条件都是相对的。理由如下：,若波形不同，并网后在电机与电网间必要产生一系列高次谐波环流，从而损耗增加、温度升高、效率降低。若均是正弦波即波形相同但频率不等，E0与U之间便有相对运动，E0与U的夹角将在003600间不断变化，导致二者电压差忽大忽小，若频率相差越大，一方面牵入同步难，一方面产生差频环流，在电机内引起功率振荡。,若E0U则分两种情况讨论：（1）相位相同但幅值不等；（2）幅值相同但相位不等。此两种情况均使二者存在电势差，仍会产生冲击电流。若以上条件均满足，但相序不同是决不允许合闸的，因为仅一相符合条件，但另两相之间巨大的电位差将产生巨大环流和机械冲击，会严重危害电机安全。,2.投入并联的方法从公式：f=pn/60,E0=4.44fN1KN10可知要f、E0与电网一致，只需调n.If，电动势的相位则可通过调节发电机的瞬时速度来调整。（1）准确同步法将发电机调整到完全符合并联条件后的合闸并网操作过程称为准确同步法。判断工具：同步指示器由三个同步指示灯组成。其接法有直接接法和交叉接法两种。,*直接接法：将电机各相端与电网同相端对应，即发电机与电网相序一致，其接线图和相量图如下。,判断方法：1）若ff1，则U与U1之间便有相对运动，UA、UB、UC将同时发生时大时小的变化，三灯将同时呈现时亮时暗的现象（若三灯轮流亮暗，则表示发电机与电网相序不同，应改变发电机相序）。,2）调转速n，使三灯不再闪烁，而是缓慢明暗，表明ff1.3)调If，即调U，使E0=U，当三灯同熄（相当于调E0、U的相位），且各相灯的两端电压为0时并入电网。所以直接接法亦称灯光熄灭法。严格来说ff1，当ff1时，发电机转速高于同步转速，电机转轴上要承受制动性质的电磁转矩，使转速降低，直至同步运行；当f1f时，发电机转速低于同步转速，电机转轴上要承受驱动性质的电磁转矩，使转速上升，直至同步运行。,*交叉接法：一组灯同相端相接，另两组灯交叉相端联结，则加在各相灯的电压不等，从而各组灯的亮度不一样，其接线图和相量图下。,判断方法：1）ff1，则三灯交替亮暗，形成灯光旋转现象；2）调转速n，使三灯旋转缓慢，表明ff1；3)调If，即调U，使E0=U，当灯1熄，且两端电压为0，灯2、3同亮度时并入电网。故亦称亮灯法。通过以上的分析可知，准确同步法的优点是冲击电流小；缺点是较复杂。,准确同步法的优点：冲击电流小；准确同步法的缺点：较复杂。,自同步法并列原理接线图,（2）自同步法,并列操作步骤：1）校验发电机相序；2）励磁绕组经限流电阻短路；3）拖动转子，使其转速接近同步转速(相差2%5%)，注意应与定子旋转磁场转向一致；4）合闸，同时转子上加直流励磁，依靠定转子磁场间所形成的电磁转矩即可把转子拖入同步。优点：简单、投入迅速；缺点：冲击电流较大。,有功功率的平衡,6.8同步发电机的功率方程和转矩方程,6.8同步发电机的功率方程和转矩方程,一、功率方程和电磁功率功率方程若转子励磁损耗由另外的直流电源供给，则发电机轴上输入的机械功率Pl扣除机械损耗和定子铁耗后，余下的功率将通过旋转磁场和电磁感应的作用，转换成定子的电功率，所以转换功率就是电磁功率Pe，即(6-14),再从电磁功率Pe中减去电枢铜耗可得电枢端点输出的电功率P2；即(6-15),电磁功率从式(615)可知，电磁功率Pe为,由图623可见,故同步电机的电磁功率亦可写成,上式的第一部分与感应电机的电磁功率表达式相同，第二部分则是同步电机常用的。对于隐极同步电机，由于EQE0，故有,E=U+IRa+jIXPem=mEIcosi.由相量图知：Ecosi=EQcos;又：EQ=E0jId(Xd-Xq)所以,对于隐极同步发电机：Pem=mEIcosi=mEQIcos=mE0Icos对于不饱和凸极电机：Pem=mE0Icos-mIdIq(Xd-Xq)Icos=Iq而转矩平衡方程式与功率平衡方程式相对应，只须将功率平衡方程式两边同除转子的机械角速度即可。,二、转矩方程,把功率方程(614)除以同步角速度，可得转矩方程式中，T1为原动机的驱动转矩,Te为电磁转矩,T0为空载转矩，分别为：,(618),返回,三、功角特性,定义：并联于无穷大电网的同步发电机，当电网电压和频率恒定、参数（xd、xq、xt）为常数、空载电势E0不变（即If不变）时，Pem=f()为有功功率功角特性。,如凸极发电机的时空矢量图所示，E0与U的夹角被称为功率角。由功率平衡方程式可知：PemP2=mUIcos=mUIcos(-)=mUI(coscos+sinsin)=mUIqcos+mUIdsin由相量图可知：Iq=Usin/Xq;Id=(E0-Ucos)/Xd,代入得：,式中：基本电磁功率；附加电磁功率,上式即为同步电机功角特性的一般化表达式。等式右侧第一项称为基本电磁功率，同时也是隐极电机的功角特性；第二项称为附加电磁功率，是因磁路不对称引起，故亦称磁阻功率。这说明在没有励磁电流，甚至在没有励磁绕组的情况下，也能通过磁阻功率实施机电能量转换，其原理简述如下：,电枢反应磁动势Fa分解成Fad和Faq分别作用在电机的d.q轴上，由于折算系数不同，折算后的磁动势所产生的d.q轴磁场Bad和Baq合成后所得到的电枢反应磁场Ba必然不会与电枢反应磁动势Fa重合。这就类似于主极轴线与气隙磁场轴线偏离的情况，故必产生附加电磁转矩，输出附加电磁功率。附加电磁功率的特点：与If无关；=45时最大，=90时为0；xdxq是其存在的原因，亦称为磁阻功率。,2.隐极机的功角特性由于隐极机xd=xq=xt，故只有基本电磁功率，功角特性表达式为,功率极限值(隐极),发电机有功功率功角特性曲线,功角特性讨论：001800：Pem0为发电机状态；当=900时基本电磁功率为最大值，当=450时附加电磁功率为最大值，当电磁功率为最大值时，45000。,两种电机功角特性的区别,功角的双重物理意义,1、是电动势和电压间的时间相角差2、是励磁磁势和合成磁势间的空间相角差,功角意义的图示A：,功角意义的图示B,功角是转子磁极轴线和定子合成磁极轴线的空间夹角,3.隐极机的无功功角特性,由隐极机简化相量图可知：,隐极机的无功功角特性,例：一台汽轮发电机并联于无穷大电网，额定负载时功率角=20，现因外线发生故障，电网电压降为60%UN，问：为使角保持在25，应加大励磁使E0上升为原来的多少倍？,例：有一台同步发电机在额定状态下运行时功率角=30。设在励磁电流保持不变的情况下，运行情况发生了下述变化，问功率角有何变化（定子电阻忽略不计）：（1）电网频率下降5%，电磁转矩不变；（2）电网频率下降5%，电磁功率不变；（3）电网电压和频率各下降5%，电磁转矩不变。,四、有功功率调节与静态稳定1.有功功率的调节以隐极电机为例，略去电枢电阻和磁饱和的影响，发电机接到无穷大电网，通过整步使功率角=00，E0=U，即使E0U，有无功电流输出，即电流只有直轴分量而无交轴分量，发电机输出的电功率：P2Pem=mE0Usin/Xs=0,故发电机处于空载状态，原动机的驱动转矩仅用以克服发电机的空载转矩。,若欲使发电机输出有功功率，则需增加原动机的驱动转矩，使转子速度瞬时增加，与转子主磁场相对应的电动势E0将超前U，即：使,I,P2,Te,电磁转矩的方向与驱动转矩方向相反，并重新获得平衡，转子转速仍保持为同步转速，此时发电机处于负载运形状态。从功角特性图可知，要增加发电机的输出功率，必须增加原动机的输入功率，使上升直至到900。,当增加P1，则T1增加，由于T1T0，出现剩余转矩（T1-T0），使转子加速，转子的磁极轴线开始超前合成等效磁极轴线，使E0超前端电压U一个，P2=Pem0，转子将受到制动电磁转矩Tem。当增大到某个值，使T1=Tem+T0，发电机不再加速，而在此处稳定运行，且Pem=P1-p0,结论：调节原动机输入的机械功率，改变功角，使输出功率改变。即P1P2在励磁电流一定的情况下，=90时，电磁功率达到最大值，称极限功率。,6.4.4有功功率调节与静态稳定,2.静态稳定指小扰动消失后，系统能还原，且继续同步运行。判据：功角特性图,A点：当在小扰动的作用下，PTPemTTTenPe=PT达到新稳定。扰动消失后：PePTTeTTn回到原工作点，故A点属静态稳定点。,B点：Pe更小于PTn故为非稳定点。,稳定条件：Pem即：dPem/d0稳定极限：dPem/d=0,即=900，对于凸极电机0，滞后，感性无功上升PemaxK,稳定性提高。3.IfE0（欠励）I0cos滞后发PQ感性,3.欠励磁：U，I=（E0-U）/Xd,Q2=mUI这时电机相当于可调电容器，发出感性功率。*当cos滞后，=900，E0X0,短路故障中以单相对中点和两相短路最常见。为简化分析，我们只讨论稳态短路过程，且假设短路发生在电机出线端，而非短路相均为空载。一、单相对中性点短路,6.6.2不对称稳态短路,1、短路电流的基波约束条件,6.6.2不对称稳态短路,2、短路电流的谐波谐波产生原因：单相短路时，定子电流产生的脉振磁场可以分解为两个大小相等、转向相反的旋转磁场。反向旋转磁场以2n1的相对速度切割转子，在转子绕组中感应出频率为2f1的电动势和电流。该电流又产生频率为2f1的脉振磁场，其同样可以分解成两个大小相等、转向相反的旋转磁场。考虑转子本身转速，这两个磁场在空间的转速分别为-n1、3n1。转速为-n1的磁场与定子反向磁场同步，并建立磁动势平衡关系；而速度为3n1的旋转磁场将在定子绕组内感应出3f1的电动势和电流。因此类推，定子电流中还含一系列奇次谐波，而转子电流中还含一系列偶次谐波。,单相同步发电机的负载运行情况与上述单相短路情况类似。为改善负载时的电动势波形，减少谐波电流，通常在单相发电机转子上安装低漏抗、低电阻的阻尼绕组，感应起去磁作用的阻尼电流。,6.6.2不对称稳态短路,二、两相短路,6.6.2不对称稳态短路,二、两相短路,6.6.2不对称稳态短路,2,3.不同稳定短路情况短路电流的比较三相稳态短路电流属对称负载的特例，若不计饱和和忽略定子电阻，其短路电流为IK3=E0/X+由于同步正序电抗一般比负序、零序电抗大很多，综合前面结论可得相同励磁电动势时不同稳定短路情况下短路电流的近似比例关系为：IK1：IK2：IK3=3：1.732：1,三、负序和零序参数测定1、两相稳定短路法测负序阻抗试验线路如图所示。被试电机拖动到额定速,调If使电枢电流在0.15IN左右.由两相稳定短路分析结果可知:,为UAB超前IK2的角度。,A,W,V,UAB,IK2,IF,2、逆同步旋转法测负序阻抗试验线路如图所示。被试电机拖动到额定速。定子施加额定频率的三相对称负序电压,电枢电流不超过0.15IN，其负序阻抗为：,3、串联法或并联法测零序阻抗串联法就是将定子三相绕组首尾相接成开口三角形,将励磁绕组短路,再将转子拖到同步速,在定子端口加额定频率的单相电压,电枢电流在0.05IN0.25IN左右。其零序参数为：,*并联法就是将定子三相绕组首-首尾-尾相连,