电机学PPT课件-同步电机并联运行

凸极同步电机的电势方程式和矢量图,第十六章同步发电机的并联运行,掌握同步发电机在大容量电网上运行的工作特性；掌握同步发电机投入电网并联运行的方法;重点掌握功角特性和V形特性。,1、提高供电的可靠性2、提高供电的经济性3、提高电能的质量（主要是U和f）,无限容量系统,同步电机并接在大容量电网上运行时的特点是：恒频，恒压，,1）S2）ZS03）U=C4）f=C,第十六章同步发电机的并联运行,16-1同步电机在大容量电网上运行的工作特性,（1）发电机运行,（2）电动机运行,（3）调相机运行调相机亦称同步补偿器。电机仅向电网输出或吸收无功功率。,同步电机在大电网上时,恒速运行状态，其有功功率的大小,完全由机械动力(或负载)P1决定.无功功率的大小,由E0（If)调节.,第十六章同步发电机的并联运行,一同步电机的电磁功率和电磁转矩,输入功率P1机械功率,输出功率P2电功率,电枢电阻比同步电抗小得多,通常,一同步电机的电磁功率和电磁转矩,基本电磁功率,附加电磁功率,基准容量:,一同步电机的电磁功率和电磁转矩,对于隐极同步电机,时，电机有最大电磁功率为,一同步电机的电磁功率和电磁转矩,附加电磁转矩，亦即磁阻转矩,与励磁电流无关,根据这一原理设计制造的不加励磁,单靠磁阻转矩而运行的电动机称为反应式电动机，亦称磁阻电动机。,对于隐极同步电机,一同步电机的电磁功率和电磁转矩,同步发电机,同步电动机,定子,转子,Pem,1800,0,900,-1800,-900,电动状态,发电状态,二功角特性,定义,为比整步功率。,愈大，电机稳定运行能力愈强。,为同步电机的静态稳定运行极限的功率角,二功角特性,为静态过载倍数或过载能力,所以，同步电机一般设计为,增大励磁电流（即增大,可提高同步电机的极限功率。从而提高过载能力和静态稳定性。,）和减小同步电抗（即增大短路比）,二功角特性,凸极发电机无功功率的功角特性,隐极发电机无功功率的功角特性,三、V形特性曲线,在保持输入的有功功率,为常数时,三、V形特性曲线,励磁电流改变时的有功功率和无功功率功角特性,增大励磁电流,不变,三、V形特性曲线,1,同步发电机不同运行方式时的相量图,V形曲线:并联于无穷大电网的同步发电机，保持有功功率不变时，表示电枢电流I和励磁电流If的关系曲线I=f（If）,V形曲线的几个特点,1、每条曲线的最低点：cos=1，连线向右倾斜2、不稳定区域边缘：=900，连线向右倾斜3、励磁电流增大时，电枢电流变化规律为先减小后增大,1、正常励磁：=0cos=1发有功Q=0,2、过励磁：0cos滞后发有功Q感性,3、欠励磁：0cos超前发有功Q容性,三种励磁方式的比较,一、发电厂投入并联时的理想条件1、发电机电压的有效值U与电网电压的有效值U1相等，且相位相同2、发电机的频率f与电网的频率f1相等3、发电机的相序与电网的相序一致,第二节同步发电机投入电网并联运行的条件和方法,二、同步发电机投入电网并联运行的方法1,准确同步法（1）按电机与电网相序一致联接各相（2）调同步发电机励磁电流，使电机端电压与电网电压相等（3）调同步发电机的转速，使之接近同步速灯光黑暗法（直接接法）和灯光旋转法（交叉接法）两种2、自同步法,准确同步法,当相灯a、b、c全暗,选择并网（合闸）瞬间应取接在同一相的相灯（如图中a灯）熄灭时刻,第二节同步发电机投入电网并联运行的条件和方法,2、自同步法用准确同步法投入并联的优点是合闸时没有冲击电流，缺点是操作复杂且较费时间。尤其当电网出现故障而要求把备用发电机迅速投入并联运行时，由于电网电压与频率不稳定，用准确同步法更难投入.这时往往采用自同步法，其步骤如下：先将发电机励磁绕组用限流电阻来短接，将发电机作为同步电动机起动，当发电机转速升至接近同步转速时（电机和电网的频率差在以下），,先合上并联并关，再立即加上直流励磁，即可由定、转子间的电磁力自动牵入同步。此法优点是操作简单、迅速，不需增添复杂设备，能在紧急情况下将发电机迅速并入电网；缺点是合闸及投入励磁时有电流冲击。,合闸瞬间必须注意的是：励磁绕组必须通过一限流电阻短接起来。因为励磁绕组如果开路，将在其中感应出危险的高电压；励磁绕组如果直接短路，将在定、转子绕组中产生很大的冲击电流,第二节同步发电机投入电网并联运行的条件和方法,第18章三相同步电动机,同步电动机：转速不随负载的变化而改变,1）转子轴线超前定子轴线，产生的电磁转矩为制动性质显然是发电机。2）转子轴线和定子轴线相重合，此时的功角为零，电磁转矩为0，所以这是一种从发电机向电动机过度的临界状态。3）转子轴线滞后与定子轴线一个功角，此时产生的电磁转矩为驱动性质，所以我们可以断定电机为电动机。,18.2同步电动机的基本方程式,同步电动机的电势平衡方程式及相量图，可以通过同步发电机的电势平衡方程式及相量图转化求得。(Ia定义与发电机一致)基本方程式：与发电机一致,0,图中，,一,变频起动为了避免出现迅速交变的脉振转矩，在有主极励磁情况下开始起动时，把加在定子上的电源电压和频率调得很低，使三相合成旋转磁场的转速也很低，随着转子转速逐渐上升，逐渐升高在定子上的电源电压的频率，直至额定值，同步电动机便牵入同步速。二,辅助电动机起动通常选用和同步电动机极数相同的异步电动机（容量为主机的5%15%）作辅助电动机将同步电动机拖转至接近同步速，然后采用自整步法将同步电动机接入电网，再切断辅助电动机电源。该方法只适用于空载起动，其所需设备多、操作复杂。,第二节同步电动机起动,第二节同步电动机起动,三,异步起动大多数同步电动机在转子上都装有类似异步电动机笼型绕组的起动绕组（即阻尼绕组）。在定子接通电源后，便能产生异步转矩，电机起动。当转速接近同步转速时，再加入励磁，即可牵入同步。异步起动的过程是：（1）用电阻短路转子的励磁绕组。如果起动时励磁绕组开路，由于励磁绕组的匝数很多，定子旋转磁场将在励磁绕组内感应很高的电压，可能损坏转子励磁回路的绝缘。如果起动时励磁回路直接短路，则在将在定、转子绕组中产生很大的冲击电流。因此，通常用一个阻值为励磁绕组本身阻值10倍左右的电阻来短路转子上的励磁绕组。（2）定子绕组接通电源，产生三相合成旋转磁场。阻尼绕组内感应产生电流，载流的阻尼绕组与旋转磁场作用下受力旋转，直至其转速,（3）将励磁绕组与直流励磁电源接通，转子磁场与定子磁场间的磁拉力将转子牵入同步速。,同步发电机的空载、短路及负载（其中的零功率因数）特性都是同步发电机的基本特性，通过它们可以求出同步电机的同步电抗及漏电抗，以确定同步发电机的其他特性。,第十七章同步发电机对称运行时的特性,一、空载特性（开路特性）：当同步发电机运行于时，即称为空载运行。通过改变励磁电流，则气隙中的旋转磁通及电枢绕组中的感应电动势都会随之发生变化。,第十七章同步发电机对称运行时的特性,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。,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。如同前面所分析的情况一样，额定电压应位于开路特性开始弯曲的部分，例如图中的A点，这样才比较经济合理。（2）同步电抗是同步电机中一个极为重要的参数，同步电机的许多性能由它所决定。开路特性配合短路特性可以求出同步电抗。,。,同步发电机的空载特性曲线可用计算方法得到，也可用实验方法测得。由于存在磁滞现象，实验时励磁电流在所测的最大点和最小点之间必须向一个方向从依次递减或从小到大依次递增，不能半途插补漏测点。测得数据所绘制的是一条磁滞回线。通常用得较多的是以通过原点的校正曲线来作电机的空载特性,如图线“1”所示，图中虚线为其气隙线（不饱和）。用标幺值表示为,空载电压为额定值时的励磁电流,为一条过点（1，1）的曲线。当磁路线性时，,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，曲线。如果略去电枢电阻，并将代入上式可以得到：,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，磁通正比于f所以同步电抗为一个常数。,正比于，而又正比于，（不饱和）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，所以式上式中的也是一个常数。,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。,3.由开路及短路特性求取同步电抗：,由于磁路不饱和，所以,为不饱和同步电抗,经验公式,所谓零功率因数特性指：在，=恒定值、=0的条件下，电压和励磁电流的变化关系,17.4.零功率因数特性,由于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，因此，电势和电流之间夹角=90，所以电枢反应是纯粹的直轴去磁效应。此时的相量图如图所示。,17.4.零功率因数特性,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。当励磁电流增加时，磁路能逐渐饱和，电压上升逐渐缓慢，使曲线弯曲，实际上，零功率因数特性曲线的形状与开路特性曲线颇为类似。,当U=0时的情况:在开路特性上，U=0时，；而在零功率因数曲线上，U=0时，。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？,这是因为：（1）零功率因数特性是在I为定值条件下得到的，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，从图右以看出，此时的电枢反应是一个纯粹的去磁作用，所以还需要一定的励磁电流来抵消此电枢反应去磁作用的影响。,电枢反应去磁磁势所需的励磁电流,17.4.零功率因数特性,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B点在开路特性上移动时，A点的轨迹就是零功率因数特性。当然也可以用作图的方法求特性。,=,17.4.零功率因数特性,17.5同步发电机的短路比及电压调整率,为不饱和（即运行在气隙线上）时产生空载额定电压所需的励磁电流，,对应空载电压等于额定电压值时的励磁电流；,对应稳态短路电流等于额定电流值时的励磁电流。,Ifk,Ifo,Ifo,IN,IK0,17.5同步发电机的短路比及电压调整率,空载额定电压时主磁路的饱和系数:,Ifk,Ifo,Ifo,IN,短路比是表征电机性能的一个参数，通常,对于汽轮发电机，,对于水轮发电机,短路比大，意味着小，,电机的过载能力就大。,Eo,17.5同步发电机的外特性和电压调整率,外特性：在的条件下，同步发电机作单机运行，端电压U随负载电流而变化的关系特性曲线。显然，外特性曲线和负载的性质密切相关。如图所示：,1）当是感性负载时：曲线（1），此时随着负载电流的减少，端电压诼步上升。这是因为考虑了电枢反应的去磁作用的影响，随着电枢电流的减少，电枢反应的去磁作用减弱，电机中的合成磁通增加，所以端电压诼渐增加。2）当是容性负载时：曲线（3），此时电流超前电压，此时的电枢反应是增磁作用，随着电枢电流的减小，电枢反应的增磁作用减弱，合成的磁通在减小，所以端电压下降。3）纯电阻负载：曲线（2）。,定义：发电机的端电压随负载的改变而变化，变化的程度我们可以通过电压调整率来衡量。即：空载与额定负载之间的电压调整率。当然，负载是任意负载，不仅仅指额定负载。影响电压调整率的因素有：功率因数和同步电抗。一般发电机的电压调整率较大，常在20%-40%之间。,17.5.2电压调整率：,一、超导体回路磁链不变的概念：超导体回路：指电阻为零的一个闭合线圈。,第十九章同步电机的突然短路,基本要求：了解变压器突然短路的的物理过程、瞬变电抗,和超瞬变电抗,第一节突然短路物理过程分析的的基础,如果将一个永久磁铁移近该线圈，由于改变了该闭合线圈的磁链，在线圈中将感应出电势，外磁场对超导回路的磁链。在此电势作用下，在线圈中产生电流i，由电流产生磁链，并产生自感电势。于是即,=常数,不论在什么情况下，交链超导体回路的磁链不变。,一、时三相突然短路A相绕组用一个等效线圈AX来代表；转子上的励磁绕组F及阻尼绕组Z，各用短路线圈来代表，并假定这些绕组都是超导回路。此时，当满足a图，发生短路时,第二节对称突然短路的物理过程,因为主磁场随着转子是以同步转速旋转，当磁场沿着正向转过900,此时，A相绕组所交链的主磁通为最大值。因为闭合的A相绕组有保持磁链不变的特性（即=0），所以在A相绕组中将感应出电流，由电流产生的电枢反应磁通（经过空气隙进入转子）及定子漏磁通之和应与大小相等方向相反，即有,超瞬变状态,要通过转子回路，去交链转子上的励磁绕组和阻尼绕组。但是转子上的闭合绕组都要保持它们所交链的磁链不变，因此在励磁绕组及阻尼绕组中将感应电流。此感应电流企图阻止电枢反应磁通进入转子，所以只能沿着励磁绕组及阻尼绕组的漏磁路而形成闭合回路，如图b所示。,超瞬变状态,这条磁路的主要组成部分是空气，磁阻很大，定子绕组要产生一定的电枢反应磁通，就需要有很大的定子电流，所以瞬态短路电流要比稳态短路电流大得多.。随着转子旋转，主磁场对定子绕组作正弦变化，所以定子绕组中产生正弦变化的交流电流。,超瞬变状态,实际上各个绕组都存在着电阻。因此，磁链不变原则仅在初瞬才成立,此后，随着在电阻上能量的损耗，各绕组的磁链及维持该磁链所需的电流亦将逐渐衰减，最后才过渡到稳定的短路状态。,其中，阻尼绕组电感最