第四篇-同步发电机(空载负载 分析)-2017-wh

一 同步发电机的空载运行
（一）、同步电机的基本作用原理 1. 两种旋转磁场 当对称三相电流流过对称三相绕组时，将在气隙中 产生一个旋转磁场，基波磁势有下列特性： 振幅恒定是单相绕组最大振幅的1.5倍，转速为同步 转速n1，旋转方向是从电流超前的相转向电流滞后 的相，当某相电流达到最大值时，旋转磁场的振幅 恰好在该相绕组的轴线上。 同步电机无论作为发电机运行还是作为电动机运行， 和异步电机一样，只要它们的定子三相绕组中流过三 相对称电流，都将在气隙中产生上述的旋转磁场。
当转子磁场超前于定子磁场时，合成的气隙磁场便 滞后于转子磁场，当转子磁场滞后于定子磁场时， 合成的气隙磁场便将超前于转子磁场； 因此同步电机作为发电机运行时，转子磁场轴线便超 前于气隙合成磁场轴线；而同步电机作为电动机运行 时，转子磁场轴线将滞后于气隙合成磁场的轴线。
（二）、同步发电机的空载运行 同步发电机被原动机拖动至同步转速，转子绕组通入 直流励磁电流，定子绕组开路时称为空载运行。 电枢（定子）： I1 (Fa ) = 0 转子每极磁通： Φ0 空载电动势： E0 = 4.44 f1 kw1 W1Φ0
因该磁场是交流励磁的，故称为交流励磁的旋转磁场， 同步电机的定子绕组又称为电枢绕组，因此又称为电 枢磁场。 如果在转子上装有由直流励磁的磁极，且用原动机把 转子带到同步转速，就像同步电机那样，则在气隙中 同样出现一个圆形旋转磁场，这样获得的旋转磁场又 称直流励磁的旋转磁场或称机械旋转磁场。 同步发电机空载时，定子绕组中的电流为零，在气隙 中只有直流励磁的旋转磁场，在负载的情况下，两种 旋转磁场均存在。
就是说A相电流达到最大值时，转子已向后转过90°;
A A
YZ
Z
n
N
Y
Ff F
C
N
S
S
B X C B
n
Fa
X
电枢磁动势的幅值也恰好位于励磁磁动势的轴线上， 但方向相同。
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 =-90º时直轴电枢反应的性质是纯粹助磁的。
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。 电枢反应的性质主要取决于E0与I之间的相位差 ， 亦即主要取决于负载的性质。 叫做内功率因数角，电压与电流的相位差叫做外 功率因数角。 注意内功率因数角无法测量，外功率因数角可以测 量。 为什么？
只有在电流等于零的情况下，才能测到电势E0，负载 时测到的是电压。 下面就角的几种情况，分别讨论电枢反应的性质。
或
电枢相电压：
E0 = －j4.44 f1 kw1 W1Φ0
U0P = E0
U0L =√3 E0 电枢线电压（Y 形联结）： pn f1 = 60 E0 的频率：
二、 同步电机的电枢反应
空载时，同步电机中只有一个以同步旋转的转子磁 场，即励磁磁场，它在三相绕组中感应出对称的三 相电势，每一相为E0，称为励磁电势，定子每相电 压为E0=U。 当定子绕组接上对称的负载后，气隙合成磁势由电 枢磁势与转子磁势相互作用共同建立，并建立负载 时的气隙磁场； 尽管励磁电流未变，但气隙磁场已不同于原来的励 磁磁场，所以感应电势已不再是E0了。 对于功率因数滞后的感性负载，此时电势将明显地 低于空载电势E0，再计入电枢绕组中的电阻和漏抗 压降后，这就使U更加低于E0。
若保证电压不变，即气隙的合成磁场不变，必须减 少直流励磁，这种电机叫做欠激状态的同步电机。 （四）、一般情况下（0<<90º）时的电枢反应
此时I滞后E0一个锐角 图示瞬间，A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E0角，所示A相电流必 须过了一段时间，等转子转过空间电角度时，才能 达到最大值。
同理若忽略铁心饱和的影响： 可从励磁磁势和电枢磁势分别求出励磁电势和电枢 反应电势，即 E Ff B f 1 0 E0 F B
a1 a1 a a
0 a 相应地有 E E E 这时应有 0 a 应注意：这里所述的所有的时间相量都是属于定子中 某一相中的物理量。 当各相时轴和相轴都取在绕组的轴线上时，时—空相 量图存在下列关系。 时轴：若取某轴为时间参考轴时，则旋转相量 2I 在该轴上的投影即为电流的瞬时值，即当相量与该轴 重合时，正弦量达到最大值。
5. 同步电机的气隙合成磁场 将气隙中的定子和转子磁场合并为一合成气隙磁场来 考虑，这种分析方法更符合同步电机的实际情况。
由于定、转子磁场均以同步转速旋转，气隙中合成旋 转磁场便也按同步转速旋转，和转子绕组之间仍无相 对运动； 同步电机的运行方式，也常用合成旋转磁场与转子磁 场之间的相对位置来确定；
E0
F
E
I

Fa
a
Ff
0
Ea
=0时的时—空相量图 （二）、当E0超前I 90º（=90º）时的电枢反应
当=90º 时，在图示瞬间，此时A相励磁电动势为最 大值，但定子A相电流为零。 就是说A相电流达到最大值时，转子已向前转过90º。
A
A Y Z
Z
n
N
F N Ff
C B X n
Y
（五）、电枢反应的重要性 电枢反应是同步电机负载运行时重要的物理现象， 它不仅是引起负载时端电压变化时的主要原因，而 且也是实现能量转换的枢纽； 考虑电枢反应作用，负载时电枢绕组中的感应电势 将由气隙合成磁场建立，气隙电势减去漏阻抗压降， 便得到端电压。 下图表示了不同负载性质时，电枢磁场与转子电流 产生电磁力（即电磁转矩）的情况。 图为=0时电枢磁场即交轴电枢磁场对转子电流产 生电磁转矩的情况；
表明：当发电机供给纯感性和纯容性无功功率负载 时，并不需要原动机付出功率，但直轴电枢反应磁 场对转子磁场起去磁或助磁作用；
（一）、E0和I 同相 （=0）时的电枢反应 当 =0º时，图中所 示瞬间，A相绕组的 轴线与主磁极的交轴 （q轴）重合； 此时A相绕组励磁电 动势为最大值，其方 向按右手定则确定。
Z n
A
N
Y
S
B X C
因为=0º，所以此瞬间A绕组中的电流也达到最大 值。
三相电流联合产 生的电枢磁势Fa 的基波振幅便落 在A相绕组轴线上；
2. 同步电机的作用力 在同步电机的气隙中存在着两种不同的旋转磁场，只 要这两个旋转磁场在空间有位移，它们之间便会有电 磁力，犹如两块磁铁之间存在相互作用力一样。 3. 同步电机的运行方式 同步电机在工作时，由于两种旋转磁场之间没有相对 运动，因此它们之间的相互位置决定着同步电机的运 行情况： 如转子磁场在前，则当转子旋转时，便拉着定子磁场 旋转，这时转子磁场超前电枢磁场，这便是发电机运 行； 反之定子磁场旋转拉着转子磁场旋转，便是电动机 运行情况。
同步发电机
一、同步发电机的空载运行 二、同步电机的电枢反应 三、同步发电机的负载运行 四、同步发电机的功率和转矩方程式
五、同步发电机的特性
六、同步发电机的并联运行
பைடு நூலகம்
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本章基本要求
1. 理解同步电机电枢反应的物理概念，并掌握电枢 反应的性质与哪些因素有关； 2. 熟练掌握同步发电机的电压平衡方程式和相应 的相量图的画法。 3. 熟练掌握同步发电机的功角特性，分析当励磁电 流改变时，空载电势和功角特性变化的规律。 4. 了解同步发电机的功率和转矩方程式、工作特性。 5. 了解同步发电机并联运行的条件及其整步方法。 6. 掌握同步发电机有功功率和无功功率的调节以及 同步发电机的U 形曲线；掌握无功功率的性质与励 磁电流的关系。
相轴：绕组的轴线。当某相电流达到最大值时，旋转 磁势的幅值就落在该相绕组的轴线上。 相量图的画法： (1)磁通相量(时间相量)应与产生它的磁密相量(空间 相量)重合； (2)忽略铁心中的损耗影响时，磁通相量应与产生它 的电流相量同相位； 而磁势与产生它的电流重合。(时轴与相轴取在一起) (3)当磁通与感应电势正方向符合右手螺旋法则时， 电势滞后于产生它的磁通90º 。 根据这些基本关系，便可画出时空相量图如下图所示。
Fa
C
S
B X
S
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 =90º时直轴电枢反应的性质是纯粹去磁的。 若保证电压不变，即气隙的合成磁场不变，必须加 大直流励磁，这种电机叫做过激状态的同步电机。 （三）、当E0滞后I90º（=-90º）时的电枢反应 当=-90º 时，在图示瞬间，此时A相励磁电动势为最 大值，但定子A相电流为零。
如不考虑饱和现象，利用迭加原理： E E U Ir E 0 a a E U I (r jx ) 或 E 0 a a
E0 Ea E
I1
＋
U1 －
—转子磁场在定子绕组中的感应电势 ，也称励 E 0 磁电势； —定子磁场在定子绕组中的感应电势，称为电 E a 枢反应电势。 —定子绕组端电压 I —定子绕组输出电流 U ra—定子绕组的电阻， x—定子绕组漏抗。
Ff A
Z n
d
F
N
Y
d 轴超前于A相相轴 90º ，励磁磁势Ff B 的基波相量在d 轴上；
S
C
X
q
Fa
Fa的基波分量在q轴上（称为转子交轴），它们和 转子一起以同步转速旋转，产生合成磁势F。
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。 对主磁场而言，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。见课本257页图13-3(c) 对于气隙磁场交轴电枢反应将使合成磁场的轴线位 置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 应使幅值增加的很小。 时—空相量图 已知气隙合成磁势，并产生气隙合成磁密和磁通，该 磁通在电枢绕组中产生合成电势。
由左手定则可知，这时的电 磁力将构成一个电磁转矩， 它的方向正好和转子转向相 反，企阻止转子旋转； 交轴电枢磁场是由与空载
Z n
A
N
Y
电势同相的电流分量即电
流的有功分量Iq产生的。 发电机要输出有功功率，原 动机就必须克服由于有功分
S
B C
X
=0º
量引起的交轴电枢反应磁场
对转子的阻力矩；
A 输出的有功功率越大， 交轴电枢反应磁场越强， Y 所产生的阻力矩也就越 Z N 大，原动机要输入更大 n 的能量才能克服电磁阻 力矩，以维护发电机的 S C B 转速不变。 当=90º时电枢磁场即直 X 轴电枢磁场对转子电流产 =90º 生的电磁力情况； 电枢电流的无功分量Id所产生的直轴电枢反应磁场与 转子电流相互作用产生的电磁力，并不形成力矩，不 妨碍转子的旋转；
4. 同步电机的电路方程及等效电路 在正常运行时，同步电机的定子磁场与转子绕组之间 没有相对运动，因而不能在转子绕组中感应电势，转 子回路中只有直流励磁电流，故从电路的观点来看， 同步电机要比变压器或异步电机更为简单，可不考虑 转子支路，而只为定子电路单独写出电压方程式。
同步发电机等效电路如图所示。 同步电机正常运行时的等效电路是一个没有副方回 路与原方耦合的独立回路，求解时也不用联立方程， 非常简单。同步发电机各物理量的正方向规定如图 所示。
Faq Fa cos
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
I I I d q
I d I sin
I q I cos
其中Iq与励磁电动势E0同相位，它们（指三相的该 分量，即IqA、IqB、IqC）产生交轴电枢磁动势Faq Iq叫做I的交轴分量，而Id滞后励磁电动势E090º，产 生直轴电枢磁动势Fad，把分量Id叫做I的直轴分量。
当A相电流达到最大值时，转子已向前转过角;
A
A
Z
Ff N
n Y
Z

Faq
Y
Fa S
C
X B n
B
Fad
C
X
此时电枢磁动势Fa滞后励磁磁动势Ff(90º＋)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。
电枢磁动势Fa分解成直轴和交轴两个分量，即
Fa Fad Faq Fad Fa sin