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1、同步电机原理,结构模型,同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成。一般分为转场式同步电机和转枢式同步电机。图15.1给出了最常用的转场式同步发电机的结构模型，其定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场(也称主磁场、转子磁场)。气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性能有重大影响。除了转场
2、式同步电机外,还有转枢式同步电机，其磁极安装于定子上，而交流绕组分布于转子表面的槽内，这种同步电机的转子充当了电枢。图中用AX、BY、CZ三个在空间错开120电角度分布的线圈代表三相对称交流绕组。,工作原理,主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化
3、的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。感应电势 有效值：由第11章可知，每相感应电势的有效值为(15.1)感应电势 频率：感应电势的频率决定于同步电机的转速n 和极对数p，即(15.2)交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。,同步转速,同步转速 从供电品质考虑，由众多同步发电机并联构成的交流电网的频率应该是一个不变的值，这就要求发电机的频率应该和电网的频率一致。我国电网的频率为50Hz，故有：(15.3)要使得发电机供给电网50Hz的工频电能，发电机的转速必须为某些固定值，这些固定值称为同步转速。例如2极电机
4、的同步转速为3000r/min，4极电机的同步转速为1500r/min，依次类推。只有运行于同步转速，同步电机才能正常运行，这也是同步电机名称的由来。,运行方式,同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。作为发电机运行是同步电机最主要的运行方式，作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。同步电机还可以接于电网作为同步补偿机。这时电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功
5、率因数或者调节电网电压的目的。,同步发电机电势方程式和相量图,电势方程式,负载以后，同步发电机的电枢绕组中存在以下电势：由励磁磁通产生的励磁电势；由电枢反应磁通产生的电枢反应电势；由电枢绕组漏磁通产生的漏磁电势。由于电枢绕组的电阻很小，如果忽略电阻压降，则每相感应电势总和即为发电机的端电压，用方程式表示为(16-7)对于凸极电机来说,+=-j-j,其方程式可表示为=+j+j(16-8)对于隐极电机来说，+=-j，其方程式可表示为=+j(16-9),隐极发电机电势相量图,凸极发电机电势相量图,凸极发电机电势相量图对于凸极电机来说，需要首先将分解为和，然后才能根据方程式(16-8)作出其电势相量图
6、。由于与同方位，与正交，只要找出的方位，就可以方便地将分解为和。方程式(16-8)两边同时加上-j(-)，即：上式左边的相量-j(-)显然与处于同一方位，而右边的相量+j 可以很方便地求得，这样就找到了的方位。参看图16.7b，凸极电机的相量图可按下述步骤作出。在水平方位作出相量，错开j角作出；在的尾端，加上相量j，它超前于90电角度，经过首端和j 尾端的直线就确定了 的方位，也即确定了q轴，与q轴正交的方位即为d轴；将在正交分解为和；根据方程式(16-8)即可作出。电势相量图很直观地显示了同步电机各个相量之间的数值关系和相位关系，对于分析和计算同步电机的许多问题有较大的帮助作用。对于凸极电机
7、来说，(16-10)而对于隐极电机来说，有(16-11)以上两式在分析同步电机问题经常用到。,功角特性及有功功率调节,功率平衡,功率平衡,同步发电机的功率流程如图17.6所示。为自原动机向发电机的输入的机械功率，其中一部分提供轴与轴承间的摩擦、转动部分与空气的摩擦及通风设备的损耗，总计为机械损耗，另一部分供给定子铁心中的涡流和磁滞损耗，总计为铁心损耗,为通过电磁感应作用转变为定子绕组上的电功率，称为电磁功率。如果是负载运行，定子绕组中还存在定子铜耗，就是发电机的输出功率。同步发电机的功率平衡方程式为(17-1)定子绕组的电阻一般较小，其铜耗可以忽略不计，则有(17-2),功角的概念,功角的概念
8、 y为内功率因数角，d=y-j定义为功角。它表示发电机的励磁电势 和端电压之间相角差。功角d 对于研究同步电机的功率变化和运行的稳定性有重要意义。图17.7 画出了同步电机的时空相量图。图中忽略了定子绕组的漏磁电势，认为+，对应于转子磁势，对应于电枢磁势，所以可近似认为端电压由合成磁势=+所感应。和之间的空间相角差即为和之间的时间相角差。可见功角d在时间上表示端电压和励磁磁势之间的相位差，在空间上表现为合成磁场轴线与转子磁场轴线之间夹角。并网运行时，为电网电压，其大小和频率不变，对应的合成磁势总是以同步速度旋转，因此功角的大小只能由转子磁势的角速度决定。稳定运行时，和之间无相对运动，d具有固定
9、的值。,功角特性,功角特性,功角特性指的是电磁功率随功角d变化的关系曲线=f(d)的。凸极电机 令可以求出对应于最大电磁功率的功角,一般来说凸极电机的在4590之间。隐极电机 最大功率与额定功率的比值定义为同步发电机的过载能力。对隐极电机来说,同步发电机负载运行和电枢反应分析,负载后磁势分析,空载时，同步电机中只有一个以同步转速旋转的励磁磁势，它在电枢绕组中感应出三相对称交流电势，称为励磁电势。当电枢绕组接上三相对称负载后，电枢绕组和负载一起构成闭合通路，通路中流过的是三相对称的交流电流，我们知道，当三相对称电流流过三相对称绕组时，将会形成一个以同步速度旋转的旋转磁势。由此可见，负载以后同步电
10、机内部将会产生又一个旋转磁势-电枢旋转磁势。因此，同步发电机接上三相对称负载以后，电机中除了随轴同转的转子磁势(称为机械旋转磁势)外，又多了一个电枢旋转磁势(称为电气旋转磁势)。参看异步电机篇的介绍，不难证明这两个旋转磁势的转速均为同步速，而且转向一致，二者在空间处于相对静止状态，可以用矢量加法将其合成为一个合成磁势。气隙磁场可以看成是由合成磁势在电机的气隙中建立起来的磁场。也是以同步转速旋转的旋转磁场。可见同步发电机负载以后，电机内部的磁势和磁场将发生显著变化，这一变化主要由电枢磁势的出现所致。,电枢反应,电枢磁势的存在，将使气隙磁场的大小和位置发生变化，我们把这一现象称为电枢反应。电枢反应
11、会对电机性能产生重大影响。电枢反应的情况决定于空间相量 和之间的夹角，而这一夹角又和时间相量E0 和Ia 之间的相位差y相关连。y称为内功率因数角，其大小由负载的性质决定。,时空相量图:1,时空相量图:2,时空相量图:3,时空相量图:,如图16.4 所示的瞬间，A相绕组中感应电势达到最大值，此时如果y=0，即A相电流和同相位，则亦达到最大值。由异步电机篇的介绍可知，电枢磁势(三相合成磁势)的轴线在此瞬间将和A相线圈的轴线重合。一般情况下，(时间相量)滞后或超前于(时间相量)y 电角度时，(空间相量)的轴线位置也滞后或超前于A 相绕组的轴线y电角度。即和在时间上的相位差等于的轴线和A相绕组轴线的
12、空间角度差。以上结论虽然是在一个特殊的瞬间(磁极轴线和A相绕组轴线正交时)得出的，由于和同速同步旋转，故在负载一定的情况下，和的空间相位差等于90+y 电角度。为了分析方便，人们常将时间相量,U 和空间相量,画一起构成所谓的时空相量图(见图16.4)。在时空相量图中和Ff(处于磁极轴线方向，称为直轴，用d表示)重合，滞后于 90电角度(处于相邻一对磁极的中性线位置，称为交轴，用q 表示)，和 之间的相位差y由负载性质决定，和重合。利用时空相量图(图16.5)，可以方便地分析不同负载情况时同步发电机电枢反应的情况。,y=0或者180度,时和Ff之间的夹角为90度或者270度，即二者正交，转子磁势
13、作用在直轴上，而电枢磁势作用在交轴上，电枢反应的结果使得合成磁势的轴线位置产生一定的偏移，幅值发生一定的变化。这种作用在交轴上的电枢反应称为交轴电枢反应，简称交磁作用。,y=90,此时与之间的夹角为180度，即二者反相，转子磁势和电枢磁势一同作用在直轴上，方向相反，电枢反应为纯去磁作用，合成磁势的幅值减小，这一电枢反应称为直轴去磁电枢反应。,y=-90,此时与之间的夹角为0，即二者同相，转子磁势和电枢磁势一同作用在直轴上，方向相同，电枢反应为纯增磁作用，合成磁势的幅值加大，这一电枢反应称为直轴增磁电枢反应。,同步电抗和电枢反应电抗,同步电抗和电枢反应电抗,同步电抗和电枢反应电抗,同步电抗和电枢
14、反应电抗,当三相对称电枢电流流过电枢绕组时，将产生旋转的电枢磁势，将在电机内部产生跨过气隙的电枢反应磁通和不通过气隙的漏磁通，和将分别在电枢各相绕组中感应出电枢反应电势 和漏磁电势。与电枢电流的大小成正比(不计饱和)，比例常数称为电枢反应电抗。考虑到相位关系后，每相电枢反应电势为：（16-3)电枢反应电抗的大小和电枢反应磁通所经过磁路的磁阻成反比，磁阻与电枢磁势轴线的位置有关。对于凸极电机而言，当和重合时，经过直轴气隙和铁心而闭合（这条磁路称为直轴磁路），如图16.6a 所示。此时由于直轴磁路中的气隙较短，磁阻较小，所以电枢反应电抗就较大。当和正交时，即和磁极的轴线垂直时，经过交轴气隙和铁心而
15、闭合（这条磁路称为交轴磁路），如图16.6b所示。此时由于交轴磁路中的气隙较长，磁阻较大，所以电枢反应电抗就较小。一般情况下，和之间的夹角由负载的性质决定，为 90+y，的流通路径介于直轴磁路和交轴磁路之间，电枢反应电抗的大小也就介于最大和最小之间。由于和之间的夹角受制于内功率因数角(即负载的性质)，不同负载时，和之间的夹角不同，对应的也就不同，这给分析问题带来了诸多不便。为了解决这一问题，人们采用了正交分解法和叠加原理，将看成是其直轴分量和交轴分量的叠加，并认为单独激励直轴电枢反应磁通，其流通路径为直轴磁路，对应有一个固定的直轴电枢反应电抗,并在定子每相绕组中产生直轴电枢反应电势；单独激励交
16、轴电枢反应磁通，其流通路径为交轴磁路，对应有一个固定的交轴电枢反应电抗，并在电枢每相绕组中产生交轴电枢反应电势。电枢绕组总的电枢反应电势可以写为(16-4)考虑到漏磁通引起的漏抗电势=-j(为电枢绕组的漏电抗)后，电枢绕组中由电枢电流引起的总的感应电势为(16-5)其中=+定义为直轴同步电抗，=Xaq+定义为交轴同步电抗。对于隐极电机来说，由于电枢为圆柱体，忽略转子齿槽分布所引起的气隙些微不均匀后，可以认为隐极电机直轴磁路和交轴磁路的磁阻相等，直轴和交轴电枢反应电抗相等，即=，结合=+，并代入式(16-5)可得(16-6)式中,定义为隐极电机的同步电抗。由定义可知，同步电抗包括两部分：电枢绕组
17、的漏电抗和电枢反应电抗。在实用上，常将二者作为一个整体参数来处理，这样便于分析和测量。,同步发电机空载运行分析,同步发电机空载运行分析,空载气隙磁场,对于凸极发电机来说，由于定转子间的气隙沿整个电枢圆周分布不均匀，极面下气隙较小，而极间气隙较大，极面下的磁阻较小，而极间磁阻很大，而且在同一个极面下，在一个极的范围内气隙径向磁通密度的分布近似于平顶的帽形。极靴以外的气隙磁通密度减少很快，相邻两极中线上的磁通密度为零。气隙磁密可以用付立叶谐波分析的方法分解出空间基波和一系列谐波。图16.1a中画出了基波波形。通常将极靴的极弧半径做成小于定子的内圆半径，而且两圆弧的圆心不重合(称为偏心气隙)，从而形
18、成极弧中心处的气隙最小，沿极弧中心线两侧方向气隙逐渐增大，这样可以使得气隙磁通密度的分布较接近正弦波形。隐极电机的励磁绕组嵌埋于转子槽内，沿转子圆周气隙可视为是均匀的。励磁磁势在空间的分布为一个阶梯形，受齿槽的影响,气隙磁密呈现出波动变化。用谐波分析法可求出其基波分量，如图16.1(b)所示。合理地选择大齿的宽度可以使气隙磁密的分布接近正弦波。在本书以后的分析中，如无特殊说明，仅考虑磁通密度的基波分量。感应电势的波形和大小与气隙磁密的分布形状及幅值大小紧密相关，在设计和制造电机时，应采取适当的措施，以获得尽可能接近正弦分布的气隙磁密，从而得到品质较高的感应电势。在本课程以后的分析中，我们仅考虑
19、感应电势的基波分量。,空载特性,当空载运行时,励磁电势随励磁电流变化的关系 称为同步发电机的空载特性。励磁电势的大小(有效值)与转子每极磁通成正比，而励磁电流的大小又和作用于同步电机磁路上的励磁磁势 正比例变化，所以空载特性与电机磁路的磁化曲线具有类似的变化规律。如图16.2 所示。由图可见，当励磁电流较小时，由于磁通较小，电机磁路没有饱和，空载特性呈直线（将其延长后的射线称为气隙线）。随着励磁电流的增大，磁路逐渐饱和，磁化曲线开始进入饱和段。为了合理地利用材料，空载额定电压一般设计在空载特性的弯曲处，如图中的c点。空载特性可以通过计算或试验得到。试验测定的方法与直流发电机类似。同步电机的空载
20、特性也常用标么值表示，空载电势以额定电压为基值，取 时的励磁电流(称为额定励磁电流)为励磁电流的基值。用标么值表示的空载特性具有典型性，不论电机容量的大小，电压的高低，其空载特性彼此非常接近。空载特性在同步发电机理论中有着重要作用：将设计好的电机的空载特性与表16-1中的数据相比较，如果两者接近，说明电机设计合理，反之，则说明该电机的磁路过于饱和或者材料没有充分利用。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。发电厂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。,负载后磁势分析,负载后磁势分析 y=0或者180度,负载后磁势分析y=90,负载后磁势分析y=90,有功功
21、率的调节,功角特性=f(d)反映了同步发电机的电磁功率随着功角变化的情况。稳态运行时，同步发电机的转速由电网的频率决定，恒等于同步转速，即，发电机的电磁转矩 和电磁功率之间成正比关系：电磁转矩与原动机提供的动力转矩相平衡其中为空载转矩因摩擦、风阻等引起的阻力转矩）。可见要改变发电机输送给电网的有功功率，就必须改变原动机提供的动力转矩，这一改变可以通过调节水轮机的进水量或汽轮机的汽门来达到。当功角处于0到范围内时，随着d的增大，亦增大，同步发电机在这一区间能够稳定运行。而当d 时，随着d的增大，反而减小，电磁功率无法与输入的机械功率相平衡，发电机转速越来越大，发电机将失去同步，故在这一区间发电机
22、不能稳定运行。同步发电机失去同步后，必须立即减小原动机输入的机械功率，否则将使转子达到极高的转速，以致离心力过大而损坏转子。另外，失步后，发电机的频率和电网频率不一致，定子绕组中将出现一个很大的电流而烧坏定子绕组。因此，保持同步是十分重要的。综上所述：并联于电网的发电机所承担的有功功率可以通过调节原动机输入的机械功率来改变的。而且电机承担的有功功率的极限是。当0d时发电机可以稳定运行；d发电机不能稳定运行。应当注意，当发电机的励磁电流不变时，d的变化也将无功功率的变化。无功功率随着有功功率的增加而减少，甚至可能导致无功功率改变符号，这是应当避免的。因此如果只要求改变发电机所承担的有功功率时，应
23、该在调节发电机有功功率的同时适当调节发电机的无功功率。,无功功率的调节,无功功率的调节,接在电网上运行的负载类型很多，多数负载除了消耗有功功率外，还要消耗电感性无功功率，如接在电网上运行的异步电机、变压器、电抗器等。所以电网除了供应有功功率外，还要供应大量滞后性的无功功率。电网所供给的全部无功功率一般由并网的发电机分担。电网的电压和频率不会因为一台发电机运行情况的改变而改变，即并网发电机的电压和频率将维持常数。如果保持原动机的拖动转矩不变(即不调节原动机的汽门、油门或水门)，那么发电机输出的有功功率亦将保持不变。图17.11给出了有功功率不变而空载电势变化时，隐极发电机的电势相量图，和的矢端必
24、须落在直线AB和CD上。如果在某一励磁电流时，正好与平行，此时无功功率为零,发电机输出的全部是有功功率，发电机正常励磁。,如果增加励磁电流到1，则将沿直线AB右移到1，将沿直线CD下移至1，1滞后于，发电机处于过励状态，输出功率中除了有功功率外，还有滞后性的无功功率；如将励磁电流减少到2，则沿BA左移到2，沿DC 上移到2，2超前于，发电机处于欠励状态，发电机输出功率中除了有功功率外，还有超前性的无功功率。,V形曲线,可见，通过调节励磁电流可以达到调节同步发电机无功功率的目的。当从某一欠励状态开始增加励磁电流时，发电机输出的超前的无功功率开始减少，电枢电流中的无功分量也开始减少；达到正常励磁状
25、态时，无功功率变为零，电枢电流中的无功分量也变为零，此时；如果继续增加励磁电流，发电机将输出滞后性的无功功率，电枢电流中的无功分量又开始增加。电枢电流随励磁电流变化的关系表现为一个V形曲线。V形曲线是一簇曲线，每一条V形曲线对应一定的有功功率。V形曲线上都有一个最低点，对应cosj=0 的情况。将所有的最低点连接起来，将得到与cosj=0对应的曲线，该线左边为欠励状态，功率因数超前，右边为过励状态，功率因数滞后（见图17.12）。V形曲线可以利用图17.11所示的电势相量图及发电机参数大小来计算求得，亦可直接通过负载试验求得。,同步发电机并网运行,同步发电机并联至电网,单机供电的缺点是明显的：
26、既不能保证供电质量(电压和频率的稳定性)和可靠性(发生故障就得停电)，又无法实现供电的灵活性和经济性。这些缺点可以通过多机并联来改善。通过并联可将几台电机或几个电站并成一个电网。现代发电厂中都是把几台同步发电机并联起来接在共同的汇流排上(见图17.1)，一个地区总是有好几个发电厂并联起来组成一个强大的电力系统(电网)。电网供电比单机供电有许多优点：提高了供电的可靠性，一台电机发生故障或定期检修不会引起停电事故。提高了供电的经济性和灵活性，例如水电厂与火电厂并联时，在枯水期和旺水期，两种电厂可以调配发电，使得水资源得到合理使用。在用电高峰期和低谷期，可以灵活地决定投入电网的发电机数量，提高了发电
27、效率和供电灵活性。提高了供电质量，电网的容量巨大(相对于单台发电机或者个别负载可视为无穷大)，单台发电机的投入与停机，个别负载的变化，对电网的影响甚微，衡量供电质量的电压和频率可视为恒定不变的常数。电网对单台发电机来说可视为无穷大电网或无穷大汇流排。同步发电机并联到电网后，它的运行情况要受到电网的制约，也就是说它的电压、频率要和电网一致而不能单独变化,并联条件,把同步发电机并联至电网的过程称为投入并联，或称为并列、并车、整步。在并车时必须避免产生巨大的冲击电流，以防止同步发电机受到损坏、电网遭受干扰。并车前必须检查发电机和电网是否适合以下条件：双方应有一致的相序；双方应有相等的电压；双方应有同样或者十分接近的频率和相位。若以上条件中的任何一个不满足则在开关K的两端，会出现差额电压，如果闭合K，在发电机和电网组成的回路中必然会出现瞬态冲击电流。上述条件中，除相序一致是绝对条件外，其它条件都是相对的，因为通常电机可以承受一些小的冲击电流。并车的准备工作是检查并车条件和确定合闸时刻。通常用电压表测量电网电压，并调节发电机的励磁电流使得发电机的输出电压U=U1。再借助同步指示器检查并调整频率和相位以确定合闸时刻。,
