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电机学教案第六章 同步电机61概述同步电机特点：同步电机转速与极对数、电流频率有严格的关系。高压、大容量的同步电动机采用旋转磁极式结构；小容量采用旋转电枢式。转枢式-转子绕组（电枢），定子磁极转极式-转子磁极，定子电枢。隐极式：气隙均匀、转子高机械强度高转速。适合细长汽轮发电机。 凸极式：气隙不均匀，适合中速、低速运行。短粗水轮发电机结构。611 同步电机的结构型式隐极电机 部件名称作用材料结构定子铁心形成磁路0.5mm硅钢片叠制。直径大于1米的铁心用扇形片拼成开口槽（大型）定子绕组电路部分，感应电势圆铜线或扁铜线三相双层短路叠绕组；高压大电流用多根并绕换位导线机座机械支撑大型用钢板焊接气隙磁场耦合绕线转子要利用滑环和电刷转子铁心磁路的一部分整块的良导磁合金钢（导磁、承受高转速、大离心力）高强度合金钢与转轴锻成一体转子绕组励磁绕组流过电流建立磁场电机用扁铜导线绕成同心线圈同心线圈被槽楔压紧在槽里护环保护励磁绕组端部中心环阻挡励磁绕组轴向移动滑环引入励磁电流端盖封盖电机两端部无磁性硅铝轻合金材料铸造轴承承受转子重量和离心力凸极同步电机隐极式同步电机只有卧式一种；凸极式则分为卧式和立式结构。卧式：多数同步电动机、调相机、内燃机发电机、冲击式水轮发电机立式：低速、大型水轮发电机卧式凸极同步电机的结构特点磁极用13mm的钢板冲制叠成。高速电机用实心磁极。励磁绕组用扁铜线绕制成同心线圈套在极身上。磁轭用铸钢或冲片叠制阻尼绕组用铜条插在磁极极靴槽中。作用是改善起动性能。立式凸极同步电机的结构特点定子分数槽波绕组转子：用高强度钢整体锻造，制成空心式以减轻重量；支架由轮毂和轮辐构成；磁极用11.5mm钢板叠压，用螺杆拉紧612 同步电机的励磁方式励磁绕组中通入直流电流，建立磁场。励磁系统有：1）直流发电机励磁系统：采用独立供电的直流并励发电机，与主发电机同轴。输出的直流电经电刷、滑环引入同步发电机转子励磁绕组。 2）静止式交流整流励磁系统：为解决换相火花问题，采用交流励磁机取代直流励磁机，但是要经过半导体整流系统把交流电变成直流电供给同步机励磁绕组。 3）旋转式交流整流励磁系统：亦称无刷励磁系统。转枢式的交流励磁发电机，与电机一起旋转，整流器也在轴上一起旋转，这样将整流输出直接供给同步发电机励磁，既不用直流励磁发电机的换向器又不用同步机的电刷滑环引入系统。613 同步电机的冷却方式空气冷却、氢气冷却、水冷却、超导发电机614 同步电机的额定值与异步电动机一样，额定电压、电流为线值，另外有：额定容量：发电机出线端额定视在功率，VA kVA.额定功率：发电机输出电功率 电动机输出机械功率 额定功率因数及额定效率62同步电机的运行原理研究三相同步电机在对称负载下稳态运行时的内部物理过程，包括基本方程式、矢量图、等效电路。621 同步发电机的空载运行1 空载特性与饱和系数空载时，定子绕组开路，电流为零，转子绕组通入直流励磁电流，发电机被拖动以同步速度旋转转子以同步速度n1旋转时，主磁通切割定子绕组感应电势频率为f，则为主磁通：由N极 气隙 定子齿 定子轭 定子齿 气隙 S极 转子轭 N极 特点是经过气隙，同时与定转子交链的磁通。漏磁通：由N极 极间气隙 S极 转子轭 N极 特点是不经过气隙，仅与励磁绕组自身交链，不与定子交链的磁通。发电机空载特性 ， 因为，经过适当比例变换，可得，它就是电机的磁化曲线。根据磁化曲线求饱和系数= （1.1 1.25）F0 空载额定电压所需要磁势；F 负载额定电压气隙磁势；磁路不饱和时，对应F0磁势产生的感应电动势。2空载时-空相量图 空间相量：励磁磁势基波分量Ff1 以及它产生的气隙磁密基波Bf1, 波幅同处于直轴正方向，都以同步角频率旋转。 时间相量：定子绕组交链的磁通，以及它在绕组中感应的电动势。在时间上滞后900电角度。3. 电压波形正弦性畸变率- 各次谐波幅值平方和的平方根与基波幅值之比。 622 同步电机的电枢反应同步电机空载时，气隙中的同步旋转主磁场仅由转子励磁电流（直流）建立；负载时定子绕组流过电流产生磁势（称为电枢磁势），它与励磁磁势共同作用产生合成气隙磁场。因此存在电枢反应问题。电枢磁场和主极磁场都是相对静止的，二者本身是旋转的。电枢反应：电枢磁势基波对主磁场的影响。同样包括去磁、助磁、交磁三种情况。它会使气隙磁场畸变。电枢磁势基波与励磁磁势同转速、同转向，相对静止；因为励磁磁势转速n1，定子对称三相绕组产生电枢磁势基波转速1电枢电流滞后励磁电动势一个锐角时的电枢反应，即 0900假设某时刻，A相绕组交链最大磁通，产生最大励磁电动势E0，此时刻作为时间起点。此时刻电流滞后角，也达到最大值。主磁通超前感应电势E0900。令时轴与相轴重合，则，（图6.17）（1）与重合，忽略磁滞涡流时，与重合。（2）与重合根据图6.17b得 和 此时产生去磁磁势，产生交磁磁势。特殊地： =0 =0 =Fa 只有交轴磁势；=90， 只有直轴磁势。只要知道时间相量的相位关系，便可以确定空间相量间的相位关系，进而分析电枢反应的情况与性质。2. 隐极同步电机的电枢反应特点由于隐极同步电机气隙均匀，电枢磁势对主极磁场的影响在气隙圆周上任何位置都一样，可以整体考虑电枢反应的影响，不用分成交直轴分量考虑。 磁路不饱和：利用叠加原理，分别考虑负载时电枢磁势Fa和励磁磁势Ff1的各自独立作用，然后进行叠加。即 直流励磁电流 励磁基波磁势 主磁通 感应电动势（定子绕组） 漏磁通（与转子交链） 负载定子电流 电枢磁势基波 电枢磁通 电枢感应电动势 定子漏磁通 定子感应漏电势定子绕组上产生的三个感应电动势、各自滞后于产生它们的磁通90度电角度。合成气隙磁通 ， 气隙电动势磁路饱和：不能使用叠加原理。电流产生磁势，求合成磁势，再求合成气隙磁通及感应电动势。即， 凸极同步电机的双反应理论凸极同步电机的气隙不均匀，同一电枢磁势作用在不同气隙位置时，电枢磁势对主极磁场的影响不同，所以气隙磁场会有变化。=90,正弦电枢磁势基波作用在d轴上。=0, 正弦电枢磁势基波作用在q轴上。0900 电枢磁势作用在任意位置，电枢磁场分布不对称，磁场波形与和Fa大小有关。不能直接确定电枢反应的大小。在这种情况下，为了分析电枢反应的影响，提出了双反应理论。双反应理论：当电枢磁势的轴线既不和直轴重合又不和交轴重合时，可以把电枢磁势分解成直轴分量和交轴分量。分别求出直轴和交轴磁势的电枢反应，最后再把它们的效果叠加起来。双反应理论适合饱和以及不饱和情况。 4直轴和交轴电枢磁势的折算 励磁磁密基波幅值（转子励磁磁势产生）（波形系数）直轴电枢磁势产生的基波磁密幅值 （电枢磁场波形系数）交轴电枢磁势产生的基波磁密幅值 将正弦波电枢磁势折算为等效的励磁绕组方波磁势，折算前后的基波磁密幅值不变。 直轴交轴电枢磁势折算系数根据查电机的空载特性曲线，可以得到产生的磁场在电枢绕组中的感应电动势。623 隐极同步发电机的负载运行不考虑饱和 正像前面分析的那样，不计饱和时，可以利用叠加原理。按照发电机惯例，如图6.20所示参考方向，得定子电动势平衡方程： 其中，； 电枢反应电势，Xa电枢反应电抗：数值上等于单位电流所感应的电枢反应电动势；物理意义表示对称三相电流产生的电枢反应磁场在定子绕组中感应电动势的能力。； 电枢感应漏电势， X漏电抗总为常数。所以， Xt=Xa+X为隐极同步电机的同步电抗，它表征对称稳态远行时电枢反应基波磁场和漏磁场综合效应的电磁参数。相量图：6.21不计饱和时隐极同步发电机的时空矢量图和等效电路（任意波形） 6.22 不计饱和时用励磁电动势和同步电抗表示的隐极同步发电机的时空相量图和等效电路（正弦波形）考虑饱和考虑饱和时，不能利用叠加原理。应该由合成磁势求磁通，由磁通求电势电势平衡方程： 根据图 6.24知，饱和时漏抗压降的延长线不和空载励磁电动势闭合。624 凸极同步发电机的负载运行1不考虑饱和 此时，转子直流励磁电流和定子绕组电流的交直轴分量各自作用产生磁势，在产生磁通，进一步会感应电势。最终将所有电势叠加起来得到平衡方程式及相应的相量图。 直流励磁电流 励磁基波磁势 主磁通 感应电动势（定子绕组） 漏磁通（与转子交链） 负载定子电流 Id ad 电枢感应电动势 Iq Faq aq Eaq定子漏磁通 定子感应漏电势则， 相量图6.25同时有： 记 电抗Xad, Xaq是直轴电枢反应电抗和交轴电枢反应电抗，它们物理意义是反映定子电流产生的磁场在定子绕组中感应电动势的能力。方程式进一步可以写出：参数， XdXq（）。分别称为凸极同步电机直轴同步电抗和交轴同步电抗。相量图6.262考虑饱和 考虑饱和后，首先要把作用在直轴上的磁势进行叠加，然后求各自的直轴磁通和电势以及交轴磁通和电势，最后再合成交直轴电势。即： If Ff Fd d EdId FadIq Faq aq Eaq E平衡方程式：交轴气隙大，可以认为磁路线性，交轴电枢反应电抗为常数，则相量图6.2763同步发电机的运行特性运行特性是指：空载特性E0=f(If)；短路特性Ik=f(If)；零功率因数特性U=f(If)；外特性U=f(I)；调整特性If=f(I)。两个重要参数：短路比kc和电压调整率采用标么值分析同步电机，基值选取如下：容量基值： 单位VA电压、电流基值：阻抗基值： 转速基值：励磁电流：631 同步发电机的运行特性空载特性空载特性是指电机在同步转速下空载运行时，励磁电势E0与励磁电流If的关系。由于铁磁材料的磁滞现象，当励磁电流由If=0 Ifm If=0 时，上升和下降曲线不重合。并且改变不同的Ifm值会得到不同的磁滞回线，工程上采用平均的磁化曲线。实验室中完成的是U0=1.3UN到If=0的下降曲线，然后进行效正。图6.28作用：（1）从空载特性曲线可以反映出电机设计合理性 （2）利用空载特性的短路特性可以求出同步电机的重要参数同步电抗。短路特性电机定子三相稳态短路，同步旋转，U=0时电枢电流与励磁电流的关系。首先看看方程：隐极电机：不饱和： 凸极电机：不饱和： 饱和： 饱和： 短路时，限制短路电流的只有发电机的同步阻抗，忽略电枢电阻只考虑同步电抗的话，短路电流可认为纯感性，电枢磁势基本是一个纯去磁作用的直轴磁势。因此作用在直轴上的磁势有直流励磁磁势和电枢去磁磁势，合成磁势，其产生气隙感应电动势jIX。气隙合成磁通小，磁路处于不饱和状态。又 线性短路特性。特性三角形：见图 6.29a，线段AB表示直轴电枢反应磁势，线段AC反应漏电抗压降IX（可求漏电抗）零功率因数负载特性负载特性： n=nN，I=constant, cos=constant,U=f(If)零功率因数负载特性: n=nN，I=constant, cos=0,U=f(If)；实验时电机要接三相纯电感负载。两种方法求零功率因数负载特性：试验法和空载特性结合特性三角形（短路三角形）法。试验法： 保持I=IN，n=nN，调节励磁电流和负载电抗，测量电压，则U=f(If)由空载特性利用特性三角形得到零功率因数负载特性特性三角形左上角顶点沿着空载特性曲线移动时，其右下角顶点的轨迹即为所求的零功率因数负载特性。因为：接纯电感负载，电枢磁势就是直轴去磁磁势，同时负载电流也会产生漏磁通感应漏电势。（笔记上讲的明白）换句话说，负载时要产生与空载同样的电压，直流励磁电流必须提供平衡直轴去磁磁势和感应漏电势所需要的电流。外特性当n=nN，If=constant, cos=constant,U=f(I)(1)在感性负载和纯电阻负载情况下，电枢反应有去磁作用，空载电势。定子电阻和漏抗引起电压下降，外特性是一条下降的曲线。电机需要补偿较大的励磁电流，称其过励状态。（2）容性负载时，电枢反应是助磁的，外特性上升。电机需要减小励磁电流（与额定励磁电流比较），称其欠励状态（3）从外特性求同步发电机的电压变化率（亦称为调整率） 电机额定运行时，空载励磁电动势与额定电压差与额定电压的比值。一般凸极电机1830%，隐极电机3048%（感性负载）调整特性-它与外特性相反，感性和纯阻性负载，转子电流随着负载电流增加而增加（因为电枢反应去磁作用，需要增加补偿的励磁电流）；容性负载时则电枢反应的助磁作用要减小励磁电流。 当n=nN，U=constant, cos=constant,If=f(I)632 特性曲线在参数计算中的作用由空载特性和零功率因数负载特性确定定子漏电抗和电枢反应的等效励磁磁动势（见上节）保梯电抗当考虑转子漏磁影响时，此时的特性三角形由短路三角形变成保梯三角形，由保梯三角形求得得定子漏抗称为保梯电抗Xp (XpX) (笔记或图6.35)利用空载特性和短路特性确定Xd的不饱和值在磁路不饱和的情况下，对应的直轴同步电抗Xd称为Xd不饱和值。方法：在同一个励磁电流下，从空载特性E0=f(If)曲线，求出气隙线上的E0 再从短路特性上Ik=f(If)，求出电流Ik则 Xd(不饱和)=E0/Ik 标么值短路比空载额定电压的历次电流下三相稳态短路时的短路电流与额定电流比值 因为短路特性是一条直线， 转化为励磁电流的比，即：=k/X*d(不饱和) (要结合书上的图和笔记理解)短路比：就是用标么值表示的直轴同步电抗不饱和值的倒数与饱和系数之积。短路比对电机的影响：短路比大，同步电抗不饱和值效，过载能力大，负载电流引起的端电压变化小。短路比小，负载变化时端电压变化大，电机成本低。气隙加大，可减小Xd（不饱和）值，短路比增加，电机性能好，成本高利用空载特性和零功率因数负载特性确定Xd的饱和值磁路饱和时不能利用线性原理，必须先求合成磁势，再从空载特性上求出气隙电动势。633 同步发电机稳态参数的计算对称稳定运行时，参数Xd, Xq, Xp, X的实验测定法。4同步发电机的并联运行641 投入并联的条件和方法优点：（1）提高电能供电的可靠性 （2）提高发电厂的运行效率一、投入并联的条件1发电机频率与电网频率相同，f2=f1；否则，发电机输出电压与电网电压之间有相位差存在，并联运行时将产生环流。2发电机相电动势与电网电压波形要相同；否则，并联时将在电机与电网之间产生高次谐波环流，使运行损耗和温升增高。3发电机相电动势与电网电压幅值相等、相位相同；否则，产生环流高达2030倍额定值。4二者相序相同；否则，产生环流。上述条件中，2和4可以在设计、制造上保证；1和3要在并网运行时满足的条件。二、投入并联的方法1. 准确同步法直接接法亦称为灯光熄灭法从连接图可见，每组灯上的电压就等于该相电网电压和发电机电压之差。假设 则：显然，该电压差幅值随着时间以频率在0 2U1之间变化；变化频率为讨论：（1）若，则=0，三组灯上的电压为零，灯同时熄灭。此时和上开关，并网 （2），则，且以频率变化，灯光亮而闪烁。此时要调节电机转速，出现（1）的情况，才能合闸。交叉接法亦称为灯光旋转法若电网电压幅值、相序、相位与发电机电压相同，则灯上的瞬时电压差分别为，此时灯A灭，达到最大，灯B，C最亮若其它条件相同，只是频率不同，则有三种情况（a）三个灯闪烁(b) A，B灯亮，C灯熄灭(c) A，C灯亮，B灯熄灭在情况（2）时，同样要调整电机转速，使f1=f2 出现（1）的情况，才能合闸。2自同步法 用原动机将发电机拖动到接近同步转速，并网后，立即投入励磁，此时可以由定转子间的电磁力将电机自动牵入同步。但冲击电流比较大。642 功率和转矩平衡方程式电磁功率的一般化形式：（见图6.50）讨论：1）隐极电机不饱和， 2）凸极电机不饱和，转矩平衡方程式：643 功角特性忽略电枢绕组铜耗，有 根据图6.51a得 代入上式得：上式中，第一项称为基本电磁功率，第二项称为附加电磁功率（只有凸极电机才存在此项）为什么凸极电机会产生附加电磁转矩？主要是由于交直轴磁通不等引起的。电枢磁通密度与磁势矢量不重合，必将产生附加的电磁转矩。这就好比异步电机中讨论的和不重合时，将产生铁耗和相应的转矩一样。同步电机中，直流励磁，转子中没有铁耗，全部用于产生磁场。基本电磁功率是由于转子磁场与定子电流之间的相互作用产生的功率。附加电磁功率的特点：与无关，即使，它也不是零。它正比于，亦称为磁阻功率。出现最大功率时的功角隐极电机没有磁阻转矩644 有功功率调节与静态稳定（以隐极电机为例，忽略饱和影响和电枢电阻，电网电压频率恒定）一、有功功率调节当发电机并入电网但不输出有功功率时，功角，即原动机输入的功率与各种损耗守恒。此时电机中的电流是无功电流。 以为参考相量，无功电流滞后90度。与同相位，滞后90度如果增加原动机输入功率，则，电机加速，转子直轴磁势超前于气隙磁蜜，。此时，且超前一个相角，当，使，发电机转子不再加速，说明原动机输入的功率与电磁功率和损耗功率平衡，电机将机械功率转变成电功率输出。换句话说，要想增加发电机的输出功率，就必须增加原动机的输入功率，使电机的功率角增大。但是当时，若继续增加输入功率，电机将失去自身平衡状态，导致电机失步。就是说原动机的输入功率不能无限制的增加，电机自身存在着静态稳定的问题。二、静态稳定概念：电网或原动机偶然发生微小扰动时，当扰动消失后，发电机能恢复原来的稳定同步运行状态，则称为静态稳定。判断方法：假设原动机输入有效功率为PT=P1-p，发电机产生的制动性质的电磁功率为Pem，此刻出现一个扰动，使输入功率增加PT，从功角曲线上可以判断电磁功率也增加Pem，使得，电机将减速回到A点。 反之，电机运行在C点，出现扰动时，导致输入的有效功率大于输出的电磁功率，电机不能恢复稳定运行。后，电磁功率为负值，产生拖动性质的转矩，是同步电动机运行状态。隐极同步电机，功率角在090为稳定运行区，90180为不稳定运行区。同步电机稳定判据：；即功角增量大于零时，电磁功率增量也要大于零。如果，称为该点为静态稳定极限点；发电机不能稳定运行整步功率系数：整步转矩系数：静态过载系数： 要求kM1.7例题p330 6.3645 无功功率调节和V形曲线同步发电机与电网并联后，不但要向电网供给有功功率，而且还有与电网进行的无功功率的交换。在上节已经讨论了，同步发电机要增加输出的有功功率，必须增加原动机的输入功率；本节将讨论的是，同步发电机要调节输出的无功功率，不需要调节原动机的输入功率，只要调节发电机励磁。 仍然以隐极电机为例分析：U=电网电压，忽略电枢电阻，不计饱和影响，P2=constant, Pem=constant，只调节励磁电流，分析定子电流的变化。 常数 常数 忽略电枢电阻有Pem=P2，即常数， 即可以根据此式分析If or E0对I的影响。根据隐极电机电势方程式，画出相量图（图6.56）,得直线AB和CD。通过调节励磁电流调节无功功率得方法分以下几种情况讨论：U与I同相位 cos=1,增加励磁电流减小励磁电流再减小励磁电流6.5 同步电动机和调相机同步电动机一般采用凸极结构，在磁极表面上装有起动笼。（发电机称为阻尼笼）同步电动机的最大优点是能够改善功率因数。与同容量的异步电动机相比体积小。转速恒定与负载无关。过载能力强，静态稳定好。同步电动机不能自起动，常用异步起动法起动。随着电力电子技术的发展，变频起动应用广泛，特别是永磁同步电动机。651 基本电磁关系一、从发电机状态过渡到电动机状态从发电机状态进入电动机状态的过程中，功率角和电磁功率由正值变为负值，电磁转矩为驱动性质。电机输入电功率输出机械功率。结合图6.58说明。二、电动势平衡方程与相量图同步电动机分析时采用电动机惯例。则电流I超前端电压U（从电网吸收超前的容性电流），励磁电动势E0滞后与电压U，和角为正值，产生的电磁功率也为正值。电动势平衡方程式分别为： 根据电动势方程可以画出相量图。三、功角特性和功率平衡方程电动机运行时，E0滞后端电压U的功角为正值