14同步发电机课件之同步电机的正常运行.优秀PPT.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,电枢反应电抗和同步电抗的概念,1 隐极同步电机的电枢反应：,隐极同步电机有一个特点就是定转子之间的气隙是匀整分布的电枢磁动势作用在任一位置，其效果是一样的,已知：,其中的 称为电枢反应电抗在同样大小电流状况下,假如 越大，电枢反应电势也越大，表示着电枢磁势所产生的电枢磁通很强因此 的大小可以说明电枢反应的强弱当然，电枢电流除了产生主磁通外，还要产生确定的漏磁通，由于漏磁通也会交链电枢绕组，所以对应产生电动势,所以在三相对称电流通过电枢绕组后，所产生的匝链定子绕组的磁通为（,），两者在电枢绕组中所产生的全部电势为,式中 称为隐极同步电机的同步电抗这样同步发电机在负载下，电枢反应磁通及漏磁通所产生的作用，可以通过同步电抗压降的形式来表示了同步电机在正常状态下工作，磁路略呈饱和磁路的饱和程度越高，它的磁阻便越大，所对应的电抗便函越小所以 或 的大小是随着磁路饱和程度的变更而变更的2、凸极同步电机：,凸极同步电机的特点就是气隙分布不匀整这样我们就不能用分析隐极式同样的方法来分析凸极同步电机的电抗在凸极电机中，极面下气隙较小，两极之间气隙较大。

很明显，由于直轴处的气隙比交轴处小，故直轴磁导比交轴磁导大这样，同样大小的电枢磁动势作用在直轴和交轴上时，所产生的电枢磁场将有明显的差别而不同的磁阻将对应着不同的电抗所以，在这里，我们将磁动势 分解成沿直轴和交轴方向的两个重量直轴电枢磁势固定地作用在直轴磁路上，对应于一个恒定不变的磁阻，产生磁通交轴电枢磁势固定地作用在交轴磁路，也对应于一个恒定不变的磁阻，产生磁通 磁通 与 分别切割定子绕组而在其中感应出电势 及 由于交轴及直轴的磁阻都恒定不变，所以 正比于 ，正比于 ，因此，,和隐极电机一样，直轴和交轴电枢反应电抗各和定子漏抗相加，便可以得到直轴同步电抗和交轴同步电抗，即,留意：在直轴磁路上，由于气隙小，磁阻小，所以 较大在交轴磁路上，由于气隙很大，磁阻大，所以 较小当直轴及交轴的同步电抗相等时，就是隐极电机6.2.3,隐极同步发电机的负载运行,6.2.3.1 负载电流对端电压的影响：,一台同步发电机，保持励磁电流和电机的转速不变，给发电机带上负载，则发电机的端电压将随着负载电流的变更而变更不同性质负载下，其变更规律也不同在电阻负载时，负载电流增大端电压下降；在电感负载时，负载电流增大端电压下降的更厉害；在电容负载时，负载电流增大时，端电压不但不下降反而会上升。

这说明发电机端电压的变更，不但与负载电流的大小有关，还与负载电流的性质有关1,隐极发电机的电磁过程,2 隐极同步发电机的电势方程式：,同步发电机在对称负载下运行，气隙中存在着两种磁势，即定子上的电枢磁势和转子的磁极磁势在不考虑磁路的饱和现象时，应用迭加原理，认为它们各自独立地产生相应磁通，并在电枢绕组内产生感应电势3,隐极发电机的相量图,已知发电机的端电压、负载电流和功率因数,cos,及参数,r,a,、,x,t,当功率因数,cos,滞后时的相量图,在图中，与 的夹角用表示；与的 夹角用表示；与 的夹角用 表示在以上三个角度间存在有下列关系：,依据图的相量关系，将电压按 角分解成 及 后，可以得到的计算公式：,4,隐极发电机的等效电路：,r,a,x,t,只要去掉,r,a,即可得到简化等效电路,凸极同步发电机的负载运行,当凸极同步发电机在对称负载下运行时，气隙中也存在着两种旋转磁势，即转子上磁极磁势和定子上电枢磁势由于凸极电机中，转子直轴和交轴上的气隙不等，在分析电枢磁势影响时，必需依据式前面我们所分析的将磁动势分解成直轴和交轴两个重量，然后和处理隐极电机一样，不计及磁路的饱和现象，应用迭加原理认为它们各自独立地产生相应的磁通，并在电枢绕组内产生感应电势。

凸极发电机的电磁过程,这样，产生的端电压为：,整理得：,可以把漏抗压降分解成两个重量，即：,这就是凸极发电机的电动势平衡方程式，这样我们就可以作出相应的相量图但是很明显，要做出向量图还缺 和 两个重量也就是要知道 与 之间的夹角凸极发电机的相量图的作法,已知发电机的端电压、负载电流和功率因数及参数,r,a,、,x,d,、,x,q,1,、已知内功率因数角,依据电势方程式的关系作出相量图,2,、未知内功率因数角,1,）利用方程式求出,：,2,）利用公式求出,：,6.3,同步发电机的运行特性,同步发电机的开路、短路及零功率因数特性都是同步发电机的基本特性，通过它们可以求出同步电机的同步电抗及漏电抗，以确定同步发电机的其他特性一、空载特性：,当同步发电机运行于 时，即称为空载运行明显，此时我们通过变更励磁电流，则气隙中的旋转磁通及电枢绕组中的感应电动势都会随之发生变更1）开路特性：空载时不同励磁电流和产生空载电势之间的关系，,如图所见：,因 正比于 ，而励磁电流又正比于励磁磁势，所以开路特性曲线与电机的磁化曲线在形态上完全相同开路特性主要有两个用处：,（1）开路特性可以反映出电机设计是否合理犹如前面所分析的状况一样，额定电压应位于开路特性起先弯曲的部分，例如图中的A点，这样才比较经济合理。

2）同步电抗是同步电机中一个极为重要的参数，同步电机的很多性能由它所确定开路特性协作短路特性可以求出同步电抗2.短路特性：,当同步发电机运行与 ，电枢三相绕组持续稳态短路（即U=0）时，称为短路运行如变更它的励磁电流，三相短路电流也随之而变更短路特性就是探讨这两个量之间的变更关系，曲线假如略去电枢电阻，并将 代入上式可以得到：,依据上式可以画出短路运行时的相量图见图：因为忽视了电阻效应，电枢是纯电感电路，短路电流滞后于电势90电角度，所以产生的电枢反应是直轴去磁效应此时电机内的磁通很弱，磁路是不饱和的，所以同步电抗为一个常数从上式我们可以看出：,正比于 ，而 又正比于 ，所以 正比于 ，因此短路特性是一条通过原点的直线，如图中直线2所示三相短路时，由于 滞后于 90电角度，即=90，因此在凸极电机中，短路电流全是直轴重量，而交轴重量为零所以,和隐极电机一样，凸极同步电机在三相短路时，由于电枢磁势的直轴去磁作用，使电机中磁通小，磁路也不饱和，所以式上式中的 也是一个常数同步发电机在三相稳态短路时，由于短路电流所产生的电枢磁势对主磁极去磁，削减了电机中的磁通及感应电势，使短路电流不致过大，所以稳态的三相短路是没有紧急的。

3.由开路及短路特性求取同步电抗：,从特性曲线图上我们可以看出：,1）在不饱和区间，即当 很小时，运行于开路特性不饱和部分（直线部分），那么 与 之比求得的是同步电抗的不饱和值2）当处于饱和区间：首先从空载特性上找到对应于额定电压时的励磁电流值，如图中的 ，再从短路特性上找到对应于此励磁电流所产生的短路电流，这样饱和同步电抗的近似值为：,在凸极电机中，通过开路试验及短路试验只能求出直轴同步电抗依据阅历公式，可以得到交轴同步电抗为：,4.零功率因数特性：,所谓零功率因数特性指：在 ，=恒定值、=0的条件下，所得到的特性在 =定值条件下，把电压及励磁电流的变更关系描绘成曲线，便得到零功率因数特性（见图）由于同步电机是在电感负载下运行，而电机本身的阻抗也是电感性的，因此，电势和电流之间夹角=90，所以电枢反应是纯粹的直轴去磁效应此时的相量图如图所示同步发电机在电感负载下运行，磁极磁势补偿了电枢反应去磁磁势后，剩余部分在电机气隙内产生磁通所以励磁电流增加时，磁路能渐渐饱和，电压上升渐渐缓慢，使曲线弯曲，事实上，零功率因数特性曲线的形态与开路特性曲线颇为类似下面探讨零功率因数特性与开路特性之间的关系。

在上图中我们可以看出，当U=0时的状况在开路特性上，时，；而在零功率因数曲线上，时，为什么在零功率因数曲线上，电压为零时，励磁电流不为零呢？这是因为：,（1）零功率因数特性是在 定值条件下得到的，由于绕组中流过电流，产生漏抗压降 ，所以须要确定励磁电流 ，以产生电势 来平衡此漏电抗压降2）零功率因数曲线是在纯电感负载下得到的，从图右以看出，此时的电枢反应是一个纯粹的去磁作用，所以再须要确定的励磁电流来抵消此电枢反应去磁作用的影响称为特性三角形，它的垂直边是定子漏抗压降，水平边是电枢反应去磁磁势，这两边都正比于电枢电流，因此在电 枢电流确定时，此特性三角形的大小不变所以当特性三角形的A点在开路特性上移动时，C点的轨迹就是零功率因数特性当然也可以用作图的方法求特性13.6 同步发电机的外特性和电压调整率,13.6.1 外特性：,外特性：在,的条件下，同步发电机作单机运行，端电压U随负载电流而变更的关系特性曲线,明显，外特性曲线和负载的性质亲密相关如图所示：,1）当是感性负载时：曲线（1），此时随着负载电流的削减，端电压逐步上升这是因为考虑了电枢反应的去磁作用的影响，随着电枢电流的削减，电枢反应的去磁作用减弱，电机中的合成磁通增加，所以端电压渐渐增加。

2）当是容性负载时：曲线（3），此时电流超前电压，此时的电枢反应是增磁作用，随着电枢电流的削减，合成的磁通在减小，所以端电压下降3）纯电阻负载：曲线（2）13.6.2电压调整率：,定义：发电机的端电压随负载的变更而变更，变更的程度我们可以通过电压调整率 来衡量即：,空载与额定负载之间的电压调整率当然，负载是随意负载，不仅仅指额定负载如图，从图上我们可以看出：,影响电压调整率的因素有：功率因数和同步电抗一般发电机的电压调整率较大，常在20%-40%之间14.2 隐极同步发电机功率平衡方程式和功角特性,一、功率平衡方程式：,P1=PM+pm+pFe,PM=PCU+P2,由此可见：P1=pm+pFe+PCU+P2,在发电机中，定子铜耗是微小的一部分，,为了分析简洁，常常忽视，因此：,PM=P2=,从隐极同步发电机向量图可以看出：,从图得：,所以有,最终：可得,由此，我们得到了隐极同步电机的功,角特性表达式，即当e0和u为常数时，电,磁功率和功角之间的函数关系明显，当,功角=900 时，电磁功率达到最大值即,它正比于E0（即励磁电流）,反比于同步电,抗从功角特性可以确定电磁转矩与功角之间的关系，由此可以得出相应的电磁转矩，为,式中，单位是W；单位是rad/s；单位是Nm。

14.3 凸极同步发电机的功角特性,犹如隐极电机功角特性推导方法一样，可,以得到凸极同步发电机的功角特性假如,略去电阻损耗，式（14-4）对凸极电机,也能成立参看式（13-2）得:,下面，我们来看一下它的向量图：,从凸极发电机的相量图图14-12可以看出：,或,最终，可得：,式中 为基本电磁功率；,为附加电磁功率,明显,此时当功角=900时,电磁功率并不象,隐极式一样达到最大,而是提前.凸极同步发电机的电磁转矩和隐极发电机的推导方法一样，在恒定转速1下，转矩和功率成正比，于是得：,式中,为基本电磁转矩；为附加电磁转矩，又称磁阻转矩14.4功角的物理意义及静态稳定概念,一、功角的物理意义:,我们已经知道功角和电磁功率是亲密相关,的，事实上同步发电机输出功率的大小及,稳定运行问题，都和功角是紧密相连的已知：,在这里我们忽视了 ，作出相应的向量图可以看出：,此时，磁通 与 之间的夹角就是E0和U之间的夹角 ，也就是转子磁极与合成磁场之间的夹角，由此可见，在发电机运行时,E0恒久超前于U，也就是说，转子磁极轴线恒久超前合成磁场轴线一个 角度二、同步电机的稳定运行问题：,同步电机能否稳定运行，与功角的大小有,亲密关系。

在这里，我们先来看一下什么是电机的静态稳定，为了分析简便起见，略去铁芯损耗和机械损耗，这样，可得P1=PM，,静态稳定：电机在运行时，受到外界的干扰，从而导致运行偏离原先的运行点，而当干扰撤去后，电机又能自行回到原先的点接着工作，就叫做电机的静态稳定这样一来，如图所示：。