电机学-第4篇-同步电机VIP

电机学,电气工程学院,2020/5/3,河海大学,2,目录,第一篇变压器,第一章绪论,第四篇同步电机,第三篇异步电机,第二篇交流电机的共同问题,2020/5/3,河海大学,3,第四篇同步电机,第十三章同步发电机在大电网上运行,第十四章同步发电机的不对称运行,第十二章同步电机的基本理论和运行特性,第十五章同步发电机的突然短路与振荡,2020/5/3,河海大学,4,第十二章同步电机的基本理论和运行特性,1.同步电机的结构,2.同步电机的励磁系统,3.同步电机的空载运行,4.对称负载时的电枢反映,5.隐极同步发电机的分析方法,6.凸极同步发电机的分析方法,7.电枢绕组的漏抗,8.同步发电机的空载、短路和负载特性,9.同步发电机的参数及测定,10.同步发电机的稳态运行特性,2020/5/3,河海大学,5,第一节同步电机的结构,1.定义：同步电机是指电机转子的转速与磁场转速相同的交流电机。同步电机的转速为2.运用范围：,2020/5/3,河海大学,6,第一节同步电机的结构,一、同步电机的基本结构形式同步电机的定子和异步电机相同，定子铁芯上有齿和槽，槽内设置三相绕组。转子上装有磁极和励磁绕组。同步电机的磁极通常装在转子上，而电枢绕组放在定子上，通常称为旋转磁极式电机。旋转磁极式电机同步电机的转子有凸极和隐极两种结构形式。用汽轮机作为原动机来拖动的称为汽轮发电机，一般采用隐极式结构；用水轮机作为原动机来拖动的称为水轮发电机，一般采用凸极式结构。同步电动机、由内燃机拖动的同步发电机以及同步补偿机大多做成凸极式。,2020/5/3,河海大学,7,第一节同步电机的结构,二、同步电机的构造特点同步电机一般由定子、转子、端盖和轴承等部件构成。（一）定子同步电机的定子大体上和异步电机相同，是由铁芯、绕组、机座以及固定这些部分的其他构件组成。（二）转子（以同步发电机为例）1、汽轮发电机转子结构现代汽轮发电机一般都是二极的，同步转速为3000或3600r/min。这是因为提高转速可以提高汽轮机的运行效率，减小整个机组的尺寸、降低机组的造价。转子不能做得过大，所以汽轮发电机的直径较小，长度较长。汽轮发电机均为卧式结构。2、水轮发电机转子结构大型水轮发电机通常都是立式结构，它的转速低、极数多，要求转动惯量大，故其特点是直径大、长度短。,2020/5/3,河海大学,8,2020/5/3,河海大学,9,中国制造的30万千瓦双水内冷汽轮发电机,2020/5/3,河海大学,10,同步电机转子结构,2020/5/3,河海大学,11,隐极同步电机剖面图,2020/5/3,河海大学,12,第一节同步电机的结构,三、同步电机的额定值同步电机的额定值（名牌值）由以下几种：（1）额定容量或额定功率（2）额定电压是指同步电机在额定运行时其定子三相的线电压（4）额定电流是指同步电机在额定运行时流过其定子绕组的线电流,2020/5/3,河海大学,13,第一节同步电机的结构,（4）额定功率因数是指同步电机在额定运行时的功率因数。（5）额定效率是指额定运行时的效率。（6）额定转速和额定频率是指同步电机运行时的转速（r/min）和定子绕组中电流与电压的工作频率（Hz）。（7）额定励磁电压和额定励磁电流是指同步电机额定运行时加到励磁绕组上的直流电压和电流。,(对三相交流发电机),(对三相交流电动机),2020/5/3,河海大学,14,第二节同步电机的励磁系统,同步电机运行时，必须在其转子励磁绕组中通入直流电流，以便建立磁场，这个直流称为励磁电流，供给励磁电流的整个系统称为励磁系统。励磁系统是同步电机的重要组成部分，励磁系统和励磁元件的性能对电机的运行性能有重要影响。分类，励磁系统主要有两大类：一类是直流发电机作为励磁电源的直流励磁机励磁系统；另一类是用整流装置将交流变成直流后供给励磁的交流励磁机整流励磁系统。,2020/5/3,河海大学,15,第二节同步电机的励磁系统,一、直流励磁机励磁系统直流励磁机通常与同步发电机同轴，当发电机转起来以后，励磁机就可以为其供给直流电流。最常用的是直流并励发电机（如图所示）；直流他励发电机；直流复式励磁发电机。二、交流励磁机整流励磁系统当发电机容量较大时，由于换向困难不适宜采用直流励磁机，这时一般采用交流励磁机与整流装置相配合来共同构成励磁系统。,2020/5/3,河海大学,16,第二节同步电机的励磁系统,根据装置的放置位置可以分为静止整流励磁和旋转整流励磁两种1、静止整流励磁静止整流励磁分为他励式和自励式两种，下图为他励式静止整流励磁系统。1发电机；2交流主励磁机；3交流副励磁机；4硅整流机；5可控硅整流机；6自动电压调整器（主励为100Hz同步发电机，副励为500Hz中频同步发电机）,2020/5/3,河海大学,17,第二节同步电机的励磁系统,他励式静止整流器励磁系统原理：主励(2)经整流(4)向发电机(1)提供If;主励的励磁电流由副励磁机(3)提供优点：运行、维护方便，用硅整流代替换向器不仅提高了励磁容量，而且大大提高了发电机运行可靠性；缺点：接线设备复杂，起动时需要另外的直流起励电源向副励磁机供给励磁电流。自励式系统优点：便于维护，电压稳定性较高，动态特性好。,2020/5/3,河海大学,18,第二节同步电机的励磁系统,2、旋转整流励磁旋转电枢式。交流主励磁机:电枢、整流装置与主发电机的励磁绕组均装设在同一旋转体上，不需要集电环和电刷装置，所以这种系统又称为无刷励磁系统。1交流副励磁机；2交流主励磁机；3同步发电机；4自动电压调节器,2020/5/3,河海大学,19,第二节同步电机的励磁系统,旋转整流励磁系统优点：由于取消了电刷和集电环，所以这种励磁方式的运行比较可靠，维护简单，尤其适合于要求防燃、防爆的特殊场合。缺点：发电机励磁回路的灭磁时间常数较大，对迅速消除主发电机的内部故障不利；转子绕组保护困难。,2020/5/3,河海大学,20,第三节同步电机的空载运行,一、隐极式同步电机的空载磁动势隐极式同步电机的转子绕组为分布绕组，在每极下有一个大齿和若干个小齿，转子磁动势的空间分布波形为阶梯波形，如下图所示它的幅值为（其中为励磁电流，为励磁绕组的每极匝数）定义磁极磁动势的基波分量振幅与实际磁动势最大幅值之比为，称为电机的励磁磁动势波形系数，即,2020/5/3,河海大学,21,第三节同步电机的空载运行,二、凸极式同步电机空载磁势凸极同步电机的绕组式集中绕组，它所产生的磁动势是矩形波，幅值为，基波分量的振幅为励磁磁动势的波形系数,2020/5/3,河海大学,22,第三节同步电机的空载运行,三、时间相量与空间矢量画在同一坐标平面上的时间相量图和空间矢量图称为时空矢量图。参考轴的选取是任意的。但一般把相绕组轴线作为空间矢量参考轴令时间相量参考轴与空间矢量参考轴重合相绕组轴线相轴；转子绕组轴线直轴；与直轴正交（90度电角度）交轴,2020/5/3,河海大学,23,第三节同步电机的空载运行,四、空载电动势相量空载运行时，电枢电流为零，仅有由励磁电流所建立的主极磁场。主极磁通分为主磁通和主极漏磁通，主磁通所经过的路径称为主磁路，包括：空气隙、电枢齿、电枢轭、磁极极身和转子轭五个部分。,2020/5/3,河海大学,24,同步发电机工作原理,2020/5/3,河海大学,25,第三节同步电机的空载运行,当转子以同步转速旋转时，主磁场就在气隙中形成一个旋转磁场，它“切割”对称的三相定子绕组后，就将在定子绕组内感应出频率为的一组对称三相空载电动势：忽略高次谐波时，励磁电动势的有效值为式中：为每极的主磁通量,2020/5/3,河海大学,26,第三节同步电机的空载运行,五、电压波形正弦畸变率改善发电机发出电势波形的基本途径：励磁电流产生接近与正弦分布的气隙磁密波形；定子每相绕组采用分布和短距线圈；三相绕组采用Y接法。恒量指标：电压波形正弦畸变率实际空载线电压波形与正弦波形的偏差程度一般用电压波形正弦畸变率来表示，即,2020/5/3,河海大学,27,第四节对称负载时的电枢反应,空载：I0，Fa0，气隙磁场只由转子电流产生；负载时：I0，Fa0,Fa对Ff的影响称电枢反应同步电机电枢磁势与转子磁势间的相对位置取决于负载电流的性质。同步和空载电势电机输出电流之间的相角定义为内功率因数角。时，时，电流滞后于；端电压和之间的相位角称为外功率因数角。下面将分析各种不同角时的电枢反应。,2020/5/3,河海大学,28,第四节对称负载时的电枢反应,一、内功率因数角,2020/5/3,河海大学,29,第四节对称负载时的电枢反应,Fa在交轴，所以称交轴电枢反应，因合成磁势有增磁作用因为I、E同相，所以不发无功功率,2020/5/3,河海大学,30,第四节对称负载时的电枢反应,二、内功率因数角同步发电机的剖面简图磁势的空间展开图,2020/5/3,河海大学,31,第四节对称负载时的电枢反应,二、内功率因数角时间相量图时空矢量图,2020/5/3,河海大学,32,2020/5/3,河海大学,33,第四节对称负载时的电枢反应,三、内功率因数角同步发电机的剖面简图磁势的空间展开图,2020/5/3,河海大学,34,第四节对称负载时的电枢反应,三、内功率因数角Fa在交轴，所以称交轴电枢反应，因合成磁势有增磁作用因为I、E反相，所以不发无功功率,2020/5/3,河海大学,35,第四节对称负载时的电枢反应,四、内功率因数角同步发电机的剖面简图磁势的空间展开图,2020/5/3,河海大学,36,第四节对称负载时的电枢反应,四、内功率因数角时间相量图时空矢量图,2020/5/3,河海大学,37,2020/5/3,河海大学,38,第四节对称负载时的电枢反应,结论：同步电机的运行方式可以由内功率因数角来判断。同步电机作为发电机运行时，转子磁场将较定子磁场超前同步电机作为电动机运行时，定子磁场将较转子磁场超前,2020/5/3,河海大学,39,第五节隐极同步发电机的分析方法,一、电磁关系当不考虑磁路饱和现象时，认为转子磁场与电枢磁场分别在定子绕组中感应电势。转子感应的电势称为空载电势，用表示；电枢磁场感应的电势称为电枢反应电势，用表示。电磁关系如下：,2020/5/3,河海大学,40,第五节隐极同步发电机的分析方法,二、电路方程三、等效电路等效电路，如右图所示。隐极同步发电机在稳态运行时的等效电路是简单的独立回路，没有次级侧回路和其它耦合回路。,2020/5/3,河海大学,41,第五节隐极同步发电机的分析方法,四、电枢反应电抗比例系数是与电机结构有关的常数，称为电枢反应电抗。写成相量形式：上式说明了电枢反应电抗的物理意义：可以把电枢反应磁场在定子每相绕组中所感应的电枢反应电势看成相电流所产生的一个电抗电压降，这个电抗就是电枢反应电抗。,2020/5/3,河海大学,42,第五节隐极同步发电机的分析方法,五、同步电抗定子回路电压平衡式改写为其中为同步电抗为同步阻抗实际应用中主要关心同步电抗：在计算同步电机的各种性能时，一般仅需应用同步电抗；测量同步电抗较为方便。等效电路变化,隐极同步发电机的等效电路,2020/5/3,河海大学,43,第五节隐极同步发电机的分析方法,六、隐极发电机的相量图同步电机的三个角：外功率因数角内功率因数角功角,2020/5/3,河海大学,44,第六节凸极同步发电机的分析方法,一、凸极同步电机的电枢反应双反应理论由于凸极同步机的气隙不均匀，气隙各处的磁阻不同，在极面下的磁导大，两极之间的磁导小，所以在分析电枢反应时，采用双反应法，即把电枢基波磁动势分解为作用在直轴上的和作用在交轴上的，还可以将电枢电流分解为和，即,2020/5/3,河海大学,45,二、电磁关系当不计磁路饱和现象时，在定子绕组中分别成立直轴电枢反应电势和交轴电枢反应电势。其基波分量不别记作和。,2020/5/3,河海大学,46,第六节凸极同步发电机的分析方法,二、电路方程和等效电路则凸极同步发电机的定子绕组的电压平衡式为,2020/5/3,河海大学,47,第六节凸极同步发电机的分析方法,三、直轴与交轴电枢反应电抗和同步电抗（1）直轴电枢反应电抗、交轴电枢反应电抗比例系数是与电机结构有关的常数。其中：xad、xaq分别称直轴电枢反应电抗，交轴电枢反应电抗,2020/5/3,河海大学,48,第六节凸极同步发电机的分析方法,写成相量形式：(2)直轴同步电抗和交轴同步电抗设为定子每相漏抗，则可把漏抗与电枢反应电抗合并，即式中：称之为直轴同步电抗，称之为交轴同步电抗。,2020/5/3,河海大学,49,第六节凸极同步发电机的分析方法,四、凸极发电机的相量图1.定子绕组的电压平衡式若把电枢反应电势看作是电抗压降，则定子绕组的电压平衡式为或另：隐极同步电机可看作凸极同步电机的特例来看。因为隐极机的气隙均匀，气隙磁场波的波形系数。，只需要用一个参数来表示同步电抗。,2020/5/3,河海大学,50,第六节凸极同步发电机的分析方法,2.的方向平衡方程中加、减,2020/5/3,河海大学,51,第六节凸极同步发电机的分析方法,2.画向量图的步骤：凸极同步发电机的相量图（过激时）,2020/5/3,河海大学,52,第七节电枢绕组的漏抗,当电枢绕组通过电流时，它所产生的磁通大部分穿过空气隙，进入转子磁路并和转子绕组相键链，这部分磁通称为互磁通，即电枢磁通。电枢电流产生的磁通中另有一部分只与电枢绕组本身键链，不穿过空气隙，这部分磁通称为电枢漏磁通。电枢漏磁通主要包括两个部分：槽漏磁通和端接部分漏磁通，如下图所示,2020/5/3,河海大学,53,第八节同步发电机的空载、短路和负载特性,一、空载特性同步发电机的转子套组加上直流励磁，电枢绕组开路，即为同步发电机的空载运行。空载特性就是讨论转子直流励磁电流和空载电势的关系。因为空载电动势和转子磁场的每极磁通成正比，转子励磁电流和转子励磁磁动势成正比，因此只要选取不同的比例尺，和同步电机的磁化曲线是相同的。空载特性可通过电机的磁路计算或实验测得，接线图如右所示，,2020/5/3,河海大学,54,第八节同步发电机的空载、短路和负载特性,一、空载特性1.定义选取不同的比例尺，与同步电机的磁化曲线相同。2.测量空载特性可通过电机的磁路计算或实验测得，接线图如右所示，,2020/5/3,河海大学,55,第八节同步发电机的空载、短路和负载特性,磁滞回线0a为所求的空载特性，由剩磁所感应的电动势，称为剩磁电动势。存在剩磁，校正：向左平移oc。,2020/5/3,河海大学,56,第八节同步发电机的空载、短路和负载特性,典型的空载特征开始一段实际上是一条直线，因为此时很小，电机磁路中的铁磁部分未饱和。If增大，逐渐饱和。饱和系数：E0*=1时：总磁势与气隙磁势之比空载特性曲线的用途：a.求取同步电机的参数和特性外；b,.在发电厂中测空载特性以检查三相电枢绕组的对称性。,2020/5/3,河海大学,57,第八节同步发电机的空载、短路和负载特性,二、短路特性1、定义2、用途说明同步发电机的特性测定同步电机的参数3、短路特性同步发电机在短路时的量相量图。U0很小很小（很小）电机磁路处于不饱和又，所以，短路特性为一直线（）。,2020/5/3,河海大学,58,第八节同步发电机的空载、短路和负载特性,三、负载特性1。定义：右图为不同的和不同的时的负载特性，其中(1)空载特性，(2)零功率因数特性，通过零功率因数曲线和空载特性曲线可以求取饱和同步电抗及电枢电抗。,2020/5/3,河海大学,59,第八节同步发电机的空载、短路和负载特性,2.同步发电机带纯感性负载时相量图如右所示（(a)隐极式；(b)凸极式）。可见此时和同相，即，磁动势间的关系以及电动势间的关系为由上式可知：若已知1、电枢漏抗2、相当于电枢反应去磁作用的励磁电流便可直接由空载曲线零功率因数曲线。,2020/5/3,河海大学,60,第八节同步发电机的空载、短路和负载特性,3.利用空载特性求零功率因数特性曲线的过程如右图所示。画法：,电枢电流不变,直角三角形abc的大小不变，,由图可见，,通常称此三角形为电抗三角形。,2020/5/3,河海大学,61,第八节同步发电机的空载、短路和负载特性,求零功率因数特性实验求法1.中小电机接纯电感负载，使IIN，记录2.大中型电机求关键两点：e点：短路点，IIN,U=0c点：,2020/5/3,河海大学,62,第九节同步发电机的参数及测定,一、同步电抗的测定1、不饱和同步电抗的测定右图1-空载特性,2-短路特性，不计电枢电阻，U=0时，隐极机：凸极机：因Ik滞后E090度,Iq=0,Id=Ik所以：用近似，则这样测得的同步电抗为不饱和同步电抗。对隐极机而言，所测定的同步电抗为；对凸极机而言，所测定的同步电抗为。,2020/5/3,河海大学,63,第九节同步发电机的参数及测定,2、求饱和同步电抗纯电感负载时，空载电动势、端电压和同步电抗之间的代数关系为右图所示为空载特性和的零功率因数曲线。其中，所以饱和同步电抗的标么值为不饱和同步电抗比饱和同步电抗大得多。,2020/5/3,河海大学,64,第九节同步发电机的参数及测定,二、短路比短路比：在空载时使空载电动势有额定值时的励磁电流与在短路时使短路电流有额定值时的励磁电流之比。短路比与同步电抗有关，设为不饱和同步电抗，则从图中可得，则同步电抗的标么值为,2020/5/3,河海大学,65,第九节同步发电机的参数及测定,短路比大小与电机性能的关系（了解）一般，汽轮发电机较小:0.50.7水轮发电机较大:1.01.4,2020/5/3,河海大学,66,第九节同步发电机的参数及测定,三、漏抗的测定和保梯电抗1、漏抗的测定若已知空载特性和零功率因数曲线，可以求出电抗三角形，并由此确定漏抗图中，曲线1为空载特性，曲线2为当负载电流保持在额定值时的零功率因数曲线。直角三角形abc为电抗三角形，所以为漏抗压降，所以漏抗为,2020/5/3,河海大学,67,第九节同步发电机的参数及测定,2.保梯电抗右图为空载特性曲线和电抗三角形所推出的零功率因数曲线,实际测得的曲线更为弯曲一点，如图中虚线3所示。我们将称为保梯三角形，由所求出的漏抗称为保梯电抗，用表示，即,2020/5/3,河海大学,68,第九节同步发电机的参数及测定,下图分别为空载和零功率负载时磁场分布示意图。在计算同步发电机的电压变化和额定励磁电流时，磁路情况更接近于零功率负载试验，因此用代替实际漏抗会获得更准确的结果。,2020/5/3,河海大学,69,第九节同步发电机的参数及测定,四、转差法测定和目的：同时测xd,xq调节原动机的转速：n接近n0，If开路，定子加低电压0.020.15UN,保持不拖入同步，转差0.01.使定子磁场的轴线交替的与转子直轴和交轴相重合。定子磁场与直轴重合时，定子表现的电抗为；定子磁场与交轴重合时，定子表现的电抗为,2020/5/3,河海大学,70,第十节同步发电机的稳态运行特性,一、外特性外特性是指当，时，发电机的端电压与电枢电流之间的关系曲线。右图为不同功率因数的负载时同步发电机的外特性。由图可见，感性负载和纯电阻负载时，外特性下降；容性负载时，外特性上升。外特性即可以用直接负载法测取，亦可用作图法求出。,2020/5/3,河海大学,71,第十节同步发电机的稳态运行特性,二、电压变化率当发电机的端电压为额定值，并输出额定负载(，)时，称为同步发电机的额定工作状态。如右图所示，端电压升高的数值用额定端电压的百分数来表示就称为同步发电机的电压变化率，或称为电压调整率，用表示，即,2020/5/3,河海大学,72,第十节同步发电机的稳态运行特性,三、调整特性同步发电机正常运行情况下，当端电压和负载的功率因数一定时，表示负载电流和励磁电流之间关系的曲线称为调整特性，即右图表示了端电压为额定，不同负载功率因数时的调节特性，调节特性的变化趋势与外特性恰好相反。,2020/5/3,河海大学,73,第十节同步发电机的稳态运行特性,四、效率特性同步发电机的效率特性是指，时，发电机的效率与输出功率的关系即发电机的效率可以通过直接负载法和损耗法分析求出。用损耗法计算公式如下,2020/5/3,河海大学,74,第十节同步发电机的稳态运行特性,五、求取电压变化率及额定励磁电流求取电压变化率有两种方法：1、电动势法设同步电抗已知，则电压变化率从有关相量图求得，这种方法称为电动势法。2、磁动势法磁动势法的特点是直接考虑电枢磁动势的作用，不把电枢电势分解成直轴分量和交轴分量。用磁动势法可以求出和实际相符的电压变化率发电机的额定励磁电流从空载到满载时励磁电流的变化范围,2020/5/3,河海大学,75,第十节同步发电机的稳态运行特性,用磁动势法求取电压变化率时常用代替，则右图表示了用电动势法求取及的情况。,2020/5/3,河海大学,76,第十节同步发电机的稳态运行特性,作图方法,2020/5/3,河海大学,77,第十二章小结,2020/5/3,河海大学,78,第十二章小结,2020/5/3,河海大学,79,第十三章同步发电机在大电网上运行,第二节隐极同步发电机的功角特性,第三节凸极式同步发电机的功角特性,第四节同步发电机的有功功率的调节,第五节无功功率的调节和V形曲线,第六节同步电动机与同步补偿机,第一节同步发电机的并联运行,2020/5/3,河海大学,80,第一节同步发电机的并联运行,对供电的要求主要是：保证足够的用电量，高的供电质量（电压和频率为额定值），以及经济、可靠。电力系统中有许多发电厂并联供电，可以合理地利用动力资源，对国民经济有很大意义。同步发电机并联运行，是同步发电机最基本地运行方式，研究和掌握它地运行性能是有主要意义的。当单台发电机满足U=const，f=const时，称为无穷大电网或无穷大汇流排。同步发电机并联运行与变压器并联运行的区别,2020/5/3,河海大学,81,第一节同步发电机的并联运行,一、并联运行的方法为了投入并联所进行的调节和操作过程称为整步过程，有准确整步法和自整步法两种方法。1、准确整步法把发电机调整到完全合乎投入并联的条件，然后投入电网，叫做准确整步法。最简单的同步指示器由三个同步指示灯组成，有直接接法和交叉接法两种接法（见图）。,2020/5/3,河海大学,82,第一节同步发电机的并联运行,直接接法的接线和相量图,2020/5/3,河海大学,83,第一节同步发电机的并联运行,交叉接法的接线和相量图,2020/5/3,河海大学,84,第一节同步发电机的并联运行,2、自整步法自整步法的原理接线图如下所示。投入的步骤：校验发电机的相序，把发电机拖动到接近同步转速；励磁绕组经限流电阻短路；把发电机投入电网，再立即加上直流励磁；自动牵入同步。优点：投入迅速，不需增添复杂的装置；缺点：投入时定子电流冲击稍大。,2020/5/3,河海大学,85,第二节隐极同步发电机的功角特性,功率流程图（均为每相值）其中为机械功率，为机械损耗为铁芯损耗，为附加损耗为电磁功率机械损耗和铁芯损耗合并考虑为空载损耗。励磁回路所消耗的电功率一般由原动机或其它电源供给，故不包括在功率流程图中，由图可得关系式：如这一同步机为电动机，则功率流程将倒转为输入功率，为输出功率。取发电机输出功率为正值，电动机输入功率为负值。在发电机情况下，；在电动机的情况下，故上式同样适用于电动机和发电机。,2020/5/3,河海大学,86,第二节隐极同步发电机的功角特性,一、功率表示式隐极式同步发电机的等效电路及其向量图如右图所示，由相量图得：再从等效电路可以求得电枢电流为：如把端电压放在参考轴上，则有,2020/5/3,河海大学,87,第二节隐极同步发电机的功角特性,同步电抗可以表示为式中整理得，将其带入式，便得端点功率与电磁功率的表示式各为如略去，则上式简化为,2020/5/3,河海大学,88,第二节隐极同步发电机的功角特性,三、转矩特性同步电机的转速为同步转速，且经常保持不变，故转矩和功率成正比。如略去电枢电阻则得电磁转矩公式为从功角特性公式可见，同步功率（或同步转矩）随着功角而变化，且有一极限最大值，最大功率与额定功率之比称为过载能力用表示，设一隐极式同步机，在额定运行时的功角为则有,2020/5/3,河海大学,89,第二节隐极同步发电机的功角特性,二、功角特性功率或随着角而变化的关系称为功角特性。不稳定稳定不稳定隐极同步电机略去电阻时的功角特性,2020/5/3,河海大学,90,第三节凸极式同步发电机的功角特性,一、功率表示式求凸极式同步电机的功率表示式时，把电枢电阻略去不计，略去电阻后的相量图如右图所示。从图可得到下列关系因为电阻被略去，故有经过化简得（功角特性表示式）,2020/5/3,河海大学,91,第三节凸极式同步发电机的功角特性,二、功角特性对凸极机来说电磁功率包含两部分，第一项称为基本电磁功率;第二项称为附加电磁功率（磁阻功率）,2020/5/3,河海大学,92,第三节凸极式同步发电机的功角特性,凸极机的最大电磁功率比具有相同、值的隐极机略大。越大附加电磁功率在总电磁功率中的比例越小。功角为同步机的重要变量,值决定同步机电磁功率大小;且当转子磁场超前合成磁场时设，发电机运行；反之，时，同步机作为电动机运行,2020/5/3,河海大学,93,第四节同步发电机的有功功率的调节,一、有功功率的调节要调节与电网并联的同步发电机的输出有功功率，只需要调节发电机的输入机械功率，这时发电机内部会自行改变位移角。,同步发电机在,稳定,不稳定,同步电动机在,稳定,不稳定,2020/5/3,河海大学,94,第四节同步发电机的有功功率的调节,二、静态稳定的概念,静态稳定的概念,同步发电机能在瞬时扰动消除后，继续保持原来的平衡运行状态，就称为这时的同步发电机是“静态稳定”的，否则就是静态不稳定。左图所示表示了静态稳定的概念。从图可以得出结论：处于功角特性曲线上升部分的工作点都是都是静态稳定的；下降部分的工作点都是静态不稳定。,2020/5/3,河海大学,95,第四节同步发电机的有功功率的调节,静态稳定的条件用数学式表示为用微分表示为,比整步功率随变化关系,为比整步功率，用符号表示。对于隐极式同步电机的比整步功率为,如左图所示，当功角发生一个变化时，如果愈大，即数值愈大，发电机的运行就愈稳定。,2020/5/3,河海大学,96,第四节同步发电机的有功功率的调节,三、动态稳定的概念,当接在电网上的同步发电机遇到突然加负载、切除负载等正常操作时，或者发生突然短路、电压突变、发电机失去励磁电流等非正常运行时，发电机能否继续保持同步运行的问题，称为动态稳定问题。如图所示，电网电压因事故明显跌落，功角特性从曲线1到2，其转子变化曲线如所示；如果电压下降很大，功角特性曲线从1到3，其转子变化曲线如所示。,2020/5/3,河海大学,97,一、无功功率的调节电网的负载包括有功功率和无功功率。同步发电机与电网并联后，要向电网供给有功功率和无功功率。以隐极式同步电机为对象，并忽略电枢电阻，（感性为正）右图为不计电枢电阻时的隐极式电机相量图，由图可见将其代入无功功率表达式得,第五节无功功率的调节和V形曲线,2020/5/3,河海大学,98,第五节无功功率的调节和V形曲线,上式即为无功功率的功角特性。当激磁不变时，与的关系为余弦函数，如右图所示若同步发电机输出的有功功率不变，则当和均不变时可得,2020/5/3,河海大学,99,第五节无功功率的调节和V形曲线,下图是时调节激磁电流的相量图由图易出结论：当发电机与无穷大电网并联时，调节励磁电流大小，就可以改变发电机输出的无功功率，不仅能改变无功功率的大小，而且能改变无功功率的特性。,2020/5/3,河海大学,100,第五节无功功率的调节和V形曲线,二、V形曲线曲线形状象字母“V”故称为V形曲线。当P增加时，曲线向上移。当调节If，使I最小，该点即V形曲线上的最低点，功率因数为1。V形曲线族最低点连线表示；右端为过激区，左边为欠激区。注：如要只改变有功功率，在调节原动机功率输入的同时要适当改变同步发电机的激磁。,2020/5/3,河海大学,101,第六节同步电动机与同步补偿机,一、同步电动机运行分析下图为隐极式电动机的相量图图（a）为过励状态，此时；图（b）为欠励状态，此时,2020/5/3,河海大学,102,第六节同步电动机与同步补偿机,下图为凸极式电动机的相量图图（a）为过励状态，此时；图（b）为欠励状态，此时,2020/5/3,河海大学,103,二、同步电动机的起动同步电动机不能自行起动，必须借助其他方法。1、异步起动法阻尼绕组与异步电机转子绕组类似，又称起动绕组把同步电动机的励磁绕组经过外电阻短接：R=10rf将同步电动机定子绕组接通电源,类似异步电机起动，接近同步速度将励磁绕组与直流励磁电源接通（牵入同步）,第六节同步电动机与同步补偿机,2020/5/3,河海大学,104,起动过程中，励磁绕组：不能开路否则感应引起高电压不能短路a.电流太大；b.相当单相绕组,与气隙磁场作用,产生单轴转矩。同步电动机异步起动时的转矩曲线及同步电动机牵入同步时转速的振荡分别如下两图所示。,第六节同步电动机与同步补偿机,加入直流励磁,2020/5/3,河海大学,105,2、其他起动方法同步电动机也可以用其他的辅助电动机拖动而起动，通常选用与同步电动机极数相同的感应电动机（容量为主机的10%15%）作为辅助电动机。在具有三相变频电源的场合，也可以采用变频起动法。三、同步补偿机我们把用以改善电网功率因数、不带任何机械负载的同步电机称为同步补偿机（同步调相机）。同步补偿机实际上就是一台在空载运行情况下的同步电动机，所以它的起动方法与同步电动机相同。主要用于向电网发感性无功。,第六节同步电动机与同步补偿机,2020/5/3,河海大学,106,第十四章同步发电机的不对称运行,第一节同步电机各序阻抗与等效电路,第二节同步发电机的单相稳定短路,第三节同步发电机的两相稳定短路,2020/5/3,河海大学,107,第一节同步电机各序阻抗与等效路,电力系统或发电机的三相对称运行，有时会因系统运行的需要或三相不对称短路而破坏。不对称运行将给同步发电机带来不利影响，因而有必要研究同步发电机不对称运行的分析方法以及所带负载的容许不对称程度。分析同步发电机不对称运行的基本方法：对称分量法不对称运行时，同步发电机空气隙磁场为一椭圆形旋转磁场对称运行时，定子电流所产生的旋转磁场不能在转子绕组中产生感应电动势，故不对称运行时，负序电流所产生的负序旋转磁场以同步转速和转子转向相反的方向旋转，负序电流所遇到的不再是同步电抗，而是负序电抗，其数值远小于。,2020/5/3,河海大学,108,一、正序阻抗在稳定状态下，同步电机的正序电抗就是同步阻抗。对隐极机：对凸极机：正序电流所遇到的阻抗为直轴同步阻抗和交轴同步阻抗。因为，所以短路时，即，而，此时，。,第一节同步电机各序阻抗与等效路,2020/5/3,河海大学,109,二、负序阻抗相当于转差率2的异步电机，所以可用s2的异步电机等效电路表示同步电机的负序阻抗。左图所示为（a）记入电阻（b）略去电阻时的同步发电机负序电抗网络。由（b）图得当负序旋转磁场比转子漏磁通大得多时，即，则当同步电机有很强的阻尼系统时，,第一节同步电机各序阻抗与等效路,同步发电机负序电抗网络汽轮机一般平均为0.155,2020/5/3,河海大学,110,第一节同步电机各序阻抗与等效路,三、零序阻抗零序电流流过三相对称的电枢绕组，在气隙中不产生基波旋转磁场。零序电流只产生漏磁通。下图所示为测定零序电抗的接线图。零序阻抗可以根据电压表、电流表及功率表的读书求出。零序电抗的数值范围：汽轮机的平均值为0.056，水轮机的平均值为0.085。由上可见，同步发电机的各序电抗是不相同，,2020/5/3,河海大学,111,第一节同步电机各序阻抗与等效路,四、各序的等效电路同步发电机对称运行时的电动势方程式为以A相为例进行分析。同步发电机的转向是由原动机所固定的，转子磁场只能在电枢绕组中感应正序电动势，即其中：EAA相空载电势，EA0A相零序电势于是同步发电机各序的基本方程为,2020/5/3,河海大学,112,第一节同步电机各序阻抗与等效路,如不记各序阻抗中的电阻，上式可以改写成即为相序方程式。下图为同步发电机的各序等效电路,正序,负序,零序,2020/5/3,河海大学,113,用三个相序方程式和三个端点方程式共6个独立方程式，可以求出、6个未知量，最后根据对称分量的基本关系式，求出各相的电流和电压，即和,第一节同步电机各序阻抗与等效路,2020/5/3,河海大学,114,第二节同步发电机的单相稳定短路,电力系统中的短路故障分为两个阶段：突然短路；稳态短路。下面先讨论各种不对称运行的稳定短路。,单相接地短路,同步发电机单相接地短路如左图所示，端点方程式为,用对称分量表示并简化后得,2020/5/3,河海大学,115,14-8三式相加得：所以把各序电流的表达式代入相序方程式有最后可以得出B、C相的电压表示式,第二节同步发电机的单相稳定短路,2020/5/3,河海大学,116,第三节同步发电机的两相稳定短路,同步发电机的两相短路如下图所示，令B相和C相直接短接，在分解为对称分量时，以A相的数量为准，并以表示两相短路电流。,两相短路,由图得端点方程式,分解为对称分量并化简得,因为没有中线，故短路电流中没有零序分量,2020/5/3,河海大学,117,代入各序方程式，求解得B相电流的对称分量为故的两相短路电流为,第三节同步发电机的两相稳定短路,2020/5/3,河海大学,118,整理后可得两相短路时电压的情况短路相的电压为此外，可以根据两相短路试验测定同步电机的负序电抗,第三节同步发电机的两相稳定短路,2020/5/3,河海大学,119,第十五章同步发电机突然短路与振荡,第一节同步发电机突然短路的物理过程,第二节同步电机的瞬态电抗和超瞬态电抗,第三节三相突然短路电流,第四节同步电机振荡的物理概念,2020/5/3,河海大学,120,第一节同步发电机突然短路的物理过程,同步发电机突然短路时,各绕组中会出现很大的冲击电流,其峰值可达额定电流的十倍以上.突然短路的瞬态过程很短,却可能带来严重的后果。如左图所示，合上开关使绕组1突然短路，绕组中的电压方程为如把电阻忽略，则上式变成它的一般解为：，设，则,d轴,2020/5/3,河海大学,121,第一节同步发电机突然短路的物理过程,所以没有电阻的闭合绕组的磁链不会变化，永远等于突然短路瞬间。结论：在没有电阻的闭合回路中，磁链将保持不变，这一简单关系称为磁链不变原则。下面用磁链不变原则分析无阻尼绕组同步发电机空载运行时，在发电机出线端点处发生三相突然短路后电机各绕组中的磁链变化情况。分析时假设：励磁电流不变；转子转速保持不变；不计饱和影响。,2020/5/3,河海大学,122,第一节同步发电机突然短路的物理过程,同步发电机空载时，转子旋转磁场将在各定子绕组中形成磁链，和，如左图（a）所示，因为此时定子绕组开路，所以定子绕组中没有电流，不产生定子磁场。左图(b)为A相磁链的变化情况。,2020/5/3,河海大学,123,第二节同步电机的瞬态电抗和超瞬态电抗,一、直轴瞬态电抗下图为没有阻尼绕组的同步电机突然短路时（a）稳定短路（b）突然短路初瞬，电枢磁通所经过的路径。（a）(b),2020/5/3,河海大学,124,第二节同步电机的瞬态电抗和超瞬态电抗,稳定短路时，定子电流所遇到的磁阻较小，定子电流所遇到的电抗为数值较大的同步电抗。突然短路时，在短路初瞬，由于磁链不变原则，如图（b）所的，被挤到转子外侧的漏磁路中去。变大，则此时电枢电流的电抗变小，使突然短路初始瞬间有较大的短路电流。这个限制电枢电流的电抗称为直轴瞬态电抗，用表示，可见。由于转子绕组有电阻，使突然短路时较大的冲击电流逐渐减小，最后短路电流为所限制。此时，电机已从突然短路状态过渡到稳定短路状态。,2020/5/3,河海大学,125,第二节同步电机的瞬态电抗和超瞬态电抗,二、直轴超瞬态电抗当转子上装有阻尼绕组时，电枢磁通路径如右图所示。此时，磁路的磁阻更大了，与之相应的电抗将有更小的数值，称为直轴超瞬态电抗。短路初瞬，定子绕组中的短路电流将为所限制，在最初几个周波后，定子电流为所限制，最后到