电机学(同步电机的电磁关系)PPT课件

-,1,第13章同步电机的基本电磁关系,以同步发电机为对象,研究同步电机的基本电磁关系，定性、定量地描述各电磁量的相互关系。电压方程式相量图，矢量图，时空相矢量图等效电路,-,2,13.1同步发电机的空载运行,空载运行：同步发电机电枢绕组开路，由原动机拖动以额定转速（同步转速）旋转，励磁绕组中通入励磁电流。,气隙中产生磁场，电枢绕组切割气隙磁场，产生对称的三相电动势E0，称为空载电动势。,-,3,同步发电机的空载运行,参考方向规定,电枢绕组电动势和电流：如图。磁动势：磁感应线出定子、进转子为正。,励磁绕组在一对极下的匝数为Nf。励磁电流为If，产生励磁磁动势。,-,4,同步发电机的空载运行,建立空间坐标系,在定子内圆表面原点（A相绕组的轴线）横坐标：气隙圆周上各点距离原点的空间电角度，逆时针方向为正纵坐标：磁动势（大小与方向）,-,5,基波励磁磁动势,凸极同步发电机,每极励磁磁动势幅值,励磁磁动势的空间分布波形为矩形波。,-,6,基波励磁磁动势,凸极同步发电机,每极基波励磁磁动势幅值为,傅立叶级数分解可以得到基波励磁磁动势。,kf为励磁磁动势波形因数,-,7,基波励磁磁动势,凸极同步发电机,在空间正弦分布。随着转子一起以同步转速n1旋转。正幅值位于S极中心的位置。,基波励磁磁动势的特点,-,8,基波励磁磁动势,隐极同步发电机,每极励磁磁动势幅值,励磁绕组分布在多个槽中。励磁磁动势的空间分布波形为阶梯波。,-,9,基波励磁磁动势,隐极同步发电机,每极基波励磁磁动势幅值为,傅立叶级数分解可以得到基波励磁磁动势。,励磁磁动势波形因数kf与转子槽的分布有关；kf1。,-,10,基波励磁磁动势,隐极同步发电机,在空间正弦分布。随着转子一起以同步转速n1旋转。正幅值位于S极中心的位置。,基波励磁磁动势的特点,-,11,基波励磁磁动势,基波励磁磁动势空间矢量,用空间矢量Ff1表示基波励磁磁动势，矢量的长度等于磁动势的幅值，位置在正幅值所在处。基波励磁磁动势Ff1随转子一起以同步转速n1逆时针旋转，旋转的电角速度为同步电角速度。,-,12,基波气隙磁通密度,隐极同步发电机,气隙均匀，不考虑饱和时，正弦分布的基波励磁磁动势，将产生正弦分布的气隙磁通密度波。不考虑磁滞和涡流损耗时，气隙磁通密度波与基波励磁磁动势相位相同。,基波气隙磁动势在气隙中产生磁通密度波。规定气隙磁通密度的参考方向与磁动势的相同。气隙磁通密度的空间分布与气隙磁路磁阻有关。,-,13,基波气隙磁通密度,隐极同步发电机,基波励磁磁动势Ff1产生的正弦分布的气隙磁通密度波，可用空间矢量B0表示。,-,14,基波气隙磁通密度,凸极同步发电机,气隙不均匀，即使不饱和，基波励磁磁动势产生的气隙磁通密度波也是非正弦分布的。对非正弦分布的气隙磁通密度波进行分解，得到基波和谐波,不考虑磁滞和涡流损耗时，基波气隙磁通密度B0与基波励磁磁动势Ff1的空间相位相同。,-,15,一相绕组的基波感应电动势,气隙磁通密度与电枢绕组有相对运动，在一相电枢绕组中感应电动势。在空间正弦分布的基波气隙磁通密度，感应在时间上正弦变化的基波电动势。基波电动势可用时间相量表示。,-,16,一相绕组的基波感应电动势,基波电动势（空载电动势）相量,-,17,时空相矢量图,转子在空间上转过某一电角度，定子感应电动势在时间上经过同样的电角度。无论什么时刻，只要知道磁动势矢量或者电动势相量的位置，都可以知道与之相应的相量或矢量的位置。,-,18,时空相矢量图,为了分析方便，将时间相量图与空间矢量图画在一起，成为时空相矢量图。,将空间参考轴+A与时间参考轴+j重合。用+A为空间参考轴时，各时间相量均是A相的。,在时空相矢量图上，空载电动势相量始终滞后于产生它的基波励磁磁动势矢量Ff190电角度。,-,19,时空相矢量图,注意：在时空相矢量图上，相量滞后矢量Ff190电角度。此结论是+A与+j轴重合时才得到的。这一关系并没有实际的物理意义，只是为了分析方便。,时间相量和空间矢量的物理意义是完全不同的：相量是在时间上正弦变化矢量是在空间上正弦分布,-,20,空载特性,实际应用中，需要知道通入一定的励磁电流，可以产生多大的电动势，是否能够满足需要？,可通过电机设计计算或者空载试验得到空载特性E0f(If)。,空载特性反映了空载电动势E0与励磁电流If或励磁磁动势Ff之间的关系。,-,21,空载特性,因铁心有饱和特性，故空载特性为非线性曲线。,纵坐标为一相空载电动势的有效值E0；横坐标为实际的励磁电流If，或者实际的励磁磁动势Ff（不是基波励磁磁动势Ff1）。,空载特性反映了磁动势产生磁场，在定子绕组中感应电动势的能力。,-,22,13.2对称负载时的电枢反应,电枢绕组带上三相对称负载时，其中流过三相对称电流。三相对称电流产生基波电枢磁动势，与基波励磁磁动势相互作用，合成得到总的气隙磁动势。基波电枢磁动势对基波励磁磁动势的影响，称为电枢反应。,-,23,对称负载时的电枢反应,转子绕组产生的基波励磁磁动势幅值：转向：与转子转向相同（逆时针）。转速：与转子转速相同，为同步转速n1。极对数：磁极的对数p。,-,24,对称负载时的电枢反应,定子三相绕组产生的基波电枢磁动势幅值：转向：沿着+A+B+C方向旋转，与转子转向相同（逆时针）。转速：极对数：与绕组布置有关，必须与转子极对数p相同。,-,25,电枢绕组基波磁动势的转向与转速,转子逆时针旋转。+B轴在空间上超前+A轴，所以B相电动势在时间上滞后于A相。B相电流在时间上滞后于A相。三相绕组的合成基波磁动势转向：电流超前相转向电流滞后相，即逆时针方向。,转速,-,26,对称负载时的电枢反应,基波电枢磁动势与基波励磁磁动势极对数相同转速相同转向相同所以，二者在空间保持相对静止。可以进行叠加，得到的合成磁动势也是同转速、同转向、同极对数的基波旋转磁动势。合成磁动势产生气隙磁通。,-,27,关于谐波磁动势,转子绕组产生的谐波励磁磁动势,极对数多，转速与转子相同，在定子绕组中感应谐波电动势。定子绕组采用短距和分布后，谐波电动势被大幅削弱，可以不考虑。,定子绕组产生的谐波磁动势,转速、转向、极对数都不一样。谐波磁通与励磁磁动势无固定作用，不能直接合成。定子绕组谐波磁动势在定子绕组中感应的电动势的频率仍为基波频率，所以将在漏磁通中考虑。电动势方程式,-,28,对称负载时的电枢反应,主要考虑基波电枢磁动势Fa对基波励磁磁动势Ff1的作用。,负载性质不同，电枢反应的性质也不同。空载电动势与相电流的夹角称为内功率因数角。内功率因数角与电机内阻抗、负载阻抗有关。,-,29,对称负载时的电枢反应,在图示时刻，确定励磁磁动势矢量Ff1的位置。确定空载电动势相量的位置。由0，确定电流相量的位置。确定电枢磁动势Fa，求得合成磁动势FFf1Fa。,0时,-,30,对称负载时的电枢反应,通过磁极中心线的轴线称为直轴（d轴），相邻磁极之间的中心线为交轴（q轴）（d轴与q轴相距90空间电角度）。此时电枢磁动势Fa位于交轴，称为交轴电枢反应磁动势。,0时,交轴电枢反应的性质交磁作用：使合成磁动势F偏离d轴一个角；且幅值FFf1。,-,31,对称负载时的电枢反应,电枢磁动势Fa位于直轴，称为直轴电枢反应磁动势。电枢反应性质：直轴去磁（与Ff1方向相反，起去磁作用）。,90时,-,32,对称负载时的电枢反应,电枢磁动势Fa是直轴电枢反应磁动势。电枢反应性质：直轴增磁（与Ff1方向相同，起增磁作用）。,90时,-,33,对称负载时的电枢反应,090时（任意角度）,Fa可分解为2个分量：直轴电枢反应磁动势分量Fad；交轴电枢反应磁动势分量Faq。,电枢磁动势Fa既不位于直轴，也不位于交轴。,-,34,对称负载时的电枢反应,直轴电枢反应性质：直轴去磁。交轴电枢反应性质：交磁作用。,090时（任意角度）,由电枢反应可以定性地看出：负载的性质影响气隙合成磁动势F（幅值和空间相位），从而影响F在电枢绕组中产生的感应电动势。,FaFadFaq,-,35,13.3隐极同步发电机的电动势相量图,负载时基本电磁关系,-,36,负载时电枢一相绕组的电压方程式,漏磁通,槽漏磁通端部漏磁通差漏磁通：,电枢电流产生的谐波磁动势所产生的谐波气隙磁通。在电枢绕组中感应电动势的频率为基波频率。,Xs为每相漏电抗,-,37,负载时电枢一相绕组的电压方程式,参考方向规定,磁通与电流磁通与电动势发电机惯例,一相电压方程式,R为每相绕组的电阻Xs为每相绕组的漏电抗,-,38,-,39,负载时基本电磁关系,利用空载特性本质：磁化特性曲线,与磁路饱和情况有关，如何确定其定量关系？,利用空载特性，可直接确定电动势与磁动势之间的关系，而不需要再求气隙磁通密度，但仍然繁琐。,-,40,不计饱和，隐极发电机的电动势相量图,用等效电路、用电路参数来描述发电机。参数为恒值，只能反映线性的关系。实际运行时，磁路具有饱和特性，所以等效电路只是一种近似的表示。,-,41,磁路的线性化,空载特性开始一段为直线，其延长线称为气隙线。气隙线反映了气隙磁路的磁化特性，也反映了电机不饱和时的磁化特性。用气隙线来代替空载特性，即认为磁路是线性的。,磁路线性化后，可以应用叠加定理来求解。,-,42,磁路的线性化,线性化引起的误差,k一般为1.11.2，所以忽略饱和，引起的误差不大。,实际上电机的空载额定电动势都设计在空载特性开始弯曲的部分。主磁路的饱和程度可用饱和因数k表示。,-,43,磁路线性化时的电磁关系,磁路线性化后，应用叠加定理。,与之间的关系可用电抗参数表示。,Xa电枢反应电抗,-,44,线性化后的电压方程式、相量图,Xc同步电抗，代表电枢电流引起的总电抗。,XcXsXa,-,45,等效电路、相量图,等效电路,相量图,电压方程式,-,46,13.4凸极同步发电机的双反应理论和及电动势相量图,凸极同步发电机的双反应理论,凸极机气隙不均匀，空间上正弦分布的电枢反应磁动势，产生的气隙磁通密度波不是正弦分布的，会发生畸变。,面临的问题,同样的电枢反应磁动势，作用在不同的位置，产生的气隙磁通密度波是不同的。,-,47,隐极同步发电机的电磁关系,与之间的关系可用电抗参数表示。,Xa电枢反应电抗,-,48,对于隐极机，气隙均匀。不管Fa处于哪一位置，由于气隙均匀，Ba保持不变，Ea保持不变，Xa保持不变，常数。Xc保持不变，常数。,-,49,-,50,对于凸极机，气隙不均匀。Fa处于不同位置，由于气隙不均匀，Ba变化，Ea变化，Xa不是常数。Xc不是常数。这将对电机运行分析造成困难。,-,51,-,52,凸极同步发电机的双反应理论,启示：励磁磁动势产生的气隙磁通密度,气隙不均匀，即使不饱和，正弦分布的基波励磁磁动势，也将产生非正弦分布的气隙磁通密度波。对非正弦分布的气隙磁通密度波进行分解，得到其基波。,基波气隙磁通密度波B0与基波励磁磁动势Ff1同相位，Ff1与E0有确定的数量关系。,-,53,由此可以得到启发：如果电枢反应磁动势恰好作用在磁路的对称轴线上时，如d轴或q轴，则电枢反应磁动势与其产生的基波磁通密度相位相同，并有确定的数量关系。,凸极同步发电机的双反应理论,-,54,凸极同步发电机的双反应理论,双反应理论（布朗戴尔双反应法）,将基波电枢磁动势Fa分解成两个磁动势：,直轴电枢反应磁动势Fad，作用在直轴上；交轴电枢反应磁动势Faq，作用在交轴上。,FaFadFaq,-,55,凸极同步发电机的双反应理论,双反应理论（布朗戴尔双反应法）,目的是使交、直轴磁动势分量作用的磁路固定。利用磁路对称性，使基波磁通密度的相位与基波磁动势的相同。解决了因气隙不均匀而产生的问题。,-,56,凸极同步发电机的双反应理论,双反应理论,此方法的理论基础是叠加定理，所以不能考虑磁路的饱和作用。,两个磁动势作用在各自的磁路上，分别产生气隙磁通密度，感应电动势。,FadFasinFaqFacos,直轴、交轴电枢反应电动势,-,57,凸极同步发电机的双反应理论,基于双反应理论的电磁关系,将电枢电流也分解为两个分量，分别产生两个磁动势分量。,IdIsin，IqIcos,-,58,凸极发电机的电动势相量图,电压方程式,Xad、Xaq分别为直、交轴电枢反应电抗。,用电抗参数表示电枢反应电动势与电枢电流的关系。,-,59,凸极发电机的电动势相量图,电动势相量图,Xd、Xq分别为直、交轴同步电抗。,XdXsXad，XqXsXaq,问题：角未知，则电流无法分解？,-,60,凸极发电机的电动势相量图,电动势相量图的作法,o,与的夹角就是；abIXq。,-,61,凸极发电机的电动势相量图,电动势相量图的作法,设U、I、cos和电机参数已知。,作相量、和；,作ab垂直于相量，且abIXq；则ob与相量的夹角就是。,-,62,凸极发电机的电动势相量图,角的计算公式,设U、I、cos和电机参数已知。,-,63,o,凸极发电机的电动势相量图,近似等效电路,分析单机运行问题时，应尽可能采用基于双反应理论的电动势相量图求解。,-,64,凸极发电机的电动势相量图,电动势相量图的作法,o,-,65,凸极发电机的电动势相量图,角的计算公式,设U、I、cos和电机参数已知。,-,66,-,67,第14章同步发电机的运行特性,运行特性：在转速为n1恒定、负载功率因数cos不变时，定子端电压U、负载电流I和励磁电流If三者之一保持为常数，其他两个量之间的函数关系。空载特性：I0时，E0f(If)。短路特性：U0时，If(If)。负载特性：Iconst时，Uf(If)。电压调整特性（外特性）：Ifconst时，Uf(I)。调整特性：Uconst时，Iff(I)。,-,68,14.1同步发电机的空载特性、短路特性和同步电抗的测定,空载特性E0f(If),由于铁磁材料的磁滞效应，励磁电流If由零增至最大值和If由最大值减到零时，将测得2条特性：上升分支下降分支,-,69,空载特性,一般取下降分支作为空载特性。电压最大值一般测到额定电压的1.21.3倍。,上升分支与下降分支差别不大线性段斜率差不多饱和段很接近,-,70,空载特性,电机的基本试验之一。能够检验：励磁系统的工作情况电枢绕组联结的正确性（三相对称、相序）电机磁路饱和程度,磁路过于饱和，励磁绕组用铜量增加，电压调节困难。磁路不饱和，铁磁材料利用率低，负载运行时电压变化较大。,-,71,短路特性,发电机以同步转速旋转，定子绕组短接；改变励磁电流If，测量电枢绕组的短路电流Ik与If的关系曲线，就是短路特性Ikf(If)。,短路特性是一条直线。,测量短路特性的试验称为短路试验，是电机的基本试验之一。,-,72,短路特性,利用同步电机（隐极）的电磁关系来分析短路特性。,气隙电动势E与电枢电流I成正比；故气隙合成磁动势F与电枢电流I成正比。,由于R和Xs都较小，所以E较小，气隙合成磁动势F也较小，因此磁路不饱和。,U0,-,73,短路特性,时空相矢量图,忽略R,电枢反应性质为直轴去磁。,忽略R，则,IkIf,FIk，FaIk,FFf1Fa,Ff1Ik,Ff1If,-,74,短路特性,短路试验时，电机磁路不饱和，可以采用电动势相量图和等效电路进行分析。,（忽略R）,-,75,短路特性,用线性化后的气隙线来得到空载电动势。,通过空载试验和短路试验，可以求出同步电抗Xc。,-,76,短路特性,对于凸极同步发电机，测量得到的是直轴同步电抗Xd。,忽略R，90。,（E0从气隙线上得到）,-,77,第15章同步发电机的并联运行,一台发电机独立向负载供电的缺点每一台发电机的容量有限制。若负载经常变化，轻载时运行效率低。发电机检修则需要停电；否则要备用一台同容量的机组，平时不用，不经济。一台发电机供电，供电的品质会受影响频率和电压会变化（负载突变时）。,一般在较偏远或无法与电网相联的场合下使用。,-,78,同步发电机的并联运行,将每个电厂的多台发电机与多个电厂的发电机通过变压器和高压输电线互相并联在一起，形成电力系统。并联运行的优点电能可以互相调剂，合理使用。增加供电可靠性,减小备用容量。系统越大，负载越趋于均匀。使发电厂的布局更合理。,-,79,同步发电机的并联运行,无限大电网,一台发电机单独供电时，电压的频率由原动机决定，调节励磁电流可以调节电压的大小。一台发电机并联于无限大电网运行时，调节原动机的转速不会改变其电压的频率；调节励磁电流也不能改变其电压的大小。,当一台发电机的容量远小于它所并联的电网的容量时，电网可看成是无限大电网。无限大电网的容量可近似认为是无穷大，电网的电压和频率不变。,-,80,15.1同步发电机并联合闸的条件和方法,并联合闸条件,要求发电机与电网电压满足4个条件：频率相同；幅值相同，且波形一致；相序相同；相位相同。,满足4个条件时，合闸时发电机与电网电压的瞬时值相同，不会产生电流冲击。,-,81,-,82,并联合闸的条件和方法,4个条件中任何一个不满足，并网合闸时都会出现电流冲击。在并网过程中，需要对4个并网条件进行检查，调节直到满足。如何判断条件是否满足？条件不满足时如何处理？,分析时将无限大电网视为一台同步发电机，其电压的大小和频率不变。,两种最基本的方法：暗灯法，旋转灯光法。,-,83,暗灯法,判断合闸开关两端的电压差。,如果3个相灯都熄灭，始终，说明合闸开关两端的电压差为零，4个条件满足。,利用相灯来判断，即把灯泡跨接在合闸开关两端，由灯的亮暗情况来判断电压差的大小。,-,84,设发电机的相序和电网的相同，电压也相同，但，则发电机和电网这两组电压相量之间就有相对运动。由于三相同步指示灯分别接在ASAG，BSBG，CSCG之间，故三组相灯上的电压同时发生变化，于是三组灯将同时亮，同时灭，亮灭的快慢决定于。调节发电机的转速，直到三组灯亮、灭变化很慢时，就表示，当三组灯同时熄灭，AS、AG间电压表读数为零时，就表示发电机已经满足了并联投入条件，此时就可合闸。,（1）频率不等时,-,85,-,86,-,87,-,88,暗灯法,（1）频率不等时,调节方法,调节原动机的转速，使相灯亮暗变化很慢。,现象,3个相灯同时亮，同时暗，亮暗交替变化；频率相差越大，亮暗变化越快。,-,89,暗灯法,（2）电压不等时,调节方法,调节发电机的励磁，使电压相等。,现象,3个相灯都不会完全熄灭。相序相同、频率相近时，3个相灯同时亮、同时暗，在最亮和最暗之间交替变化。,相灯在低电压时就会熄灭，并不说明电压差为零。可用电压表来检测。,-,90,暗灯法,（3）相序不同时,现象,3个相灯旋转。,如果相序错误，可能发生将发电机C相接到电网B相、发电机B相接到电网C相的错误。,-,91,-,92,-,93,-,94,暗灯法,（3）相序不同时,调节方法,将发电机接到合闸开关的任何两根线对调，使相序相同。,现象,若发电机频率高于电网，则顺时针旋转；反之，则逆时针旋转。频率差越大，灯光旋转速度越快。,-,95,暗灯法,（4）相位不等时,调节方法,稍微调节发电机转速，使相位差发生变化，灯光亮暗的频率很低。,现象,若频率相同，则3个相灯都不会熄灭，且亮度不变。,相等完全熄灭时，相位相同，此时即可并网。,-,96,灯光旋转法,有意把相灯接在不同相的电压之间，在相序正确时使灯光旋转，这种并联合闸方法称为灯光旋转法。,采用暗灯法，在相序不同时，灯光出现旋转。通过旋转的速度和方向，可以判断发电机频率与电网频率的差别和快慢。,-,97,-,98,-,99,-,100,若相序正确，则会出现灯光旋转现象，调节发电机电压，使UG=US；调节发电机转速，使灯光旋转缓慢，说明wG已接近于wS；等到不交叉的相灯，即相灯1熄灭时，说明电压相等而且同相位；即可把发电机投入电网。,-,101,若按灯光旋转法接线，而发现灯光同时亮，同时灭。则说明相序接错，需要改变发电机的相序，才能进行投入。,-,102,并联合闸的条件和方法,暗灯法和灯光旋转法都可比较准确地确定合闸时刻，使合闸时无电流冲击，称为准确同步法。实际中，在需要将发电机很快投入并网运行时，可采用自同步法。,事先校验好发电机的相序；起动发电机，使转速接近同步转速，励磁绕组经限流电阻短路；合上并联开关，再立即加励磁，使发电机自动牵入同步。操作简单，装置简单，但是合闸有电流冲击。,-,103,15.3同步发电机并联运行的理论基础,发电机并联于无限大电网运行时，发电机电压等于电网电压，其频率和大小都是不变的。如何调节，使发电机输出有功功率、无功功率，负载将如何在发电机之间分配？,发电机并联运行时的两个调节量,发电机的励磁电流原动机的拖动转矩,-,104,并联运行分析,在并网的4个条件都满足的条件下并网合闸,发电机空载电动势与电网相电压大小、相位都相同；发电机电枢电流为零，仍相当于空载运行。,不进行任何调节时,-,105,并联运行分析,在并网的4个条件都满足的条件下并网合闸,发电机不输出功率，原动机只需要提供发电机所需的空载损耗p0，包括机械损耗pm（摩擦和风阻损耗等）和铁耗pFe。发电机输入功率P1p0pmpFe,-,106,并联运行分析,在并网的4个条件都满足的条件下并网合闸,功率平衡关系也可表示为转矩平衡关系。拖动转矩与制动转矩相平衡。,为机械角速度,T1为原动机的拖动转矩;T0为与发电机空载损耗对应的空载转矩。,-,107,调节励磁电流,电网电压U不变。此时，发电机发出滞后性的无功电流，产生去磁的电枢反应。,增大励磁电流If，则励磁磁动势Ff1增大，空载电动势E0增大。,-,108,调节励磁电流,电网电压U不变。此时，发电机发出超前性的无功电流，产生增磁的电枢反应。,减小励磁电流If，则励磁磁动势Ff1减小，空载电动势E0减小。,-,109,调节励磁电流,调节发电机的励磁电流,只能使电枢绕组发出滞后（电感性）或超前（电容性）的纯无功电流，即发电机可发出滞后或超前的无功功率。,不能使发电机输出或输入有功功率。,-,110,调节原动机的拖动转矩,增大拖动转矩T1,使转子加速Ff1超前B,通过调节汽轮机的汽门、水轮机的水门或者柴油机的油门等，可以调节原动机的拖动转矩。,-,111,调节原动机的拖动转矩,电网电压的频率、大小、相位都不变。,转子是否会在拖动转矩的作用下不断加速？,气隙电动势与电网相电压近似相等，其频率也不会发生变化。气隙电动势和电网电压相量的转速不变。,但是转子却在拖动转矩的作用下加速，使矢量Ff1超前矢量B、F。,-,112,调节原动机的拖动转矩,-,113,调节原动机的拖动转矩,分析转子受力情况,以磁通密度波超前+A轴90电角度时为例。磁动势参考方向与前面一样（出定子进转子为正）；在转子表面建立坐标系，与转子一起旋转；以磁通密度等于零处为坐标原点。,-,114,调节原动机的拖动转矩,分析转子受力情况,基波励磁磁动势超前气隙磁通密度一个角度。把基波励磁磁动势看成是一个每对极下只有1匝的集中线圈，通入等效电流If产生的。,-,115,调节原动机的拖动转矩,分析转子受力情况,气隙磁通密度波与基波励磁磁动势是相对静止的，一起以同步转速n1旋转。等效的励磁线圈边所在处的气隙磁通密度b不为零，通电导线在磁场中受到电磁力f作用。,电磁转矩,-,116,调节原动机的拖动转矩,分析转子受力情况,励磁电流不变时，C近似不变，电磁转矩T与sin成正比。电磁转矩T的方向是向的反方向，即朝向使减小的方向，是制动性转矩。,-,117,调节原动机的拖动转矩,增大原动机拖动转矩T1，转子加速，基波励磁磁动势超前气隙磁通密度波角。角的出现使得转子受到电磁力的作用，产生电磁转矩T，其方向与拖动转矩相反，大小与sin成正比。,只要拖动转矩T1不超过电磁转矩T的最大值，电磁转矩T就能自动与拖动转矩T1达到平衡，使发电机转速仍为同步转速，发电机与电网保持同步运行。,-,118,调节原动机的拖动转矩,转矩平衡关系,原动机拖动转矩等于电磁转矩与空载转矩之和。,功率平衡关系,PM为制动性的电磁转矩吸收的机械功率。,电磁功率,-,119,调节原动机的拖动转矩,功率平衡关系,电磁功率,电磁功率PM既是电磁转矩吸收的机械功率，也是定子绕组中的电功率。说明发电机通过电磁感应作用，将机械功率转换为电功率。为什么？,-,120,调节原动机的拖动转矩,功率平衡关系,电磁功率PM减去定子绕组的铜耗pCu，就是输出功率P2（有功功率）。,定子绕组获得的电磁功率（电功率）,-,121,-,122,调节原动机的拖动转矩,功率流程图,以上分析表明：调节原动机的拖动转矩，可以改变并联运行的同步发电机向电网发出的有功功率。,-,123,15.4有功功率的调节和静态稳定,这些式子都与发电机内部的物理量有关，使用不够方便。希望利用外部可以得到的量、固定不变的量来表示、来计算。,-,124,功角特性,隐极同步发电机,电磁功率PM与功角的正弦成正比。,忽略电枢绕组电阻R。,的夹角称为功角,-,125,功角特性,隐极同步发电机的功角特性,发电机并联运行时，相电压U和频率f是常数，E0可由励磁电流If查气隙线得到，Xc也是常数。If不变时，电磁功率PM与功角的正弦成正比。,隐极同步发电机的最大电电磁功率PMmax出现在功角90的位置。,-,126,功角特性,隐极同步发电机的功角特性,-,127,功角特性,凸极同步发电机,忽略电枢绕组电阻R。,-,128,功角特性,凸极同步发电机的功角特性,由两部分组成。,励磁电磁功率,凸极电磁功率,与励磁无关，需要有电压，有交、直轴磁阻的不同。由于合成等效磁极吸引凸极电磁铁产生电磁力引起。,励磁电流在气隙磁场中产生电磁力引起。,-,129,功角特性,凸极同步发电机的功角特性,励磁电磁功率最大值比凸极电磁功率的最大值要大，因为：,（1）通常；,（2）对于滞后的负载电流，空载电动势E0要高于电网相电压U。,-,130,功角特性,凸极同步发电机的功角特性,凸极同步发电机的最大电磁功率出现在功角90的位置。,-,131,同步发电机并联运行时的稳定性,同步发电机的稳定问题,有若干发电机或发电机的电力系统，在正常负载调配和不正常事故时，发电机或电厂是否能保持同步运行的问题。分为静态稳定和动态稳定。,-,132,同步发电机并联运行时的稳定性,同步发电机的静态稳定问题,发电机在某一稳定运行状态，若电网或者原动机方面偶然发生一些微小的干扰，在干扰去掉后，发电机如果能回复到原来的运行状态，则为稳定的。不能回到原来的稳定运行状态，则为不稳定的。,同步发电机的动态稳定问题,发电机在负载突变等正常操作运行时，或者在突然短路、电压突变、失去励磁等非正常运行中，以及遭受到大的或一定数值的参数变化或负载变化时，发电机是否还能保持同步运行。,-,133,并联运行时的静态稳定,电磁转矩,隐极同步发电机,凸极同步发电机,-,134,并联运行时的静态稳定,的正、负标志着同步发电机是否能稳定运行。,运行稳定。,稳定判据,运行不稳定。,称为整步转矩系数。,-,135,并联运行时的静态稳定,整步转矩系数,整步转矩系数的大小标志着同步发电机的稳定能力。,隐极同步发电机,凸极同步发电机,-,136,并联运行时的静态稳定,过载能力,最大电磁转矩Tmax（或最大电磁功率PMmax）与额定电磁转矩TN（或额定电磁功率PMN）之比。,为保证具有一定的整步转矩系数，具有一定的稳定能力，额定运行时的功角一般设计在隐极发电机：N3040；凸极发电机：N2030。,-,137,15.5无功功率调节和V形曲线,电网中的设备除了需要供给有功功率外，还需要供给无功功率。,如何调节同步发电机的无功功率，使其满足负载的需要？,异步电动机、变压器等都需要无功功率；电网中的无功功率也需要平衡，负载需要的无功功率需要由发电机提供。,-,138,并联运行时的无功功率调节,在并网的4个条件都满足的条件下并联合闸,此时的励磁电流称为正常励磁电流。,发电机空载电动势与电网电压大小、相位都相同。此时发电机的定子电流为零，既不输出有功功率，也不发出无功功率。,-,139,并联运行时的无功功率调节,增大励磁电流,发电机此时发出滞后的无功电流，产生去磁的电枢反应。此时励磁电流比正常励磁电流大，称为过励磁。,减小励磁电流,发电机此时发出超前的无功电流，产生去磁的电枢反应。此时励磁电流比正常励磁电流小，称为欠励磁。,-,140,并联运行时的无功功率调节,保持发电机的有功功率不变，调节励磁电流，电枢电流将如何变化？,忽略电枢绕组电阻R,相数m、电网电压U、同步电抗Xc不变，则,-,141,并联运行时的无功功率调节,正常励磁时，电枢电流最小，不发出无功电流。过励磁时，发出滞后的（电感性）电流。欠励磁时，发出超前的（电容性）电流。,-,142,V形曲线特性,将发电机并联运行时不同负载下的电枢电流I与励磁电流If的关系画成曲线，称为发电机的V形曲线特性。,V形曲线If(If)可通过实际的负载试验测得；也可以在测定参数后，用相量图求出。,-,143,V形曲线特性,有功功率越大，曲线越高。每条曲线有一最低点，对应于cos1的情况。曲线的最低点随有功功率的增加，向右移动，即纯有功负载增加，励磁电流要随之增大。,-,144,V形曲线特性,最左边存在不稳定区，因为励磁电流过小，功角将达到90。可以将不同有功功率的曲线上功率因数相同的点连接起来。,-,145,V形曲线特性,由V形曲线可以知道负载一定、给定励磁电流时的电枢电流和功率因数；励磁电流不变时，负载变化对电枢电流和功率因数的影响；维持功率因数不变时，负载变化对励磁电流的要求。,-,146,并联运行时的无功功率调节,实际电力系统并不是无穷大，电网电压是会变化的。当无功功率不平衡时，电压会发生变化。当发电机提供的无功功率不足时，电网电压会下降，电网电压下降使负载需要的无功功率减少，同时会使发电机提供的无功功率增加，从而使系统在降低的电压下达到无功功率平衡。电网调度室要根据情况指挥调节发电机的励磁电流，使无功功率达到平衡。,-,147,第5篇异步电机,-,148,界定：异步电机是一种与同步电机相对应的交流电机。因其转子转速与定子电流所产生的磁场转速不同，而称为异步电机。又因其定、转子之间没有电的直接联系，是借助于定、转子之间的电磁感应作用实现机电能量转换的，故又称为感应电机。,基本结构和基本工作原理,-,149,第18章异步电机的用途、分类、基本结构和额定值,异步电机的用途、分类和基本结构,-,150,异步电机的用途,异步电动机：拖动各种机械工业：风机、泵、压缩机、矿山机械、轻工机械、金属切削机床等农业：水泵、脱粒机、粉碎机、加工机械等民用：电扇、洗衣机、冰箱、空调等,优点：结构简单、制造容易、价格低廉、运行可靠、坚固耐用、运行效率较高。缺点：功率因数低、吸收滞后无功功率。,异步发电机,-,151,异步电动机的分类,按定子相数分单相、两相、三相异步电动机按转子结构分笼型、绕线转子异步电动机,笼型异步电动机可分为：单笼异步电动机双笼异步电动机深槽异步电动机,-,152,异步电机的基本结构,三相笼型异步电机,1接线盒；2风罩；3风扇；4机座；5定子铁心；6转子；7定子绕组；8轴承；9轴；10端盖,-,153,三相异步电机主要部件拆分图,基本结构和基本工作原理,-,154,异步电机的基本结构,笼型绕组,绕线转子绕组联结方式,-,155,基本结构和基本工作原理,异步电机,定子绕组,定子铁心,转子,机座,转子铁心,转轴,转子绕组,定子,结构组成,气隙,笼型,绕线式,-,156,一、定子,156,1.定子铁心作用主磁路的一部分，放置定子绕组。构成0.5mm厚的硅钢片叠成圆柱体；内圆冲有若干均匀分布的形状相同的槽,-,157,一、定子,基本结构和基本工作原理,2.定子绕组作用构成电路部分，感应电动势，通过电流，建立旋转磁场，以实现机电能量转换。构成铜线圈。小型异步机采用单层；大、中型异步机采用双层短距。,-,158,基本结构和基本工作原理,定子绕组联接方式星形（Y）接法和三角形（D）接法,D联结,W2U2V2,-,159,基本结构和基本工作原理,一、定子,3.机座（机壳）作用固定和支撑定子铁心，承受运行中的各种作用力，散热。构成铸铁或钢板焊接而成。,-,160,基本结构和基本工作原理,二、转子,1.转子铁心作用主磁路的一部分，放置转子绕组。构成0.5mm厚的硅钢片叠成，外圆周冲有若干均匀分布的形状相同的槽。,-,161,基本结构和基本工作原理,二、转子,2.转子绕组作用构成电路部分。感应电动势、流过电流和产生电磁转矩。构成铸铝，铜条焊接，铜绕组。结构型式笼型绕组和绕线式绕组。,笼型转子绕组：由插入每个转子槽中的导条和两侧的短路端环构成，如果去掉转子铁心，剩余的转子绕组就像一个松鼠笼。一般为铝浇铸而成，对中大型电机为减小损耗、提高效率，往往采用铜条焊接而成。,绕线式转子绕组：三个出线端子接到固定在转轴上的三滑环上，通过电刷引出，与外电路接通。其特点是可以在转子绕组中串入附加电阻，来改善电机的起动性能或调节转速。,-,162,转子绕组实物图,笼型转子绕组结构示意图,-,163,基本结构和基本工作原理,转子绕组实物图,绕线式转子绕组结构示意图,-,164,基本结构和基本工作原理,二、转子,3.转轴作用支撑转子铁心，输出、输入机械转矩构成钢。,-,165,基本结构和基本工作原理,二、转子,-,166,基本结构和基本工作原理,三、气隙,定、转子之间的间隙，也是主磁路的组成部分。气隙大小对异步电机的性能影响很大。为了减小主磁路的磁阻，降低激磁电流，提高功率因数，气隙应尽可能小。异步电机气隙长度应为定、转子在运行中不发生机械摩擦所允许的最小值。中、小型异步电机中，气隙长度一般为0.21.5mm。,-,167,18.3三相异步电动机的额定值,额定功率，PN（kW）电动机额定运行时转轴输出的机械功率。,额定电压，UN（V，kV）额定运行时电机定子绕组上的线电压。额定电流，IN（A）定子绕组上加额定电压、转轴输出额定功率时，定子绕组的线电流。,额定频率，fN（Hz）,我国规定标准工频为50Hz。,-,168,三相异步电动机的额定值,额定转速，nN（r/min）定子绕组上加额定频率的额定电压、转轴输出额定功率时电动机的转速。,额定效率，N,额定功率因数，cosN额定运行时定子侧的功率因数。,额定运行时输出机械功率（即PN）与定子侧输入的电功率（即额定输入功率P1N）的比值。,-,169,三相异步电动机的额定值,额定功率与额定电压、额定电流之间的关系,-,170,18.4三相异步电动机的简单工作原理,基本结构和基工作原理,原理定子接三相对称电源，绕组中流过三相对称电流，气隙中建立基波旋转磁动势，产生基波旋转磁场，转速为同步速。这个同步速的气隙磁场切割转子绕组，产生感应电动势并在转子绕组中产生相应的电流；转子绕组在磁场中受到电磁力矩作用，在这个力矩驱动下，转子与磁场同方向旋转。,概述原理上类似于变压器，定子绕组相当于原绕组，转子绕组相当于副绕组，通过电磁感应关系实现机电能量转换。所不同的是变压器的磁场为脉振磁场；异步电机气隙中的磁场为旋转磁场。,-,171,基本结构和基本工作原理,小结异步电动机转子转速总是低于同步转速，且与旋转磁场转向相同。改变相序可以改变转子转向。,-,172,转差率,基本结构和基本工作原理,背景异步电动机的转子电动势和电流取决于旋转磁场转速n1与转子转速n之差，因此分析异步电动机转速变化时，常不直接用转速，而用转差率来表示。,定义同步速n1与转子转速n之差与同步速之比值称为转差率，以s表示。n为一代数量，正、负,重要数据空载转差率小于0.5%，满载转差率小于5%,其中,-,173,异步电机的三种运行状态,异步电机的转子可以是带负载机械，也可以是由原动机驱动，在不同的转子外部条件下，异步电机将运行于不同的转速和不同的转差率，对应不同的运行状态。根据转差率的正负和大小，异步电机存在电动机、发电机、电磁制动三种不同的运行状态。,-,174,基本结构和基本工作原理,1.电动机运行（0s0）分析：据相对运动方向，用右手定则确定e1,e2的方向；ia2与e2同方向，ia1与ia2方向相反（磁势平衡）；由左手定则确定f方向，TM方向；TM与转子转动方向一致，驱动转子运动，克服T2输出机械功率；定子上：ia1与e1方向相反，电功率e1ia1为负，表示吸收电功率。,-,175,基本结构和本工作原理,1.电动机运行（0s0）特点：转子侧：TM与n同转向，TM为驱动转矩，TM0，发出机械功率定子侧：e1与i1的有功电流ia1反方向，e1ia1n1或sn1或s0，发出电功率吸收机械功率发出电功率：发电机,-,178,基本结构和基本工作原理,3.电磁制动运行(n1)分析：据相对运动方向，用右手定则确定e1,e2的方向；ia2与e2同方向，ia1与ia2方向相反（磁势平衡）；由左手定则确定f方向，TM方向；TM与转子转动方向相反，阻止转子运动，为维持电机反转，必须输入机械功率；定子上：ia1与e1方向相反，电功率e1ia1为负，表示吸收电功率，且变为内部的热能。,-,179,3.电磁制动运行（n1）特点：转子侧：TM与n反转向，TM为制动转矩，TM0,-,187,定、转子磁动势关系,转向：逆时针转速：定子磁动势F1：相对于定子转速为n1；转子磁动势F2：相对于转子转速为,F2相对定子的转速为,结论：定、转子基波磁动势保持相对静止。,-,188,定、转子磁动势关系,转子以转差率s旋转时，定、转子磁动势F1与F2始终保持相对静止，二者共同产生气隙磁场。可对F1与F2进行矢量合成，得到合成磁动势F0，即F1F2F0，F0是励磁磁动势。,-,189,电磁关系小结,转子旋转时的电磁关系,-,190,转子电量的频率与定子不同，无法直接连接或者一起画相量图，无法得到等效电路。,转子绕组频率折合,转子通过其磁动势F2对定子起作用。不论转子频率f2为多少，F2相对定子的转速始终为n1。因此，只要保证F2的大小和空间相位不变，转子电流的频率是多少，对定子侧的关系并无影响。,据此可对转子频率进行变换。,-,191,X2ssX2,转子绕组频率折合,转子电动势、电流的频率已由f2变为f1，用转子静止时的量来表示了。转子电流的有效值和相位均未变化。,-,192,转子绕组频率折合,转子旋转时的实际电路,保持转子磁动势F2的幅值和相位不变，使转子频率由实际的f2变为f1转子绕组的频率折合。,等效电路（转子不转时）,I2I2s，2不变,F2不变（幅值和相位）,-,193,转子绕组的折合,频率折合后，定、转子的频率都是f1。为了得到等效电路，需要像分析变压器时一样，对绕组进行折合。通常将转子绕组折合为与定子绕组一样。转子只通过转子磁动势F2对定子起作用，因此折合时需要保证F2的大小和空间相位不变。,-,194,转子绕组的折合,折合后的转子绕组相数、每相串联匝数、绕组因数都和定子绕组的一样。转子磁动势F2在折合后必须保持不变。,ki电流变比,-,195,转子绕组的折合,转子相电动势的折合值,转子相电流的折合值,转子每相阻抗的折合值,折合后，转子绕组电阻铜耗和电抗上的无功功率都不变。,-,196,基本方程式、等效电路,基本方程式,在对转子进行频率折合和绕组折合后，可得转子旋转时的基本方程式。,-,197,基本方程式、等效电路,T型等效电路,-,198,时空相矢量图,-,199,讨论,空载时，转差率s很小，转子电流很小，空载电流约等于励磁电流，定子功率因数很低。,额定负载运行时，通常转差率sN0.05，转子等效电路为电阻性，定、转子侧功率因数都较高，可达0.8以上。,-,200,讨论,定子漏阻抗Z1不大，从空载到额定负载，I1Z1与电压U1相比都较小，定子电动势E1U1。主磁通m与电动势E1成正比。只要电压U1不变，从空载到额定负载，m基本不变，励磁电流I0也基本不变。,起动或堵转时，主磁通m与额定负载时相比变化很大，约为空载时的一半。,-,201,准确变换等效电路:,-,202,笼型转子的极数、相数和匝数,由绕线转子异步电动机分析得到的基本方程式、相量图和等效电路完全适用于笼型异步电动机。,笼型转子的极数、相数和匝数如何确定？,定、转子极数相等是旋转电机产生平均电磁转矩的必要条件。,绕线式转子有明显的极数和相数，且设计制造与定子相同,-,203,-,204,三相异步电动机的运行原理,笼型转子无特定的极数，其极数始终等于定子的极数。,若为p对极，Z2根导条的电机，则相数Z2/p导条分布均匀，一对磁极范围内的导条数为Z2/p,若Z2/p为整数，则相数m2Z2/p；若Z2/p不为整数，则相数m2Z2。,-,205,N2=1/2(每相串联匝数每对极每相只有一根导体半匝）kdp2=1(无短距和分布）,笼型绕组的匝数和绕组因数,-,206,第20章三相异步电动机的功率、转矩和运行特性,稳态运行时的功率和转矩关系电磁转矩及其与参数的关系运行特性参数的测定方法,-,207,20.1三相异步电动机的功率与转矩关系,功率平衡关系,铁耗（只考虑定子铁耗）：,定子铜耗：,输入有功功率：,-,208,功率平衡关系,传递给转子的电磁功率：,电磁功率也可表示为：,-,209,功率平衡关系,电阻上的损耗代表传递给电动机转轴上的机械功率：,转子绕组的铜耗,-,210,功率平衡关系,电磁功率PM一定时，转差率s越大，转子铜耗pCu2越大，电机的效率越低。,-,211,功率平衡关系,电机在旋转中，还会产生机械损耗pm（风阻、摩擦损耗等）以及附加损耗pa。,输出功率：,通常认为：,-,212,功率流程图,-,213,转矩平衡关系,机械功率等于作用在旋转体上的转矩与机械角速度的乘积：,电磁转矩T等于转轴的输出转矩T2与空载转矩T0（机械损耗和附加损耗转矩）之和。,-,214,异步电动机的功率、转矩和运行特性,电磁转矩,机械运动角速度,旋转磁场运动角速度,-,215,电磁转矩从转子方面看，它等于总机械功率除以转子机械角速度；从定子方面看，它又等于电磁功率除以定子旋转磁场的同步机械角速度。,-,216,电磁转矩的基本（物理）表达式,阐述产生电磁转矩的根本原因；分析直接与电磁转矩相关的物理量。,CM是与电机结构有关的常数,-,217,20.2三相异步电动机的机械特性,三相异步电动机的机械特性是指在定子电压、频率和参数固定的条件下，电磁转矩T与转速n或转差率s之间的函数关系Tf(n)或Tf(s)。用曲线表示时，常以转速n或转差率s为纵坐标，以电磁转矩T为横坐标，简称T-s曲线。,-,218,电磁转矩的一般表达式,-,219,电磁转矩T与每极磁通量m、转子电流I2、转子功率因数cos2的乘积成正比。即：T与m和转子电流的有功分量的乘积成正比。