第7章同步电机的运行原理.ppt

第8章同步电机的运行原理 8 1同步电机的主要结构和额定值8 2同步电机的磁场和电枢反应8 3隐极同步发电机的电压方程和相量图8 4凸极同步发电机的电压方程和相量图8 5同步发电机的空载特性 短路特性和零功率因数负载特性8 6同步发电机的外特性和电压调整率8 7同步发电机与电网的并联运行8 8同步电动机与同步补偿机 8 1 1同步电机的主要结构同步电机也是由定子 转子两大部分所组成 8 1同步电机的主要结构和额定值 1定子同步电机的定子有时也称为电枢 由定子铁芯 电枢三相绕组 机座和端盖等部件所组成 1 定子铁芯 由硅钢片冲制后叠装而成 当大型同步电机冲片外圆的直径大于1m时 由于材料标准尺寸的限制 必须做成扇形冲片 图8 2 2 定子绕组 在第二篇中已详细介绍 上一页 下一页 退出 返回 2转子 磁极 同步电机的转子有两种结构型式 凸极式隐极式 图8 3同步电机的转子结构 上一页 下一页 返回 退出 1 转子磁极铁芯 由普通的薄钢片冲制成 磁极铁芯上放置集中的励磁绕组 整个磁极利用T形尾部固定在磁轭上 2 励磁绕组 负责产生磁场 3 阻尼绕组 磁极的表面常装设类似笼型感应电机转子上的短路绕组 在发电机中称为阻尼绕组 在电动机中称为起动绕组 上一页 下一页 退出 返回 图8 4磁极冲片图8 5凸极同步电机磁极装配1 阻尼绕祖 2 磁极铁心 3 励磁绕组 4 磁轭 5 磁极T形尾固定部分 上一页 下一页 退出 返回 图8 6同步电机转子上图8 7空心导线的阻尼绕阻1 导线绝缘 2 铜线 3 空心 上一页 下一页 退出 返回 3汽轮发电机和水轮发电机在结构上的区别 1 汽轮发电机结构 1 定子铁心 思考 定子铁心为什么要用0 5mm的硅钢片叠裝 2 定子绕组 汽轮发电机定子绕组端部结构 3 转子结构1 转子铁心 2转子绕组 2 水轮发电机结构 1 立式水轮发电机 2 卧式水轮发电机 上一页 下一页 返回 3 转子结构 10000kw水轮机转子 上一页 下一页 返回 凸极结构转子 优点是制造方便 缺点是机械强度较差 因此多用在离心力较小 转速较低的中小型电机中或用在水轮发电机中 隐极结构转子 优点是机械强度好 但是制造工艺较复杂 因此多用在离心力较大 转速较高的电机中 例如汽轮发电机多采用隐极结构 上一页 退出 下一页 返回 3冷却问题简述 在大型汽轮发电机中 为了提高其冷却效率 往往用氢气冷却 因氢气的比重比空气小 在旋转时产风的摩擦损耗减小 同时氢气的导热率比空气大 散热也良好 氢气与空气混合后 有爆炸危险 必须有一套控制设备来保证外界空气不会渗入到电机内部 在更大容量的发电机中 可以采用导线内部直接冷却 例如采用空心导体 冷却介质直接在导体中流通把热量带走 所采用的冷却介质一般有氢气及水等 上一页 下一页 返回 8 1 2同步电机的额定值 1 额定电压 正常运行时 按照制造厂的规定 定子三相绕组上的线电压 电压的单位用V或kV表示 2 额定电流 在正常运行时 按制造厂的规定 流过定子绕组的线电流 电流的单位用A表示 退出 上一页 下一页 3 额定功率 在正常运行时 电机的输出功率 对于发电机是指输出的电功率 对于电动机是指输出的机械功率 额定功率与额定电压 额定电流之间的关系 发电机电动机额定功率的单位为kW 退出 上一页 下一页 4 相数m 一般m 3 5 额定频率 我国额定工业频率规定50Hz 6 额定转速 额定转速即为电机的同步速 在一定极数及频率时 它的转速是定值 退出 上一页 8 2同步电机的磁场和电枢反应 8 2 1电枢反应 负载以后 除转子磁势外 定子三相电流也产生电枢磁势 电枢磁势的存在 将使气隙中磁场的大小及位置发生变化 电枢磁动势对励磁磁动势的影响称之为电枢反应 电枢反应的性质主要决定于空载电势和负载电流之间的夹角 即决定于负载的性质 下一页 返回 退出 下面从三种极限情况出发进行研究 即 1 和同相位 即 0 2 滞后90电角度 即 90 3 超前90电角度 即 90 在分析电枢反应之前 先看看同步发电机的工作原理 退出 下一页 1 和同相位 0 时的电枢反应 上一页 下一页 返回 退出 0时的电枢反应 当转子转到图所示位置时 感应电势最大 0时的情况 电流也在此瞬间到达最大值 电枢磁势就与A相绕组中心线相重合 电枢磁势滞后于转子磁势900 从图可以看出 由于交轴电枢磁势的存在 将使合成磁势的轴线位置产生一定的位移 幅值发生一定的变化 称为交轴电枢反应 退出 上一页 下一页 2 滞后90电角度 90 时的电枢反应 90 时的电枢反应 退出 上一页 下一页 此时的电枢磁势产生去磁作用 称为直轴去磁电枢磁势 3 超前90电角度 90 时的电枢反应 当 90 时 电枢磁势也与主磁极轴线相重合 此时的电枢磁势产生增磁作用 称为直轴增磁电枢磁势 如下图所示 退出 上一页 下一页 90 时的电枢反应 退出 上一页 下一页 4 一般情况下 任意角度时 的电枢反应滞后时的情况 即90 0 将分解成两个分量 即与同相分量 滞后于900分量 产生直轴电枢磁势 对主磁极起去磁作用 起交磁作用 退出 上一页 下一页 返回 也可以理解为电枢磁势按 角分解成作用在直轴磁路的磁势及作用在交轴磁路的磁势 退出 上一页 下一页 图8 4时的相量图图8 5时的相量图 退出 上一页 下一页 同理可以分析当电流超前于电动势的情况 即0 90 由上图可以看出 此时直轴分量电流产生的直轴磁势对主极磁势起增磁作用 交轴分量电流产生的交轴磁势对主极磁势起交磁作用 8 2 5时 空统一向量图 退出 上一页 下一页 8 2 6同步电抗的概念 1 隐极同步电机 同步发电机在空载时 转子励磁后 在气隙中仅存在磁极磁通 并在定子绕组中感应空载电势 当接上负载以后 三相电枢电流产生旋转磁势及磁通 这一磁场以同步速切割定子绕组 在其中感应出电势 被称为电枢反应电势 退出 上一页 下一页 返回 由于电枢反应电势正比于电枢反应磁通 在不考虑饱和时 电枢反应磁通又正比于电枢反应磁势及电流 因此 电枢反应电势和电枢电流之间成正比关系 由于电势滞后于磁通90电角度 亦即滞后于电流90电角度 所以电势就可以写成电抗压降的形式 称为电枢反应电抗 退出 上一页 下一页 电枢电流除产生电枢反应磁通外 还在定子槽周围 绕组端部等处产生漏磁通 在电枢绕组中产生感应电势 并且和或成正比 退出 上一页 下一页 隐极发电机的电磁过程 三相电所产生的定子绕组总磁通为 两者在电枢绕组中所产生的全部电势为 称为隐极同步电机的同步电抗 退出 上一页 下一页 同步电机在正常状态下工作 磁路略呈饱和 磁路的饱和程度越高 它的磁阻便越大 所对应的电抗便越小 故或的大小是随着磁路饱和程度的改变而改变的 2凸极同步电机 凸极电机中 直轴及交轴上气隙是不相等的 同样大小电枢磁势作用在直轴磁路上和作用在交轴磁路上 所产生电枢反应磁通的大小并不一样 如图8 7 退出 上一页 下一页 随着着负载性质的不同 电枢磁势作用在不同的位置 对应着不同的磁阻而不同的磁阻将对应着不同的电抗 如果也采用上面分析隐极电机的方法 所得到的同步电抗将是一个变数 这将给研究计算工作带来困难 退出 上一页 下一页 图8 7同步电机磁路 将分解成及两个分量来分别研究 直轴电枢磁势固定地作用在直轴磁路上 对应于一个恒定不变的磁阻 产生磁通 交轴电枢磁势固定地作用在交轴磁路 也对应于一个恒定不变的磁阻 产生磁通 退出 上一页 下一页 磁通与分别切割定子组而在其中感应出电势及 由于交轴及直轴的磁阻都恒定不变 所以因此 退出 上一页 下一页 直轴 交轴电枢反应电抗各和定子漏抗相加 便可以得到直轴同步电抗和交轴同步电抗 在直轴磁路上 由于气隙小 磁阻小 所以较大 在交轴磁路上 由于气隙很大 磁阻大 所以较小 退出 上一页 下一页 凸极发电机的电磁过程 上一页 下一页 返回 8 3隐极同步发电机的电压方程和相量图8 3 1隐极同步发电机的电动势方程式同步发电机在对称负载下运行 气隙中存在着两种磁势 即定子上的电枢磁势和转子的磁极磁势 在不考虑磁路的饱和现象时 应用迭加原理 认为它们各自独立地产生相应磁通 并在电枢绕组内产生感应电势 退出 上一页 下一页 上一页 下一页 返回 负载以后 电枢绕组的感应电势计有 1 由磁极磁通产生的电势 2 由电枢反应磁通产生的电势 3 由定子绕组漏磁通产生的电势 忽略电阻压降 则每相感应电势的总和即为发电机的端电压 退出 上一页 下一页 上一页 下一页 返回 隐极同步发电机的等值电路 上一页 下一页 返回 忽略电阻压降 电势平衡方程式为 隐极同步发电机的相量图为 退出 上一页 下一页 作图步骤如下 已知发电机的端电压 负载电流和功率因数cos 及参数 1 根据给定的功率因数 作出端电压及电流相量 2 在电压相量的末端 加上同步电抗压降 它超前于电流90电角度 便得感应电势 与的夹角用 表示 与的夹角用 表示 与的夹角用表示 在以上三个角度间存在有下列关系 退出 上一页 下一页 由相量图可以得到和的计算公式 退出 上一页 下一页 上一页 下一页 返回 8 4凸极同步发电机的电压方程和相量图 凸极同步发电机在对称负载下运行时 气隙中也存在着两种旋转磁势 即转子上磁极磁势和定子上电枢磁势 分析时将电枢磁势分解成和两个分量 然后和处理隐极电机一样 不计及磁路的饱和现象 应用迭加原理认为它们各自独立地产生相应的磁通 并在电枢绕组内产生感应电势 退出 上一页 下一页 返回 负载以后 电枢绕组内的感应电势计有 1 由主极磁通产生的电势 2 由电枢反应交轴磁通分量产生的电势 3 由电枢反应直轴磁通分量产生的电势 4 由定子绕组漏磁通产生的电势 忽略电阻压降 则每相感应电势的总和即为发电机的端电压 可得 退出 上一页 下一页 上一页 下一页 返回 把漏抗压降分解成两个分量得到 退出 上一页 下一页 上一页 下一页 返回 画出凸极同步发电机的相量图 首先必须知道及两个电流分量 也就是要知道与之间的夹角 进行变换 退出 上一页 下一页 作图步骤如下 1 以电压作参考量 在水平方向作出相量 2 当已知功率因数角后 画出电流相量 3 根据上式可知 相量可以确定的位置 即确定 角 退出 上一页 下一页 上一页 下一页 返回 4 按 角将电流分解成及 5 根据上式 在电压相量上加上及 最后求得 由图中 可以求得 角及E0的计算式 退出 上一页 下一页 上一页 下一页 返回 8 5同步发电机的空载特性 短路特性和零功率因数负载特性 8 5 1同步发电机的空载特性和短路特性 1 空载特性当同步发电机运行于 时 即称为空载运行 空载特性或开路特性就是空载时不同励磁电流和产生空载电势之间的关系 即曲线 退出 上一页 下一页 返回 因正比于 而励磁电流又正比于励磁磁势 所以开路特性曲线与电机的磁化曲线在形状上完全相同 如图8 17所示 开路特性主要有两个用处 1 开路特性可以反映出电机设计是否合理 额定电压应位于开路特性开始弯曲的部分 例如A点 才比较经济 退出 上一页 下一页 上一页 下一页 返回 电机产生额定磁通所需的空载励磁电流与气隙线相应的励磁电流之比 称为饱和系数 一般 2 同步电抗是同步电机中一个极为重要的参数 开路特性配合短路特性可以求出同步电抗 上一页 下一页 返回 2 短路特性当同步发电机运行于 电枢三相绕组持续稳态短路 即U 0 时 称为短路运行 如改变它的励磁电流 三相短路电流也随之而改变 短路特性就是研究这两个量之间的变化关系 即曲线 如图8 17所示 如果略去电枢电阻 并将 代入电势平衡方程式 可以得到 8 18 退出 上一页 下一页 可以画出短路运行时的相量图 如图8 18所示 因为忽略了电阻效应 电枢是纯电感电路 短路电流滞后于电势90电角度 所以产生的电枢反应是直轴去磁效应 此时电机内的磁通很弱 磁路是不饱和的 所以同步电抗为一个常数 退出 上一页 下一页 上一页 下一页 返回 图8 17空载特性与短路特性图8 18三相短路时的相量图 式 8 18 表示着正比于 而又正比于 所以正比于 因此短路特性是一条通过原点的直线 三相短路时 由于滞后于90电角度 即 90 因此在凸极电机中 短路电流全是直轴分量 而交轴分量为零 所以 8 19 退出 上一页 下一页 和隐极电机一样 凸极同步电机在三相短路时 由于电枢磁势的直轴去磁作用 使电机中磁通小 磁路也不饱和 所以式 8 19 中也是一个常数 同步发电机在三相稳态短路时 由于短路电流所产生的电枢磁势对主磁极去磁 减少了电机中的磁通及感应电势 使短路电流不致过大 所以稳态的三相短路是没有危险的 退出 上一页 下一页 上一页 下一页 返回 3 由开路及短路特性求取同步电抗由式 8 18 和式 8 19 得 注意 开路特性时存在着饱和的问题 而短路时磁路是不饱和的 所以短路特性总是一根直线 如图所示 当很小时 运行于开路特性不饱和部分 直线部分 那么与之比求得的是同步电抗的饱和值 退出 上一页 下一页 上一页 下一页 返回 求同步电抗的饱和值方法 首先从空载特性上找到对应于额定电压时的励磁电流值 如图中的 再从短路特性上找到对应于此励磁电流所产生的短路电流 这样饱和同步电抗的近似值为根据经验公式 可以得到交轴同步电抗为 退出 上一页 下一页 上一页 下一页 返回 同步发电机的短路比是指在空载额定电压下的短路电流与额定电流之比 即 8 22 上一页 下一页 返回 kc的大小影响电机的性能和成本 kc小 则Xd大 短路电流小 电机的成本和尺寸降低 但负载运行时电压变化大 过载能力下降 kc大 则情况相反 一般汽轮发电机取kc 0 4 1 0水轮发电机取kc 0 8 1 8 上一页 下一页 返回 8 5 2同步发电机的零功率因数特性 零功率因数特性是指 在 恒定值 一般取 0的条件下的特性 同步电机是在电感负载下运行 而电机本身的阻抗也是电感性的 电枢反应是纯粹的直轴去磁效应 退出 上一页 下一页 上一页 下一页 返回 同步发电机在电感负载下运行 磁极磁势补偿了电枢反应去磁磁势后 剩余部分在电机气隙内产生磁通 所以励磁电流增加时 磁路能逐渐饱和 电压上升逐渐缓慢 使曲线弯曲 如图8 19所示 研究零功率因数特性与开路特性之间的关系 为什么在零功率因数曲线上 电压为零时 励磁电流不为零呢 退出 上一页 下一页 上一页 下一页 返回 图8 19同步发电机零功率因数特性图8 20纯电感负载时相量图 1 零功率因数特性是在定值条件下得到的 由于绕组中流过电流 产生漏抗压降 所以需要一定励磁电流 以产生电势来平衡此漏电抗压降 2 零功率因数曲线是在纯电感负载下得到的 此时的电枢反应是一个纯粹的去磁作用 所以再需要一定的励磁电流 来抵消此电枢反应去磁作用的影响 退出 上一页 下一页 上一页 下一页 返回 称为特性三角形 它的垂直边是定子漏抗压降 水平边是电枢反应去磁磁势 这两边都正比于电枢电流 因此在电枢电流一定时 此特性三角形的大小不变 所以当特性三角形的A点在开路特性上移动时 C点的轨迹就是零功率因数特性 退出 上一页 下一页 上一页 下一页 返回 退出 上一页 下一页 上一页 下一页 返回 用试验的方法作出了开路特性与零功率因数特性 可以找到此特性三角形 根据特性三角形可以求得 1 电枢磁势 用等效的励磁电流表示 2 定子漏抗 用此法求得的定子漏抗习惯上称为保梯 Potier 电抗 其值略大于定子漏抗 对于隐极电机 极间漏磁较小 而在凸极同步电机中 极间漏磁较大 退出 上一页 下一页 上一页 下一页 返回 8 5 3由空载特性和零功率因数特性求同步电抗的饱和值以对应于零功率因数特性上点C作为电机磁路的饱和程度 过O A作直线 与KC延长线交于T点 从图8 22中得 此法比由开路及短路特性求取同步电抗的饱和值更接近实际情况 上一页 下一页 返回 图8 22 8 5 4用转差法求的不饱和值将同步电机拖到接近同步转速 转差率小于0 01 转子励磁绕组开路 在定子绕组加额定频率的三相对称低电压 约0 05 0 15UN 使其产生的旋转磁场转向与转子转向一致 并保证转子不被牵入同步 用示波器同时拍摄电枢电压u和电枢电流i的波形如图8 23所示 上一页 下一页 返回 图8 23 当Fa对准转子直轴时 磁路的磁阻小 对应的电抗大 为Xd 此时电枢电流最小 由于供电线路压降小 使电枢电压最大 故得Xd Umax Imin当Fa对准转子交轴时 磁路的磁阻大 对应的电抗小 为Xq 此时 电枢电流最大 电枢电压最小 故得Xq Umin Imax由于试验时所加电压很低 电机磁路不饱和 故测得的为不饱和值 上一页 下一页 返回 8 6同步发电机的外特性和电压调整率8 6 1外特性 外特性是在 常数 常数的条件下 同步发电机作单机运行 端电压U随负载电流I而变化的关系曲线 退出 上一页 下一页 返回 感性负载时的外特性 随着负载电流减少 端电压逐步上升 这是因为在感性负载时 电枢反应是去磁作用 随着电枢电流的减少 电枢反应的去磁作用变弱 电机中的合成磁通增加 所以端电压逐步升高 容性负载时的外特性 在容性负载并且负载的容抗大于电枢感抗时 电枢反应是增磁作用 随着电枢电流的减少电枢反应的增磁作用变弱 使得电机中合成磁通减少 所以端电压逐渐下降 退出 上一页 下一页 图8 24同步发电机外特性曲线 退出 上一页 下一页 8 6 2电压调整率发电机的端电压随负载的改变而变化 电压变化的大小可通过电压调整率来衡量 在空载与额定负载之间的电压调整率为影响电压调整率的因素有功率因数及同步电抗 一般同步发电机的电压调整率较大 常在20 40 范围内 上一页 退出 8 7同步发电机与电网的并联运行8 7 1投入并联运行的条件和方法同步发电机并联到电网上运行 与单独运行时的情况不同 它的端电压及频率是不能自由变化的 由此而决定了同步发电机性能上的一些特点 1 并联运行的优点 1 提高电能供应的可靠性 2 提高发电厂的运行效率 下一页 返回 退出 上一页 下一页 返回 同步发电机的并联运行 下一页 上一页 退出 2 发电机投入并联运行时的理想条件为 1 发电机电压的有效值与电网电压的有效值相等 且相位相同 2 发电机的频率与电网的频率相等 3 发电机的相序与电网的相序一致 退出 上一页 下一页 3 当不满足这些条件中的一个时 将会发生以下情况 1 如果电压的有效值不等 会出现差额电压 如果闭合开关K 在发电机与电网所组成的回路中必然出现瞬态冲击电流 因此在进行并联时 电压的有效值必须相等 2 如果频率不等 电网电压发电机电压的相量由于频率不等 两相量以不同的角速度 1和 在旋转 于是相量之间产生相对运动 相量端点距离所决定的差额电压出现在这回路中 进行并联时也将产生 退出 上一页 下一页 上一页 下一页 返回 当频率不等时的差额电压相序不同时的差额电压 退出 上一页 下一页 上一页 下一页 返回 瞬态冲击电流 3 如果相位不一致 也会出现差额电压 并联时也会出现冲击电流 4 三相同步发电机的并联方法 发电机投入电网进行并联运行时 必须调整它的电压大小 频率 相序等 使它们都和电网的一致 电压的大小可以用电压表来测量 频率及相序则可以通过同步指示器来确定 下面介绍最简单的同步指示器的工件原理 退出 上一页 下一页 上一页 下一页 返回 1 灯光熄灭法 图8 29是同步指示灯的连接图 每个灯均跨接在同一开关的两端 每个灯上所承受的电压为 当发电机的相序与电网的相序一致 且时 三相的灯同时熄灭 此时可以合上开关K 将发电机投入电网进行并联运行 退出 上一页 下一页 上一页 下一页 返回 a 图8 25暗灯法接线和向量图 b 如果 则两组相量以不同的角速度旋转 此时两组相量存在着相对运动 图8 25b 随着两组相量旋转速率不同 的大小发生改变 在0 2倍额定电压之间作周期性变化 所以三组灯同时亮同时暗 调节发电机的转速 使发电机的频率接近于电网频率 当它们十分接近 而且两组相量完全重合时 图8 25a 可以合上开关 发电机并联到电网上了 退出 上一页 下一页 上一页 下一页 返回 2 灯光旋转法如图8 31所示 灯1所承受的电压为A1 A相的电压差 灯2和灯3所承受的电压则是B1 C相的电压差和C1 B相的电压差 相量A1 B1 C1与相量A B C完全重合 同时它们旋转速率相等 则两组电压相量的大小 频率 相序 相位均一致 此时可以合闸 退出 上一页 下一页 上一页 下一页 返回 使与相接近 于是灯光旋转的速率变慢 当差不多不再旋转 并且灯1是熄灭 灯2及灯3为明亮时 便可以合闸 此时发电机便与电网并联起来 最有利的合闸瞬时 灯1是熄灭的 灯2和灯3则很亮 退出 上一页 下一页 上一页 下一页 返回 图8 31同步指示灯交叉接法线路图 退出 上一页 下一页 交叉接法时灯上电压的变化图a 灯1熄灭b 灯2熄灭c 灯3熄灭 退出 上一页 下一页 8 7 2隐极同步发电机功率平衡方程式和功角特性 转轴上输入的机械功率 机械损耗 定子上的铁芯损耗从输入功率中减去这两部分损耗以后剩下来的就通过电磁感应作用 转换为定子上的电磁功率 定子绕组中所产生的全部电功率 从其中减去定子绕组的铜耗以后 便是输出的电功率 退出 上一页 下一页 返回 同步发电机的功率平衡方程式 如果考虑杂散损耗上式的右边还应加上 一般同步发电机中 定子铜耗是极小的一部分 通常 1 为了分析简单起见 可以把它略去 电磁功率就等于输出的电功率 即 8 27 退出 上一页 下一页 同步发电机有功功率的流程图 上一页 下一页 返回 为了进一步了解电机参数及励磁电流对电磁功率的影响 将式 8 27 作如下变换 从隐极同步发电机相量图可以看出 代入式 8 27 退出 上一页 下一页 上一页 下一页 返回 隐极同步发电机的相量图 退出 上一页 下一页 上一页 下一页 返回 从图得 所以有 退出 上一页 下一页 代入式得 8 28 上一页 下一页 返回 端电压及频率应为定值 因此在上式中 电压及同步电抗均为常数 如果励磁电流不调节 也为常数 于是电磁功率随角作正弦变化 由于电磁功率的大小 取决于角的大小 故称为功角 由上式画出的曲线便称为功角特性 如下图所示 退出 上一页 下一页 上一页 下一页 返回 不同励磁电流下同步发电机的功角特性 一定时 改变励磁电流 若 则 1 2 请比较和的大小 在隐极同步发电机中 当功角到达90 电角度时 电磁功率出现最大值 即电磁转矩为 退出 上一页 下一页 8 7 3凸极同步发电机的功角特性 如同隐极电机功角特性推导方法一样 可以得到凸极同步发电机的功角特性如果略去电阻损耗 式 8 27 对凸极电机也能成立 退出 上一页 下一页 返回 从凸极发电机的相量图可以看出 退出 上一页 下一页 上一页 下一页 返回 图8 37凸极同步发电机的相量图图8 38凸极同步发电机的功角特性曲线 得式中为基本电磁功率 为附加电磁功率 如下图所示 退出 上一页 下一页 上一页 下一页 返回 凸极同步发电机的功角特性曲线 很明显 不再按正弦变化 由于附加电磁功率的存在 使最大电磁功率值增大 而出现最大电磁功率时的功角则变小 在45 90 之间 附加电磁功率的两个特点 1 当励磁去掉后 即 0时 仍然存在 2 附加电磁功率的大小正比于 这是由于直轴与交轴磁阻不相等而引起的一项电磁功率 因此又称为磁阻功率 退出 上一页 下一页 上一页 下一页 返回 凸极同步发电机的电磁转矩 退出 上一页 下一页 上一页 下一页 返回 8 7 4功角的物理意义和静态稳定 同步发电机输出功率的大小以及它能否稳定运行 与功角密切有关 如果略去定子绕组漏磁通所产生的感应电势 隐极同步发电机的电势平衡方程式 退出 上一页 下一页 返回 在略去漏磁通的情况下 就是定子绕组所匝链的总磁通 由于垂直 垂直于 因此和之间的夹角也可以看成是磁通与之间的夹角 也就是转子磁极与合成磁场之间的夹角 上图 在发电机运行时 永远超前于 也就是说 转子磁极拖着合成磁场同步旋转 退出 上一页 下一页 上一页 下一页 返回 同步电机能否稳定运行 与功角的大小有密切关系 略去铁芯损耗和机械损耗 原动机供给发电机的机械功率应该与发电机所产生电磁功率相平衡 在 0 90 范围内 任何一点的情况 均和a点一样 是发电机稳定运行区域 在稳定运行范围内 电磁功率的改变只会改变功角的大小 而转子的稳定转速永远是同步转速 退出 上一页 下一页 上一页 下一页 返回 同步发电机稳定运行角 退出 上一页 下一页 逐渐增加输入到发电机的机械功率 转子转速瞬时变快 使功角变大 随着的增大 电磁功率增大 当机械功率与电磁功率相等时 发电机便在新功角下稳定运行 当输入的机械功率到达与最大电磁功率相等 即 90 时 如果再增加输入功率 转子得到加速功率 继续增加转速 使得 90 此时从图可以看出电磁功率反而下降 这个现象称为失步 退出 上一页 下一页 上一页 下一页 返回 8 7 5同步发电机有功功率及无功功率的调节 V形曲线 1有功功率的调节 当同步发电机和电网并联运行时 如果希望增加它输出的有功功率 从功率平衡的观点来看 只有增加原动机的输入功率 退出 上一页 下一页 返回 2无功功率的调节 为简便起见 在调节无功功率时 假定发电机输出的有功功率保持不变 有 由于均是定值 所以 退出 上一页 下一页 在有功功率保持不变时 调节发电机无功功率的方法 就是改变发电机的励磁电流 分三种情况来讨论 见图8 42 1 与同相 即 1 此时发电机向电网输出的全部功率都是有功功率 无功功率为零 称为正常励磁状态 退出 上一页 下一页 上一页 下一页 返回 图8 42不励磁时同步发电机的相量图 2 如果增加励磁电流 使发电机运行在过励状态 因为转子磁势增强 为了保持电机气隙中磁场不变 同步发电机必输出一滞后性电流 它将产生去磁电枢反应 自动补偿了过多的励磁磁势 此时发电机除输出有功功率外 还输出滞后性无功功率 退出 上一页 下一页 上一页 下一页 返回 3 如果减少励磁电流 使发电机运行在欠励状态 因为转子磁势减弱了 为保持电机气隙中磁场不变 所以同步发电机必输出一超前性电流 它产生增磁电枢反应 自动补偿了不足的励磁磁势 此时发电机除输出有功功率外 还输出超前性无功功率 上一页 下一页 返回 3 同步发电机的V形曲线 如果在一定有功功率情况下 将不同励磁电流及与其对应的电枢电流画成曲线 此曲线称V形曲线 退出 上一页 下一页 上一页 下一页 返回 1时 全部电枢电流都是有功电流 1线的左边为欠励状态 输出超前电流 1线的右边为过励状态 输出滞后电流 增加励磁使滞后电流增加 减少励磁使超前电流增加 所以不管增加或减少励磁电流总是使电枢电流增加 因此V形曲线上移 上一页 退出 上一页 下一页 返回 8 8同步电动机与同步补偿机同步电动机是同步电机的一种运行方式 它和感应电动机的最大不同点是 转速不随负载转矩的增减而改变 只有在同步速下运行才能产生电磁转矩 同步电动机的理论是在同步发电机的分析基础上而导出的 因此它的电势平衡方程式 相量图 功角特性等 都和同步发电机有着类似的特点的形式 退出 下一页 返回 8 8 1同步机的三种运行方式 当原动机拖动同步电机 输入机械功率而输出电功率时 即为发电机运行 当同步电机接于电网 从电网吸收电功率 而输出机械功率时 即为电动机运行 下面首先分析同步电机如何从发电机运行状态过渡到电动机运行状态 退出 下一页 上一页 返回 图8 44同步电机的运行方式a 发电机运行b 理想空载c 电动机运行 1 通过逐渐减少原动机的输出机械功率 2 如果将原动机从同步电机上脱离 此时由于电机本身轴承磨擦等阻力转矩的作用 转子开始减速 使得转子磁极轴线滞后于合成磁场轴线角度图 c 磁通重新斜着通过气隙 由于磁拉力的作用又产生了电磁转矩 此时电磁转矩的方向与转子转向一致 它帮助转子旋转 是一个拖动转矩 于是同步电机就成为电动机运行了 退出 下一页 上一页 在作为电动机运行时 转子磁极轴线永远落后于合成磁场轴线一个角度 这个情况正好与发电机情况相反 此时合成磁场是拖动者 而转子磁极是被拖动者 合成磁场拖动转子以同步速旋转 因此同步电动机的转速是不能任意改变的 必须在同步速下才能工作 退出 下一页 上一页 上一页 下一页 返回 8 8 2同步电动机的基本方程式 相量图及功角特性 1 基本方程式 当隐极同步发电机接于电网的输出功率应为它的电势平衡方程式应为当 之间夹角 90 时 输出功率P为正值 是为发电机方式运行 而 当之间夹角 90 时 输出的电功率P便为负值 亦即从电网吸收电功率 成为电动机方式运行 退出 下一页 上一页 返回 图8 45按发电机惯例画电动机相量图 退出 下一页 上一页 按发电机的观点得到的电动机的相量图及方程式 此时与之间夹角大于90 即把同步电动机看成一台输出负值电功率的发电机 电动机接在电网上运行 从电网吸取功率 是电网的一个负载 因此可将原来 90 的输出电流转过180 看作是同步电动机从电网吸收的电流 便得到隐极同步电动机的电势平衡方程式 退出 下一页 上一页 2 电动机的相量图a 在电动机状态下规定的正方向b 超前功率因数c 滞后功率因数 退出 下一页 上一页 上一页 下一页 返回 对于凸极式同步电动机 用电动机观点直接写出其电势平衡方程式凸极同步电动机功率因数超前及滞后时的相量图如图所示 退出 下一页 上一页 上一页 下一页 返回 3 同步电动机的功角特性凸极同步电动机的攻角特性发电机的电磁功率是指输出功率 而电动机的电磁功则是输入功率 退出 下一页 上一页 上一页 下一页 返回 凸极同步电动机的功角特性曲线 图8 46凸极同步电动机图8 47同步电动机的的功角特性曲线磁阻转矩 退出 下一页 上一页 某些小容量同步电动机的转子上不安放直流励磁绕组 因此转子就不能产生磁场 感应电动势由上式可以看出 此时电动机的电磁功率并不为零 仍有它为磁阻转矩 这种电机就称为磁阻电动机 退出 下一页 上一页 上一页 下一页 返回 8 8 3同步电动机无功功率的调节 同步电动机的功率因数是超前还是滞后 和发电机一样决定于励磁状态 用发电机观点来看 当过励磁时 同步发电机输出滞后性电流时 它产生的电枢磁势对主磁极起去磁作用 向电网送感性无功功率 退出 下一页 上一页 返回 用电动机观点来分析 把输出滞后电流看作输入时 电流将是超前的 所以在过励时 电动机输入超前电流 由它产生的电枢磁势对主磁极起去磁作用 从电网吸收容性无功功率 即向电网送感性无功功率 因此 同步电动机的功率因数是可以调节的 过励时 电动机吸收超前性无功功率 即送出滞后性无功功率 欠励时 吸收滞后性无功功率 与异步电动机相似 退出 下一页 上一页 上一页 下一页 返回 同步电动机V形曲线 退出 下一页 上一页 注意 同步电动机在过励时 从电网吸入超前电流 因此 如将同步电动机在过励状态下和感应电动机接在同一电网上 便可以使供电系统的功率因数提高 达到改善电网功率因数的目的 8 8 4同步电动机的起动与调速 1 同步电动机的起动刚起动时 转子尚未旋转 转子绕组加入直流励磁以后 在气隙中产生静止的转子磁场 当在定子绕组中通入三相交流电以后 在气隙中则产生旋转磁场 由于起动时 定 转子磁场之间存在很大的相对运动 产生的转矩为频率很高的交变转矩 转子上的平均转矩为零 所以同步电动机无起动转矩 退出 下一页 上一页 返回 例如在右图a所表示的这一瞬间 定 转子磁场之间的相互作用 倾向于使转子逆时针方向旋转 但由于惯性的影响 转子上受到作用力以后并不马上转动 在转子还来不及转动以前 定子磁场已转过180 而得到图b 此时定 转子磁场之间的相互作用 倾向于使转子顺时针方