同步发电机运行原理

第十章同步发电机运行原理主要内容1同步电机的基本知识2空载和负载时同步电机的磁场3隐极同步发电机电动势方程、同步电抗、相量图4同步发电机功率及转矩方程10.1同步电机基本知识一、同步电机的基本工作原理及特点同步发电机的基本原理结构定子：电枢铁心、电枢绕组转子：磁极铁心、励磁绕组原理励磁绕组通入直流电流，电机里就产生了磁场；原动机拖动主磁极以恒速n逆时针旋转，磁场与定子上的导体之间就有了相对运动，于是，在定子绕组里便感应出交流电动势。10.1同步电机基本知识一、同步电机的基本工作原理及特点感应电势的频率：定子三相电枢电动势与三相负载接通，则三相定子绕组内流通三相电流，产生三相合成、旋转的电枢磁动势，其基波的转速为n1，即转子转速=同步转速同步电机10.1同步电机基本知识二、同步电机类型1.按运行方式，同步电机分发电机、电动机和调相机。2.按结构型式，同步电机分旋转电枢式和旋转磁极式。其中旋转磁极式同步电机按磁极形状，又分隐极式和凸极式两种。10.1同步电机基本知识二、同步电机类型3.按原动机类别,同步电机分为汽轮发电机、水轮发电机和柴油发电机等。汽轮发电机一般作成隐极式，现代汽轮发电机均为2极，转速为3000r/min，水轮发电机采用凸极式，极数多，转速低。同步电动机、柴油发电机和调相机一般作成凸极式。10.1同步电机基本知识三、同步电机基本结构1.汽轮发电机主要结构定子(电枢)转子10.1同步电机基本知识三、同步电机基本结构10.1同步电机基本知识三、同步电机基本结构（1）定子铁心10.1同步电机基本知识三、同步电机基本结构（1）定子铁心10.1同步电机基本知识三、同步电机基本结构（2）转子在大容量高转速汽轮发电机中，转子圆周线速度极高，最大可达170米/秒。为了减小转子本体及转子上的各部件所承受的巨大离心力，大型汽轮发电机都做成细长的隐极式圆柱体转子。四、同步发电动机铭牌数据、额定值10.1同步电机基本知识(2)额定电压UN：额定运行时三相定子绕组上的线电压，单位为V或kV。指电机额定运行时，输出功率的保证值。同步发电机是指输出的额定视在功率或有功功率，单位是KVA或KW。电动机额定容量是指额定条件下转轴上输出的机械功率，单位是KW。调相机是指线端输出的无功功率QN，单位用Kvar表示。(3)额定电流IN：在额定运行状态下三相定子绕组的线电流，单位为A。(1)额定容量SN(KVA)或额定功率PN(kW)：四、同步发电动机铭牌数据、额定值10.1同步电机基本知识同步发电机额定值之间关系为：发电机电动机(4)额定功率因数(5)额定效率一、空载运行时主磁极磁场及空载特性10.2空载和负载时同步电机的磁场什么是同步发电机空载运行？同步发电机被原动机拖动到同步转速，励磁绕组中通入直流电流If，定子绕组开路的运行称为空载运行。空载运行是同步发电机最简单的运行方式，其气隙磁场由转子磁势单独建立。一、空载运行时主磁极磁场及空载特性10.2空载和负载时同步电机的磁场★空载时，同步电机中只有一个以同步转速旋转的励磁磁势Ff，它在电枢绕组中感应出三相对称交流电势E0，称为励磁电势。感应电势的频率：感应电势的有效值：一、空载运行时主磁极磁场及空载特性10.2空载和负载时同步电机的磁场空载特性：当空载运行时,励磁电势随励磁电流变化的关系称为同步发电机的空载特性。一、空载运行时主磁极磁场及空载特性10.2空载和负载时同步电机的磁场空载特性：由图可见，当励磁电流较小时，由于磁通较小，电机磁路没有饱和，空载特性呈直线（将其延长后的射线称为气隙线）。随着励磁电流的增大，磁路逐渐饱和，磁化曲线开始进入饱和段。为了合理地利用材料，空载额定电压一般设计在空载特性的弯曲处，如图中的c点。二、对称负载运行时的电枢反应10.2空载和负载时同步电机的磁场★当电枢绕组接上三相对称负载后，电枢绕组和负载一起构成闭合通路，通路中流过的是三相对称的交流电流。当三相对称电流流过三相对称绕组时，将会形成一个以同步速度旋转的旋转磁势。旋转电枢磁势的形成二、对称负载运行时的电枢反应10.2空载和负载时同步电机的磁场★当电枢绕组接上三相对称负载后，电枢绕组和负载一起构成闭合通路，通路中流过的是三相对称的交流电流。当三相对称电流流过三相对称绕组时，将会形成一个以同步速度旋转的旋转磁势。★由此可见，负载以后同步电机内部将会产生又一个旋转磁势Fa(电枢旋转磁势)。因此，同步发电机接上三相对称负载以后，电机中除了随轴同转的转子磁势Ff(称为机械旋转磁势)外，又多了一个电枢旋转磁势Fa(称为电气旋转磁势)。二、对称负载运行时的电枢反应10.2空载和负载时同步电机的磁场电枢磁势基波特点：幅值恒定，Fa用空间矢量表示时，磁势矢量顶点的轨迹是圆；当某相的电流为最大时，此时磁势的轴线在该相绕组的轴线上；转速n1=60f/p=n与磁极的转速相等；转向与磁极转向相同。电枢磁势的基波与磁极励磁磁势相对静止，共同产生气隙合成磁场。二、对称负载运行时的电枢反应10.2空载和负载时同步电机的磁场★电枢反应:电机带上负载后，电枢磁动势的基波在气隙中使气隙磁通的大小及位置均发生变化,这种影响称为电枢反应。(增磁、去磁或交磁)电枢反应的性质，取决于电枢磁动势基波Fa和励磁磁动势基波Ff之间的相对位置，即与空载电动势E0A和电枢电流IA之间的夹角ψ有关。二、对称负载运行时的电枢反应10.2空载和负载时同步电机的磁场★电枢反应励磁磁势和电枢磁势的区别二、对称负载运行时的电枢反应10.2空载和负载时同步电机的磁场★电枢反应★内功率因数角ψ：相量E0A和IA之间的相位差ψ，称为内功率因数角。电枢反应的情况决定于空间相量和之间的夹角，而这一夹角又和时间相量E0A和IA之间的相位差ψ相关连。二、对称负载运行时的电枢反应10.2空载和负载时同步电机的磁场★三个角几个基本概念二、对称负载运行时的电枢反应10.2空载和负载时同步电机的磁场几个基本概念★四个轴三个空间轴相轴：每相绕组的轴线位置相绕组轴线（相轴）正方向：规定当相绕组首端电流流出，尾端流入时，按右手螺旋关系，拇指所指方向规定为相绕组轴线正方向。二、对称负载运行时的电枢反应10.2空载和负载时同步电机的磁场几个基本概念★四个轴三个空间轴d轴（纵轴、直轴）：主磁极轴线位置转子d轴（直轴）正方向：规定N极磁力线穿出的方向为转子d轴正方向；d二、对称负载运行时的电枢反应10.2空载和负载时同步电机的磁场几个基本概念★四个轴三个空间轴q轴（横轴、交轴）：与d轴成90º电角度的轴转子q轴正方向：由d轴逆转子转向转过90º规定为转子q轴正方向。dqd、q坐标轴是随转子旋转的。二、对称负载运行时的电枢反应10.2空载和负载时同步电机的磁场几个基本概念★四个轴一个时间轴时轴参考轴正方向的选取一般是任意的，但令时轴参考轴正方向与空间参考轴A正方向重合，会给分析带来方便。时空相量图j二、对称负载运行时的电枢反应10.2空载和负载时同步电机的磁场1.电枢电流与励磁电势同相(ψ=0)d二、对称负载运行时的电枢反应10.2空载和负载时同步电机的磁场1.电枢电流与励磁电势同相(ψ=0)A相电势最大A相电流最大ψ=0A相磁势F最大，空间位置在A轴上电枢磁势轴线与励磁磁势轴线垂直二、对称负载运行时的电枢反应10.2空载和负载时同步电机的磁场时空相量图j二、对称负载运行时的电枢反应10.2空载和负载时同步电机的磁场1.电枢电流与励磁电势同相(ψ=0)时空相量图jAqd★ψ=00：Fa和Ff1之间的夹角为90度，即二者正交，转子磁势作用在直轴上，而电枢磁势作用在交轴上，这种作用在交轴上的电枢反应称为交轴电枢反应，简称交磁作用影响：扭歪主磁场交轴磁势与主磁场相互作用产生电磁转矩，实现机电能量转换的必要条件！！发电机有有功功率输出至电网，处于发电运行状态，此时发电机不发出无功功率二、对称负载运行时的电枢反应10.2空载和负载时同步电机的磁场时空相量图jAqd交轴电枢反应二、对称负载运行时的电枢反应10.2空载和负载时同步电机的磁场2.电枢电流滞后励磁电势90°(ψ=90°)A相电势最大A相电流为0ψ=90°电枢磁势轴线与励磁磁势轴线同在直轴轴线，方向相反二、对称负载运行时的电枢反应10.2空载和负载时同步电机的磁场时空相量图jAqdFa和Ff与之间的夹角为180度，即二者反相，转子磁势和电枢磁势一同作用在直轴上，方向相反，电枢反应为纯去磁作用，合成磁势的幅值减小，这一电枢反应称为纵轴（直轴）去磁电枢反应。二、对称负载运行时的电枢反应10.2空载和负载时同步电机的磁场时空相量图jAqd影响：去磁不产生切向作用力和电磁转矩，不进行机电能量转换。二、对称负载运行时的电枢反应10.2空载和负载时同步电机的磁场3.电枢电流超前励磁电势90°(ψ=-90°)A相电势最大A相电流为0ψ=-90°电枢磁势轴线与励磁磁势轴线同在直轴轴线，方向相同二、对称负载运行时的电枢反应10.2空载和负载时同步电机的磁场时空相量图jAqdFa和Ff与之间的夹角为0度，即二者同相，转子磁势和电枢磁势一同作用在直轴上，电枢反应为纯增磁作用，合成磁势的幅值增加，这一电枢反应称为纵轴（直轴）增磁电枢反应。二、对称负载运行时的电枢反应10.2空载和负载时同步电机的磁场时空相量图jAqd影响：增磁不产生切向作用力和电磁转矩，不进行机电能量转换。ψ二、对称负载运行时的电枢反应10.2空载和负载时同步电机的磁场4.一般情况0<ψ<90°电枢电流滞后励磁电势ψ度时空相量图jAqd二、对称负载运行时的电枢反应10.2空载和负载时同步电机的磁场4.一般情况0<ψ<90°dqψ交轴电枢磁势：直轴电枢磁势：二、对称负载运行时的电枢反应10.2空载和负载时同步电机的磁场4.一般情况0<ψ<90°dqψ影响：横轴电枢反应磁动势将改变磁场分布，使定转子之间产生切向电磁转矩，进行机电能量转换。纵轴电枢反应磁动势起去磁作用，使合成气隙磁动势减小。合成磁场削弱交轴、直轴去磁d、q轴00<ψ<900增强直轴、助磁d轴ψ=-900削弱直轴、去磁d轴ψ=900波形畸变交轴q轴ψ=00对电机的影响电枢反应性质Fa位置一、不计磁路饱和时的分析10.3隐极同步发电机的电动势方程、同步电抗、相量图与外电压平衡一、不计磁路饱和时的分析10.3隐极同步发电机的电动势方程、同步电抗、相量图电枢反应电动势和漏电动势电枢反应电抗，为比例系数，反映综合影响参数漏电抗一、不计磁路饱和时的分析10.3隐极同步发电机的电动势方程、同步电抗、相量图转子磁场与电枢磁场分别在定子绕组中感应电势。其为考虑了电枢反应影响后发电机的内电动势，是与气隙合成磁动势相对应的气隙电动势。一、不计磁路饱和时的分析10.3隐极同步发电机的电动势方程、同步电抗、相量图同步电抗的物理意义：表征在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的电动势。隐极发电机的等效电路ra:定子绕组相电阻(Ω)xσ:定子漏抗(Ω)一、不计磁路饱和时的分析10.3隐极同步发电机的电动势方程、同步电抗、相量图一、不计磁路饱和时的分析10.3隐极同步发电机的电动势方程、同步电抗、相量图一、不计磁路饱和时的分析10.3隐极同步发电机的电动势方程、同步电抗、相量图隐极发电机的相量图取U∠0°为参考相量功率角或转矩角内功率因数角功率因数角一、功率方程10.5同步发电机功率及转矩方程二、损耗及效率10.5同步发电机功率及转矩方程三、电磁功率Pδ10.5同步发电机功率及转矩方程式中表示电枢电流在横轴上的分量，其使合成磁场偏离d轴，同时使主极受到一制动转矩，原动机克服此制动转矩做功，从而进行机电能量转换。四、转矩平衡方程在式的两边同时除以机械角速度得令为空载损耗其中Ω1为机械角速度，单位rad/sM1为原动机输入转矩；M为发电机电磁转矩，呈阻转性质；M0为空载损耗对应的阻转矩10.5同步发电机功率及转矩方程