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1、概述,电机学,第 6 章,6.1.1同步电机的结构型式,一、汽轮同步电机的基本结构定子 定子铁心：硅钢片叠成。机座：钢板焊接面成，有足够的强度和钢度。电枢绕组：三相对称绕组铜线制成 转子转子铁心：采用整块的含铬、镍和钼的合金钢锻成护环：保护励磁绕组受离心力时不甩出励磁绕组：铜线制成滑环：引励磁电流经电刷、滑环进入励磁绕组中心环：支持护环，阻止励磁绕组轴向移动,同步电机的基本工作原理,励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁场，原动机拖动转子以转速n 旋转时，其磁场切割定子绕组而感应交流电动势 。波形：由e=Blv可知，波形取决于磁密的空间分布。频率：f=pn/60 大小：E=4.44fN1kw1 相序
2、：由转子的转向决定,同步电机的分类,按运行方式，同步电机分发电机、电动机和调相机。按结构型式，同步电机分旋转电枢式和旋转磁极式。旋转磁极式同步电机按磁极形状，又分隐极式和凸极式两种。按原动机类别,同步电机分为汽轮发电机、水轮发电机和柴油发电机等。汽轮发电机一般作成隐极式，现代汽轮发电机均为2极，转速为3000转/分钟，水轮发电机采用凸极式，极数多，转速低。同步电动机、柴油发电机和调相机一般作成凸极式。按冷却介质和冷却方式分，有空外冷、氢冷、水内冷,同步电机的型号,型号发电机型号表示该发电机的类型和特点 QFQS-200-2表示定子绕组水内冷、转子绕组氢内冷、铁心氢冷的二极汽轮发电机，容量为20
3、0MW。 854/210-40表示立式同步水轮发电机，定子铁心外径为854cm，定子铁心长度为210cm，有40个磁极。,额定容量和额定功率指电机额定运行时，输出功率的保证值。同步发电机是指输出的额定视在功率或有功功率，单位是KVA或KW。电动机额定容量是指额定条件下转轴上输出的机械功率，单位是KW。调相机用KVA或Kvar表示。额定电压 额定运行时加在三相定子绕组上的线电压。 额定电流在额定运行状态下三相定子绕组的线电流.,额定值,6.2同步发电机的运行原理,同步发电机的电枢反应 同步发电机的电动势方程和相量图；同步发电机的运行特性同步发电机的并列同步发电机的有功功率功角特性和静态稳定 同步
4、发电机的无功功率功角特性和形曲线同步调相机和同步电动机,同步发电机的空载运行,同步发电机转子由原动机拖动到同步转速，转子绕组通以恒定的直流励磁电流，定子电枢绕组开路，这种运行状态，称为同步发电机的空载运行。 励磁电流If单独建立的励磁磁动势Ff产生的主、漏通。主、漏磁通均随转子旋转，在气隙中形成旋转磁场。主磁通交链电枢绕组，在电枢绕组中感应电动势； 漏磁通不交链电枢绕组，不在电枢绕组中感应电动势，不参与定、转子之间的能量转换.,空载特性,空载时电磁关系：空载特性：空载电动势 大小：空载特性曲线：气隙线,电枢反应,电机带上负载后，电枢磁动势的基波在气隙中使气隙 磁通的大小及位置均发生变化, 这种
5、影响称为电枢反应. 电枢反应的性质，取决于电枢磁动势基波和励磁磁动势基波 之间的相对位置，即与空载电动势 和电枢电流 之间的夹角有关.,励磁磁势和电枢磁势的区别,由电流相序决定由原动机决定转向由磁极对数和电流频率决定由电流瞬时值决定恒定，由电枢电流决定正弦波电枢反应磁动势由原动机的转速决定由转子位置决定恒定，由励磁电流决定正弦波励磁磁动势转速位置大小基波波形,准备工作,1.三个角 1)内功率因数角,是E0与F之间的时间相位角,与电机参数及负载有关.,2)外功率因数角,是U与F之间的时间相位角,与负载有关,3)功率角(功角),是E0与U之间的时间相位角.,三个角之间的关系为=+,2.四个轴,直轴
6、(纵轴、d轴）：主磁极轴线位置。 交轴（横轴、q轴）： 与直轴成900电角度的位置。相轴： 每相绕组的轴线位置。时轴： 时间相量在其上投影可得到时间量的瞬时值。,同步电机结构图,1.=0时的电枢反应,空载电动势E0和电枢电流Ia同相位.,C轴,q轴 A轴,B轴,A,B,C,Ff与Fa的夹角为+90电枢反应性质： 交轴电枢反应,2.=90时的电枢反应,空载电动势 E0 超前电枢电流Ia90,Ff与Fa的夹角为+90,电枢反应性质：,直轴去磁电枢反应,3.=-90时的电枢反应,空载电动势 E0 滞后电枢电流Ia90,Ff与Fa的夹角为+90,电枢反应性质：,直轴助磁电枢反应,4.090时的电枢反应
7、,空载电动势 E0 超前电枢电流,Ff与Fa的夹角为+90,电枢反应性质：,交轴电枢反应兼直轴去磁电枢反应,4.090时的电枢反应,此种情况下,-直轴分量 -交轴分量,4.090时的电枢反应,此种情况下,-直轴分量电流产生的合成磁动势 -交轴分量电流产生的合成磁动势,一般情况下的电枢反应（总结）,位置,q轴,d轴,d轴,d、q轴,d、q轴,记作,夹角,电枢反应性质,交轴,直、去,直、助,交、直去,交、直助,对电机的影响,下降,下降,下降,不变,不变,波形畸变,削弱,削弱,增强,增强,下降,下降,上升,上升,不变,负载性质,R,L,C,R、L,R、C,电磁转矩,同步发电机带上负载后，电枢电流建立
8、电枢反应磁场，它与励磁电流作用 产生电磁力，在某些情况下形成电磁转矩，实现机电能量转换。,1.有功电流产生电磁力,形成电磁转矩,当发电机带有功负载(阻性负载)时,可以近似认为,机电能量转换,有功电流产生电磁力,形成电磁转矩,即，电枢绕组流过有功电流时,产生交轴电枢反应磁场。励磁绕组载流体在该磁场作用产生电磁力，并形成制动性质的电磁转矩。,输出的有功功率越大，有功分量电流就越大， 交轴电枢反应越强，电磁转矩越大，为了保持电机的转速不变，要求原动机输入更大的驱动转矩调节有功功率。,2.无功电流产生电磁力但不形成转矩,发电机带电感或电容负载(无功负载)时,可以认为产生直轴去磁(或助磁)电枢反应磁场。
9、励磁绕组载流体在该磁场作用产生电磁力，但不形成电磁转矩。说明发电机带感性(或容性)无功负载时,不需要原动机增加能量。,3. 系统静特性,但是直轴去磁（或助磁）电枢反应对气隙磁场有去磁（或助磁）作用，致使发电机端电压下降（或上升）。为维持电压恒定，励磁电流需要相应增加（或减小）调节无功功率。,无功电流产生电磁转矩,同步发电机的电动势方程和相量图,同步电抗,饱和因素,不考虑磁路饱和时,各电动势与其对应的电流成正比,即有由于定子漏磁通的路径主要是气隙，磁路不饱和，所以漏抗为常数。,:对应于 的直轴电枢反应电抗, 对应于,的漏电抗,对应于,的交轴电枢反应电抗,对于凸极同步电机,由于直轴气隙比交轴气隙小
10、，直轴磁阻比交轴磁阻小，所以有,对隐极同步电机，由于气隙均匀，交、直轴的磁阻大小相等，即认为,xa隐极发电机对应a的电枢反应电抗,电枢反应电抗为三相对称电枢电流产生合成的电枢反应磁场感应于一相的电枢电动势与其对应的相电流的比值，它综合反映三相对称电流产生的合成电枢反应磁场对定子一相的影响。,当三相对称电流流过电枢绕组时，产生电枢反应磁通和漏磁通，分别在电枢绕组中感应电枢反应电动势和漏感电动势。,对隐极电机，全部电动势为,xt 称为隐极电机的同步电抗，是电枢反应电抗和漏抗之和。同步发电机正常运行时，磁路略呈饱和，磁路越饱和，所对应的电抗越小。,对凸极电机,分别称为直轴和交轴同步电抗。,直轴磁路的
11、气隙较小，应当考虑铁心饱和的影响，因而具有饱和值和不饱和值之分；而交轴磁路气隙较大，可认为只有非饱和值，为常量。,同步电抗是同步电机的一个重要参数，它是表征同步发电机稳定运行时电枢反应磁场和电枢漏磁场对电枢电路作用的一个综合参数。同步电抗的大小直接影响同步发电机端电压随负载波动的程度和在大电网运行时的稳定性，也影响同步发电机短路电流大小。,凸极同步发电机的电动势方程和相量图,正方向按图规定，则有,代入,得到凸极发电机的电动势方程,注意：方程式中的电压、电动势和电流均为相值。,凸极同步发电机的相量图作图步骤,凸极同步发电机的相量图,若内功率因数角不知，可从以下公式求取,隐极同步发电机的电动势方程
12、、等效电路和相量图,电磁关系：,2. 数学模型,电动势平衡方程,代入,可得到隐极发电机的电动势方程,隐极发电机的等效电路,隐极发电机的相量图,相量图,由相量图可知,根据相量图可求出,同步发电机的运行特性,一、空载特性,定义：,续,空载特性是发电机的基本特性之一。它一方面表征了磁路的饱和情况，另一方面把它和短路特性、零功率因数负载特性配合，可确定电机的基本参数、额定励磁电流和电压变化率等。,实际生产中，它还可以检查三相电枢绕组的对称性、匝间短路、判断励磁绕组有无故障等。,二、短路特性,定义：,短路特性,短路时的等效电路,2.同步电抗的求取,求xd不饱和值,根据公式,求xd不饱和值时,首先给定一励
13、磁电流If，在空载特性的不饱和段或气隙线上确定对应If的E0值，然后在短路特性曲线上确定对应If的短路电流Ik的值,则,求取xd饱和值,求取xd饱和值时，首先在空载特性上取对应额定电压UN的励磁电流If0，再从短路特性上取出对应If0 的短路电流Ik，则,交轴同步电抗,三、外特性,定义：,外特性(续）,当发电机带阻性和感性负载时，外特性是下降的，原因是电枢反应的去磁作用和电枢漏阻抗产生了电压降；带容性负载时且（发电机负载的容抗大于同步电抗）时，外特性是上升的，原因是电枢反应的助磁作用和容性电流在漏抗上的压降。,为了在不同功率因数下时能得到额定电压，感性负载时要增大励磁电流，容性负载时应减小励磁
14、电流。,四、调节特性,定义：,调整特性曲线,调整特性曲线(续),在感性和阻性负载时，随着负载电流的增加，必须增加励磁电流，补偿电枢反应的去磁作用和漏阻抗压降，保持端电压恒定；对容性负载，随着负载电流的增加，必须减小励磁电流。,在功率因数一定情况下,根据调整特性曲线,可确定在负载变化范围内,维持电压不变所需的励磁电流的变化范围。运行人员可利用调整特性曲线,使系统中无功功率的分配更合理一些。,同步电机的并联运行,并联运行的含义,1、提高供电的可靠性；,2、提高供电的经济性；,3、提高电能的质量。,将两台或更多台发电机分别接在电力系统对应母线上，或通过变压器、输电线接在电力系统的公共母线上，共同向负
15、荷供电.,并联运行的优点,无穷大电网的含义,并列方法,1.准同步法,2.自同步法,准同步法,准同步并列必须满足的条件,1.待并发电机的电压与电网电压大小相等；,2.待并发电机电压相位与电网电压相位相同；,3.待并发电机电压频率与电网电压频率相同；,4.待并发电机的相序与电网的相序相同。,上述条件（4）一般在安装发电机时，根据发电机的转向确定了发电机的相序而满足，因此运行人员在并列时只需调节发电机使其满足其它三个条件即可。,不满足任一条件的并列称为非同步并列，将对电机产生严重的危害。,不满足并联条件时的结果,1. 电压大小不等,在电位差的作用下发电机产生冲击电流，即,由于xd 很小，所以即使U不
16、大，冲击电流也会很大,此时,S两端有电位差,冲击电流为无功分量，不会加重原动机的负担，但会在电枢绕组中产生很大的冲击力，使电枢绕组端部受冲击力的作用而变形。,2. 相位不同,此时,ab两端有电位差,电位差可达发电机电压的两倍，若此时并列，会产生很大的冲击电流，发电机会因遭受巨大的冲击力而损坏。,（续）,冲击电流的影响,1)电枢绕组端部受力变形;,2)转轴上受冲击转矩的作用,使机轴扭曲变形;,3)电枢绕组发热.,3. 频率不同,转轴上时而产生制动转矩、时而产生驱动转矩，结果是电机振动。,拍振电流使电枢绕组端部受力变形，使电枢绕组发热。,（续）,频率差过大电机不能并列；频率差较小时，靠自整步作用，
17、可以把发电机拉入同步。,并发电机频率略高于电网频率时,冲击电流的有功分量与电压同相位,表明发电机向电网发出有功功率,并对转轴产生制动性质转矩，电机减速，频率下降，直至,并发电机频率略低于电网频率时,冲击电流的有功分量与电压反相位,表明发电机从电网吸收有功功率,并对转轴产生驱动性质转矩，电机加速，频率上升，直至,4. 相序不同,相序不同的发电机不能并联，因为此时Ug 和 Uc 恒差120度，U 恒等于1.732Ug，它将产巨大的冲击电流危害电机及系统。,发电机实际并联时，除了相序必须一致外，其它条件允许有一定的偏差，如U不超过10%，相位差不超过10%，频率偏差不超过0.2%0.5%（0.10.
18、25Hz)。,二、自同期法,相序正确前提下，起动未加励磁的发电机，当其转速接近同步速时，合上同步开关，将发电机并网，然后加上发电机励磁将发电机牵入同步。并网前，励磁绕组需经限流电阻闭合。并列时会较大有冲击电流和转矩,一般用于紧急状态下的并列操作.,同步发电机的有功功角特性和静态稳定,一、有功功率平衡,可得转矩平衡方程为,或,上式说明，电机稳定运行时，驱动性质的原动机转矩与制动性质的电磁转矩和空载转矩之和平衡。,二、有功功率功角特性,并联于无穷大电网的同步发电机，当电网电压和频率一定、参数（ xd,xq,xt)为常数、空载电动势E0 不变（即If 不变）时，Pem=f() 为有功功率功角特性。,
19、为了分析方便，假定,1）发电机并联于无穷大电网；2）发电机磁路不饱和；3）忽略电枢绕组电阻。,根据发电机的相量图，可以推导得发电机的有功功率功角特性,凸极电机：,隐极电机,凸极发电机的有功功率功角特性分两部分:,-基本电磁功率,-附加电磁功率,附加电磁功率的特点:,汽轮发电机的功角特性曲线,汽轮发电机的有功功率功角特性的特点,功角的双重物理意义,用图示功角的双重物理意义,功角说明,因有原动机的驱动转矩克服定子合成磁极的制动转矩而作功,实现机电能量转换,将由原动机输入的机械能转变为电能输出。,功角是研究同步发电机运行状态的一个重要参数，它不仅决定发电机输出有功功率的大小，而且还反映发电机转子的相
20、对空间位置，它把同步电机的电磁关系和机械运动紧密联系起来。,三、有功功率调节,发电机空载运行时，原动机输入的功率用来平衡各种损耗，此时功角为零。定、转子磁极轴线重合，它们之间只有径向力而无切向力，所以Pem=0 ，在功角特性的0点上。,有功功率调节,可见，并联于无穷大电网的同步发电机要调节有功功率输出，只需调节原动转矩。在功率极限角范围内，输入转矩越大，有功功率输出就越大。,四、静态稳定的概念,静态稳定：指并联在电网上稳定运行的同步发电机，当受电网或原动机方面某些微小扰动时，能在这种干扰消失后，继续保持原来稳定运行状态的能力。,在a点运行时电机具有静态稳定的能力.若干扰使功角增大到a点, Pe
21、m和Tem增大,迫使电机减速,功角变小，电机回到a点。,干扰使功角减小时，有同样结论。所以a点称为稳定运行点。,而b点为不稳定运行点，分析略。,b,b,静态稳定的判据,静态稳定的判据：比整步功率(kW/rad),对汽轮发电机，比整步功率为,对水轮发电机，比整步功率为,在电机稳定区域内，Psyn越大，电机稳定性 越好,五、过载能力,最大电磁功率与额定功率的比值称为过载能力。,汽轮发电机的过载能力,过载能力越大，电机的稳定性越好。过载能力是表达静态稳定的能力，不是发电机可以过载的倍数。,过载能力设计得在一点，是从提高稳定观点考虑的，不是从发热观点考虑的。,同步发电机的无功功率无功功角特性及V形曲线
22、,一、无功功率功角特性,并联于无穷大电网的同步发电机当电网电压和频率恒定、参数（xd、xq、xt）为常数、空载电势E0不变（即 If 不变）时，Q=f()为无功功率功角特性。,设发电机输出感性无功功率时Q值为正。由相量图可推导出,汽轮发电机无功功率功角特性,汽轮发电机无功功率的功角特性曲线,几个特殊点:,无功功率的调节,从能量守恒观点看，并网运行的同步发电机调节无功功率，不需调节原动机来的输入功率，只需改变励磁电流。,调节 不影响发电机的有功功率输出,但影响电机的稳定性能。,调节无功时不影响有功功率的输出,但是调节有功时影响无功功率输出.,相量分析,1.正常励磁,2.过励磁,3.欠励磁,V形曲
23、线,发电机运行时，定子电流和励磁电流是运行人员主要监视的两个物理量，这两个量关系到定子绕组和励磁绕组的温度，又牵涉到功率因数的超前或滞后以及运行的稳定性问题。,对于一个给定的有功功率输出就有一条V形曲线，有功功率越大，曲线向上移，因此可是以得到一簇“V”形曲线。,V形曲线,欠励磁“进相”运行,欠励磁,正常励磁,过励磁,过励磁“迟相”运行,V形曲线的特点,1.每条曲线的最低点, ,定子电流最小,且全为有功电流，这些点的连线向右倾斜；表明要输出纯有功功率，必须相应增加一些励磁电流。2.不稳定区域边缘：=90，连线向右倾斜; 表明输出有功功率越多，维持稳定所需的励磁电流也越大。3.每条曲线上的电流变
24、化量I 为无功分量;4.励磁电流从零开始增大时，定子电枢电流变化规律为先减小后增大。,同步调相机和同步电动机,一、同步电机的可逆原理,同步电机的运行是可逆的，既可以用作发电机，还可以用作电动机。,同步电机运行于发电机状态时，如图所示。,转子磁极轴线超前定子合成磁极轴线，0，电机把机械能转变成电能。,逐步减少发电机的输入功率，转子将瞬时减速，角减小，相应的电磁功率也减少。,当发电机的输入功率只能满足空载损耗时，发电机处于空载运行状态。,继续减少发电机的输入功率，则和 Pem变为负值。卸去原动机，电机从电网吸收功率满足空载损耗，成为空转的电动机-调相运行状态。,电机轴上加上机械负载，负值的增大，由
25、电网向电机输入的电功率和相应的电磁功率增大，转子磁极轴线落后定子合成磁极轴线，转子受到驱动性质的电磁转矩作用-电动机状态。,同步调相机,同步调相机是专门发送无功功率的同步电机，实质上是一台空载运行的同步电动机。 在电网的受电端接上同步调速相机，是提高电网功率因数的重要方法之一。,1.正常励磁,2.过励磁,3.欠励磁,同步调相机的特点,1.调相机的额定容量指的是在过励状态下的额定视在功率。,2.由于转轴上不带机械负载，所以调相机的转轴比同容量的电动机转轴细，没有过载能力的要求。,3.为了提高调相机提供感性无功的能力，励磁线圈导线截面较大，但励磁损耗仍然很大，对通风冷却要求较高。,同步调相机的起动
26、一般采用异步起动法或辅助电动机法。选择起动方法时，首先考虑限制起动电流，然后考虑满足起动转矩的要求。,（2）动态跟随性能指标,三、同步电动机 按照发电机惯例，同步电动机可以看成是一台输出负的有功功率的发电机，其电动势方程、相量图、功角特性、V形曲线等与发电机的相似。顺便指出，按发电机惯例，滞后的电流起去磁作用，超前的电流起助磁作用；而按电动机惯例，滞后的电流起助磁作用，超前的电流起去磁作用。 同步电动机同发电机一样,在有功功率保持不变时，调节励磁电流，也有三种励磁状态。“正常励磁”状态时，电动机没有无功功率输出；“过励”状态时，电动机从电网吸取容性无功功率(或向电网发出感性无功功率)；“欠励”状态时，电动机从电网吸取感性无功功率(或向电网发出容性无功功率)。,由于同步电动机的平均起动转矩为零，所不能自行起动，必须借用其它方法。,常用的起动方法有：辅助电动机起动法、变频起动法和异步起动法。其中异步起动法应用最广泛。,调节同步电动机的励磁电流可以改变它的无功功率输出，这是同步电动机最可贵的特点。尤其是同步电动机在“过励”状态下，向电网发出感性无功功率的特性，很有实际意义。,
