三相同步发电机运行原理.ppt

第一节 三相同步发电机空载运行 1.空载运行时的电磁过程 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运行情况，称为空载运行（no load oprating）。 空载运行时气隙中的磁场仅是转子励磁电流If及相应的励磁磁动势Ff单独建立的磁场，称为空载磁场或主磁场，磁场的强弱由励磁电流决定。 基波主磁通?0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磁电动势E0，实现定、转子间机电能量转换。 漏磁通?f?只与转子绕组交链，不参与定、转子间能量转换。 同步发电机空载运行的电磁关系为 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。 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Ff，其基波分量为Ff1。 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零。 气隙磁密可分解为基波Ff1和一系列谐波。 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，且两圆弧的圆心不重合(称为偏心气隙)，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，可使气隙磁通密度分布较接近正弦波形。 讨论： 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↑，磁路逐渐饱和，曲线开始进入饱和段。 铁磁饱和后，空 载电动势增加一 点，励磁磁动势 增加很多。 讨论： 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特性的弯曲处。 将空载特性曲线的 直线部分延长得到气 隙线，表示气隙磁动 势F?与励磁电动势E0 间的关系。 取 代表额定电压UN，饱和系数定义为 E′0为气隙线上电压。 普通同步电机ks约在1.1～ 1.25. 表明：磁路饱和后，由励 磁磁动势Ff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1/ks，即所需磁动势是未饱和时的ks倍（即Ff=ksF?）。 2.空载运行时空相矢图 同步发电机励磁磁场以同步转速?1在空间旋转，与由其在定子绕组中产生的以频率?1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，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。 直轴（纵轴或d轴）：主磁极轴线位置； 交轴（横轴或q轴）：磁极N、S之间的中心线，与d轴垂直； 相轴：相绕组的轴线位置； 时轴：时间相量在其上投影可得瞬时值。 取定子绕组时间参考轴即时轴与相轴重合，则Ff中的基波分量Ff1(空间矢量）与由它产生的Bf1 (空间矢量）及 （时间相量）同相位，幅值在直轴正方向； (时间相量）滞后 900电角度。 3.空载特性的工程应用 1)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较大，且铁心利用率低，铁心耗材较多。 2)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。 3)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。 工程上将空载线电压的波形与正弦波形偏差的程度，用电压波形正弦性的畸变率来表示。根据GB755-2000《电机基本技术要求》规定，电压波形正弦性畸变率可按下式算出： 两极同步发电机示意图，电枢绕组每一相用一个集中线圈表示，主磁极凸极式，电枢绕组中电流的方向为流出用⊙、流入用?表示。 穿过A相绕组的磁通为零，A相绕组的感应电动势最大，正好在时轴上。 若?=0?，则此时A相电流在时轴上。 A相电流最大，Fa的幅值与A相绕组轴线重合，Fa在A相轴方向上。 由于Fa与Ff1同步旋转，故在一般负载的情况下，Fa与Ff1的空间相位差等于90?+?电角度。 结论： 交轴电枢磁动势不仅使气隙合成磁势幅值有所增大，而且使气隙合成磁动势F?的轴线位置从空载时直轴处逆转子转向后移一个锐角，主磁动势超前气隙合成磁势，主极上受到一个制动性质的转矩，电机要维持n1，必须输入更多的机械功率。 此时电机输出有功功率，发电机不输出无功功率，所以交轴磁势将会影响电磁转矩的产生及能量的转换。 第三节 隐极同步发电机的负载运行 一.磁路不饱和 在分析发电机内部的磁场基础之上，利用电磁感应定律和基尔霍夫定律，忽略磁路饱和时，可写出同步发电机的方程，并画出相应的相量图和等效电路。 在同步电机理论中，用相量图进行分析是十分重要和方便的方法。作相量图时，认为发电机的相电压U、相