1、6.2 6.2 同步發電機的運行原理同步發電機的運行原理重點內容重點內容同步發電機電樞反應的概念同步發電機電樞反應的概念電樞反應電抗，同步電抗電樞反應電抗，同步電抗(直軸同步電機，交軸同直軸同步電機，交軸同步電機步電機)的概念的概念隱極發電機負載運行分析及其相量圖隱極發電機負載運行分析及其相量圖凸極發電機的負載運行分析及其相量圖凸極發電機的負載運行分析及其相量圖2022-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝6.2.1 同步發電機的空載運行 一、基波勵磁磁動勢一、基波勵磁磁動勢空載運行：空載運行：當原動機帶動發電機在同步轉速下運行，當原動機帶動發電機在同步轉速下運行，勵磁繞組通過適當的勵磁電流，電樞

2、繞組不帶任何負勵磁繞組通過適當的勵磁電流，電樞繞組不帶任何負載時的運行情況。載時的運行情況。當勵磁繞組中通入直流電流后，產生隨轉子一起當勵磁繞組中通入直流電流后，產生隨轉子一起旋轉的磁動勢，稱為勵磁磁動勢。因為它隨轉子一起旋轉的磁動勢，稱為勵磁磁動勢。因為它隨轉子一起轉動，從定子上看，它也是一個旋轉磁動勢，所以同轉動，從定子上看，它也是一個旋轉磁動勢，所以同電樞繞組磁動勢的分析方法一樣。電樞繞組磁動勢的分析方法一樣。2022-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝 勵磁繞組放置在磁極兩邊槽里，磁極中間不放繞組勵磁繞組放置在磁極兩邊槽里，磁極中間不放繞組以使磁極磁動動勢波形接近正弦，每極磁勢最大幅值以

3、使磁極磁動動勢波形接近正弦，每極磁勢最大幅值為為 ，通過實際總槽數，通過實際總槽數Z2與沿轉子表面開的等距槽與沿轉子表面開的等距槽的總槽數的總槽數Z2的比值查表得的比值查表得 。12fffFN ifk1 1、凸極電機的勵磁磁動勢、凸極電機的勵磁磁動勢2022-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝2、隱極電機的勵磁磁動勢、隱極電機的勵磁磁動勢2022-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝空間參考軸選擇定子空間參考軸選擇定子A組繞組軸線組繞組軸線+A處，該處處，該處 為為 =0，基波勵磁磁動勢用空間向量表示，基波勵磁磁動勢用空間向量表示,向量長度向量長度等于基波磁動勢的幅值等于基波磁動勢的幅值,向量位置為

4、基波磁動勢正波向量位置為基波磁動勢正波幅所在位置，向量以同步角速度幅所在位置，向量以同步角速度逆時針方向轉動。逆時針方向轉動。2022-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝三、基波氣隙磁密空間矢量 1 1、隱極機：、隱極機： 氣隙均勻，當鐵心不飽和時，氣隙磁密與磁動勢成氣隙均勻，當鐵心不飽和時，氣隙磁密與磁動勢成正比，基波磁動勢產生正弦波磁密，再不考慮磁鐵的正比，基波磁動勢產生正弦波磁密，再不考慮磁鐵的磁滯渦流效應下，磁密波的相位和磁動勢波的相位相磁滯渦流效應下，磁密波的相位和磁動勢波的相位相同。同。 2 2、凸極機：、凸極機： 氣隙不均勻，即使鐵心不飽和，氣隙中產生的磁密氣隙不均勻，即使鐵心不飽

5、和，氣隙中產生的磁密大小與磁動勢大小不成正比，正弦的基波勵磁磁動勢大小與磁動勢大小不成正比，正弦的基波勵磁磁動勢產生的磁密波是非正弦分布的，磁密波還要分解基波產生的磁密波是非正弦分布的，磁密波還要分解基波和一系列諧波，基波磁密和基波磁動勢仍然同相位。和一系列諧波，基波磁密和基波磁動勢仍然同相位。 2022-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝四、定子相繞組的感應電動勢、時間相量1、 及及 均與均與+A軸重合，軸重合，A相繞組的有效邊處于極間磁密為相繞組的有效邊處于極間磁密為零處，零處，A相繞組感應電勢瞬時值為零，即相繞組感應電勢瞬時值為零，即 在在+j時間軸的投時間軸的投影為零影為零 。1fF0E

6、0B 氣隙磁密氣隙磁密 旋轉切割定子三相繞組，定子繞組感應旋轉切割定子三相繞組，定子繞組感應隨時間正弦變化的電動勢，用時間相量來表示。由于空間隨時間正弦變化的電動勢，用時間相量來表示。由于空間坐標選坐標選A相繞組軸線相繞組軸線+A為參考軸，所以時間相量也分析為參考軸，所以時間相量也分析A相，感應電動勢效值用相，感應電動勢效值用 表示。表示。0E0B0104.44NEfNk2022-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝結論結論： 及及 在空間參考軸在空間參考軸+A上初相位上初相位0與與A相時間相時間相量相量0在時間參考軸在時間參考軸+j的初相位的初相位 之間存在一定關系，之間存在一定關系，即：即：0

7、= 0 -90度，此關系適合任意時刻。度，此關系適合任意時刻。1fF0B0E 2、A相繞組邊處于磁極中心線，磁密最大，相繞組邊處于磁極中心線，磁密最大，A相繞組相繞組感應電動勢瞬時值為正最大。感應電動勢瞬時值為正最大。2022-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝2022-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝五、時空相矢量圖 注意：時間相量與空間矢量的物理意義截然不同，放在一注意：時間相量與空間矢量的物理意義截然不同，放在一起無實際意義，只是為了方便找出向量的相對位置起無實際意義，只是為了方便找出向量的相對位置將空間矢量圖參考軸將空間矢量圖參考軸+A與時間相量參考軸與時間相量參考軸+j重合重合在一起，

8、構成時間空間相量圖，即時在一起，構成時間空間相量圖，即時-空相矢量圖空相矢量圖2022-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝六、空載特性( (磁化曲線磁化曲線) ) 注意：空載曲線橫注意：空載曲線橫坐標是實際的勵磁坐標是實際的勵磁電流，或每極實際電流，或每極實際磁動勢波幅，而不磁動勢波幅，而不是基波磁動勢。是基波磁動勢。00( )fUEf i 定子繞組開路、轉子由原動機拖動到額定轉速并通定子繞組開路、轉子由原動機拖動到額定轉速并通入勵磁電流的運行狀態稱為同步發電機的空載運行，入勵磁電流的運行狀態稱為同步發電機的空載運行，稱稱 的函數關系為空載特性，它是一條的函數關系為空載特性，它是一條非線性關系的

9、飽和曲線非線性關系的飽和曲線。2 2氣隙線氣隙線fIUNU1空載特性空載特性2022-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝七、飽和系數ku fofouFIkFI定義：定義：對應發電機空載特性產生空載額定電壓所需要的勵磁磁動勢Ffo，和對應氣隙線產生空載額定電壓所需要的勵磁磁動勢F之比。2 2氣隙線氣隙線fIUNU1空載特性空載特性0EF0fF0uNEkU一般 ku=1.11.252022-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝6.2.2 6.2.2 同步發電機的電樞反應同步發電機的電樞反應同步電機在空載時，氣隙中僅存在著轉子磁勢。負同步電機在空載時，氣隙中僅存在著轉子磁勢。負載以后，除轉子磁勢外，定子三

10、相電流也產生電樞載以后，除轉子磁勢外，定子三相電流也產生電樞磁勢。電樞磁勢的存在，將使氣隙中磁場的大小及磁勢。電樞磁勢的存在，將使氣隙中磁場的大小及位置發生變化，這種現象稱之為電樞反應。位置發生變化，這種現象稱之為電樞反應。電樞反應：電樞磁動勢對主極磁場基波的影響。電樞反應：電樞磁動勢對主極磁場基波的影響。2022-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝磁動勢分析磁動勢分析1 1、定子三相對稱繞組中對稱三相電流產生基波電樞磁動勢、定子三相對稱繞組中對稱三相電流產生基波電樞磁動勢1111 35NaN I kF.p（1） 大小：大小： (A)1160 fnp（2） 轉速：轉速： (r/min)（3） 轉

11、向：沿通電相序轉向：沿通電相序A、B、C的方向，它與轉子轉向相同的方向，它與轉子轉向相同1y（4 4）極對數：和轉子極對數相同，決定于繞組的節距）極對數：和轉子極對數相同，決定于繞組的節距1fF2、轉子繞組通入直流產生每極基波勵磁磁動勢、轉子繞組通入直流產生每極基波勵磁磁動勢1f12fffFk N i（1 1） 大小：大小： (A) （2 2） 轉速：和轉子轉速一樣為同步速轉速：和轉子轉速一樣為同步速（3 3） 轉向：和轉子轉向一致轉向：和轉子轉向一致（4 4） 極對數：和轉子磁極的極對數相同極對數：和轉子磁極的極對數相同2022-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝電樞反應的性質取決與電樞磁動勢

12、和主磁場在空間的相對位置。分析表明，這一相對位置與激磁電動勢E0和負載電流 I 之間的相位差有關。1) 電動勢E0和負載電流 I 同相位，0；2)負載電流 I 滯后電動勢E0 900，900；3)負載電流 I 超前電動勢E0 900，-900；4)負載電流 I滯后電動勢E0 一角度 ，00 9002022-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝內功率因數角=00 BI.AI.CI.AE0.時軸CE0.B0.E+90+900 0FFad軸軸q軸軸 A軸軸A AX X Z ZB BCYFfNS 交軸電樞反應電流正，則首端出，末端進2022-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝 內功率因數角=900時軸AE0

13、.CE0.BE0.AI.CI.BI.d軸q軸 A軸A AX XZ ZB BCYFfNS直軸去磁電樞反應直軸去磁電樞反應Fa電流正，則首端出，末端進2022-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝內功率因數角=-900時軸AE0.CE0.BE0.CI.BI.AI.d軸q軸 A軸A AX XZ ZB BCYFfNS直軸助磁電樞反應直軸助磁電樞反應Fa電流正，則首端出，末端進2022-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝內功率因數角00900 時軸AE0.CE0.BE0.AI.CI.BI.d軸q軸 A軸A AX XZ ZB BCYFfNS既有交軸又有直軸去磁電樞反應+90+900 0Fa電流正，則首端出，末端

14、進2022-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝電樞磁勢和電樞電流分量電樞磁勢和電樞電流分量 YYYY+coscossinsinIIFFIIFFIIIFFFqaaqdaadqdaqada交軸分量交軸分量直軸分量2022-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝2022-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝1. 交軸電樞磁動勢交軸電樞磁動勢的作用的作用n1TemaqII=0=00 0, , ,交軸電樞磁動勢和勵磁磁動勢作用產生電磁力, 形成制動性質的電磁轉矩Tem勵磁磁動勢超前電樞磁動勢aFfF2022-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝1. 交軸電樞磁動勢交軸電樞磁動勢的作用的作用=180=1800 0, ,交

15、軸電樞磁動勢和勵磁磁動勢作用產生電磁力, 形成驅動性質的電磁轉矩Tem電樞磁動勢超前勵磁磁動勢aFfF2022-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝2. 直直軸電樞磁動勢軸電樞磁動勢的作用的作用daIIn1nadIfAZBXCYNS=90=900 0, , ,直軸電樞磁動勢也產生電磁力，但不形成電磁轉矩2022-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝結論：結論：當同步發電機供給滯后電流時，電樞磁勢除了一當同步發電機供給滯后電流時，電樞磁勢除了一部分產生交軸電樞反應外，還有一部分產生直軸去磁部分產生交軸電樞反應外，還有一部分產生直軸去磁電樞反應；當電機供給超前電流時，電樞磁勢除了一電樞反應；當電機供給超前

16、電流時，電樞磁勢除了一部分產生交軸電樞反應外，還有一部分產生直軸增磁部分產生交軸電樞反應外，還有一部分產生直軸增磁電樞反應。電樞反應。2022-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝電樞反應電抗和同步電抗的概念電樞反應電抗和同步電抗的概念1 1 隱極同步電機的電樞反應：隱極同步電機的電樞反應： I&aF1fBa&aE&aX隱極同步電機有一個特點就是定轉子之間的氣隙是均勻分布的。電樞磁動勢作用在任一位置，其效果是一樣的2022-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝知：知：aaaXIjE.XIjEa.其中的其中的 X Xa a 稱為電樞反應電抗。在同樣大小電流情況稱為電樞反應電抗。在

17、同樣大小電流情況下下, ,如果如果 Xa 越大，電樞反應電勢也越大，表示著電越大，電樞反應電勢也越大，表示著電樞磁勢所產生的電樞磁通很強。因此樞磁勢所產生的電樞磁通很強。因此 Xa 的大小可以的大小可以說明電樞反應的強弱。說明電樞反應的強弱。當然，電樞電流除了產生主磁通外，還要產生一當然，電樞電流除了產生主磁通外，還要產生一定的漏磁通，由于漏磁通也會交鏈電樞繞組，所以對定的漏磁通，由于漏磁通也會交鏈電樞繞組，所以對應產生電動勢應產生電動勢 E2022-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝saaaaaaaXIjXXIjXIjXIjEE.)()(+XXXas+式中 稱為隱極同步電機的同步電抗。所以在三

18、相對稱電流通過電樞繞組后，所產生的匝鏈定子繞組的磁通為（+），兩者在電樞繞組中所產生的全部電勢為2022-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝電樞反應磁通及漏磁通所產生的作用，可以通過同步電抗壓降的形式來表示。同步電機在正常狀態下工作，磁路略呈飽和。磁路的飽和程度越高，它的磁阻便越大，所對應的電抗便函越小。所以a或S的大小是隨著磁路飽和程度的改變而改變的。2022-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝直軸氣隙小磁導大交軸氣隙大磁導小雙反應理論：雙反應理論：磁動勢Fa分解成沿直軸和交軸方向的兩個分量，分別求它們的作用，最后將效果疊加。sinaadFFcosaaqFF直軸交軸aFadFaqF同樣大小的電樞

19、磁動勢作用在d軸和q軸上，所產生的電樞磁場將有明顯的差別2、凸極同步電機：、凸極同步電機：電樞磁動勢作用在不同的位置，產生不同的效果2022-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝.addadaqdaqEjI XEjI X直軸電樞磁勢固定地作用在直軸磁路上，對應于一個恒定不變的磁阻，產生磁通ad。交軸電樞磁勢固定地作用在交軸磁路，也對應于一個恒定不變的磁阻，產生磁通aq。磁通ad與aq分別切割定子繞組而在其中感應出電勢Ead及Eaq。由于交軸及直軸的磁阻都恒定不變，所以Ead正比于ad， Eaq正比于aq，因此，2022-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝dadqaqXXXXXX+注意：在直軸磁路上，

20、由于氣隙小，磁阻小，所以Xad較大。在交軸磁路上，由于氣隙很大，磁阻大，所以Xaq較小。當直軸及交軸的同步電抗相等時，就是隱極電機。和隱極電機一樣，直軸和交軸電樞反應電抗各和定子漏抗相加，便可以得到直軸同步電抗和交軸同步電抗，即2022-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝6.2.3 隱極同步發電機的負載運行隱極同步發電機的負載運行2022-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝fIfF00EIaFaEEEaaRIaaxI jExI jE1 1 隱極發電機的電磁過程隱極發電機的電磁過程2022-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝2 2 隱極同步發電機的電勢方程式隱極同步發電機的電勢方程式.0.UEEEa+

21、saXIjUE.0.+同步發電機在對稱負載下運行，氣隙中存在著兩種磁勢，即定子上的電樞磁勢和轉子的磁極磁勢。在不考慮磁路的飽和現象時，應用迭加原理，認為它們各自獨立地產生相應磁通，并在電樞繞組內產生感應電勢。.aaaaEjI XEjI X saXXX+2022-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝已知發電機的端電壓、負載電流和功率因數已知發電機的端電壓、負載電流和功率因數coscos及及參數參數R Ra a 、X Xs sUIar I0E當功率因數當功率因數cos滯后時的相量圖滯后時的相量圖SjIX&3 3 隱極發電機的相量圖隱極發電機的相量圖.0()aaaEUIrjIXX+saXXX+2

22、022-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝 +UIarI0ESjIX&0.EaI0EUUaI& 與 的夾角 ； 與 的夾角 ； 與 的夾角。三個角度間的關系：2022-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝cossintg1UUXIsa+220)sin()cos(saXIUUE+根據圖的相量關系，將電壓按角分解成Usin和Ucos后，可以得到的計算公式：UIar I0ESjIX&cosUsinU2022-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝Raxs0EIU只要去掉只要去掉 R Ra a 即可得到簡化等效電路即可得到簡化等效電路4 4 隱極發電機的等效電路隱極發電機的等效電路2022

23、-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝6.2.4 凸極同步發電機的負載運行凸極同步發電機的負載運行當凸極同步發電機在對稱負載下運行時，氣隙中也存在著兩種旋轉磁勢，即轉子上磁極磁勢和定子上電樞磁勢。由于凸極電機中，轉子直軸和交軸上的氣隙不等，在分析電樞磁勢影響時，必須按照式前面我們所分析的將磁動勢分解成直軸和交軸兩個分量，然后和處理隱極電機一樣，不計及磁路的飽和現象，應用迭加原理認為它們各自獨立地產生相應的磁通，并在電樞繞組內產生感應電勢。 2022-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝1.1.凸極發電機的電磁過程凸極發電機的電磁過程fIfF00EIqIdIadFaqFadaqadEaqEEEarI20

24、22-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝.0.UEEEEaqad+XIjXIjXIjUEaaqqadd.0.+.() adqqdEj IXj IIXjI Xj IX+可以把漏抗壓降分解成兩個分量，即：整理得：2.凸極同步發電機的電勢方程式凸極同步發電機的電勢方程式這樣，產生的端電壓為：2022-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝qqddaqqaddXIjXIjUXXIjXXIjUE.0.)()(+dI.qI.0.EaI.這就是凸極發電機的電動勢平衡方程式，這樣我們就可以作出相應的相量圖。但是很明顯，要做出向量圖還缺 和 兩個分量。也就是要知道 與 之間的夾角。2022-2-7武漢大學電氣工程學院劉

25、啟勝dIqIIRUIqqjI xddjI x0E.0qdaqdEUI RjI XjI X+2022-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝 已知發電機的端電壓、負載電流和功率因數及已知發電機的端電壓、負載電流和功率因數及參數參數ra 、xd、xq 。(1 (1）已知內功率因數角）已知內功率因數角按照電勢方程式的關系作出相量圖（2 2）未知內功率因數角）未知內功率因數角1 1）利用方程式求出）利用方程式求出 ：2 2）利用公式求出）利用公式求出 ：qaQXI jIRUE+cossinarctanUIRUIXaq+Y3.3.凸極發電機的相量圖的作法凸極發電機的相量圖的作法2022-2-7武漢大學電氣工程

26、學院劉啟勝dIqIIRUIqqjI XddjI x0E.0qdaqdEUI RjI XjI X+.QqdaqqEUI RjI XjI X+.QE.qqjI X.qjI X2022-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝dIqIIRUIqqjI XddjI x0EsinU.QEcosU.qqjI X.qjI X2 2）利用公式求出）利用公式求出 ：cossinarctanUIRUIXaq+YIRa2022-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝例題例題6-1例題例題6.0,0.1*qdXX8 . 0cosN*0E 6-1 有一臺凸極同步發電機，有一臺凸極同步發電機， ，電樞，電樞電阻略去不計，試計算發電機額

27、定電壓、額定千伏安、電阻略去不計，試計算發電機額定電壓、額定千伏安、（滯后）時發電機的空載電動勢（滯后）時發電機的空載電動勢 ，并作出相量圖。，并作出相量圖。dIqIUIqqjI XddjI x0E.QE.qjI X 解解 以電壓相量為基準相量，即 001。U外功率因數角 087.368 . 0arccos內功率因數角 電流的直軸和交軸分量：000.*.044.1944. 16 . 087.36101+jXIjUEq。00031.5687.3644.19+0.*0.0*.*44.1955. 0cos56.70832. 0)90(sin+NqNdIIII2022-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝

28、例題例題6.0,0.1*qdXX8 . 0cosN*0E 6-1 有一臺凸極同步發電機，有一臺凸極同步發電機， ，電樞，電樞電阻略去不計，試計算發電機額定電壓、額定千伏安、電阻略去不計，試計算發電機額定電壓、額定千伏安、（滯后）時發電機的空載電動勢（滯后）時發電機的空載電動勢 ，并作出相量圖。，并作出相量圖。dIqIUIqqjI XddjI x0E.QE.qjI X另外，內功率因數角還可用公式求取： 0000.*.*.*.*04 .19777. 1 6 . 044.1955. 00 . 156.70832. 001 +jjXIjXIjUEqqdd空載電動勢： +3 .568 . 06 . 06 . 0tancossinarctan1*UIRUIXaq2022-2-7武漢大學電氣工程學院劉啟勝*d*dXIOB )cos(*UOA例題例題6.0,0.1*qdXX8 . 0cosN*0E 6-1 有一臺凸極同步發電機，有一臺凸極同步發電機， ，電樞，電樞電阻略去不計，試計算發電機額定電壓、額定千伏安、電阻略去不計，試計算發電機額定電壓、額定千伏安、（滯后）時發電機的空載電動勢（滯后）時發電機的空載電動勢 ，并作出相量圖。，并作出相量圖。dIqIUIqqjI XddjI x0E.QE.