第12章 同,步发电机的基本理论,内容,12.3 隐极同步发电机的电动势方程式和相量图,12.1,同步发电机的空载运行,12.2 同步发电机的电枢反响,12.4 凸极同步发电机的电动势方程式和相量图,12.5 同步发电机的运行特性,把握同步发电机的电枢反响概念，不同负载性质时电枢反响的性质。,理解电枢磁动势的双反响理论及其在凸极发电机中的应用。,把握隐极和凸极同步发电机负载时的电磁过程。,把握隐极和凸极同步发电机的电动势方程式和相量图。,理解电枢反响电抗和同步电抗的物理意义。,把握同步发电机的各种运行特性。,要求,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。,空载运行：,定子：,I,a,=0,不建立电枢磁场。,空载时:,转子：,I,f,（,F,f,）,主磁通,主极漏磁通,是恒定磁场，随转子一起旋转，,称为,机械旋转磁场,。,空载主磁场（主极磁场）：,穿过气隙交链定子绕组,(,切割定子绕组,),在定子绕组中感应电动势，起能量转换作用。,空载漏磁场：,它也不会在励磁绕组中感应电动势。,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。,二、空载特性,空载特性,磁化曲线,二者形状相同。,空载特性反映了电机主磁路的饱和程度：,空载电动势,励磁电动势,随转子以同步速旋转,直流,空载特性：,较大时，磁路饱和，空载特性曲线逐渐向下偏离气隙线；,较小时，磁路不饱和，,（气隙线）；,发电机的额定工作点一般处于临界饱和点。,励磁磁动势,主磁通,12.2 同步发电机的电枢反响,电枢反响：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响。,电枢反响性质交磁、去磁、增磁:,相角差,与,取决于,（内功率因数角）,负载运行时，定子三相感应电动势对外输出三相电流。,F,a,对 将产生影响（电枢反应）。,此时，气隙磁场由,F,a,与,F,f,共同建立，,即 取决于发电机负载,Z,L,的性质。,定子三相电流,（电气旋转磁场）与转子同转向、同转速旋转。,一、,时的电枢反应,在图示瞬间：,U,相,最大,最大,处在,U,相轴线上。,转子磁极轴线称为直轴（d轴）,两极之间轴线称为交轴（q轴）,定义,此时,处于交轴，称为交轴电枢反应。,气隙合成磁动势,交轴电枢反响使气隙磁场的轴线位置发生变化，幅值也发生变化增大。,时，只有交轴电枢反应：,结论：,哪相电流最大，合成磁动势,就转到哪相绕组的轴线上。,此时,I,a,最大,二、,时的电枢反应,此时,，为直轴去磁电枢反应，,气隙合成磁动势,U,相,最大，,当磁极转到水平位置时，,处在,U,相轴线上（如图）,U,相,当磁极再转过90,o,时，,才达到最大,直轴去磁电枢反响使气隙磁场减弱。,此时,I,a,最大,三、,时的电枢反应,此时,，为直轴增磁电枢反应:,气隙合成磁动势,U,相,最大，,当磁极转到水平位置时，,处在,U,相轴线上（如图）,U,相,之前90,o,，磁极处于垂直位置时，,已达最大,直轴增磁电枢反响使气隙磁场增加。,此时,I,a,最大,四、一般状况下的电枢反响,分,解,法,U,相,最大。,当磁极转到水平位置时，,处在,U,相轴线上（如图）,U,相,当磁极再转过 时，,才达到最大,直轴,去磁,电枢反应.,交磁电枢反应.,同理分析可得：此时的电枢反响性质为：交磁和直轴增磁。,内功率因数角,电枢反应性质,电枢反应的效应,交轴,使气隙磁场轴线偏移，幅值增大,直轴去磁,使气隙磁场削弱，电枢端电压降低,直轴增磁,使气隙磁场增强，电枢端电压升高,交轴及直轴去磁,使气隙磁场轴线偏移，幅值减小，,电枢端电压降低,交轴及直轴增磁,使气隙磁场轴线偏移，幅值增强，,电枢端电压升高,同步发电机电枢反响的性质,五、时-空统一相量图,二者角速度相同,可画在一起,时-空统一相量图,在时-空相量图中：,重合，处于直轴；,重合，,由,角决定,位置。,处于交轴；,用时-空相量图分析电枢反响,的性质特殊直观简便。,空间矢量,时间相量,具有相同的角速度，可画出同步电机的,时-空相量图。,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,交磁,直轴去磁,直轴增磁,交磁,直轴去磁,交磁,直轴增磁,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,不考虑磁饱和,应用叠加原理,2.电动势方程式,1.电磁关系,气 隙电 动 势,气隙合成磁通,得,代入,将,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,电枢反应电抗，对应电枢反应磁通的大小,参,数,忽略很小的 时：,同步电抗 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。,大小影响同步发电机端电压波动程度、,发电机运行的稳定性，短路电流的大小。,二、相量图,（不计,，感性负载）,与 夹角，,(外),功率因数角,与 夹角，内功率因数角,与 夹角，功率角（功角）,常用计算公式：,讲解,例,12.3.1,12.4 凸极同步发电机的电动势方程式和相量图,一、双反响理论,直轴气隙小，磁阻小；,交轴气隙大，磁阻大。,凸极电机气隙不均匀：,旋转的 作用在不同位置时，遇到的磁阻不同，,产生的 不同，对应 也不同。,双反响理论：,不论,作用在什么位置，总是先把它分解为 和 ，这两个分量,分别,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,（双反应），最后再把结果叠加起来。,二、电动势方程式,1.电磁关系,2.电动势方程式,气 隙电 动 势,气隙合成磁通,用双反应理论,得,将,代入,忽略很小的 时：,隐极发电机,直轴同步电抗,交轴电枢反应电抗，对应,直轴电枢反应电抗，对应,交轴同步电抗,一般,参,数,三、相量图,已知量：,为了画相量图，应先求出,由相量图：,讲解,例 12.4.1,12.5 同步发电机的运行特性,之间的关系：运行特性。,描述,同步发电机运行时，,一、,空载特性,用途：,表征磁路饱和状况，磁路设计的合理性；,与短路特性协作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。,定义,：,即定子空载电压与励磁电流之间的关系。,试验测取方法：,调节,调节,得到磁滞回线,二、短路特性,调节,使,变化，记录几组数据，可,画出短路特性曲线。,实验测取方法：,定义,：,即定子稳态短路电流,与励磁电流之间的关系。,短路特性是直线：,短路电流不大:,从磁路看：,从电路看：,不大,较大,同步发电机稳,态三相短路是,没有危急的。,三、外特性,定义,：,即 端电压,与负载电流之间的关系。,负载性质不同，外特性曲线外形不同:,感性负载时，外特性是下降的:,容性负载 时，外特性是上升的:,电阻性负载,：,略有直轴去磁,端电压略有下降。,电压变化率：,在 下：,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，可自动调整励磁电流，维持电压根本不变。,3048%,（汽轮发电机）,1830%,（水轮发电机）,感性负载 阻性负载 容性负载,外特性下降较多,外特性下降较少,外特性是上升的,四、调整特性,定义,：,即 励磁电流,与负载电流之间的关系。,当 Ia 变化时，U将发生变化，为保持U 恒定，可以通过调整 If 来实现。,感性和阻性负载时：,，为保持,U,不变,以补偿电枢反应的去磁作用和漏阻抗,压降，因此调整特性曲线是上升的；,容性负载时:,，为保持,U,不变,所以调整特性是下降的。,根据调整特性，在 一定时，可确定在给定,I,a,变化范围内，,维持,U,不变所需,I,f,的调节范围。,本章完毕,