同步发电机的运行原理

• Xa（隐）>Xad（凸）>Xaq（凸）
二、凸极同步发电机
3、相量图 • 以发电机端电压为参考相量，作带阻感负载
的相量图如下：
E0 U cos( ) Id xd U cos Ixd sin
tan Ixq U sin U cos
二、凸极同步发电机
说明：
• E&0 、ψ的公式同样适用于隐极电机，只要
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。
对应：Id I sin 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。
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
运行中被测量。
• 它们之间互有联系，当保持其中一个量为 常数，另外两个量之间的函数关系称为运 行特性。
一、空载特性
1.定义：n nN , I 0, E0 f (I f )
2.实验接线：
3.步骤：If↑→U0=0～1.25UN↑，注意：只
能单方向调磁；
一、空载特性
4.曲线： E0=f (If )
其中：
xa —电枢反应电抗 x —定子绕组漏电抗 xt xa x —隐极同步发电机的同步电抗
一、隐极同步发电机
• 同步电抗xt表征对称稳态运行时，电枢旋转 磁场和漏磁场总效应的一个综合参数。
• 同步电抗是同步发电机的一个重要参数，它 的大小直接影响发电机端电压随负载波动的 幅度、发电机短路电流的大小及在大电网中 并列运行的稳定性。
=0.8（滞后）， xt=2.35Ω，忽略电枢电
阻，求额定运行时的E0N和ψN 。
解：发电机定子额定电流
二、凸极同步发电机
发电机定子采用Y接法，其额定相电压
6.3 同步发电机的运行特性
• 同步发电机在对称负载下稳定运行时，维 持转速(频率)和功率因数为常数的条件下，
发电机的端电压U、负载电流I、励磁电流 If是3个主要的运行参数，它们都可以在
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
二、凸极同步发电机
二、凸极同步发电机
• 现在只讨论磁路不饱和情况。 • 同步发电机内的电磁关系如下：
If
Ff
•
•
0
E0
•
I
•
•
Id
Fad ad
E ad
U
Iq
Faq
•
aq
•
E aq
Ira
•
•
E
二、凸极同步发电机
2、电动势方程式
• 采用发电机惯例，以输出电流作为电枢电流 的正方向时，定子任一相的电动势方程为：
一、隐极同步发电机
• 由于电枢绕组的电阻ra很小，可以忽略不计， 则隐极同步发电机的电动势平衡方程式可写 成：
一、隐极同步发电机
3、等效电路和相量图
• 根据隐极同步发电机的电动势平衡方程式 （忽略电枢电阻）可做出如下隐极同步发电 机的等效电路图： Xt
•
I
•
U
一、隐极同步发电机
• 以发电机端电压为参考相量，作带阻感负载 的相量图如下：
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
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
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
成：
二、凸极同步发电机
直轴和交轴同步电抗的意义 • 由于电抗与绕组匝数的平方和所经磁路的磁
导成正比，所以
• 如图所示。对于凸极电机，由于直轴下的气 隙较交轴下小， ad > aq ，所以Xad>Xaq，因 此在凸极同步电机中，Xd>Xq,且Xq*≈0.6Xd*
• 对于隐极电机，由于气隙是均匀的，故 Xd=Xq=Xt
令
公式中 U、I、E 均为相值；Xd =Xq = Xt
•
性质：滞后 >0 、超前 <0；
• 公式可直接改为标幺值形式。基值选定如下：
–容量基值 –电压基值 –电流基值 –阻抗基值
Sb = mUN Φ IN Φ Ub = UN Φ Ib = IN Φ Zb = UNΦ /IN Φ
二、凸极同步发电机
例1： 一台汽轮发电机 PN=135MW，定子三 相绕组Y接法，额定电压 UN=13.8kV，cos
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对
电枢 反应 性质
交轴
直去
直增 交、 直去 交、 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
；I&对I&d应：I&q
而：
Fad Fa sin Faq Fa cos
• 频率的调节：
转子转速越高，定子绕组感应电势E0的频率越
高。即 n↑→ f↑。f=pn/60
要产生50Hz的交流电压，对于汽轮发电机 （p=1）来说，必须使转速保持3000r/min。
二、凸极同步发电机
不计磁饱和时
Ead和 Eaq可以用相应的负电抗压降来表示
其中：
xad 电xa抗q
—直轴电枢反应
二、凸极同步发电机
• 综上，有凸极同步发电机的电动势平衡方程 式：
二、凸极同步发电机
其中：
xd xq
—直轴同步电抗xd， xad x —交轴同步电抗xq， xaq x
• 由于电枢绕组的电阻ra很小，可以忽略不计， 则凸极同步发电机的电动势平衡方程式可写
励磁I f Ff
•
0
•
E0
•
•
电枢 I Fa
•
•
a
Ea
U
•
I ra
•
•
E jIx
一、隐极同步发电机
2、电动势方程式 参考正方向的选定： • 相电流：首端流出为正； • 相电动势：与相电流同正方向（并非同相
位）； • 相电压：首端指向末端为正。
一、隐极同步发电机
• 采用发电机惯例，以输出电流作为电枢电流 的正方向时，定子任一相的电动势方程为：
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 )
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。
E0 (Ixt U sin )2 (U cos )2
tan Ixt U sin U cos
二、凸极同步发电机
1、电磁过程
• 其结构特点是气隙沿电枢圆周不均匀。 • 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。 （双反应理论）
二、凸极同步发电机
图6.11 凸极同步电机的磁路 (a)直轴；(b)交轴
一、隐极同步发电机
• 当磁路不饱和时，采用叠加原理求解，即：
Φδ= Φ0+ Φa ； E δ=E0+Ea
• 当磁路饱和时，磁场不再满足线性叠加条 件，但由安培环路定律可知磁动势是可以 叠加的，所以要先求合成气隙磁动势
Fδ=Ff+Fa ，再由Fδ求出Φδ、 Eδ 。
一、隐极同步发电机
• 现在只讨论磁路不饱和情况。 • 同步发电机内的电磁关系如下：
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°ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱψ<0° 时的电枢反应
F
Fa
Faq
1
E&0
d轴
I& I&q
三、电枢反应
几个概念
①内功率因数角ψ：空载电动势E0和电枢电 流 I 之间的夹角，与电机本身参数和负
载的大小、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
E0 4.44 fNkN1
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。
一、隐极同步发电机
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
• 在若将不 滞时计后间定于相子位I铁上9耗，0°E,电aΦ滞角a 后与度于,I于Φ同是a9相亦0位°可，电写则角成度E负，a
电抗压降的形式，即
一、隐极同步发电机
• 综上，有隐极同步发电机的电动势平衡方程 式：
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 )
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）
如右图。
电机磁路的饱和系
数：
k
E0 UN
通常同步发电机的 kμ大约为1.1～1.25。
I f 0 I f 0
一、空载特性
• 空载电动势的调节：
根据E0=4.44fN1kN1Φ0 和If → Φ0可知，调节 励磁电流If，可改变磁通Φ0，从而改变定子 绕组感应电势E0。即If↑→ E0↑；If↓→ E0↓。