同步电机的对称运行原理.ppt

1,第九章 三相同步发电机对称运行原理,本章内容:研究同步发电机的稳态对称运行的基本电磁关系同步发电机的空载运行对称负载时的电枢反应同步发电机的时间空间矢量图凸极同步发电机的双反应理论及磁势电势相量图隐极同步发电机的磁势电势相量图同步发电机的运行性能同步发电机励磁方式,2,3,9-1空载磁路和空载特性,主磁通磁极漏磁通主磁路（主磁通所经磁路）：气隙、电枢齿、电枢轭、磁极、磁极轭,励磁磁势和励磁磁场,4,一、同步电机气隙磁路特点,气隙磁场：(凸极、隐极）,基波气隙磁场幅值：,每极基波磁通量：,5,极弧系数：,计算极弧系数：空载时气隙的基波磁感应强度的平均值与实际气隙磁感应强度之比值,每极基波磁通量：,6,空载磁路的计算,目的与方法：安培环路定律：主磁路分为五段：气隙、电枢齿、电枢轭、磁极、磁极轭电机的磁化曲线：,7,二、空载特性,在一定的转速下，空载端电压随励磁电流变化的关系,即：,气隙线,电机的磁路饱和系数：,8,空载特性的作用,可以反映电机设计是否合理，电机的磁路是否过于饱和或者材料有没有充分利用。空载特性结合短路特性(在后面介绍)可以求取同步电机的参数。可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。,电枢反应,9,旋转磁势,10,旋转磁势,11,旋转磁势,12,三相合成旋转磁场的特点：,1）、磁势是空间运动的；2）、磁势的幅值恒定,用空间矢量表示时，磁势矢量顶点的轨迹是圆；,3）、磁势运动的速度同步转速：,4）、磁势运动的方向：从电流超前相转到电流滞后相5）、磁势合成矢量位置：当某相的电流为最大时，此时磁势的轴线在该相绕组的轴线上,返回,圆形旋转磁场：由三相对称绕组通入三相对称交流电产生,13,9-2同步发电机的电枢反应,空载时：励磁磁势，励磁电势E0负载时：三相感应电势，频率f=pn/60，三相电枢电流，电枢磁势电枢磁势基波：幅值 Fa=1.35IWkW1/p、转向同磁极的转向、转速 n1=60f/p=n 与磁极的转速相等电枢磁势的基波与磁极励磁磁势相对静止，共同产生气隙合成磁场,回顾,电枢磁场与转子磁场同向、同速旋转！,14,同步电机的电枢反应：,定义：同步电机的电枢反应：同步电机电枢磁势基波对磁极主磁场的影响电枢反应磁场：电枢磁势基波单独通过气隙所建立的磁场,15,一、负载性质对电枢反应的影响,性质：交轴电枢反应作用：1）扭歪主磁场 2）交轴磁势与主磁场相互作用产生电磁转矩，实现机电能量转换，必要条件,?直轴与交轴,16,2、电流 滞后励磁磁势,直轴去磁电枢反应,17,超前励磁磁势,直轴增磁电枢反应,3、电流,18,交轴电枢反应,直轴增磁电枢反应,直轴去磁电枢反应,19,二、双轴电枢反应分析法,1、一般负载情况时电枢磁势的分解,滞后励磁磁势 角,电流,20,直轴、交轴电枢磁场特点：波形对称、易于确定！,任意角度磁路直接计算困难！,21,双反应理论（双轴电枢反应分析法）,交轴电枢磁势：,直轴电枢磁势：,双反应理论：对于凸极同步电机，将电枢磁势分解成直轴分量和交轴分量，分别求出直轴和交轴电枢反应，然后再合成起来作用效果。,22,2、磁势电势矢量图,时间矢量图:（每相）时轴（时间矢量最大时刻）空间矢量图：相轴（绕组轴线）时空矢量图：,好处?,23,3、电枢磁势的折合,由于交轴、直轴磁路不相同，即使Ff、Fad、Faq三者幅值相等时，所建立的磁感应强度幅值和分布规律各不相同电枢磁势和励磁磁势产生基波磁场的能力不等效电枢反应计算时必须加以折算,24,（1）直轴电枢反应的折合,直轴电枢磁势折合系数：,单位安匝所建立的基波磁感应强度大小相比,Kad*Fad 折算后可与 Ff 合成直轴磁势：,折合的意义？,25,（2）交轴电枢反应的折合,交轴电枢磁势折合系数：,交轴磁势：Fq=Kaq*Faq,Kad、Kaq的求算 直接磁场分析，很复杂！（是极弧宽度的函数，同时与极靴形状、气隙大小的函数）查表法,26,电枢磁势折合系数：,27,9-3 电压平衡式和矢量图,一、电压平衡式和等值电路 电枢磁势Fa、励磁磁势 Ff 产生气隙磁场，感应气隙电势E 电枢磁势Fa 产生电枢漏磁场，感应漏磁感应电势E,1、等值电路：,28,2、电压平衡式：,3、矢量图：,E分析？凸极隐极？饱和？,29,二、不饱和凸极同步发电机,途径：双反应理论+叠加原理 励磁磁势 Ff、直轴电枢磁势Fad、交轴电枢磁势Faq分别 产生感应电势E0、Ead、Eaq，,电磁关系：,磁路不饱和，Ead、Eaq与Id、Iq成线性关系,电抠反应磁场由三相电枢磁势合成，因此电枢反应电抗包含了相绕组的自感电抗和相间的互感电抗,30,磁路不饱和，Ead、Eaq与Id、Iq成线性关系，相位上电势滞后90？,xad：直轴电枢反应电抗 xaq：交轴电枢反应电抗 物理意义：三相的单位直轴或交轴电流产生的电枢反应磁场在每相电枢绕组中所感应的电势,引入电抗,31,同步电抗直轴同步电抗：xd=xad+x交轴同步电抗：xq=xaq+x,同步电抗是对应电枢总磁场(包括电枢反应磁场和漏磁场)的电抗。,复杂的电磁现象转换为电路的方法！,32,功率角：,功率因数角：,内功率因数角：,矢量图：,的确定？,例题19-1,33,三、计及饱和的凸极同步发电机,饱和非线性！电抗变化运用双反应理论分析（不计直、交轴相互影响）励磁磁势 Ff、直轴电枢磁势Fad 直轴合成磁势Fd交轴电枢磁势Faq 交轴合成磁势Fq,空载特性,气隙线,34,矢量图：,没有了！,35,矢量图：,例题19-2,36,四、隐极式同步发电机,气隙均匀无需折合,无需双反应理论，励磁磁势与电枢磁势直接相加！,37,1、磁路不饱和,直轴、交轴电枢反应电抗：xad=xaq电枢反应电抗：xa=xad=xaq同步电抗：xs=xa+x1)、电压平衡式,2)、等值电路3)、矢量图：,38,2、计及饱和,电磁关系：,由负载条件和空载特性，可解算隐极同步发电机！,查空载特性,39,已知：U、I、，求 E0步骤：1)求,2)确定 F3)求,4)求 E0,40,(在W1中),电抗的基本概念,分析与讨论X和L的定义X和L的大小决定因素电抗、电感名称的理解磁路饱和对电抗的影响,41,9-4 电枢反应电抗和漏抗,一、电枢反应电抗（不饱和值）1、直轴电枢反应电抗（不饱和值）xadId建立直轴电枢磁场：,Fad建立的气隙磁感应强度：,每极基波磁通：,每相感应电势：,令：,则：,42,直轴电枢反应电抗（不饱和值）xad：,1、xad的物理意义：三相单位直轴电流产生的直轴电枢反应磁场在每相电枢绕组中所感应的电势2、磁路不饱和，常数，计及磁压降，其值要小3、由结构参数决定，正比于W2/4、电枢反应磁场，是m相的合成旋转磁场，其值既包括自感电抗，又包括互感电抗5、当某相电流为最大时，旋转磁场轴线与该相绕组的轴线重合，即每相绕组的磁通与电流同相位。所以，感应电势滞后磁通也即滞后电流90。,43,2、交轴电枢反应电抗（不饱和值）xaq,Iq建立交轴电枢磁场：,同理：交轴电枢反应电抗（不饱和值）,3、隐极同步电机的电枢反应电抗（不饱和值）xa,励磁磁势正弦分布，所以,电枢反应电抗（不饱和值）,电势：,44,二、电枢反应电抗（饱和值）,饱和电枢反应电抗也可用来表示电压平衡关系，但饱和后同步电机一般采用空载特性和磁势电势矢量图来分析 电枢反应电抗、同步电抗随饱和程度的变化而变 分析计算方法：空载特性+向量图,45,漏磁：槽部：槽漏磁 齿顶漏磁 端接部分：,基本漏抗：,谐波磁场：,谐波漏抗：,总漏抗：,三、电枢绕组漏抗,与基波同频,46,9-5 外特性和调节特性,一、外特性：在一定的转速和励磁电流时，端电压随负载电流变化的规律。,变化的原因：1、电枢反应2、电阻和漏抗的压降,47,电压调整率：在额定电压下和额定负载工况下，切除负载而不改变励磁电流时，端电压变化相对额定电压的百分比。,E与U的大小关系？,48,二、调节特性：,转速不变，维持电压不变时，励磁电流随负载电流变化的规律,容性？,49,9-6 短路特性和短路比,同步发电机的短路特性是将同步电机定子绕组出线端短路后，定子电流随励磁电流变化的特性短路试验也是同步电机的基本试验之一（短路比、同步电抗）实验方法：输出短接，拖到同步速，通入励磁电流，改变励磁电流，记录短路电流,50,三相稳定短路时，短路电流与励磁电流之间的关系。,一、短路特性：,短路特性是一条直线！,51,二、短路运行分析：,交轴电流为0，去磁作用使气隙磁场很弱，磁路不饱和！,ra很小！,52,稳态短路时磁势,If与Ik近似成正比,53,短路时端电压U=0，气隙电动势E等于电机漏阻抗压降E 较小，B较小合成磁动势F较小去磁作用，电机磁路不饱和，不饱和电抗短路电流Ik与If近似成正比，数值不大,稳态短路的运行特点：,54,三、短路比：,额定转速条件下空载电压为UN时的励磁电流为If0短路比定义一：指励磁电流为If0时的三相稳定短路电流IK0与额定电流IN之比,短路比定义二：空载额定电压时的励磁电流If0与三相短路电流等于额定电流时的励磁电流IfK之比,55,代入短路比公式,？,在短路试验时,56,短路比的几个结论,短路比随电机的饱和程度而增加，同时又随电抗Xd的增大而减小（匝数、气隙）短路比的大小对电机影响较大（短路电流、电压变化率、并联运行稳定性、体积重量）短路比的选择要兼顾运行性能和电机造价两个方面,57,9-7 同步电机电抗的测试,一、直轴同步电抗（不饱和值）xd的测试 空载特性试验和三相稳态短路特性试验,气隙线上查取！,转速对测量影响？,58,二、交轴同步电抗（不饱和值）xq的测试,小转差法：1、将转子由原动机拖动至接近同步速，保持小转差2、励磁绕组开路3、定子电枢绕组加三相交流电,59,三、漏抗x的测试,取出转子法：电枢绕组加低压三相交流电,xb通过加测试线圈测定。测量线圈的端电压Uc。,xb通过直接计算得到：,60,四、同步发电机的零功率因素负载特性和波梯电抗,1、同步发电机的零功率因素负载特性：纯电感负载，保持负载电流为常数，发电机端电压随励磁电流变化的特性曲线。,61,短路三角形或特性三角形,62,2、波梯电抗,同步发电机的零功率因素负载特性实际曲线与理论曲线不一致。原因：磁极漏磁随励磁电流的增大而增大，提高了磁极和磁轭的饱和程度，因此获得同样的气隙磁通所需的励磁电流比理论值要大。,63,波梯电抗（不同于漏抗）,五、电枢反应电抗,