第十三章-同步发电机

2020年5月14日星期四山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作1第十三章同步发电机13-2同步电机的电枢反应13-3同步发电机的电势方程式和相量图13-4同步发电机的功率和转矩方程式13-5同步发电机的特性13-6同步发电机的并联运行13-1同步发电机的空载运行第十三章同步发电机13-2同步电机的电枢反应13-3同步发电机的电势方程式和相量图13-4同步发电机的功率和转矩方程式13-5同步发电机的特性13-6同步发电机的并联运行13-1同步发电机的空载运行2020年5月14日星期四山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作2本章基本要求1.理解同步电机电枢反应的物理概念，并掌握电枢反应的性质与哪些因素有关；2.熟练掌握同步发电机的电压平衡方程式和相应的相量图的画法。3.熟练掌握同步发电机的功角特性，分析当励磁电流改变时，空载电势和功角特性变化的规律。4.了解同步发电机的功率和转矩方程式、工作特性。6.掌握同步发电机有功功率和无功功率的调节以及同步发电机的U形曲线；掌握无功功率的性质与励磁电流的关系。5.了解同步发电机并联运行的条件及其整步方法。2020年5月14日星期四山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作313-1同步发电机的空载运行一、同步电机的基本作用原理1.两种旋转磁场当对称三相电流流过对称三相绕组时，将在气隙中产生一个旋转磁场，基波磁势有下列特性：振幅恒定是单相绕组最大振幅的1.5倍，转速为同步转速n1，旋转方向是从电流超前的相转向电流滞后的相，当某相电流达到最大值时，旋转磁场的振幅恰好在该相绕组的轴线上。同步电机无论作为发电机运行还是作为电动机运行，和异步电机一样，只要它们的定子三相绕组中流过三相对称电流，都将在气隙中产生上述的旋转磁场。2020年5月14日星期四山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作4同步发电机的空载运行因该磁场是交流励磁的，故称为交流励磁的旋转磁场，同步电机的定子绕组又称为电枢绕组，因此又称为电枢磁场。如果在转子上装有由直流励磁的磁极，且用原动机把转子带到同步转速，就像同步电机那样，则在气隙中同样出现一个圆形旋转磁场，这样获得的旋转磁场又称直流励磁的旋转磁场或称机械旋转磁场。同步发电机空载时，定子绕组中的电流为零，在气隙中只有直流励磁的旋转磁场，在负载的情况下，两种旋转磁场均存在。2020年5月14日星期四山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作5同步发电机的空载运行在同步电机的气隙中存在着两种不同的旋转磁场，只要这两个旋转磁场在空间有位移，它们之间便会有电磁力，犹如两块磁铁之间存在相互作用力一样。3.同步电机的运行方式同步电机在工作时，由于两种旋转磁场之间没有相对运动，因此它们之间的相互位置决定着同步电机的运行情况：如转子磁场在前，则当转子旋转时，便拉着定子磁场旋转，这时转子磁场超前电枢磁场，这便是发电机运行；反之定子磁场旋转拉着转子磁场旋转，便是电动机运行情况。2.同步电机的作用力2020年5月14日星期四山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作6同步发电机的空载运行4.同步电机的电路方程及等效电路在正常运行时，同步电机的定子磁场与转子绕组之间没有相对运动，因而不能在转子绕组中感应电势，转子回路中只有直流励磁电流，故从电路的观点来看，同步电机要比变压器或异步电机更为简单，可不考虑转子支路，而只为定子电路单独写出电压方程式。同步电机正常运行时的等效电路是一个没有副方回路与原方耦合的独立回路，求解时也不用联立方程，非常简单。同步发电机各物理量的正方向规定如图所示。同步发电机等效电路如图所示。2020年5月14日星期四山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作7同步发电机的空载运行如不考虑饱和现象，利用迭加原理：)(0jxrIUEEaa—转子磁场在定子绕组中的感应电势，也称励磁电势；0E—定子磁场在定子绕组中的感应电势，称为电枢反应电势。aEra—定子绕组的电阻，x—定子绕组漏抗。—定子绕组端电压U—定子绕组输出电流IE0EaE＋U1－I10aaEEEUIr或5.同步电机的气隙合成磁场将气隙中的定子和转子磁场合并为一合成气隙磁场来考虑，这种分析方法更符合同步电机的实际情况。2020年5月14日星期四山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作8同步发电机的空载运行由于定、转子磁场均以同步转速旋转，气隙中合成旋转磁场便也按同步转速旋转，和转子绕组之间仍无相对运动；因此同步电机作为发电机运行时，转子磁场轴线便超前于气隙合成磁场轴线；而同步电机作为电动机运行时，转子磁场轴线将滞后于气隙合成磁场的轴线。同步电机的运行方式，也常用合成旋转磁场与转子磁场之间的相对位置来确定；当转子磁场超前于定子磁场时，合成的气隙磁场便滞后于转子磁场，当转子磁场滞后于定子磁场时，合成的气隙磁场便将超前于转子磁场；2020年5月14日星期四山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作9电枢（定子）：I1(Fa)=0转子每极磁通：Φ0空载电动势：E0=4.44f1kw1W1Φ0或电枢相电压：U0P=E0电枢线电压（Y形联结）：E0=－j4.44f1kw1W1Φ0U0L=√3E0E0的频率：f1=pn60二、同步发电机的空载运行同步发电机被原动机拖动至同步转速，转子绕组通入直流励磁电流，定子绕组开路时称为空载运行。2020年5月14日星期四山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作1013-2同步电机的电枢反应空载时，同步电机中只有一个以同步旋转的转子磁场，即励磁磁场，它在三相绕组中感应出对称的三相电势，每一相为E0，称为励磁电势，定子每相电压为E0=U。当定子绕组接上对称的负载后，气隙合成磁势由电枢磁势与转子磁势相互作用共同建立，并建立负载时的气隙磁场；尽管励磁电流未变，但气隙磁场已不同于原来的励磁磁场，所以感应电势已不再是E0了。对于功率因数滞后的感性负载，此时电势将明显地低于空载电势E0，再计入电枢绕组中的电阻和漏抗压降后，这就使U更加低于E0。2020年5月14日星期四山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作11同步电机的电枢反应对称负载时电枢磁动势的基波对主极磁场基波的影响，简称对称负载时的电枢反应。电枢反应的性质主要取决于E0与I之间的相位差，亦即主要取决于负载的性质。下面就角的几种情况，分别讨论电枢反应的性质。叫做内功率因数角，电压与电流的相位差叫做外功率因数角。注意内功率因数角无法测量，外功率因数角可以测量。只有在电流等于零的情况下，才能测到电势E0，负载时测到的是电压。为什么？2020年5月14日星期四山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作12同步电机的电枢反应AXBYZCNSn当=0º时，图中所示瞬间，A相绕组的轴线与主磁极的交轴（q轴）重合；此时A相绕组励磁电动势为最大值，其方向按右手定则确定。一、E0和I同相（=0）时的电枢反应因为=0º，所以此瞬间A绕组中的电流也达到最大值。2020年5月14日星期四山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作13同步电机的电枢反应AXBYZCNSnFfFaF三相电流联合产生的电枢磁势的基波振幅便落在A相绕组轴线上；d轴超前于A相相轴90º，励磁磁势的基波相量在d轴上；Fa的基波分量在q轴上（称为转子交轴），它们和转子一起以同步转速旋转，产生合成磁势F。qd2020年5月14日星期四山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作14这种电枢磁动势称为交轴电枢磁动势，用Faq表示，相应的电枢反应称为交轴电枢反应。对于气隙磁场交轴电枢反应将使合成磁场的轴线位置从空载时的直轴处逆转向后移了一个锐角，且幅值也有所增加。但因磁路的饱和现象，交轴电枢反应使幅值增加的很小。对主磁场而言，交轴电枢反应在前极尖将起去磁作用，在后极尖则起增磁作用。见课本257页图13-3(c)时—空相量图已知气隙合成磁势，并产生气隙合成磁密和磁通，该磁通在电枢绕组中产生合成电势。同步电机的电枢反应2020年5月14日星期四山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作15同理若忽略铁心饱和的影响：这时应有可从励磁磁势和电枢磁势分别求出励磁电势和电枢反应电势，即同步电机的电枢反应100ffFBE11aaaaFBEa0相应地有EEEa0应注意：这里所述的所有的时间相量都是属于定子中某一相中的物理量。当各相时轴和相轴都取在绕组的轴线上时，时—空相量图存在下列关系。时轴：若取某轴为时间参考轴时，则旋转相量I2在该轴上的投影即为电流的瞬时值，即当相量与该轴重合时，正弦量达到最大值。2020年5月14日星期四山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作16同步电机的电枢反应相轴：绕组的轴线。当某相电流达到最大值时，旋转磁势的幅值就落在该相绕组的轴线上。(1)磁通相量(时间相量)应与产生它的磁密相量(空间相量)重合；相量图的画法：(2)忽略铁心中的损耗影响时，磁通相量应与产生它的电流相量同相位；(3)当磁通与感应电势正方向符合右手螺旋法则时，电势滞后于产生它的磁通90º。而磁势与产生它的电流重合。(时轴与相轴取在一起)根据这些基本关系，便可画出时空相量图如下图所示。2020年5月14日星期四山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作17同步电机的电枢反应FaF0IaEE0EaFf=0时的时—空相量图就是说A相电流达到最大值时，转子已向前转过90º。二、当E0超前I90º（=90º）时的电枢反应当=90º时，在图示瞬间，此时A相励磁电动势为最大值，但定子A相电流为零。2020年5月14日星期四山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作18同步电机的电枢反应AXBYZCNSnFfFaFAXBYZCNSn2020年5月14日星期四山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作19可见=90º时直轴电枢反应的性质是纯粹去磁的。电枢磁动势的幅值恰好位于励磁磁动势的轴线上，但方向相反。此时的电枢磁动势称为直轴电枢磁动势，用Fad表示，相应的电枢反应称为直轴电枢反应，同步电机的电枢反应三、当E0滞后I90º（=-90º）时的电枢反应当=-90º时，在图示瞬间，此时A相励磁电动势为最大值，但定子A相电流为零。若保证电压不变，即气隙的合成磁场不变，必须加大直流励磁，这种电机叫做过激状态的同步电机。2020年5月14日星期四山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作20同步电机的电枢反应就是说A相电流达到最大值时，转子已向后转过90°;AXBYZCNSnFfFaFAXBYZCNSn电枢磁动势的幅值也恰好位于励磁磁动势的轴线上，但方向相同。2020年5月14日星期四山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作21可见=-90º时直轴电枢反应的性质是纯粹助磁的。此时的电枢磁动势称为直轴电枢磁动势，用Fad表示，相应的电枢反应称为直轴电枢反应。同步电机的电枢反应四、一般情况下（090º）时的电枢反应此时I滞后E0一个锐角图示瞬间，A相的励磁电动势恰好达到最大值，但由于电枢电流I滞后励磁电动势E0角，所示A相电流必须过了一段时间，等转子转过空间电角度时，才能达到最大值。若保证电压不变，即气隙的合成磁场不变，必须减少直流励磁，这种电机叫做欠激状态的同步电机。2020年5月14日星期四山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作22同步电机的电枢反应当A相电流达到最大值时，转子已向前转过角;AXBYZCnFfFaFaqAXBYZCNSn此时电枢磁动势Fa滞后励磁磁动势Ff(90º＋)空间电角度。这时的电枢反应既非交磁性质也非纯去磁性质，而是兼有两种性质。Fad2020年5月14日星期四山东理工大学电工电子教研室weipeiyu制作23电枢磁动势Fa分解成直轴和交轴两个分量，即aadaqFFFFaq起交磁作用，Fad起去磁作用。此时的电枢反应也可以这样说明：dqIII其中Iq与励磁电动势E0