6.2 6.2 同步发电机的运行原理同步发电机的运行原理重点内容重点内容1.同步发电机空载特性的重要意义同步发电机空载特性的重要意义2.同步发电机电枢反应的概念、性质、决定因素及其电磁同步发电机电枢反应的概念、性质、决定因素及其电磁物理实质物理实质3.电枢反应电抗，同步电抗电枢反应电抗，同步电抗(直轴同步电机，交轴同步电机直轴同步电机，交轴同步电机)的概念的概念4.隐极发电机负载运行分析及其电磁关系隐极发电机负载运行分析及其电磁关系5.凸极发电机的负载运行分析及其电磁关系凸极发电机的负载运行分析及其电磁关系6.2.1 同步发电机的空载运行 一、空载磁通一、空载磁通(又称励磁磁通或主极磁通又称励磁磁通或主极磁通)空载运行：空载运行：当原动机拖动发电机以同步速度旋转，励磁绕组通入励磁电流，电枢绕组不带任何负载（即电枢电流等于零）时的运行状态。1.励磁磁动势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。励磁磁动势的特点：沿气隙空间分布的波形 波幅恒定 旋转转速为同步转速基波励磁磁动势的特点：(1)(1)、凸极电机的励磁磁动势、凸极电机的励磁磁动势(2)、隐极电机的励磁磁动势、隐极电机的励磁磁动势 空间参考轴选择定子空间参考轴选择定子A组绕组轴线组绕组轴线+A处，该处处，该处 为为 =0，基波励磁磁动势用空间向量表示，基波励磁磁动势用空间向量表示,向量长度向量长度等于基波磁动势的副值等于基波磁动势的副值,向量位置为基波磁动势正波向量位置为基波磁动势正波幅所在位置，向量以同步角速度幅所在位置，向量以同步角速度逆时针方向转动。逆时针方向转动。2.基波励磁磁动势空间矢量3.基波气隙磁密空间矢量 (1)(1)、隐极机：、隐极机： 气隙均匀，当铁心不饱和时，气隙磁密与磁动势成气隙均匀，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磁滞涡流效应下，磁密波的相位和磁动势波的相位相同。同。 (2)(2)、凸极机：、凸极机： 气隙不均匀，即使铁心不饱和，气隙中产生的磁密气隙不均匀，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。和一系列谐波，基波磁密和基波磁动势仍然同相位。 二、定子相绕组的感应电动势 气隙磁密气隙磁密 旋转切割定子三相绕组，定子绕组感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。由于空间坐标选间坐标选A相绕组轴线相绕组轴线+A为参考轴，所以时间相量也分析为参考轴，所以时间相量也分析A相感应电动势有效值用相感应电动势有效值用 表示。表示。相绕组感应电动势的性质相绕组感应电动势的性质:大小大小: 频率：频率：波形：正弦形波形：正弦形 相位：滞后相位：滞后 参考相相量三、空载特性( (磁化曲线磁化曲线) ) 注意：空载曲线横注意：空载曲线横坐标是实际的励磁坐标是实际的励磁电流，或每极实际电流，或每极实际磁动势波幅，而不磁动势波幅，而不是基波磁动势。是基波磁动势。 定子绕组开路、转子由原动机拖动到额定转速旋转、定子绕组开路、转子由原动机拖动到额定转速旋转、并通入励磁电流的运行状态称为同步发电机的空载运行，并通入励磁电流的运行状态称为同步发电机的空载运行，称称 的函数关系为空载特性，它是一条非线的函数关系为空载特性，它是一条非线性关系的饱和曲线性关系的饱和曲线。2 2气隙线气隙线1空载特性空载特性饱和系数 定义：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F之比。2 2气隙线气隙线1空载特性空载特性一般=1.11.25空载特性的意义空载特性的意义v直接反映磁势与电势间的关系直接反映磁势与电势间的关系v直观反映电机磁路的饱和程度直观反映电机磁路的饱和程度v与其它特性一起可求取电机的某些参数与其它特性一起可求取电机的某些参数6.2.2 6.2.2 同步发电机的电枢反应同步发电机的电枢反应一、电枢反应的概念：一、电枢反应的概念： 同步电机在空载时，气隙中仅存在着转子磁势。负同步电机在空载时，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。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。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。电枢反应：电枢磁动势对主极磁场基波的影响。d-q坐标系统的建立坐标系统的建立应用时应用时-空相量图分析空相量图分析 二、二、 电枢反应的性质电枢反应的性质电枢反应的性质与电枢磁动势和主磁场在空间的相对位置有关。这一相对位置与激磁电动势E0和负载电流 I 之间的相位差（内功率因数角）有关。1) 电动势E0和负载电流 I 同相位，0；2)负载电流 I 滞后电动势E0 900，900；3)负载电流 I 超前电动势E0 900，-900；4)负载电流 I滞后电动势E0 一角度 ，00 9001）内功率因数角=00 时轴+90+900 0FFad轴轴q轴轴 A轴轴A AX X Z ZB BCYFfNS 交轴电枢反应电流正，则首端出，末端进2）内功率因数角=900时轴d轴q轴 A轴A AX XZ ZB BCYFfNS直轴去磁电枢反应直轴去磁电枢反应Fa电流正，则首端出，末端进3）内功率因数角=-900时轴d轴q轴 A轴A AX XZ ZB BCYFfNS直轴助磁电枢反应直轴助磁电枢反应Fa电流正，则首端出，末端进4）内功率因数角00900 时轴d轴q轴 A轴A AX XZ ZB BCYFfNS既有交轴又有直轴去磁电枢反应+90+900 0Fa电流正，则首端出，末端进5）电枢磁势和电枢电流分量）电枢磁势和电枢电流分量 Y=Y=Y=Y=+=+=coscossinsinIIFFIIFFIIIFFFqaaqdaadqdaqada交轴分量交轴分量直轴分量3、决定电枢反应性质的主要因素、决定电枢反应性质的主要因素v从上分析：从上分析：电枢反应性质主要取决于内功率因数角电枢反应性质主要取决于内功率因数角v 0，为交轴电枢反应。，为交轴电枢反应。v 90o （滞后）（滞后）,为直轴去磁电枢反应。为直轴去磁电枢反应。v 90o （超前）（超前）,为直轴助磁电枢反应。为直轴助磁电枢反应。v 为任意角时，既有交轴电枢反应，又有直轴电枢反应。为任意角时，既有交轴电枢反应，又有直轴电枢反应。 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电枢反应；当电机供给超前枢反应外，还有一部分产生直轴去磁电枢反应；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。产生直轴增磁电枢反应。4、电枢反应的电磁物理实质、电枢反应的电磁物理实质 交轴电枢磁势和励磁磁势作用交轴电枢磁势和励磁磁势作用产生电磁力，形成电磁转矩，影响转产生电磁力，形成电磁转矩，影响转子转速，即定子电流的频率。子转速，即定子电流的频率。 直轴电枢磁势和励磁磁势作用直轴电枢磁势和励磁磁势作用也产生电磁力，但不形成电磁转矩，也产生电磁力，但不形成电磁转矩，仅改变主磁通的大小，影响端电压。仅改变主磁通的大小，影响端电压。（1）. 交轴电枢磁势交轴电枢磁势的作用的作用n1Tem=0=00 0, , ,交轴电枢磁势和励磁磁势作用产生电磁力, 形成制动性质的电磁转矩Tem。当T1=Tem时，n1=C,即f1=CIQ变化时，电磁转矩Tem随之变化，要保持 n1 =C，则调节T1，调节输入的有功功率。励磁磁势超前电枢磁势( 2 ). 直直轴电枢磁势轴电枢磁势的作用的作用n1nadIfAZBXCYNS=90=900 0, , ,直轴电枢磁势也产生电磁力，但不形成电磁转矩。 为去磁电枢反应，主磁通减少，端电压下降，要保持端电压不变，则要调节励磁电流。6.2.3 隐极同步发电机的负载运行隐极同步发电机的负载运行1. 1. 不计饱和影响不计饱和影响(1)(1)电磁过程电磁过程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。电枢磁势作用在任一位置，其效果是一样的。 Xa 称为电枢反应电抗。在同样大小电流情况下称为电枢反应电抗。在同样大小电流情况下,如果如果 Xa 越大，电枢反应电势也越大，表示着电枢磁势所产生越大，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。因此的电枢磁通很强。因此 Xa 的大小可以说明电枢反应的强的大小可以说明电枢反应的强弱。弱。 电枢电流除了产生主磁通外，还要产生一定的漏磁通，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，所以对应产生电势由于漏磁通也会交链电枢绕组，所以对应产生电势 E，X为漏电抗。为漏电抗。(2)电磁关系电磁关系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（+），两者在电枢绕组中所产生的全部电势为称为隐极同步电机的同步电抗，电势方程式电势方程式已知发电机的端电压已知发电机的端电压、负载电流和功率因数负载电流和功率因数coscos及及参数参数R Ra a 、X Xs s当功率因数当功率因数cos滞后时的相量图滞后时的相量图相量图相量图三个角度间的关系： = + 根据相量图的相量关系，将电压按角分解成Usin和Ucos后，可以得到的计算公式：（ ）Raxs只要去掉只要去掉 R Ra a 即可得到简化等效电路即可得到简化等效电路等效电路等效电路2.计及饱和影响计及饱和影响v非线性系统，磁势叠加，产生合成磁势，感生气隙电势。非线性系统，磁势叠加，产生合成磁势，感生气隙电势。6.2.4 凸极同步发电机的负载运行凸极同步发电机的负载运行 当凸极同步发电机在对称负载下运行时，气隙中也存在着两种旋转磁势，即转子上磁极磁势和定子上电枢磁势。由于凸极电机中，转子直轴和交轴上的气隙不等，在分析电枢磁势影响时，必须按照前面所分析的将磁势分解成直轴和交轴两个分量，然后和处理隐极电机一样，不计及磁路的饱和现象，应用迭加原理认为它们各自独立地产生相应的磁通，并在电枢绕组内产生感应电势。 1.1. 电磁过程电磁过程直轴气隙小磁导大交轴气隙大磁导小双反应理论：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。直轴交轴同样大小的电枢磁动势作用在d轴和q轴上，所产生的电枢磁场将有明显的差别2、电枢反应：、电枢反应：电枢磁动势作用在不同的位置，产生不同的效果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ad。 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aq。 磁通ad与aq分别切割定子绕组而在其中感应出电势Ead及Eaq。由于交轴及直轴的磁阻都恒定不变，所以Ead正比于ad， Eaq正比于aq，因此，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。和隐极电机一样，直轴和交轴电枢反应电抗各和定子漏抗相加，便可以得到直轴同步电抗和交轴同步电抗，即可以把漏抗压降分解成两个分量，即：整理得：3. 电势方程式电势方程式这样，产生的端电压为： 这就是凸极发电机的电动势平衡方程式，这样我们就可以作出相应的相量图。但是很明显，要做出向量图还缺 和 两个分量。也就是要知道 与 之间的夹角。 已知发电机的端电压、负载电流和功率因数及参已知发电机的端电压、负载电流和功率因数及参数数ra 、xd、xq 。(1(1）已知内功率因数角）已知内功率因数角按照电势方程式的关系作出相量图（2 2）未知内功率因数角）未知内功率因数角1 1）利用方程式求出）利用方程式求出：2 2）利用公式求出）利用公式求出：4.4.凸极发电机的相量图的作法凸极发电机的相量图的作法2 2）利用公式求出）利用公式求出：例题例题6-1例题例题 6-1 有一台凸极同步有一台凸极同步发电机，机， ，电枢，电枢电阻略去不计，试计算发电机额定电压、额定千伏安、电阻略去不计，试计算发电机额定电压、额定千伏安、（滞后）时发电机的空载电动势（滞后）时发电机的空载电动势 ，并作出相量图。，并作出相量图。 解解 以电压相量为基准相量，即 外功率因数角 内功率因数角 电流的直轴和交轴分量：另外，内功率因数角还可用公式求取： 空载电动势： 利用几何关系求发电机的励磁电动势E0OAB例题例题6-2例题例题 6-2 6-2 有一台三相汽轮发电机，有一台三相汽轮发电机，P PN N=25000=25000千千瓦，瓦，U UN N=10.5=10.5千伏，千伏， ( (滞后），滞后），Y接线，同步电抗接线，同步电抗 忽略电枢电阻，试求额定负载下发电机的空载相电动势忽略电枢电阻，试求额定负载下发电机的空载相电动势E0 和和 之间的夹角之间的夹角， 之间的夹角之间的夹角 ，并画出相量图。，并画出相量图。解：外功率因数角解：外功率因数角 以电压相量为基准，即以电压相量为基准，即空载电动势和功角空载电动势和功角内功率因数角内功率因数角 利用几何关系求发电机的励磁电动势E0oABC