第6章 同步发电机的运行原理

第6章同步发电机的运行原理同步发电机的主磁通同步发电机的电动势方程式和相量图同步发电机的运行特性一、空载运行时的主磁通同步发电机空载运行是指同步发电机被原动机带动到同步转速，转子励磁绕组通过直流励磁电流，定子绕组开路（定子绕组电流为零）时的运行状况。（图示）6.1同步发电机的主磁通从图可见，主极磁通分成主磁通Φ0和漏磁通Φfσ两部分，前者通过气隙并与定子绕组相交链，后者不通过气隙，仅与励磁绕组相交链。一、空载运行时的主磁通0f一、空载运行时的主磁通空载时：I=0，If≠0,n=nN空载时发电机内部电磁关系0fffffIFIN0104.44NEfNk只增加磁极部分的饱和程度空载运行时气隙磁场仅由转子励磁磁动势单独建立，磁场的强弱仅由励磁电流大小决定。一、空载运行时的主磁通负载运行时，定子绕组中有电流流过，便会产生电枢基波旋转磁动势。负载运行时，同步电机内由励磁磁动势和电枢磁动势共同建立的主磁场。二、带对称负载时的主磁通二、带对称负载时的主磁通负载时：I≠0，If≠0,n=nN负载时发电机内部电磁关系0ffaaIFIF主磁通负载运行时，同步电机内的主磁场由励磁磁动势和电枢磁动势共同建立。二、带对称负载时的主磁通空载：气隙磁动势负载：气隙磁动势同步发电机对称负载时，电枢磁动势Fa对励磁磁动势Ff的影响，称为电枢反应。三、电枢反应fFFfaFFF三、电枢反应两种磁动势性质比较：基波波形大小位置转速励磁磁动势正弦波恒定，由励磁电流决定由转子位置决定由转子转速决定电枢磁动势正弦波恒定，由电枢电流决定由电流瞬时值决定由电流的f和p决定结论：电枢磁动势Fa和励磁磁动势Ff在空间相对静止。几个概念①内功率因数角ψ：空载电动势E0和电枢电流I之间的夹角，与电机本身参数和负载的大小、性质有关；②功率因数角：与负载性质有关；③功率角（功角）θ：E0和U之间的夹角；且有（电感性负载）④直轴（d轴）：主磁极轴线（纵轴）；⑤交轴（q轴）：转子相邻磁极轴线间的中心线为交轴（横轴）三、电枢反应三、电枢反应电枢反应的性质：（增磁、去磁或交磁）与负载的性质和大小有关，主要取决于电枢磁动势和励磁磁动势在空间的相对位置。分析表明，此相对位置取决于空势电动势E0和定子电流I之间的相角差ψ。电枢反应的性质可通过时空矢量图来反映。时空矢量图：含有时间相量和空间向量的矢量图。作时空矢量图确定电枢反应的性质的规律：取励磁磁势Ff作为参考向量，其方向就d轴方向；空载磁通Φ0与Ff同方向，空载电势E0滞后空载磁通Φ090°；定子电流I滞后空载电势E0的角度为内功率因数角Ψ；电枢磁势Fa与定子电流I同相位。三、电枢反应1、ψ=0°时的电枢反应三、电枢反应轴dfF()aaqFF00()BI0E1F时空矢量图1、ψ=0°时的电枢反应三、电枢反应电枢磁势Fa滞后励磁磁势Ff90°，合成磁势Fδ的大小略有增加，分布滞后励磁磁势Ff一个锐角，此时电枢反应性质为交轴电枢反应。1、ψ=0°时的电枢反应•交轴电枢反应，即交磁作用。•电枢磁场与转子励磁绕组相互作用产生的电磁力f1，在转子上产生的电磁转矩与转子的转向相反，对发电机起制动作用。•要想维持转速不变，就要相应地增加原动机的输入机械功率。•交轴电枢反应实现了机电能量的转换，发电机有有功功率输出。三、电枢反应三、电枢反应2、ψ=90°时的电枢反应轴dfF()aadFF00()BI0E1F时空矢量图三、电枢反应2、ψ=90°时的电枢反应•直轴去磁电枢反应。•电磁力f1在转子上不产生的电磁转矩。•合成磁动势Fδ减小，使发电机的端电压下降。•要想保持发电机的端电压不变，需增大发电机的励磁电流。•发电机输出无功功率。三、电枢反应3、ψ=-90°时的电枢反应时空矢量图轴dfF()aadFF00()BI0E1F三、电枢反应3、ψ=-90°时的电枢反应•直轴增磁电枢反应。•电磁力f1在转子上不产生的电磁转矩。•合成磁动势Fδ增大，使发电机的端电压上升。•要想保持发电机的端电压不变，需减小发电机的励磁电流。•发电机输出无功功率。4、0°ψ90°时的电枢反应三、电枢反应•既有交轴电枢反应，又有直轴去磁电枢反应。•发电机既输出有功功率，又输出无功功率。轴dfFaF00()BI0E1F时空矢量图aqFadFqIdI5、-90°ψ0°时的电枢反应三、电枢反应•既有交轴电枢反应，又有直轴增磁电枢反应。•发电机既输出有功功率，又输出无功功率。轴dfFaF00()BI0E1F时空矢量图aqFadFdIqI三、电枢反应ψ位置记作电枢反应性质影响Ψ≈φ负载性质UN(f)00q轴交轴波形畸变不变下降R900d轴直去削弱下降不变L-900d轴直增增强增大不变C0~900d、q轴交、直去削弱下降下降R、L-900~00d、q轴交、直增增强增大下降R、CaFaFFadFaqFadFadaqFFadaqFF三、电枢反应说明：；对应：而：aadaqFFFdqIIIsincosadaaqaFFFFsincosdqIIII对应：分别为直轴和交轴分量。6.2同步发电机的电动势方程式和相量图一、隐极同步发电机1、电磁过程其结构特点是气隙均匀，故同一电枢磁动势作用在圆周气隙上的任何位置所产生的气隙磁场和每极磁通量都是相同的，没必要象凸极转子一样分解成交、直两个分量，可以整体考虑电枢反应的影响。一、隐极同步发电机当磁路不饱和时，采用叠加原理求解，即：Φδ=Φ0+Φa；Eδ=E0+Ea当磁路饱和时，磁场不再满足线性叠加条件，但由安培环路定律可知磁动势是可以叠加的，所以要先求合成气隙磁动势Fδ=Ff+Fa，再由Fδ求出Φδ、Eδ。一、隐极同步发电机现在只讨论磁路不饱和情况。同步发电机内的电磁关系如下：fI励磁fF00EaEaaFI电枢EjIxaUIr一、隐极同步发电机2、电动势方程式参考正方向的选定：相电流：首端流出为正；相电动势：与相电流同正方向（并非同相位）；相电压：首端指向末端为正。一、隐极同步发电机采用发电机惯例，以输出电流作为电枢电流的正方向时，定子任一相的电动势方程为：在时间相位上，滞后于90°电角度，若不计定子铁耗,与同相位，则将滞后于90°电角度,于是亦可写成负电抗压降的形式，即一、隐极同步发电机aEaEIaΦaΦI因为电枢反应电动势Ea正比于电枢反应磁通Φa，不计磁饱和时，Φa又正比于电枢磁动势Fa和电枢电流I，即一、隐极同步发电机综上，有隐极同步发电机的电动势平衡方程式：其中：—电枢反应电抗—定子绕组漏电抗—隐极同步发电机的同步电抗axxtaxxx一、隐极同步发电机同步电抗xt表征对称稳态运行时，电枢旋转磁场和漏磁场总效应的一个综合参数。同步电抗是同步发电机的一个重要参数，它的大小直接影响发电机端电压随负载波动的幅度、发电机短路电流的大小及在大电网中并列运行的稳定性。一、隐极同步发电机由于电枢绕组的电阻ra很小，可以忽略不计，则隐极同步发电机的电动势平衡方程式可写成：一、隐极同步发电机3、等效电路和相量图根据隐极同步发电机的电动势平衡方程式（忽略电枢电阻）可做出如下隐极同步发电机的等效电路图：tXIU一、隐极同步发电机以发电机端电压为参考相量，作带阻感负载的相量图如下：220(sin)(cos)tEIxUUsintancostIxUU1、电磁过程其结构特点是气隙沿电枢圆周不均匀。考虑到凸极电机气隙的不均匀性，把电枢反应分成直轴和交轴电枢反应分别来处理。（双反应理论）二、凸极同步发电机二、凸极同步发电机图6.11凸极同步电机的磁路(a)直轴；(b)交轴二、凸极同步发电机现在只讨论磁路不饱和情况。同步发电机内的电磁关系如下：fIfF00EaUIradEadadFdqIIIaqaqEaqFE二、凸极同步发电机2、电动势方程式采用发电机惯例，以输出电流作为电枢电流的正方向时，定子任一相的电动势方程为：二、凸极同步发电机二、凸极同步发电机和可以用相应的负电抗压降来表示不计磁饱和时adEaqE其中：—直轴电枢反应电抗—交轴电枢反应电抗adxaqx综上，有凸极同步发电机的电动势平衡方程式：二、凸极同步发电机由于电枢绕组的电阻ra很小，可以忽略不计，则凸极同步发电机的电动势平衡方程式可写成：其中：—直轴同步电抗，—交轴同步电抗，dxqxdadxxx二、凸极同步发电机qaqxxx直轴和交轴同步电抗的意义由于电抗与绕组匝数的平方和所经磁路的磁导成正比，所以如图所示。对于凸极电机，由于直轴下的气隙较交轴下小，，所以XadXaq，因此在凸极同步电机中，XdXq,且Xq*≈0.6Xd*对于隐极电机，由于气隙是均匀的，故Xd=Xq=XtXa（隐）Xad（凸）Xaq（凸）二、凸极同步发电机adaq3、相量图以发电机端电压为参考相量，作带阻感负载的相量图如下：0cos()cossindddEUIxUIxsintancosqIxUU二、凸极同步发电机二、凸极同步发电机说明：、ψ的公式同样适用于隐极电机，只要令Xd=Xq=Xt公式中U、I、E均为相值；性质：滞后0、超前0；公式可直接改为标幺值形式。基值选定如下：–容量基值Sb=mUNΦINΦ–电压基值Ub=UNΦ–电流基值Ib=INΦ–阻抗基值Zb=UNΦ/INΦ–励磁电流基值Ifb=If0(E0=UN)0E例1：一台汽轮发电机PN=135MW，定子三相绕组Y接法，额定电压UN=13.8kV，cos=0.8（滞后），xt=2.35Ω，忽略电枢电阻，求额定运行时的E0N和ψN。二、凸极同步发电机解：发电机定子额定电流发电机定子采用Y接法，其额定相电压二、凸极同步发电机同步发电机在对称负载下稳定运行时，维持转速(频率)和功率因数为常数的条件下，发电机的端电压U、负载电流I、励磁电流If是3个主要的运行参数，它们都可以在运行中被测量。它们之间互有联系，当保持其中一个量为常数，另外两个量之间的函数关系称为运行特性。6.3同步发电机的运行特性1.定义：2.实验接线：3.步骤：If↑→U0=0～1.25UN↑，注意：只能单方向调磁；一、空载特性0,0,()NfEInnfI一、空载特性4.曲线：E0=f(If)如右图。电机磁路的饱和系数：0NEkU通常同步发电机的kμ大约为1.1～1.25。0fI0fI一、空载特性空载电动势的调节：根据E0=4.44fN1kN1Φ0和If→Φ0可知，调节励磁电流If，可改变磁通Φ0，从而改变定子绕组感应电势E0。即If↑→E0↑；If↓→E0↓。频率的调节：转子转速越高，定子绕组感应电势E0的频率越高。即n↑→f↑。f=pn/60要产生50Hz的交流电压，对于汽轮发电机（p=1）来说，必须使转速保持3000r/min。1.定义：2.实验接线：3.步骤：n=nN，调If，使Ik=0～1.25IN二、短路特性,()0,NkfInUfnI4.曲线：Ik=f(If)二、短路特性短路电流Ik只有直轴分量，其电枢反应为纯去磁作用。磁路处于不饱和状态，E0∝If又Ik=E0/xd，xd为常数，就有Ik∝If二、短路特性利用空载和短路特性确定xd的不饱和值–磁路不饱和时，xd为常数；–磁路饱和时，xd随Φ↑而↓；0()dkExI不饱和()0NdkUxI饱和由气隙线确定：由空载特性曲线确定：二、短路特性短路比kc：指当空载电压为额定电压时，发电机出线端短路的短路电流Ik0与额定电流IN之比值。00000*00()()()fNkcNfkkNffNffkdIUUIkIIIIIIkUkIIEx不饱和二、短路特性短路比kc是影响到同步发电机技术经济指标好坏的一