相同步发电机的运行原理.ppt

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1、1,第十五章 三相同步发电机的运行原理,2,本章主要内容,第一节 同步发电机空载运行第二节 同步发电机带对称负载时的电枢反应第三节 隐极同步发电机的负载运行第四节 凸极同步发电机的负载运行,3,第一节 三相同步发电机空载运行,1.空载运行时的电磁过程当原动机带动同步发电机在同步转速下运行，励磁绕组通入适当的励磁电流，电枢绕组不带任何负载的运行情况，称为空载运行（no load oprating）。空载运行时气隙中的磁场仅是转子励磁电流If及相应的励磁磁动势Ff单独建立的磁场，称为空载磁场或主磁场，磁场的强弱由励磁电流决定。,主磁通：同时与定、转子交链的磁通为主磁通0。主极漏磁通：仅与转子励磁绕

2、组交链的为主极漏磁通f。,4,凸极同步电机空载内部磁通分布图,5,主磁路(0的路径)：主磁通所经过的路径。,主此路的路径：主极铁心气隙电枢齿电枢磁轭电枢齿气隙另一主极铁心转子磁轭，形成闭合回路。,漏磁路：主要由空气和非磁性材料组成。,主磁路磁阻较漏磁路磁阻小，主磁通远远大于漏磁通。,1.空载运行时的电磁过程,6,基波主磁通0通过气隙与定、转子交链，随着转子同步速旋转，在定子绕组中感应三相励磁电动势E0，实现定、转子间机电能量转换。漏磁通f只与转子绕组交链，不参与定、转子间能量转换。,1.空载运行时的电磁过程,7,同步发电机空载运行的电磁关系为 建立空载磁场的励磁磁动势Ff的大小和空间分布与电机

3、的结构有关。,1.空载运行时的电磁过程,8,隐极同步发电机的励磁磁动势,1.空载运行时的电磁过程,隐极电机的励磁绕组嵌埋于转子槽内，沿转子圆周气隙均匀，励磁磁动势Ff在空间分布为阶梯形，空间基波分量为Ff1。,9,隐极同步发电机的励磁磁动势,1.空载运行时的电磁过程,受齿槽的影响，气隙磁密呈现出波动变化，合理选择大齿宽度可使气隙磁密的分布接近正弦波。,10,凸极电机，励磁绕组集中放置在转子磁极上，励磁磁动势在空间分布为矩形波Ff，其基波分量为Ff1。,1.空载运行时的电磁过程,凸极同步发电机的励磁磁动势,11,凸极电机定转子间气隙沿圆周分布不均匀，极面下气隙小，磁阻小，极间气隙大，磁阻大，在一

4、个极范围内气隙径向磁通密度分布近似于平顶的帽形，极靴以外的气隙磁通密度减少很快，相邻两极中线上的磁通密度为零。气隙磁密可分解为基波Ff1和一系列谐波。合理设计磁极形状可使气隙磁密分布接近正弦波，通常将极靴的极弧半径做成小于定子内圆半径，且两圆弧的圆心不重合(称为偏心气隙)，形成极弧中心处的气隙最小，沿极弧中心线两侧方向气隙逐渐增大，可使气隙磁通密度分布较接近正弦波形。,1.空载运行时的电磁过程,12,2.空载特性,原动机拖动同步电机转子以n1速度转动，0切割定子绕组，在定子中感应电势E0。,感应电势有效值,其中，0为磁极的每极基波磁通，N为每相定子绕组串联匝数，f为励磁电动势频率。,13,2.

5、空载特性,空载特性：空载时励磁电势与励磁电流之间的关系曲线,空载时：定子电流为零，电枢电压等于空载电势。,空载特性也表示主磁通和励磁磁势之间的关系，即电机的磁化曲线。,14,2.空载特性,15,讨论：励磁电流较小时，磁通较小，磁路未饱和，空载特性呈直线。励磁电流，磁路逐渐饱和，曲线开始进入饱和段。铁磁饱和后，空载电动势增加一点，励磁磁动势增加很多。,2.空载特性,16,讨论：为了合理利用材料，不因过饱和增加励磁磁动势而增加电机用铜量，空载额定电压一般设计在空载特性的弯曲处。将空载特性曲线的直线部分延长得到气隙线，表示气隙磁动势F与励磁电动势E0间的关系。,2.空载特性,17,取 代表额定电压U

6、N，饱和系数定义为 E0为气隙线上电压。普通同步电机ks约在1.11.25.表明：磁路饱和后，由励磁磁动势Ff建立的基波主磁通和感应的基波电动势都降为未饱和值的1/ks，即所需磁动势是未饱和时的ks倍（即Ff=ksF）。,2.空载特性,饱和系数Ks,18,电机运行于曲线刚好弯曲处：充分利用材料不会过分饱和,2.空载特性,19,不同电机用标么值画出的空载特性相差不大，可认为有一条标准的曲线。,空载曲线可用标么值来表示。,2.空载特性,20,2.空载运行时空相矢图同步发电机励磁磁场以同步转速1在空间旋转，与由其在定子绕组中产生的以频率1交变的正弦基波主磁通及其感应的正弦基波电动势在时间上呈同步变化

7、，因此，可将它们画在同一时间空间相量矢量图上，以简化分析。,2.空载特性,21,空载运行时空矢量图,2.空载特性,22,直轴（纵轴或d轴）：主磁极轴线位置；交轴（横轴或q轴）：磁极N、S之间的中心线，与d轴垂直；相轴：相绕组的轴线位置；时轴：时间相量在其上投影可得瞬时值。,2.空载特性,23,取定子绕组时间参考轴即时轴与相轴重合，则Ff中的基波分量Ff1(空间矢量）与由它产生的Bf1(空间矢量）及（时间相量）同相位，幅值在直轴正方向；(时间相量）滞后 900电角度。,2.空载特性,24,3.空载特性的工程应用1)设计的空载特性曲线与标准曲线比较，两者接近，说明电机设计合理，反之，说明电机磁路过

8、于饱和或材料未充分利用。若太饱和，励磁绕组用铜过多，电压调节困难；若饱和度太低，则负载变化时电压变化较大，且铁心利用率低，铁心耗材较多。2)空载特性结合短路特性与零功率因数负载曲线可求取同步电机参数。3)发电厂通过测取空载特性来判断三相绕组的对称性以及励磁系统的故障。,2.空载特性,25,3.对空载电动势波形的要求,三相对称,频率恒定,波形接近正弦,有一定幅值,以上要求标志发电机输出电能的质量。,26,工程上将空载线电压的波形与正弦波形偏差的程度，用电压波形正弦性的畸变率来表示。根据GB755-2000电机基本技术要求规定，电压波形正弦性畸变率可按下式算出：,3.对空载电动势波形的要求,u1为

9、基波电压有效值，也可用线电压有效值代替，un为n次谐波电压有效值。额定功率300kVA以上发电机，Ku不超过5%，额定功率10300kVA的发电机，Ku要求不超过10%。,27,电势波形畸变严重，对发电机本身和由它所供电的电动机都有不利影响，如损耗增加，效率降低等。,3.对空载电动势波形的要求,28,第二节 三相同步电机带对称负载时的电枢反应,同步发电机空载：气隙中只有转子的励磁磁势产生的主极磁场。,同步发电机空载：,29,同步发电机负载：气隙中同时有励磁磁势和电枢磁势共同建立的磁场，由于电枢磁势的存在，感应电势改变，端电压也改变。,1.三相同步电机带对称负载后的磁动势,30,1.三相同步电机

10、带对称负载后的磁动势,31,定子磁势,定子三相对称绕组中通入对称三相电流产生基波电枢磁势Fa：,（1）大小：,1.三相同步电机带对称负载后的磁动势,（2）转速：(r/min),（3）转向：通电相序A、B、C的方向，与转子同向；,（4）极对数：和转子极对数p相同，决定于绕组的节距y。,32,（1）大小：正比于励磁电流；（2）转速：和转子转速一样为同步速；（3）转向：和转子转向一致；（4）极对数：和转子磁极的极对数相同。,转子绕组通入直流产生每极基波励磁磁势Ff1：,转子磁势,1.三相同步电机带对称负载后的磁动势,33,转速均为同步速，转向一致，在空间处于相对静止，称为“同步”。,定子、转子磁势的

11、关系,1.三相同步电机带对称负载后的磁动势,结论：励磁磁势和电枢磁势以相同转速，相同转向旋转，彼此无相对运动，共同建立负载时气隙的合成磁势。,正是由于电枢磁势和励磁磁势的相对静止，使电机能产生稳定的气隙磁场和平均力矩，实现机电能量转换。,34,气隙磁密是合成磁势在电机气隙中建立起来的磁场。同步发电机负载后，电机内部的磁势和磁场发生显著变化，使机端电压变化，影响发电机机电能量转换和运行性能，这些变化由电枢磁势的出现所致。,1.三相同步电机带对称负载后的磁动势,35,励磁磁势和电枢磁势的区别,36,2.电枢反应,电枢磁势的存在，使气隙磁场的大小和位置发生变化，这一现象称为电枢反应。电枢反应的性质：

12、去磁、助磁和交磁。决定电枢反应的性质的因素：两个磁势幅值的相对位置，而这一位置与励磁电势和电枢电流之间的相位差，即角度有关，角又决定于负载的性质。,37,几个角度的定义,内功率因数角，大小与同步发电机的内阻抗及外加负载性质有关，即外加负载性质不同（电阻，电感，电容），和 的相位角 随之不同，电枢反应性质也不同。,38,两极同步发电机示意图，电枢绕组每一相用一个集中线圈表示，主磁极凸极式，电枢绕组中电流的方向为流出用、流入用表示。,坐标轴图示,(1)时空相矢图,39,穿过A相绕组的磁通为零，A相绕组的感应电动势最大，正好在时轴上。若=0，则此时A相电流在时轴上。,三相时间相量图,(1)时空相矢图

13、,40,A相电流最大，Fa的幅值与A相绕组轴线重合，Fa在A相轴方向上。,(1)时空相矢图,一般情况，电枢电流 超前或滞后励磁电动势 任意相位时，Fa的幅值位置也超前或滞后A相绕组轴线电角度。,41,由于Fa与Ff1同步旋转，故在一般负载的情况下，Fa与Ff1的空间相位差等于90+电角度。,(1)时空相矢图,为了分析方便，将时间相量和空间矢量画在一起构成时空相矢图。时空相矢图的作图步骤：,(1)根据负载性质定出；,(4)画出与对应的；,(2)选时轴、相轴和q、d轴；,(3)画Ff1在d轴上，E0在q轴上；,(5)Fa与I同“相”。,42,(2)=0的电枢反应,负载（定子）电流与空载电势同相。,

14、a相绕组导体处于旋转的转子磁极轴线位置，交链的主磁通为零，电势滞后产生它的磁通90度，所以a相电动势瞬时值为最大，定子电流与感应电势同相，电流瞬时值也最大。,43,(2)=0的电枢反应,a相电流达最大值时，三相合成的电枢磁势轴线在a相绕组轴线位置，此时电枢磁势滞后励磁磁势 90，为交轴磁势。,44,=0时的时空相矢图,45,两相量相加得到气隙合成磁势,=0时，电枢磁势 的轴线位于转子磁极的轴线即交轴（q轴），此时的电枢反应称为交轴电枢反应，此时的电枢磁势称为交轴电枢磁势。,交轴电枢反应的作用使气隙磁场从空载时的直轴逆转向后移了一个角度，使主磁势超前气隙合成磁势，于是主磁极上受到一个制动性质的转

15、矩。,(2)=0的电枢反应,46,结论：交轴电枢磁动势不仅使气隙合成磁势幅值有所增大，而且使气隙合成磁动势F的轴线位置从空载时直轴处逆转子转向后移一个锐角，主磁动势超前气隙合成磁势，主极上受到一个制动性质的转矩，电机要维持n1，必须输入更多的机械功率。此时电机输出有功功率，发电机不输出无功功率，所以交轴磁势将会影响电磁转矩的产生及能量的转换。,(2)=0的电枢反应,47,同步发电机负载电流滞后空载电势90,A相电流瞬时值达最大值时，A相电势瞬时值为零，此时主磁极轴线位于A相轴线的反向位置，为直轴电枢反应。,(3)=900的电枢反应,48,(3)=900的电枢反应,转子磁势和电枢磁势一同作用在直

16、轴上，方向相反，电枢反应为纯去磁作用，合成磁势的幅值减小。这一电枢反应称为直轴去磁电枢反应。,=900时的时空相矢图,49,同步发电机负载电流超前空载电势90,直轴助磁电枢反应,(4)=900的电枢反应,50,此时Ff与Fa之间的夹角为0，即二者同相，转子磁势和电枢磁势一同作用在直轴上，方向相同，电枢反应为纯增磁作用，合成磁势的幅值加大。这一电枢反应称为直轴增磁电枢反应。,=-900时的时空相矢图,(4)=900的电枢反应,51,既有交轴又有直轴去磁电枢反应,滞后励磁电势 一锐角,(5)一般情况下的电枢反应,52,(5)一般情况下的电枢反应,此时电枢反应的性质即有交磁电枢反应，又有直轴去磁电枢

17、反应。,任意锐角时的时空相矢图,53,54,55,56,不同角的电枢反应,57,同步发电机空载时无电枢反应，也无机电能量转换。,负载时，定子电流产生电枢磁场，与转子间有相互电磁作用。,负载性质不同，电枢磁场与转子之间的电磁作用也不同。,三.电枢反应对同步电机运行性能的影响,58,有功电流在电机内部产生制动转矩,当同步发电机负载电流与空载电动势同相时，电枢磁动势产生交轴电枢反应，交轴电枢磁场与转子电流产生的电磁力由左手定则决定。,电磁力方向与转子旋转方向相反，此时的电磁转矩为制动转矩。,59,有功电流在电机内部产生制动转矩,当发电机输出有功电流，即输出有功功率时，原动机（如汽轮机或水轮机）必须克

18、服交轴电枢反应对转子的制动转矩。,负载电流的交轴分量越大，输出的有功功率就越大，对转子的制动转矩也越大。为维持转子转速（频率）不变，需要相应增大汽轮机进汽量，用于克服制动转矩。,60,感性无功电流使发电机的端电压降低,同步发电机负载电流滞后空载电势90（感性无功电流），电枢磁势产生直轴去磁电枢反应。,直轴电枢磁场与转子电流相互作用产生电磁力，但不产生转矩。,电枢磁势对转子磁场产生去磁作用，使气隙磁场削弱，发电机端电压降低，若要维持端电压不变，应增加转子的励磁电流。,61,容性无功电流使发电机的端电压升高,同步发电机负载电流超前空载电势90（容性无功电流），电枢磁势产生直轴增磁电枢反应。,直轴电

19、枢磁场与转子电流相互作用产生电磁力，但不产生转矩。,电枢磁势对转子磁场产生增磁作用，使气隙磁场增强，发电机端电压升高，若要维持端电压不变，应减小转子的励磁电流。,62,不同负载性质时电枢反应磁场与转子电流的相互作用,63,结论,要维持发电机转速（频率）不变，必须随有功负载变化，调节原动机输入功率。,要维持发电机输出端电压不变，必须随无功负载的变化调节转子的励磁电流。,一般同步发电机是阻感负载，负载电流既有交轴分量，也有直轴分量，所以既产生交轴电枢反应，也产生直轴电枢反应。,64,第三节 隐极同步发电机的负载运行,一.磁路不饱和在分析发电机内部的磁场基础之上，利用电磁感应定律和基尔霍夫定律，忽略

20、磁路饱和时，可写出同步发电机的方程，并画出相应的相量图和等效电路。,隐极同步电机定转子之间的气隙均匀分布，凸极同步电机定转子之间气隙分布不均匀，所以对于隐极电机和凸极电机需采用不同的分析方法来分析它们的同步电抗。,65,1.磁路不饱和时隐极同步发电机的电磁过程,电枢反应电势：,定子漏电势：,66,根据基尔霍夫定律，写出一相回路电压方程式：,同步发电机各物理量正方向的规定,1.磁路不饱和时隐极同步发电机的电磁过程,电势方程（三相对称，讨论一相）,67,其中 U定子绕组的端电压，I定子电流，ra定子绕组的电阻。,1.磁路不饱和时隐极同步发电机的电磁过程,电势方程,68,电枢反应电抗,设定子电流有效

21、值为I，则产生的三相合成电枢反应磁势的幅值为：,其中N:每相串联匝数,2.电枢反应电抗与同步电抗,电枢反应磁通：电枢反应磁通回路上的磁导。,69,电枢反应电势：,隐极机不计饱和，不计齿槽轮影响，气隙均匀，故m 为常数，（a 在定子上感应电势）,故有：,电枢反应电抗,2.电枢反应电抗与同步电抗,70,引入比例系数：,比例系数xa称电枢反应电抗。考虑到相位关系后，每相电枢反应电势为：,电枢反应电抗,71,电枢反应电抗：,数值上表示单位相电流在定子一相绕组上所引起的电枢反应电势的大小。,时间上，电势落后产生它的磁通相位90。,电枢反应电抗,72,同理，根据,(电枢电流),（定子漏磁通）,（定子漏电势

22、），漏电势用负漏抗压降形式表示为,漏电抗,73,同步电抗,xs称为隐极同步电机的同步电抗，它是对称稳态运行时表征电枢反应和电枢漏磁这两个效应的一个综合参数。不计饱和时，xs是一个常值。,物理意义：表征对称负载下单位电枢电流三相联合产生的电枢总磁场在电枢每相绕组中感应电势。,2.电枢反应电抗与同步电抗,74,3.磁路不饱和时隐极同步发电机的回路电压方程式、等效电路和相量图,同步电抗,75,假设已知U，I及 角，求,作，,(,)均与 同向,，分别滞后,E0，I 之间的夹角为,隐极机磁路不饱和时的相量图,76,磁势矢量部分：Ff 超前E0900,隐极机磁路不饱和时的相量图,77,Xs,Ra,Ra,X

23、s,j,78,不考虑饱和时隐极同步发电机的相矢图等效电路,79,不考虑饱和时隐极同步发电机的等效电路和相量图,3.磁路不饱和时隐极同步发电机的回路电压方程式、等效电路和相量图,80,在同步电机理论中，用相量图进行分析是十分重要和方便的方法。作相量图时，认为发电机的相电压U、相电流I、负载功率因数cos以及参数ra、xs为已知量的情况下，最终可以根据方程式求得励磁电动势。,3.磁路不饱和时隐极同步发电机的回路电压方程式、等效电路和相量图,81,磁路饱和时隐极同步发电机,磁路接近饱和，不能用叠加原理，先求主磁路合成磁势，利用磁化曲线求负载时气隙磁通和气隙电势。,82,气隙电动势减去电枢绕组的电阻和

24、漏抗压降，便得电枢端电压，即,或,磁路饱和时隐极同步发电机,83,考虑饱和时隐极同步发电机的相矢图,磁路饱和时隐极同步发电机,84,第四节 凸极同步电机的的负载运行,凸极同步机的气隙不均匀在极面下的磁导大，两极之间的磁导小。同一电枢磁势波作用在气隙不同处，会遇到不同的磁阻，产生不同的磁密。=F，=BS。,隐极机:气隙均匀，m 为常数,一.不考虑饱和 1.电磁过程和双反应理论,85,双反应理论电枢基波磁势Fa分解为直轴上的直轴电枢反应磁势分量Fad和交轴上的交轴电枢反应磁势分量Faq。,凸极同步电机的电枢磁势分解为直轴和交轴分量,1.电磁过程和双反应理论,86,电枢磁势作用在直轴时：极弧下气隙磁

25、场接近正弦分布。,电枢磁势作用在交轴时：极弧下气隙磁场呈马鞍形分布。,电枢磁势作用在直轴或交轴时：气隙磁场波形对称分布，电枢反应大小不难求出。,1.电磁过程和双反应理论,87,凸极同步电机的电枢磁场,1.电磁过程和双反应理论,88,双反应理论电枢基波磁势Fa分解为直轴上的直轴电枢反应磁势Fad和交轴上的交轴电枢反应磁势Faq。根据直轴和交轴的磁导，分别求出直轴和交轴的磁通密度波及磁通。求出在每相定子绕组中直轴电枢反应电势Ead和交轴电枢反应电势Eaq。双反应理论的基础是，当不计饱和时，适用叠加原理，用双反应法来分析凸极同步电机。,1.电磁过程和双反应理论,89,凸极同步发电机电磁过程,90,在

26、电枢绕组任一相都存在,一相回路电压方程式:,1.电磁过程和双反应理论,91,2.直轴同步电抗与交轴同步电抗,直轴磁导为常数，有,直轴电枢反应磁势的电流分量-直轴电流,直轴电枢反应磁势基波幅值：,同理,92,2.直轴同步电抗与交轴同步电抗,93,2.直轴同步电抗与交轴同步电抗,：直轴电枢反应电抗,：交轴电枢反应电抗,：直轴同步电抗,：交轴同步电抗,考虑定子绕组漏抗,有：,反应直轴和交轴上电枢反应的强弱。,94,：直轴电枢反应磁通所经路径磁导。,：交轴电枢反应磁通所经路径磁导。,直轴气隙小于交轴气隙,xadxaq,电抗与匝数平方及磁导的乘积成正比。,2.直轴同步电抗与交轴同步电抗,95,直轴同步电

27、抗为 xd=xad+x 交轴同步电抗为 xq=xaq+x xd和xq表征了当对称三相直轴或交轴电流每相为1A时，三相总磁场在电枢绕组中每相感应的电势。隐极机同步电机xs*在0.93.5，凸极同步机xd*在0.61.6（交轴xq*在0.41.0）。隐极机是凸极机的一种特例，xd=xq=xs。,2.直轴同步电抗与交轴同步电抗,96,3.磁路不饱和时凸极同步发电机的回路电压方程式和相量图,一相回路电压方程式为：,97,98,d轴,实际应用中,E0，未知,无法分成 和,已知、如何确定 相位，即如何求出?,R,Q,凸极同步发电机的相量图,思路：由R点做 垂线，交于Q，则RQ与水平线间锐角为,99,d轴,

28、已知、如何确定 相位，即如何求出,R,Q,凸极同步发电机的相量图,相量 和 相互垂直，所以相量 与 同相，把上式右边合成就能找到 的位置。,100,d轴,作图步骤,凸极同步发电机的相量图,101,相量图作图方法：假设已知U，I及 角、Xd，Xq求,（1）作，,q轴,3)、计算：,4)功角：与 的夹角,所在的方向q轴，确定,102,（1）作，,计算：,功角：与 的夹角,所在的方向q轴，确定,凸极同步发电机的相量图,103,凸极发电机的相量图,已知发电机的端电压、负载电流和功率因数及参数ra、xd、xq。,1、已知内功率因数角,按照电势方程式的关系作出相量图。,2、未知内功率因数角,利用公式求出：,104,二.考虑饱和,实际同步电机，交轴气隙较大，交轴磁路可认为不饱和，直轴磁路则受饱和影响。近似认为直轴和交轴磁场相互无影响，可利用双反应理论，即交、直轴各自的合成磁动势及感应电动势分别根据实际饱和情况由空载特性求取。,105,其中Fd、Fad、Faq均为折算到励磁绕组的等效励磁磁动势。用Fd和Faq查空载特性得Ed和Eaq，则电枢任一相的电动势平衡方程式为,二.考虑饱和,106,由于交轴气隙大，磁路仍设想为线性，则上式改写为,考虑饱和时凸极同步发电机的相矢图,二.考虑饱和,107,本章内容结束,