同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理

1、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,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,從圖可見(jiàn)，主極磁通分成主磁通0和漏磁通f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,一、空載運(yùn)行時(shí)的主磁通,空載時(shí)： I=0 ，If0 , 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,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)

2、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,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)稱負(fù)載時(shí)的主磁通,二、帶對(duì)稱負(fù)載時(shí)的主磁通,負(fù)載時(shí)： I 0 ，If0 , n=nN 負(fù)載時(shí)發(fā)電機(jī)內(nèi)部電磁關(guān)系,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)稱負(fù)載時(shí)的主磁通,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，稱為電樞反應(yīng)。,三、電樞反應(yīng),三、電樞反應(yīng),兩種磁動(dòng)勢(shì)性質(zhì)比較：,結(jié)論：電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa和勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)

3、Ff在空間相對(duì)靜止。,幾個(gè)概念 內(nèi)功率因數(shù)角：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)； 功率因數(shù)角 ：與負(fù)載性質(zhì)有關(guān)； 功率角（功角）：E0和U之間的夾角；且有 （電感性負(fù)載） 直軸（d軸）：主磁極軸線（縱軸）； 交軸（q軸）：轉(zhuǎn)子相鄰磁極軸線間的中心線為交軸（橫軸）,三、電樞反應(yīng),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 。電樞反應(yīng)的性質(zhì)可通過(guò)時(shí)空矢量圖來(lái)反映。,時(shí)空矢量圖：含有時(shí)間相量和空間向量的矢量

4、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0與Ff 同方向，空載電勢(shì)E0滯后空載磁通0 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； 電樞磁勢(shì)Fa 與定子電流I同相位。,三、電樞反應(yīng),1、=0 時(shí)的電樞反應(yīng),三、電樞反應(yīng),1、=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)Ff 90，合成磁勢(shì)F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)。,1、=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，

5、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),三、電樞反應(yīng),2、=90 時(shí)的電樞反應(yīng),三、電樞反應(yīng),2、=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)F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。,三、電樞反應(yīng),3、=-90 時(shí)的電樞反應(yīng),時(shí)空矢量圖,三、電樞反應(yīng),3、=-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)F增大，使發(fā)電機(jī)的端電壓上升。

6、 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。,4、 090 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。,5、 -90Xaq，因此在凸極同步電機(jī)中，XdXq,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),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),二、凸極同步發(fā)電機(jī),說(shuō)明： 、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

7、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 = mUN IN 電壓基值 Ub = UN 電流基值 Ib = IN 阻抗基值 Zb = UN /IN 勵(lì)磁電流基值 Ifb = If0 (E0=UN),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=2.35，忽略電樞電阻，求額定運(yùn)行時(shí)的E0N和N 。,二、凸極同步發(fā)電機(jī),解：發(fā)電機(jī)定子額定電流,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)在對(duì)稱負(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

8、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)系稱為運(yùn)行特性。,6.3 同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性,1.定義： 2.實(shí)驗(yàn)接線： 3.步驟：IfU0=01.25UN，注意：只能單方向調(diào)磁；,一、空載特性,一、空載特性,4.曲線： 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k大約為1.11.25。,一、空載特性,空載電動(dòng)勢(shì)的調(diào)節(jié)： 根據(jù)E0=4.44fN1kN10 和If 0可知，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流If，可改變磁通0，從而改變定子繞組感應(yīng)電勢(shì)E0。即If E0；If E0。 頻率的

9、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。,1.定義： 2.實(shí)驗(yàn)接線： 3.步驟：n=nN，調(diào)If ，使Ik=01.25IN,二、短路特性,4.曲線： 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)，E0If 又Ik=E0 / xd，xd為常數(shù)，就有IkIf,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隨而；,由氣隙線確定：,由空載特性曲線確定：,二、短路

10、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)出線端短路的短路電流Ik0與額定電流IN之比值。,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=0.81.2,解: 從氣隙線上查出，If280A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I1718A；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

11、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 kV時(shí)，If0155A；從短路特性上查得：IIN1718A時(shí)，Ifk280A；從氣隙線上得查得：If280A時(shí)， kV,用標(biāo)幺值計(jì)算時(shí) ，,故,從空載和短路特性可知，,故,二、短路特性,三、外特性和電壓變化率,1.外特性 定義： 曲線：,三、外特性和電壓變化率,cos 不同時(shí)分析發(fā)電機(jī)外特性的相量圖 (a)cos =1；(b)cos =0.8(滯后)；(c)cos =0.8(超前),分析,三、外特性和電壓變化率,2.電壓變化率： 當(dāng)保持額定運(yùn)行時(shí)的勵(lì)磁電流IfN 和轉(zhuǎn)速nN 不變，將發(fā)電機(jī)的完全甩負(fù)荷時(shí),發(fā)電機(jī)的端電壓將由UN 變化為空載電動(dòng)勢(shì) E0，電壓變化的