同步发电机的运行原理
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作时空矢量图确定电枢反应的性质的规律： 取励磁磁势Ff作为参考向量，其方向就d轴
方向； 空载磁通Φ0与Ff 同方向，空载电势E0滞后
空载磁通Φ0 90°； 定子电流I滞后空载电势E0 的角度为内功
率因数角Ψ； 电枢磁势Fa 与定子电流I同相位。
三、电枢反应
1、ψ=0° 时的电枢反应
F
Fa ( Faq )
Ff
B0 (&0 ) Fad I&d
时空矢量图
• 既有交轴电 枢反应，又 有直轴增磁 电枢反应。
• 发电机既输 出有功功率， 又输出无功 功率。
三、电枢反应
ψ
Fa
位置
Fa
记作
00
q轴
Faq
900
d轴
Fad
-900 d轴
Fad
0~900 d、q轴 Fad Faq
-900~00 d、q轴 Fad Faq
Faq Fa cos
Iq I cos
分别为直轴和交轴分量 。
6.2 同步发电机的电动势方程式和 相量图
一、隐极同步发电机
1、电磁过程
其结构特点是气隙均匀，故同一电枢磁动势 作用在圆周气隙上的任何位置所产生的气隙 磁场和每极磁通量都是相同的，没必要象凸 极转子一样分解成交、直两个分量，可以整 体考虑电枢反应的影响。
Ff
三、电枢反应
2、ψ=90° 时的电枢反应
• 直轴去磁电枢反应。 • 电磁力f1在转子上不产生的电磁转矩。 • 合成磁动势Fδ减小，使发电机的端电压下降。 • 要想保持发电机的端电压不变，需增大发电
机的励磁电流。 • 发电机输出无功功率。
三、电枢反应
3、ψ=-90° 时的电枢反应
F
d轴 B0 (&0 )
一、空载运行时的主磁通
0
f
从图可见，主极 磁通分成主磁通 Φ0和漏磁通Φfσ两 部分，前者通过 气隙并与定子绕 组相交链，后者 不通过气隙，仅 与励磁绕组相交 链。
一、空载运行时的主磁通
空载时： I=0 ，If≠0 , n=nN 空载时发电机内部电磁关系
If
Ff
If Nf
0 f
E0 4.44 fNkN1
4、 0°<ψ<90° 时的电枢反应
F
Faq
1
E&0
d轴 I&q I&
Ff
B0 (&0 ) I&d
时空矢量图
Fa• 既有交轴电 枢反应，又
有直轴去磁 电枢反应。
• 发电机既输 出有功功率，
Fad 又输出无功 功率。
三、电枢反应
5、 -90°<ψ<0° 时的电枢反应
F
Fa
Faq
1
E&0
d轴
I& I&q
心线为交轴（横轴）
三、电枢反应
电枢反应的性质：（增磁、去磁或交磁） 与负载的性质和大小有关，主要取决于 电枢磁动势和励磁磁动势在空间的相对 位置。分析表明，此相对位置取决于空 势电动势E0和定子电流 I 之间的相角差 ψ 。电枢反应的性质可通过时空矢量图 来反映。
三、电枢反应
时空矢量图：含有时间相量和空间向量的矢 量图。
对励磁磁动势Ff的影响，称为电枢反应。
三、电枢反应
两种磁动势性质比较：
励磁磁 动势
基波 波形
大小
正弦波
恒定，由励 磁电流决定
位置
由转子位 置决定
转速
由转子转 速决定
电枢磁 动势
正弦波
恒定，由电 枢电流决定
由电流瞬 时值决定
由电流的 f和p决定
结论：电枢磁动势Fa和励磁磁动势Ff在空间 相对静止。
二、带对称负载时的主磁通
负载时： I ≠0 ，If≠0 , n=nN 负载时发电机内部电磁关系
I f Ff &0
I&
Fa
&a
主磁通
二、带对称负载时的主磁通
负载运行时，同步电机内的主磁场由 励磁磁动势和电枢磁动势共同建立。
三、电枢反应
空载：气隙磁动势 F Ff 负载：气隙磁动势 F Ff Fa 同步发电机对称负载时，电枢磁动势Fa
1
E&0
d轴
I&
Ff
B0 (&0 )
时空矢量图
三、电枢反应
1、ψ=0° 时的电枢反应
电枢磁势Fa滞 后励磁磁势Ff 90°，合成磁 势Fδ的大小略 有增加，分布
滞后励磁磁势
Ff一个锐角， 此时电枢反应
性质为交轴电
枢反应。
三、电枢反应
1、ψ=0° 时的电枢反应
• 交轴电枢反应，即交磁作用。 • 电枢磁场与转子励磁绕组相互作用产生的电
1
Ff
Fa ( Fad ) I&
时空矢量图 E&0
三、电枢反应
3、ψ=-90° 时的电枢反应
• 直轴增磁电枢反应。 • 电磁力f1在转子上不产生的电磁转矩。 • 合成磁动势Fδ增大，使发电机的端电压上升。 • 要想保持发电机的端电压不变，需减小发电
机的励磁电流。 • 发电机输出无功功率。
三、电枢反应
磁力f1，在转子上产生的电磁转矩与转子的 转向相反，对发电机起制动作用。
• 要想维持转速不变，就要相应地增加原动机 的输入机械功率。
• 交轴电枢反应实现了机电能量的转换，发电 机有有功功率输出。
三、电枢反应
2、ψ=90° 时的电枢反应
Fa ( Fad )
1
I&
E&0
B0 (&0 ) F
d轴
时空矢量图
电枢 反应 性质
交轴
直去
直增 交、 直去 交源自文库 直增
影响
Ψ≈φ
负载
F U N(f) 性质
波形 畸变
不变
下降
R
削弱 下降 不变 L
增强 增大 不变 C
削弱 下降 下降 R、L
增强 增大 下降 R、C
三、电枢反应
说明：
Fa Fad Faq；对应： I& I&d I&q
而：
Fad Fa sin 对应：Id I sin
只增加磁极部分 的饱和程度
0
一、空载运行时的主磁通
空载运行时气隙磁场仅由转子励磁磁 动势单独建立，磁场的强弱仅由励磁 电流大小决定。
二、带对称负载时的主磁通
负载运行时，定 子绕组中有电流 流过，便会产生 电枢基波旋转磁 动势。
负载运行时，同 步电机内由励磁 磁动势和电枢磁 动势共同建立的 主磁场。
三、电枢反应
几个概念 ①流内功I 之率间因的数夹角角ψ，：与空电载机电本动身势参E0数和和电负枢载电
的大小、性质有关；
②功率因数角 ：与负载性质有关；
③功率角（功角）θ：E0和U之间的夹角； 且有 （电感性负载）
④直轴（d轴）：主磁极轴线（纵轴）； ⑤交轴（q轴）：转子相邻磁极轴线间的中
第6章 同步发电机的运行原理
同步发电机的主磁通 同步发电机的电动势方程式
和相量图 同步发电机的运行特性
6.1 同步发电机的主磁通
一、空载运行时的主磁通
同步发电机空载运行是指同步发电机被
原动机带动到同步转速，转子励磁绕组通 过直流励磁电流，定子绕组开路（定子绕 组电流为零）时的运行状况。（图示）
方向； 空载磁通Φ0与Ff 同方向，空载电势E0滞后
空载磁通Φ0 90°； 定子电流I滞后空载电势E0 的角度为内功
率因数角Ψ； 电枢磁势Fa 与定子电流I同相位。
三、电枢反应
1、ψ=0° 时的电枢反应
F
Fa ( Faq )
Ff
B0 (&0 ) Fad I&d
时空矢量图
• 既有交轴电 枢反应，又 有直轴增磁 电枢反应。
• 发电机既输 出有功功率， 又输出无功 功率。
三、电枢反应
ψ
Fa
位置
Fa
记作
00
q轴
Faq
900
d轴
Fad
-900 d轴
Fad
0~900 d、q轴 Fad Faq
-900~00 d、q轴 Fad Faq
Faq Fa cos
Iq I cos
分别为直轴和交轴分量 。
6.2 同步发电机的电动势方程式和 相量图
一、隐极同步发电机
1、电磁过程
其结构特点是气隙均匀，故同一电枢磁动势 作用在圆周气隙上的任何位置所产生的气隙 磁场和每极磁通量都是相同的，没必要象凸 极转子一样分解成交、直两个分量，可以整 体考虑电枢反应的影响。
Ff
三、电枢反应
2、ψ=90° 时的电枢反应
• 直轴去磁电枢反应。 • 电磁力f1在转子上不产生的电磁转矩。 • 合成磁动势Fδ减小，使发电机的端电压下降。 • 要想保持发电机的端电压不变，需增大发电
机的励磁电流。 • 发电机输出无功功率。
三、电枢反应
3、ψ=-90° 时的电枢反应
F
d轴 B0 (&0 )
一、空载运行时的主磁通
0
f
从图可见，主极 磁通分成主磁通 Φ0和漏磁通Φfσ两 部分，前者通过 气隙并与定子绕 组相交链，后者 不通过气隙，仅 与励磁绕组相交 链。
一、空载运行时的主磁通
空载时： I=0 ，If≠0 , n=nN 空载时发电机内部电磁关系
If
Ff
If Nf
0 f
E0 4.44 fNkN1
4、 0°<ψ<90° 时的电枢反应
F
Faq
1
E&0
d轴 I&q I&
Ff
B0 (&0 ) I&d
时空矢量图
Fa• 既有交轴电 枢反应，又
有直轴去磁 电枢反应。
• 发电机既输 出有功功率，
Fad 又输出无功 功率。
三、电枢反应
5、 -90°<ψ<0° 时的电枢反应
F
Fa
Faq
1
E&0
d轴
I& I&q
心线为交轴（横轴）
三、电枢反应
电枢反应的性质：（增磁、去磁或交磁） 与负载的性质和大小有关，主要取决于 电枢磁动势和励磁磁动势在空间的相对 位置。分析表明，此相对位置取决于空 势电动势E0和定子电流 I 之间的相角差 ψ 。电枢反应的性质可通过时空矢量图 来反映。
三、电枢反应
时空矢量图：含有时间相量和空间向量的矢 量图。
对励磁磁动势Ff的影响，称为电枢反应。
三、电枢反应
两种磁动势性质比较：
励磁磁 动势
基波 波形
大小
正弦波
恒定，由励 磁电流决定
位置
由转子位 置决定
转速
由转子转 速决定
电枢磁 动势
正弦波
恒定，由电 枢电流决定
由电流瞬 时值决定
由电流的 f和p决定
结论：电枢磁动势Fa和励磁磁动势Ff在空间 相对静止。
二、带对称负载时的主磁通
负载时： I ≠0 ，If≠0 , n=nN 负载时发电机内部电磁关系
I f Ff &0
I&
Fa
&a
主磁通
二、带对称负载时的主磁通
负载运行时，同步电机内的主磁场由 励磁磁动势和电枢磁动势共同建立。
三、电枢反应
空载：气隙磁动势 F Ff 负载：气隙磁动势 F Ff Fa 同步发电机对称负载时，电枢磁动势Fa
1
E&0
d轴
I&
Ff
B0 (&0 )
时空矢量图
三、电枢反应
1、ψ=0° 时的电枢反应
电枢磁势Fa滞 后励磁磁势Ff 90°，合成磁 势Fδ的大小略 有增加，分布
滞后励磁磁势
Ff一个锐角， 此时电枢反应
性质为交轴电
枢反应。
三、电枢反应
1、ψ=0° 时的电枢反应
• 交轴电枢反应，即交磁作用。 • 电枢磁场与转子励磁绕组相互作用产生的电
1
Ff
Fa ( Fad ) I&
时空矢量图 E&0
三、电枢反应
3、ψ=-90° 时的电枢反应
• 直轴增磁电枢反应。 • 电磁力f1在转子上不产生的电磁转矩。 • 合成磁动势Fδ增大，使发电机的端电压上升。 • 要想保持发电机的端电压不变，需减小发电
机的励磁电流。 • 发电机输出无功功率。
三、电枢反应
磁力f1，在转子上产生的电磁转矩与转子的 转向相反，对发电机起制动作用。
• 要想维持转速不变，就要相应地增加原动机 的输入机械功率。
• 交轴电枢反应实现了机电能量的转换，发电 机有有功功率输出。
三、电枢反应
2、ψ=90° 时的电枢反应
Fa ( Fad )
1
I&
E&0
B0 (&0 ) F
d轴
时空矢量图
电枢 反应 性质
交轴
直去
直增 交、 直去 交源自文库 直增
影响
Ψ≈φ
负载
F U N(f) 性质
波形 畸变
不变
下降
R
削弱 下降 不变 L
增强 增大 不变 C
削弱 下降 下降 R、L
增强 增大 下降 R、C
三、电枢反应
说明：
Fa Fad Faq；对应： I& I&d I&q
而：
Fad Fa sin 对应：Id I sin
只增加磁极部分 的饱和程度
0
一、空载运行时的主磁通
空载运行时气隙磁场仅由转子励磁磁 动势单独建立，磁场的强弱仅由励磁 电流大小决定。
二、带对称负载时的主磁通
负载运行时，定 子绕组中有电流 流过，便会产生 电枢基波旋转磁 动势。
负载运行时，同 步电机内由励磁 磁动势和电枢磁 动势共同建立的 主磁场。
三、电枢反应
几个概念 ①流内功I 之率间因的数夹角角ψ，：与空电载机电本动身势参E0数和和电负枢载电
的大小、性质有关；
②功率因数角 ：与负载性质有关；
③功率角（功角）θ：E0和U之间的夹角； 且有 （电感性负载）
④直轴（d轴）：主磁极轴线（纵轴）； ⑤交轴（q轴）：转子相邻磁极轴线间的中
第6章 同步发电机的运行原理
同步发电机的主磁通 同步发电机的电动势方程式
和相量图 同步发电机的运行特性
6.1 同步发电机的主磁通
一、空载运行时的主磁通
同步发电机空载运行是指同步发电机被
原动机带动到同步转速，转子励磁绕组通 过直流励磁电流，定子绕组开路（定子绕 组电流为零）时的运行状况。（图示）