同步发电机的运行原理

1、6.2 6.2 同步发电机的运行原理同步发电机的运行原理重点内容重点内容同步发电机电枢反应的概念同步发电机电枢反应的概念电枢反应电抗，同步电抗电枢反应电抗，同步电抗(直轴同步电机，交轴同直轴同步电机，交轴同步电机步电机)的概念的概念隐极发电机负载运行分析及其相量图隐极发电机负载运行分析及其相量图凸极发电机的负载运行分析及其相量图凸极发电机的负载运行分析及其相量图2022-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜6.2.1 同步发电机的空载运行 一、基波励磁磁动势一、基波励磁磁动势空载运行：空载运行：当原动机带动发电机在同步转速下运行，当原动机带动发电机在同步转速下运行，励磁绕组通过适当的励磁电流，电枢

2、绕组不带任何负励磁绕组通过适当的励磁电流，电枢绕组不带任何负载时的运行情况。载时的运行情况。当励磁绕组中通入直流电流后，产生随转子一起当励磁绕组中通入直流电流后，产生随转子一起旋转的磁动势，称为励磁磁动势。因为它随转子一起旋转的磁动势，称为励磁磁动势。因为它随转子一起转动，从定子上看，它也是一个旋转磁动势，所以同转动，从定子上看，它也是一个旋转磁动势，所以同电枢绕组磁动势的分析方法一样。电枢绕组磁动势的分析方法一样。2022-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜 励磁绕组放置在磁极两边槽里，磁极中间不放绕组励磁绕组放置在磁极两边槽里，磁极中间不放绕组以使磁极磁动动势波形接近正弦，每极磁势最大幅值以

3、使磁极磁动动势波形接近正弦，每极磁势最大幅值为为 ，通过实际总槽数，通过实际总槽数Z2与沿转子表面开的等距槽与沿转子表面开的等距槽的总槽数的总槽数Z2的比值查表得的比值查表得 。12fffFN ifk1 1、凸极电机的励磁磁动势、凸极电机的励磁磁动势2022-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜2、隐极电机的励磁磁动势、隐极电机的励磁磁动势2022-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜空间参考轴选择定子空间参考轴选择定子A组绕组轴线组绕组轴线+A处，该处处，该处 为为 =0，基波励磁磁动势用空间向量表示，基波励磁磁动势用空间向量表示,向量长度向量长度等于基波磁动势的幅值等于基波磁动势的幅值,向量位置为

4、基波磁动势正波向量位置为基波磁动势正波幅所在位置，向量以同步角速度幅所在位置，向量以同步角速度逆时针方向转动。逆时针方向转动。2022-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜三、基波气隙磁密空间矢量 1 1、隐极机：、隐极机： 气隙均匀，当铁心不饱和时，气隙磁密与磁动势成气隙均匀，当铁心不饱和时，气隙磁密与磁动势成正比，基波磁动势产生正弦波磁密，再不考虑磁铁的正比，基波磁动势产生正弦波磁密，再不考虑磁铁的磁滞涡流效应下，磁密波的相位和磁动势波的相位相磁滞涡流效应下，磁密波的相位和磁动势波的相位相同。同。 2 2、凸极机：、凸极机： 气隙不均匀，即使铁心不饱和，气隙中产生的磁密气隙不均匀，即使铁心不饱

5、和，气隙中产生的磁密大小与磁动势大小不成正比，正弦的基波励磁磁动势大小与磁动势大小不成正比，正弦的基波励磁磁动势产生的磁密波是非正弦分布的，磁密波还要分解基波产生的磁密波是非正弦分布的，磁密波还要分解基波和一系列谐波，基波磁密和基波磁动势仍然同相位。和一系列谐波，基波磁密和基波磁动势仍然同相位。 2022-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜四、定子相绕组的感应电动势、时间相量1、 及及 均与均与+A轴重合，轴重合，A相绕组的有效边处于极间磁密为相绕组的有效边处于极间磁密为零处，零处，A相绕组感应电势瞬时值为零，即相绕组感应电势瞬时值为零，即 在在+j时间轴的投时间轴的投影为零影为零 。1fF0E

6、0B 气隙磁密气隙磁密 旋转切割定子三相绕组，定子绕组感应旋转切割定子三相绕组，定子绕组感应随时间正弦变化的电动势，用时间相量来表示。由于空间随时间正弦变化的电动势，用时间相量来表示。由于空间坐标选坐标选A相绕组轴线相绕组轴线+A为参考轴，所以时间相量也分析为参考轴，所以时间相量也分析A相，感应电动势效值用相，感应电动势效值用 表示。表示。0E0B0104.44NEfNk2022-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜结论结论： 及及 在空间参考轴在空间参考轴+A上初相位上初相位0与与A相时间相时间相量相量0在时间参考轴在时间参考轴+j的初相位的初相位 之间存在一定关系，之间存在一定关系，即：即：0

7、= 0 -90度，此关系适合任意时刻。度，此关系适合任意时刻。1fF0B0E 2、A相绕组边处于磁极中心线，磁密最大，相绕组边处于磁极中心线，磁密最大，A相绕组相绕组感应电动势瞬时值为正最大。感应电动势瞬时值为正最大。2022-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜2022-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜五、时空相矢量图 注意：时间相量与空间矢量的物理意义截然不同，放在一注意：时间相量与空间矢量的物理意义截然不同，放在一起无实际意义，只是为了方便找出向量的相对位置起无实际意义，只是为了方便找出向量的相对位置将空间矢量图参考轴将空间矢量图参考轴+A与时间相量参考轴与时间相量参考轴+j重合重合在一起，

8、构成时间空间相量图，即时在一起，构成时间空间相量图，即时-空相矢量图空相矢量图2022-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜六、空载特性( (磁化曲线磁化曲线) ) 注意：空载曲线横注意：空载曲线横坐标是实际的励磁坐标是实际的励磁电流，或每极实际电流，或每极实际磁动势波幅，而不磁动势波幅，而不是基波磁动势。是基波磁动势。00( )fUEf i 定子绕组开路、转子由原动机拖动到额定转速并通定子绕组开路、转子由原动机拖动到额定转速并通入励磁电流的运行状态称为同步发电机的空载运行，入励磁电流的运行状态称为同步发电机的空载运行，称称 的函数关系为空载特性，它是一条的函数关系为空载特性，它是一条非线性关系的

9、饱和曲线非线性关系的饱和曲线。2 2气隙线气隙线fIUNU1空载特性空载特性2022-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜七、饱和系数ku fofouFIkFI定义：定义：对应发电机空载特性产生空载额定电压所需要的励磁磁动势Ffo，和对应气隙线产生空载额定电压所需要的励磁磁动势F之比。2 2气隙线气隙线fIUNU1空载特性空载特性0EF0fF0uNEkU一般 ku=1.11.252022-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜6.2.2 6.2.2 同步发电机的电枢反应同步发电机的电枢反应同步电机在空载时，气隙中仅存在着转子磁势。负同步电机在空载时，气隙中仅存在着转子磁势。负载以后，除转子磁势外，定子三

10、相电流也产生电枢载以后，除转子磁势外，定子三相电流也产生电枢磁势。电枢磁势的存在，将使气隙中磁场的大小及磁势。电枢磁势的存在，将使气隙中磁场的大小及位置发生变化，这种现象称之为电枢反应。位置发生变化，这种现象称之为电枢反应。电枢反应：电枢磁动势对主极磁场基波的影响。电枢反应：电枢磁动势对主极磁场基波的影响。2022-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜磁动势分析磁动势分析1 1、定子三相对称绕组中对称三相电流产生基波电枢磁动势、定子三相对称绕组中对称三相电流产生基波电枢磁动势1111 35NaN I kF.p（1） 大小：大小： (A)1160 fnp（2） 转速：转速： (r/min)（3） 转

11、向：沿通电相序转向：沿通电相序A、B、C的方向，它与转子转向相同的方向，它与转子转向相同1y（4 4）极对数：和转子极对数相同，决定于绕组的节距）极对数：和转子极对数相同，决定于绕组的节距1fF2、转子绕组通入直流产生每极基波励磁磁动势、转子绕组通入直流产生每极基波励磁磁动势1f12fffFk N i（1 1） 大小：大小： (A) （2 2） 转速：和转子转速一样为同步速转速：和转子转速一样为同步速（3 3） 转向：和转子转向一致转向：和转子转向一致（4 4） 极对数：和转子磁极的极对数相同极对数：和转子磁极的极对数相同2022-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜电枢反应的性质取决与电枢磁动势

12、和主磁场在空间的相对位置。分析表明，这一相对位置与激磁电动势E0和负载电流 I 之间的相位差有关。1) 电动势E0和负载电流 I 同相位，0；2)负载电流 I 滞后电动势E0 900，900；3)负载电流 I 超前电动势E0 900，-900；4)负载电流 I滞后电动势E0 一角度 ，00 9002022-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜内功率因数角=00 BI.AI.CI.AE0.时轴CE0.B0.E+90+900 0FFad轴轴q轴轴 A轴轴A AX X Z ZB BCYFfNS 交轴电枢反应电流正，则首端出，末端进2022-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜 内功率因数角=900时轴AE0

13、.CE0.BE0.AI.CI.BI.d轴q轴 A轴A AX XZ ZB BCYFfNS直轴去磁电枢反应直轴去磁电枢反应Fa电流正，则首端出，末端进2022-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜内功率因数角=-900时轴AE0.CE0.BE0.CI.BI.AI.d轴q轴 A轴A AX XZ ZB BCYFfNS直轴助磁电枢反应直轴助磁电枢反应Fa电流正，则首端出，末端进2022-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜内功率因数角00900 时轴AE0.CE0.BE0.AI.CI.BI.d轴q轴 A轴A AX XZ ZB BCYFfNS既有交轴又有直轴去磁电枢反应+90+900 0Fa电流正，则首端出，末端

14、进2022-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜电枢磁势和电枢电流分量电枢磁势和电枢电流分量 YYYY+coscossinsinIIFFIIFFIIIFFFqaaqdaadqdaqada交轴分量交轴分量直轴分量2022-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜2022-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜1. 交轴电枢磁动势交轴电枢磁动势的作用的作用n1TemaqII=0=00 0, , ,交轴电枢磁动势和励磁磁动势作用产生电磁力, 形成制动性质的电磁转矩Tem励磁磁动势超前电枢磁动势aFfF2022-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜1. 交轴电枢磁动势交轴电枢磁动势的作用的作用=180=1800 0, ,交

15、轴电枢磁动势和励磁磁动势作用产生电磁力, 形成驱动性质的电磁转矩Tem电枢磁动势超前励磁磁动势aFfF2022-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜2. 直直轴电枢磁动势轴电枢磁动势的作用的作用daIIn1nadIfAZBXCYNS=90=900 0, , ,直轴电枢磁动势也产生电磁力，但不形成电磁转矩2022-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜结论：结论：当同步发电机供给滞后电流时，电枢磁势除了一当同步发电机供给滞后电流时，电枢磁势除了一部分产生交轴电枢反应外，还有一部分产生直轴去磁部分产生交轴电枢反应外，还有一部分产生直轴去磁电枢反应；当电机供给超前电流时，电枢磁势除了一电枢反应；当电机供给超前

16、电流时，电枢磁势除了一部分产生交轴电枢反应外，还有一部分产生直轴增磁部分产生交轴电枢反应外，还有一部分产生直轴增磁电枢反应。电枢反应。2022-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜电枢反应电抗和同步电抗的概念电枢反应电抗和同步电抗的概念1 1 隐极同步电机的电枢反应：隐极同步电机的电枢反应： I&aF1fBa&aE&aX隐极同步电机有一个特点就是定转子之间的气隙是均匀分布的。电枢磁动势作用在任一位置，其效果是一样的2022-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜知：知：aaaXIjE.XIjEa.其中的其中的 X Xa a 称为电枢反应电抗。在同样大小电流情况称为电枢反应电抗。在

17、同样大小电流情况下下, ,如果如果 Xa 越大，电枢反应电势也越大，表示着电越大，电枢反应电势也越大，表示着电枢磁势所产生的电枢磁通很强。因此枢磁势所产生的电枢磁通很强。因此 Xa 的大小可以的大小可以说明电枢反应的强弱。说明电枢反应的强弱。当然，电枢电流除了产生主磁通外，还要产生一当然，电枢电流除了产生主磁通外，还要产生一定的漏磁通，由于漏磁通也会交链电枢绕组，所以对定的漏磁通，由于漏磁通也会交链电枢绕组，所以对应产生电动势应产生电动势 E2022-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜saaaaaaaXIjXXIjXIjXIjEE.)()(+XXXas+式中 称为隐极同步电机的同步电抗。所以在三

18、相对称电流通过电枢绕组后，所产生的匝链定子绕组的磁通为（+），两者在电枢绕组中所产生的全部电势为2022-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜电枢反应磁通及漏磁通所产生的作用，可以通过同步电抗压降的形式来表示。同步电机在正常状态下工作，磁路略呈饱和。磁路的饱和程度越高，它的磁阻便越大，所对应的电抗便函越小。所以a或S的大小是随着磁路饱和程度的改变而改变的。2022-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜直轴气隙小磁导大交轴气隙大磁导小双反应理论：双反应理论：磁动势Fa分解成沿直轴和交轴方向的两个分量，分别求它们的作用，最后将效果叠加。sinaadFFcosaaqFF直轴交轴aFadFaqF同样大小的电枢

19、磁动势作用在d轴和q轴上，所产生的电枢磁场将有明显的差别2、凸极同步电机：、凸极同步电机：电枢磁动势作用在不同的位置，产生不同的效果2022-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜.addadaqdaqEjI XEjI X直轴电枢磁势固定地作用在直轴磁路上，对应于一个恒定不变的磁阻，产生磁通ad。交轴电枢磁势固定地作用在交轴磁路，也对应于一个恒定不变的磁阻，产生磁通aq。磁通ad与aq分别切割定子绕组而在其中感应出电势Ead及Eaq。由于交轴及直轴的磁阻都恒定不变，所以Ead正比于ad， Eaq正比于aq，因此，2022-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜dadqaqXXXXXX+注意：在直轴磁路上，

20、由于气隙小，磁阻小，所以Xad较大。在交轴磁路上，由于气隙很大，磁阻大，所以Xaq较小。当直轴及交轴的同步电抗相等时，就是隐极电机。和隐极电机一样，直轴和交轴电枢反应电抗各和定子漏抗相加，便可以得到直轴同步电抗和交轴同步电抗，即2022-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜6.2.3 隐极同步发电机的负载运行隐极同步发电机的负载运行2022-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜fIfF00EIaFaEEEaaRIaaxI jExI jE1 1 隐极发电机的电磁过程隐极发电机的电磁过程2022-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜2 2 隐极同步发电机的电势方程式隐极同步发电机的电势方程式.0.UEEEa+

21、saXIjUE.0.+同步发电机在对称负载下运行，气隙中存在着两种磁势，即定子上的电枢磁势和转子的磁极磁势。在不考虑磁路的饱和现象时，应用迭加原理，认为它们各自独立地产生相应磁通，并在电枢绕组内产生感应电势。.aaaaEjI XEjI X saXXX+2022-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜已知发电机的端电压、负载电流和功率因数已知发电机的端电压、负载电流和功率因数coscos及及参数参数R Ra a 、X Xs sUIar I0E当功率因数当功率因数cos滞后时的相量图滞后时的相量图SjIX&3 3 隐极发电机的相量图隐极发电机的相量图.0()aaaEUIrjIXX+saXXX+2

22、022-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜 +UIarI0ESjIX&0.EaI0EUUaI& 与 的夹角 ； 与 的夹角 ； 与 的夹角。三个角度间的关系：2022-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜cossintg1UUXIsa+220)sin()cos(saXIUUE+根据图的相量关系，将电压按角分解成Usin和Ucos后，可以得到的计算公式：UIar I0ESjIX&cosUsinU2022-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜Raxs0EIU只要去掉只要去掉 R Ra a 即可得到简化等效电路即可得到简化等效电路4 4 隐极发电机的等效电路隐极发电机的等效电路2022

23、-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜6.2.4 凸极同步发电机的负载运行凸极同步发电机的负载运行当凸极同步发电机在对称负载下运行时，气隙中也存在着两种旋转磁势，即转子上磁极磁势和定子上电枢磁势。由于凸极电机中，转子直轴和交轴上的气隙不等，在分析电枢磁势影响时，必须按照式前面我们所分析的将磁动势分解成直轴和交轴两个分量，然后和处理隐极电机一样，不计及磁路的饱和现象，应用迭加原理认为它们各自独立地产生相应的磁通，并在电枢绕组内产生感应电势。 2022-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜1.1.凸极发电机的电磁过程凸极发电机的电磁过程fIfF00EIqIdIadFaqFadaqadEaqEEEarI20

24、22-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜.0.UEEEEaqad+XIjXIjXIjUEaaqqadd.0.+.() adqqdEj IXj IIXjI Xj IX+可以把漏抗压降分解成两个分量，即：整理得：2.凸极同步发电机的电势方程式凸极同步发电机的电势方程式这样，产生的端电压为：2022-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜qqddaqqaddXIjXIjUXXIjXXIjUE.0.)()(+dI.qI.0.EaI.这就是凸极发电机的电动势平衡方程式，这样我们就可以作出相应的相量图。但是很明显，要做出向量图还缺 和 两个分量。也就是要知道 与 之间的夹角。2022-2-7武汉大学电气工程学院刘

25、启胜dIqIIRUIqqjI xddjI x0E.0qdaqdEUI RjI XjI X+2022-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜 已知发电机的端电压、负载电流和功率因数及已知发电机的端电压、负载电流和功率因数及参数参数ra 、xd、xq 。(1 (1）已知内功率因数角）已知内功率因数角按照电势方程式的关系作出相量图（2 2）未知内功率因数角）未知内功率因数角1 1）利用方程式求出）利用方程式求出 ：2 2）利用公式求出）利用公式求出 ：qaQXI jIRUE+cossinarctanUIRUIXaq+Y3.3.凸极发电机的相量图的作法凸极发电机的相量图的作法2022-2-7武汉大学电气工程

26、学院刘启胜dIqIIRUIqqjI XddjI x0E.0qdaqdEUI RjI XjI X+.QqdaqqEUI RjI XjI X+.QE.qqjI X.qjI X2022-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜dIqIIRUIqqjI XddjI x0EsinU.QEcosU.qqjI X.qjI X2 2）利用公式求出）利用公式求出 ：cossinarctanUIRUIXaq+YIRa2022-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜例题例题6-1例题例题6.0,0.1*qdXX8 . 0cosN*0E 6-1 有一台凸极同步发电机，有一台凸极同步发电机， ，电枢，电枢电阻略去不计，试计算发电机额

27、定电压、额定千伏安、电阻略去不计，试计算发电机额定电压、额定千伏安、（滞后）时发电机的空载电动势（滞后）时发电机的空载电动势 ，并作出相量图。，并作出相量图。dIqIUIqqjI XddjI x0E.QE.qjI X 解解 以电压相量为基准相量，即 001。U外功率因数角 087.368 . 0arccos内功率因数角 电流的直轴和交轴分量：000.*.044.1944. 16 . 087.36101+jXIjUEq。00031.5687.3644.19+0.*0.0*.*44.1955. 0cos56.70832. 0)90(sin+NqNdIIII2022-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜

28、例题例题6.0,0.1*qdXX8 . 0cosN*0E 6-1 有一台凸极同步发电机，有一台凸极同步发电机， ，电枢，电枢电阻略去不计，试计算发电机额定电压、额定千伏安、电阻略去不计，试计算发电机额定电压、额定千伏安、（滞后）时发电机的空载电动势（滞后）时发电机的空载电动势 ，并作出相量图。，并作出相量图。dIqIUIqqjI XddjI x0E.QE.qjI X另外，内功率因数角还可用公式求取： 0000.*.*.*.*04 .19777. 1 6 . 044.1955. 00 . 156.70832. 001 +jjXIjXIjUEqqdd空载电动势： +3 .568 . 06 . 06 . 0tancossinarctan1*UIRUIXaq2022-2-7武汉大学电气工程学院刘启胜*d*dXIOB )cos(*UOA例题例题6.0,0.1*qdXX8 . 0cosN*0E 6-1 有一台凸极同步发电机，有一台凸极同步发电机， ，电枢，电枢电阻略去不计，试计算发电机额定电压、额定千伏安、电阻略去不计，试计算发电机额定电压、额定千伏安、（滞后）时发电机的空载电动势（滞后）时发电机的空载电动势 ，并作出相量图。，并作出相量图。dIqIUIqqjI XddjI x0E.QE.