同步发电机课件

1、同步发电机的基本工作原理和结构同步发电机的基本工作原理和结构1-1 发电机的基本工作原理发电机的基本工作原理同步发电机的基本工作原理和结构同步发电机的基本工作原理和结构 同步发电机以发电机方式运行时，首先由原动机拖动电同步发电机以发电机方式运行时，首先由原动机拖动电机的转子，使之以恒定转速机的转子，使之以恒定转速n旋转。旋转。 然后，在励磁绕组两端外加直流电压然后，在励磁绕组两端外加直流电压Uf，使励磁绕组流，使励磁绕组流通励磁电流通励磁电流If建立励磁磁场建立励磁磁场0。 因为转子旋转，所以通过定子每相绕组的磁通因为转子旋转，所以通过定子每相绕组的磁通(投影到垂投影到垂直方向直方向)将随时间

2、按正弦规律变化。于是，根据电磁感应原理将随时间按正弦规律变化。于是，根据电磁感应原理可知，在定子三相绕组分别感应出幅值相等、频率相等、相可知，在定子三相绕组分别感应出幅值相等、频率相等、相位各差位各差1200的三相正弦电动势。的三相正弦电动势。 如果在定子三相绕组的出线端接上负荷，就会有三相交如果在定子三相绕组的出线端接上负荷，就会有三相交流电流产生，同时有交流电能输出。流电流产生，同时有交流电能输出。同步发电机的基本工作原理和结构同步发电机的基本工作原理和结构感应电动势的有效值为感应电动势的有效值为其中其中, ,N N为每相定子绕组的匝数，为每相定子绕组的匝数，f f为频率，为频率，p p为

3、定子极对数。为定子极对数。00444fN.E 转速与频率转速与频率6060fpnnfp电动势最大值电动势最大值对应磁通？对应磁通？同步发电机的基本工作原理和结构同步发电机的基本工作原理和结构1-2 发电机的基本结构发电机的基本结构 定子、转子、端盖及轴承、氢气冷却器、冷却器罩、出定子、转子、端盖及轴承、氢气冷却器、冷却器罩、出线盒、油密封装置、座板、刷架、隔音罩等部件组成。线盒、油密封装置、座板、刷架、隔音罩等部件组成。同步发电机的基本工作原理和结构同步发电机的基本工作原理和结构隐极机隐极机汽轮发电机汽轮发电机一对极，一对极，3000r/min，效率高，效率高5 . 62DL定定子子内内径径转

4、转子子长长度度同步发电机的基本工作原理和结构同步发电机的基本工作原理和结构凸极机凸极机水轮发电机水轮发电机多对极，转速低多对极，转速低07. 0125. 0DL定定子子内内径径转转子子长长度度同步发电机的基本工作原理和结构同步发电机的基本工作原理和结构1.1.定子定子 又称电枢，主要由定子铁心、定子绕组、机座、端盖等又称电枢，主要由定子铁心、定子绕组、机座、端盖等组成。用以感应产生三相交流电能组成。用以感应产生三相交流电能,实现机械能与电能的转换。实现机械能与电能的转换。（2 2）定子铁心：作用是为电机提供磁路。为了减少铁心的涡）定子铁心：作用是为电机提供磁路。为了减少铁心的涡流损耗，定子铁心

5、用流损耗，定子铁心用0.350.35或或0.5mm0.5mm厚的表面涂有绝缘漆的硅钢厚的表面涂有绝缘漆的硅钢片叠制而成，并沿轴向叠成多段，段间留有通风道，以便散片叠制而成，并沿轴向叠成多段，段间留有通风道，以便散热。定子铁心上开有槽，槽中嵌放结构完全相同的热。定子铁心上开有槽，槽中嵌放结构完全相同的AXAX，BYBY，CZCZ三相绕组，空间位置上彼此相差三相绕组，空间位置上彼此相差1201200 0（对于一对极电机而（对于一对极电机而言）。整个定子铁心靠拉紧螺杆及端部压圈紧固成一个整体，言）。整个定子铁心靠拉紧螺杆及端部压圈紧固成一个整体，固定在机座上。固定在机座上。（1）机座：钢板焊接而成，

6、作用是固定定子铁心，并与铁心）机座：钢板焊接而成，作用是固定定子铁心，并与铁心之间留有通风系统所需要的风道。之间留有通风系统所需要的风道。同步发电机的基本工作原理和结构同步发电机的基本工作原理和结构（3 3）定子绕组）定子绕组 又称电枢绕组，用以感应电动势，通过电流，传递功率。又称电枢绕组，用以感应电动势，通过电流，传递功率。定子绕组由许多线圈按一定规律连接而成，每个线圈通常由定子绕组由许多线圈按一定规律连接而成，每个线圈通常由多股铜线绕成。大容量电机定子线圈的单元部件制成半匝式多股铜线绕成。大容量电机定子线圈的单元部件制成半匝式的，线圈两边称为线棒，嵌在定子铁心槽内；槽外的部分称的，线圈两边

7、称为线棒，嵌在定子铁心槽内；槽外的部分称为端部，两个半匝绕组的一端焊在一起就形成一匝线圈。采为端部，两个半匝绕组的一端焊在一起就形成一匝线圈。采用三相双层叠绕组。用三相双层叠绕组。（5）电刷：连接转子上的励磁绕组和机外励磁电源）电刷：连接转子上的励磁绕组和机外励磁电源（4）接线端子及其密封：定子绕组输出端子及封套（相线、）接线端子及其密封：定子绕组输出端子及封套（相线、中性点），励磁电路接线端子中性点），励磁电路接线端子同步发电机的基本工作原理和结构同步发电机的基本工作原理和结构2.2.转子转子 转子上装有磁极，每个磁极上装有励磁绕组，用以建立转子上装有磁极，每个磁极上装有励磁绕组，用以建立励

8、磁磁场。隐极式转子主要由转子铁心、励磁绕组、阻尼绕励磁磁场。隐极式转子主要由转子铁心、励磁绕组、阻尼绕组、滑环、风扇、紧固件等组成。组、滑环、风扇、紧固件等组成。（1 1）转子铁心）转子铁心 既是电机磁路的主要组成部分，又是励磁绕组的固定部既是电机磁路的主要组成部分，又是励磁绕组的固定部件。转子铁心一般采用整块的具有良好导磁性能和机械强度件。转子铁心一般采用整块的具有良好导磁性能和机械强度的合金钢锻成，并与转轴锻成一个整体，转子铁心表面开有的合金钢锻成，并与转轴锻成一个整体，转子铁心表面开有放置励磁绕组的槽。放置励磁绕组的槽。同步发电机的基本工作原理和结构同步发电机的基本工作原理和结构（2 2

9、）励磁绕组）励磁绕组 作用是通过励磁电流，产生励磁磁场。励磁绕组的线圈作用是通过励磁电流，产生励磁磁场。励磁绕组的线圈用扁铜线绕制而成，绕组的结构形式为同心式，绕组中的所用扁铜线绕制而成，绕组的结构形式为同心式，绕组中的所有线圈相互串联，绕组两端通过引线分别接到两个滑环上。有线圈相互串联，绕组两端通过引线分别接到两个滑环上。（3 3）滑环）滑环 是固定在转轴端部的两个钢环。滑环之间，滑环与转轴是固定在转轴端部的两个钢环。滑环之间，滑环与转轴之间应绝缘。两滑环分别与两组固定的电刷相接触，通过滑之间应绝缘。两滑环分别与两组固定的电刷相接触，通过滑环接触使旋转的励磁绕组与静止的外部直流电源构成回路，

10、环接触使旋转的励磁绕组与静止的外部直流电源构成回路，从而将直流电源引入励磁绕组。从而将直流电源引入励磁绕组。同步发电机的基本工作原理和结构同步发电机的基本工作原理和结构（4 4）紧固件）紧固件 包括护环和中心环。由于汽轮机转速高，绕组端部离心包括护环和中心环。由于汽轮机转速高，绕组端部离心力大，采用护环把转子励磁绕组端部套紧，以防其甩出；用力大，采用护环把转子励磁绕组端部套紧，以防其甩出；用中心环来支持护环和防止转子绕组端部的轴向位移。为减少中心环来支持护环和防止转子绕组端部的轴向位移。为减少端部漏磁场，护环采用非铁磁合金材料。端部漏磁场，护环采用非铁磁合金材料。（5 5）阻尼绕组）阻尼绕组

11、是短路绕组，由放在槽楔下的铜条和转子两端的铜环焊是短路绕组，由放在槽楔下的铜条和转子两端的铜环焊接而成。作用是：在发电机短路或不对称运行时，利用其感接而成。作用是：在发电机短路或不对称运行时，利用其感应电流来削弱负序旋转磁场；发生振荡时起阻尼作用。应电流来削弱负序旋转磁场；发生振荡时起阻尼作用。同步发电机的基本工作原理和结构同步发电机的基本工作原理和结构4. 4. 密封油系统密封油系统 密封油系统密封油系统GHEGHE用于防止发电机内部高压氢气从转子与发用于防止发电机内部高压氢气从转子与发电机壳体之间的缝隙泄露出来，防止氢气受到空气的污染，电机壳体之间的缝隙泄露出来，防止氢气受到空气的污染，带

12、走运行时密封瓦产生的热量。带走运行时密封瓦产生的热量。 向发电机连续提供具有一定压力（高于氢压）、温度向发电机连续提供具有一定压力（高于氢压）、温度（4545C）和流量的密封油，压力密封油从不同油槽流入，抵）和流量的密封油，压力密封油从不同油槽流入，抵达转轴与密封瓦间隙，以相反方向分别向氢气侧和空气侧排达转轴与密封瓦间隙，以相反方向分别向氢气侧和空气侧排出，使空气侧与氢气侧完全分开。空气侧密封油系统和氢气出，使空气侧与氢气侧完全分开。空气侧密封油系统和氢气侧密封油系统各自独立设置。空气侧油机组主油泵供给，并侧密封油系统各自独立设置。空气侧油机组主油泵供给，并设置备用油泵，属开式。氢气侧油设置备

13、用油泵，属开式。氢气侧油1 1台交流油泵供给，属闭式。台交流油泵供给，属闭式。3. 3. 支撑轴承支撑轴承 安装在励磁侧，巴氏合金，轴承润滑油，顶轴油供应系统安装在励磁侧，巴氏合金，轴承润滑油，顶轴油供应系统同步发电机的基本工作原理和结构同步发电机的基本工作原理和结构5. 5. 氢气冷却系统器氢气冷却系统器 利用常规岛闭路冷却水系统利用常规岛闭路冷却水系统SRI提供提供的水冷却发电机内循的水冷却发电机内循环的氢气以及励磁机内循环的空气。同时对发电机和励磁机环的氢气以及励磁机内循环的空气。同时对发电机和励磁机内温度进行连续监视。内温度进行连续监视。 发电机内氢气的冷却由装在发电机端部的发电机内氢

14、气的冷却由装在发电机端部的4 4个冷却器完成。个冷却器完成。冷却器是热交换器，垂直布置在发电机上部，氢气由转子两冷却器是热交换器，垂直布置在发电机上部，氢气由转子两端的两个离心式风扇叶片驱动循环，正常运行压力为端的两个离心式风扇叶片驱动循环，正常运行压力为0.5MPa0.5MPa。入口氢气温度入口氢气温度8080C，出口，出口氢气温度氢气温度43C。发电机正常运行时，发电机正常运行时，4个冷却器全部投入而无备用，个冷却器全部投入而无备用，1个冷却个冷却器停运，发电机减出力至器停运，发电机减出力至70%。同步发电机的基本工作原理和结构同步发电机的基本工作原理和结构6. 6. 定子冷却水系统定子冷

15、却水系统 通过闭式低电导率水的循环回路带走定子线圈负荷运行通过闭式低电导率水的循环回路带走定子线圈负荷运行时产生的热量。时产生的热量。 氢气卸放罐中的定子水由水泵压入冷却器，在热交换器氢气卸放罐中的定子水由水泵压入冷却器，在热交换器中传给闭路冷却水系统中传给闭路冷却水系统SRISRI，冷却后的定子水经过电加热器接，冷却后的定子水经过电加热器接至过滤器处理后，回到氢气卸放罐。其中，大部分水进入发至过滤器处理后，回到氢气卸放罐。其中，大部分水进入发电机汽轮机侧进水母管，由多根软管送入定子绕组，经过定电机汽轮机侧进水母管，由多根软管送入定子绕组，经过定子绕组后带有热量的水回到位于进水母管同侧的出水母

16、管；子绕组后带有热量的水回到位于进水母管同侧的出水母管；小部分水直接去位于发电机励磁侧的出线端子和中性点端子，小部分水直接去位于发电机励磁侧的出线端子和中性点端子，经过部分定子线棒回到出水母管。最后一起回到氢气卸放罐。经过部分定子线棒回到出水母管。最后一起回到氢气卸放罐。同步发电机的基本工作原理和结构同步发电机的基本工作原理和结构1. 额定容量额定容量 额定运行时出线端的有功功率。千瓦额定运行时出线端的有功功率。千瓦(kW)或兆瓦或兆瓦(MW)。1-3 1-3 同步发电机的额定值同步发电机的额定值2. 额定电压额定电压 额定运行时三相定子绕组的线电压。伏（额定运行时三相定子绕组的线电压。伏（V

17、）或千伏（）或千伏（kV）3. 额定电流额定电流 额定运行时三相定子绕组的线电流。安（额定运行时三相定子绕组的线电流。安（A）或千安（）或千安（kA）4. 额定频率：我国额定工频为额定频率：我国额定工频为50Hz。赫兹（。赫兹（Hz）5. 额定功率因数额定功率因数 额定运行时的功率因数，额定有功与额定视在功率之比。额定运行时的功率因数，额定有功与额定视在功率之比。6. 额定效率：额定运行时的效率。额定效率：额定运行时的效率。同步发电机的基本工作原理和结构同步发电机的基本工作原理和结构型号型号Q F Q - 50 - 2汽轮汽轮 发电机发电机 氢冷氢冷 - 额定功率额定功率 - 2极极T S -

18、 900 / 135 - 56同步同步 水轮发电机水轮发电机 -定子铁心外径定子铁心外径 / 定子铁心长度定子铁心长度 - 56极极同步发电机的基本工作原理和结构同步发电机的基本工作原理和结构1-4 1-4 同步发电机的励磁系统同步发电机的励磁系统同步发电机的基本工作原理和结构同步发电机的基本工作原理和结构同步发电机的基本工作原理和结构同步发电机的基本工作原理和结构同步发电机的基本工作原理和结构同步发电机的基本工作原理和结构同步发电机的基本工作原理和结构同步发电机的基本工作原理和结构1、直流励磁机励磁系统、直流励磁机励磁系统 应用于应用于100MW以下中小型发电机，机械整流子换相，励以下中小型

19、发电机，机械整流子换相，励磁电流大时，换相困难磁电流大时，换相困难（1）自励直流励磁机励磁系统）自励直流励磁机励磁系统自励磁，利于自励磁，利于减小励磁容量减小励磁容量四、励磁系统分类四、励磁系统分类同步发电机的基本工作原理和结构同步发电机的基本工作原理和结构（2）他励直流励磁机励磁系统）他励直流励磁机励磁系统他励磁，时间常数减小他励磁，时间常数减小同步发电机的基本工作原理和结构同步发电机的基本工作原理和结构2、交流励磁机励磁系统、交流励磁机励磁系统 应用于应用于100MW及以上大型发电机组及以上大型发电机组（1）他励）他励1）副励磁机为中频感应发电机带静止硅整流器的励磁系统）副励磁机为中频感应

20、发电机带静止硅整流器的励磁系统副励磁机副励磁机400500Hz主励磁主励磁机机100Hz 解决了换向问题，通过控制整流器导通角来改变励磁电流。解决了换向问题，通过控制整流器导通角来改变励磁电流。主轴长度增加，副励或自动恒压调节器故障可导致失磁主轴长度增加，副励或自动恒压调节器故障可导致失磁同步发电机的基本工作原理和结构同步发电机的基本工作原理和结构2）副励磁机为永磁发电机带）副励磁机为永磁发电机带静止硅整流器静止硅整流器的励磁系统的励磁系统 利用永磁发电机代替副励磁机，简化调节设备和操作，提利用永磁发电机代替副励磁机，简化调节设备和操作，提高励磁系统可靠性。高励磁系统可靠性。同步发电机的基本工

21、作原理和结构同步发电机的基本工作原理和结构3）交流励磁机带旋转硅整流器的他励系统（无刷励磁系统）交流励磁机带旋转硅整流器的他励系统（无刷励磁系统）（1）没有整流子、滑环和电刷，减少维护量，运行可靠。）没有整流子、滑环和电刷，减少维护量，运行可靠。（2）没有接触部件磨损，无碳粉和铜沫对线圈的污染。）没有接触部件磨损，无碳粉和铜沫对线圈的污染。（3）旋转，不能直接测电流、不便监视绝缘和整流部分的运行）旋转，不能直接测电流、不便监视绝缘和整流部分的运行同步发电机的基本工作原理和结构同步发电机的基本工作原理和结构（2）自励）自励1）交流励磁机带静止晶闸管整流器的励磁系统）交流励磁机带静止晶闸管整流器的

22、励磁系统 励磁调节快速性好，励磁容量大。励磁调节快速性好，励磁容量大。不用副励磁机不用副励磁机同步发电机的基本工作原理和结构同步发电机的基本工作原理和结构2）交流励磁机带静止硅整流器的励磁系统）交流励磁机带静止硅整流器的励磁系统同步发电机的基本工作原理和结构同步发电机的基本工作原理和结构3、静止励磁系统（发电机自并励系统）、静止励磁系统（发电机自并励系统） 应用于大型发电机组，由励磁变压器经三相全控整流桥应用于大型发电机组，由励磁变压器经三相全控整流桥控制励磁电流控制励磁电流同步发电机的基本工作原理和结构同步发电机的基本工作原理和结构优点：优点：（1）励磁隙接线简单，无转动部分，维护费用低，可

23、靠性高）励磁隙接线简单，无转动部分，维护费用低，可靠性高（2）不需要同轴励磁机，缩短主轴长度，减少费用）不需要同轴励磁机，缩短主轴长度，减少费用（3）直接用晶闸管控制转子电压，励磁电压响应速度高）直接用晶闸管控制转子电压，励磁电压响应速度高（4）由发电机端直接取得励磁电源。）由发电机端直接取得励磁电源。缺点：缺点：（1）发电机端短路时能否满足强励要求，机组励磁是否失磁）发电机端短路时能否满足强励要求，机组励磁是否失磁（2）短路电流衰减迅速，带时限的继电保护是否会拒绝动作）短路电流衰减迅速，带时限的继电保护是否会拒绝动作同步发电机的基本工作原理和结构同步发电机的基本工作原理和结构4、三磁谐波励磁

24、系统、三磁谐波励磁系统 应用于小型发电机组单机运行应用于小型发电机组单机运行同步发电机的基本工作原理和结构同步发电机的基本工作原理和结构五、灭磁五、灭磁同步发电机的基本工作原理和结构同步发电机的基本工作原理和结构同步发电机的基本工作原理和结构同步发电机的基本工作原理和结构同步发电机的电动势和磁动势同步发电机的电动势和磁动势由于励磁绕组采用分布方式，由于励磁绕组采用分布方式，励磁磁动势产生的气隙磁通密励磁磁动势产生的气隙磁通密度呈阶梯形空间分布度呈阶梯形空间分布磁动势磁动势=基波基波+高次谐波高次谐波感应电动势感应电动势=基波基波+高次谐波高次谐波2-1 2-1 交流绕组的感应电动势交流绕组的感

25、应电动势4 44piiwimiE.f Nk绕组系数绕组系数讨论：讨论：感应电动势与每极磁通成感应电动势与每极磁通成正比，要调节端电压需调励磁。正比，要调节端电压需调励磁。同步发电机的电动势和磁动势同步发电机的电动势和磁动势wiyiqikkk绕组系数绕组系数短距系数短距系数分布系数分布系数短距系数短距系数分布系数分布系数同步发电机的电动势和磁动势同步发电机的电动势和磁动势（1 1）改善主极磁场分布。）改善主极磁场分布。 改善励磁绕组分布范围使主极磁通沿定子表面分布接改善励磁绕组分布范围使主极磁通沿定子表面分布接近正弦波。近正弦波。（2）将三相绕组接成星形接法。）将三相绕组接成星形接法。 消除线电

26、动势中消除线电动势中3次及其倍数次谐波。次及其倍数次谐波。 （3）采用短距绕组来削弱谐波电动势。）采用短距绕组来削弱谐波电动势。 合理选择线圈节距，使某次谐波的短距系数为合理选择线圈节距，使某次谐波的短距系数为0便可消便可消除该次谐波。除该次谐波。讨论：改善电动势（削弱高次谐波）的方法讨论：改善电动势（削弱高次谐波）的方法（4）采用分布绕组来削弱谐波电动势。）采用分布绕组来削弱谐波电动势。 适当选择每极每相槽数，使某次谐波的分布系数为适当选择每极每相槽数，使某次谐波的分布系数为0便便可消除该次谐波。可消除该次谐波。同步发电机的电动势和磁动势同步发电机的电动势和磁动势2-2 2-2 交流绕组的磁

27、动势交流绕组的磁动势一、单相脉振磁动势一、单相脉振磁动势在空间的分布情况在空间的分布情况随时脉振变化情况随时脉振变化情况同步发电机的电动势和磁动势同步发电机的电动势和磁动势对单相绕组产生的磁对单相绕组产生的磁动势进行傅立叶分解动势进行傅立叶分解 单相绕组基波磁动势是脉振磁动势，在空间按余弦规律单相绕组基波磁动势是脉振磁动势，在空间按余弦规律分布，脉振频率为基波电流频率。分布，脉振频率为基波电流频率。最大幅值最大幅值FP1=0.9kw1NI/p，幅值位置在相绕组的轴线上。幅值位置在相绕组的轴线上。 )120cos()120cos(),()120cos()120cos(),(coscos),(00

28、11001111txFtxftxFtxftxFtxfPWPVPU同步发电机的电动势和磁动势同步发电机的电动势和磁动势 单相绕组的脉振基波磁动势可分解为两个转速相同、单相绕组的脉振基波磁动势可分解为两个转速相同、转向相反的旋转磁动势。转向相反的旋转磁动势。)120cos()120cos(),()120cos()120cos(),(coscos),(0011001111txFtxftxFtxftxFtxfPWPVPU11101110111112211240221112022UPPVPPwPPfx,tFtxFtxfx,tFtxFtxfx,tFtxFtxcoscoscoscoscoscos同步发电机的

29、电动势和磁动势同步发电机的电动势和磁动势同步发电机的电动势和磁动势同步发电机的电动势和磁动势讨论：讨论：（1 1）单相绕组产生的基波磁动势是脉振磁动势，在空间按）单相绕组产生的基波磁动势是脉振磁动势，在空间按余弦规律分布，脉振频率为基波电流频率。可分解为两个转余弦规律分布，脉振频率为基波电流频率。可分解为两个转速相同、转向相反的旋转磁动势。速相同、转向相反的旋转磁动势。（2）单相脉振基波磁动势的最大幅值为）单相脉振基波磁动势的最大幅值为0.9kw1NI/p（kw1为绕为绕组系数），幅值位置在相绕组的轴线上。组系数），幅值位置在相绕组的轴线上。 （3）单相脉振基波磁动势是一对极下一相线圈组的磁动

30、势。）单相脉振基波磁动势是一对极下一相线圈组的磁动势。对于双层绕组是两个线圈组，对单层绕组是一个线圈组。对于双层绕组是两个线圈组，对单层绕组是一个线圈组。同步发电机的电动势和磁动势同步发电机的电动势和磁动势二、三相旋转磁动势二、三相旋转磁动势111111UVWPf x,tfx,tfx,tfx,tFtxFtx()() +() +()3=cos()2=cos()11PFF3=2将三相基波脉振磁动势合成：将三相基波脉振磁动势合成：合成磁动势为一个空间按余弦规律分布，幅值恒定不变，合成磁动势为一个空间按余弦规律分布，幅值恒定不变，随着时间推移的正向（逆时针）旋转的磁动势，其旋转速随着时间推移的正向（逆

31、时针）旋转的磁动势，其旋转速度为同步速。度为同步速。同步发电机的电动势和磁动势同步发电机的电动势和磁动势讨论：讨论：（1 1）三相对称绕组通入对称电流时，合成磁动势的基波是）三相对称绕组通入对称电流时，合成磁动势的基波是一个幅值恒定的旋转磁动势，其幅值为每相脉振磁动势幅值一个幅值恒定的旋转磁动势，其幅值为每相脉振磁动势幅值的的m/2倍（倍（m为相数），为相数），即即 ( (m/2)( 0.9kw1NI/p)。（2）当某相电流达最大值时，合成磁动势的幅值正好处于）当某相电流达最大值时，合成磁动势的幅值正好处于该相绕组的轴线上。该相绕组的轴线上。（3）合成磁动势的转速决定于电流的频率和电机的极对数

32、。）合成磁动势的转速决定于电流的频率和电机的极对数。（4）合成磁动势的转向决定于电流的相序，从超前相转向）合成磁动势的转向决定于电流的相序，从超前相转向滞后相。滞后相。同步发电机的运行原理同步发电机的运行原理转子由原动机拖动到同步转速转子由原动机拖动到同步转速转子绕组通入直流励磁电流转子绕组通入直流励磁电流电枢绕组开路电枢绕组开路 空载运行状态空载运行状态转子励磁电流转子励磁电流 if 励磁磁动势励磁磁动势Ff励磁磁场励磁磁场主磁通主磁通0 主极漏磁通主极漏磁通f 1 1）主磁通是空载时的气隙磁通，或称励磁磁通，与定转子同）主磁通是空载时的气隙磁通，或称励磁磁通，与定转子同 时交链。时交链。

33、2 2）主极漏磁通只交链励磁绕组，不参与电机的机电能量转换）主极漏磁通只交链励磁绕组，不参与电机的机电能量转换 过程。过程。 讨论：讨论：3-1 3-1 同步发电机的空载运行同步发电机的空载运行同步发电机的运行原理同步发电机的运行原理同步发电机的运行原理同步发电机的运行原理主磁通与转子以同步速旋转主磁通与转子以同步速旋转在气隙内形成旋转磁场在气隙内形成旋转磁场电枢绕组的导体切割磁场电枢绕组的导体切割磁场在电枢绕组中感应电动势在电枢绕组中感应电动势（励磁电动势（励磁电动势 ）;00 EEA;1200 EEB;2400 EEC0104.44wEfNk1 1）改变励磁电流）改变励磁电流 if 就可得

34、到不同就可得到不同的励磁磁场的励磁磁场0和励磁电动势和励磁电动势E0 。 讨论：讨论：2）E0=f(if)称为发电机的空载特性。称为发电机的空载特性。 由于由于E0 if ，if Ff ，空载曲线实质上就反映了电机的磁化，空载曲线实质上就反映了电机的磁化曲线。空载特性是同步发电机的基本特性之一。曲线。空载特性是同步发电机的基本特性之一。 同步发电机的运行原理同步发电机的运行原理ffiiaback0饱和因数饱和因数 讨论：空载特性反映了发电讨论：空载特性反映了发电机的磁化特性，而磁化特性机的磁化特性，而磁化特性不管空载或负载都适用，所不管空载或负载都适用，所以空载特性不仅适用于空载以空载特性不仅

35、适用于空载情况，也适用于负载情况。情况，也适用于负载情况。 （1.11.25 ）同步发电机的运行原理同步发电机的运行原理3-2 3-2 三相同步发电机的电枢反应三相同步发电机的电枢反应 同步发电机带上负载后同步发电机带上负载后电枢绕组有电流通过电枢绕组有电流通过出现第二个磁动势出现第二个磁动势（电枢磁动势）（电枢磁动势）（旋转磁动势，转速为同步速）（旋转磁动势，转速为同步速）励磁磁动势励磁磁动势合成磁动势合成磁动势气隙合成磁场气隙合成磁场 负载时电枢磁动势的基负载时电枢磁动势的基波对主极磁通基波的影响，波对主极磁通基波的影响，就称为电枢反应，因此，电就称为电枢反应，因此，电枢磁动势又称为电枢反

36、应磁枢磁动势又称为电枢反应磁动势。动势。同步电机的电枢磁动势的基波与励磁磁动势转速相同，转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，在空间保持相对静止。向一致，在空间保持相对静止。同步发电机的运行原理同步发电机的运行原理讨论：讨论：2) 2) 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。正由于这种相对静止，才使它们之间的相行的基本条件。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。磁转距，

37、实现机电能量转换。一、时空相矢图一、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，简称分析电枢反应时采用时间相量和空间矢量统一图，简称为为“时空相矢图时空相矢图” 。1.1.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。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。基波励磁磁动势基波励磁磁动势 及其磁密及其磁密 为一空间矢量。该矢量位于转子为一空间矢量。该矢量位于转子的极轴线上，方向为的极轴线上，方向为N极指向，极指向，以同步速旋转。以同步速旋转。1fF0B同步发电机的运行原理同步发电机的运行原理电枢磁动势电枢磁动势 也为空间矢量。也为空间矢量。如何确定如何确定其位置

38、？其位置？aF2.2.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。相量。同步电机的空载电动势（励磁同步电机的空载电动势（励磁电动势）电动势） 是时间相量，该相是时间相量，该相量的相位由转子的位置决定。量的相位由转子的位置决定。电动势相量的角频率与转子旋电动势相量的角频率与转子旋转的角速度都是转的角速度都是。0E同步发电机的同步发电机的运行原理运行原理同步电机的电枢电流同步电机的电枢电流 也是时也是时间相量，它的相位决定于电机间相量，它的相位决定于电机内部的阻抗和负载的性质。电内部的阻抗和负载的性质。电枢电流和空载电动势之间的相

39、枢电流和空载电动势之间的相位差角位差角，称为内功率因数角。，称为内功率因数角。I1）同步电机的空间矢量是指整个电机的量，没有三相之分，）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。而同步电机的时间相量却有三相之分。同步发电机的同步发电机的运行原理运行原理讨论：讨论：2）由于研究电机带三相对称负载运行，为了简便，在今后的）由于研究电机带三相对称负载运行，为了简便，在今后的 相量图中，仅画相量图中，仅画A相时间相量，而且在相量符号中不加注相时间相量，而且在相量符号中不加注 脚脚A。其它相的量可根据互差。其它相的量可根据互差120 度画出来。度画出来。 3.

40、时空相矢图：由于空间矢量和时间相量旋转的角速度都是时空相矢图：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，把空间轴线为了分析上的方便，把空间轴线+A与时间轴线与时间轴线 +t 重合在一起，称为时间相量和空间矢量统一重合在一起，称为时间相量和空间矢量统一 图，简称为图，简称为“时空相矢图时空相矢图”。 同步发电机的同步发电机的运行原理运行原理 电枢反应的性质是由电枢反应的性质是由角决定的，即单机运行时电枢反应的角决定的，即单机运行时电枢反应的性质是由负载的性质决定的。性质是由负载的性质决定的。1. 1. 与与 同相位时的电枢反应同相位时的电枢反应交轴电枢反应交轴电枢反应0EI同步

41、发电机的同步发电机的运行原理运行原理二、不同二、不同角时的电枢反应角时的电枢反应afFFF1aaqFF交轴电枢反应磁动势交轴电枢反应磁动势 F气隙磁动势气隙磁动势 直轴直轴d交轴交轴qn 交轴电枢反应的作用：交轴电枢反应的作用：1 1）定子合成磁动势）定子合成磁动势 扭斜了扭斜了 角，幅值也有所增加，从而使气角，幅值也有所增加，从而使气隙磁场的大小也有所增加。隙磁场的大小也有所增加。同步发电机的同步发电机的运行原理运行原理2 2）交）交轴电枢反应磁场与励磁磁场垂直，产生切向力，进而产生轴电枢反应磁场与励磁磁场垂直，产生切向力，进而产生电磁转距。电磁转距。 同步电机的电磁转矩和能量转换与交轴电枢

42、反应密切相关。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成一定的 角，从而实现机、电能量转换，所以交轴电枢反应角，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。是实现机、电能量转换的必要条件。 2. 2. 落后落后 9090o o 时的电枢反应时的电枢反应直轴电枢反应直轴电枢反应0EI同步发电机的同步发电机的运行原理运行原理1faFFFaadFF直轴电枢反应磁动势直轴电枢反应磁动势 去磁去磁直轴直轴d交轴交轴qn 直轴电枢反应的作用：直轴电枢

43、反应的作用：1 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）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。合成磁场减小。 同步发电机的同步发电机的运行原理运行原理2 2）由于合成磁动势没有扭斜现象（）由于合成磁动势没有扭斜现象（ ），此时直轴电枢反），此时直轴电枢反 应磁场与励磁磁场正对，相当于应磁场与励磁磁场正对，相当于N N极、极、S S极轴线重合，不会产极轴线重合，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。转换。0同步发电机的同步发电机的运行原理运行原理3. 3. 超前超前

44、9090o o 时的电枢反应时的电枢反应直轴电枢反应直轴电枢反应0EI1faFFFaadFF直轴电枢反应磁动势直轴电枢反应磁动势 加磁加磁直轴直轴d交轴交轴qn 直轴电枢反应的作用：直轴电枢反应的作用：1 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）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。合成磁场增强。同步发电机的同步发电机的运行原理运行原理2 2）由于合成磁动势没有扭斜现象（）由于合成磁动势没有扭斜现象（ ），所以也不会产），所以也不会产 生电磁转矩，也不能进行机电能量转换。生电磁转矩，也不能进行机电能量转换。 04.4.一般情况下的电枢反应一般情况

45、下的电枢反应同步发电机的同步发电机的运行原理运行原理cossinaaqaadaqadaFFFFFFFsincosdqdqIIIIIII三相三相Id系统系统Fad三相三相Iq系统系统Faq(0 90)1 1） 0 90时，时，交轴电枢反应磁动势使气隙磁场扭斜，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。场减小。 3) 3) 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，进换，而直轴电

46、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。而引起电机端电压的变化。 2）90 fS ，并把电网电压相量看成相对静止的，则，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发电机的电压相量将以 G - S 的相对速度向前旋转。此时，发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，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。并联投入时将在发电机和电网内产生环流。同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行3. 3. 电压相等，频率相等，但发电机和电网三相电压相序不同电压相等，频率相等，但发

47、电机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它两相由于相序不同而使电压相位相差120120，它将引起冲击环，它将引起冲击环流，危害电机的安全运行。流，危害电机的安全运行。同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行讨论：讨论：1 1）由于频率不同，在某些瞬间，环流）由于频率不同，在某些瞬间，环流 和和 的夹角的夹角 ， 电机将向电网输出功率；在另一些瞬间，电机将向电网输出功率；在另一些瞬间， ，电机便从电机便从 电网吸收功率，故电机将时而作为发电机，时而作为电动机电网吸收功率，故电

48、机将时而作为发电机，时而作为电动机 运行，在电网内引起一定的功率振荡。运行，在电网内引起一定的功率振荡。 UcI90902 2）对电机本身，由于存在巨大的暂态电流和冲击转矩，也非常）对电机本身，由于存在巨大的暂态电流和冲击转矩，也非常 不利。不利。 三、并联投入方法三、并联投入方法整步方法：准整步法和自整步法。整步方法：准整步法和自整步法。 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行 把发电机投入到电网所进行的操作过程称为整步过程（或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、并列、同步、同期称并车、并列、同步、同期)。整步过程整步过程把发电机调整到完全把发电机调整到完全合乎并联投

49、入条件，合乎并联投入条件，然后投入电网，叫准然后投入电网，叫准整步。整步。首先校验发电机的相序，并按照首先校验发电机的相序，并按照规定的转向规定的转向(和定子旋转磁场的转和定子旋转磁场的转向一致向一致)把发电机拖动到接近同步把发电机拖动到接近同步速旋转，把励磁绕组通过一限流速旋转，把励磁绕组通过一限流电阻短路电阻短路(不加励磁不加励磁)，然后把发电，然后把发电机投入电网，并立即加上励磁，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，依靠定、转子间形成的电磁力矩，把转子自动地拉入同步。把转子自动地拉入同步。2 2）进行自整步操作时要注意，发电机投入电网时，励磁绕组不）进行自整步操作时

50、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。把灭磁电阻接入闭合的励磁回路作为限流电阻。 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行讨论：讨论：1）采用准整步法合闸时没有冲击电流，缺点是操作较复杂，尤）采用准整步法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，采用其当电网发生故障时，电网电压和频率时刻都在变化，

51、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。自整步法。 3 3）自整步法主要缺点是投网时冲击电流稍大。）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同步发电机的并联运行小结：并列小结：并列/ /同步同步/ /同期同期/ /整步整步 同期点：断开时，开关两测电压来自于不同电源同期点：断开时，开关两测电压来自于不同电源同期分类：同期分类：（1 1）准同期：汽轮机）准同期：汽轮机 升速升速定速定速加励磁加励磁升压至额定值升压至额定值检测同检测同期期合闸送电合闸送电同期条件：电压、频率、初相位相同同期条件：电

52、压、频率、初相位相同（2 2）自同期：水轮机）自同期：水轮机升速升速定速定速合闸送电合闸送电加励磁加励磁升压至额定值升压至额定值一、功率平衡方程式一、功率平衡方程式同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行4-3 4-3 同步发电机的功率和转矩平衡方程式同步发电机的功率和转矩平衡方程式输入机械输入机械功率功率机械损耗机械损耗铁耗铁耗附加损耗附加损耗电磁功率电磁功率MadfemPpppP1cuaMpPP2输出电功率输出电功率电枢电枢铜耗铜耗acuarmIp2cos2mUIP 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行cosImEPM电磁功率电磁功率PM是从转子方面通过气隙是从转子方面通过气隙合成磁场

53、传递到定子的功率。合成磁场传递到定子的功率。 coscosaUIrE I由相量图得由相量图得coscos2ImErmImUIacuaMpPP2二、转矩方程式二、转矩方程式10MMM1111MmfePppP同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行pfn260211（电弧度（电弧度/秒）秒） 同步角速度 输入转矩输入转矩空载转矩空载转矩电磁转矩电磁转矩n 通过功角特性，可以确定稳态运行时发电机所能发出的最通过功角特性，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。大电磁功率，还可以用它来分析静态稳定等问题。同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行4-4 4-4

54、同步发电机的功角特性同步发电机的功角特性 同步电机接在电网上对称稳态运行时，电机的电磁功率与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称为功角特性。功率角之间的关系称为功角特性。( )MPf0E U 功率角功率角功角特性是同步电功角特性是同步电机并网运行的基本机并网运行的基本特性之一。特性之一。一、隐极式同步发电机的功角特性一、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（即即：在恒定励磁和恒定电网电压（即E0=常数，常数，U常数）常数） 时，电磁功率取决于功率角时，电磁功率取决于功率角。同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行0sinMsmUEPxcos2m

55、UIPPMcos()MPmUIcoscossinsin mUIsincossUIx0cossinsEUIx1 1）若功角特性两边同除以同步机械角速度若功角特性两边同除以同步机械角速度1，则得，则得 适当改变比例尺，功角特性也可适当改变比例尺，功角特性也可表示为表示为Mf（）的关系曲线。）的关系曲线。2 2）不同的励磁电流产生不同的励磁电不同的励磁电流产生不同的励磁电 动势动势 E0，进而得到不同的功角特性。，进而得到不同的功角特性。同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行讨论：讨论：011sinMsmUEPMx3 3）标么值表示）标么值表示*0sincosMsU EPMU Ix同步发电机的并联

56、运行同步发电机的并联运行推导：推导：功率的基值均为功率的基值均为SN0*00*sinsinsinNsMMNNNNNsNsmU EUUxEE UPPSmUIUUx Ix*coscosMMNNNmU IPPU ISmUIsMxmUEP0max90时时二、凸极式同步发电机的功角特性二、凸极式同步发电机的功角特性基本电磁功率基本电磁功率附加电磁功率附加电磁功率同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行2011sinsin22MMMdqdUEUPmmPPxxxmaxMMPP90m时时推导：推导：同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行cos()MPmUIcoscossinsin mUIcossinqdmU

57、ImUIsinqqI xUsinqqUIx0cosddI xEU0cosddEUIx由相量图：由相量图：2 2）对于凸极机，由于对于凸极机，由于 xdxq ，所以附加电磁功率将不为零。，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。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同步发电机的并联运行讨论：讨论：1 1）对于隐极机，对于隐极机，xd=xq=xs，因此附加电磁功率为零。，因此附加电磁功率为零。3 3）附加电磁功率只与电网电压附加电磁功率只与电网电压

58、 U 有关，而与有关，而与 E0 的大小无关。的大小无关。 即使即使 E00（即转子没有励磁），只要（即转子没有励磁），只要U0 ，就会产生附，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 将比具有同样将比具有同样 E0、U 和和 xd 的隐极机略大，且的隐极机略大，且U，发电机不输出有功功率，但输出感性，发电机不输出有功功率，但输出感性 无功功率无功功率同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行0I 0I 全部为感性无功电流全部为感性无功电流同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行2. 发电机并网运行，增加来自原动机输入功

59、率发电机并网运行，增加来自原动机输入功率P1P1M1M1 M0转子加速，转子加速，nn1超前超前0BB0EU超前超前0 ，PM0发电机开始输发电机开始输出有功电流出有功电流M0M M1 M0 增加至某增加至某一数值一数值n=n1发电机在发电机在角下稳定运行角下稳定运行02sinMsmUEPPx同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行1 1）对于一台并联在无限大电网上）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的输入功率，而随着输出功率的增大，当励磁不作调节时，功

60、率角就大，当励磁不作调节时，功率角就必须增大。在调节有功过程中，转必须增大。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。后发电机的转速仍将保持为同步速。 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）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，当功率角磁功率。对于隐极发电机，当功率角达到达到 90 时，电磁功率将时，电磁功率将达到最大值达到最大值 PMmax ，它称为同步发电机的功率极限。如果再增，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