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1、第十五章第十五章 同步电机的运行原理同步电机的运行原理 15-1 同步发电机的空载运行同步发电机的空载运行 15-2 对称三相负载时同步发电机的电枢反应对称三相负载时同步发电机的电枢反应 15-3 隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路路 15-4 凸极同步发电机的电压方程和相量图凸极同步发电机的电压方程和相量图 1第一节第一节 同步发电机的空载运行同步发电机的空载运行 以同步转速n 1，且转子励磁I f，而定子 I=0，称为空载运行。1.1.空载磁场空载磁场主磁场主磁场 同步电机的空载磁场同步电机的空载磁场2凸极同步电机空载内部磁通分布图凸极同步电
2、机空载内部磁通分布图凸极同步电机空载内部磁通分布图凸极同步电机空载内部磁通分布图 3若主磁场若主磁场B0 在气隙中正弦分布，且以同步速在气隙中正弦分布，且以同步速n n1 1旋转，则在旋转，则在定子绕组中产生对称三相电动势定子绕组中产生对称三相电动势 有效值：有效值：频率：频率：空载电动势，激磁电动势。空载电动势，激磁电动势。三相对称电动势三相对称电动势42.2.空载特性空载特性 n 1=c E0=f(I f)Ff If E0 0 电机电机的磁化曲线的磁化曲线 0=f(F f)同步电机的空载特性同步电机的空载特性 0较小较小时，磁路不饱和，空时，磁路不饱和，空载曲线的下部是一条直线；随载曲线的
3、下部是一条直线；随 o的增大，铁心逐渐饱和，的增大，铁心逐渐饱和，空空 载载 曲线弯曲。曲线弯曲。气隙线气隙线：不计铁心磁阻的：不计铁心磁阻的空载特性曲线。空载特性曲线。空载特性是同步电机的一空载特性是同步电机的一条基本特性。条基本特性。5 取取取取 代表额定电压代表额定电压代表额定电压代表额定电压U UNN，饱和系数定义为，饱和系数定义为，饱和系数定义为，饱和系数定义为 E E00为气隙线上电压。为气隙线上电压。为气隙线上电压。为气隙线上电压。普通同步电机普通同步电机普通同步电机普通同步电机k k 约在约在约在约在1.11.1 1.25.1.25.表明：磁路饱和后，由励表明：磁路饱和后，由励
4、表明：磁路饱和后，由励表明：磁路饱和后，由励 磁磁动势磁磁动势磁磁动势磁磁动势FfFf建立的基波主磁通建立的基波主磁通建立的基波主磁通建立的基波主磁通 和感应的基波电动势都降为未饱和值的和感应的基波电动势都降为未饱和值的和感应的基波电动势都降为未饱和值的和感应的基波电动势都降为未饱和值的1/1/k k ，即所需磁动势是未饱和时的，即所需磁动势是未饱和时的，即所需磁动势是未饱和时的，即所需磁动势是未饱和时的k k 倍（即倍（即倍（即倍（即FfFf=k k F F ）。）。）。）。饱和系数饱和系数饱和系数饱和系数K K K K 6第二节第二节 对称三相负载时同步发电机的电枢反应对称三相负载时同步发
5、电机的电枢反应一一.接三相对称负载时的物理过程接三相对称负载时的物理过程 空载时，同步电机的空载时，同步电机的气隙磁场气隙磁场是由励磁磁动势所产生的是由励磁磁动势所产生的主主磁场磁场B0。(空载电动势或激磁电动势空载电动势或激磁电动势)7直轴（纵轴或直轴（纵轴或直轴（纵轴或直轴（纵轴或d d轴）：主磁极轴线位置；轴）：主磁极轴线位置；轴）：主磁极轴线位置；轴）：主磁极轴线位置；交轴（横轴或交轴（横轴或交轴（横轴或交轴（横轴或q q轴）：磁极轴）：磁极轴）：磁极轴）：磁极N N、S S之间的中心线，与之间的中心线，与之间的中心线，与之间的中心线，与d d轴垂直；轴垂直；轴垂直；轴垂直；相轴：相绕
6、组的轴线位置；相轴：相绕组的轴线位置；相轴：相绕组的轴线位置；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。时轴：时间相量在其上投影可得瞬时值。时轴：时间相量在其上投影可得瞬时值。时轴：时间相量在其上投影可得瞬时值。8二二.电枢反应电枢反应：电枢磁动势的基波对气隙磁场的影响：电枢磁动势的基波对气隙磁场的影响电枢反应使气隙磁场空间位置发生变化，直接关系到电机的电枢反应使气隙磁场空间位置发生变化，直接关系到电机的 机电能量转换。机电能量转换。电枢反应的去磁或增磁，对电机的运行性能产生影响。电枢反应的去磁或增磁，对电机的运行性能产生影响。电枢反应的性质（电枢反应的性质（交磁，去磁或增磁
7、交磁，去磁或增磁）取决于电枢磁动势和）取决于电枢磁动势和主磁场在空间的相对位置。主磁场在空间的相对位置。这一相对位置决定于空载电动势这一相对位置决定于空载电动势 和负载电流和负载电流 的之间的的之间的相位差相位差 ，称为内功率因数角。，称为内功率因数角。91.=0 时时 定子绕组电动势、电流及磁动势定子绕组电动势、电流及磁动势在此时刻，在此时刻，A相电动势、相电动势、电流达到最大值，电枢电流达到最大值，电枢磁动势的轴线与磁动势的轴线与A相绕相绕组轴线重合，同时也与组轴线重合，同时也与q轴重合，即轴重合，即 Faq=Fa，称为称为交轴电枢反应磁动交轴电枢反应磁动势。势。同步发电机的交轴电枢反应同
8、步发电机的交轴电枢反应10定子绕组电动势、电流和磁通的时间相量图定子绕组电动势、电流和磁通的时间相量图各相电动势、电各相电动势、电流和磁通间的相流和磁通间的相位关系是相同的，位关系是相同的，所以后边只画出所以后边只画出一相。一相。定子绕组电动势、电流和磁通的时间相量图定子绕组电动势、电流和磁通的时间相量图11在时在时-空统一矢量空统一矢量图中，电枢磁动势图中，电枢磁动势Fa（空间矢量）与（空间矢量）与电枢电流电枢电流 （时间（时间相量）同相位；相量）同相位；空载磁通空载磁通 与励与励磁磁动势磁磁动势Ff同相位。同相位。时时-空统一矢量图空统一矢量图时时-空统空统-矢量图矢量图12气隙合成磁场与
9、主磁场的相对位置气隙合成磁场与主磁场的相对位置相对于主磁场，气隙合相对于主磁场，气隙合成磁场的轴线偏移了一成磁场的轴线偏移了一个角度，且幅值有所增个角度，且幅值有所增加。这是由于电枢磁动加。这是由于电枢磁动势（势（Fa=Faq）的作用造成）的作用造成的，称之为的，称之为交磁作用交磁作用。气隙合成磁场与主磁场的相对位置图气隙合成磁场与主磁场的相对位置图132.0 时时 电流滞后电动势电流滞后电动势电流滞后电动势的向量图电流滞后电动势的向量图14电流超前电动势电流超前电动势电流超前电动势的向量图电流超前电动势的向量图15同步发电机负载电流滞后空载电势同步发电机负载电流滞后空载电势9090时轴d轴q
10、轴 A轴A AX XZ ZB BCYFfNSFa A A相电流瞬时值达最大值时，相电流瞬时值达最大值时，A A相电势瞬时值为零，相电势瞬时值为零，此时主磁极轴线位于此时主磁极轴线位于A A相轴线的反向位置，为相轴线的反向位置，为直轴电直轴电枢反应。枢反应。=90=900 0的电枢反应的电枢反应 16=90=900 0的电枢反应的电枢反应 转子磁势和电枢转子磁势和电枢磁势一同作用在直轴磁势一同作用在直轴上，方向相反，电枢上，方向相反，电枢反应为反应为纯去磁纯去磁作用，作用，合成磁势的幅值减小。合成磁势的幅值减小。这一电枢反应这一电枢反应称为称为直轴去磁电枢反直轴去磁电枢反应应。=90=90=90
11、=900 0 0 0时的时空相矢图时的时空相矢图时的时空相矢图时的时空相矢图 17同步发电机负载电流超前空载电势同步发电机负载电流超前空载电势9090时轴直轴助磁电枢反应直轴助磁电枢反应d轴q轴 A轴A AX XZ ZB BCYFfNSFa=90900 0的电枢反应的电枢反应 18 此时此时F Ff f与与F Fa a之间的夹之间的夹角为角为0 0，即二者同相，即二者同相，转子磁势和电枢磁势一转子磁势和电枢磁势一同作用在直轴上，方向同作用在直轴上，方向相同，电枢反应为相同，电枢反应为纯增纯增磁磁作用，合成磁势的幅作用，合成磁势的幅值加大。值加大。这一电枢反应称为这一电枢反应称为直轴增磁电枢反应
12、直轴增磁电枢反应。=-90=-90=-90=-900 0 0 0时的时空相矢图时的时空相矢图时的时空相矢图时的时空相矢图 =90900 0的电枢反应的电枢反应 19不同负载性质时电枢反应磁场与转子电流的相互作用不同负载性质时电枢反应磁场与转子电流的相互作用 三三.机电能量转换机电能量转换交轴电枢反应磁场对转子产生阻力转矩。交轴电枢反应磁场对转子产生阻力转矩。直轴电枢反应磁场对转子磁场起去磁或助磁作用，不阻碍直轴电枢反应磁场对转子磁场起去磁或助磁作用，不阻碍转子旋转转子旋转。20直轴电枢反应的影响直轴电枢反应的影响直直轴轴电枢反应磁场电枢反应磁场由定子电流的无功分量产生的，由定子电流的无功分量产
13、生的，虽与转子绕组也产虽与转子绕组也产生电磁力，但不形成转矩，不妨碍转子旋转，只对转子磁场起去磁或生电磁力，但不形成转矩，不妨碍转子旋转，只对转子磁场起去磁或增磁作用，为维持定子的端电压，就必须相应调节（增加或减小）转增磁作用，为维持定子的端电压，就必须相应调节（增加或减小）转子励磁电流（直流电流）。子励磁电流（直流电流）。交轴电枢反应的影响交轴电枢反应的影响交轴电枢反应磁场是由定子电流的有功分量产生的，产生的交轴电枢交轴电枢反应磁场是由定子电流的有功分量产生的，产生的交轴电枢磁场对转子绕组产生阻转矩，阻碍转子旋转；定子输出有功功率越大，磁场对转子绕组产生阻转矩，阻碍转子旋转；定子输出有功功率
14、越大，有功电流分量就越大，交轴电枢反应磁场就越强，所产生的阻力转矩有功电流分量就越大，交轴电枢反应磁场就越强，所产生的阻力转矩也越大，这就需要原动机输出更多动力，才能克服电磁阻转矩，以维也越大，这就需要原动机输出更多动力，才能克服电磁阻转矩，以维持发电机转速不变。持发电机转速不变。21结论：结论：p199为了维持发电机转速不变，必须随着有功负载的变为了维持发电机转速不变，必须随着有功负载的变化调节原动机的输入功率；化调节原动机的输入功率；为了维持发电机定子的端电压，必须随着无功功率为了维持发电机定子的端电压，必须随着无功功率的变化，相应的调节（增加或减小）转子励磁电流的变化，相应的调节（增加或
15、减小）转子励磁电流（直流电流）。（直流电流）。22第三节第三节 隐极式同步发电机隐极式同步发电机 同步同步发电发电机机负载负载运行运行时时物理量的关系物理量的关系一、不考虑磁饱和时 在分析了在分析了负载时负载时同步同步发电发电机内部的磁机内部的磁场场情况，情况，结结合合KVL定律，列定律，列电压电压方程，作相量方程，作相量图图和等效和等效电电路；路；隐隐极式极式与凸极式分开分析。与凸极式分开分析。231.1.电压方程式电压方程式 采用发电机惯例规定正方向，可写出电压方程式采用发电机惯例规定正方向，可写出电压方程式Xa：电枢反应电抗；：电枢反应电抗；：电枢漏电抗。：电枢漏电抗。同步电抗表征稳态时
16、电枢反应磁场和电枢漏磁场两个效应的综合参数，同步电抗表征稳态时电枢反应磁场和电枢漏磁场两个效应的综合参数，不计饱和时，为常值。不计饱和时，为常值。24直轴电枢反应去磁直轴电枢反应去磁+交磁电枢反应交磁电枢反应2.相量图相量图90电动势的向量图电动势的向量图25已知已知 和电机参数，画相量图的步骤和电机参数，画相量图的步骤 用压降表示的电动势的向量图用压降表示的电动势的向量图26等效电路等效电路 同步电抗同步电抗 a)反映了a和的作用 b)磁路不饱和时为常数c)图图16-12隐极同步电机的等效电路隐极同步电机的等效电路 27二、考虑磁路饱和时二、考虑磁路饱和时 非线性，迭加原理不适用。非线性，迭
17、加原理不适用。已知已知磁动势磁动势F，由电机的空载由电机的空载特曲线求得电动势特曲线求得电动势E。励磁磁动势在空间是梯形波，励磁磁动势在空间是梯形波，Ff是其幅值，而是其幅值，而电枢磁动势电枢磁动势在空间在空间是正弦波，是正弦波，Fa是基波磁动势的幅是基波磁动势的幅值。为了利用空载特性，应把值。为了利用空载特性，应把Fa换算到励磁磁动势。换算到励磁磁动势。隐极同步电机磁动势分布图隐极同步电机磁动势分布图28对于汽轮发电机，对于汽轮发电机，ka=0.93 1.03，主要取决于大齿的宽度。主要取决于大齿的宽度。ka的意义的意义：产生同样大小的基波气隙磁场时，一安匝的电：产生同样大小的基波气隙磁场时
18、，一安匝的电枢磁动势相当与多少安匝的梯形波励磁磁动势。枢磁动势相当与多少安匝的梯形波励磁磁动势。正弦波磁动势幅值；正弦波磁动势幅值；等效梯形波磁动势的幅值。等效梯形波磁动势的幅值。电枢磁动势换算系数是电枢磁动势换算系数是k a 29电压方程和磁动势方程式电压方程和磁动势方程式 由于磁路饱和，不能单独的计算激磁电动势由于磁路饱和，不能单独的计算激磁电动势E0和电枢反应和电枢反应电动势电动势Ea，而只有合成电动势，而只有合成电动势E（气隙电动势）。（气隙电动势）。漏磁场路径主要为气隙，没有饱和问题。漏磁场路径主要为气隙，没有饱和问题。*考虑饱和的另一方法是根据运行点的饱和程度，找出相应考虑饱和的另
19、一方法是根据运行点的饱和程度，找出相应的的Xs(饱和饱和)，即把空载特性在工作点线性化。，即把空载特性在工作点线性化。图图16-14 同步电机的空载特性曲线同步电机的空载特性曲线30电压相量图和磁动势矢量图电压相量图和磁动势矢量图 隐极同步电机磁动势隐极同步电机磁动势-电动势向量图电动势向量图31第四节第四节 凸极同步发电机凸极同步发电机凸极同步电机的特点：气隙不均匀，直轴气隙小，气隙不均匀，直轴气隙小，交轴气隙大。交轴气隙大。相同大小的磁枢磁动势作相同大小的磁枢磁动势作用于不同的气隙位置时，用于不同的气隙位置时，产生不同的磁密。产生不同的磁密。采用双反应理论分析凸极采用双反应理论分析凸极同步
20、电机。同步电机。凸极同步电机磁场分布图凸极同步电机磁场分布图 凸极同步电机气隙沿电枢圆周不均匀，采用双反应理论来分析。32一一.双反应理论双反应理论 双双反反应应理理论论电电枢枢基基波波磁磁势势F Fa a分分解解为为直直轴轴上上的的直直轴轴电电枢枢反反应磁势应磁势F Fadad和交轴上的交轴电枢反应磁势和交轴上的交轴电枢反应磁势F Faqaq。根根据据直直轴轴和和交交轴轴的的磁磁导导，分分别别求求出出直直轴轴和和交交轴轴的的磁磁通通密密度度波波及磁通。及磁通。求求出出在在每每相相定定子子绕绕组组中中直直轴轴电电枢枢反反应应电电势势E Eadad和和交交轴轴电电枢枢反反应应电势电势E Eaqa
21、q。双双反反应应理理论论的的基基础础是是，当当不不计计饱饱和和时时，适适用用叠叠加加原原理理，用用双双反应法来分析凸极同步电机。反应法来分析凸极同步电机。33Ff、Fad和和Faq幅值相同，但产生的基波磁密明显不同。引幅值相同，但产生的基波磁密明显不同。引入折算系数入折算系数kad和和kaq。若。若Ff=kad Fad=kaq Faq则产生基波磁则产生基波磁密相同。密相同。凸极同步电机磁动势在凸极同步电机磁动势在dq轴作用的效果轴作用的效果34作用于直轴上作用于直轴上作用于交轴上作用于交轴上直轴电枢反应磁场直轴电枢反应磁场Bad1交轴电枢反应磁场交轴电枢反应磁场Baq1 实际上，前面考虑电枢磁
22、场的去磁、助磁及交磁时，实际上，前面考虑电枢磁场的去磁、助磁及交磁时，已涉及这一问题，那时没考虑各分量磁动势所对应的气已涉及这一问题，那时没考虑各分量磁动势所对应的气隙磁密的差异。隙磁密的差异。当电枢磁动势作用于交、直轴间的任意位置时，可当电枢磁动势作用于交、直轴间的任意位置时，可将之分解成直轴分量和交轴分量，先分别求出直、交轴将之分解成直轴分量和交轴分量，先分别求出直、交轴电枢反应，最后再把它们的效果叠加起来电枢反应，最后再把它们的效果叠加起来双反应理双反应理论论。351 1、电压方程、电压方程二二.磁路不饱和时的情况磁路不饱和时的情况 E0：励磁电动势；：励磁电动势；Ead：直轴电枢反应电
23、动势；：直轴电枢反应电动势；Eaq：交轴电枢反应电动势；：交轴电枢反应电动势；Ea：电枢反应电动势；：电枢反应电动势；E：合成电动势；：合成电动势；E：漏抗电动势。：漏抗电动势。36按发电机惯例写出电压方程式为：按发电机惯例写出电压方程式为：Xad：直轴电枢反应电抗：直轴电枢反应电抗 Xad=Ead/Id，单位直轴电流产生的，单位直轴电流产生的直轴电枢反应电动势。直轴电枢反应电动势。Xaq：交轴电枢反应电抗：交轴电枢反应电抗 Xaq=Eaq/Iq，单位交轴电流产生的，单位交轴电流产生的交轴电枢反应电动势。交轴电枢反应电动势。37而且有：而且有：是表征对称负载运行时电枢漏磁和直轴或交轴电枢反应的
24、是表征对称负载运行时电枢漏磁和直轴或交轴电枢反应的一个综合参数。一个综合参数。38：功率因数角；：功率角。：内功率因数角；直轴电枢反应电动势在直轴上，与激磁电动势在同一轴上。直轴电枢反应电动势在直轴上，与激磁电动势在同一轴上。=？2.相量图相量图凸极同步电机的电动势相量图凸极同步电机的电动势相量图3940413.等效电路等效电路该等效电路在计算凸极同步电机在电网中的运行性能该等效电路在计算凸极同步电机在电网中的运行性能和功角时常常用到。和功角时常常用到。凸极同步电机的虚构等效电路凸极同步电机的虚构等效电路42磁路饱和时磁路饱和时 Ed为励磁磁动势和直轴电枢反应磁动势共同作用所产生。为励磁磁动势
25、和直轴电枢反应磁动势共同作用所产生。三.考虑磁路饱和时的情况磁路饱和时的情况也可在不饱和模型中采用 X d 的饱和值来考虑直轴饱和的影响。43 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查图空载特性得Ed和Eaq，则电枢任一相的电动势平衡方程式为 44四、直轴和交轴同步电抗四、直轴和交轴同步电抗 电枢绕组电抗同绕组有效匝数的平方成正比，与所经路径电枢绕组电抗同绕组有效匝数的平方成正比，与所经路径的磁导成正比。的磁导成正比。X X d d=X Xadad+X X(kw1N1)2 d d=ad+X q=X aq+X(kw1N1)2 qq =aq+ad：直轴电枢反应磁
26、通所经路径的等效磁导；：直轴电枢反应磁通所经路径的等效磁导；aq：交轴电枢反应磁通所经路径的等效磁导；：交轴电枢反应磁通所经路径的等效磁导；：电枢漏磁通所经路径的等效磁导；：电枢漏磁通所经路径的等效磁导；d、q：稳态运行时直轴和交轴的电枢等效磁导。：稳态运行时直轴和交轴的电枢等效磁导。45 结论：凸极同步电机结论：凸极同步电机X d Xq，隐极同步电机隐极同步电机 X d=X q=Xs 凸极同步电机的凸极同步电机的dq轴电枢反应轴电枢反应46由于交轴气隙大，磁路仍设想为线性，则上式改写为由于交轴气隙大，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考虑饱和时凸极同步发电机的相矢图 47