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第九章同步电机的基本工作原理与结构 同步电机是交流旋转电机的一种 因其转速恒等于同步速时得名 同步电机主要用作发电机 也可用作电动机和调相机 第十章同步电机的运行原理 第十一章同步电机的三相突然短路和异常运行 第九章同步电机的基本工作原理与结构 第二节同步电机的基本工作原理及其分类 第一节汽轮同步电机的基本结构 第三节三相同步电机的型号和额定值 思考题与习题 以汽轮发电机为例 第一节汽轮同步电机的基本结构 返回 返回 1 汽轮发电机结构 1 定子铁心 返回 1 汽轮发电机结构 2 定子绕组 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 3 灯泡贯流式水轮发电机 2 水轮发电机结构 4 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 第二节同步电机的基本工作原理及其分类 一 三相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 三相同步发电机的物理过程可用图示表示 二 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 第三节同步电机的型号和额定值 一 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200MW 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 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 额定值 第一节同步发电机的电枢反应 第二节同步发电机的电动势方程和相量图 第四节同步发电机的并列 第七节同步调相机和同步电动机 思考题与习题 第十章同步发电机的运行原理 第三节同步发电机的运行特性 第五节同步发电机的有功功率功角特性和静态稳定 第六节同步发电机的无功功率功角特性和 形曲线 第一节同步发电机的电枢反应 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 一 同步发电机的空载特性 励磁电流If单独建立的励磁磁动势Ff产生的主 漏磁通 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 空载时电磁关系 空载特性 空载电动势大小 空载特性曲线 二 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 准备工作 1 三个角 1 内功率因数角 是与之间的时间相位角 与电机参数及负载有关 2 外功率因数角 是与之间的时间相位角 与负载有关 3 功率角 功角 是与之间的时间相位角 三个角之间的关系为 2 四个轴 直轴 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 1 时的电枢反应 电枢反应性质 交轴电枢反应 空载电动势和电枢电流同相位 2 时的电枢反应 空载电动势超前电枢电流 3 时的电枢反应 空载电动势滞后电枢电流 空载电动势超前电枢电流角 4 的电枢反应 此种情况下 直轴分量 交轴分量 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 三 电磁转矩 同步发电机带上负载后 电枢电流建立电枢反应磁场 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 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 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 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 2 无功电流产生电磁力但不形成转矩 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 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 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 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 第二节同步发电机的电动势方程和相量图 一 同步电抗 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 不考虑磁路饱和时 各电动势与其对应的电流成正比 即有 对应的直轴电枢反应电抗 对应的交轴电枢反应电抗 对应的漏电抗 对于凸极同步电机 由于直轴气隙比交轴气隙小 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 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 隐极发电机对应的电枢反应电抗 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 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 一 凸极同步发电机的电动势方程和相量图 若正方向按图规定 则有 代入 得到凸极发电机的电动势方程 或 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 若内功率因数角不知 可从以下公式求取 二 隐极同步发电机的电动势方程 等效电路和相量图 电磁关系 电动势平衡方程 或 代入 可得到隐极发电机的电动势方程 根据电动势方程 可以作出隐极发电机的等效电路和相量图 等效电路 根据相量图可求出 相量图 由相量图可知 第三节同步发电机的运行特性 一 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 短路时的等效电路 1 短路特性 2 同步电抗的求取 根据公式 求xd不饱和值时 首先给定一励磁电流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 外特性曲线 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电流 四 调节特性 定义 调整特性曲线 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 并联运行的含义 第四节同步电机的并列 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 准同步法2 自同步法 一 准同步法 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 准同步并列必须满足的条件 某一条件不满足时对电机的影响 1 电机和电网之间有环流 定子绕组端部受力变形 2 产生拍振电流和电压 引起电机内功率振荡 3 电机和电网之间有高次谐波环流 增加损耗 温度升高 效率降低 4 电网和电机之间存在巨大的电位差而产生无法消除的环流 危害电机安全运行 1 电压大小不等 此时 S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 由于xd 很小 所以即使 U不大 冲击电流也会很大 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 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 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 并发电机频率略高于电网频率时 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 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 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 1 0 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 相序不同的发电机不能并列 因为此时和恒差 恒等于 它将产巨大的冲击电流危害电机及系统 第五节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 在两边除以 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 为常数 空载电动势不变 即不变 时 为有功功率功角特性 凸极电机 隐极电机 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 水轮发电机的有功功率功角特性分两部分 附加电磁功率的特点 基本电磁功率 附加电磁功率 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 1 是电动势和电压间的时间相位角 或称是励磁磁动势和合成磁动势间的空间夹角 2 是感应电动势的主磁通和产生电压的定子等效合成磁通之间的夹角 用图示功角的双重物理意义 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 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 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 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 Pem和Tem增大 迫使电机减速 功角 变小 电机回到a点 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 电机稳定性越好 对水轮发电机 比整步功率为 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 是从提高稳定观点考虑的 不是从发热观点考虑的 第六节同步发电机的无功功率功角特性及V形曲线 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 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 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的功角特性曲线 几个特殊点 二 无功功率调节 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 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 正常励磁 过励磁 欠励磁 欠励磁 进相 运行 过励磁 迟相 运行 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 第七节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