同步发电机的运行原理.ppt

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1、第第6 6章章 同步发电机的运行原理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主磁通同同步步发发电电机机的的电电动动势势方方程程式式和和相量图相量图同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性第一页，编辑于星期六：二十点 二分。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原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，定子绕组直流励磁电流，定子绕组开路开路（定子绕组（定子绕组电流为零）时的运行状况。（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

2、通第二页，编辑于星期六：二十点 二分。从从图可可见，主极磁，主极磁通分成通分成主磁通主磁通0和和漏磁通漏磁通f两部分，两部分，前者通前者通过气隙并气隙并与定子与定子绕组相交相交链，后者不通，后者不通过气隙，气隙，仅与励磁与励磁绕组相交相交链。一、空载运行时的主磁通一、空载运行时的主磁通第三页，编辑于星期六：二十点 二分。一、空载运行时的主磁通一、空载运行时的主磁通l空载时：空载时：I=0，If0,n=nN l空载时发电机内部电磁关系空载时发电机内部电磁关系 只增加磁极部分只增加磁极部分的饱和程度的饱和程度 第四页，编辑于星期六：二十点 二分。l空空载运行运行时气隙磁气隙磁场仅由由转子励磁磁子励

3、磁磁动势单独建立，磁独建立，磁场的的强弱弱仅由励磁由励磁电流大小决定。流大小决定。一、空载运行时的主磁通一、空载运行时的主磁通第五页，编辑于星期六：二十点 二分。l负载运行时，定子负载运行时，定子绕组中有电流流过，绕组中有电流流过，便会产生电枢基波便会产生电枢基波旋转磁动势。旋转磁动势。l负载运行运行时，同步，同步电机内由机内由励磁磁励磁磁动势和和电枢磁枢磁动势共共同建立的主磁同建立的主磁场。二、二、带对称负载时的主磁通带对称负载时的主磁通第六页，编辑于星期六：二十点 二分。二、二、带对称负载时的主磁通带对称负载时的主磁通l负载时：负载时：I 0，If0,n=nN l负载时发电机内部电磁关系负

4、载时发电机内部电磁关系 主磁通主磁通第七页，编辑于星期六：二十点 二分。l负载运行运行时，同步，同步电机内的主磁机内的主磁场由由励磁磁励磁磁动势和和电枢磁枢磁动势共同建立。共同建立。二、带对称负载时的主磁通二、带对称负载时的主磁通第八页，编辑于星期六：二十点 二分。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对励对励磁磁动势磁磁动势Ff的影响，称为的影响，称为电枢反应电枢反应。三、三、电枢反应电枢反应第九页，编辑于星期六：二十点 二分。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：

5、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在空间相在空间相对静止。对静止。第十页，编辑于星期六：二十点 二分。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

6、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；且之间的夹角；且有（电感性负载）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心）：转子相邻磁极轴线间的中心线为交轴（横轴）线为交轴（横轴）三、电枢反应三、电枢反应第十一页，编辑于星期六：二十点 二分。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，主要取决于电枢与负载的性质和大小有关，主要取决于电枢磁动

7、势和励磁磁动势在空间的相对位置。分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析表明，此相对位置取决于空势电动势E0和和定子电流定子电流 I 之间的相角差之间的相角差。电枢反应的电枢反应的性质可通过性质可通过时空矢量图时空矢量图来反映。来反映。第十二页，编辑于星期六：二十点 二分。时空矢量图：时空矢量图：含有时间相量和空间向量的矢量含有时间相量和空间向量的矢量图。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

8、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 的角度为内功率的角度为内功率因数角因数角；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、电枢反应第十三页，编辑于星期六：二十点 二分。1、=0 时的电枢反应时的电枢反应三、电枢反应三、电枢反应时空矢量图时空矢量图第十四页，编辑于星期六：二十点 二分。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，合成磁势，合成磁势F的大小略有增的大小略有增加，分布滞后励加，分布滞后励磁磁势磁磁势Ff一个锐一

9、个锐角，此时电枢反角，此时电枢反应性质为应性质为交轴电交轴电枢反应枢反应。第十五页，编辑于星期六：二十点 二分。1、=0 时的电枢反应时的电枢反应l交轴电枢反应，即交磁作用。交轴电枢反应，即交磁作用。l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转向相反向相反，对发电机起，对发电机起制动制动作用。作用。l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的原动机的输入输入机械功率。机械功率。l交轴电枢反应实现了机电能量的转换，发电机有交轴电枢反应实现了机电能量的转换

10、，发电机有有功功率输出。有功功率输出。三、电枢反应三、电枢反应第十六页，编辑于星期六：二十点 二分。三、电枢反应三、电枢反应2、=90 时的电枢反应时的电枢反应时空矢量图时空矢量图第十七页，编辑于星期六：二十点 二分。三、电枢反应三、电枢反应2、=90 时的电枢反应时的电枢反应l直轴去磁电枢反应。直轴去磁电枢反应。l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。l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。l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，需增大增大发电机发电机的励磁电流。的励磁电流。l发电机输出无功功率。发电机输

11、出无功功率。第十八页，编辑于星期六：二十点 二分。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第十九页，编辑于星期六：二十点 二分。三、电枢反应三、电枢反应3、=-90 时的电枢反应时的电枢反应l直轴增磁电枢反应。直轴增磁电枢反应。l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。l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。l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，需减小减小发电机发电机的励磁电流。的励磁电流。l发电机输出无功功率。发电机输出无功功率。第二十页，编辑于星期六：二十点 二

12、分。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枢既有交轴电枢反应，又有直反应，又有直轴去磁电枢反轴去磁电枢反应。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。时空矢量图时空矢量图第二十一页，编辑于星期六：二十点 二分。5、-90 ，所以，所以XadXaq，因此，因此在凸极同步在凸极同步电机中，机中，XdXq,且且Xq*0.6Xd*l对于于隐极极电机，由于气隙是均匀的，故机，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、凸极同步发电机第四十四页，编辑于星期六：二十点

13、二分。3、相量图、相量图l以发电机端电压为参考相量，作带阻感负载的相以发电机端电压为参考相量，作带阻感负载的相量图如下：量图如下：二、凸极同步发电机二、凸极同步发电机第四十五页，编辑于星期六：二十点 二分。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

14、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)第四十六页，编辑于星期六：二十点 二分。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，忽略电枢，忽略电枢电阻，求额定运行时的电阻，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 第四十七页，编辑于星期六：二十点 二分。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

15、极同步发电机二、凸极同步发电机第四十八页，编辑于星期六：二十点 二分。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、励磁电流励磁电流If是是3个主要的运行参数，它们都可以在运行中个主要的运行参数，它们都可以在运行中被测量。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 第四

16、十九页，编辑于星期六：二十点 二分。1.定义：定义：2.实验接线：实验接线：3.步骤：步骤：IfU0=01.25UN，注意：只能单，注意：只能单方向调磁；方向调磁；一、空载特性一、空载特性 第五十页，编辑于星期六：二十点 二分。一、空载特性一、空载特性 4.曲线：曲线：E0=f(If)如右图。如右图。电机磁路的饱和系数电机磁路的饱和系数：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。第五十一页，编辑于星期六：二十点 二分。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，调节励磁可知，调节励磁电流电流If，

17、可改变磁通，可改变磁通0，从而改变定子绕组感应，从而改变定子绕组感应电势电势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的频率越高。的频率越高。即即 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。第五十二页，编辑于星期六：二十点 二分。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 第五十三页，编辑于星期六：二十

18、点 二分。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只有直轴只有直轴分量，其电枢反应分量，其电枢反应为纯去磁作用。磁为纯去磁作用。磁路处于不饱和状态，路处于不饱和状态，E0If又又Ik=E0/xd，xd为常为常数，就有数，就有IkIf第五十四页，编辑于星期六：二十点 二分。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；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：第五十五页，编辑于星期六：二十点 二分。

19、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，发电压为额定电压时，发电机出线端短路的短路电机出线端短路的短路电流电流Ik0与额定电流与额定电流IN之比值。之比值。第五十六页，编辑于星期六：二十点 二分。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大，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，但电机造价并联运行时发电机的稳定度较差，但电机造价较便宜。较便宜。l反之，反之，kc 气隙大气隙大 x

20、d 电机的成本和尺寸电机的成本和尺寸增加。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第五十七页，编辑于星期六：二十点 二分。解解:从气隙线上查出，从气隙线上查出，If280A时，激磁电动势时，激磁电动势 ；在同一励磁电流下，由短路特性查出，短；在同一励磁电流下，由短路特性查出，短路电流路电流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(滞后滞后)，Y接法的汽轮发电机，从其空载、短路试验中接法的汽轮发电机，从其空载、短路试验中得到下列数据，试求同步电抗。得到下列

21、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 第五十八页，编辑于星期六：二十点 二分。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 第五十九页，编辑于星期六：二十点 二分。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：第六十页，编辑于星期六：二十点 二分。三、外特性和电压变化率三、外特性和电压变化率 co

22、s 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)分析分析第六十一页，编辑于星期六：二十点 二分。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,发电机的端电压发电机的端电压将由将由UN 变化为空载电动势变化为空载电动势 E0，电压变化的幅度，电压变化的幅度可以用电压变化率来表示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

23、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%。第六十二页，编辑于星期六：二十点 二分。四、调节特性四、调节特性 1.定义：定义：2.曲线：曲线：第六十三页，编辑于星期六：二十点 二分。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)第六十四页，编辑于星期六：二十点 二分。凸极同步电机电枢反应磁凸极同步电机电枢反应磁通及所经磁路及磁导通及所经磁路及磁导直轴电枢磁导直轴电枢磁导交轴电枢磁导交轴电枢磁导第六十五页，编辑于星期六：二十点 二分。