发电机励磁系统工作原理

同步电机转子转速是常值且与同步速相等，与负载的大小无关。转子的转速与气隙磁场转速保持严格同步。pp同步电机主要用作发电机，也可以用作电动机和补偿机。主要内容同步发电机的稳态对称运行主要内容同步发电机的不对称运行和三相突然短路（火电厂、水电厂、核电厂）（主要用于驱动不要求调速的大功率机械，优点是通过调节励磁改善电网的功率因数）（空转的电动机，补偿电网的无功）6.1同步电机的基本结构和运行状态旋转电枢式旋转磁极式旋转电枢式：电枢装在转子上，主极装在定子上。只用于小容量同步电机中旋转磁极式：磁极装在转子上，为大中型同步电机的基本形式旋转磁极式同步电机的结构0.5或0.35mm的冷轧硅钢片三相对称绕组同步电机又分为隐极式和凸极式两种。NNS+NNNS+同步电机的基本类型汽轮发电机水轮发电机汽轮发电机由汽轮机驱动的同步发电机•p=1n=3000r/min(50Hz)n=3600r/min(60Hz)•基本采用卧式结构隐极发电机的剖面图•转子细而长隐极发电机的剖面图转子高速旋转，对铁心的强度要求很高，就目前材料，转子直径一般不超过1.1m。同步电机的外形图汽轮发电机的转子结构水轮发电机由水轮机驱动的同步发电机n=几十~几百r/min•采用凸极结构•转子粗而短•励磁绕组为集中绕组水轮发电机的转子结构阻尼绕组的结构与笼型感应电机的转子的笼型绕组相似。水轮发电机的磁极同步发电机中：阻尼绕组中感应电流产生同步电动机和同步补偿机中：起动绕组与感应电机一样同步电机定、转子极数应相同。水轮发电机的定子结构320MW水轮发电机•1.一台频率f=50Hz，转速n=3000r/min的汽轮发电机的极数是多少？•2.一台频率f=50Hz，极数2p=100的水轮发电机的转速是多少？同步电机有发电机、电动机、补偿机三种运行状态。运行状态取决于磁场的相对位置转子主极磁场转子通入直流励磁电流产生，与转子同步旋转。定子合成磁场定子三相对称绕组流过三相对称电流产生，以同步速旋转（等于转子转速）。•补偿机运行状态不进行能量转换，仅发出或吸收无功功率。带动负载运行。转子输 出机械功率，定子吸收 电动机补偿机运行状态示意图3.同步电机的励磁方式1）直流励磁机励磁•并励直流发电机（与同步电机同轴）直流发电机励磁•并励+他励直流发电机励磁~~GGGG2)静止整流器励磁交流副励磁机（中频）交流主励磁机（100Hz）不可控不可控恒压器整流器调整器~~~静止整流器励磁优点：运行、维护方便，没有直流励磁机，使励磁容量得以提高，因而在大容量汽轮发电机中得到了广泛的缺点：存在电刷、集电环的滑动接触（薄弱环节）。主发电机发出的功率经静止整流器整流为直流，然后通过电刷和集电环通入到主发电机的励磁绕组中。3）旋转整流器励磁优点：取消了电刷和集电环，运行比较可靠，适合大容量发电机，尤其适合于要求防爆、防燃的特殊场合。无刷励磁多用于大、中容量的汽轮发电机、补偿机以及在特殊环境下的同步发电机。kW等。多采用整流器励磁系统。•额定容量SN或额定功率PN单位为kW,kVA同步发电机是指额定运行时输出的电功率；同步电动机是指额定运行时轴上输出的机械功率；补偿机是指额定运行时输出的无功功率。•额定电压UN单位为kV•额定频率fN单位为Hz•额定转速nN单位为r/min•额定电流IN单位为A,kA•额定励磁电流和电压IfN、UfN一、空载运行一、空载运行nsIfI=01.空载磁场——主磁场If→Ff→B0→Φ0ΦfσΦfσΦ0若主磁场B0在气隙中正弦分布，且以同步速ns旋转，则在定子绕组中产生对称三相电动势E0A0L0E0B=E0L_120E0C=E0L_240空载电动势，即激磁电动势。E0fN1二、对称三相负载时的电枢反应空载时，同步电机的气隙磁场是由励磁磁动势所产生的主1.接三相对称负载时的物理过程(60f)→F→气隙合成磁场B电枢磁动势的基波对气隙磁场的影响•电枢反应使气隙磁场空间位置发生变化，直接关系到电机的机电能量转换。•电枢反应的去磁或增磁，对电机的运行性能产生影响。电枢反应的性质（交磁，去磁或增磁）取决于电枢磁动势和主磁场在空间的相对位置。这一相对位置决定于空载电动势E0和负载电流I定子绕组电动势、电流及磁动势电流达到最大值，电枢磁动势的轴线与A相绕组轴线重合，同时也与q轴重合，即Faq=Fa，称为交轴电枢反应磁动AA相轴线FaFfAYNSCXB0nsBZ定子绕组电动势、电流和磁通的时间相量图各相电动势、电流和磁通间的相各相电动势、电流和磁通间的相所以后边只画出●IC●0C●●E0C●0A时间参考轴●E0A⑴sIA●IBE0B●定子绕组电动势、电流和磁通的时间相量图时-空统一矢量图Ff⑴s●⑴sd轴Fa(=Faq)IE0时-空统一矢量图图中，电枢磁动0气隙合成磁场与主磁场的相对位置相对于主磁场，气隙合相对于主磁场，气隙合成磁场的轴线偏移了一个角度，且幅值有所增加。这是由于电枢磁动NNnsSXATYB0BZBF气隙合成磁场与主磁场的相对位置图0nsfFadA相轴线FFaCYABXZ电流滞后电动势的向量图电流超前电动势的向量图fFadnsA相轴线FCFXYABZ直轴电枢反应的影响•电机单机运行时，直轴电枢反应将直接影响端电压的大小。去磁时，端电压降低；助磁时端电压升高。•并网运行时，直轴电枢反应影响电机输出的无功功率。同步发电机负载运行时物理量的关系：主极IfFf●0●—心E0电枢I电枢I心FaΦa—心Ea●EjIXσ)采用发电机惯例，以输出电流作为电枢电流的正方向时，电枢的电压方程为:因为电枢反应电动势Ea正比于电枢反应磁通Φa不计磁饱和时，Φa又正比于电枢磁动势Fa和电枢电流I，即:角度,亦可写成负电抗压降的形式，即:I整理前式可得：式中，Xs称为隐极同步电机的同步电抗，Xs=Xa+Xσ,它是对称稳态运行时表征电枢反应和电枢漏磁这两个效应的一个综合参数。不计饱和时，Xs是一个常值。●0●a●ΦφE0●jIXa●Ea●jIXσ●●●EI00●E0●●jIXs●U●IRa Xs＝Xσ+Xa2考虑磁饱和时I从气隙电动势E减去电枢绕组的电阻和漏抗压降，使得电枢的端电压U，即：FfkFFFE●Ej●IIRa●IX考虑到凸极电机气隙的不均匀性，把电枢反应分成直轴和交轴电枢反应分别来处理，就称为双反应理论。直轴和交轴磁动势：d轴d轴a/NSψ0ψ02、凸极同步发电机的电压方程和相量图不考虑磁饱和时同步发电机负载运行时物理量的关系：IfFf●0●dIFad一dI●●●Eσ●σ●σσ便得电枢的端电压。采用发电机惯例，电枢的电压方程为：不计磁饱和时：由于Ead和Eaq分别滞后d和q90应的负电抗压降来表示：式中，Xad和Xaq分别称为直轴电枢反映电抗和交轴电枢反式中，Xd和Xq分别称为直轴同步电抗和交轴同步电抗。II●00●UI●Iφd●E0●jIdXd●jIqXqRa●Iq凸极同步发电机的向量图 XqRso●I●●UEQU凸极同步发电机的等效电路Xd≈Xq≈Xs。•Xad为直轴电枢反应电抗，反映三相对称电枢电流产生的直轴电枢反应磁通在一相绕组中感应电动势的电抗。•Xaq为交轴电枢反应电抗，反映三相对称电枢电流产生的交轴电枢反应磁通在一相绕组中感应电动势的电抗。•Xd为直轴同步电抗，反映直轴电枢总磁通（包括电枢反应磁通和漏磁通）感应电动势的电抗。•Xq为交轴同步电抗，反映交轴电枢总磁通（包括电枢反应磁通和漏磁通）感应电动势的电抗。 Xd＝Xσ+Xad，Xq＝Xσ+Xaq1、功率方程和电磁功率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PΩ和定子铁耗PFe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：再从电磁功率Pe中减去电枢铜耗PCua可得电枢端点输●0E0EQEQI●●Uψ0●●IRa●E●E●jIXσ从向量图导出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2、转矩方程把功率方程除以同步角速度，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：cosΦ=0.8（滞后）UcosΦ=0.8（滞后）UNINI,cosΦ=0.8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cosφ=常值时，U=f(IcosΦ=0.8cosΦ=1cosΦ=0.8超前I(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cosΦ=1cosΦ=0.8超前I(cosφ=常值时，If=f(I)。OI1.投入并联的条件和方法2.与电网并联的功角特性3.有功功率的调节与静态稳定4.无功功率的调节l一台发电机独立向负载供电的缺点容量的机组，平时却不用，不经济。频率和电压会变化（负载突变时）。•无限大电网的概念：现代电力系统（电网）通常总是由许多发电厂并联组成，每个电厂内又有多台发电机在一起并联运行。并联运行：把发电机并联到电网上运行的运行方式称为并提高供电的质量；•并联运行的优点：提高供电的可靠性；提高供电的经济性。研究同步发电机与电网并联运行问题，不仅具有理论意义，而且还有很大的实际意义。•当一台发电机的容量远小于它所并联的电网的容量时，•无限大电网的容量可近似认为是无穷大，电网的电压和频率不变。投入并联的条件同步发电机投入并联时，为了避免电机和电网中产生冲击电流，以及由此在电机转轴上产生的冲击转距，待投入并联的发电机应当满足：（1）发电机的相序应与电网一致；（2）发电机的频率应与电网相同；（3）发电机的激磁电动势应与电网电压大小相同，相位并连接线图和向量图分析：1）相序不同；2）频率不同；3）电压不同。第一个条件必须满足，其余两个条件允许有些差别。如何才能达到这些条件？关于相序问题：一般大型同步发电机的转向和相序在出厂以前都已经标定。对于没有表明相序的电机，可以利用相序指示器来确定。关于电动势的频率和大小：发电机的频率和励磁电动势为：要使发电机的频率、电压与电网相同，分别调节原动机的转速和发电机的励磁电流就可以达到。电动势的相位：可以调节发电机的瞬时速度来调整。投入并联的方法投入并联所进行的调节和操作过程称为整步。实用的整步方法有两种：准确整步法和自整步法准确整步法：把发电机调整到完全合乎投入并联的条件，然后投入电网。判断是否满足投入并联的条件方法采用同步指示器最简单的同步指示器由三个指示灯组成，可以有两种接法：直接接法和交叉接法。（1）直接接法（又称灯光熄灭法或暗灯法）直接法是把三个同步指示灯分别跨接在电网和发电机的对应相之间，即接在A、A,，B、B,，C、C,之间。灯光明灭的直接连接法分析时将无限大电网视为一台同步发电机，其电压起动原动机，使其转速接近同步速；调节励磁电流，使发条件检查则相序不同。频率：调节发电机的转速，到三个灯的亮度不再闪烁或闪烁频率很低时，就表示(’≈(。电压的大小：调节发电机的励磁电流，使发电机电压与电压的相位：灯灭且UAA’=0时即可合闸投入并联。(2)交叉接法（又称亮灯法）交叉接法是把三个同步指示灯分别跨接在电网和发电机的灯光旋转的交叉连接法起动原动机，使其转速接近同步速；调节励磁电流，使发条件检查相序：灯光旋转，说明相序正确。频率：调节发电机的转速，到灯光旋转速度很低时，就表示f’≈f。电压的大小：调节发电机的励磁电流，使发电机电压与时，即可合闸投入并联。准确整步法的优点是可以比较准确地确定合闸时刻，投入瞬间电网和电机没有（或很少）冲击；缺点是整步手续比较复杂，时间长，不能满足快速并网要求。•实际中，在需要将发电机很快投入并网运行时，可采用(1)校验发电机的相序；(2)励磁绕组经限流电阻短路(3)发电机的转速接近同步速(5)加励磁电流。操作简单，装置简单，但是合闸有较大的电流冲击（达额定电流的3~8倍）。2.与电网并联时同步发电机的功角特性当E0和U保持不变时，发电机发出的电磁功率与功率角之))设法消去Id和IqIqXq=UsinδIdXd=E0-UcosδIqXqPe1基本电磁功率与激磁电动势成正比，与端电压成正比，与功角的正弦成正比，与直轴同步电抗成反比。Pe2附加电磁功率与激磁电动势（电流）的大小无关，且仅当时Xd≠Xq才存在，它是由凸极效应（即交、直轴磁阻不相等）所引起，故亦称为磁阻功率。在隐极同步电机中附加电磁功率等于零。最大值Pe(max),其具体位置和数值视Pe1(max)和Pe2(max)的相对对于隐极电机，由于Xd＝Xq＝Xs，附加电磁功率为零，故Pe就等于基本电磁功率对于凸极电机，电磁功率Pe亦可以写成Pe要注意，式中的EQ为虚拟电动势，EQ本身也是功角δ的函数，随着负载的变化而变化。功率角的空间含意功率角δ亦可看作是合成磁场滞后空载磁场的角度。3.有功功率的调节和静态稳定(1)有功功率的调节以隐极电机为例，说明同步发电机与无穷大电网并联时有功功率的调节。为简化分析，略去电枢电阻和磁饱和的影响。准确整步法并网时，E0=U，功率角δ=0处于空载状态；原动机的驱动转矩仅用于克服发电机的空载转矩。欲使发电机输出有功功率，根据能量守恒原理，应当增加发电机的输入功率，即调节原动机，这可以由开大汽轮机的汽门