电机学 06同步电机课件.ppt

第六章 同步电机,同步电机结构和工作原理,一、同步电机结构：同步电机由定子和转子两大部分组成，分 转场式和转枢式两种。,定子铁心内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。,转子铁心装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场,处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性能有重大影响,凸极式同步电机,隐极式同步电机,同步电机结构,同步电机结构,凸极式转子,汽轮机（隐极式转子）,励磁形式,冷却方式,1、空气冷却 空气冷却主要采用内扇式轴向和径向混合通风系统，适用与容量为50MW以下的汽轮发电机。为确保运行安全，要求整个空气系统是封闭的。2、氢气冷却 氢气冷却的效果明显优于空气冷却，在汽轮发电机中被广泛应用，并从外冷式发展为内冷式，即定、转子导线做成空心的，直接将氢气压缩进导体带走热量。应用中要注意解决的是防漏和防爆问题。3、水冷却 水的冷却效果优于氢气。主要方式为内冷式。除了有定、转子绕组双水内冷，还有定子绕组用水内冷，定、转子铁心氢外冷、转子励磁绕组用氢内冷的混合冷却方式。水冷却方式面临泄漏和积垢堵塞问题。4、超导发电机 超导发电机是未来巨型汽轮发电机的一种很有前途的冷却方式，在超导状态下电机绕组的电阻损耗完全消失，彻底解决了电机的发热温升问题并大大提高了电机的效率。但是其中牵涉到很多关键技术问题，如强磁场、高电密、高温交流超导线材的制备等。,三、额定值,额定容量SN（额定功率PN）：额定运行时电机输出的功率；额定电压UN：额定运行时定子三相线电压；额定电流IN：额定运行时定子三相线电流；额定功率因数：额定运行时电机的额定功率；额定频率；额定运行时的频率；额定转速：同步电机的同步转速；,额定值间的相互关系：,6.2 同步电机的基本工作原理,同步发电机的空载运行,空载运行：原动机带动发电机在同步转速下运行,励磁绕组通过适当的励磁电流,电枢绕组不带任何负载时的运行情况。空载运行是同步发电机最简单的运行方式，其气隙磁场由转子磁势单独建立。磁通分为主磁通和漏磁通。,凸极同步电机通常选用极弧系数为0.680.72,气隙比值为1.31.8,空载特性曲线,当空载运行时,励磁电势随励磁电流变化的关系,称为同步发电机的空载特性。励磁电势的大小(有效值)与转子每极磁通成正比，而励磁电流的大小又和作用于同步电机磁路上的励磁磁势 正比例变化，所以空载特性与电机磁路的磁化曲线具有类似的变化规律。,时空矢量,磁密波Bf1与定子任一相交链的磁通量0是时间变量，由 感应产生的该相电势用 表示,当定子各相的时间参考轴都取在各自的相绕组轴线时，与 重合。,励磁磁势的基波Ff1和由它产生的气隙磁密波Bf1为空间分布波，两者同相位，其正波幅处于转子直轴正方向，且与转子一起以同步速旋转；,当Bf1波的波幅来到某相轴左侧900时，Bf1波与该相绕组交链的磁通量的瞬时值正好为零，这时0 在该轴线左侧900。,对称负载时的电枢反应,空载时，同步电机中只有一个以同步转速旋转的励磁磁势；当电枢绕组接上三相对称负载后，电枢绕组和负载一起构成闭合通路，通路中流过的是三相对称的交流电流，当三相对称电流流过三相对称绕组时，将会形成一个以同步速度旋转的旋转磁势；同步发电机接上三相对称负载以后，电机中除了随轴同转的转子磁势(称为机械旋转磁势)外，又多了一个电枢旋转磁势(称为电气旋转磁势)。这两个旋转磁势的转速均为同步速，而且转向一致，二者在空间处于相对静止状态，用矢量加法将其合成为一个合成磁势。,同步电机的电枢反应,同步电机的磁场建立：,负载时，电枢磁动势的基波对主磁极基波磁场的影响称为电枢反应。,假定：磁路不饱和，隐极式转子。,电枢磁势基波与励磁磁势同转速、同转向、彼此保持相对静止。,影响电枢反应的量,一、电枢电流 和励磁电动势 同相位（1800）时电枢反应,主极轴线与电枢A相绕组的轴线正交；A相励磁电动势的瞬时值达最大值；电枢电流与励磁电动势同相位，达最大值。基波电枢磁势Fa的轴线与A相绕组轴线重合。电枢磁势的轴线与转子的交轴重合；在任意瞬间，电枢磁势的轴线恒与转子交轴重合。电枢磁势是交轴磁势；,d轴,交轴电枢反应：使气隙合成磁动势的轴线从主磁极轴线逆转向后移一个电角度；从而产生一定的电磁转矩；合成磁场的幅值较转子励磁磁场有所增加（增磁）。,二、电枢电流 滞后励磁电动势 一个锐角时的电枢反应,主极轴线与电枢A相绕组的轴线正交；A相励磁电势的瞬时值达最大值；电枢电流落后励磁电动势一个角；基波电枢磁势Fa的轴线落后A相绕组轴线 角；电枢磁势的轴线落后转子交轴角；在任意瞬间，电枢磁势的轴线恒与转子交轴相差角。电枢磁势可分解为交轴磁势和直轴磁势；,d轴,电枢反应的总结,交轴的电枢反应使转子产生电磁转矩，实现能量转换；直轴电枢反应对气隙磁场起助磁或去磁的作用，不产生转矩；电枢磁动势和励磁磁动势间的夹角（功率角）会随着电机的运行情况改变。电枢反应的性质也随负载的变化而变化。,隐极同步发电机的负载运行,Xt：为同步电机的同步电抗，磁路不饱和时为常数。,隐极同步电机的等效电路图：,隐极同步发电机等效电路,隐极同步电机的相量图,作相量图时，我们认为发电机的端电压，电枢电流，负载功率因数角以及同步电抗为已知量，最终可以根据方程式求得励磁电势。,隐极同步电机计及饱和时,双反应理论（凸极同步电机）,一般情况：电枢磁动势在空间的任意位置。分析方法：把电枢磁势分解成直轴和交轴两个分量;用对应的直轴磁导和交轴磁导分别算出直轴和交轴电枢反应;最后把它们的效果叠加起来。,凸极同步电机的气隙沿圆周不均匀：极面下的气隙较小，两极之间气隙较大。气隙磁导，直轴磁导比交轴磁导大，以1800电角度为一个周期。同样大小的电枢磁动势作用在直轴和交轴上时，所产生的电枢磁场有明显变化；,双反应理论：对于在空间任意位置的电枢磁动势Fa，将其分解成直轴和交轴两个分量Fad和Faq，用对应的直轴磁导和交轴磁导分别算出直轴和交轴电枢反应;最后把它们的效果叠加起来。,凸极同步发电机的负载运行。,Xd：直轴同步电抗；Xq：交轴同步电抗（XdXq）,凸极机的电压方程,二、同步发电机的相量图,凸极同步机：,凸极机的相量图,如何得到？,首先求出EQ,1）容量基值 或 kVA2）相电压基值（额定相电压）V或kV3）相电流基值（额定相电流）A4）阻抗基值 5）转子角速度基值（式中nN的单位为r/min）,同步电机标么值基值,同步发电机的运行特性,空载特性：实质是电机的磁化曲线短路特性：发电机在同步转速下，电枢线端三相稳态短路时，电枢电流与励磁电流的关系曲线。负载特性：转速为同步速度，负载电流和功率因数为常值时，发电机的端电压与励磁电流之间的关系曲线。外特性：在nnN，If常数和cos常数时，端电压U和负载电流I的关系曲线。调整特性：在nnN，U常数和cos常数时，励磁电流If和负载电流I的关系。,空载特性,空载特性可用实验测出，也可用磁路计算得到。（具有磁滞现象）同步发电机的空载损耗包括机械损耗pmec、定子铁耗pFe从不同励磁时拖动发电机所需的功率中扣除机械损耗后，得到定子铁耗。,短路特性,短路运行特性：短路运行时，Ik滞后于E0 近似90电角度，交轴分量Iq=0，其电枢反应表现为纯去磁作用。去磁作用减少了电机中的磁通，电机的磁通和感应电势较小，磁路处于不饱和状态，励磁电势和励磁电流之间在数量上呈线性关系，短路电流和励磁电流 在数量也呈线性关系。短路特性就是一条通过原点的直线。,短路特性：nnN，端电压U=0，电枢短路电流 Ikf（If）,特性三角形,短路试验,短路试验时，测出的拖动同步发电机所需功率为发电机的短路损耗，包括：机械损耗、电枢绕组基本铜耗和短路杂散损耗从空载试验算出机械损耗和铁耗，短路试验测出定子铜耗和负载杂散损耗。从而得到发电机的总损耗。同步发电机的效率,当转速为同步转速、端电压为额定电压、功率因数为额定功率因数时，发电机的效率与输出功率的关系曲线，称为电机的效率特性。,零功率因数负载特性,cosj=0 的负载为纯电感负载，即y=90度。,负载特性：Ia=常数，功率因数cosj=常数时，端电压Uf（If）。其中当cosj=0时一条负载特性称为零功率因数特性。,具有相同相位。写出代数方程：,磁动势间和电动势间的关系：,零功率因数负载特性与空载特性之间相差一个特性三角形。（由电枢电流对应的等效励磁电流和漏抗压降IaX构成其中的两条边）测取零功率因数负载特性时电流I为恒值，该特性三角形大小不变。,反之，可以由空载特性和特性三角形求取零功率因数负载特性。,保梯（Potier)电抗：考虑转子漏磁影响，空载特性和零功率因数负载特性间的特性三角形是逐渐变动的。在UUN一点上得到的特性三角形称为保梯三角形，对应的漏抗称为保梯漏抗。,同步发电机的外特性,对于感性负载(j0,y90)，在励磁电流不变的情况下，随着电枢电流的增大，电枢反应的去磁作用的增强，漏抗压降的增大，同步电机的外特性是下降的曲线。对于j0,y90 的容性负载，电枢反应表现为增磁作用，随着电枢电流的增大，端电压反而增大。,外特性：n=n1,If=常数,cosj=常数的条件下，同步发电机作单机运行时,端电压U随负载电流 而变化的关系,即U=f(I)曲线。,额定励磁电流：调节发电机的励磁，使其在额定负载（IIN，coscosN）时电机端电压为额定电压时的励磁电流。发电机的端电压随着负载电流的改变而变,保持额定运行时的励磁电流IfN 和转速nN 不变,将发电机的完全卸载,发电机的端电压将由 UN变化为励磁电势E0，电压变化的幅度可以用电压调整率来表示 U是发电机的性能指标之一，按国家标准规定 应不大于40%。,电压调整率,调整特性,调整特性：当nnN，U常数，cos常数时，励磁电流If和负载电流I的关系曲线Iff（I）。,同步发电机的直轴同步电抗和短路比,由空载和短路特性确定Xd的不饱和值 短路时，合成磁动势很小，按线性磁路考虑。任取一励磁电流Ifk,在气隙线和短路特性上查出励磁电动势E0和短路电流Ik,由空载和零功率因数负载特性确定Xd的饱和值 电机在额定电压下负载运行时，磁路处于饱和状态。近似地取零功率因数负载特性上IIN和UUN运行状态下地气隙磁动势作为发电机额定运行时饱和程度地依据。,短路比,在一个能产生空载电动势E0等于额定电压的励磁电流If0下进行三相稳态短路试验，得到的稳态短路电流Ik0与发电机的额定电流IN的比值。即：产生空载额定电压和产生额定短路电路所需的励磁电流之比。,计及饱和影响的电机参数。,气隙线,空载特性,短路特性,Ifk,If0,If0,E0,UN,IN,IkN,稳态参数的测定,转差法测定Xd和Xq：,励磁绕组开路，被试电机拖到接近同步速，在电枢绕组上外施三相对称低电压（约0.1UN，保证电机不牵入同步),外施电压的相序使定子绕组旋转磁场的转向与转子转向相同。电机实际转速略小于同步转速，电枢磁势以sn1的速度掠过转子表面。记录电枢电压、电枢电流以及转子感应电压的波形。,Fa对准直轴时，电枢反应电抗大，电流小，电枢端电压大（由于供电线路的压降），转子感应电压为零；Fa对准交轴时，电枢反应电抗小，电流大，电枢端电压小，转子感应电压最大。,提高了供电的可靠性；提高了供电的经济性和灵活性；提高了供电质量,同步发电机的并联运行,并联合闸的条件:发电机和电网连接的相序应相同；发电机和电网的频率应相同；发电机和电网的电压波形应相同；发电机和电网电压的大小和相位相同；,投入并联进行的调节和操作过程称为同步过程。同步方法：准同步法，自同步法,投入并联的方法,准同步：把发电机调整到完全合乎投入并联条件再进行并联合闸。分交叉接法和直接接法,频率不等时,三个灯同时呈现时亮时暗的现象;调节发电机的转速，直到三个灯的亮度不再闪烁;调节发电机电压的大小和相位(相位可通过调节发电机的瞬时速度来调整)，直到三个灯同时熄灭.,灯光熄灭法,交叉接法（旋转灯光法）,灯光顺时针或逆时针旋转，说明发电机的输出频率与电网不一致。当发电机的频率接近电网频率时，可观察到灯光的旋转越来越慢，在第一对相灯全暗的瞬间合闸，将电机并入电网。依靠电机的自整步作用，将电机牵入同步。,调节发电机的转速调节频率；调节发电机的励磁调节电压；,自整步法,在相序一致的情况下将励磁绕组通过适当的电阻短接；用原动机把发电机拖动到接近同步速(相差25)；在没有接通励磁电流的情况下将发电机接入电网；再接通励磁并调节励磁强弱，依靠定子磁场和转子磁场之间的电磁转矩将转子拉入同步转速。,注意：励磁绕组必须通过一限流电阻短接。因为直接开路，将在其中感应出危险的高压；直接短路，将在定、转子绕组间产生很大的冲击电流。自同步法的优点：操作简单，方便快捷；缺点：合闸时有冲击电流。,同步发电机的功率和转矩方程,（1）功率平衡式,同步发电机由原动机拖动，从转子轴上输入机械功率P1，从定子输出电功率P2。,P1,Pem,P2,pmec,pFe，pad,pcu1,功率平衡式：,转矩平衡式：,当忽略电枢绕组损耗时，,功角特性 Pemf（）,对于隐极机，XdXqXt，只有基本电磁功率,同步电动机的电磁转矩：,凸极机：,隐极机：,附加转矩的作用,与大电网并联时有功功率调节和静态稳定,同步电机空载运行，不输出有功功率，,静态稳定,比整步功率,过载能力,过载能力：最大电磁功率与额定功率的比值。,1、凸极机功角特性中，两个分量的大小比较；2、不同励磁时功角特性的变化；3、有功功率调节时，无功功率的变化情况；4、同步电机的圆图；5、静态稳定和动态稳定,与大电网并联运行补充说明,无功功率调节和V形曲线,以忽略电枢电阻和磁饱和影响的隐极机为例。,电网电压、频率不变，发电机在理想条件下并联合闸：合闸后，电枢电流为零，此时的励磁电流称为正常励磁电流。发电机没有有功负载，也没有无功负载。保持原动机输出不变，励磁电流调大，称为过励磁。发电机送出滞后的无功电流，产生去磁的电枢反应 保持原动机输出不变，励磁电流调小，称为欠励磁。发电机送出超前的无功电流产生助磁的电枢反应,以忽略电枢电阻和磁饱和影响的隐极机为例。,在原动机输入有功功率P1，发电机输出有功功率，且保持不变的情况下，忽略电枢绕组损耗，有,当磁路不饱和，电网电压U、同步电抗Xt不变,电流与电压同相时，0，cos 1，发电机输出有功，电流最小，“正常励磁”。励磁增大，E0增大，I增大，并落后于电压，发电机输出滞后的无功功率；发电机处于“过励”状态；励磁减小，E0减小，I增大，但超前电压，发电机输出超前的无功功率；发电机处于“欠励”状态；当励磁电流减小，与 垂直，900，达到静态稳定极限。,调节励磁电流的现象,二、V形曲线,发电机在原动机输入功率恒定、电网电压恒定时，电枢电流和励磁电流之间的关系曲线，形状如“V”，称V形曲线。,每一条V形曲线的最低点，表示，相应的励磁状态为正常励磁（右斜？）。正常励磁左为欠励区，功率因数超前；右为过励区，功率因数滞后；在欠励区，励磁电流过小，900对应静态稳定极限。输出功率的增大，曲线往上移。,（电网电压发生波动时，V型曲线如何变化？）,同步发电机在原动机输入功率不变的情况下，调节励磁电流可以改变功率因数；在励磁电流不变的情况下，改变原动机输入功率，不仅有功功率发生变化，无功功率也会发生变化。,结论,同步电动机和同步调相机,同步电动机作为一种恒速电动机广泛用以拖动大容量恒速机械。优点：功率因数可以调节以改善电网的功率因数缺点：比异步电动机结果复杂，造价高同步调相机：实质是空载运行的同步电动机，专门用来产生无功功率，改善电网的功率因数。,发电机转变为电动机的过程,发电机状态,电动机状态,当同步发电机转变为同步电动机时功率角、电磁转矩和电磁功率由正值变为负值，机电能量转换过程发生逆变。,(a)为过励磁电流，0,无功功率是正值，表示同步电动机从电源吸收无功功率；,同步电机运行方式的判据,无论用发电机惯例还是用电动机惯例，一台同步电机究竟是发电机还是电动机运行的判断关键：转子励磁磁动势是超前气隙磁通密度，还是滞后于它 超前时，是发电机运行，滞后时，是电动机运行。,同步电动机的电动势方程,按照规定的参考正方向，电枢绕组一相的电动势平衡方程：,漏抗电动势写成漏抗压降形式，,电枢反应电动势用电枢反应电抗压降形式表示,Xa为电枢反应电抗,Xt：为同步电机的同步电抗，磁路不饱和时为常数。,隐极同步电机的等效电路图：,按规定的参考正方向，电压方程为：,Xd：直轴同步电抗；Xq：交轴同步电抗,凸极机的电压方程,二、同步电动机的相量图,隐极同步机：,凸极同步机：,同步电机的功角特性,一、功角特性和矩角特性：,（1）功率平衡式,同步电动机正常工作时，定子从电网吸收电功率，转子轴上输出机械功率。,P1,Pem,P2,pcu1,pFe,p,pf,输入功率：定子绕组铜耗：电磁功率：,运行特性包括：工作特性、起动和调速。工作特性指U和If为常数时，Tem、I、cos、n等与输出功率的关系。,当忽略电枢绕组损耗时，,功角特性,同步电动机的电磁转矩：,凸极机：,隐极机：,功角、矩角特性：发电机状态0；凸极机的电磁转矩包含有基本分量和附加分量；,同步电动机的工作特性,不同励磁时的功率因数特性,二、有功功率的调节和静态稳定,同步电机空载运行，,负载增加，转子减速，转子磁势Ff滞后合成磁场，电机输出一定的功率和转矩。,同步电动机的有功功率调节，取决于总负载转矩的变化，电动机自动改变角，调整从电网吸收的有功功率。,同步电机的无功功率调节,以隐极机为例。,在恒转矩负载运行时，忽略电枢绕组损耗，有,当磁路不饱和，U、Xt不变,电流与电压同相时，0，cos 1，电动机吸收有功，电流最小，“正常励磁”。励磁增大，E0增大，I增大，并超前电压，电动机吸收超前的无功功率，“过励”；励磁减小，E0减小，I增大，但落后电压，电动机吸收滞后的无功功率，“欠励”；当励磁电流减小，与 垂直，900，达到静态稳定极限。,调节励磁电流的现象,二、V形曲线,电动机在输出功率恒定、电网电压恒定时，电枢电流和励磁电流之间的关系曲线，形状如“V”，称V形曲线。,每一条V形曲线的最低点，表示，相应的励磁状态为正常励磁。正常励磁左为欠励区，功率因数滞后；右为过励区，功率因数超前；在欠励区，900对应静态稳定极限。输出功率的增大，曲线往上移。,同步电机的起动,同步电动机在定子旋转磁场和转子励磁磁场同步旋转，两者相对静止时，产生平均电磁转矩。,如果把同步电动机直接投入电网并加上励磁电流？,转子受到的平均转矩为0，同步电动机不能直接起动。,起动的方法：异步起动、辅助电机起动和变频起动。,异步起动：利用转子上的阻尼绕组产生异步转矩，使转子转动。（注：与异步电机的区别）起动过程：励磁绕组通过一个电阻短路限制电流，通过阻尼绕组产生感应电势、电流和电磁转矩，使电机旋转；接近同步速时，接入励磁电流，牵入同步。,辅助电机起动：用容量为515、同步转速和同步电动机转速相同的异步电动机拖动同步电动机到接近同步速后，将同步电动机投入电网。适用于轻载。,变频起动：逐渐升高电源频率，使转子在低速起动，转速随频率的升高而升高直至达到同步转速。通过改变旋转磁场的转速产生同步转矩使转子转动。,同步机起动,调相机（同步补偿机）,同步补偿机，就是不带机械负载的同步电动机。电网担负滞后功率因数的负载时，同步电动机采用过励磁运行电网担负超前功率因数的负载时，同步电动机采用欠励磁运行。要求励磁电流能自动调节作用：受电端补偿、中间端补偿,不对称运行的分析方法,采用对称分量法：将不对称的电压和电流分解出正、负、零序三组分量。,正序阻抗：转子正向同步旋转、励磁电流接通、电枢绕组流通正序电流时，同步电机表现的阻抗；负序阻抗：正向同步旋转、励磁绕组短路、电枢绕组线端加对称的负序电压时，负序电枢电流表现的阻抗；零序阻抗：转子正向同步旋转。励磁绕组短接、电枢零序电流表现的阻抗为零序阻抗。,稳态不对称短路,单相线对中点短路 发电机中点接地，发生单相对地短路的短路故障。发电机的约束条件：,两相线对线短路,同步机一相空载，另两相之间带单相负载。边界条件为：,同步电机的三相突然短路,分析的基本方法：超导体回路磁链的守恒原理：在无电阻的闭合回路中，无论外回路对此回路的磁链怎样变化，由于此回路电流所生磁链的“抵制作用”，闭合回路的总磁链值恒保持不变。在定子短路后的最初一两个周波内，磁链被认为近似不变，可利用磁链守恒原理计算突然短路电路的最初冲击。,物理过程,假设：转子的转速保持同步转速不变；电机磁路不饱和，可利用叠加原理；发电机最初为空载，然后出线端发生短路；发生短路后，励磁电流保持不变,定子各相绕组的磁链,短路瞬间磁链初始值：,励磁电流所生的磁链：,各相绕组电流产生的磁链,定子各相绕组的电流,非周期性分量：,每相合成电流,短路前后各相电流不能突变，电枢电流的交流分量，合起来产生与励磁磁场大小相等，极性相反的旋转磁场，电枢电流的直流分量，所建立的三相合成磁场与t0时的直流磁场大小相等，极性相反；,周期性分量：,转子绕组的电流和磁链,转子绕组总电流：,转子总磁链：,If0:,短路前原有的励磁电流,短路前原有的磁链,电机总的磁场分布,由于转子突增的非周期分量，对三相绕组的交流分量所生的去磁磁动势的对抗作用，电枢反应磁通不能进入转子绕组而被挤入转子绕组漏磁路上。为维持磁阻很大的d向磁通，定子需要很大的周期性电枢电流三相突然短路后三相电枢电流显著增大的根本原因。,阻尼绕组对于突然短路过程的影响,阻尼绕组产生非周期性电流，维持各自绕组的磁链守恒。周期性电枢电流的幅值比没有阻尼绕组时更大。,瞬态短路电抗,短路瞬间，被挤到阻尼绕组和励磁绕组漏磁路上的电枢反应磁通所经磁路的磁阻比主极磁通所经磁路的磁阻大得多，相应的Xd称为直轴超瞬变电抗。阻尼绕组时间常数小，电流很快衰减，电枢反应磁通可穿入阻尼绕组，此时相应的xd称为直轴瞬变电抗。当励磁电流的瞬变分量也衰减完，只剩下稳态电流时，对应的电抗即为稳态电抗。,瞬变电抗等效电路,直轴超瞬变电抗,直轴瞬变电抗,交轴超瞬变电抗,交轴瞬变电抗,同步电机的振荡,自由振荡 发电机并联到电网上所发生的，而且仅由本身的振荡系统所决定。强制振荡 由原动机引起的振荡。阻尼绕组的作用。,