同步电机的基本理论和运行特.ppt

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1、第四篇 同 步 电 机,福州大学电气工程与自动化学院电机学教研组,电机学多媒体课件系列,2006.8,第十二章 同步电机的基本理论和运行特性,第十二章 同步电机的基本理论和运行特性 12.1 同步电机的结构 12.2 同步电机的励磁系统 12.3 同步电机的空载运行 12.4 对称负载时的电枢反应 12.5 隐极同步发电机的分析方法 12.6 凸极同步发电机的分析方法 12.7 电枢绕组的漏抗 12.8 同步发电机的空载、短路和负载特性 12.9 同步发电机的参数及测定 12.10 同步发电机的稳态运行特性,目 录,12.1 同步电机的结构,1、基本特点 根据电磁感应原理工作的交流旋转电机 转

2、子转速固定为同步转速,2、主要用途 主要作发电机 电动机（无需调速、低速大功率机械、改善功率因数）补偿机（空转的同步电动机，向电网输送无功功率）,当f=50Hz时，p=1、2、3、4、5 则：n=n1=3000、1500、1000、750、600,一、同步电机的基本工作原理A、同步发电机,原动机拖动转子,转子磁场切割定子绕组,感应三相交流电势,转子加直流励磁,定子铁芯电枢绕组(交流)转子铁芯励磁绕组(直流),与异步机比较,B、同步电动机：定子：三相绕组通入三相交流电产生气隙旋转磁场转子：磁极的励磁绕组通入直流电产生转子磁场定子、转子相互吸引，转子跟随定子旋转磁场旋转,可见：无论是同步发电机还是

3、同步电动机，恒有：,两种旋转磁场,电枢磁场(交流励磁的旋转磁场),转子磁极磁场(直流励磁的机械旋转磁场),思考：区别（产生机理、转速、分布）？,N1,S2,定子,发电机转子磁场Ff超前于电枢磁场FaTe与n1反向,同步机的三种运行方式:,阻力,电 机,旋转电枢式,旋转磁极式,隐极式（Salient-pole）,凸极式（Cylindrical-Rotor）,电枢：高电压、大电流，装在定子便于引出磁极(励磁)：电流小，通过电刷可以引入转子,用于小容量或特殊用途同步电机如同步电机的交流励磁机,二、同步电机的构造特点,Back,同步电机的组成：定子、(气隙)、转子,气隙,1、定子（同一般的交流电机相似

4、；尺寸大，常采用拼装）,组成：铁芯、绕组、机座及其他部件,0.350.5mm硅钢片，叠压定子铁心 由扇型片拼成，省材，便于运输矩形开口槽,径向,轴向通风道定子绕组三相对称双层绕组(电枢）扁铜线绕制而成,采用成型线圈机 座用钢板焊接而成其他部件隔振结构、电刷等,隐极机定子,(隐)内定子插入外机座,(隐)外机座加工,凸极机定子机座,2、转子,汽轮发电机转子(隐极),最大直径限制在1m左右瘦长型：采用增大长度来增大容量（l/D=57)形式：整块式、组合式其它部件：转轴、风扇、集电环大齿：小齿=1：2,水轮发电机转子(凸极),吊装中的水轮发电机转子(320MW),结构：凸极、极靴、阻尼绕组、转子支架形

5、式：矮胖，直径大（10m）安装：悬式、伞式(见下图),磁极铁芯、转子轭、支撑筋、转轴,阻尼绕组及作用,转子其它部件：,1、上导轴承2、上机架3、推力轴承4、下导轴承5、下机架,伞式：优减小电机的轴向高度和厂房高度，节约投资 缺机械稳定性稍差，用于低速悬式：优减小振动和增加机械稳定性，用于高速 缺轴向高度大，投资成本高,隐极式（Salient-pole）,凸极式（Cylindrical-Rotor）,总结对比,汽轮发电机组,水轮发电机组,三、同步电机的额定值（铭牌）,额定容量SN(或功率PN)：额定运行时的输出容量（或功率）额定电压UN 定子的线电压 额定电流IN 定子的线电流 额定功率因数co

6、sN 额定运行时电机的功率因数 额定频率fN 我国标准工频50Hz额定转速nN 即为同步转速额定效率N（发电机：)（电动机：)额定励磁电压UfN和额定励磁电流IfN,课时小结,同步电机命名的由来？同步电机的基本特点和主要用途？电机产生旋转磁场的机理有哪些？它们间有什么异共同点？隐极机和凸极极的各自的结构特点比较？同步电机运行方式？判别依据？同步电机的额定值间的关系？,12.2 同步电机的励磁系统,励磁系统为同步电机提供励磁电流(直流)的整个系统,一、励磁系统应满足的条件:能稳定提供发电机从空载到满载(及过载)所需的If当电网电压减小时,能快速强行励磁,提高系统稳定性.发电机突然甩负荷时能快速减

7、磁，限制电压过高当电机内部发生短路故障时,能快速灭磁.运行可靠,维护方便,简单,经济.多台并联运行时，能够成组配合调节无功功率.,直流励磁机与同步发电机同轴最常用直流并励发电机;也有采用它励直流发电机一般带有自动电压调节器,1、直流励磁机励磁系统,注：红色为转动部件,2、交流励磁机整流励磁系统,1）静止整流励磁系统(他励),交流励磁机与整流装置相配合又可分为静止整流励磁和旋转整流励磁无电刷和集电环，系统运行可靠，励磁容量高,2）旋转整流励磁系统(无刷励磁系统),主励磁机采用旋转电枢式三相同步发电机无电刷和集电环，运行可靠，适用于防燃防爆场合但灭磁时间常数大，转子绕组保护困难,12.3 同步电机

8、的空载运行,空载的定义,空载电动势E0,空载电动势E0随时间变化规律与转子磁场沿空间分布规律相同。,If=IfN，n=nN定子绕组开路的状态,沿气隙分布,绕组磁通,感应电动势,一、隐极式同步电机的空载磁动势,定义：励磁磁动势波形系数,实际波形,基波分量,转子磁极,转子绕组,kf取决于r（小齿齿距之和/极距）,二、凸极式同步电机的空载磁动势,实际波形,基波分量,转子磁极,转子绕组,三、时间相量和空间矢量,时空矢量图的定义：将具有相同角速度的空间矢量和 时间相量画在同一坐标即为时空矢量图。,思考：相量图和矢量图的区别？,1=2f,同步电机空载时的时空矢量图,时间相量和空间矢量都以相绕组轴线作为参考

9、轴。,同步电机空载时的时空矢量图,说明1时间相角有明确的物理意义，空间相角也有明确的物理意义，但是时、空之间的“相角”无物理意义。2参考轴可以任意选择，但一般选择在相绕组轴线3空间矢量是由三相电枢或主极的共同作用产生的，如磁动势和磁通密度。而时间相量仅指一相的量，表示其电动势、电压、电流及绕组匝链的磁通。4空间矢量相对于转子而言是静止的，由于转子以同步速旋转，所以空间矢量相对于气隙而言就是以同步速旋转的。,四、空载电动势相量,气隙磁场由转子磁极建立磁通：主磁通和漏磁通主磁路：气隙、电枢齿、电枢轭、磁极极身、转子轭,五、电压波形的正弦畸变率,定义：,额定容量为10VA到1MVA的交流发电机，其线

10、电压波形允许的正弦畸变率不超过10%额定容量为1MVA以上的交流发电机，其线电压波形允许的正弦畸变率不超过5%,课时小结,同步发电机励磁可分为哪几类？同步发电机空载时气隙磁动势是定子还是转子产生的？磁动势实际波形是什么波（隐极和凸极）？波形系数如何定义？空间矢量和时间相量的物理意义有何区别？同步电机中哪些量是空间矢量，哪些量是时间相量？何谓时空矢量图？同步发电机空载时的时空矢量图？电压波形正弦畸变率的定义是什么？,12.4 对称负载时的电枢反应,电枢反应的概念,电机带负载后，电枢电流产生的磁场将使空载气隙磁场的分布发生变化，从而使绕组中的感应电动势发生变化，这种现象称为电枢反应。,这是为了分析

11、电机特性而引入的角度,负载时的时空矢量图,四个轴：直轴、交轴、相轴、时轴,空载时空矢量图,一、和 同相()时的电枢反应,交轴电枢反应,二、滞后 90()时的电枢反应,直轴去磁电枢反应,此时同步电机处于补偿机运行状态，仅输出感性无功功率到电网。,特点：滞后 180，作用在直轴，是直轴电枢反应。电枢反应起去磁作用。,结论：过励运行状态的同步电机将向电网输送感性无功功率。,过励状态：当电枢反应起去磁作用时，为保持电网电压不变，必须增大励磁电流，增大励磁电流后的运行状态称为过励状态。,三、滞后 180()时的电枢反应,交轴电枢反应,此时同步电机处于电动机运行状态，从电网吸收有功功率到电动机，电动机输出

12、机械功率。,特点：超前 90，作用在交轴，是交轴电枢反应。,四、超前 90()时的电枢反应,直轴助磁电枢反应,此时同步电机仅输出容性无功功率到电网。,欠励状态：当电枢反应起助磁作用时，为保持电网电压不变，必须减小励磁电流，减小励磁电流后的运行状态称为欠励状态。,结论：欠励运行状态的同步电机将向电网输送容性无功功率。,特点：与 同相位，作用在直轴，是直轴电枢反应。电枢反应起助磁作用。,五、一般情况下的电枢反应,直轴分量：,交轴分量：,可以把电枢电流和电枢反应磁动势分解为两个分量：,根据 角判断同步电机的运行方式,1、当-/20 电机向电网输出有功功率-发电机2、当/23/2时，cos0 电机从电

13、网吸收有功功率-电动机3、当=/2时，cos=0，sin=1 有功为零，向电网输出感性无功-补偿机4、当=-/2时，cos=0，sin=-1 有功为零，向电网输出容性无功,小结,=0/2发电机/过激,=/2 电动机/过激,=-/20发电机/欠激,=-/2电动机/欠激,Ff1超前Fa时，为发电机运行状态Ff1滞后Fa时，为电动机运行状态,Fad,Fad与Ff1同方向时，助磁，为欠激状态Fad与Ff1反方向时，去磁，为过激状态,电枢反应是传递能量的关键,1、空载时定子绕组开路I=0（Fa=0）无电枢反应不传递能量,2、负载时I0(Fa 0)存在电枢反应有能量传递(随负载变化),3、结论电枢反应是能

14、量传递的关键提高原动机输入可以提高发电机输出功率，并保持n1不变T1P、Q提高转子If可以提高发电机无功功率输出，并保持端电压不变If P不变、Q,课时小结,电枢反应的概念？两磁场？三个角？四个轴？任意角度电枢反应的分析（画负载时空矢量图）？如何根据判别同步电机的运行方式？同步电机运行方式的判别依据是什么？为什么说电枢反应是能量传送的关键？,12.5 隐极同步发电机的分析方法,一、不计磁路磁饱和时,电路方程和等效电路,负载情况下：,*注：磁场对转子绕组无相对运动,电枢反应电抗和同步电抗,k 有效气隙长度 l 每极面积0=410-7 H/m,Xa是三相合成气隙旋转磁场对应的电抗，要比每相激磁电抗

15、 大3/2倍，更大于漏抗XX很小，因此Xa与Xs在数值上相差不大与异步机的Xm相比较，数值上Xa小于Xm（同步机气隙较大）Xa与Xm（异步机）均为每相值，各相相等Xs为定子侧总电抗大小关系：XsXaX,隐极发电机的相量图,过励隐极同步发电机相量图,步骤：以U为参考，画I画E画E0=E-Ea标注各角度画磁通=a+0,二、考虑磁路磁饱和时,考虑磁饱和时，由于磁路的非线性，叠加原理不再适用。此时，应先求出作用在主磁路上的合成磁动势F，然后利用电机的磁化曲线(空载曲线)求出负载时的气隙磁通 及相应的气隙电动势,12.6 凸极同步发电机的分析方法,一、双反应理论 考虑到凸极电机气隙的不均匀性，把电枢反应

16、分成直轴和交轴电枢反应分别来处理的方法，就称为双反应理论。,注意：Fad和Faq都是正弦波，但由于气隙不均匀，所以其对应的磁密波不是正弦波,二、电路方程和等效电路,物理过程：,定子侧电路方程,等效电路,三、直、交轴电枢反应电抗和同步电抗,直轴电枢反应电抗,交轴电枢反应电抗,交、直轴同步电抗,*隐极机可以看成是凸极机的特例，即：Kd=Kq=1xad=xaq=xa电枢反应电抗xd=xq=xs同步电抗,四、凸极发电机的相量图,由上可见：同相位。,过励凸极同步发电机相量图,步骤：以U为参考，画I画EQ，并确定d、q轴争分解电流I画E0=EQ+jId(Xd-Xq)完成相量图,课时小结,何为双反应理论？交

17、、直轴电枢磁场磁动势实际波形？交、直轴电枢磁场磁密实际波形？（分析时均取其基波分量）隐极同步电机的电路方程、等效电路和相量图？凸极同步电机的电路方程、等效电路和相量图？理解：电枢反应电抗、漏抗、同步电抗比较大小：xsxaxxdxqx书面作业：12-1、12-3,12.7 电枢绕组的漏抗,电枢绕组总磁通,差漏抗（或谐波漏抗）x,常数、较小,(0.10.2)X,电枢绕组漏磁通的影响：槽漏磁通使导体内的电流产生集肤效应 绕组的铜耗增加 端部漏磁通将在端部构件（端盖、压环等）引起涡流，产生局部发热 漏磁电动势将影响电机的端电压(波形和幅值),12.8 同步发电机的空载、短路和负载特性,1、空载特性：,

18、2、短路特性：,同步发电机的开路、短路及零功率因数特性都是同步发电机的基本特性，通过它们可以求出同步电机的同步电抗及漏电抗，及确定同步发电机的其他特性。,3、负载特性：,零功率因数特性：,一、空载特性：当同步发电机运行于 时，即称为空载运行。,去磁曲线,剩磁电势Er,空载特性讨论：空载特性体现电机中磁与电的关系，反映电机设计合理性实验室测定的空载特性是去磁曲线(下降)，且需单方向测量，当Er大时需修正典型空载特性曲线 充分利用材料、防止过饱和饱和系数：作用：用于求同步电机的主要参数和其它运行特性 用于检查三相电枢绕组的对称性（曲线下降匝间短路）,二、短路特性：同步发电机三相稳态短路试验时，电枢

19、短路电流Ik与励磁电流If间的关系曲线，称为短路特性。将U=0、I=Ik代入同步发电机的电路方程，忽略电枢电阻ra，则有：,可见，=900，Ik为纯感性负载(仅有直轴分量),=900时为直轴去磁电枢反应Ik去磁磁路不饱和由E=E0+Ea=jIkx可见E Ik，且E F，则 F Ik，Fa IkIf Ff=F-Fa Ik故，短路特性Ik=f(If)是条直线,不饱和时成立,短路实验步骤：将三相电枢绕组出线端短接起动原动机将同步发电机带到同步速n1通入不同的If，读取相应的短路电流Ik(1.11.3)IN,短路实验特性讨论：特性曲线是条直线（磁路不饱和）电枢反应呈直轴去磁作用（=90o）,Iq=0作

20、用：用于求同步发电机的电抗参数,三、负载特性：当同步发电机电枢电流I=const、cos=const时，端电压U与励磁电流If的关系U=f(If)称为负载特性,零功率因数负载特性分析,同步发电机带纯电感性负载（cos=0、I=IN）时的特性,相量图,cos=0=900=90,隐极同步发电机,=90,忽略ra,由相量图可得：=90,为纯直轴去磁电枢反应,无交轴分量Iq=0对于隐极电机：E0与U同相位且有 U=E0-Ixs=E-Ix对于凸极电机：Iq=0，即 U=E0-Ixd=E-Ix,B,零功率因数特性曲线,电抗（特性）三角形abc,作图法求abc,Ff/,曲线各段物理意义,实验法测定零功率因数

21、特性曲线,特殊点e、c点：e点（额定短路点）：调节If使得Ik=IN、U=0时，读取If=Ifkc点（定额点）：发电机接于电网UN，当发电机处于过激状态且电枢电流为IN，输出有功功率为0时，读取If值。,e,c,注:cd=oe,ad/of,课时小结,空载特性实验及其曲线：去磁曲线、单方向下降测量、剩磁电动势、曲线修正、空载特性的作用？短路特性实验及其曲线：电枢反应特点、特性曲线特征及原因零功率因数特性曲线形状？电抗三角形？各坐标意义？实验法测定零功率因数特性曲线的方法？不同性质负载其负载特性曲线的特点？,12.8 同步发电机的参数及测定,一、同步电抗的测定,不饱和同步电抗的测定,隐极同步发电机

22、,短路时有（忽略 ra）：,E0为饱和点时，不饱和时对应于E0,凸极同步发电机,短路时有只有直轴电枢反应，即Iq=0,Id=Ik,讨论：利用空载和短路特性求不饱和同步电抗 E0、E0、Ik均用每相值进行计算 凸极机的 Xq 需用其它方法测定（转差率法）,标么值,求饱和同步电抗-利用空载和零功率因数特性曲线,在零功率因数负载下，由相量图得：,同理：,由图可见：饱和度同步电抗,二、短路比,定义1、使空载时电动势等于额定值（E0=UN）的励磁电流 If0 与短路时短路电流为额定值（Ik=IN）的励磁电流 Ifk 之比。2、加额定励磁电流 If0 时测得的短路电流 Ik0 与额定电流 IN 之比,短路

23、比与同步电抗的关系,（c01）,短路比的选择,Kkxd过载能力端电压变化（u%小，稳定）气隙励磁安匝 用铜量成本,三、漏抗的测定和保梯电抗,1、漏抗的测定 利用空载和零功率因数特性曲线,方法一：作电抗三角形,方法二：抽出转子法抽出转子定子加（1025）%UN、fN电压U使得I=IN 测得电枢端电压U,2、保梯电抗xp的测定,实测的零功率因数曲线比理论曲线稍弯曲。原因：零功率负载时，磁极漏磁较大，极芯饱和度较高，所需的励磁电流omom,保梯三角形abc,四、转差率法测定xd和xq(不饱和值),转子开路If=0,电机由原动机带动到n(9899)%n1定子外施电压（25)%uN相序与转速一致,定子绕

24、组上测定：umax、Imin定子旋转磁场轴线与转子直轴重合时umin、Imax定子旋转磁场轴线与转子交轴重合时,注：XI线路压降端电压U最大,计算xd和xq（低压不饱和值)：,12.8 同步发电机的稳态运行特性,稳态运行特性：外特性、调整特性和效率特性用 途：确定电压调整率、IfN、N等,一、外特性nn1If=constcos=const时，U=f(I)。,外特性与负载性质的关系：,定义：额定工作状态下的同步发电机，保持IfN、n1不变时，卸去负载后，端电压变化的数值用额定电压的百分数表示。,二、电压调整(变化)率：,定义：nn1，U=UN，cos=const时，If=f(I)。,三、调整特性,定义：nn1，U=UN，cos=cos N时，=f(P2)。,四、效率特性,方法：直接负载法 损耗分离法,课时小结,同步电抗的测定：不饱和同步电抗xs、xd：空载、短路（注意气隙线问题）饱和同步电抗xs、xd：空载、零功率(注意饱和度的影响)短路比的两种定义及公式，其值对同步发电机性能的影响？漏抗x的测定方法？（两种）转差法测定交、直轴不饱和同步电抗的方法和计算式？书面作业：12-5、12-7,附录一：,Back,