第六章 同步电机稳态分析

南南 通通 大大 学学 教教 案案 用用 纸纸 电气工程学院 周晖 1 第六章第六章 同步电机的稳态分析同步电机的稳态分析 前言前言 同步电机是一种交流电机 主要作发电机使用 也可作电动机和调相 机 专门用于电网的无功补偿 使用 同步电机定义 同步电机转速 n 与定子电流频率 f 和极对数 p 保持严 格不变的关系 即 p f n 60 主要内容 电枢反应 有功和无功调节 并联运行 不对称和突然短 路 6 1 同步发电机的基本结构和运行状态 1 旋转磁极式 定子 放置三相交流绕组 转子 放置励磁绕组 主磁极 凸极式 隐极式 2 旋转电枢式 定子 放置励磁绕组 主磁极 转子 放置三相交流绕组 需三个滑环引出或引入三相电流 一 同步电机基本结构 一 隐极同步电机 以汽论发电机为例 特点 转速高 为保证频率 f 50Hz 则发电机的极对数 P 少 一般为二极 2P 2 离心力大 需细长转子 隐极式 0 5mm 硅钢片叠压而成 定子铁心 大型电机由扇型片拼成圆形 1 定子 矩形开口槽 径向 轴向通风道 定子绕组 三相双层绕组 扁铜线绕制而成 采用成型线圈 外壳 用钢板焊接而成 2 转子 1 由合金钢锻成 与转轴制成一个整体 外园开槽 大齿和小齿 2 励磁绕组为同心式绕组 3 采用高强度铝合金槽楔 端部采用保护环固定 3 滑环 集电环 与电刷装置 二 凸极同步电机 以水轮发电机为例 特点 转速低 为保证 f 50Hz 则需发电机的极对数 P 增大 为保证放置 P 对磁极 则需转子的直径大 1 定子 定子铁心 硅钢片叠成 直径可达 20 多米 矩形开口槽 定子绕组 双层绕组 2 转子 凸极式铁心由厚钢板叠成 励磁绕组由扁铜线绕制而成 南南 通通 大大 学学 教教 案案 用用 纸纸 电气工程学院 周晖 2 阻尼绕组 起动绕组 由铜条和端环构成 用于同步电动机异步起 动 二 同步电机的运行状态 1 稳态运行情况下 定转子磁场相对静止 2 功率角 定子合成磁场轴线与主极磁场 转子磁场 轴线之间夹角 用电角 度表示 3 三种运行状态 1 发电机运行 物理过程 直流电流 电刷 滑环 励磁绕组 磁场 原动机拖动转子 绕组感应三相交流电动势 频率为 接入负载后 60 pn f 三相对称电流 定子旋转磁场以 n1 旋转 特点 功率角 0 即主极磁场超前定子合成磁场 转子受到制动性质的电磁转矩 Te f 为保证 f 50Hz 恒定 需保证恒定 应输入转矩 T1 1 n 1 n 与 Te 平衡 2 补偿机运行状态 或空载运行状态 当 0 时 Te 0 物理过程 转子同发电机运行状态 主极磁场以旋转 1 n 定子接入三相对称电源 定子合成磁场以旋转 1 n 特点 0 主磁场与定子合成磁场重合 电机内没有有功功率转换 3 电动机运行当 0 时 Te 即主机磁场滞后定子合成磁场 物理过程 定子接三相电源 定子合成磁场以旋转 1 n 转子接直流电源 恒定磁场 去掉原动机 特点 0 外施 T2 Te 与 T2 T0 平衡 保证 n 常数 1 n 转子转速 n 60f p 即当 f 一定 p 一定时 n 恒定 1 n 三 同步电机的励磁方式 励磁系统 共给励磁电流的整个系统 直流励磁机励磁系统 整流器励磁系统 励磁系统应满足的条件 1 能稳定的提供发电机从空载到满载 及过载 所需的 If 2 当电网电压 u 减小时 能快速强行励磁 提高系统的稳定性 3 当电机内部发生短路故障时 能快速灭磁 4 运行可靠 维护方便 简单 经济 1 直流励磁机励磁 南南 通通 大大 学学 教教 案案 用用 纸纸 电气工程学院 周晖 3 副励磁机 并励直流发电机 主励磁机 他励直流发电机 同步发电机 一般励磁机与同步发电机同轴 特点 采用独立电源 直流发电机 与交流电网没关系 运行可靠 2 静止整流器励磁 1 他励式静止流器励磁系统 副励磁机 中频三相同步发电机 电磁式或永磁式 主励磁机 三相同 步发电机 同步发电机 特点 副励磁机先他励待建立电压后改为他励 自动电压调整器可根据主发电机端电压的偏差自动调整励磁电流 整流器均在电机外 静止 2 自励式静止整流器励磁系统 特点 1 取消励磁机 3 励磁电流由电网或主发电机提供 3 旋转整流器励磁 无触点式或无刷励磁 副励磁机 永磁式三相同步发电机 主励磁机 旋转电枢式 主发电机 特点 1 主励磁为旋转电枢式 2 采用旋转整流器 4 三次谐波励磁 特点 1 发电机定子嵌入三次谐波绕组 2 将三次谐波电压整流后 主发电机励磁 3 自励恒压 负载电流 电枢反应 波形畸变 3 E3 I3 If 稳压 负载电流 端电压 稳压 四 额定值 1 额定容量 SN 或额定功率 PN 指输出功率 发电机用视在功率 KVA 或有功功率 电动机用有功功率 KW 表示 补偿机用无功功率 Kvar 表示 2 额定电压 UN 定子线电压 V 3 额定电流 IN 定子线电流 A 4 其他 N fN nN N UfN IfN等 N cos 三相同步发电机 3cos NNNN PU I 三相同步电动机 NNNNN IUP cos3 6 2 空载和负载时同步发电机的磁场 南南 通通 大大 学学 教教 案案 用用 纸纸 电气工程学院 周晖 4 一 空载运行 1 定义 n nN I 0 时 E0 f If 2 空载时电磁过程 0 频率为 010 44 4 w fNkE 60 pn f If Ff f 只增加磁极部分的饱和程度 3 空载特性曲线 特性曲线 E0 f If E0 0 2 1 E0 f If 磁化曲线 UN or 0 f If 气隙线 If If0 If or Ff 分析 If较小时 磁路不饱和 直线 If较大时 磁路饱和 f IE 0 不成比例 不考虑饱和 E0 f If 为气隙线 f IE 与 0 饱和系数的求取 1 1 1 2 f f S I I k 0 二 对称负载时的电枢反应 空载 f FF 负载 af FFF 1 电枢反应的定义 对的影响 成为电枢反应 a F f F 实质实质 研究同步发电机负载时内部的电磁情况 2 和性质比较 均是幅值不变的旋转磁动势 a F f F 均是阶梯波 基波为正弦波 转速为 n1 结论 和在空间相对静止 a F f F 3 几个概念 内功率因数角 空载电动势 E0和电枢电流 Ia之间的夹角 与电机本身参 数和负载性质有关 外功率因数角 与负载性质有关 南南 通通 大大 学学 教教 案案 用用 纸纸 电气工程学院 周晖 5 功率角 功角 E0和 U 之间的夹角 且有 电感性负载 直轴 d 轴 主磁极轴线 纵轴 交轴 q 轴 转子相临磁极轴线间的中心线为交轴 横轴 4 电枢反应的性质 不同负载 假设 为了分析问题方便 我们取为最大值 A E0 当 为不同值的电枢反应性质 影响 位 a F 置 f F a F 夹角记作 a F 电枢反 应性质 F电压 U 0 负载性质 00q 轴 900 aq F交轴波形畸变不变R 负载 900d 轴 900 ad F直轴去磁削弱下降L 负载 900d 轴 900 ad F直轴助磁增强增大C 负载 0 900d q 轴 900 aq F ad F 交 直去削弱下降 RL 性负载 900 隐 凸 凸 隐极机 ad x aq x a x ad x aq x ad x aq x a x 二 电压方程和向量图 1 电动势方程 q q d d a xIjxIjIrUE 0 2 相量图 已知发电机的端电压 负载电流和功率因数及电阻 ra xd xq 已知 角 未知 角 sin sin arctan UIr UIx a q 结论 解决某些具体问题时 要考虑饱和 进行修正 三 直轴和交轴同步电抗的意义 直轴 有饱和值和不饱和值之分 xxx add 交轴 无饱和值和不饱和值之分 因气隙大 xxx aqq qd xx 对电机的影响 发电机的端电压 同步发电机的稳定性 6 5 同步发电机的功率方程和转矩方程 一 功率方程 能量转换 机械能 电能 P1 Pem P2 pmec pFe pad pCu1 南南 通通 大大 学学 教教 案案 用用 纸纸 电气工程学院 周晖 8 方程为 2 12 011 3 IrPpPP PpPpppP aemcuem emadFemec 当忽略定子铜损时 cos 2 mUIPPem 二 转矩方程 01 TTTem 三 电磁功率 cos cos 2 aae IRUmIRmImUIP 6 6 同步电机参数的测定 一 空载特性 1 定义 0 001f IfEUInn 2 实验接线 3 步骤 If U0 0 1 25UN 注意 只能单方向调磁 4 曲线 E0 f If E0 0 2 1 E0 f If 磁化曲线 UN or 0 f If 气隙线 If If0 If or Ff 5 应用 检查三相电枢绕组对称性 判断激磁绕组和定子铁心有无故障 二 短路特性 1 定义 0 1fk IfIUnn 2 实验接线 3 步骤 调 使 1 nn f I Nk II25 1 0 4 曲线 k I N I fk I f I 5 分析 磁路不饱和 短路特性为一条直线 三 同步电抗的求取 南南 通通 大大 学学 教教 案案 用用 纸纸 电气工程学院 周晖 9 磁路不饱和时 常数 d x 磁路饱和时 随而 d x 利用空载和短路特性求取 d x E0 E0 E0 f If 磁化曲线 Ik f If 短路特性曲线 Ik 气隙线 If If0 If Ifk 由气隙线确定 不饱和 由磁化曲线确定 饱和 d x k I E 0 d x k N I U 凸极机 dq xx6 0 短路比 01 d S fk f N k c x k I I I I k 对电机的影响 气隙大 电机的成本和尺寸增加 c k c k d x 6 7 同步发电机的运行特性 一 外特性 定义 cos 1 IfUCCInn f 曲线 U UN IN I 1 超前 2 3 滞后 8 0cos 2 0 1cos 2 8 0cos 2 电压变化率 100 0 N N U UE U 水轮机 18 30 汽轮机 30 48 1 2 3 UN IN 南南 通通 大大 学学 教教 案案 用用 纸纸 电气工程学院 周晖 10 二 调整特性 定义 cos 1 IfICCUnn f 曲线 分析 6 8 同步发电机与电网的并联运行 并联运行的优点 1 提高供电质量 稳频 稳压 和可靠性 2 提高发电厂的运行效率 3 减少备用容量 一 投入并联的条件 设电网电压为 U UA UB UC 电压频率为 f 发电机电动势为 Eo 电压为 UA UB UC U 发电机频率为 f 1 发电机的频率应 f 与电网频率 f 相同 f f2 2 发电机和电网的电压波形相同 3 发电机和电网的相序相同 4 发电机和电网的电压波形相同 二 投入并联的方法 一 准确同步法 将发电机调整到符合并联的条件后 在进行合闸并 网操作 南南 通通 大大 学学 教教 案案 用用 纸纸 电气工程学院 周晖 11 判断上述条件的方法 同步指示器 灯光法 直接接法 交叉接法 二 自整步法 自同步法 三 功角特性 1 定义 发电机并联到无限大电网 磁路不饱和 f不变时 fPem 2 隐极同步发电机的功角特性 功角特性 sincos 0 t em x UE mmUIP 曲线 Pem Pemmax 0 90 180 功率极限值 t em x UE P 0 max 功角 的双重物理意义 是电动势和电压间的时间相角差 0 E U 是励磁磁势和合成磁势间的空间相角差或与之间夹角 f F u Fu 0 功角不仅决定发电机并联运行时的输出功率 而且说明转子运动的空间位置 把电磁变化关系和机械运动紧密联系起来 3 凸极同步发电机的功角特性 功角特性 2sin 11 2 sincos 2 0 2 dqd em xx U m x UE mmUIPP 用标么值表示 2sin 11 2 sincos 2 0 dqd em xx U x UE IUP 对隐极电机 tqd xxx sincos 0 t em x UE mmUIP 用标么值表示 sincos 0 t em x UE IUP 南南 通通 大大 学学 教教 案案 用用 纸纸 电气工程学院 周晖 12 式中电流 电压和电动势均为相电流 相电压和相电动势 曲线 Pem Pemmax 0 90 180 组成 基本电磁功率和附加电磁功率 em P em P 与隐极电机比较 略有增加 90 时取得最大值 曲线为非正弦 maxem P 附加电磁功率的特点 与 If无关 45 时最大 90 时为 em P 0 Xd xq是其存在的原因 四 有功功率的调节和静态稳定 1 功率调节 调节原动机的输出功率 改变汽门或水门大小 有功功率输出 变化 功角 变化 无功功率 Q 也变化 2 静态稳定概念 staticstatic steadysteady conceptconcept 定义 受到扰动后 扰动消失能恢复到原状态 分析 判据 比整步功率 隐极电机 cos 0 t em syn x UE m d dP P 稳定运行0 d dPem 不稳定运行0 d dPem 极限位置0 d dPem 结论 随 稳定性好 syn P 静态过载能力 隐极电机 N N t t N em M x UE m x UE m P P k sin 1 sin 0 0 max 25 35 N 南南 通通 大大 学学 教教 案案 用用 纸纸 电气工程学院 周晖 13 提高的方法 提高或 NM k 0 E t x 与的关系 M k c k c t M k x k 1 c k M k 五 无功功率的调节 1 无功功率的功角特性 Q Q characteristiccharacteristic 假设 磁路不饱和 CU CxCx qd 0 a r 凸极机 2cos 11 2 11 2 cos 22 0 dqdqd xx U m xx U m x UE mQ 隐极机 tt x U m x UE mmUIQ 2 0 cossin 用标么值表示 tt em x U x UE IUQ 2 0 cossin 分析 0 t x UEU mQ 0 0 arccos E U 0 Q 0 90 t x U mQ 2 无功功率调节 调节励磁电流 If 功角 Q 有功功率 P 不变 调无功 Q 变化 P 不变 调有功 P 变化 P 改变 Q 变化 6 9 同步电动机与同步补偿机 一 同步电动机的电压方程和向量图 1 定义 同步电机将电能转换为机械能的一种运行方式 其转速不随负载变化 而变 永远保持与电网频率所对应的同步速 1 nn 2 电动机的基本方程式和相量图 方程式 发电机惯例 隐极机 ta xIjIRUE 电动机惯例 隐