CH15三相同步發(fā)電機的運行原理

第十五章同步電機的運行原理

15-1同步發(fā)電機的空載運行

15-2對稱三相負載時同步發(fā)電機的電樞反應

15-3隱極同步發(fā)電機的電壓方程、相量圖和等效電路

15-4凸極同步發(fā)電機的電壓方程和相量圖1第一節(jié)同步發(fā)電機的空載運行

以同步轉速n

1，且轉子勵磁If

，而定子I=0，稱為空載運行。1.空載磁場——主磁場

同步電機的空載磁場2凸極同步電機空載內(nèi)部磁通分布圖3若主磁場B0

在氣隙中正弦分布，且以同步速n1旋轉，則在定子繞組中產(chǎn)生對稱三相電動勢

有效值：頻率：空載電動勢，激磁電動勢。三相對稱電動勢42.空載特性

n1=cE0=f(If)

Ff

∝

If

E0

∝

0電機的磁化曲線

0=f(F

f)同步電機的空載特性

0較小時，磁路不飽和，空載曲線的下部是一條直線；隨o的增大，鐵心逐漸飽和，空載曲線彎曲。氣隙線：不計鐵心磁阻的空載特性曲線。空載特性是同步電機的一條基本特性。5取代表額定電壓UN，飽和系數(shù)定義為

E′0為氣隙線上電壓。普通同步電機kμ約在1.1～1.25.表明：磁路飽和后，由勵磁磁動勢Ff建立的基波主磁通和感應的基波電動勢都降為未飽和值的1/k

μ

，即所需磁動勢是未飽和時的kμ倍（即Ff=kμF）。

飽和系數(shù)Kμ

6第二節(jié)對稱三相負載時同步發(fā)電機的電樞反應一.接三相對稱負載時的物理過程

空載時，同步電機的氣隙磁場是由勵磁磁動勢所產(chǎn)生的主磁場B0。}(空載電動勢或激磁電動勢)7直軸（縱軸或d軸）：主磁極軸線位置；交軸（橫軸或q軸）：磁極N、S之間的中心線，與d軸垂直；相軸：相繞組的軸線位置；時軸：時間相量在其上投影可得瞬時值。

8二.電樞反應：電樞磁動勢的基波對氣隙磁場的影響電樞反應使氣隙磁場空間位置發(fā)生變化，直接關系到電機的機電能量轉換。

電樞反應的去磁或增磁，對電機的運行性能產(chǎn)生影響。電樞反應的性質（交磁，去磁或增磁）取決于電樞磁動勢和主磁場在空間的相對位置。這一相對位置決定于空載電動勢和負載電流的之間的相位差，稱為內(nèi)功率因數(shù)角。91.=0

時

定子繞組電動勢、電流及磁動勢在此時刻，A相電動勢、電流達到最大值，電樞磁動勢的軸線與A相繞組軸線重合，同時也與q軸重合，即Faq=Fa，稱為交軸電樞反應磁動勢。同步發(fā)電機的交軸電樞反應10定子繞組電動勢、電流和磁通的時間相量圖各相電動勢、電流和磁通間的相位關系是相同的，所以后邊只畫出一相。定子繞組電動勢、電流和磁通的時間相量圖11在時-空統(tǒng)一矢量圖中，電樞磁動勢Fa（空間矢量）與電樞電流（時間相量）同相位；空載磁通與勵磁磁動勢Ff同相位。時-空統(tǒng)一矢量圖時-空統(tǒng)-矢量圖12氣隙合成磁場與主磁場的相對位置相對于主磁場，氣隙合成磁場的軸線偏移了一個角度，且幅值有所增加。這是由于電樞磁動勢（Fa=Faq）的作用造成的，稱之為交磁作用。氣隙合成磁場與主磁場的相對位置圖132.Ψ≠0時

電流滯后電動勢電流滯后電動勢的向量圖14電流超前電動勢電流超前電動勢的向量圖15同步發(fā)電機負載電流滯后空載電勢90°時軸ψd軸q軸A軸AXZBCYFfNSFa

A相電流瞬時值達最大值時，A相電勢瞬時值為零，此時主磁極軸線位于A相軸線的反向位置，為直軸電樞反應。=900的電樞反應

16=900的電樞反應

轉子磁勢和電樞磁勢一同作用在直軸上，方向相反，電樞反應為純?nèi)ゴ抛饔?，合成磁勢的幅值減小。這一電樞反應稱為直軸去磁電樞反應。

=900時的時空相矢圖

17同步發(fā)電機負載電流超前空載電勢90°時軸ψ直軸助磁電樞反應d軸q軸A軸AXZBCYFfNSFa=－900的電樞反應

18

此時Ff與Fa之間的夾角為0，即二者同相，轉子磁勢和電樞磁勢一同作用在直軸上，方向相同，電樞反應為純增磁作用，合成磁勢的幅值加大。這一電樞反應稱為直軸增磁電樞反應。

=-900時的時空相矢圖

=－900的電樞反應

19不同負載性質時電樞反應磁場與轉子電流的相互作用三.機電能量轉換交軸電樞反應磁場對轉子產(chǎn)生阻力轉矩。直軸電樞反應磁場對轉子磁場起去磁或助磁作用，不阻礙轉子旋轉。20直軸電樞反應的影響直軸電樞反應磁場由定子電流的無功分量產(chǎn)生的，雖與轉子繞組也產(chǎn)生電磁力，但不形成轉矩，不妨礙轉子旋轉，只對轉子磁場起去磁或增磁作用，為維持定子的端電壓，就必須相應調(diào)節(jié)（增加或減小）轉子勵磁電流（直流電流）。交軸電樞反應的影響交軸電樞反應磁場是由定子電流的有功分量產(chǎn)生的，產(chǎn)生的交軸電樞磁場對轉子繞組產(chǎn)生阻轉矩，阻礙轉子旋轉；定子輸出有功功率越大，有功電流分量就越大，交軸電樞反應磁場就越強，所產(chǎn)生的阻力轉矩也越大，這就需要原動機輸出更多動力，才能克服電磁阻轉矩，以維持發(fā)電機轉速不變。21結論：p199為了維持發(fā)電機轉速不變，必須隨著有功負載的變化調(diào)節(jié)原動機的輸入功率；為了維持發(fā)電機定子的端電壓，必須隨著無功功率的變化，相應的調(diào)節(jié)（增加或減小）轉子勵磁電流（直流電流）。22第三節(jié)隱極式同步發(fā)電機

同步發(fā)電機負載運行時物理量的關系一、不考慮磁飽和時在分析了負載時同步發(fā)電機內(nèi)部的磁場情況，結合KVL定律，列電壓方程，作相量圖和等效電路；隱極式與凸極式分開分析。231.電壓方程式

采用發(fā)電機慣例規(guī)定正方向，可寫出電壓方程式Xa：電樞反應電抗；：電樞漏電抗。同步電抗表征穩(wěn)態(tài)時電樞反應磁場和電樞漏磁場兩個效應的綜合參數(shù)，不計飽和時，為常值。24直軸電樞反應去磁+交磁電樞反應2.相量圖90°電動勢的向量圖25已知和電機參數(shù)，畫相量圖的步驟

用壓降表示的電動勢的向量圖26等效電路

同步電抗

a)反映了a和σ的作用

b)磁路不飽和時為常數(shù)c)圖16-12隱極同步電機的等效電路27二、考慮磁路飽和時

非線性，迭加原理不適用。已知磁動勢F’，由電機的空載特曲線求得電動勢E。勵磁磁動勢在空間是梯形波，F(xiàn)f是其幅值，而電樞磁動勢在空間是正弦波，F(xiàn)a是基波磁動勢的幅值。為了利用空載特性，應把Fa換算到勵磁磁動勢。隱極同步電機磁動勢分布圖28對于汽輪發(fā)電機，ka=0.93~1.03，主要取決于大齒的寬度。

ka的意義：產(chǎn)生同樣大小的基波氣隙磁場時，一安匝的電樞磁動勢相當與多少安匝的梯形波勵磁磁動勢。正弦波磁動勢幅值；等效梯形波磁動勢的幅值。電樞磁動勢換算系數(shù)是k

a

29電壓方程和磁動勢方程式

由于磁路飽和，不能單獨的計算激磁電動勢E0和電樞反應電動勢Ea，而只有合成電動勢E’（氣隙電動勢）。漏磁場路徑主要為氣隙，沒有飽和問題。*考慮飽和的另一方法是根據(jù)運行點的飽和程度，找出相應的Xs(飽和)，即把空載特性在工作點線性化。圖16-14同步電機的空載特性曲線30電壓相量圖和磁動勢矢量圖

隱極同步電機磁動勢--電動勢向量圖31第四節(jié)凸極同步發(fā)電機凸極同步電機的特點：氣隙不均勻，直軸氣隙小，交軸氣隙大。相同大小的磁樞磁動勢作用于不同的氣隙位置時，產(chǎn)生不同的磁密。采用雙反應理論分析凸極同步電機。凸極同步電機磁場分布圖凸極同步電機氣隙沿電樞圓周不均勻，采用雙反應理論來分析。32一.雙反應理論

雙反應理論——電樞基波磁勢Fa分解為直軸上的直軸電樞反應磁勢Fad和交軸上的交軸電樞反應磁勢Faq。根據(jù)直軸和交軸的磁導，分別求出直軸和交軸的磁通密度波及磁通。求出在每相定子繞組中直軸電樞反應電勢Ead和交軸電樞反應電勢Eaq。雙反應理論的基礎是，當不計飽和時，適用疊加原理，用雙反應法來分析凸極同步電機。33Ff、Fad和Faq幅值相同，但產(chǎn)生的基波磁密明顯不同。引入折算系數(shù)kad和kaq。若Ff=kad

Fad=kaq

Faq則產(chǎn)生基波磁密相同。凸極同步電機磁動勢在dq軸作用的效果34作用于直軸上作用于交軸上直軸電樞反應磁場Bad1交軸電樞反應磁場Baq1實際上，前面考慮電樞磁場的去磁、助磁及交磁時，已涉及這一問題，那時沒考慮各分量磁動勢所對應的氣隙磁密的差異。當電樞磁動勢作用于交、直軸間的任意位置時，可將之分解成直軸分量和交軸分量，先分別求出直、交軸電樞反應，最后再把它們的效果疊加起來——雙反應理論。351、電壓方程二.磁路不飽和時的情況

E0：勵磁電動勢；Ead：直軸電樞反應電動勢；Eaq：交軸電樞反應電動勢；Ea：電樞反應電動勢；E’：合成電動勢；E：漏抗電動勢。36按發(fā)電機慣例寫出電壓方程式為：Xad：直軸電樞反應電抗Xad=Ead/Id，單位直軸電流產(chǎn)生的直軸電樞反應電動勢。Xaq：交軸電樞反應電抗Xaq=Eaq/Iq，單位交軸電流產(chǎn)生的交軸電樞反應電動勢。37而且有：是表征對稱負載運行時電樞漏磁和直軸或交軸電樞反應的一個綜合參數(shù)。38

：功率因數(shù)角；：功率角。：內(nèi)功率因數(shù)角；直軸電樞反應電動勢在直軸上，與激磁電動勢在同一軸上。

=？2.相量圖凸極同步電機的電動勢相量圖3940413.等效電路該等效電路在計算凸極同步電機在電網(wǎng)中的運行性能和功角時常常用到。凸極同步電機的虛構等效電路42磁路飽和時

Ed為勵磁磁動勢和直軸電樞反應磁動勢共同作用所產(chǎn)生。三.考慮磁路飽和時的情況也可在不飽和模型中采用

Xd

的飽和值來考慮直軸飽和的影響。43其中Fd、Fad、Faq均為折算到勵磁繞組的等效勵磁磁動勢。用Fd和Faq查圖空載特性得Ed和Eaq，則電樞任一相的電動勢平衡方程式為

44四、直軸和交軸同步電抗

電樞繞組電抗同繞組有效匝數(shù)的平方成正比，與所經(jīng)路徑的磁導成正比。Xd=Xad+Xσ∝(kw1N1)2

ΛdΛ

d=Λad+ΛσXq=X

aq+Xσ∝(kw1N1)2

ΛqΛq