同步电机原理

第四章同步电机,第四章同步电机,一、同步电机原理与结构二、同步电机磁场分析三、同步电机的电磁关系与等效电路四、同步电机运行特性,第一节同步电机的原理与结构,同步电机的原理与结构,基本工作原理主要结构运行状态额定值,一、同步电机的基本原理,转子直流励磁原动机拖动转子磁场以速度n0旋转定子导体感生电动势,定子带负载则有电流流过定子电流产生旋转磁场，速度为n0转子导体受电磁力，形成电磁转矩，和拖动转矩平衡,同步电机特点：,转子转速与磁场转速相等（同步）；转子电流频率为零（直流）用途发电无功调节电动机,定子铁心：0.5mm硅钢片绕组：电枢绕组，产生感应电势和电磁转矩机座及固定部件端盖转子（凸极、隐极）转子铁心励磁绕组阻尼绕组轴承护环、中心环、滑环和风扇等,二、同步电机的基本结构,结构相关,旋转结构转枢式：电枢旋转转场式：磁场旋转结构形式隐极式：气隙均匀凸极式：气隙不均匀,磁极冲片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。,凸极转子：制造方便，但机械强度较差，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。隐极转子：机械强度好，但制造工艺较复杂，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。,隐极、凸极比较,汽轮发电机定子结构,同步电动机的转子结构图,三、同步电机的励磁方式,同步电机运行时，必须在励磁绕组中通入直流电流，建立励磁磁场。将供给励磁电流的整个装置称为励磁系统。,(1)直流励磁机励磁励磁绕组由小型直流发电机供电(2)静止整流器励磁交流励磁机整流直流电励磁绕组(3)旋转整流器励磁交流励磁机整流直流电励磁绕组,旋转励磁，无电刷,四、同步电机的冷却方式,随着单机容量的不断提高，大型同步电机的发热和冷却问题日趋严重，冷却方式也不断改进。同步电机的冷却方式主要有以下几种。,五、同步电机的运行状态,理想空载调相机,发电机状态,电动机状态,同步发电机不同运行方式,六、额定值,额定容量SN(kVA)或额定功率PN额定电压UN额定电流IN额定功率因数cosN额定效率N额定频率fN、额定转速nN、额定励磁电流IfN、额定励磁电压UfN等,第二节同步电机的磁场分析电枢反应,1、空载运行：额定转速n，电机极对数p转子励磁绕组通直流电流If，产生磁通0定子绕组感应电势E0，定子开路，电流Ia0电机中仅存在直流励磁电流If,同步电机运行分析,感应电势频率：,感应电势有效值：,凸极同步发电机的空载磁场,2、空载特性,空载特性磁化曲线,负载对称三相电流对称产生圆形旋转磁场,3、负载运行（电枢反应）,*实质：研究同步发电机负载时内部的电磁情况。,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，这种现象称之为电枢反应。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，亦即决定于负载的性质。,电枢反应,几个概念,内功率因数角：E0和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；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）,下面从三种极限情况出发进行研究，即（1）Ia和E0同相位，即=0；（2）Ia滞后E090电角度，即=90；（3）Ia超前E090电角度，即=-90；,凸极电机的双反应理论,双反应理论：Fa的轴线既不和直轴也不和交轴重合时，可以把Fa分解为直轴分量Fad和交轴分量Faq，之后求出直轴和交轴各自的电枢反应值，最后把它们的效果叠加起来。,（1）Ia和E0同相位（=0）时的电枢反应,感应电势为最大值。电流也在此瞬间到达最大值。电枢磁势与A相绕组中心线相重合。电枢磁势滞后于转子磁势90交轴电枢反应。,（2）Ia滞后E090电角度（=90）时的电枢反应,电枢磁势产生去磁作用，称为直轴去磁电枢磁势。,（2）Ia超前E090电角度（=90）时的电枢反应,电枢磁势产生增磁作用，称为直轴增磁电枢磁势。,（4）I与E0相差锐角相位时的电枢反应,电枢反应不仅存在交轴分量，还存在直轴分量,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。,凸极机的磁通分布图,第三节同步发电机的电磁关系与等效电路,1、隐极发电机的电磁过程,同步发电机电磁过程与电势方程,2、隐极发电机的电势平衡方程,其中,同步电抗的物理意义：表征地对称负载下电枢电流产生的电枢总磁场在电枢每相绕组中的电磁效应。,3、隐极发电机的等效电路：,注：去掉ra即可得到简化等效电路,4、隐极发电机的相量图,已知发电机的端电压、负载电流和功率因数cos及参数ra、xt,当功率因数cos滞后时的相量图,5、凸极发电机的电磁过程,6、凸极发电机的电势方程式,其中：,思考：xd与xq有何不同，大小关系？,7、凸极发电机的相量图,已知端电压、负载电流和功率因数及ra、xd、xq。,已知内功率因数角,按照电势方程式的关系作出相量图,未知内功率因数角,1）利用方程式求出：,2）利用公式求出：,第四节同步电机的运行特性,同步电机功率关系及功角特性同步电机功率因数调节特性同步发电机特性同步发电机并联运行同步电动机的起动,同步电机的运行特性,凸极电机的向量图,的双重物理含义：励磁电动势与定子所加相电压之间的夹角（时间电角度）励磁磁动势与气隙合成磁动势之间的夹角（空间电角度）,功角意义的图示A：,功角意义的图示B,功角是转子磁极轴线和定子合成磁极轴线的空间夹角,一、功角特性,思考：电动机与发电机有何区别？,同步发电机功率关系：,忽略同步电动机定子电阻Ra上的损耗,从相量图中可知，,电磁转矩：无功功率：,（隐极电机）,（凸极电机）,有功功率功角特性,并联于无穷大电网的同步发电机，当电网电压和频率恒定、参数（xd、xq、xt）为常数、空载电势E0不变（即If不变）时，Pem=f()为有功功率功角特性。,隐极电机的有功功率功角特性：,矩角特性,对隐极式同步电动机，Xd=Xq=Xt,凸极电机的有功功率功角特性：,PemE0，当转子有励磁即If0时存在。,Pem是由于XdXq而引起的，与If是否存在无关。特点：Pe使PeM。PeM产生在90o处。功角特性与矩角特性不再是正弦波。,基本分量,附加分量（磁阻分量）,凸极电机,功率极限值(隐极),发电机有功功率功角特性曲线,判据：,隐极发电机的判据：比整步功率(kW/rad),概念：当电网或原动机方面出现某些微小扰动时，同步发电机能在这种干扰消失后，继续保持原来的平衡运行状态。,额定：功角2030,稳定分析：静态稳定,最大转矩Tm与额定转矩TN之比，过载倍数,隐极同步电动机额定运行N=3016.5。凸极式同步电动机额定运行功率角更小。,负载改变时，随之变化，使同步电动机的电磁转矩或电磁功率跟着变化，以达到平衡状态。而电机的转速却保持同步转速不变。,（静）过载倍数,二.同步电机功率因数的调节,同步电机的重要特性：同步电机在保持输出有功不变的情况下，可以通过励磁电流的调节，使电机的功率因数发生变化。,1、同步电动机的V形曲线,同步电动机的V形曲线是指当电源电压与频率均为额定值，在输出功率不变的条件下，调节励磁电流If，定子电流I会相应变化，绘制成的I=f(If)曲线，形状象“V”，故称V形曲线。,无功功率的调节：同步电动机可以通过励磁电流的调节，使电机的输出无功功率发生变化。,同步电动机输出有功功率P2恒定，改变励磁电流可以调节其无功功率,“正常”励磁时功率因数cos=1，电枢电流全部为有功电流，故数值最小,励磁电流小于正常励磁值(欠励)时，电动机功率因数cos滞后，同步电动机相当于感性负载，要从电网吸取滞后无功。,励磁电流大于正常励磁值(过励)时，电动机功率因数cos超前，同步电动机相当于容性负载，要从电网吸取超前无功,正常励磁当If=If0时，,cos=1,电机呈电阻性。,欠励磁当IfIf0时，,电机呈电感性。,If，感性程度。过励磁当IfIf0时，电机呈电容性，If|，容性程度。,同步电动机的V形曲线I=f(If)：同步电动机在有功功率恒定、励磁电流变化时，电枢电流随励磁电流变化的曲线,(3)V形曲线,每一功率（负载）对应一条V形曲线从欠励到正常励磁到过励I有最小值每条曲线的最低点：cos=1，连线向右倾斜。每条曲线左边均有不稳定区不稳定区域边缘：=900，连线向右倾斜每条曲线上的电流I变化量I为无功分量,V形曲线的几个特点,2、同步发电机的V形曲线,1、空载特性发电机在额定转速(n=nN)、空载(I=0)的条件下，空载电压(U0=E0)与励磁电流If的关系称为空载特性，即U0=f(If)。,三、同步发电机特性,空载特性试验电路及空载特性(a)空载试验原理接线图；(b)空载特性曲线,短路特性nn1U=0时，Ia=Ik=f(If)曲线,2、短路特性,由空载及短路特性求取同步电抗,3、外特性,发电机在n=nN、If=常数、cos=常数的条件下，端电压U和负载电流I的关系曲线称为外特性，即U=f(I)。可用直接负载法测定。,纯电阻负载：主要是定子绕组电阻压降和漏抗压降引起输出电压下降，所以端电压随负载电流增加而缓慢下降。感性负载:由于电枢反应的直轴去磁作用，再加上定子绕组电阻压降和漏抗压降，将使端电压随负载电流增加而迅速下降。容性负载：定子绕组电阻压降虽使输出电压下降，但电枢反应的直轴分量为助磁，同时漏抗压降亦使电压上升，若上升量大于下降量则端电压随负载电流增加而上升。,电压变化率凸极发电机的U%：18%30%。隐极发电机的电枢反应较大，故U%也较大，在30%50%(以上均为cos=0.8滞后的数值)。,4、调整特性n=nN时，U=常数，cos=常数，If=f(I)。,四、同步发电机的并联运行,1、并联运行优点提高供电可靠性。提高供电的经济性和灵活性。水电厂与火电厂并联调配发电，旺水期水电多发电，枯水期火电多发电；用电高峰期和低谷期可灵活决定投入电网的发电机数量，提高发电效率和供电灵活性。提高供电质量。电网容量大(相对于单台发电机或个别负载可视为无穷大)，单台发电机投入与停机、个别负载变化对电网影响甚微，衡量供电质量的电压和频率可视为恒定不变的常数。,2、同步发电机并联合闸的条件,两台同步发电机并联运行是电力系统中若干台发电机并联后的“等效”发电机；是待并联的发电机。,把同步发电机并联至电网的过程称为投入并联(并列、并车、整步、合闸)。合闸时必须避免产生巨大的冲击电流，以防止同步发电机受到损坏（电磁冲击、机械冲击），电网遭受干扰。,理想并联合闸条件,波形相同正弦波频率相同f接近幅值相同；相位相同接近相序相同严格条件,若以上条件中的任何一个不满足则在开关两端会出现差额电压，如果闭合开关，在发电机和电网组成的回路中必然会出现瞬态冲击电流。上述条件中相序一致是绝对条件，其它条件是相对的，因为通常电机可以承受一些小的冲击电流。,将发电机调整到完全符合并联条件后的合闸操作。调整过程常用同步指示器来判断条件的满足情况。,3、同步发电机并联合闸方法及分析,同步指示器,（1）准确同步法（准确整步法）,最简单的同步指示器由三相相灯组成。,1）接法：三只灯泡直接跨接于电网与发电机的对应相之间。,（A）暗灯法,灯接在A1、A2之间，灯和灯交叉接在B1、C2和C1、B2之间。,发电机和电网电压相量图,（B）灯光旋转法,4.同步电动机的起动,问题：由同步电动机基本工作原理可知，若将同步电动机同时双边励磁，由于定子旋转磁场转速为同步转速n1，而起动瞬间转子处于静止，气隙磁场与转子磁极之间存在相对运动，不能产生平均的同步电磁转矩，即同步电动机本身没有起动转矩，使电动机自行起动。,方法：（1）辅助电动机起动法选用一台与同步电动机极数相同的小型异步电动机作为辅助电动机，起动时，先起动辅助电动机将同步电动机拖动到异步转速，然后将同步电动机投入电网，加入励磁，利用同步转矩把同步电动机转子牵入同步，同时切除辅助电动机电源，这种方法适用于同