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同步发电机的运行原理同步发电机的运行原理一、空载运行时的主磁通一、空载运行时的主磁通n 同步发电机空载运行同步发电机空载运行是指同步发电机被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，定子绕组过直流励磁电流，定子绕组开路开路（定子绕（定子绕组电流为零）时的运行状况。（组电流为零）时的运行状况。（图示图示）6.1 同步发电机的主磁通同步发电机的主磁通l空载：空载：气隙磁动势气隙磁动势l负载：负载：气隙磁动势气隙磁动势l同步发电机对称负载时，电枢磁动势同步发电机对称负载时，电枢磁动势Fa对励磁磁动势对励磁磁动势Ff的影响，称为的影响，称为电枢反应电枢反应。三、三、电枢反应电枢反应fFF faFFF 三、三、电枢反应电枢反应l两种磁动势性质比较：两种磁动势性质比较：基波基波波形波形大小大小位置位置转速转速励磁磁励磁磁动势动势正弦波正弦波恒定，由励恒定，由励磁电流决定磁电流决定由转子位由转子位置决定置决定由转子转由转子转速决定速决定电枢磁电枢磁动势动势正弦波正弦波恒定，由电恒定，由电枢电流决定枢电流决定由电流瞬由电流瞬时值决定时值决定由电流的由电流的f和和p决定决定结论：结论：电枢磁动势电枢磁动势Fa和励磁磁动势和励磁磁动势Ff在空间在空间相对静止。相对静止。n几个概念几个概念内功率因数角内功率因数角：空载电动势：空载电动势E0和电枢电和电枢电流流 I 之间的夹角，与电机本身参数和负载之间的夹角，与电机本身参数和负载的大小、性质有关；的大小、性质有关；功率因数角功率因数角 ：与负载性质有关；：与负载性质有关；功率角（功角）功率角（功角）：E0和和U之间的夹角；之间的夹角；且有（电感性负载）且有（电感性负载）直轴（直轴（d轴轴）：主磁极轴线（纵轴）；）：主磁极轴线（纵轴）；交轴（交轴（q轴轴）：转子相邻磁极轴线间的中）：转子相邻磁极轴线间的中心线为交轴（横轴）心线为交轴（横轴）三、电枢反应三、电枢反应 三、三、电枢反应电枢反应l电枢反应的性质电枢反应的性质：（增磁、去磁或交磁）（增磁、去磁或交磁）与负载的性质和大小有关，主要取决于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位置。分析表明，此相对位置取决于空势电动势势电动势E0和定子电流和定子电流 I 之间的相角差之间的相角差 。电枢反应的性质可通过电枢反应的性质可通过时空矢量图时空矢量图来反映。来反映。时空矢量图：时空矢量图：含有时间相量和空间向量的矢含有时间相量和空间向量的矢量图。量图。作时空矢量图确定电枢反应的性质的规律：作时空矢量图确定电枢反应的性质的规律：l取励磁磁势取励磁磁势Ff作为参考向量，其方向就作为参考向量，其方向就d轴轴方向方向；l空载磁通空载磁通0与与Ff 同方向，空载电势同方向，空载电势E0滞后滞后空载磁通空载磁通0 90；l定子电流定子电流I滞后滞后空载电势空载电势E0 的角度为内功的角度为内功率因数角率因数角；l电枢磁势电枢磁势Fa 与定子电流与定子电流I同相位同相位。三、电枢反应三、电枢反应1、=0 时的电枢反应时的电枢反应三、电枢反应三、电枢反应轴轴dfF()aaqFF 00()B I 0E 1 F 时空矢量图时空矢量图1、=0 时的电枢反应时的电枢反应三、电枢反应三、电枢反应电枢磁势电枢磁势Fa滞滞后励磁磁势后励磁磁势Ff 90，合成磁，合成磁势势F的大小略的大小略有增加，分布有增加，分布滞后励磁磁势滞后励磁磁势Ff一个锐角，一个锐角，此时电枢反应此时电枢反应性质为性质为交轴电交轴电枢反应枢反应。 1、=0 时的电枢反应时的电枢反应交轴电枢反应，即交磁作用。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电枢磁场与转子励磁绕组相互作用产生的电磁力磁力f1，在转子上产生的电磁转矩与转子的，在转子上产生的电磁转矩与转子的转向相反转向相反，对发电机起，对发电机起制动制动作用。作用。要想维持转速不变，就要相应地要想维持转速不变，就要相应地增加增加原动机原动机的的输入输入机械功率。机械功率。交轴电枢反应实现了机电能量的转换，发电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。机有有功功率输出。三、电枢反应三、电枢反应三、电枢反应三、电枢反应2、=90 时的电枢反应时的电枢反应轴轴dfF()aadFF 00()B I 0E 1 F 时空矢量图时空矢量图 三、电枢反应三、电枢反应2、=90 时的电枢反应时的电枢反应直轴去磁电枢反应。直轴去磁电枢反应。电磁力电磁力f1在转子上不产生的电磁转矩。在转子上不产生的电磁转矩。合成磁动势合成磁动势F减小减小，使发电机的，使发电机的端电压下降端电压下降。要想保持发电机的端电压不变，需要想保持发电机的端电压不变，需增大增大发电发电机的励磁电流。机的励磁电流。发电机输出无功功率。发电机输出无功功率。三、电枢反应三、电枢反应3、=-90 时的电枢反应时的电枢反应时空矢量图时空矢量图轴轴dfF()aadFF 00()B I 0E 1 F 三、电枢反应三、电枢反应3、=-90 时的电枢反应时的电枢反应直轴增磁电枢反应。直轴增磁电枢反应。电磁力电磁力f1在转子上不产生的电磁转矩。在转子上不产生的电磁转矩。合成磁动势合成磁动势F增大增大，使发电机的，使发电机的端电压上升端电压上升。要想保持发电机的端电压不变，需要想保持发电机的端电压不变，需减小减小发电发电机的励磁电流。机的励磁电流。发电机输出无功功率。发电机输出无功功率。4、 090 时的电枢反应时的电枢反应三、电枢反应三、电枢反应 既有交轴电既有交轴电枢反应，又枢反应，又有直轴去磁有直轴去磁电枢反应。电枢反应。 发电机既输发电机既输出有功功率，出有功功率，又输出无功又输出无功功率。功率。轴轴dfFaF00()B I 0E 1 F 时空矢量图时空矢量图aqFadF qI dI 5、 -90 ，所以，所以XadXaq，因，因此在凸极同步电机中，此在凸极同步电机中，XdXq, ,且且Xq*0.6Xd*l对于隐极电机，由于气隙是均匀的，故对于隐极电机，由于气隙是均匀的，故Xd=Xq=Xt lXa（隐）（隐）Xad（凸）（凸）Xaq（凸）（凸） 二、凸极同步发电机二、凸极同步发电机21adadXN 21aqaqXN adaq3、相量图、相量图l以发电机端电压为参考相量，作带阻感负载以发电机端电压为参考相量，作带阻感负载的相量图如下：的相量图如下：0cos()cossindddEUI xUIxsintancosqIxUU 二、凸极同步发电机二、凸极同步发电机二、凸极同步发电机二、凸极同步发电机说明：说明：l 、的公式同样适用于隐极电机，只要令的公式同样适用于隐极电机，只要令 Xd = Xq = Xt 公式中公式中 U、I、E 均为相值；均为相值；l 性质：滞后性质：滞后 0 、超前、超前 0；l公式可直接改为标幺值形式。基值选定如下：公式可直接改为标幺值形式。基值选定如下：容量基值容量基值 Sb = mUN IN 电压基值电压基值 Ub = UN 电流基值电流基值 Ib = IN 阻抗基值阻抗基值 Zb = UN /IN 励磁电流基值励磁电流基值 Ifb = If0 (E0=UN) 0E 例例1： 一台汽轮发电机一台汽轮发电机 PN=135MW，定子，定子三相绕组三相绕组Y接法，额定电压接法，额定电压 UN=13.8kV，cos =0.8（滞后），（滞后）， xt=2.35，忽略电，忽略电枢电阻，求额定运行时的枢电阻，求额定运行时的E0N和和N 。二、凸极同步发电机二、凸极同步发电机 解：解：发电机定子额定电流发电机定子额定电流 发电机定子采用发电机定子采用Y接法，其额定相电压接法，其额定相电压 二、凸极同步发电机二、凸极同步发电机l同步发电机在对称负载下稳定运行时，维同步发电机在对称负载下稳定运行时，维持转速持转速(频率频率)和功率因数为常数的条件下，和功率因数为常数的条件下，发电机的发电机的端电压端电压U、负载电流负载电流I、励磁电励磁电流流If是是3个主要的运行参数，它们都可以个主要的运行参数，它们都可以在运行中被测量。在运行中被测量。l它们之间互有联系，当保持其中一个量为它们之间互有联系，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常数，另外两个量之间的函数关系称为运运行特性行特性。6.3 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性 1.定义：定义：2.实验接线：实验接线：3.步骤：步骤：IfU0=01.25UN，注意：只能，注意：只能单方向调磁；单方向调磁；一、空载特性一、空载特性 0,0,()NfEInnfI 一、空载特性一、空载特性 4.曲线：曲线： E0=f (If ) 如右图。如右图。电机磁路的饱和系电机磁路的饱和系数数 ：0NEkU 通常同步发电机的通常同步发电机的k大约为大约为1.11.25。 0fI0fI 一、空载特性一、空载特性 l 空载电动势的调节：空载电动势的调节：根据根据E0=4.44fN1kN10 和和If 0可知，调节励可知，调节励磁电流磁电流If，可改变磁通，可改变磁通0，从而改变定子绕组，从而改变定子绕组感应电势感应电势E0。即。即If E0；If E0。l 频率的调节：频率的调节：转子转速越高，定子绕组感应电势转子转速越高，定子绕组感应电势E0的频率越的频率越高。即高。即 n f。f=pn/60要产生要产生50Hz的交流电压，对于汽轮发电机的交流电压，对于汽轮发电机（p=1）来说，必须使转速保持）来说，必须使转速保持3000r/min。 1.定义：定义：2.实验接线：实验接线：3.步骤：步骤：n=nN，调，调If ，使，使Ik=01.25IN二、短路特性二、短路特性 , ()0,NkfInUfnI 4.曲线：曲线： Ik=f ( If ) 二、短路特性二、短路特性 短路电流短路电流Ik只有直只有直轴分量，其电枢反轴分量，其电枢反应为纯去磁作用。应为纯去磁作用。磁路处于不饱和状磁路处于不饱和状态，态，E0If又又Ik=E0 / xd，xd为为常数，就有常数，就有IkIf二、短路特性二、短路特性 l利用空载和短路特性确定利用空载和短路特性确定xd的不饱和值的不饱和值磁路不饱和时，磁路不饱和时，xd为为常数常数；磁路饱和时，磁路饱和时，xd随随而而；0()dkExI 不不饱饱和和()0NdkUxI 饱饱和和由气隙线确定：由气隙线确定：由空载特性曲线确定：由空载特性曲线确定：二、短路特性二、短路特性 l短路比短路比kc ：指当空载：指当空载电压为额定电压时，电压为额定电压时，发电机出线端短路的发电机出线端短路的短路电流短路电流Ik0与额定电与额定电流流IN之比值。之比值。00000*00()()()fNkcNfkkNffNffkdIUUIkIIIIIIkUkIIEx 不不饱饱和和二、短路特性二、短路特性 l短路比短路比kc是影响到同步发电机技术经济指标好是影响到同步发电机技术经济指标好坏的一个重要参数。坏的一个重要参数。l短路比小，负载变化时发电机的电压变化较短路比小，负载变化时发电机的电压变化较大，并联运行时发电机的稳定度较差，但电大，并联运行时发电机的稳定度较差，但电机造价较便宜。机造价较便宜。l反之，反之， kc 气隙大气隙大 xd 电机的成本和尺电机的成本和尺寸增加。寸增加。l汽轮发电机汽轮发电机 kc=0.6，水轮发电机水轮发电机 kc=0.81.2解解: 从气隙线上查出，从气隙线上查出，If280A时，激磁电动时，激磁电动势势 ；在同一励磁；在同一励磁电流下，由短路特性查出，短路电流电流下，由短路特性查出，短路电流I1718A；所以同步电抗为；所以同步电抗为 二、短路特性二、短路特性 例例2：有一台有一台25000kW、10.5kV、 cos =0.8 (滞滞后后)，Y接法的汽轮发电机，从其空载、短路试接法的汽轮发电机，从其空载、短路试验中得到下列数据，试求同步电抗。验中得到下列数据，试求同步电抗。 从空载特性上查得：相电压从空载特性上查得：相电压 kV时，时，If0155A；从短路特性上查得：；从短路特性上查得：IIN1718A时，时，Ifk280A；从气隙线上得查得：；从气隙线上得查得：If280A时，时， kV 10.5 /3U 22.4/3U 022400/312930EVV 0()129307.5261718dEXI 不不饱饱和和*0022.4/32.13310.5/3NEEU *0()*2.1332.1331dEXI不不饱饱和和0*00fkkNfkIIIII*002801.806/155NNdkkNUUXIII（饱饱和和）用标幺值计算时用标幺值计算时 ，故故从空载和短路特性可知从空载和短路特性可知，故故二、短路特性二、短路特性 三、外特性和电压变化率三、外特性和电压变化率 1.外特性外特性定义：定义：曲线：曲线： 1,co)s(,fnfnIICC U 三、外特性和电压变化率三、外特性和电压变化率 cos 不同时分析发电机外特性的相量图不同时分析发电机外特性的相量图(a)cos =1；(b)cos =0.8(滞后滞后)；(c)cos =0.8(超前超前)分析分析三、外特性和电压变化率三、外特性和电压变化率 2.电压变化率：电压变化率：当保持额定运行时的励磁电流当保持额定运行时的励磁电流IfN 和转速和转速nN 不不变，将发电机的完全甩负荷时变，将发电机的完全甩负荷时,发电机的端电发电机的端电压将由压将由UN 变化为空载电动势变化为空载电动势 E0，电压变化，电压变化的幅度可以用电压变化率来表示的幅度可以用电压变化率来表示U 是发电机的性能指标之一，按国家标准是发电机的性能指标之一，按国家标准规定应规定应不大于不大于50% 。0%100%NNEUUU 四、调节特性四、调节特性 1.定义：定义：2.曲线：曲线：1,cos,( )fnn UCC If I 四、调节特性四、调节特性 3.分析：分析：cos 不同时分析发电机调节特性的相量图不同时分析发电机调节特性的相量图(a)cos =1；(b)cos =0.8(滞后滞后)；(c)cos =0.8(超前超前)凸极同步电机电枢反应凸极同步电机电枢反应磁通及所经磁路及磁导磁通及所经磁路及磁导adF)(adad )( )(aqaq adF)( 直轴电枢磁导直轴电枢磁导交轴电枢磁导交轴电枢磁导66 结束语结束语