三相同步发电机的运行原理.ppt
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1、第十五章 三相同步发电机的 运行原理 1 1 本章主要内容本章主要内容 第一节第一节 同步发电机空载运行同步发电机空载运行 第二节第二节 同步发电机带对称负载时的电枢反应同步发电机带对称负载时的电枢反应 第三节第三节 隐极同步发电机的负载运行隐极同步发电机的负载运行 第四节第四节 凸极同步发电机的负载运行凸极同步发电机的负载运行 2 2 第一节第一节 三相同步发电机空载运行三相同步发电机空载运行 1. 1.空载运行时的电磁过程空载运行时的电磁过程 n n 当原动机带动同步发电机在同步转速下运行,励磁当原动机带动同步发电机在同步转速下运行,励磁 绕组通入适当的励磁电流,电枢绕组不带任何负载的绕组
2、通入适当的励磁电流,电枢绕组不带任何负载的 运行情况,称为运行情况,称为空载运行空载运行(no load no load opratingoprating)。)。 n n 空载运行时气隙中的磁场仅是转子励磁电流空载运行时气隙中的磁场仅是转子励磁电流I I f f 及相及相 应的励磁磁动势应的励磁磁动势F F f f 单独建立的磁场,称为单独建立的磁场,称为空载磁场或空载磁场或 主磁场主磁场,磁场的强弱由励磁电流决定。,磁场的强弱由励磁电流决定。 主磁通:主磁通:同时与定、转子交链的磁通为主磁通同时与定、转子交链的磁通为主磁通 0 0 。 主极漏磁通:主极漏磁通:仅与转子励磁绕组交链的为主极漏仅
3、与转子励磁绕组交链的为主极漏 磁通磁通 f f 。 3 3 凸极同步电机空载内部磁通分布图凸极同步电机空载内部磁通分布图 4 4 l l主磁路主磁路( ( 0 0 的路径的路径) ):主磁通所经过的路径。:主磁通所经过的路径。 l l主此路的路径:主极铁心主此路的路径:主极铁心气隙气隙电枢齿电枢齿电枢磁电枢磁 轭轭电枢齿电枢齿气隙气隙另一主极铁心另一主极铁心转子磁轭,形成转子磁轭,形成 闭合回路。闭合回路。 l l漏磁路:主要由空气和非磁性材料组成。漏磁路:主要由空气和非磁性材料组成。 主磁路磁阻较漏磁路磁阻小,主磁通远远大于漏主磁路磁阻较漏磁路磁阻小,主磁通远远大于漏 磁通。磁通。 1. 1
4、.空载运行时的电磁过程空载运行时的电磁过程 5 5 n n 基波主磁通基波主磁通 0 0 通过气隙与定、转子交链,随通过气隙与定、转子交链,随 着转子同步速旋转,在定子绕组中感应三相励着转子同步速旋转,在定子绕组中感应三相励 磁电动势磁电动势E E 0 0 ,实现定、转子间机电能量转换。,实现定、转子间机电能量转换。 n n 漏磁通漏磁通 f f 只与转子绕组交链,不参与定、转只与转子绕组交链,不参与定、转 子间能量转换。子间能量转换。 1. 1.空载运行时的电磁过程空载运行时的电磁过程 6 6 n同步发电机空载运行的电磁关系为 n建立空载磁场的励磁磁动势Ff的大小和空间 分布与电机的结构有关
5、。 1.空载运行时的电磁过程 7 7 隐极同步发电机的励磁磁动势隐极同步发电机的励磁磁动势 1. 1.空载运行时的电磁过程空载运行时的电磁过程 n n 隐极电机的励磁绕组嵌埋于转子槽内,沿转子圆周隐极电机的励磁绕组嵌埋于转子槽内,沿转子圆周 气隙均匀,励磁磁动势气隙均匀,励磁磁动势F F f f 在空间分布为阶梯形,空间在空间分布为阶梯形,空间 基波分量为基波分量为F F f f1 1 。 8 8 隐极同步发电机的励磁磁动势隐极同步发电机的励磁磁动势 1. 1.空载运行时的电磁过程空载运行时的电磁过程 n n 受齿槽的影响,气隙磁密呈现出波动变化,合理选受齿槽的影响,气隙磁密呈现出波动变化,合
6、理选 择大齿宽度可使气隙磁密的分布接近正弦波。择大齿宽度可使气隙磁密的分布接近正弦波。 9 9 n n 凸极电机,励磁绕组集中放置在转子磁极上,励磁凸极电机,励磁绕组集中放置在转子磁极上,励磁 磁动势在空间分布为矩形波磁动势在空间分布为矩形波F F f f ,其基波分量为,其基波分量为F F f f1 1 。 1. 1.空载运行时的电磁过程空载运行时的电磁过程 凸极同步发电机的励磁磁动势凸极同步发电机的励磁磁动势 1010 n n 凸极电机定转子间气隙沿圆周分布不均匀,极面下气凸极电机定转子间气隙沿圆周分布不均匀,极面下气 隙小,磁阻小,极间气隙大,磁阻大,在一个极范围内隙小,磁阻小,极间气隙
7、大,磁阻大,在一个极范围内 气隙径向磁通密度分布近似于平顶的帽形,极靴以外的气隙径向磁通密度分布近似于平顶的帽形,极靴以外的 气隙磁通密度减少很快,相邻两极中线上的磁通密度为气隙磁通密度减少很快,相邻两极中线上的磁通密度为 零。零。 n n 气隙磁密可分解为基波气隙磁密可分解为基波F F f f1 1 和一系列谐波。和一系列谐波。 n n 合理设计磁极形状可使气隙磁密分布接近正弦波,通合理设计磁极形状可使气隙磁密分布接近正弦波,通 常将极靴的极弧半径做成小于定子内圆半径,且两圆弧常将极靴的极弧半径做成小于定子内圆半径,且两圆弧 的圆心不重合的圆心不重合( (称为偏心气隙称为偏心气隙) ),形成
8、极弧中心处的气隙最,形成极弧中心处的气隙最 小,沿极弧中心线两侧方向气隙逐渐增大,可使气隙磁小,沿极弧中心线两侧方向气隙逐渐增大,可使气隙磁 通密度分布较接近正弦波形。通密度分布较接近正弦波形。 1. 1.空载运行时的电磁过程空载运行时的电磁过程 1111 2. 2.空载特性空载特性 原动机拖动同步电机转子以原动机拖动同步电机转子以n n 1 1 速度转动,速度转动, 0 0 切割切割 定子绕组,在定子中感应电势定子绕组,在定子中感应电势E E0 0。 。 感应电势有效值感应电势有效值 其中,其中,0 0为磁极的每极基波磁通,为磁极的每极基波磁通,N N为每相定子绕为每相定子绕 组串联匝数,组
9、串联匝数,f f为励磁电动势频率。为励磁电动势频率。 1212 2. 2.空载特性空载特性 空载特性:空载时励磁电势与励磁电流之间的关系曲空载特性:空载时励磁电势与励磁电流之间的关系曲 线线 空载时:定子电流为零,电枢电压等于空载电势。空载时:定子电流为零,电枢电压等于空载电势。 空载特性也表示主磁通和励磁磁势之间的空载特性也表示主磁通和励磁磁势之间的 关系,即电机的关系,即电机的磁化曲线磁化曲线。 1313 2. 2.空载特性空载特性 1414 讨论:讨论: l l 励磁电流较小时,磁通较小,磁路未饱和,空载励磁电流较小时,磁通较小,磁路未饱和,空载 特性呈直线。励磁电流特性呈直线。励磁电流
10、,磁路逐渐饱和,曲线开,磁路逐渐饱和,曲线开 始进入饱和段。始进入饱和段。 铁磁饱和后,空铁磁饱和后,空 载电动势增加一载电动势增加一 点,励磁磁动势点,励磁磁动势 增加很多。增加很多。 2. 2.空载特性空载特性 1515 讨论:讨论: l l 为了合理利用材料,不因过饱和增加励磁磁动势为了合理利用材料,不因过饱和增加励磁磁动势 而增加电机用铜量,空载额定电压一般设计在空载而增加电机用铜量,空载额定电压一般设计在空载 特性的弯曲处。特性的弯曲处。 l l 将空载特性曲线的将空载特性曲线的 直线部分延长得到气直线部分延长得到气 隙线,表示气隙磁动隙线,表示气隙磁动 势势F F 与励磁电动势与励
11、磁电动势E E 0 0 间的关系。间的关系。 2. 2.空载特性空载特性 1616 n n 取取 代表额定电压代表额定电压U U N N ,饱和系数定义为,饱和系数定义为 E E 0 0 为气隙线上电压。为气隙线上电压。 n n 普通同步电机普通同步电机ksks约在约在1.11.1 1.25.1.25. n n 表明:表明:磁路饱和后,由励磁路饱和后,由励 磁磁动势磁磁动势F F f f 建立的基波主磁通建立的基波主磁通 和感应的基波电动势都降为未饱和值的和感应的基波电动势都降为未饱和值的1/1/k k s s ,即所需,即所需 磁动势是未饱和时的磁动势是未饱和时的k k s s 倍(即倍(即
12、F F f f = =k k s s F F )。)。 2. 2.空载特性空载特性 uu饱和系数饱和系数KsKs 1717 ab c 1 n gd 0 If(Ff) Ff0F 电机运行于曲线刚好弯曲处:电机运行于曲线刚好弯曲处: 充分利用材料充分利用材料 不会过分饱和不会过分饱和 2. 2.空载特性空载特性 1818 l l不同电机用标么值画出的空载特性相差不大,可认不同电机用标么值画出的空载特性相差不大,可认 为有一条标准的曲线。为有一条标准的曲线。 l l空载曲线可用标么值来表示。空载曲线可用标么值来表示。 2. 2.空载特性空载特性 1919 2. 2.空载运行时空相矢图空载运行时空相矢
13、图 n n 同步发电机励磁磁场以同步转速同步发电机励磁磁场以同步转速 1 1 在空间旋转,与在空间旋转,与 由其在定子绕组中产生的以频率由其在定子绕组中产生的以频率 1 1 交变的正弦基波主交变的正弦基波主 磁通及其感应的正弦基波电动势在时间上呈同步变化磁通及其感应的正弦基波电动势在时间上呈同步变化 ,因此,可将它们画在同一时间空间相量矢量图上,因此,可将它们画在同一时间空间相量矢量图上, 以简化分析。以简化分析。 2. 2.空载特性空载特性 2020 空载运行时空矢量图空载运行时空矢量图 2. 2.空载特性空载特性 2121 n n 直轴直轴(纵轴或(纵轴或d d轴):主磁极轴线位置;轴):
14、主磁极轴线位置; n n 交轴交轴(横轴或(横轴或q q轴):磁极轴):磁极N N、S S之间的中心线,与之间的中心线,与d d 轴垂直;轴垂直; n n 相轴:相轴:相绕组的轴线位置;相绕组的轴线位置; n n 时轴:时轴:时间相量在其上投影可得瞬时值。时间相量在其上投影可得瞬时值。 2. 2.空载特性空载特性 2222 n n 取定子绕组时间参考轴即时轴与相轴重合,则取定子绕组时间参考轴即时轴与相轴重合,则F F f f 中中 的基波分量的基波分量F F f f1 1 ( (空间矢量)与由它产生的空间矢量)与由它产生的B B f f1 1 ( (空间矢量空间矢量 )及)及 (时间相量)同相
15、位,幅值在直轴正方向;(时间相量)同相位,幅值在直轴正方向; ( (时间相量)滞后时间相量)滞后 9090 0 0 电角度。电角度。 2. 2.空载特性空载特性 2323 3. 3.空载特性的工程应用空载特性的工程应用 1)1)设计的空载特性曲线与标准曲线比较,两者接近,设计的空载特性曲线与标准曲线比较,两者接近, 说明电机设计合理,反之,说明电机磁路过于饱和或说明电机设计合理,反之,说明电机磁路过于饱和或 材料未充分利用。若太饱和,励磁绕组用铜过多,电材料未充分利用。若太饱和,励磁绕组用铜过多,电 压调节困难;若饱和度太低,则负载变化时电压变化压调节困难;若饱和度太低,则负载变化时电压变化
16、较大,且铁心利用率低,铁心耗材较多。较大,且铁心利用率低,铁心耗材较多。 2)2)空载特性结合短路特性与零功率因数负载曲线可求空载特性结合短路特性与零功率因数负载曲线可求 取同步电机参数。取同步电机参数。 3)3)发电厂通过测取空载特性来判断三相绕组的对称性发电厂通过测取空载特性来判断三相绕组的对称性 以及励磁系统的故障。以及励磁系统的故障。 2. 2.空载特性空载特性 2424 3. 3.对空载电动势波形的要求对空载电动势波形的要求 三相对称三相对称 频率恒定频率恒定 波形接近正弦波形接近正弦 有一定幅值有一定幅值 以上要求标志发电机输出电能的质量。以上要求标志发电机输出电能的质量。 252
17、5 l l 工程上将空载线电压的波形与正弦波形偏差的程度,工程上将空载线电压的波形与正弦波形偏差的程度, 用用电压波形正弦性的畸变率电压波形正弦性的畸变率来表示。根据来表示。根据GB755-2000GB755-2000 电机基本技术要求电机基本技术要求规定,电压波形正弦性畸变率规定,电压波形正弦性畸变率 可按下式算出:可按下式算出: 3. 3.对空载电动势波形的要求对空载电动势波形的要求 u u 1 1 为基波电压有效值,也可用线电压有效值代为基波电压有效值,也可用线电压有效值代 替,替,u u n n 为为n n次谐波电压有效值。次谐波电压有效值。 l l 额定功率额定功率300kVA300
18、kVA以上发电机,以上发电机,K K u u 不超过不超过5%5%,额定,额定 功率功率10300kVA10300kVA的发电机,的发电机,K K u u 要求不超过要求不超过10%10%。 2626 电势波形畸变严重,对发电机本身和电势波形畸变严重,对发电机本身和 由它所供电的电动机都有不利影响,如损由它所供电的电动机都有不利影响,如损 耗增加,效率降低等。耗增加,效率降低等。 3. 3.对空载电动势波形的要求对空载电动势波形的要求 2727 第二节第二节 三相同步电机带对称负载三相同步电机带对称负载 时的电枢反应时的电枢反应 同步发电机空载:同步发电机空载:气隙中只有转子的励磁磁势产生的气
19、隙中只有转子的励磁磁势产生的 主极磁场。主极磁场。 励磁绕组外接励磁绕组外接 产生恒产生恒 原动机拖动原动机拖动 恒定直流电源恒定直流电源 定磁场定磁场 转子旋转转子旋转( ( n n 1 1 ) ) 转子磁场转子磁场 以以n n 1 1 旋转旋转 同步发电机空载:同步发电机空载: 2828 励磁绕组外接励磁绕组外接 产生恒产生恒 原动机拖动原动机拖动 恒定直流电源恒定直流电源 定磁场定磁场 转子旋转转子旋转( ( n n 1 1 ) ) 转子磁场转子磁场 切割定切割定 定子绕组感应定子绕组感应 以以n n 1 1 旋转旋转 子绕组子绕组 三相对称的电势三相对称的电势 三相电势相位互差三相电势
20、相位互差120120 0 0 三相绕组中有三相对三相绕组中有三相对 称电流称电流 产生电枢磁势产生电枢磁势 同步发电机负载:同步发电机负载:气隙中同时有励磁磁势和电枢磁势气隙中同时有励磁磁势和电枢磁势 共同建立的磁场,由于电枢磁势的存在,感应电势改共同建立的磁场,由于电枢磁势的存在,感应电势改 变,端电压也改变。变,端电压也改变。 1. 1.三相同步电机带对称负载后的磁动势三相同步电机带对称负载后的磁动势 2929 1. 1.三相同步电机带对称负载后的磁动势三相同步电机带对称负载后的磁动势 3030 u定子磁势 定子三相对称绕组中通入对称三相电流产生基 波电枢磁势Fa : (1) 大小: 1.
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- 三相 同步 发电机 运行 原理
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