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1、电机学Electric Machinery,（第6章 同步电机）,2,6.1 同步电机的工作原理及结构特点,同步电机的特点与用途,同步电机的结构形式,同步电机的冷却方式,同步电机的额定值,同步电机的励磁方式,3,一、同步电机的特点与用途,同步电机与异步电机的根本区别：旋转的转子通入直流电流励磁同步电机的运行特点：是转子的旋转速度必须与定子磁场的旋转速度严格同步。同步电机主要用途：发电机。此外还可作为调相机，补偿电网中的无功功率。,4,二、同步电机的结构形式,同步电机有旋转电枢式和旋转磁极式两种结构。一般多采用旋转磁极式结构，根据磁极形状可分为隐极和凸极两种型式。,凸极同步电机气隙不均匀，适合于
2、中速或低速旋转场合 隐极同步电机在不考虑齿槽效应时，气隙均匀，适合于 高速旋转场合,5,隐极同步电机结构实物图,大型汽轮发电机定子铁心槽,汽轮发电机完工后的定子,汽轮发电机转子加工,6,凸极同步电机,凸极同步电机转子由磁极、励磁线圈、磁轭和阻尼绕组等部分构成。,凸极同步电机的定子结构与隐极同步电机或异步电机的基本相同，所不同的只是转子结构。,7,凸极同步电机结构实物图,带阻尼绕组的凸极同步电机转子,水轮发电机定子分段铁心,8,三、 同步电机的励磁方式,同步电机运行时，必须在励磁绕组中通入直流电流，建立励磁磁场。将供给励磁电流的整个装置称为励磁系统。,9,四、 同步电机的冷却方式,随着单机容量的
3、不断提高，大型同步电机的发热和冷却问题日趋严重，冷却方式也不断改进。同步电机的冷却方式主要有以下几种。,10,五、同步电机的额定值,额定电压UN：电机额定运行时定子的线电压（V或kV）,额定电流IN：电机额定运行时定子的线电流（A）,额定功率因数 ：电机额定运行时的功率因数,额定效率N：电机额定运行时的效率,额定频率f (Hz) 额定励磁电流IfN(A) 额定励磁电压UfN(V),额定功率PN：电机额定运行时的输出功率（kW或MW） 对发电机为额定输出有功电功率 对电动机是轴上输出的额定机械功率,额定转速nN：电机额定运行时的转速,11,6.2 同步电机的运行原理,同步发电机空载运行,同步电机
4、的电枢反应,隐极同步发电机的负载运行,凸极同步发电机的负载运行,12,一、同步发电机空载运行,同步发电机空载运行是指同步发电机被原动机拖动到同步转速，转子励磁绕组通入直流励磁电流而定子绕组开路时的运行工况。,13,1. 空载感应电动势的大小与频率,n,感应电势,励磁电流,磁动势,14,2. 空载电动势与励磁电流的关系,电机磁路的饱和系数,当转子以恒定转速n旋转时，,为磁路的磁化特性,与,曲线相似(成比例),15,3. 相位关系,若转子以恒定速度旋转，取转子与某相相轴相交时作参考，,励磁电流 If,磁动势 Ff (基波分量),随转子旋转角速度,相轴,直轴(d 轴),o,与定子某相交链磁通,不计磁
5、滞效应,选取相轴为时轴,用空间矢量 表示,同相位,感应电动势,可以用时间向量表示为,16,二、 同步电机的电枢反应,1. 定义,17,2. 电枢反应的性质,当取任一相绕组轴线作为时间参考轴，设三相对称负载时，相电流 I 滞后于 相角 。若在t0时，转子励磁磁动势正向轴线（d轴）超前参考相轴线 90o（电角度），则各时空矢量如图所示。,根据交流电机绕组理论磁动势原理，电枢三相电流产生的合成旋转磁动势基波矢量 与 重合。,18,(1)=0o时(负载为纯阻性) Fa=Faq,与Ff1正交，为交磁性质,19,20,(1) 隐极同步电机,3. 分析方法,求出,气隙均匀， 处于任意位置上，产生的气隙磁场B
6、a大小相同，故可直接由：,饱和时，磁场不满足线性叠加条件，但是磁动势可以叠加先由 求得合成气隙磁动势，再由 求出 或 。,21,(2) 凸极同步电机双反应理论,凸极电机气隙不均匀， 处于不同位置，产生的气隙磁场Ba不同，处于d，q轴上时，分别产生出如图所示的磁动势：,22,双反应理论：,当 处于任意位置且不计饱和时：,分解,或,分解,23,三、隐极同步发电机的负载运行,假设条件：不考虑饱和,转子励磁电流,定子三相电流,24,1. 电路图,If,三相对称取一相分析,25,2. 相量图,考虑饱和时，,求解方法：先求合成磁势（折算到励磁磁势） ， 再利用空载特性（磁化曲线）求,26,四、凸极同步发电
7、机的负载运行,1.不计饱和,27,与隐极同步电机相似，可以得到一相等效电路为：,Xd=X+Xad,Xq=X+Xaq,由,得到：,28,四、凸极同步发电机的负载运行,2. 考虑饱和,计及饱和后，叠加原理不能应用，气隙合成磁场由合成磁动势来决定，即交、直轴各自的合成磁动势及感应电动势可分别根据实际饱和情况由空载特性求取。,29,6.3 同步电机的基本运行特性,空载特性,短路特性,零功率因数负载特性,同步发电机稳态参数的计算与测定方法,外特性及电压调整率,Xd、Xq 的低转差测试法,30,一、空载特性,Ia =0，n=nN时， U0f (If ) 曲线,和 相似,31,二、短路特性,n = nN，U
8、 = 0(三相稳态短路)时,短路电流Ik与与励磁电流If的关系 Ik= f (If),Ff = F+Fad I,32,三、零功率因数负载特性,负载特性U=f(If) ：在n=nN、I=常数、 =常数的条件下，端 电压U与励磁电流If之间的关系曲线,其中，当 0时U= f (If)的关系称为零功率因数负载特性,33,FaFad 纯去磁作用,I 不变，,特性三角形不变,34,四、外特性及电压调整率,n=nN、If=常数、cos =常数时，U= f (I) 的关系曲线称为外特性。,电流 I 引起电压 U 变化的原因：,电压调整率：,35,五、同步发电机稳态参数的计算与测定方法,1. 由空载和零功率因
9、数特性确定定子X,Ifa(Ffa),三角形A B C为所求的特性三角形。,由空载与零功率因数特性两特性之间存在特性三角形的关系，确定X, Ifa (Ffa),36,2. 利用空载特性和短路特性确定Xd的不饱和值,已知U0= f (If) , Ik= f (If) , 短路时，F很小，因此磁路不饱和，这样可由气隙线确定E0。,37,3. 短路比,空载额定电压所对应的励磁电流If0励磁下三相稳态短路时的短路电流Ik0与额定电流IN之比。,38,1）方法：将被测试同步发电机拖动到接近同步转速（转差率小于0.01），将励磁绕组开路，在定子侧加额定频率的相序与转子转向一致的三相对称低电压（0.02UN）
10、，测量定子电压、电流与励磁绕组电压。,六、 Xd、Xq 的低转差测试法,2）原理：在If0时，E0=0,Ra0,电枢磁场轴线与转子直轴重合,Iq0, Id I,电枢磁场轴线与转子交轴重合,Id0, Iq I,因为此时外加电压U 很小，磁路不饱和，此法测得的Xd、Xq为不饱和值。,39,投入并联的条件和方法,功率和转矩平衡方程,功角特性,有功功率调节与静态特性,无功功率调节与V形曲线,6.4 同步发电机的并联运行,40,一、投入并联的条件和方法,(1) 波形相同(2) 频率相同(3) 幅值相同(4) 相位相同(5) 相序相同,1. 并联条件,发电机端电压与电网电压满足以下条件：,41,准确同步法
11、直接接法,接线图,向量图,直接接法：电机各端与电网同相端对应，三灯泡同时亮、暗，当灯泡亮、暗频率很低并且灯泡变暗的瞬间为合闸的最佳时机。,2. 并联方法,42,接线图,向量图,准确同步法交叉接法,交叉接法：一相灯泡同端连接，另外两组交叉连接，三组灯泡依次亮、暗，当三组灯泡亮度旋转速度很慢且第一组灯泡变暗的瞬间为合闸的最佳时机。,43,二、同步发电机的功率和转矩平衡方程,1. 功率平衡方程,44,两边除以机械角速度,空载损耗：,驱动转矩,空载转矩,电磁转矩,则：,2. 转矩平衡方程,45,忽略定子电阻时，,因为 ，所以可以忽略漏抗压降，从图中可以看出 ，称为功率角,三、功角特性,46,隐极同步发
12、电机功角特性,基本电磁功率,附加电磁功率,（磁阻功率）,用标么值表示为：,三、功角特性,47,凸极同步发电机功角特性,凸极电机功角特性的一般化表达式,基本电磁功率,附加电磁功率,用标么值表示为：,三、功角特性,48,为分析简便，以下都以隐极电机为例，并且不计饱和影响，忽略电枢电阻，视电网为“无穷大电网”，即 U 和 f 保持恒定。,要增加发电机输出功率(有功功率)，就必须增加原动机输入功率，使功率角增大。当角增至90，输出电磁功率达最大值Pemmax时，若继续增加输入功率，则输入和输出之间的平衡关系被破坏，致使电机转子不断加速并最终失步。 Pemmax 称为极限功率。,四、有功功率调节与静态特
13、性,1. 有功功率调节,49,假设电机原工作于A点，当某种微小扰动使输入有效功率增加PT时，电机将平衡于B点，相应的电磁功率也增加PT。当扰动消失后，电磁功率大于输入有效功率，起制动作用，转子减速，电机最后回到A平衡点。同理，可以分析出如果电机起始工作于C点，当有微小扰动时，电机无法稳定工作。,2. 静态稳定,50,稳定运行区域： 。对隐极电机稳定运行区域为90,当电网或原动机偶然发生微小扰动时，若在扰动消失后发电机能自行回复到原运行状态稳定运行，则称发电机是静态稳定的；反之，就是不稳定的。,2. 静态稳定,51,过载能力 kM：最大电磁功率与额定功率之比,整步功率系数,其值越大，表明保持同步
14、的能力越高，发电机的性能越好,整步转矩系数,隐极电机,凸极电机,52,由图可以看出，E0的末端轨迹在直线CD上移动，I的末端轨迹在直线AB上移动。,五、无功功率调节与V形曲线,1. 无功功率调节,以隐极电机为例，忽略电枢电阻，输出有功功率恒定,53,当调节励磁电流 If 时，E0 变化，若cos =1，则I 最小，若If 增加，则E0增加，I增加， 滞后；若If 减小，则E0 减小，I增加， 超前。由上述关系得到 I=f (If) 的曲线称为同步电动机的V形曲线。,Imin,2. V形曲线,在不同的负载条件下，可以得到不同的V形曲线。,54,6.5 同步电动机和调相机,基本电磁关系,同步电动机
15、的无功功率调节,同步电动机的起动和调速方法,同步调相机的原理和特点,55,从发电机状态过渡到电动机状态过程： 1. 发电机状态：转子主极轴线沿转向超前于气隙合成磁场轴线，电磁转矩为制动性质。原动机输入机械转矩克服电磁转矩，将机械能转变为电能。,一、基本电磁关系,56,2. 空载状态： 逐步减少原动机输入功率，使转子瞬时减速，角和电磁功率相应减小。当角减至零时，发电机变为空载，其输入功率正好抵偿空载损耗。,57,3. 电动机状态：主极磁场落后于气隙合成磁场，电磁转矩为驱动性质，电机进入电动机运行状态，将电网输入的电能转换成机械能。,58,电动势平衡方程与向量图,隐极机,凸极机,59,功角特性注意
16、：电动机惯例 U 超前与 E0 时，功角为正。功率平衡方程,60,二、无功功率调节(电动机）,电动机并在恒压电网上运行时，若P2恒定，且忽略电枢电阻损耗。,1. 矢量图,61,同步电动机输出有功功率P2恒定，改变励磁电流可以调节其无功功率,“正常”励磁时功率因数cos =1，电枢电流全部为有功电流，故数值最小,励磁电流小于正常励磁值(欠励)时，电动机功率因数cos 滞后，同步电动机相当于感性负载，要从电网吸取滞后无功,励磁电流大于正常励磁值(过励)时，电动机功率因数cos 超前，同步电动机相当于容性负载，要从电网吸取超前无功,2. 特点,62,同步电动机的V形曲线I=f(If) ：同步电动机在
17、有功功率恒定、励磁电流变化时，电枢电流随励磁电流变化的曲线,在欠励区，励磁电流减小到一定数值时，电动机将失步，不能稳定运行（原因）,3. V形曲线,63,三、起动与调速,1. 起动方法,同步电动机不能自起动，必须借助其它起动方法,原因：定子旋转磁场将以同步转速相对于转子磁场运动，转子上承受的是交变的脉振转矩，平均值为零。,变频起动,异步起动,64,* 各种同步电动机的性能要求,65,2. 同步电动机调速,随着电力电子技术和计算机控制技术的发展，用同步电动机、特别是特种同步电动机(如永磁式同步电动机、磁阻式同步电动机、开关磁阻式同步电动机等)构成高品质交流变速传动系统已成为调速研究领域的主要发展
18、趋势。,同步电动机通常应用于不需要调速的场合，少数情况下(如风机、水泵的节能运行)，需要两至三种转速，也都用变极方式实现。,66,四、调相机,1. 原理：利用不带机械负载的同步电动机改变励磁可以调节功率因数的原理，并联运行于电网上提供感性无功功率，提高功率因数，降低线路压降和损耗，提高发电设备的利用率和效率。,67,3. 特点,若输出有功功率为零（忽略调相机本身的损耗），过励时，电流超前电压90；欠励时，电流滞后电压90,电力系统在大多数情况下呈感性，故调相机通常都是在过励状态下运行，作为无功功率电源，提供感性无功，改善电网功率因数，保持电网电压稳定,只要调节励磁电流，就能灵活地调节无功功率的性质和大小,
