同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理課件

第6章

同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理同步發(fā)電機(jī)的主磁通同步發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)方程式和相量圖同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理一、空載運(yùn)行時(shí)的主磁通

同步發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行是指同步發(fā)電機(jī)被原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)到同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組通過(guò)直流勵(lì)磁電流，定子繞組開(kāi)路（定子繞組電流為零）時(shí)的運(yùn)行狀況。（圖示）6.1同步發(fā)電機(jī)的主磁通同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理從圖可見(jiàn)，主極磁通分成主磁通Φ0和漏磁通Φfσ兩部分，前者通過(guò)氣隙并與定子繞組相交鏈，后者不通過(guò)氣隙，僅與勵(lì)磁繞組相交鏈。一、空載運(yùn)行時(shí)的主磁通同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理一、空載運(yùn)行時(shí)的主磁通空載時(shí)：I=0，If≠0,n=nN

空載時(shí)發(fā)電機(jī)內(nèi)部電磁關(guān)系

只增加磁極部分的飽和程度同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理空載運(yùn)行時(shí)氣隙磁場(chǎng)僅由轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)單獨(dú)建立，磁場(chǎng)的強(qiáng)弱僅由勵(lì)磁電流大小決定。一、空載運(yùn)行時(shí)的主磁通同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理負(fù)載運(yùn)行時(shí)，定子繞組中有電流流過(guò)，便會(huì)產(chǎn)生電樞基波旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。負(fù)載運(yùn)行時(shí)，同步電機(jī)內(nèi)由勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)和電樞磁動(dòng)勢(shì)共同建立的主磁場(chǎng)。二、帶對(duì)稱(chēng)負(fù)載時(shí)的主磁通同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理二、帶對(duì)稱(chēng)負(fù)載時(shí)的主磁通負(fù)載時(shí)：I≠0，If≠0,n=nN

負(fù)載時(shí)發(fā)電機(jī)內(nèi)部電磁關(guān)系

主磁通同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理負(fù)載運(yùn)行時(shí)，同步電機(jī)內(nèi)的主磁場(chǎng)由勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)和電樞磁動(dòng)勢(shì)共同建立。二、帶對(duì)稱(chēng)負(fù)載時(shí)的主磁通同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理空載：氣隙磁動(dòng)勢(shì)負(fù)載：氣隙磁動(dòng)勢(shì)同步發(fā)電機(jī)對(duì)稱(chēng)負(fù)載時(shí)，電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa對(duì)勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff的影響，稱(chēng)為電樞反應(yīng)。三、電樞反應(yīng)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理三、電樞反應(yīng)兩種磁動(dòng)勢(shì)性質(zhì)比較：基波波形大小位置轉(zhuǎn)速勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)正弦波恒定，由勵(lì)磁電流決定由轉(zhuǎn)子位置決定由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速?zèng)Q定電樞磁動(dòng)勢(shì)正弦波恒定，由電樞電流決定由電流瞬時(shí)值決定由電流的f和p決定結(jié)論：電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa和勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff在空間相對(duì)靜止。同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理幾個(gè)概念①內(nèi)功率因數(shù)角ψ：空載電動(dòng)勢(shì)E0和電樞電流I之間的夾角，與電機(jī)本身參數(shù)和負(fù)載的大小、性質(zhì)有關(guān)；②功率因數(shù)角：與負(fù)載性質(zhì)有關(guān)；③功率角（功角）θ：E0和U之間的夾角；且有（電感性負(fù)載）④直軸（d軸）：主磁極軸線(xiàn)（縱軸）；⑤交軸（q軸）：轉(zhuǎn)子相鄰磁極軸線(xiàn)間的中心線(xiàn)為交軸（橫軸）三、電樞反應(yīng)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理三、電樞反應(yīng)電樞反應(yīng)的性質(zhì)：（增磁、去磁或交磁）與負(fù)載的性質(zhì)和大小有關(guān)，主要取決于電樞磁動(dòng)勢(shì)和勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)在空間的相對(duì)位置。分析表明，此相對(duì)位置取決于空勢(shì)電動(dòng)勢(shì)E0和定子電流I之間的相角差ψ

。電樞反應(yīng)的性質(zhì)可通過(guò)時(shí)空矢量圖來(lái)反映。同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理時(shí)空矢量圖：含有時(shí)間相量和空間向量的矢量圖。作時(shí)空矢量圖確定電樞反應(yīng)的性質(zhì)的規(guī)律：取勵(lì)磁磁勢(shì)Ff作為參考向量，其方向就d軸方向；空載磁通Φ0與Ff

同方向，空載電勢(shì)E0滯后空載磁通Φ0

90°；定子電流I滯后空載電勢(shì)E0

的角度為內(nèi)功率因數(shù)角Ψ；電樞磁勢(shì)Fa

與定子電流I同相位。三、電樞反應(yīng)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理1、ψ=0°時(shí)的電樞反應(yīng)三、電樞反應(yīng)時(shí)空矢量圖同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理1、ψ=0°時(shí)的電樞反應(yīng)三、電樞反應(yīng)電樞磁勢(shì)Fa滯后勵(lì)磁磁勢(shì)Ff90°，合成磁勢(shì)Fδ的大小略有增加，分布滯后勵(lì)磁磁勢(shì)Ff一個(gè)銳角，此時(shí)電樞反應(yīng)性質(zhì)為交軸電樞反應(yīng)。

同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理1、ψ=0°時(shí)的電樞反應(yīng)交軸電樞反應(yīng)，即交磁作用。電樞磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組相互作用產(chǎn)生的電磁力f1，在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向相反，對(duì)發(fā)電機(jī)起制動(dòng)作用。要想維持轉(zhuǎn)速不變，就要相應(yīng)地增加原動(dòng)機(jī)的輸入機(jī)械功率。交軸電樞反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換，發(fā)電機(jī)有有功功率輸出。三、電樞反應(yīng)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理三、電樞反應(yīng)2、ψ=90°時(shí)的電樞反應(yīng)時(shí)空矢量圖同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理三、電樞反應(yīng)2、ψ=90°時(shí)的電樞反應(yīng)直軸去磁電樞反應(yīng)。電磁力f1在轉(zhuǎn)子上不產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩。合成磁動(dòng)勢(shì)Fδ減小，使發(fā)電機(jī)的端電壓下降。要想保持發(fā)電機(jī)的端電壓不變，需增大發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流。發(fā)電機(jī)輸出無(wú)功功率。同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理三、電樞反應(yīng)3、ψ=-90°時(shí)的電樞反應(yīng)時(shí)空矢量圖同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理三、電樞反應(yīng)3、ψ=-90°時(shí)的電樞反應(yīng)直軸增磁電樞反應(yīng)。電磁力f1在轉(zhuǎn)子上不產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩。合成磁動(dòng)勢(shì)Fδ增大，使發(fā)電機(jī)的端電壓上升。要想保持發(fā)電機(jī)的端電壓不變，需減小發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流。發(fā)電機(jī)輸出無(wú)功功率。同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理4、0°<ψ<90°時(shí)的電樞反應(yīng)三、電樞反應(yīng)既有交軸電樞反應(yīng)，又有直軸去磁電樞反應(yīng)。發(fā)電機(jī)既輸出有功功率，又輸出無(wú)功功率。時(shí)空矢量圖同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理5、-90°<ψ<0°時(shí)的電樞反應(yīng)三、電樞反應(yīng)既有交軸電樞反應(yīng)，又有直軸增磁電樞反應(yīng)。發(fā)電機(jī)既輸出有功功率，又輸出無(wú)功功率。時(shí)空矢量圖同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理三、電樞反應(yīng)ψ位置記作電樞反應(yīng)性質(zhì)影響Ψ≈φ負(fù)載性質(zhì)UN(f)00q軸交軸波形畸變不變下降R900d軸直去削弱下降不變L-900d軸直增增強(qiáng)增大不變C0~900d、q軸交、直去削弱下降下降R、L-900~00d、q軸交、直增增強(qiáng)增大下降R、C同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理三、電樞反應(yīng)說(shuō)明：；對(duì)應(yīng)：而：對(duì)應(yīng)：分別為直軸和交軸分量。同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理6.2同步發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)方程式和相量圖一、隱極同步發(fā)電機(jī)1、電磁過(guò)程其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是氣隙均勻，故同一電樞磁動(dòng)勢(shì)作用在圓周氣隙上的任何位置所產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)和每極磁通量都是相同的，沒(méi)必要象凸極轉(zhuǎn)子一樣分解成交、直兩個(gè)分量，可以整體考慮電樞反應(yīng)的影響。

同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理一、隱極同步發(fā)電機(jī)當(dāng)磁路不飽和時(shí)，采用疊加原理求解，即：

Φδ=Φ0+Φa

；

Eδ=E0+Ea當(dāng)磁路飽和時(shí)，磁場(chǎng)不再滿(mǎn)足線(xiàn)性疊加條件，但由安培環(huán)路定律可知磁動(dòng)勢(shì)是可以疊加的，所以要先求合成氣隙磁動(dòng)勢(shì)Fδ=Ff+Fa

，再由Fδ求出Φδ、

Eδ

。同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理一、隱極同步發(fā)電機(jī)現(xiàn)在只討論磁路不飽和情況。同步發(fā)電機(jī)內(nèi)的電磁關(guān)系如下：同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理一、隱極同步發(fā)電機(jī)2、電動(dòng)勢(shì)方程式參考正方向的選定：相電流：首端流出為正；相電動(dòng)勢(shì)：與相電流同正方向（并非同相位）；相電壓：首端指向末端為正。同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理一、隱極同步發(fā)電機(jī)采用發(fā)電機(jī)慣例，以輸出電流作為電樞電流的正方向時(shí)，定子任一相的電動(dòng)勢(shì)方程為：同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理在時(shí)間相位上，滯后于90°電角度，若不計(jì)定子鐵耗,與同相位，則將滯后于90°電角度,于是亦可寫(xiě)成負(fù)電抗壓降的形式，即一、隱極同步發(fā)電機(jī)因?yàn)殡姌蟹磻?yīng)電動(dòng)勢(shì)Ea正比于電樞反應(yīng)磁通Φa，不計(jì)磁飽和時(shí)，Φa又正比于電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa和電樞電流I，即同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理一、隱極同步發(fā)電機(jī)綜上，有隱極同步發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)平衡方程式：其中：

—電樞反應(yīng)電抗

—定子繞組漏電抗

—隱極同步發(fā)電機(jī)的同步電抗同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理一、隱極同步發(fā)電機(jī)同步電抗xt表征對(duì)稱(chēng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電樞旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和漏磁場(chǎng)總效應(yīng)的一個(gè)綜合參數(shù)。同步電抗是同步發(fā)電機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)，它的大小直接影響發(fā)電機(jī)端電壓隨負(fù)載波動(dòng)的幅度、發(fā)電機(jī)短路電流的大小及在大電網(wǎng)中并列運(yùn)行的穩(wěn)定性。同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理一、隱極同步發(fā)電機(jī)由于電樞繞組的電阻ra很小，可以忽略不計(jì)，則隱極同步發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)平衡方程式可寫(xiě)成：同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理一、隱極同步發(fā)電機(jī)3、等效電路和相量圖根據(jù)隱極同步發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)平衡方程式（忽略電樞電阻）可做出如下隱極同步發(fā)電機(jī)的等效電路圖：同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理一、隱極同步發(fā)電機(jī)以發(fā)電機(jī)端電壓為參考相量，作帶阻感負(fù)載的相量圖如下：同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理1、電磁過(guò)程其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是氣隙沿電樞圓周不均勻。考慮到凸極電機(jī)氣隙的不均勻性，把電樞反應(yīng)分成直軸和交軸電樞反應(yīng)分別來(lái)處理。（雙反應(yīng)理論）二、凸極同步發(fā)電機(jī)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理二、凸極同步發(fā)電機(jī)圖6.11凸極同步電機(jī)的磁路(a)直軸；(b)交軸同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理二、凸極同步發(fā)電機(jī)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理現(xiàn)在只討論磁路不飽和情況。同步發(fā)電機(jī)內(nèi)的電磁關(guān)系如下：二、凸極同步發(fā)電機(jī)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理2、電動(dòng)勢(shì)方程式采用發(fā)電機(jī)慣例，以輸出電流作為電樞電流的正方向時(shí)，定子任一相的電動(dòng)勢(shì)方程為：二、凸極同步發(fā)電機(jī)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理二、凸極同步發(fā)電機(jī)

和可以用相應(yīng)的負(fù)電抗壓降來(lái)表示不計(jì)磁飽和時(shí)其中：

—直軸電樞反應(yīng)電抗

—交軸電樞反應(yīng)電抗同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理綜上，有凸極同步發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)平衡方程式：二、凸極同步發(fā)電機(jī)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理由于電樞繞組的電阻ra很小，可以忽略不計(jì)，則凸極同步發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)平衡方程式可寫(xiě)成：其中：

—直軸同步電抗，

—交軸同步電抗，二、凸極同步發(fā)電機(jī)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理直軸和交軸同步電抗的意義由于電抗與繞組匝數(shù)的平方和所經(jīng)磁路的磁導(dǎo)成正比，所以

如圖所示。對(duì)于凸極電機(jī)，由于直軸下的氣隙較交軸下小，>，所以Xad>Xaq，因此在凸極同步電機(jī)中，Xd>Xq,且Xq*≈0.6Xd*對(duì)于隱極電機(jī)，由于氣隙是均勻的，故Xd=Xq=Xt

Xa（隱）>Xad（凸）>Xaq（凸）

二、凸極同步發(fā)電機(jī)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理3、相量圖以發(fā)電機(jī)端電壓為參考相量，作帶阻感負(fù)載的相量圖如下：二、凸極同步發(fā)電機(jī)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理二、凸極同步發(fā)電機(jī)說(shuō)明：、ψ的公式同樣適用于隱極電機(jī)，只要令

Xd=Xq=Xt公式中U、I、E

均為相值；

性質(zhì)：滯后>0

、超前

<0；公式可直接改為標(biāo)幺值形式?；颠x定如下：容量基值Sb=mUNΦINΦ

電壓基值Ub=UNΦ電流基值Ib=INΦ阻抗基值Zb=UNΦ/INΦ勵(lì)磁電流基值Ifb=If0

(E0=UN)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理例1：一臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)

PN=135MW，定子三相繞組Y接法，額定電壓UN=13.8kV，cos=0.8（滯后），xt=2.35Ω，忽略電樞電阻，求額定運(yùn)行時(shí)的E0N和ψN

。二、凸極同步發(fā)電機(jī)解：發(fā)電機(jī)定子額定電流同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理發(fā)電機(jī)定子采用Y接法，其額定相電壓二、凸極同步發(fā)電機(jī)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理同步發(fā)電機(jī)在對(duì)稱(chēng)負(fù)載下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，維持轉(zhuǎn)速(頻率)和功率因數(shù)為常數(shù)的條件下，發(fā)電機(jī)的端電壓U、負(fù)載電流I、勵(lì)磁電流If是3個(gè)主要的運(yùn)行參數(shù)，它們都可以在運(yùn)行中被測(cè)量。它們之間互有聯(lián)系，當(dāng)保持其中一個(gè)量為常數(shù)，另外兩個(gè)量之間的函數(shù)關(guān)系稱(chēng)為運(yùn)行特性。6.3同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理1.定義：2.實(shí)驗(yàn)接線(xiàn)：3.步驟：If↑→U0=0～1.25UN↑，注意：只能單方向調(diào)磁；一、空載特性同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理一、空載特性4.曲線(xiàn)：E0=f(If)

如右圖。電機(jī)磁路的飽和系數(shù)：通常同步發(fā)電機(jī)的kμ大約為1.1～1.25。同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理一、空載特性

空載電動(dòng)勢(shì)的調(diào)節(jié)：根據(jù)E0=4.44fN1kN1Φ0

和If→Φ0可知，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流If，可改變磁通Φ0，從而改變定子繞組感應(yīng)電勢(shì)E0。即If↑→E0↑；If↓→E0↓。頻率的調(diào)節(jié)：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高，定子繞組感應(yīng)電勢(shì)E0的頻率越高。即n↑→f↑。f=pn/60要產(chǎn)生50Hz的交流電壓，對(duì)于汽輪發(fā)電機(jī)（p=1）來(lái)說(shuō)，必須使轉(zhuǎn)速保持3000r/min。

同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理1.定義：2.實(shí)驗(yàn)接線(xiàn)：3.步驟：n=nN，調(diào)If，使Ik=0～1.25IN二、短路特性同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理4.曲線(xiàn)：Ik=f(If)

二、短路特性短路電流Ik只有直軸分量，其電樞反應(yīng)為純?nèi)ゴ抛饔?。磁路處于不飽和狀態(tài)，E0∝If又Ik=E0/xd，xd為常數(shù)，就有Ik∝If同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理二、短路特性利用空載和短路特性確定xd的不飽和值磁路不飽和時(shí)，xd為常數(shù)；磁路飽和時(shí)，xd隨Φ↑而↓；由氣隙線(xiàn)確定：由空載特性曲線(xiàn)確定：同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理二、短路特性短路比kc

：指當(dāng)空載電壓為額定電壓時(shí)，發(fā)電機(jī)出線(xiàn)端短路的短路電流Ik0與額定電流IN之比值。同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理二、短路特性短路比kc是影響到同步發(fā)電機(jī)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好壞的一個(gè)重要參數(shù)。短路比小，負(fù)載變化時(shí)發(fā)電機(jī)的電壓變化較大，并聯(lián)運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定度較差，但電機(jī)造價(jià)較便宜。反之，kc↑→氣隙大→

xd

↓→電機(jī)的成本和尺寸增加。汽輪發(fā)電機(jī)

kc=0.6，水輪發(fā)電機(jī)

kc=0.8~1.2同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理解:從氣隙線(xiàn)上查出，If＝280A時(shí)，激磁電動(dòng)勢(shì)；在同一勵(lì)磁電流下，由短路特性查出，短路電流I＝1718A；所以同步電抗為二、短路特性例2：有一臺(tái)25000kW、10.5kV、cos=0.8(滯后)，Y接法的汽輪發(fā)電機(jī)，從其空載、短路試驗(yàn)中得到下列數(shù)據(jù)，試求同步電抗。從空載特性上查得：相電壓