1、第12章 同步发电机的基本理论步发电机的基本理论 内容内容 12.3 12.3 隐极同步发电机的电动势方程式和相量图隐极同步发电机的电动势方程式和相量图 12.1 12.1 同步发电机的空载运行同步发电机的空载运行12.2 12.2 同步发电机的电枢反应同步发电机的电枢反应12.412.4 凸极同步发电机的电动势方程式和相量图凸极同步发电机的电动势方程式和相量图 12.5 12.5 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性第12章 同步发电机的基本理论步发电机的基本理论 掌握同步发电机的电枢反应概念，不同负载性质时电枢反应的性质。掌握同步发电机的电枢反应概念，不同负载性质时电枢反应的性质。理解
2、电枢磁动势的双反应理论及其在凸极发电机中的应用。理解电枢磁动势的双反应理论及其在凸极发电机中的应用。掌握隐极和凸极同步发电机负载时的电磁过程。掌握隐极和凸极同步发电机负载时的电磁过程。掌握隐极和凸极同步发电机的电动势方程式和相量图。掌握隐极和凸极同步发电机的电动势方程式和相量图。理解电枢反应电抗和同步电抗的物理意义。理解电枢反应电抗和同步电抗的物理意义。掌握同步发电机的各种运行特性。掌握同步发电机的各种运行特性。要求要求 第12章 同步发电机的基本理论步发电机的基本理论12.1 同步发电机的空载运行一、主磁通和漏磁通 转子由原动机拖动以同步转速旋转；转子由原动机拖动以同步转速旋转；转子励磁绕组
3、通以直流励磁电流；转子励磁绕组通以直流励磁电流；定子电枢绕组开路，电枢电流为零。定子电枢绕组开路，电枢电流为零。空载运行：空载运行：定子：定子：Ia=0,=0,不建立电枢磁场。不建立电枢磁场。空载时空载时:0 转子：转子：If（Ff）主磁通主磁通 f 主极漏磁通主极漏磁通 是恒定磁场，随转子一起旋转，是恒定磁场，随转子一起旋转，称为机械旋转磁场。称为机械旋转磁场。0 空载主磁场（主极磁场）：空载主磁场（主极磁场）：穿过气隙交链定子绕组，切割定子并在定子绕组中感应电动势，起能量转换作用。穿过气隙交链定子绕组，切割定子并在定子绕组中感应电动势，起能量转换作用。空载漏磁场：空载漏磁场：f 它也不会在
4、励磁绕组中感应电动势。它也不会在励磁绕组中感应电动势。是恒定磁场，是恒定磁场，只交链励磁绕组，不会在定子绕组中感应电动势，不参与能量转换。只交链励磁绕组，不会在定子绕组中感应电动势，不参与能量转换。第12章 同步发电机的基本理论步发电机的基本理论二、空载特性00EffFI)(0fFf)(0fIfE 空载特性空载特性磁化曲线磁化曲线二者形状相同。二者形状相同。空载特性反映了电机主磁路的饱和程度：空载特性反映了电机主磁路的饱和程度：空载电动势空载电动势励磁电动势励磁电动势011044.4wkfNE 随转子以同随转子以同步速步速n 旋转旋转0 直流直流fI)(0fIfE 空载特性：空载特性：0较大时
5、，磁路饱和，空载特性曲线逐渐向下偏离气隙线；较大时，磁路饱和，空载特性曲线逐渐向下偏离气隙线；fF00较小时，磁路不饱和，较小时，磁路不饱和，（气隙线）；（气隙线）；发电机的额定工作点一般处于临界饱和点。发电机的额定工作点一般处于临界饱和点。第12章 同步发电机的基本理论步发电机的基本理论12.2 同步发电机的电枢反应电枢反应：电枢磁动势对空载主磁场（主极磁场）产生的影响称为电枢反应。电枢反应：电枢磁动势对空载主磁场（主极磁场）产生的影响称为电枢反应。电枢反应性质（交磁、去磁、增磁）电枢反应性质（交磁、去磁、增磁）:aI0E相角差相角差 与与取决于取决于（内功率因数角（内功率因数角）负载运行时
6、负载运行时:定子三相电流定子三相电流aF（电气旋转磁场）与转子同转向、同转速旋转。（电气旋转磁场）与转子同转向、同转速旋转。Fa 对对 将产生影响。将产生影响。0 气隙磁场由气隙磁场由 Fa 与与 Ff 共同建立，共同建立，即即 取决于发电机负载的性质。取决于发电机负载的性质。第12章 同步发电机的基本理论步发电机的基本理论同同相相位位）与与（aIE00 一、时的电枢反应在图示瞬间：在图示瞬间：U相相0EaI最大最大最大最大aF处在处在U相轴线上相轴线上 转子磁极轴线称为直轴（转子磁极轴线称为直轴（d轴）轴）两极之间轴线称为交轴（两极之间轴线称为交轴（q轴）轴）定义定义aF此时此时处于交轴，称
7、为交轴电枢反应。处于交轴，称为交轴电枢反应。afFFF 气隙合成磁动势气隙合成磁动势 交轴电枢反应使气隙磁场的轴线位置发生变化，交轴电枢反应使气隙磁场的轴线位置发生变化，幅值也发生变化。幅值也发生变化。0 只有交轴电枢反应：只有交轴电枢反应：同相位同相位与与滞后滞后0a0090EIE 第12章 同步发电机的基本理论步发电机的基本理论）滞滞后后 90(0EIa 90 二、时的电枢反应相反相反位于直轴，方向与位于直轴，方向与fFFa此时此时，为直轴去磁电枢反应，使气隙磁场减弱。，为直轴去磁电枢反应，使气隙磁场减弱。afFFF 气隙合成磁动势气隙合成磁动势 U相相0E0 aI最大，最大，当磁极转到水
8、平位置时，当磁极转到水平位置时，aF处在处在U相轴线上（如图）相轴线上（如图）U相相aI当磁极再转过当磁极再转过90o时，时，才达到最大才达到最大 90900a00EIE滞后滞后滞后滞后第12章 同步发电机的基本理论步发电机的基本理论）超超前前 90(0EIa 90 三、时的电枢反应相同相同位于直轴，方向与位于直轴，方向与fFFa此时此时，为直轴增磁电枢反应，使气隙磁场增强。，为直轴增磁电枢反应，使气隙磁场增强。afFFF 气隙合成磁动势气隙合成磁动势 U相相0E0 aI最大，最大，当磁极转到水平位置时，当磁极转到水平位置时，aF处在处在U相轴线上（如图）相轴线上（如图）U相相aI之前之前90
9、o，磁极处于垂直位置时，磁极处于垂直位置时，已达最大已达最大 90900a00EIE超前超前滞后滞后第12章 同步发电机的基本理论步发电机的基本理论四、一般情况下的电枢反应900.1 角角）滞滞后后EIa0(sincosadaqIIII分分解解法法 sincosaadaaqFFFF qdaIII aqadaFFF U相相0E0 aI最大，最大，当磁极转到水平位置时，当磁极转到水平位置时，aF处在处在U相轴线上（如图）相轴线上（如图）U相相aI当磁极再转过当磁极再转过 时，时，才达到最大才达到最大 直轴直轴去磁去磁电枢反应电枢反应 交磁电枢反应交磁电枢反应 第12章 同步发电机的基本理论步发电机
10、的基本理论090.2 角角）超超前前EIa0(同理分析可得：此时的电枢反应性质为：交磁和直轴同理分析可得：此时的电枢反应性质为：交磁和直轴增磁增磁。0 90 90 900 090 内功率因数角内功率因数角电枢反应性质电枢反应性质电枢反应的效应电枢反应的效应交轴交轴 使气隙磁场轴线偏移，幅值增大使气隙磁场轴线偏移，幅值增大直轴去磁直轴去磁 使气隙磁场削弱，电枢端电压降低使气隙磁场削弱，电枢端电压降低直轴增磁直轴增磁 使气隙磁场增强，电枢端电压升高使气隙磁场增强，电枢端电压升高交轴及直轴去磁交轴及直轴去磁 使气隙磁场轴线偏移，幅值减小，使气隙磁场轴线偏移，幅值减小，电枢端电压降低电枢端电压降低交轴
11、及直轴增磁交轴及直轴增磁 使气隙磁场轴线偏移，幅值增强，使气隙磁场轴线偏移，幅值增强，电枢端电压升高电枢端电压升高同步发电机电枢反应的性质 第12章 同步发电机的基本理论步发电机的基本理论五、时-空统一相量图二者角速度相同二者角速度相同 时可画在一起时可画在一起时时-空统一相量图空统一相量图aF在时在时-空相量图中：空相量图中：fF0 0EaI重合，处于直轴；重合，处于直轴；重合，重合，由由 角决定角决定位置。位置。处于交轴；处于交轴；用时用时-空相量图分析电枢反应空相量图分析电枢反应的性质十分直观简便。的性质十分直观简便。fF0 0EaI空间矢量空间矢量时间相量时间相量具有相同的角速度，可画
12、出同步电机的具有相同的角速度，可画出同步电机的时时-空相量图。空相量图。aF时间正弦量可用时间相量表示时间正弦量可用时间相量表示空间正弦量可用空间矢量表示空间正弦量可用空间矢量表示第12章 同步发电机的基本理论步发电机的基本理论12.3 隐极同步发电机的电动势方程式和相量图一、电动势方程式aaaRIUEEE 0不考虑磁路饱不考虑磁路饱 应用叠加原理应用叠加原理 2.电动势方程式电动势方程式aaRIUEE 1.电磁关系电磁关系aEEE 0气气 隙电隙电 动动 势势a 0气隙合成磁通气隙合成磁通 二者相对应二者相对应第12章 同步发电机的基本理论步发电机的基本理论saXI jUE 0)(0saaj
13、XRIUE )(0 XXI jRIUEaaaa 得得aaaRIUEEE 0aaaXI jE XI jEa 代入代入将将 XXXas 定子绕组漏电抗，对应定子漏磁通的大小定子绕组漏电抗，对应定子漏磁通的大小 隐极同步发电机的同步电抗隐极同步发电机的同步电抗 电枢反应电抗，对应电枢反应磁通的大小电枢反应电抗，对应电枢反应磁通的大小aX X参参数数aR忽略很小的忽略很小的 时：时：同步电抗同步电抗 是同步电机的一个重要参数，是同步电机的一个重要参数，它综合反映了电枢主磁场和漏磁场的作用。它综合反映了电枢主磁场和漏磁场的作用。大小影响同步发电机端电压波动程度、大小影响同步发电机端电压波动程度、发电机运
14、行的稳定性，短路电流的大小。发电机运行的稳定性，短路电流的大小。sXsX第12章 同步发电机的基本理论步发电机的基本理论二、相量图（不计（不计aR ，感性负载），感性负载）saXI jUE 0 cossintan1UUXIsa sincos0saXIUE 22)sin()cos(saXIUU U:UaI0EaI0EU与与 夹角，夹角，(外外)功率因数角功率因数角 与与 夹角，内功率因数角夹角，内功率因数角 与与 夹角，功率角（功角）夹角，功率角（功角）常用计算公式：常用计算公式：讲解讲解 例 12.3.112.3.1 第12章 同步发电机的基本理论步发电机的基本理论12.4 凸极同步发电机的电
15、动势方程式和相量图一、双反应理论 直轴气隙小，磁阻小；直轴气隙小，磁阻小；交轴气隙大，磁阻大。交轴气隙大，磁阻大。凸极电机气隙不均匀：凸极电机气隙不均匀：旋转的旋转的 作用在不同位置时，遇到的磁阻不同，作用在不同位置时，遇到的磁阻不同，产生的产生的 不同，对应不同，对应 也不同。也不同。aFa aX双反应理论：aFadFaqF不论不论 作用在什么位置，总是先把它分解为作用在什么位置，总是先把它分解为 和和 ，这两个分量，这两个分量分别分别固定地固定地作用在直轴和交轴磁路上，各自产生直轴和交轴电枢反应，作用在直轴和交轴磁路上，各自产生直轴和交轴电枢反应，即即 “双反应双反应”，最后再把结果叠加起
16、来。，最后再把结果叠加起来。第12章 同步发电机的基本理论步发电机的基本理论二、电动势方程式1.1.电磁关系电磁关系2.电动势方程式电动势方程式aaaqadRIUEEEE 0aaRIUEE aqadEEEE 0aqad 0气气 隙电隙电 动动 势势气隙合成磁通气隙合成磁通 二者相对应二者相对应aqadaFFF qdaIII 用双反应理论用双反应理论第12章 同步发电机的基本理论步发电机的基本理论qqddaXI jXI jRIUE 0qqddXI jXI jUE 0)()(0 XXI jXXI jRIUEaqqadda 得得aaaqadRIUEEEE 0 XI jXI jXIIjXI jEqdq
17、da )(aqqaqaddadXI jEXI jE 将将代入代入aR忽略很小的忽略很小的 时：时：sqdXXX 隐极发电机隐极发电机直轴同步电抗直轴同步电抗 交轴电枢反应电抗，对应交轴电枢反应电抗，对应adX XXXXXXaqqadd aqX直轴电枢反应电抗，对应直轴电枢反应电抗，对应adaq交轴同步电抗交轴同步电抗 qdXX aqadXX dqXX6.0 一般一般参参数数第12章 同步发电机的基本理论步发电机的基本理论三、相量图)(qddqaXXI jXI jU )(0qddqaXXI jEXI jU 0 aRUaI cosdXqX已知量：已知量：为了画相量图，应先求出为了画相量图，应先求出
18、 dIqIqdqdqqddXI jXI jXI jXI jUE 0dIE 0重重合合)(qddXXI j 与与0E位位置置即即为为相相量量0)(EXI jUqa dIqI cossintan1UUXIqa 由相量图：由相量图：讲解讲解 例 12.4.1 ddXIUE cos0第12章 同步发电机的基本理论步发电机的基本理论12.5 同步发电机的运行特性,cos,1Cnn UaIfI之间的关系：运行特性。之间的关系：运行特性。描述描述同步发电机运行时，同步发电机运行时，一、空载特性用途：用途：表征磁路饱和情况，磁路设计的合理性；表征磁路饱和情况，磁路设计的合理性；与短路特性配合可以确定同步电抗参
19、数。与短路特性配合可以确定同步电抗参数。取磁滞回线的平均值作为空载特性曲线。取磁滞回线的平均值作为空载特性曲线。)(00fIfEU 0 aI1nn 定义定义：即定子空载电压与励磁电流之间的关系。即定子空载电压与励磁电流之间的关系。实验测取方法：实验测取方法：NfUUI25.10调节调节025.1NfUUI调节调节得到磁滞回线得到磁滞回线第12章 同步发电机的基本理论步发电机的基本理论二、短路特性fINSII25.10调节调节,使使变化，记录几组数据，可变化，记录几组数据，可画出短路特性曲线。画出短路特性曲线。实验测取方法：实验测取方法：)(fSIfI0U1nn 定义定义：即定子稳态短路电流即定
20、子稳态短路电流与励磁电流之间的关系。与励磁电流之间的关系。第12章 同步发电机的基本理论步发电机的基本理论短路特性是直线：短路特性是直线：dsII不饱和去磁)(dFfIE 0sIE 0fsII 900EIs滞后0UaaXR 短路电流不大短路电流不大:从磁路看：从磁路看：)()(d不大不大IXI jEEd)(去磁ddsFIIdsXEI0dsddXI jXI jE0从电路看：从电路看：dXsI不大不大较大较大同步发电机稳同步发电机稳态三相短路是态三相短路是没有危险的。没有危险的。第12章 同步发电机的基本理论步发电机的基本理论三、外特性)(aIfU CIf1nn 定义定义：即即 端电压端电压与负载
21、电流之间的关系。与负载电流之间的关系。Ccos负载性质不同，外特性曲线形状不同负载性质不同，外特性曲线形状不同:感性负载时，外特性是下降的。感性负载时，外特性是下降的。UXIa)(去磁aFUEaI容性负载容性负载 时，外特性是上升的。时，外特性是上升的。)0()(助磁aFUEaI电阻性负载电阻性负载：a0F略大于sX略有直轴去磁略有直轴去磁UXIa端电压略有下降。端电压略有下降。第12章 同步发电机的基本理论步发电机的基本理论 感性负载感性负载 阻性负载阻性负载 容性负载容性负载0EU 0EU 0EU 电压变化率：电压变化率：%100%0NNUUEUfNI1n在在 下：下：Ncos电压变化率是
22、同步发电机重要的运行性能指标。反映了端电压波动的程度。电压变化率是同步发电机重要的运行性能指标。反映了端电压波动的程度。现代同步发电机装有自动调压装置，可自动调节励磁电流，维持电压基本不变。现代同步发电机装有自动调压装置，可自动调节励磁电流，维持电压基本不变。3048%（汽轮发电机）（汽轮发电机）1830%（水轮发电机）（水轮发电机）第12章 同步发电机的基本理论步发电机的基本理论四、调整特性)(afIfICU 1nn 定义定义：即即 励磁电流励磁电流与负载电流之间的关系。与负载电流之间的关系。Ccos当当 Ia 变化时，变化时，U将发生变化，为保持将发生变化，为保持U 恒定，可以通过调节恒定，可以通过调节 If 来实现。来实现。感性和阻性负载时：感性和阻性负载时：fI，为保持，为保持U不变不变UIa以补偿电枢反应的去磁作用和同步阻以补偿电枢反应的去磁作用和同步阻抗压降，因此调整特性曲线是上升的；抗压降，因此调整特性曲线是上升的；容性负载时容性负载时:UIa，为保持，为保持U不变不变fI所以调整特性是下降的。所以调整特性是下降的。根据调整特性，在根据调整特性，在 一定时，可确定在给定一定时，可确定在给定Ia变化范围内，变化范围内，维持维持U 不变所需不变所需 If 的调节范围。的调节范围。cos第12章 同步发电机的基本理论步发电机的基本理论本章结束
