同步發(fā)電機的運行原理

1、第第6 6章章 同步發(fā)電機的運行原理同步發(fā)電機的運行原理l同步發(fā)電機的主磁通同步發(fā)電機的主磁通l同步發(fā)電機的電動勢方程式同步發(fā)電機的電動勢方程式和相量圖和相量圖l同步發(fā)電機的運行特性同步發(fā)電機的運行特性一、空載運行時的主磁通一、空載運行時的主磁通n 同步發(fā)電機空載運行同步發(fā)電機空載運行是指同步發(fā)電機被是指同步發(fā)電機被原動機帶動到同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子勵磁繞組通原動機帶動到同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子勵磁繞組通過直流勵磁電流，定子繞組過直流勵磁電流，定子繞組開路開路（定子繞（定子繞組電流為零）時的運行狀況。（組電流為零）時的運行狀況。（圖示圖示）6.1 同步發(fā)電機的主磁通同步發(fā)電機的主磁通從圖可見，主極從圖可見，主極

2、磁通分成磁通分成主磁通主磁通0 0和和漏磁通漏磁通ff兩部分，前者通兩部分，前者通過氣隙并與定子過氣隙并與定子繞組相交鏈，后繞組相交鏈，后者不通過氣隙，者不通過氣隙，僅與勵磁繞組相僅與勵磁繞組相交鏈。交鏈。一、空載運行時的主磁通一、空載運行時的主磁通0 f一、空載運行時的主磁通一、空載運行時的主磁通l空載時：空載時： I=0 ，If0 , n=nN l空載時發(fā)電機內(nèi)部電磁關系空載時發(fā)電機內(nèi)部電磁關系 0fffffIFI N 0104.44NEfNk 只增加磁極部分只增加磁極部分的飽和程度的飽和程度 l空載運行時氣隙磁場僅由空載運行時氣隙磁場僅由轉(zhuǎn)子勵磁磁轉(zhuǎn)子勵磁磁動勢動勢單獨建立，磁場的強弱僅

3、由勵磁單獨建立，磁場的強弱僅由勵磁電流大小決定。電流大小決定。 一、空載運行時的主磁通一、空載運行時的主磁通l負載運行時，定負載運行時，定子繞組中有電流子繞組中有電流流過，便會產(chǎn)生流過，便會產(chǎn)生電樞基波旋轉(zhuǎn)磁電樞基波旋轉(zhuǎn)磁動勢。動勢。l負載運行時，同負載運行時，同步電機內(nèi)由步電機內(nèi)由勵磁勵磁磁動勢磁動勢和和電樞磁電樞磁動勢動勢共同建立的共同建立的主磁場。主磁場。二、二、帶對稱負載時的主磁通帶對稱負載時的主磁通二、二、帶對稱負載時的主磁通帶對稱負載時的主磁通l負載時：負載時： I 0 ，If0 , n=nN l負載時發(fā)電機內(nèi)部電磁關系負載時發(fā)電機內(nèi)部電磁關系 0ffaaIFIF 主磁通主磁通l負

4、載運行時，同步電機內(nèi)的主磁場由負載運行時，同步電機內(nèi)的主磁場由勵磁磁動勢勵磁磁動勢和和電樞磁動勢電樞磁動勢共同建立。共同建立。二、帶對稱負載時的主磁通二、帶對稱負載時的主磁通l空載：空載：氣隙磁動勢氣隙磁動勢l負載：負載：氣隙磁動勢氣隙磁動勢l同步發(fā)電機對稱負載時，電樞磁動勢同步發(fā)電機對稱負載時，電樞磁動勢Fa對勵磁磁動勢對勵磁磁動勢Ff的影響，稱為的影響，稱為電樞反應電樞反應。三、三、電樞反應電樞反應fFF faFFF 三、三、電樞反應電樞反應l兩種磁動勢性質(zhì)比較：兩種磁動勢性質(zhì)比較：基波基波波形波形大小大小位置位置轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速勵磁磁勵磁磁動勢動勢正弦波正弦波恒定，由勵恒定，由勵磁電流決定磁電流

5、決定由轉(zhuǎn)子位由轉(zhuǎn)子位置決定置決定由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速決定速決定電樞磁電樞磁動勢動勢正弦波正弦波恒定，由電恒定，由電樞電流決定樞電流決定由電流瞬由電流瞬時值決定時值決定由電流的由電流的f和和p決定決定結論：結論：電樞磁動勢電樞磁動勢Fa和勵磁磁動勢和勵磁磁動勢Ff在空間在空間相對靜止。相對靜止。n幾個概念幾個概念內(nèi)功率因數(shù)角內(nèi)功率因數(shù)角：空載電動勢：空載電動勢E0和電樞電和電樞電流流 I 之間的夾角，與電機本身參數(shù)和負載之間的夾角，與電機本身參數(shù)和負載的大小、性質(zhì)有關；的大小、性質(zhì)有關；功率因數(shù)角功率因數(shù)角 ：與負載性質(zhì)有關；：與負載性質(zhì)有關；功率角（功角）功率角（功角）：E0和和U之間的夾角；之

6、間的夾角；且有（電感性負載）且有（電感性負載）直軸（直軸（d軸軸）：主磁極軸線（縱軸）；）：主磁極軸線（縱軸）；交軸（交軸（q軸軸）：轉(zhuǎn)子相鄰磁極軸線間的中）：轉(zhuǎn)子相鄰磁極軸線間的中心線為交軸（橫軸）心線為交軸（橫軸）三、電樞反應三、電樞反應 三、三、電樞反應電樞反應l電樞反應的性質(zhì)電樞反應的性質(zhì)：（增磁、去磁或交磁）（增磁、去磁或交磁）與負載的性質(zhì)和大小有關，主要取決于與負載的性質(zhì)和大小有關，主要取決于電樞磁動勢和勵磁磁動勢在空間的相對電樞磁動勢和勵磁磁動勢在空間的相對位置。分析表明，此相對位置取決于空位置。分析表明，此相對位置取決于空勢電動勢勢電動勢E0和定子電流和定子電流 I 之間的相角

7、差之間的相角差 。電樞反應的性質(zhì)可通過電樞反應的性質(zhì)可通過時空矢量圖時空矢量圖來反映。來反映。時空矢量圖：時空矢量圖：含有時間相量和空間向量的矢含有時間相量和空間向量的矢量圖。量圖。作時空矢量圖確定電樞反應的性質(zhì)的規(guī)律：作時空矢量圖確定電樞反應的性質(zhì)的規(guī)律：l取勵磁磁勢取勵磁磁勢Ff作為參考向量，其方向就作為參考向量，其方向就d軸軸方向方向；l空載磁通空載磁通0與與Ff 同方向，空載電勢同方向，空載電勢E0滯后滯后空載磁通空載磁通0 90；l定子電流定子電流I滯后滯后空載電勢空載電勢E0 的角度為內(nèi)功的角度為內(nèi)功率因數(shù)角率因數(shù)角；l電樞磁勢電樞磁勢Fa 與定子電流與定子電流I同相位同相位。三、

8、電樞反應三、電樞反應1、=0 時的電樞反應時的電樞反應三、電樞反應三、電樞反應軸軸dfF()aaqFF 00()B I 0E 1 F 時空矢量圖時空矢量圖1、=0 時的電樞反應時的電樞反應三、電樞反應三、電樞反應電樞磁勢電樞磁勢Fa滯滯后勵磁磁勢后勵磁磁勢Ff 90，合成磁，合成磁勢勢F的大小略的大小略有增加，分布有增加，分布滯后勵磁磁勢滯后勵磁磁勢Ff一個銳角，一個銳角，此時電樞反應此時電樞反應性質(zhì)為性質(zhì)為交軸電交軸電樞反應樞反應。 1、=0 時的電樞反應時的電樞反應交軸電樞反應，即交磁作用。交軸電樞反應，即交磁作用。電樞磁場與轉(zhuǎn)子勵磁繞組相互作用產(chǎn)生的電電樞磁場與轉(zhuǎn)子勵磁繞組相互作用產(chǎn)生的

9、電磁力磁力f1，在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子的，在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向相反轉(zhuǎn)向相反，對發(fā)電機起，對發(fā)電機起制動制動作用。作用。要想維持轉(zhuǎn)速不變，就要相應地要想維持轉(zhuǎn)速不變，就要相應地增加增加原動機原動機的的輸入輸入機械功率。機械功率。交軸電樞反應實現(xiàn)了機電能量的轉(zhuǎn)換，發(fā)電交軸電樞反應實現(xiàn)了機電能量的轉(zhuǎn)換，發(fā)電機有有功功率輸出。機有有功功率輸出。三、電樞反應三、電樞反應三、電樞反應三、電樞反應2、=90 時的電樞反應時的電樞反應軸軸dfF()aadFF 00()B I 0E 1 F 時空矢量圖時空矢量圖 三、電樞反應三、電樞反應2、=90 時的電樞反應時的電樞反應直軸去磁電樞反應。直

10、軸去磁電樞反應。電磁力電磁力f1在轉(zhuǎn)子上不產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩。在轉(zhuǎn)子上不產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩。合成磁動勢合成磁動勢F減小減小，使發(fā)電機的，使發(fā)電機的端電壓下降端電壓下降。要想保持發(fā)電機的端電壓不變，需要想保持發(fā)電機的端電壓不變，需增大增大發(fā)電發(fā)電機的勵磁電流。機的勵磁電流。發(fā)電機輸出無功功率。發(fā)電機輸出無功功率。三、電樞反應三、電樞反應3、=-90 時的電樞反應時的電樞反應時空矢量圖時空矢量圖軸軸dfF()aadFF 00()B I 0E 1 F 三、電樞反應三、電樞反應3、=-90 時的電樞反應時的電樞反應直軸增磁電樞反應。直軸增磁電樞反應。電磁力電磁力f1在轉(zhuǎn)子上不產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩。在轉(zhuǎn)子上不產(chǎn)生的電

11、磁轉(zhuǎn)矩。合成磁動勢合成磁動勢F增大增大，使發(fā)電機的，使發(fā)電機的端電壓上升端電壓上升。要想保持發(fā)電機的端電壓不變，需要想保持發(fā)電機的端電壓不變，需減小減小發(fā)電發(fā)電機的勵磁電流。機的勵磁電流。發(fā)電機輸出無功功率。發(fā)電機輸出無功功率。4、 090 時的電樞反應時的電樞反應三、電樞反應三、電樞反應 既有交軸電既有交軸電樞反應，又樞反應，又有直軸去磁有直軸去磁電樞反應。電樞反應。 發(fā)電機既輸發(fā)電機既輸出有功功率，出有功功率，又輸出無功又輸出無功功率。功率。軸軸dfFaF00()B I 0E 1 F 時空矢量圖時空矢量圖aqFadF qI dI 5、 -90 ，所以，所以XadXaq，因，因此在凸極同步電

12、機中，此在凸極同步電機中，XdXq, ,且且Xq*0.6Xd*l對于隱極電機，由于氣隙是均勻的，故對于隱極電機，由于氣隙是均勻的，故Xd=Xq=Xt lXa（隱）（隱）Xad（凸）（凸）Xaq（凸）（凸） 二、凸極同步發(fā)電機二、凸極同步發(fā)電機21adadXN 21aqaqXN adaq3、相量圖、相量圖l以發(fā)電機端電壓為參考相量，作帶阻感負載以發(fā)電機端電壓為參考相量，作帶阻感負載的相量圖如下：的相量圖如下：0cos()cossindddEUI xUIxsintancosqIxUU 二、凸極同步發(fā)電機二、凸極同步發(fā)電機二、凸極同步發(fā)電機二、凸極同步發(fā)電機說明：說明：l 、的公式同樣適用于隱極電機

13、，只要令的公式同樣適用于隱極電機，只要令 Xd = Xq = Xt 公式中公式中 U、I、E 均為相值；均為相值；l 性質(zhì)：滯后性質(zhì)：滯后 0 、超前、超前 0；l公式可直接改為標幺值形式?；颠x定如下：公式可直接改為標幺值形式?；颠x定如下：容量基值容量基值 Sb = mUN IN 電壓基值電壓基值 Ub = UN 電流基值電流基值 Ib = IN 阻抗基值阻抗基值 Zb = UN /IN 勵磁電流基值勵磁電流基值 Ifb = If0 (E0=UN) 0E 例例1： 一臺汽輪發(fā)電機一臺汽輪發(fā)電機 PN=135MW，定子，定子三相繞組三相繞組Y接法，額定電壓接法，額定電壓 UN=13.8kV，

14、cos =0.8（滯后），（滯后）， xt=2.35，忽略電，忽略電樞電阻，求額定運行時的樞電阻，求額定運行時的E0N和和N 。二、凸極同步發(fā)電機二、凸極同步發(fā)電機 解：解：發(fā)電機定子額定電流發(fā)電機定子額定電流 發(fā)電機定子采用發(fā)電機定子采用Y接法，其額定相電壓接法，其額定相電壓 二、凸極同步發(fā)電機二、凸極同步發(fā)電機l同步發(fā)電機在對稱負載下穩(wěn)定運行時，維同步發(fā)電機在對稱負載下穩(wěn)定運行時，維持轉(zhuǎn)速持轉(zhuǎn)速(頻率頻率)和功率因數(shù)為常數(shù)的條件下，和功率因數(shù)為常數(shù)的條件下，發(fā)電機的發(fā)電機的端電壓端電壓U、負載電流負載電流I、勵磁電勵磁電流流If是是3個主要的運行參數(shù)，它們都可以個主要的運行參數(shù)，它們都可以

15、在運行中被測量。在運行中被測量。l它們之間互有聯(lián)系，當保持其中一個量為它們之間互有聯(lián)系，當保持其中一個量為常數(shù)，另外兩個量之間的函數(shù)關系稱為常數(shù)，另外兩個量之間的函數(shù)關系稱為運運行特性行特性。6.3 同步發(fā)電機的運行特性同步發(fā)電機的運行特性 1.定義：定義：2.實驗接線：實驗接線：3.步驟：步驟：IfU0=01.25UN，注意：只能，注意：只能單方向調(diào)磁；單方向調(diào)磁；一、空載特性一、空載特性 0,0,()NfEInnfI 一、空載特性一、空載特性 4.曲線：曲線： E0=f (If ) 如右圖。如右圖。電機磁路的飽和系電機磁路的飽和系數(shù)數(shù) ：0NEkU 通常同步發(fā)電機的通常同步發(fā)電機的k大約為

16、大約為1.11.25。 0fI0fI 一、空載特性一、空載特性 l 空載電動勢的調(diào)節(jié)：空載電動勢的調(diào)節(jié)：根據(jù)根據(jù)E0=4.44fN1kN10 和和If 0可知，調(diào)節(jié)勵可知，調(diào)節(jié)勵磁電流磁電流If，可改變磁通，可改變磁通0，從而改變定子繞組，從而改變定子繞組感應電勢感應電勢E0。即。即If E0；If E0。l 頻率的調(diào)節(jié)：頻率的調(diào)節(jié)：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高，定子繞組感應電勢轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高，定子繞組感應電勢E0的頻率越的頻率越高。即高。即 n f。f=pn/60要產(chǎn)生要產(chǎn)生50Hz的交流電壓，對于汽輪發(fā)電機的交流電壓，對于汽輪發(fā)電機（p=1）來說，必須使轉(zhuǎn)速保持）來說，必須使轉(zhuǎn)速保持3000r/min。 1

17、.定義：定義：2.實驗接線：實驗接線：3.步驟：步驟：n=nN，調(diào)，調(diào)If ，使，使Ik=01.25IN二、短路特性二、短路特性 , ()0,NkfInUfnI 4.曲線：曲線： Ik=f ( If ) 二、短路特性二、短路特性 短路電流短路電流Ik只有直只有直軸分量，其電樞反軸分量，其電樞反應為純?nèi)ゴ抛饔?。應為純?nèi)ゴ抛饔谩４怕诽幱诓伙柡蜖畲怕诽幱诓伙柡蜖顟B(tài)，態(tài)，E0If又又Ik=E0 / xd，xd為為常數(shù)，就有常數(shù)，就有IkIf二、短路特性二、短路特性 l利用空載和短路特性確定利用空載和短路特性確定xd的不飽和值的不飽和值磁路不飽和時，磁路不飽和時，xd為為常數(shù)常數(shù)；磁路飽和時，磁路飽和時

18、，xd隨隨而而；0()dkExI 不不飽飽和和()0NdkUxI 飽飽和和由氣隙線確定：由氣隙線確定：由空載特性曲線確定：由空載特性曲線確定：二、短路特性二、短路特性 l短路比短路比kc ：指當空載：指當空載電壓為額定電壓時，電壓為額定電壓時，發(fā)電機出線端短路的發(fā)電機出線端短路的短路電流短路電流Ik0與額定電與額定電流流IN之比值。之比值。00000*00()()()fNkcNfkkNffNffkdIUUIkIIIIIIkUkIIEx 不不飽飽和和二、短路特性二、短路特性 l短路比短路比kc是影響到同步發(fā)電機技術經(jīng)濟指標好是影響到同步發(fā)電機技術經(jīng)濟指標好壞的一個重要參數(shù)。壞的一個重要參數(shù)。l短

19、路比小，負載變化時發(fā)電機的電壓變化較短路比小，負載變化時發(fā)電機的電壓變化較大，并聯(lián)運行時發(fā)電機的穩(wěn)定度較差，但電大，并聯(lián)運行時發(fā)電機的穩(wěn)定度較差，但電機造價較便宜。機造價較便宜。l反之，反之， kc 氣隙大氣隙大 xd 電機的成本和尺電機的成本和尺寸增加。寸增加。l汽輪發(fā)電機汽輪發(fā)電機 kc=0.6，水輪發(fā)電機水輪發(fā)電機 kc=0.81.2解解: 從氣隙線上查出，從氣隙線上查出，If280A時，激磁電動時，激磁電動勢勢 ；在同一勵磁；在同一勵磁電流下，由短路特性查出，短路電流電流下，由短路特性查出，短路電流I1718A；所以同步電抗為；所以同步電抗為 二、短路特性二、短路特性 例例2：有一臺有

20、一臺25000kW、10.5kV、 cos =0.8 (滯滯后后)，Y接法的汽輪發(fā)電機，從其空載、短路試接法的汽輪發(fā)電機，從其空載、短路試驗中得到下列數(shù)據(jù)，試求同步電抗。驗中得到下列數(shù)據(jù)，試求同步電抗。 從空載特性上查得：相電壓從空載特性上查得：相電壓 kV時，時，If0155A；從短路特性上查得：；從短路特性上查得：IIN1718A時，時，Ifk280A；從氣隙線上得查得：；從氣隙線上得查得：If280A時，時， kV 10.5 /3U 22.4/3U 022400/312930EVV 0()129307.5261718dEXI 不不飽飽和和*0022.4/32.13310.5/3NEEU *0()*2.1332.1331dEXI不不飽飽和和0*00fkkNfkIIIII*002801.806/155NNdkkNUUXIII（飽飽和和）用標幺值計算時用標幺值計算時 ，故故從空載和短路特性可知從空載和短路特性可