三相同步发电机运行原理

2.空载特性
3.空载特性的工程应用 1)设计的空载特性曲线与标准曲线比较，两者接近， 说明电机设计合理，反之，说明电机磁路过于饱和 或材料未充分利用。若太饱和，励磁绕组用铜过多， 电压调节困难；若饱和度太低，则负载变化时电压 变化较大，且铁心利用率低，铁心耗材较多。 2)空载特性结合短路特性与零功率因数负载曲线可求 取同步电机参数。
p
(r/min)
60 f n1
（3）转向：通电相序A、B、C的方向，与转子同向； （4）极对数：和转子极对数p相同，决定于绕组的节 距y。 31
1.三相同步电机带对称负载后的磁动势 转子磁势
转子绕组通入直流产生每极基波励磁磁势Ff1 ： Ff 1
1 Ff 1 k f N f if 2
（1） 大小：正比于励磁电流； （2） 转速：和转子转速一样为同步速； （3） 转向：和转子转向一致；
电机运行于曲线刚好弯曲处： E0 0 a b •充分利用材料 •不会过分饱和
n 1 c
0
F Ff0 g d
If(Ff)
饱和 Ff N f I f
I f 导体截面 N f 导体匝数
用铜量 ，成本
18
2.空载特性
空载曲线可用标么值来表示。
不同电机用标么值画出的空载特性相差不大，可认 为有一条标准的曲线。
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2.空载特性
讨论： 为了合理利用材料，不因过饱和增加励磁磁动势 而增加电机用铜量，空载额定电压一般设计在空载 特性的弯曲处。 将空载特性曲线的 直线部分延长得到气 隙线，表示气隙磁动 势F与励磁电动势E0 间的关系。
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2.空载特性
饱和系数Ks •取 oa 代表额定电压UN，饱和系数定义为
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1.三相同步电机带对称负载后的磁动势
• 气隙磁密是合成磁势在电机气隙中建立起来的磁 场。 • 同步发电机负载后，电机内部的磁势和磁场发生 显著变化，使机端电压变化，影响发电机机电能 量转换和运行性能，这些变化由电枢磁势的出现 所致。
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励磁磁势和电枢磁势的区别
基波 波形
大小
位置
转速
励磁磁 正弦 恒定，由励 由转子位 由原动机的 势 波 磁电流决定 置决定 转速决定 电枢反 正弦 恒定，由电 由电流瞬 由电流的f 应磁势 波 枢电流决定 时值决定 和p决定
第十五章 三相同步发电机的 运行原理
1
本章主要内容
第一节 同步发电机空载运行 第二节 同步发电机带对称负载时的电枢反应 第三节 隐极同步发电机的负载运行 第四节 凸极同步发电机的负载运行
2
第一节 三相同步发电机空载运行
1.空载运行时的电磁过程
• 当原动机带动同步发电机在同步转速下运行，励磁 绕组通入适当的励磁电流，电枢绕组不带任何负载 的运行情况，称为空载运行（no load oprating）。 • 空载运行时气隙中的磁场仅是转子励磁电流If及相 应的励磁磁动势Ff单独建立的磁场，称为空载磁场 或主磁场，磁场的强弱由励磁电流决定。
5
1.空载运行时的电磁过程
• 基波主磁通0通过气隙与定、转子交链，随 着转子同步速旋转，在定子绕组中感应三相 励磁电动势E0，实现定、转子间机电能量转 换。 • 漏磁通f只与转子绕组交链，不参与定、转 子间能量转换。
6
1.空载运行时的电磁过程
• 同步发电机空载运行的电磁关系为
• 建立空载磁场的励磁磁动势Ff的大小和空间 分布与电机的结构有关。
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2.空载特性
原动机拖动同步电机转子以n1速度转动，0切割 定子绕组，在定子中感应电势E0。 感应电势有效值
E0 4.44 fNKW 10
其中，0为磁极的每极基波磁通，N为每相定子绕 组串联匝数，f为励磁电动势频率。
pn1 f 60
12
2.空载特性
空载时：定子电流为零，电枢电压等于空载电势。
电势波形畸变严重，对发电机本身和 由它所供电的电动机都有不利影响，如损 耗增加，效率降低等。
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第二节 三相同步电机带对称负载 时的电枢反应
同步发电机空载：
励磁绕组外接 产生恒
原动机拖动
恒定直流电源
转子磁场 以n1旋转
定磁场
转子旋转( n1)
同步发电机空载：气隙中只有转子的励磁磁势产生的 28 主极磁场。
主磁通：同时与定、转子交链的磁通为主磁通0 。 主极漏磁通：仅与转子励磁绕组交链的为主极漏 磁通f 。 3
凸极同步电机空载内部磁通分布图
4
1.空载运行时的电磁过程
主磁路(0的路径)：主磁通所经过的路径。 主此路的路径：主极铁心→气隙→电枢齿→电枢磁 轭→电枢齿→气隙→另一主极铁心→转子磁轭，形成 闭合回路。 漏磁路：主要由空气和非磁性材料组成。 主磁路磁阻较漏磁路磁阻小，主磁通远远大于漏 磁通。
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1.三相同步电机带对称负载后的磁动势
I f F f 0 气隙磁通 I F a a



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1.三相同步电机带对称负载后的磁动势
定子磁势
定子三相对称绕组中通入对称三相电流产生基 波电枢磁势Fa ：
（1） 大小： （2） 转速：
NkW1 Fa 1.35 I p
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。
24
3.对空载电动势波形的要求
三相对称 频率恒定 波形接近正弦 有一定幅值 以上要求标志发电机输出电能的质量。
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3.对空载电动势波形的要求
工程上将空载线电压的波形与正弦波形偏差的程度， 用电压波形正弦性的畸变率来表示。根据GB7552000《电机基本技术要求》规定，电压波形正弦性畸 变率可按下式算出：
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(1)时空相矢图
• A相电流最大，Fa的幅值与A相绕组轴线重合，Fa在 A相轴方向上。 任 • 一般情况，电枢电流 I A 超前或滞后励磁电动势E 0A 意相位时，Fa的幅值位置也超前或滞后A相绕组轴 线电角度。
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(1)时空相矢图
由于Fa与Ff1同步旋转，故在一般负载的情况下，Fa 与Ff1的空间相位差等于90+电角度。 为了分析方便，将时间相量和空间矢量画在一起构 成时空相矢图。 时空相矢图的作图步骤： (1)根据负载性质定出； (2)选时轴、相轴和q、d轴； (3)画Ff1在d轴上，E0在q轴上；
(2)=0的电枢反应
ac dn E0 ks ab oa U N E′0为气隙线上电压。 •普通同步电机ks约在1.1～
1.25. •表明：磁路饱和后，由励 磁磁动势Ff建立的基波主磁通 和感应的基波电动势都降为未饱和值的1/ks，即所需 磁动势是未饱和时的ks倍（即Ff=ksF）。 17
2.空载特性
• 直轴（纵轴或d轴）：主磁极轴线位置； • 交轴（横轴或q轴）：磁极N、S之间的中心线，与d 轴垂直； • 相轴：相绕组的轴线位置； 22 • 时轴：时间相量在其上投影可得瞬时值。
2.空载特性
• 取定子绕组时间参考轴即时轴与相轴重合，则Ff中 的基波分量Ff1(空间矢量）与由它产生的Bf1 (空间矢 量）及 0（时间相量）同相位，幅值在直轴正方向； 0 (时间相量）滞后 90 电角度。 E0 0 23
100 2 2 2 Ku u2 u3 un u % 1
u1为基波电压有效值，也可用线电压有效值代 替，un为n次谐波电压有效值。 额定功率300kVA以上发电机，Ku不超过5%，额定 功率10~300kVA的发电机，Ku要求不超过10%。 26
3.对空载电动势波形的要求
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(1)时空相矢图
• 两极同步发电机示意 图，电枢绕组每一相 用一个集中线圈表示， 主磁极凸极式，电枢 绕组中电流的方向为 流出用⊙、流入用 表示。
坐标轴图示
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(1)时空相矢图
• 穿过A相绕组的磁通为零，A相绕组的感应电动势 最大，正好在时轴上。 • 若=0，则此时A相电流在时轴上。
三相时间相量图
（4） 极对数：和转子磁极的极对数相同。
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1.三相同步电机带对称负载后的磁动势 定子、转子磁势的关系
• 转速均为同步速，转向一致，在空间处于相对静止， 称为“同步”。
结论：励磁磁势和电枢磁势以相同转速，相同 转向旋转，彼此无相对运动，共同建立负载时 气隙的合成磁势。
正是由于电枢磁势和励磁磁势的相对静止，使电 机能产生稳定的气隙磁场和平均力矩，实现机电能量 转换。
(4)画出与对应的 I ；
(5)Fa与I同“相”。
41

(2)=0的电枢反应
• 负载（定子）电流与空载电势同相。
时轴
Hale Waihona Puke q轴E0AIAd轴
.
.
.
Fδ
Fa
Y C
Ψ +90
0
Ff
A
N
S
X
E 0C
. IC
. IB
E 0B
.
Z
B
a相绕组导体处于旋转的转子磁极轴线位置，交链的主磁通为 零，电势滞后产生它的磁通90度，所以a相电动势瞬时值为最大， 42 定子电流与感应电势同相，电流瞬时值也最大。
1.三相同步电机带对称负载后的磁动势
励磁绕组外接 产生恒 原动机拖动 恒定直流电源 定磁场 转子旋转( n1) 转子磁场 切割定 定子绕组感应 以n1旋转 子绕组 三相对称的电势 三相电势相位互差1200 三相绕组中有三相对 称电流 产生电枢磁势 同步发电机负载：气隙中同时有励磁磁势和电枢磁势 共同建立的磁场，由于电枢磁势的存在，感应电势改 变，端电压也改变。
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1.空载运行时的电磁过程
• 凸极电机，励磁绕组集中放置在转子磁极上，励磁 磁动势在空间分布为矩形波Ff，其基波分量为Ff1。
凸极同步发电机的励磁磁动势
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1.空载运行时的电磁过程
• 凸极电机定转子间气隙沿圆周分布不均匀，极面下气 隙小，磁阻小，极间气隙大，磁阻大，在一个极范围 内气隙径向磁通密度分布近似于平顶的帽形，极靴以 外的气隙磁通密度减少很快，相邻两极中线上的磁通 密度为零。 • 气隙磁密可分解为基波Ff1和一系列谐波。 • 合理设计磁极形状可使气隙磁密分布接近正弦波，通 常将极靴的极弧半径做成小于定子内圆半径，且两圆 弧的圆心不重合(称为偏心气隙)，形成极弧中心处的气 隙最小，沿极弧中心线两侧方向气隙逐渐增大，可使 气隙磁通密度分布较接近正弦波形。
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2.空载特性
2.空载运行时空相矢图
• 同步发电机励磁磁场以同步转速1在空间旋转，与 由其在定子绕组中产生的以频率1交变的正弦基波 主磁通及其感应的正弦基波电动势在时间上呈同步 变化，因此，可将它们画在同一时间空间相量矢量 图上，以简化分析。
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2.空载特性
空载运行时空矢量图
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2.空载特性
内功率因数角 : 是 E 0 与 I 的时间相位角 , 与电机参数及负载有关 外功率因数角 : 是U 与 I 的时间相位角 , 与负载有关 功率角(功角) : 是 E 0 与U 的时间相位角 .三者关系:

内功率因数角 ，大小与同步发电机的内阻抗及 外加负载性质有关，即外加负载性质不同（电阻，电 和 I的相位角 随之不同，电枢反应性 感，电容）， E 0 质也不同。
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1.空载运行时的电磁过程
• 隐极电机的励磁绕组嵌埋于转子槽内，沿转子圆周 气隙均匀，励磁磁动势Ff在空间分布为阶梯形，空 间基波分量为Ff1。
隐极同步发电机的励磁磁动势
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1.空载运行时的电磁过程
• 受齿槽的影响，气隙磁密呈现出波动变化，合理选 择大齿宽度可使气隙磁密的分布接近正弦波。
隐极同步发电机的励磁磁动势
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2.电枢反应
• 电枢磁势的存在，使气隙磁场的大小和位置 发生变化，这一现象称为电枢反应。 • 电枢反应的性质：去磁、助磁和交磁。 • 决定电枢反应的性质的因素：两个磁势幅值 的相对位置，而这一位置与励磁电势和电枢 电流之间的相位差，即角度有关，角又决 定于负载的性质。
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几个角度的定义

I 0,U E0
E0 0 I f
空载特性：空载时励磁电势与励磁电流之间的关系曲 线 E0 f ( I f )
E0 0 Ff I f
空载特性也表示主磁通和励磁磁势之间的 关系，即电机的磁化曲线。
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2.空载特性
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2.空载特性
讨论： 励磁电流较小时，磁通较小，磁路未饱和，空载 特性呈直线。励磁电流↑，磁路逐渐饱和，曲线开 始进入饱和段。 铁磁饱和后，空 载电动势增加一 点，励磁磁动势 增加很多。