CH三相同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理

CH三相同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理1目前一頁(yè)\總數(shù)四十六頁(yè)\編于十一點(diǎn)2第一節(jié)同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行

以同步轉(zhuǎn)速n

1，且轉(zhuǎn)子勵(lì)磁If

，而定子I=0，稱為空載運(yùn)行。1.空載磁場(chǎng)——主磁場(chǎng)

同步電機(jī)的空載磁場(chǎng)目前二頁(yè)\總數(shù)四十六頁(yè)\編于十一點(diǎn)3凸極同步電機(jī)空載內(nèi)部磁通分布圖目前三頁(yè)\總數(shù)四十六頁(yè)\編于十一點(diǎn)4若主磁場(chǎng)B0

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

有效值：頻率：空載電動(dòng)勢(shì)，激磁電動(dòng)勢(shì)。三相對(duì)稱電動(dòng)勢(shì)目前四頁(yè)\總數(shù)四十六頁(yè)\編于十一點(diǎn)52.空載特性

n1=cE0=f(If)

Ff

∝

If

E0

∝

0

電機(jī)的磁化曲線

0=f(F

f)同步電機(jī)的空載特性

0較小時(shí)，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(jì)鐵心磁阻的空載特性曲線?？蛰d特性是同步電機(jī)的一條基本特性。目前五頁(yè)\總數(shù)四十六頁(yè)\編于十一點(diǎn)6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(jī)kμ約在1.1～1.25.表明：磁路飽和后，由勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff建立的基波主磁通和感應(yīng)的基波電動(dòng)勢(shì)都降為未飽和值的1/k

μ

，即所需磁動(dòng)勢(shì)是未飽和時(shí)的kμ倍（即Ff=kμF）。

飽和系數(shù)Kμ

目前六頁(yè)\總數(shù)四十六頁(yè)\編于十一點(diǎn)7第二節(jié)對(duì)稱三相負(fù)載時(shí)同步發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)一.接三相對(duì)稱負(fù)載時(shí)的物理過程

空載時(shí)，同步電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)是由勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)所產(chǎn)生的主磁場(chǎng)B0。}(空載電動(dòng)勢(shì)或激磁電動(dòng)勢(shì))目前七頁(yè)\總數(shù)四十六頁(yè)\編于十一點(diǎn)8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(shí)軸：時(shí)間相量在其上投影可得瞬時(shí)值。

目前八頁(yè)\總數(shù)四十六頁(yè)\編于十一點(diǎn)9二.電樞反應(yīng)：電樞磁動(dòng)勢(shì)的基波對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響電樞反應(yīng)使氣隙磁場(chǎng)空間位置發(fā)生變化，直接關(guān)系到電機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。

電樞反應(yīng)的去磁或增磁，對(duì)電機(jī)的運(yùn)行性能產(chǎn)生影響。電樞反應(yīng)的性質(zhì)（交磁，去磁或增磁）取決于電樞磁動(dòng)勢(shì)和主磁場(chǎng)在空間的相對(duì)位置。這一相對(duì)位置決定于空載電動(dòng)勢(shì)和負(fù)載電流的之間的相位差，稱為內(nèi)功率因數(shù)角。目前九頁(yè)\總數(shù)四十六頁(yè)\編于十一點(diǎn)101.=0

時(shí)

定子繞組電動(dòng)勢(shì)、電流及磁動(dòng)勢(shì)在此時(shí)刻，A相電動(dòng)勢(shì)、電流達(dá)到最大值，電樞磁動(dòng)勢(shì)的軸線與A相繞組軸線重合，同時(shí)也與q軸重合，即Faq=Fa，稱為交軸電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)。同步發(fā)電機(jī)的交軸電樞反應(yīng)目前十頁(yè)\總數(shù)四十六頁(yè)\編于十一點(diǎn)11定子繞組電動(dòng)勢(shì)、電流和磁通的時(shí)間相量圖各相電動(dòng)勢(shì)、電流和磁通間的相位關(guān)系是相同的，所以后邊只畫出一相。定子繞組電動(dòng)勢(shì)、電流和磁通的時(shí)間相量圖目前十一頁(yè)\總數(shù)四十六頁(yè)\編于十一點(diǎn)12在時(shí)-空統(tǒng)一矢量圖中，電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa（空間矢量）與電樞電流（時(shí)間相量）同相位；空載磁通與勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff同相位。時(shí)-空統(tǒng)一矢量圖時(shí)-空統(tǒng)-矢量圖目前十二頁(yè)\總數(shù)四十六頁(yè)\編于十一點(diǎn)13氣隙合成磁場(chǎng)與主磁場(chǎng)的相對(duì)位置相對(duì)于主磁場(chǎng)，氣隙合成磁場(chǎng)的軸線偏移了一個(gè)角度，且幅值有所增加。這是由于電樞磁動(dòng)勢(shì)（Fa=Faq）的作用造成的，稱之為交磁作用。氣隙合成磁場(chǎng)與主磁場(chǎng)的相對(duì)位置圖目前十三頁(yè)\總數(shù)四十六頁(yè)\編于十一點(diǎn)142.Ψ≠0時(shí)

電流滯后電動(dòng)勢(shì)電流滯后電動(dòng)勢(shì)的向量圖目前十四頁(yè)\總數(shù)四十六頁(yè)\編于十一點(diǎn)15電流超前電動(dòng)勢(shì)電流超前電動(dòng)勢(shì)的向量圖目前十五頁(yè)\總數(shù)四十六頁(yè)\編于十一點(diǎn)16同步發(fā)電機(jī)負(fù)載電流滯后空載電勢(shì)90°時(shí)軸ψd軸q軸A軸AXZBCYFfNSFaA相電流瞬時(shí)值達(dá)最大值時(shí)，A相電勢(shì)瞬時(shí)值為零，此時(shí)主磁極軸線位于A相軸線的反向位置，為直軸電樞反應(yīng)。=900的電樞反應(yīng)

目前十六頁(yè)\總數(shù)四十六頁(yè)\編于十一點(diǎn)17=900的電樞反應(yīng)

轉(zhuǎn)子磁勢(shì)和電樞磁勢(shì)一同作用在直軸上，方向相反，電樞反應(yīng)為純?nèi)ゴ抛饔?，合成磁?shì)的幅值減小。這一電樞反應(yīng)稱為直軸去磁電樞反應(yīng)。

=900時(shí)的時(shí)空相矢圖

目前十七頁(yè)\總數(shù)四十六頁(yè)\編于十一點(diǎn)18同步發(fā)電機(jī)負(fù)載電流超前空載電勢(shì)90°時(shí)軸ψ直軸助磁電樞反應(yīng)d軸q軸A軸AXZBCYFfNSFa=－900的電樞反應(yīng)

目前十八頁(yè)\總數(shù)四十六頁(yè)\編于十一點(diǎn)19

此時(shí)Ff與Fa之間的夾角為0，即二者同相，轉(zhuǎn)子磁勢(shì)和電樞磁勢(shì)一同作用在直軸上，方向相同，電樞反應(yīng)為純?cè)龃抛饔?，合成磁?shì)的幅值加大。這一電樞反應(yīng)稱為直軸增磁電樞反應(yīng)。

=-900時(shí)的時(shí)空相矢圖

=－900的電樞反應(yīng)

目前十九頁(yè)\總數(shù)四十六頁(yè)\編于十一點(diǎn)20不同負(fù)載性質(zhì)時(shí)電樞反應(yīng)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子電流的相互作用三.機(jī)電能量轉(zhuǎn)換交軸電樞反應(yīng)磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生阻力轉(zhuǎn)矩。直軸電樞反應(yīng)磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)起去磁或助磁作用，不阻礙轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。目前二十頁(yè)\總數(shù)四十六頁(yè)\編于十一點(diǎn)21直軸電樞反應(yīng)的影響直軸電樞反應(yīng)磁場(chǎng)由定子電流的無(wú)功分量產(chǎn)生的，雖與轉(zhuǎn)子繞組也產(chǎn)生電磁力，但不形成轉(zhuǎn)矩，不妨礙轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，只對(duì)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)起去磁或增磁作用，為維持定子的端電壓，就必須相應(yīng)調(diào)節(jié)（增加或減小）轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流（直流電流）。交軸電樞反應(yīng)的影響交軸電樞反應(yīng)磁場(chǎng)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(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生阻轉(zhuǎn)矩，阻礙轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)；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(yīng)磁場(chǎng)就越強(qiáng)，所產(chǎn)生的阻力轉(zhuǎn)矩也越大，這就需要原動(dòng)機(jī)輸出更多動(dòng)力，才能克服電磁阻轉(zhuǎn)矩，以維持發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不變。目前二十一頁(yè)\總數(shù)四十六頁(yè)\編于十一點(diǎn)22結(jié)論：p199為了維持發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，必須隨著有功負(fù)載的變化調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)的輸入功率；為了維持發(fā)電機(jī)定子的端電壓，必須隨著無(wú)功功率的變化，相應(yīng)的調(diào)節(jié)（增加或減?。┺D(zhuǎn)子勵(lì)磁電流（直流電流）。目前二十二頁(yè)\總數(shù)四十六頁(yè)\編于十一點(diǎn)23第三節(jié)隱極式同步發(fā)電機(jī)

同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)物理量的關(guān)系一、不考慮磁飽和時(shí)

在分析了負(fù)載時(shí)同步發(fā)電機(jī)內(nèi)部的磁場(chǎng)情況，結(jié)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。目前二十三頁(yè)\總數(shù)四十六頁(yè)\編于十一點(diǎn)241.電壓方程式

采用發(fā)電機(jī)慣例規(guī)定正方向，可寫出電壓方程式Xa：電樞反應(yīng)電抗；：電樞漏電抗。

同步電抗表征穩(wěn)態(tài)時(shí)電樞反應(yīng)磁場(chǎng)和電樞漏磁場(chǎng)兩個(gè)效應(yīng)的綜合參數(shù)，不計(jì)飽和時(shí)，為常值。目前二十四頁(yè)\總數(shù)四十六頁(yè)\編于十一點(diǎn)25直軸電樞反應(yīng)去磁+交磁電樞反應(yīng)2.相量圖90°電動(dòng)勢(shì)的向量圖目前二十五頁(yè)\總數(shù)四十六頁(yè)\編于十一點(diǎn)26已知和電機(jī)參數(shù)，畫相量圖的步驟

用壓降表示的電動(dòng)勢(shì)的向量圖目前二十六頁(yè)\總數(shù)四十六頁(yè)\編于十一點(diǎn)27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(shí)為常數(shù)c)圖16-12隱極同步電機(jī)的等效電路目前二十七頁(yè)\總數(shù)四十六頁(yè)\編于十一點(diǎn)28二、考慮磁路飽和時(shí)

非線性，迭加原理不適用。已知磁動(dòng)勢(shì)F’，由電機(jī)的空載特曲線求得電動(dòng)勢(shì)E。勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)在空間是梯形波，F(xiàn)f是其幅值，而電樞磁動(dòng)勢(shì)在空間是正弦波，F(xiàn)a是基波磁動(dòng)勢(shì)的幅值。為了利用空載特性，應(yīng)把Fa換算到勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)。隱極同步電機(jī)磁動(dòng)勢(shì)分布圖目前二十八頁(yè)\總數(shù)四十六頁(yè)\編于十一點(diǎn)29對(duì)于汽輪發(fā)電機(jī)，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(chǎng)時(shí)，一安匝的電樞磁動(dòng)勢(shì)相當(dāng)與多少安匝的梯形波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)。正弦波磁動(dòng)勢(shì)幅值；等效梯形波磁動(dòng)勢(shì)的幅值。電樞磁動(dòng)勢(shì)換算系數(shù)是k

a

目前二十九頁(yè)\總數(shù)四十六頁(yè)\編于十一點(diǎn)30電壓方程和磁動(dòng)勢(shì)方程式

由于磁路飽和，不能單獨(dú)的計(jì)算激磁電動(dòng)勢(shì)E0和電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Ea，而只有合成電動(dòng)勢(shì)E’（氣隙電動(dòng)勢(shì)）。漏磁場(chǎng)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(yùn)行點(diǎn)的飽和程度，找出相應(yīng)的Xs(飽和)，即把空載特性在工作點(diǎn)線性化。圖16-14同步電機(jī)的空載特性曲線目前三十頁(yè)\總數(shù)四十六頁(yè)\編于十一點(diǎn)31電壓相量圖和磁動(dòng)勢(shì)矢量圖

隱極同步電機(jī)磁動(dòng)勢(shì)--電動(dòng)勢(shì)向量圖目前三十一頁(yè)\總數(shù)四十六頁(yè)\編于十一點(diǎn)32第四節(jié)凸極同步發(fā)電機(jī)凸極同步電機(jī)的特點(diǎn)：氣隙不均勻，直軸氣隙小，交軸氣隙大。相同大小的磁樞磁動(dòng)勢(shì)作用于不同的氣隙位置時(shí)，產(chǎn)生不同的磁密。采用雙反應(yīng)理論分析凸極同步電機(jī)。凸極同步電機(jī)磁場(chǎng)分布圖

凸極同步電機(jī)氣隙沿電樞圓周不均勻，采用雙反應(yīng)理論來分析。目前三十二頁(yè)\總數(shù)四十六頁(yè)\編于十一點(diǎn)33一.雙反應(yīng)理論

雙反應(yīng)理論——電樞基波磁勢(shì)Fa分解為直軸上的直軸電樞反應(yīng)磁勢(shì)Fad和交軸上的交軸電樞反應(yīng)磁勢(shì)Faq。根據(jù)直軸和交軸的磁導(dǎo)，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(yīng)電勢(shì)Ead和交軸電樞反應(yīng)電勢(shì)Eaq。雙反應(yīng)理論的基礎(chǔ)是，當(dāng)不計(jì)飽和時(shí)，適用疊加原理，用雙反應(yīng)法來分析凸極同步電機(jī)。目前三十三頁(yè)\總數(shù)四十六頁(yè)\編于十一點(diǎn)34Ff、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(jī)磁動(dòng)勢(shì)在dq軸作用的效果目前三十四頁(yè)\總數(shù)四十六頁(yè)\編于十一點(diǎn)35作用于直軸上作用于交軸上直軸電樞反應(yīng)磁場(chǎng)Bad1交軸電樞反應(yīng)磁場(chǎng)Baq1

實(shí)際上，前面考慮電樞磁場(chǎng)的去磁、助磁及交磁時(shí)，已涉及這一問題，那時(shí)沒考慮各分量磁動(dòng)勢(shì)所對(duì)應(yīng)的氣隙磁密的差異。

當(dāng)電樞磁動(dòng)勢(shì)作用于交、直軸間的任意位置時(shí)，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(yīng)，最后再把它們的效果疊加起來——雙反應(yīng)理論。目前三十五頁(yè)\總數(shù)四十六頁(yè)\編于十一點(diǎn)361、電壓方程二.磁路不飽和時(shí)的情況

E0：勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)；Ead：直軸電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；Eaq：交軸電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；Ea：電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；E’：合成電動(dòng)勢(shì)；E：漏抗電動(dòng)勢(shì)。目前三十六頁(yè)\總數(shù)四十六頁(yè)\編于十一點(diǎn)37按發(fā)電機(jī)慣例寫出電壓方程式為：Xad：直軸電樞反應(yīng)電抗Xad=Ead/Id，單位直軸電流產(chǎn)生的直軸電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。Xaq：交軸電樞反應(yīng)電抗Xaq=Eaq/Iq，單位交軸電流產(chǎn)生的交軸電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。目前三十七頁(yè)\總數(shù)四十六頁(yè)\編于十一點(diǎn)38而且有：是表征對(duì)稱負(fù)載運(yùn)行時(shí)電樞漏磁和直軸或交軸電樞反應(yīng)的一個(gè)綜合參數(shù)。目前三十八頁(yè)\總數(shù)四十六頁(yè)\編于十一點(diǎn)39

：功率因數(shù)角；：功率角。：內(nèi)功率因數(shù)角；直軸電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在直軸上，與激磁電動(dòng)勢(shì)在同一軸上。=？2.相量圖凸極同步電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)相量圖目前三十九頁(yè)\總數(shù)四十六頁(yè)\編于十一點(diǎn)40目前四十頁(yè)\總數(shù)四十六頁(yè)\編于十一點(diǎn)41目前四十一頁(yè)\總數(shù)四十六頁(yè)\編于十一點(diǎn)423.等效電路該等效電路在計(jì)算凸極同步電機(jī)在電網(wǎng)中的運(yùn)行性能和功角時(shí)常常用到。凸極同步電機(jī)的虛構(gòu)等效電路目前四十二頁(yè)\總數(shù)四十六頁(yè)\編于十一點(diǎn)43磁路飽和時(shí)

Ed為勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)和直軸電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)共同作用所產(chǎn)生。三.考慮磁路飽和時(shí)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。目前四十三頁(yè)\總數(shù)四十六頁(yè)\編于十一點(diǎn)44

其中Fd、Fad、Faq均為折算到勵(lì)磁繞組的等效勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)。用Fd和Faq查圖空載特性得Ed和Eaq，則電樞任一相的電動(dòng)勢(shì)平衡方程式為

目前四十四頁(yè)\總數(shù)四十六頁(yè)\編于十一點(diǎn)45四、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(dǎo)成正比。Xd=Xad+Xσ∝(kw1N1)2

ΛdΛ

d=Λad+ΛσXq