同步发电机学习

同步发电机学习第1页/共48页10.1同步发电机的空载运行励磁磁动势和励磁磁场：空载运行时定子（电枢）电流为零，电机气隙中只有转子的励磁电流If单独产生的磁动势Ff和磁场。主磁通φ1：励磁磁通中既交链转子绕组，又经过气隙交链定子绕组的部分。空载运行：同步发电机转子被原动机拖动到同步转速n=n1=转子绕组通入直流励磁电流而定子绕组开路。定子三相绕组切割主磁通而感应出频率为f的一组对称三相交流电动势基波分量的有效值：式中N1——定子每相绕组串联匝数；

φ1——每极基波磁通，单位为Wb；

Kw1——基波电动势的绕组因数；

E0——电动势的基波分量有效值，单位为V。第2页/共48页改变转子的励磁电流If，就可以相应地改变主磁通φ1和空载电动势E0。曲线E0=f(If)称为发电机的空载特性。E0∝φ1，If∝Ff,改变坐标后空载特性曲线也就可以表示为发电机的磁化曲线φ1=F(If)。说明了两个特性曲线具有本质上的内在联系，任何一台发电机的空载特性曲线实际上也反应了它的磁化曲线,当主磁通φ1较小时，磁路处于不饱和状态，铁心部分所消耗的磁压降相比较，可略去,认为绝大部分磁动势消耗于气隙中，φ1∝Ff，所以空载曲线（磁化曲线）下部是一条直线。把它延长后所得直线0G（曲线2）称为气隙线。随着φ1的增大，铁心逐渐饱和，它所消耗的磁压降不可忽略，此时空载曲线就逐渐变弯曲第3页/共48页设计发电机时，通常把发电机的额定电压点设计在磁化曲线的弯曲处，如图曲线1上a点，此时的磁动势称为额定励磁磁动势Ff0。线段ab表示消耗在铁心部分的磁动势。线段bc表示消耗在气隙部分的动势Fδ0。E´0表示磁路不饱和时，对应于励磁磁动势Ff0的空载电动势Ff0与Fδ0的比值反映发电机磁路的饱和程度，用Ks表示，称为饱和系数。通常，同步发电机的饱和系数Ks值约为1.1~1.25左右。第4页/共48页空载特性可以通过计算或试验得到。试验测定的方法与直流发电机类似。同步电机的空载特性也常用标么值表示，空载电势以额定电压为基值。用标么值表示的空载特性具有典型性，不论电机容量的大小，电压的高低，其空载特性彼此非常接近。空载特性在同步发电机理论中有着重要作用：①将设计好的电机的空载特性与相应数据相比较，如果两者接近，说明电机设计合理，反之，则说明该电机的磁路过于饱和或者材料没有充分利用。②空载特性结合短路特性可以求取同步电机的参数。③发电厂通过测取空载特性来判断三相绕组的对称性以及励磁系统的故障。几点补充第5页/共48页10.2同步发电机的电枢反应同步发电机有负载时，除了励磁磁动势外，由于定子绕组中有电流流过，定子绕组将在气隙中产生一个旋转磁动势—电枢磁动势。对称负载时电枢磁动势的基波对主极磁场基波的影响，简称对称负载时的电枢反应。电枢磁动势Fa与负载电流I同相所以研究Ff与Fa间的空间相对位置可以归结为研究E0与I间的相位差φ（φ称为内功率因数角）。电枢反应的性质主要取决于E0与I之间的相位差φ，亦即主要取决于负载的性质。下面就φ角的几种情况，分别讨论电枢反应的性质。基波波形大小位置转速转向励磁磁动势正弦波恒定，由励磁电流决定由转子位置决定由原动机的转速决定由原动机决定电枢反应磁动势正弦波恒定，由电枢电流决定由电流瞬时值决定由磁极对数和电流频率决定由电流相序决定第6页/共48页一、I和E0同相（φ=0）时的电枢反应当φ=0°时，图a中所示瞬间，U相绕组的轴线与主磁极的交轴（q轴）重合，此时U相绕组导体切割主磁通最多，故U相绕组励磁电动势为最大值，其方向按右手定则确定。因为φ=0°，所以此瞬间U绕组中的电流也达到最大值。这时三相励磁电支势的电枢电流的相量关系如图b所示。由交流旋转磁场原理可知，定子三相合成磁动势的幅值总是位于电流为最大值的一相绕组轴线上，可见电枢磁动势Fa滞后励磁磁动势Ff90°。这种电枢磁动势称为交轴电枢磁动势，用Faq表示，相应的电枢反应称为交轴电枢反应。由图c可见，对主磁场而主，交轴电枢反应在前极尖将起去磁作用，在后极尖则起增磁作用。对于气隙磁场交轴电构反应将使合成磁场的轴线位置同步发电机原理图从空载时的直轴处逆转向后移了一个锐角，且幅值也有所增加。但因磁路的饱和现象，交轴电枢反应有去磁作用。第7页/共48页

二、I滞后E090°（φ=90°）时的电枢反应当φ=90°时，定子各相电流的分布如图a、b所示。此时U相励磁电动势虽为最大值。此时转子的相对位置将如图c、d所示，也就是说U相电流达到最大值时，转子已向前转过90°，电枢磁动势的幅值恰好位于励磁磁动势的轴线上，但方向相反。此时的电枢磁动势称为直轴电枢磁动势，用Fad表示，相应的电枢反应称为直轴电枢反应，可见φ=90°时直轴电枢反应的性质是纯粹去磁的。第8页/共48页三、I超前E090°（φ=90°）时的电枢反应说当U相电流达到最大值时，转子磁场的空间位置滞后φ=0°时的转子磁场的位置90°。这时电枢磁动势的幅值又位于励磁磁动势的轴线上，但两者方向相同，其电枢反应的性质是纯粹增磁的，同样也称为直轴电枢反应。当φ=90°时，定子各相电流的分布如图a所示。此时U相励磁电动势虽为最大值，但电枢电流仍为零。U相电流在超前90°时达到最大值。此时转子的相对位置交如图c、d所示，也就是第9页/共48页

四、在一般情况下0°＜φ＜90°，I滞后E0一个锐角φ图示瞬间，U相的励磁电动势恰好达到最大值，但由于电枢电流I滞后励磁电动势E0φ角，所示U相电流必须过了一段时间，等转子转过φ空间电角度时（图c所示位置）才能达到最大值，电枢磁动势Fa的幅值才位于U相绕组的转向位置上，此时电枢磁动势Fa滞后励磁磁动势Ff(90＋φ)空间电角度。这时的电枢反应既非交磁性质也非纯去磁性质，而是兼有两种性质。第10页/共48页将此时电枢磁动势Fa分解成直轴和交轴两个分量，即Faq起交磁作用，Fad起去磁作用。此时的电枢反应也可以这样说明，如将每一相的电枢电流I都分解Id和Iq两个分量，即其中Iq与励磁电动势E0同相位，它们（指三相的该分量，即IQu、IqV、IqW）产生交轴电枢磁动势Faq分量Iq叫做I的交轴分量，而Id滞后励磁电动势E090°，它们产生直轴电枢磁动势Fad，把分量Id叫做I的直轴分量第11页/共48页电枢反应是同步发电机负载运行时的重要物理现象，它不仅是引起有负载时端电压变化的主原因，而且也是发电机实现能量转换的枢纽。考虑电枢反应的作用，有负载时电枢绕组中的感应电动势将由气隙合成磁场建立。气隙电动势减去定子漏阻抗压降，便得到端电压。通常发电机的负载为感性负载，电枢反应含有去磁作用，使气隙磁场削弱。相应的气隙电动势将小于励磁电动势。随着负载的增加，必须增大励磁电流。综上所述第12页/共48页10.3同步发电机的负载运行10.3.1凸极同步发电机的电动势方程式和相量图一、凸极同步发电机的电动势方程式利用双反应理论和叠加原理进行分析，即把电枢磁场分解为直轴和交轴电枢磁场，它们和励磁磁场互相独立地存在于同一磁路中，这些磁场各自在定子绕组中感应电动势，这些电动势的总和便是每相绕组的气隙合成电动势Eδ,Eδ减去定子漏阻抗压降后，便得到发电机的端电压。电磁关系式表达：励磁磁动势Ff→φ1→E0直轴电枢反应磁动势Fad→φad→EadEδ交轴电枢反应磁动势Faq→φaq→Eaq第13页/共48页式中E0—励磁磁动势（或空载电动势），由主磁磁通φ1产生Ead及Eaq——直轴电枢反应电动势和交轴电枢反应电动势，它们分别由直轴电枢反应磁通φad和交轴电枢反应磁通φaq产生。不计饱和，φad与φaq正比于Fad及Faq，又分别正比于电流Id及Iq即：滞后于，滞后于，可写成：式中Xad和Xaq——直轴电枢反应电抗和交轴电枢反应电抗。电枢回路的电动势方程：Eδ=E0+Ead+Eaq=U+I(Ra+jxσ

)第14页/共48页电枢磁动势不仅产生电枢反应磁通，还产生与转子无关的漏磁通φa，感应漏磁通电动势Eσ：则由电枢回路的电动势方程式可得：式中Xd——直轴同步电抗，Xd=Xa+Xad;Xq——交轴同步电抗，Xq=Xa+Xaq。一般Xd＞Xq。第15页/共48页二、凸极同步发电机的相量图同步发电机带感性负载，发电机的端电压U、负载电流I和功率因数cosφ及参数Ra、Xd、Xq均匀已知，并假定已知φ，则按照上式可以画出凸极同步发电机的相量图Id滞后于OG90°，与OG同相。电阻压降IRa与电流I同相，交轴同步电抗压降MN=jIqXq及直轴同步电抗压降NG=jIdXd分别超前电流Iq和Id90°,将U、IRa、jIdXd相量相加，即得励磁电动势E0=OG。作图过程如下：先画出电压U及电流I，作OG直线越前于电流I一个φ角，OG直线E0的方向。然后将电流I分解为直轴分量Id和交轴分量Iq，第16页/共48页实际上相量图很难直接画出，这是因为E0和I之间相位差φ角是无法测定，这样就无法把电流I分解成直轴和交轴分量，整个相量图就作不出来。求出了内功率因数有φ，便可以把电流I分解为直轴分量Id和交轴分量Iq作出相量图：EQ与E0的关系：φ角：第17页/共48页10.3.2隐极同步发电机的电动势方程式和相量图隐极同步发电机中，由于气隙是均匀的，电枢反应用电枢反应电抗Xt表示：隐极同步发电机的电动势方程式：电动势相量图：知U、I、Rα、Xt及cosφ，则可按上式求出相量E0。根据相量图可计算E0值，即E0=EQ第18页/共48页10.3.3同步发电机的特性一、空载特性和短路特性1、空载特性空载特性：在发电机的转速保持同步转速（n=n1）、电枢开路（I=0）的情况下，空载电压（U0=E0）与励磁电流If的关系曲线U0=f(If)。空载特性是发电机的基本特性之一。表示征了发电机磁路的饱和情况下把它和短路特性、零功率因数负载特性配合在一起，可以确定发电机的基本参数、额定励磁电流和电压调整率等第19页/共48页2、短路特性短路特性：指发电机在同步转速下，电枢绕组端点三相短接时，电枢短路电流Ik与励磁电流If的关系曲线。即n=n1,U=0时Ik=f(If)。短路特性可由三相稳态短路试验测得。试验时：发电机的转速保持为同步转速，调节励磁电流If，使电枢的短路电流从零开始，一直到1.25IN左右为止，记取对应的短路电流Ik和励磁电流If，即可得到短路特性曲线短路试验的接线图短路时由于电枢反应的去磁作用，发电机中合成气隙磁动势数值很小，使磁路处于不饱和状态，所以短路特性是一条直线第20页/共48页短路时：发电机的端电压U=0，限制短路电流的仅是发电机的内部阻抗。由于一般同步发电机的电枢电阻Ra远小于同步电抗，所以短路电流可认为是纯感性的，即φ≈90°。这时的电枢电流几乎全部为直轴电流，它所产生的电枢磁动势基本上是一个纯去磁作用的直轴磁动势，即Fa=Fad,Faq=0,此时电枢绕组的电抗为直轴同步电抗Xd，等效电路相量图第21页/共48页二、外特性和调整特性1、外特性外特性是指发电机的转速保持同步转速，励磁电流和负载功率因数不变时，端电压与负载电流的关系曲线，即n=n1,If=常值时，U=f(I)。感性负载和纯电阻负载时，外特性都是下降的（曲线1、2）。因为这两种情况下电枢反应均有去磁作用，此外定子漏阻抗压降也引起一定的电压下降。容性负载时，电枢反应是增磁的，因此端电压U随负载电流I的增大反而升高，外特性则是上升的（曲线3）。不同功率因数时同步发电机的外特性第22页/共48页从外特性曲线上可求出发电机的电压调整率△U*(见下图）调节励磁电流，使额定负载时（I=IN，cosφ=cosφN）发电机的端电压额定电压UN，此时的励磁电流称为额定励磁电流IfN。然后保持励磁和转速不变，卸去负载，此时端电压升高的标么值就称为同步发电机的电压调整率，用△U*表示，要求已大为放宽，为防止卸载时电压剧烈上升，以致击穿绕组绝缘，所以△U*应小于50%。近代凸极发电机的△U*大体在18%~30%以内。汽轮发电由于电枢反应较大，故△U*也较大，大体在30%~48%范围内（均为cosφN=0.8滞后）。电压调整率是表征同步发电机运行性能的重要数据之一。近代同步发电机大多数均配有快速自动调压装置，因而对△U*第23页/共48页2、调整特性当发电机的负载发生变化时，为保持端电压不变，必须同时调节励磁电流。保持发电机的转速为同步转速，当其端电压和功率因数不变时，负载电流变化时其励磁电流的高速特性曲线就称为发电机的调整特性，即n=n1,U=常值，cosφ=常值时，If=f(I)。容性负载时，随着负载的增加，必须相应地减小励磁电流，以维持端电压恒定（曲线3），则曲线是不下降的。一常值，励磁电流必须相应增大。因此这两种情况下的调整特性都是上升的（曲线1和2）。感性和纯电阻性负载时，为了克服负载电流所产生的去磁电枢反应和阻抗压降，随着负载的增加，要保持端电压为不同负载性质时同步发电机的调整特性第24页/共48页三、稳态功角特性稳态功角特性:指同步发电机接在网上稳态对称运行时，发电机的电磁功率PM与功率角δ之间的关系。所谓功率角就是指励磁电势E0与端电压U之间的相位角δ。由于现代同步发电机的电枢绕组小于同步电抗，故可把Ra忽略不计，则发电机的凸极发电机的有功功率功角特性隐极发电机的有功功率功角特性第25页/共48页凸极发电机功角特性曲线凸极发电机的功角特性分两部分:附加电磁功率的特点:凸极发电机第26页/共48页隐极发电机的功角特性曲线隐极发电机的有功功率功角特性的特点:隐极发电机第27页/共48页1)是电动势和电压间的时间相位角;或称是励磁磁势和合成磁势间的空间夹角。2)是感应电动势的主磁通和产生电压的电枢等效假想磁通之间的夹角。功角的双重物理意义补充第28页/共48页用图示功角的双重物理意义第29页/共48页

转子因有原动机的驱动转矩克服定子合成磁极的制动转矩而作功,实现机电能量转换,将由原动机输入的机械能转变为电能输出。

可见，功角是研究同步发电机运行状态的一个重要参数，它不仅决定了发电机输出有功功率的大小，而且还反映发电机转子的相对空间位置，通过它把同步电机的电磁关系和机械运动紧密联系起来。第30页/共48页10.4同步发电机的并联运行许多发电厂并联在一起时，形成强大的电网，因此负载变化对电压和频率的影响就很小，从而提高了供电的质量和可靠性。并联运行优点:可以根据负载的变化来调节投入运行的机组数目，提高机组的运行效率便于轮流检修，提高供电的可靠性，减少发电机检修和事故的备用容量。对于由火力电厂和水力发电厂联合组成的电力系统，并联运行尚可达到合理调度电能，充分利用水能，使发电成本降低的目的。第31页/共48页10.4.1并联运行的条件同步发电机与电网并联合闸时，为了避免产生巨大原冲击电流，以防止同步发电机爱到损坏，电力系统受到严重干扰，应满足下列条件：1）发电机的电压和电网电压应具有相同的有效值、极性和相位。并网操作时只需注意满足第1）和2）项条件。安装发电机时，根据发电机规定的转向，确定发电机的相序得到满足制造发电机时得到保证2）发电机电压的频率应与电网的频率相等。3）对三相发电机，还要求其相序和电网相一致。4）发电机的电压波形应与电网电压波形相同，即均为正弦波形。第32页/共48页10.4.2有功功率和无功功率的调节为了简化分析，设发电机为隐极机，不计磁路饱和，不计电枢电阻，且电网为“无穷大电网”。“无穷大电网”:指电网的容量相对于分析的同步发电机容量来说要大很多。因此电网的电压和频率不会因并联上去的同步发电机功率调节的影响而改变，即电网的电压和频率恒定为常值。实际上，电网上的负载发生变化时，总要引起电网电压和频率的波动，只是波动极微小，在定性分析中可忽略不计。在分析中都认为电网电压U=常数，电网频率f=常数。第33页/共48页一、有功功率的调节增加输入机械功率P1，使P1＞P0，则输入功率扣除了空载损耗以后，其余部分将转变为电磁功率，即P1－P0=PM，发电机将输出有功功率。这个过程从能量守恒观点来看，发电机输出有功功率是由原动机输入的机械功率转换来的结论：要改变发电机输出的有功功率，必须相应地改变由原动机输入的机械功率。发电机整步过程结束处在空载运行状态，发电机的输入机械功率P1和空载损耗P0相平衡，电磁功率为零，即P1=Po，T==T0，PM=0，发电机处于平衡状态。1)能量守恒观点来看有功功率第34页/共48页结论：要调节与电网并联的同步发电机的有功功率，必须调节原动机的输入功率，这时发电机内部会自行改变功率角δ，相应地改变电磁功率和输出功率，达到新的平衡状态。2)功率角δ的空间物理概念来加以说明有功功率空载时E0=U。功率角δ=0，如图a所示，电磁功率PM=0，此时气隙合成磁场和转子磁场的轴一重合，发电机无功率输出。增加原动机的输入功率P1时，即增加发电机的输入转矩T1，这时T1＞T0，于是转子就要加速，就使转子磁场超前于气隙合成磁场（即E0超前于U），也就是使功率角δ逐渐增大如图b所示。δ角的增大引起电磁功率PM增大，发电机便输出有功功率。当δ增大到某一数值，使相应的电磁功率达到PM=P1－P0（T1-T0）时，转子加速的趋势即停止，发电机便处于新的平衡状态。第35页/共48页原动机输入功率的增加也不是无限制的对于隐极发电机，当δ=90°时，电磁功率达到最大值PMmax时，若再增加输入功率，则δ＞90°，这时电磁功率将随着δ的增大而减小，输入功率扣除掉空载损耗和减小了的电磁功率后还有剩余，剩余的功率将使转子继续加速，δ角继续增大，电磁功率PM继续减小，功率再不能保持平衡，发电机将“失去同步”，或叫做失去“静态稳定”。第36页/共48页静态稳定:指电网或原动机方面出现某些微小扰动时，同步发电机能在这种瞬时扰动消除后，继续保持原来的平衡运行状态。就称这时的同步发电机是“静态稳定”的，否则就是静态不稳定。3)静态稳定在a点运行时电机具有静态稳定的能力。若干扰使功角δ增大到b点，Pm和Tm增大，迫使电机减速，功角δ变小，电机回到a点。干扰使功角δ减小时，有同样结论。所以a点称为稳定运行点。而d点为不稳定运行点，分析略。综上所述:凡处于功角特性曲线上升部分的工作点，都是静态稳定的，下降部分的工作都是静态不稳定的。或者说在功角特性曲线上电磁功率和功率角同时增大，或同时减小的那一部分是静态稳定的。第37页/共48页静态稳定的判断依据：比整步功率(kW/rad)对隐极发电机，比整步功率为:电机稳定区域内，Pcx越大，电机稳定增长性越好。Pcx可以表示发电机运行稳定度。如上图，当δ=0°时，Pcx最大，故同步发电机在空载时最为稳定。当δ=90°时，Pcx=0，正处在稳定的交界，此时发电机保持同步的能力为零，故该点即为静态稳定的极限。当δ＞90°时，Pcx为负值，发电机便失去了稳定。第38页/共48页4)过载能力过载能力越大，电机的稳定性越好。过载能力是表达静态稳定的能力，不是发电机可以过载的倍数。同步发电机的静态稳定问题，不仅在运行中，而且在设计发电机时，就应注意留有一定的余量。设计时要求发电机的功率极限跟PMmax应比其额定电磁功率PMN大一定的倍数，这个倍数称为静态过载能力，用Km表示一般要求Km＞1.7（1.7~3），与此相对应的发电机额定运行时的功率角δN约在25°~35°左右。第39页/共48页二、无功功率的调节以隐极同步发电机为例，不计磁路饱和，不计电枢电阻，来分析同步发电机无功功率的调节问题，以及无功功率与励磁电流的关系。1)空载运行空载时电枢电流和电枢磁动势为零，E0=U，Ff=Fδ这时的励磁电流称为“正常”励磁电流If0。如图a所示。增大励磁电流（If＞If0）,则E0＞U，由于电网电压不变，发电机必然输出一个滞后的无功电流（感性），它产生去磁的电枢磁动势Fa,以维持气隙合成磁动势Fδ不变（Fδ=Ff+Fa），如图b所示，这时励磁电流称为过励的励磁电流。正常励磁过励Ff＞Fδ第40页/共48页结论:当发电机的励磁电流变化时，发电机向电网发出的无功功率也将发生变化，过励时发出感性的无功功率，欠励时发出容性的无功功率。当减小励磁电流（If＜If0）时，E0＜U，发电机输出一个超前的无功电流（容性），它产生增磁的电枢磁动势Fa，以维持气隙合成磁动势Fδ不变（Fδ=Ff+Fa），如图c所示，这时的励磁电流称为欠励的励磁电流。正常励磁过励Ff＞Fδ欠励Ff<Fδ第41页/共48页2)负载运行调节无功功率时，不改变原动机的输入，有功功率将保持不变，即有:Icosφ=常数E0sinδ=常数在恒定的有功功率下调节励磁电流时，电流相量I端点的轨迹为AB线（见图），电动势相量E0端点的轨迹为CD线，不同励磁电流时的E0和I的相量端点在轨迹线上有不同位置。图中E0为正常励磁电流下功率因数为1时的空载电动势，即电枢电流I全为有功分量。当过励时，If＞If0,E01＞E0。输出一个感性的无功功率。说明:电网电压不变，气隙合成磁动势不变，由于过励时主极磁动势增大，为保持气隙合成磁动势不变，电枢反应的去磁分量必然要增大，即φ角增大，电流变成滞后；反之，当欠励时，If＜If0,E02＜E0,则电枢电流I2，除有功分量I外，还出现一个超前的无功分量I2Q，即输出一个容性的无功功率。第42页/共48页当发电机与无穷大电网并联时，调节励磁电流的大小，就可