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1、同步电机是交流旋转电机的一种,因其转速恒等于同步速机时得名。同步电机主要用作发电机，也可用作电动机和调相机。,一同步电机的基本工作原理与结构,（一）同步电机的基本结构,以汽轮发电机为例:,返回,返回,1、汽轮发电机结构（1）定子铁心,返回,返回,1、汽轮发电机结构,返回,2、水轮发电机结构,(1)立式水轮发电机,(2)卧式水轮发电机,2、水轮发电机结构转子结构,10000kW水轮机转子,1.发电环节各种电机,引进600MW汽轮发电机,国产300MW汽轮发电机,国产200MW汽轮发电机定子,国产200MW汽轮发电机定子铁心,现场运行的水轮发电机,电磁感应定律,电磁感应现象1820年，奥斯特的发现
2、第一次揭示了电流能够产生磁，从而开辟了一个全新的研究领域。当时不少物理家想到：既然电能够产生磁，磁是否也能产生电呢？法拉第坚信磁能够产生电，并以他精湛的实验技巧和敏锐的捕捉现象的能力，经过十年不懈的努力，终于在1831年8月29日第一次观察到电流变化时产生的感应现象。紧接着，他做了一系列实验，用来判明产生感应电流的条件和决定感应电流的因素，揭示了感应现象的奥秘。,将线圈与电流计接成闭合回路。由于回路中不含电源，所以电流计的指针不偏转，现将一条形磁铁插入线圈，通过插入、停止、拔出的过程，通过电流计指针的变化可归纳出：只有当磁铁棒与线圈有相对运动时，线圈中才会有电流，相对速度越大，所产生的电流就越
3、强，停止相对运动，电流随之消失。,一个通电线圈和一根磁棒相当，那末，使通电线圈和另一线圈作相对运动，我们将看到完全相同的现象。那末，究竟是由于相对运动还是由于线圈所在处磁场的变化使线圈中产生电流？,一个体积较大的线圈A与电流计G接成闭合回路，另一个体积较小的线圈B与直流电源和电键K串联起来组成另一回路，并把B插入线圈A内，可以看到，在接通和断开K的瞬间，电流计的指针突然偏转，并随即回到零点。若用变阻器代替电键K，同样会观察到这个现象。从这个实验可归纳出：相对运动本身不是线圈产生电流的原因，应归结为线圈A所在处磁场的变化。,在稳恒磁场内有一闭合的金属线框A，其中串联一灵敏电流计G，线框的a b部
4、分为可沿水平方向滑动的金属杆。无论ab朝哪个方向滑动，A所在处的磁场并没有变化，但金属框所围的面积发生了变化，结果也产生电流。,法拉第电磁感应定律 我们知道，闭合回路中有电流产生，那就意味着回路中有电动势存在。这种由于磁通量的变化而引起的电动势称为感应电动势。感应电动势比感应电流更能反映电磁感应现象的本质。当回路不闭合的时候，也会发生电磁感应现象，这时并没有感应电流，而感应电动势却依然存在。此外，感应电流的大小是随着回路的电阻而变的，而感应电动势的大小则不随回路的电阻而变。确切地讲，对于电磁感应现象应这样来理解：当穿过导体回路的磁通量发生变化时，回路中就产生感应电动势。,一同步电机的基本工作原
5、理与结构,（二）同步电机的基本工作原理与分类,、同步发电机的基本工作原理,大小：,频率：,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 旋转时，其磁场切割定子绕组而感应交流电动势.,相序：由转子的转向决定。,波形：由 可知，波形取决于 的空间分布。,每相绕组匝数,电势绕组系数,每极磁通（Wb）,发电机的物理过程可用图示表示,旋转示意图1,旋转示意图2,、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。
6、,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。,同步电机的额定值,对同步发电机额定值之间关系为：,额定运行时加在三相定子绕组上的线电压。,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。,在额定运行状态下三相定子绕组的线电流.,二 同步发电机的空载运行,电磁关系：,空载特性：,同步发电机被原动机拖动到同步转速，励磁绕组中通入直流电流，定子
7、绕组开路的运行称为空载运行。,空载电动势 大小：,三 同步电机的电枢反应,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,同步发电机的能量输出,1.有关发电机的损耗摩擦损失+风阻 铁芯磁滞+涡流 定子绕组本身的损失,机械损失,铁损,铜损（1%可以忽略）,汽轮机输入的功率减去以上损失,剩下的作为有功功率输出,空载损耗,2、同步发电机有功输出当发电机带纯阻性负荷时,出现定子电流,产生定子磁场(电
8、枢反应磁场),阻碍转子磁场前进,汽机转速降低,汽机增加进汽,维持额定转速,使气隙磁场发生歪曲或畸变,即气隙磁场对于主磁场来说,逆着转向偏了一个 角,N,S,F0,发电机转向,发电机空载,=0,N,S,F0,发电机转向,角,F,FR,发电机带负荷时,的大小负荷大小性质有关,纯感性负荷 去磁 端电压,纯容性负荷 助磁 端电压,上两种负荷只会使磁场削弱或加强,但不会扭曲,但是,实际负荷都是感性的,相当于纯阻性和纯感性的叠加,所以它既有使主磁场的扭曲,又有去磁作用.,故,在同步发电机中,气隙磁场轴线和主磁场轴线之间的夹角与发电机输出的有功功率的大小有关.当同步发电机输出的有功功率增大时,原动机输入的有
9、功功率增大,角也随着增大.角也叫做功率角.一般汽轮发电机额定负荷运行,角约为250-300,三 同步发电机的运行特性,1.同步,同步电机和异步电机的区别?同步发电机:定子磁场与转子磁场以同方向、同转速旋转。,.空载特性概念：额定转速下，发电机不带负荷，即只加励磁，不并网时的特性。空载特性试验：定速后，逐渐增加励磁，到端电压130%，后逐渐降低励磁，会得到空载特性曲线。,空载特性曲线,Eo,I,作用：和继报保有关，用来求电压 变化率，不饱和电抗值,增加励磁过程,降低励磁过程,磁滞现象,1、空载特性,定义：,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
10、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、判断励磁绕组和定子铁心有无故障等。,发电机的短路特性定子绕组短路，定子绕组电流与励磁电流之间的关系作用：求发电机的同步电抗、断路比，判断转子绕组的匝间短路,2、短路特性,定义：,短路时的等效电路,短路特性曲线,短路特性与空载特性配合可以求出电机的同步电抗。,3、发电机的外特性指COS、励磁电流、转速恒定时，发电机定子电流与端电压的变化关系,1.5U,1,I,1.0,0.5,COS=0.8,COS=1,COS（-）=0.8,在滞后的COS下，当定子电流增加时，电压降较大
11、，此时是去磁作用。在超前的COS下，当定子电流增加时，电压反而升高，此时是助磁作用。,4、发电机的调整特性-指电压、转速、COS恒定，改变定子电流时的励磁电流的变化曲线。,COS=0,COS=0.8,COS=1,COS(-)=0.8,0,1,励磁电流,定子电流,1,发电机调整特性曲线,在滞后的COS下,负荷增加,励磁电流也必然增加.-此时去磁作用加强,要维持气隙磁通,必须增加转子磁势.在超前的COS下,负荷增加,励磁电流一般要降低.-这是因为电枢反应有助磁作用.,四、发电机的功角特性,1、发电机的功角特性发电机和无穷大电网并联运行时，发电机的输出功率为：Pde=(UE0/Xd)sin-其中发电
12、机端电压与空载电势的夹角（功率角）U 发电机端电压 E0 发电机空载电势 Xd 发电机同步电抗式中U、E0、Xd都可以认为是常数，这样Pde的大小仅仅与有关，它们之间是正弦函数关系，Pde与之间的关系曲线为功角特性,2.功角特性对运行的影响1.）发电机的功率极限：当角从0900时，有功随增大而增大，当=900时，有功最大。PMAX=UE0/Xd,发电机的功率极限,当=900时，有功随增大而减小当=1800时，有功为0,静态稳定区：汽轮机功率不变，转子在外力的作用下，角发生微小变化，如果原来的工作点在角0900之间，则发电机会通过若干个摆动回到原来的工作点，此区间为静态稳定区非稳定区：如果角在9
13、001800之间，则不会稳定，为非稳定区如果角超过1800，则为逆功率运行,发电机运行极限受哪些条件限制,根据同步发电机运行极限图可知受以下几个方面的限制：发电机定子绕组温升（即视在功率）限制、励磁绕组温升（即励磁电流）限制、发电机额定有功功率限制、发电机定子端部温升和静态稳定性限制等。,其它影响因素,1、电压、周波变动范围在允许值内2、发电机事故过负荷能力3、功率因数在迟相0.850.95，自动励磁调节时允许功率因数为1运行4、未进行温升试验，不允许超过铭牌数据运行5、进相运行时，应符合进相运行条件6、机、炉无影响机组运行缺陷7、主变温升在允许值内思考题：发电机运行极限受到哪些条件限制？,并
14、联运行的含义,五 同步电机的并联运行,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。,无穷大电网的含义,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，共同向负荷供电。,并联运行的优点,并列方法,1.准同期法2.自同期法,六 并联运行的条件,（一）、准同期并列的条件,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相同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
15、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期并列，将对电机产生严重的危害。,1.电压大小不等,此时,ab两端有电位差,在电位差的作用下发电机产生冲击电流，即,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,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。,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;)电枢绕组发热.,此时,ab两端有电位差,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
16、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。,频率差过大电机不能并列；频率差较小时，靠自整步作用，可以把发电机拉入同步。,4.相序不同,发电机实际并列时，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%（0.10.25Hz)。,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。,（二）有功功角特性及有功功率调节,五 同步电机的并联运行,、功率和转矩平衡,可得转矩平衡方程为,或,上式说明，电机稳定
17、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。,、有功功率功角特性,定义：,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（）为常数、空载电动势 不变（即 不变）时，为有功功率功角特性。,隐极发电机的有功功率功角特性,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:,1、是电动势 和电压 间的时间相位角;,或称是励磁磁势 和合成磁势 间的空间夹角。,2、是感应电动势 的主磁通和产生电压 的电枢等效假想磁通之间的夹角。,功角 的双重物理意义,用图示功角的双重物理意义,转子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
18、机输入的机械能转变为电能输出。,可见，功角是研究同步发电机运行状态的一个重要参数，它不仅决定了发电机输出有功功率的大小，而且还反映发电机转子的相对空间位置，通过它把同步电机的电磁关系和机械运动紧密联系起来。,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，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，在功角特性的0点上。,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。,、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
19、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，Pem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。,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,在电机稳定区域内，越大，电机稳定增长性越好。,五、过载能力,汽轮发电机的过载能力,最大电磁功率与额定功率的比值称为过载能力。,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，是从提高称定观点考虑的，不是从发热观点考虑的。,七
20、无功功角特性及V形曲线,、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。,水轮发电机无功功率的功角特性,汽轮发电机无功功率的功角特性,汽轮发电机无功功率的功角特性曲线,几个特殊点:,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 前，,增大 后,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.,三、相量分析,1.正常励磁,2.过励磁,3.欠励磁
21、,四、V形曲线,并联于无穷大电网的同步发电机，保持有功功率不变时，表示电枢电流 和励磁电流 的关系曲线 称为“V”形曲线。,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形曲线的特点,2.不稳定区域边缘：=900，连线向右倾斜;,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；,3.每条曲线上的电流变化量I 为无功分量;,4.励磁电流从零开始增大时，定子电
22、枢电流变化规律为先减小后增大。,表明要输出纯有功功率，必须相应增加一些励磁电流。,表明输出有功功率越多，维持稳定所需的励磁电流也越大。,同步电动机,同步电动机和同步调相机,一、同步电机的可逆原理,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。,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。,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。卸动原动机，电机从电网吸收功率满足空载损耗，成为空转
23、的电动机。,电机轴上加上机械负载，负值的增大，由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。,二、同步电动机的基本方程,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，其电动势方程与发电机的方程相同，以隐极机为例：,按照电动机惯例，把输出负电流看成是输入正电流即可，其电动势方程：,隐极机：,凸极机：,同步电动机的功角特性与发电机的也相似，用M=-代替即可。,三、同步电动机的V形曲线,与同步发电机相似,当同步电动机的输入有功功率恒定而调节励磁电流时,也有三种励磁状态,“正常励磁”时,电动机没有无功功率输出；“过励
24、”时电动机从电网吸收容性无功（或发出感性无功）;“欠励”时电动机从电网吸收感性无功（或发出容性无功）.也可以调节无功功率.,调节励磁电流可以调节同步电动机的无功功率和功率因数,这是同步电动最可贵的特点.,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。,6.6.2 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。,一、同步调相机的励磁,1.正常励磁,2.过励磁,3.欠励磁,二、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。,
