同步发电机的运行原理

.
.
Y
C
d轴
Ff
IA
A
N
Z B
S
Fa
X
E 0C
IB
.
E 0B
.
直轴去磁电枢反应
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内功率因数角Ψ=-900
时轴
电流正，则首端出，末端进
q轴 A轴
E0A
.
.
Y
C
IA ψ E 0C
. .
IB
.
d轴 Ff
.
Fa
A
N
S
X
IC
E 0B
Z
B
直轴助磁电枢反应
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Ff 1
（1） 大小：
1 Ff 1 k f N f if 2
(A)
（2） 转速：和转子转速一样为同步速 （3） 转向：和转子转向一致 （4） 极对数：和转子磁极的极对数相同 2015-1-16 武汉大学电气工程学院刘启胜
电枢反应的性质取决与电枢磁动势和主磁场在
空间的相对位置。分析表明，这一相对位置与激磁
载时的运行情况。
一、基波励磁磁动势
当励磁绕组中通入直流电流后，产生随转子一起 旋转的磁动势，称为励磁磁动势。因为它随转子一起
转动，从定子上看，它也是一个旋转磁动势，所以同
电枢绕组磁动势的分析方法一样。
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1、凸极电机的励磁磁动势
励磁绕组放置在磁极两边槽里，磁极中间不放绕组 以使磁极磁动动势波形接近正弦，每极磁势最大幅值 1 F N i ，通过实际总槽数Z 与沿转子表面开的等距槽 为 2 2 的总槽数Z2的比值查表得 k f 。
E0 U+ j I a X s

内功率因数角Ψ=00
时轴
电流正，则首端出，末端进
q轴 A 轴
E0A
IA
.
.
Fδ
Fa
Y C
Ψ +90
d轴
Ff
0
E 0C
.
. IC
. IB
E 0B
Z
.
A
N
S
X
B
交轴电枢反应
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内功率因数角Ψ=900
时轴
电流正，则首端出，末端进
q轴 A轴
E0A
IC
ψ
. .
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Fa
2. 直轴电枢磁动势的作用
ψ≈φ=900, I d I a ,直轴电枢磁动势也产
生电磁力，但不形成电
n1 n A S Z
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Y
N
C
磁转矩
If
X
Φad
B
结 论 ：
当同步发电机供给滞后电流时，电枢磁势除了一 部分产生交轴电枢反应外，还有一部分产生直轴去磁
6.2 同步发电机的运行原理
重点内容 同步发电机电枢反应的概念 电枢反应电抗，同步电抗(直轴同步电机，交轴同
步电机)的概念
隐极发电机负载运行分析及其相量图
凸极发电机的负载运行分析及其相量图
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6.2.1 同步发电机的空载运行
空载运行：当原动机带动发电机在同步转速下运行， 励磁绕组通过适当的励磁电流，电枢绕组不带任何负
Fa
Bf 1
& a
& E a
Xa
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知：
Ea j I a Xa
.
.
其中的 Xa 称为电枢反应电抗。在同样大小电流情况 下,如果 Xa 越大，电枢反应电势也越大，表示着电枢
磁势所产生的电枢磁通很强。因此 Xa 的大小可以说
明电枢反应的强弱。 当然，电枢电流除了产生主磁通外，还要产生一 定的漏磁通，由于漏磁通也会交链电枢绕组，所以对
电枢反应；当电机供给超前电流时，电枢磁势除了一
部分产生交轴电枢反应外，还有一部分产生直轴增磁
电枢反应。
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电枢反应电抗和同步电抗的概念
1 隐极同步电机的电枢反应：
隐极同步电机有一个特点就是定转子之间的气隙 是均匀分布的。电枢磁动势作用在任一位置，其效果
是一样的 I&
交轴
Fad Fa sin
Faq Fa cos
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Faq
Fa

Fad
直轴
直轴电枢磁势固定地作用在直轴磁路上，对应于
一个恒定不变的磁阻，产生磁通Φad。交轴电枢磁势固
定地作用在交轴磁路，也对应于一个恒定不变的磁阻，
产生磁通Φaq。磁通Φad与Φaq分别切割定子绕组而在其
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磁动势分析
1、定子三相对称绕组中对称三相电流产生基波电枢磁动势 N1 I1k N 1 (A) （1） 大小： Fa 1.35
n1 （2） 转速： 60 f1 p
p
(r/min)
（3） 转向：沿通电相序A、B、C的方向，它与转子转向相同
（4）极对数：和转子极对数Ｐ相同，决定于绕组的节距 y1 2、转子绕组通入直流产生每极基波励磁磁动势

F ad F a sin Y
交轴分量
I dLeabharlann Baidu I sin Y I q I cos Y
F aq F a cos Y
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1. 交轴电枢磁动势的作用
ψ≈φ=00,
Fa
n1 Tem
Iq Ia,
式中
. .
.
.
.
.
抗。
X s X a + X 称为隐极同步电机的同步电
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电枢反应磁通及漏磁通所产生的作用，可以通过
同步电抗压降的形式来表示。 同步电机在正常状态下工作，磁路略呈饱和。磁 路的饱和程度越高，它的磁阻便越大，所对应的电抗 便函越小。所以Ｘa或ＸS的大小是随着磁路饱和程度 的改变而改变的。
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六、空载特性(磁化曲线)
定子绕组开路、转子由原动机拖动到额定转速并通 入励磁电流的运行状态称为同步发电机的空载运行， 称 U0 E0 f (i f ) 的函数关系为空载特性，它是一条 非线性关系的饱和曲线。
U
注意：空载曲线横 坐标是实际的励磁
UN
电流，或每极实际
磁动势波幅，而不 是基波磁动势。
定子漏抗相加，便可以得到直轴同步电抗和交轴同步
电抗，即
X d X ad + X X q X aq + X
注意：在直轴磁路上，由于气隙小，磁阻小，所 以Xad较大。在交轴磁路上，由于气隙很大，磁阻大， 所以Xaq较小。当直轴及交轴的同步电抗相等时，就是 隐极电机。
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6.2.3 隐极同步发电机的负载运行
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1 隐极发电机的电磁过程

If
I

Ff
Fa
0 a

E0


Ea j I xa
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Ea
I Ra

E

E



E j I x
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2 隐极同步发电机的电势方程式


交轴电枢磁动势和励磁磁
动势作用产生电磁力, 形成
制动性质的电磁转矩Tem 励磁磁动势超前电枢磁动
势
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Ff
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1. 交轴电枢磁动势的作用
ψ≈φ=1800,
交轴电枢磁动势和励磁 磁动势作用产生电磁力,
形成驱动性质的电磁转
矩Tem 电枢磁动势超前励磁磁
Ff
动势
Ff 1及 B0均与+A轴重合，A相绕组的有效边处于极间磁密为 1、 零处，A相绕组感应电势瞬时值为零，即 E0 在+j时间轴的投 2015-1-16 武汉大学电气工程学院刘启胜 影为零 。
2、A相绕组边处于磁极中心线，磁密最大，A相绕组 感应电动势瞬时值为正最大。
结论： Ff 1 及 B0 在空间参考轴+A上初相位α0与A相时间 相量ψ0在时间参考轴+j的初相位 E 之间存在一定关系， 0
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四、定子相绕组的感应电动势、时间相量
气隙磁密 B0 旋转切割定子三相绕组，定子绕组感应 随时间正弦变化的电动势，用时间相量来表示。由于空间 坐标选A相绕组轴线+A为参考轴，所以时间相量也分析A 相，感应电动势效值用 E0表示。E0 4.44 fNkN10
同步发电机在对称负载下运行，气隙中存在着两 种磁势，即定子上的电枢磁势和转子的磁极磁势。在 不考虑磁路的饱和现象时，应用迭加原理，认为它们 各自独立地产生相应磁通，并在电枢绕组内产生感应 . 电势。 . E a j I a X a . . . . . . E j I a X E 0 + E a + E U X s X a + X
电动势E0和负载电流 I 之间的相位差ψ有关。
1) 电动势E0和负载电流 I 同相位，ψ＝0；
2)负载电流 I 滞后电动势E0 900，ψ＝900；
3)负载电流 I 超前电动势E0 900，ψ＝-900；
4)负载电流 I滞后电动势E0 一角度ψ ，00<Ψ<900
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三、基波气隙磁密空间矢量
1、隐极机： 气隙均匀，当铁心不饱和时，气隙磁密与磁动势成 正比，基波磁动势产生正弦波磁密，再不考虑磁铁的 磁滞涡流效应下，磁密波的相位和磁动势波的相位相 同。 2、凸极机： 气隙不均匀，即使铁心不饱和，气隙中产生的磁密 大小与磁动势大小不成正比，正弦的基波励磁磁动势 产生的磁密波是非正弦分布的，磁密波还要分解基波 和一系列谐波，基波磁密和基波磁动势仍然同相位。
应产生电动势 Eσ
E j I a X
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.
.
所以在三相对称电流通过电枢绕组后，所产生的
匝链定子绕组的磁通为（Φα+Φσ），两者在电枢绕组
中所产生的全部电势为
E a + E ( j I a X a + j I a X ) j I a (X a + X ) j I a X s
内功率因数角00<Ψ<900 电流正，则首端出，末端进
q 轴 A轴
时轴
E0A
.
Y
Ψ +900
C
IC
.
ψ IA
.
.
d轴
.
Ff
A
Fa
S
X
N
E 0C
.
IB
E 0B
Z B
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既有交轴又有直轴去磁电枢反应
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电枢磁势和电枢电流分量
F a F ad + F aq 直轴分量 I Id+ Iq
一般 ku=1.1~1.25
F Ff 0
6.2.2
同步发电机的电枢反应
同步电机在空载时，气隙中仅存在着转子磁势。负
载以后，除转子磁势外，定子三相电流也产生电枢
磁势。电枢磁势的存在，将使气隙中磁场的大小及
位置发生变化，这种现象称之为电枢反应。
电枢反应：电枢磁动势对主极磁场基波的影响。
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中感应出电势Ead及Eaq。由于交轴及直轴的磁阻都恒
定不变，所以Ead正比于Φad， Eaq正比于Φaq，因此，
E ad j I d X ad . . E aq j I d X aq
. .
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和隐极电机一样，直轴和交轴电枢反应电抗各和
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If
定义：对应发电机空载特性产生空载额定电压所需要 的励磁磁动势Ffo，和对应气隙线产生空载额定电压所 需要的励磁磁动势Fδ之比。
七、饱和系数ku
U
ku
Ffo F

I fo I
E0
UN
E0 ku UN
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If
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2、凸极同步电机：
直轴→气隙小→磁导大 交轴→气隙大→磁导小 同样大小的电枢磁动 电枢磁动势作用在不 势作用在d轴和q轴上， 同的位置，产生不同 所产生的电枢磁场将 的效果 有明显的差别
双反应理论：磁动势Fa分解成沿直轴和交轴方向的 两个分量，分别求它们的作用，最后将效果叠加。
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即：ψ0= α0 -90度，此关系适合任意时刻。 武汉大学电气工程学院刘启胜
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五、时空相—矢量图
将空间矢量图参考轴+A与时间相量参考轴+j重合 在一起，构成时间空间相量图，即时-空相矢量图
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注意：时间相量与空间矢量的物理意义截然不同，放在一 起无实际意义，只是为了方便找出向量的相对位置
f f f
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2、隐极电机的励磁磁动势
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二、基波励磁磁动势空间矢量
空间参考轴选择定子A组绕组轴线+A处，该处 为α =0，基波励磁磁动势用空间向量表示,向量长度 等于基波磁动势的幅值,向量位置为基波磁动势正波 幅所在位置，向量以同步角速度ω逆时针方向转动。