第六章同步电机.ppt

电机学第六章同步电机,1,同步电机也是一种常用的交流电机。与感应电机相比较，特点是，稳态运行时，转子的转速n与极对数p和频率f之间具有固定不变的关系：同步转速从原理上看，同步电机既可用作为发电机，也可用作为电动机或补偿机。现代发电站中的交流发电机几乎全部都是同步发电机，在工矿企业和电力系统中，同步电动机和补偿机也有使用。,第六章同步电机,电机学第六章同步电机,2,主要内容,以发电机为主进行分析同步电机的基本结构、运行原理空载运行；负载时的电枢反应；同步发电机的基本方程；同步电机内的能量转换同步发电机并联运行,电机学第六章同步电机,3,同步发电机的工作原理：,同步电机的构造图，在定子铁芯上开槽槽内放置导线，转子上装有磁极及励磁绕组。当励磁绕组通以直流电流时，电机内就会产生磁场，如果转动转子使磁场与定子导线之间有相对运动，就会在定子导线中感应出交流电势。加把这些导线按一定规律联成三相的电枢绕组，即可以从该绕组中引出三相交流电势。,电机学第六章同步电机,4,这个交流电势的频率f决定于电机的极对数p和转子每分钟的转数n(r/min)。由于每一转对应p对磁极，转子每秒钟转数为n60，因此每秒钟有pn/60个对磁极切割定子导线，使它的感应电势交变pn/60个周期，换句话说，该电势的频率为：,当电机的极对数和转速一定时、它发出交流电势的频率也是一定的。我国电力系统规定，交流电的频率为50Hz，例：电机为一对极，它的转速必定是3000r/min。,电机学第六章同步电机,5,f与n之间这种固定关系，是同步电机的一个特征。若定子三相电枢绕组与三相负载相连，则三相定子绕组中流通三相电流，产生三相合成旋转电枢磁势，基波转速n1即，电枢磁势与转子同转速、同转向同步。即，电枢磁势与转子磁势二者同步、相对静止。,电机学第六章同步电机,6,同步电机做电动机：,三相定子绕组与电源接通，产生三相合成基波磁势，转速为同步速：同时转子直流励磁产生恒定主极磁场；两个磁场间有相互电磁力作用，使得电枢磁场拖着主极磁场同步转动，转子转速n=n1。,电机学第六章同步电机,7,一、同步电机分类：,旋转电枢式：电枢旋转，主极固定，因电枢功率不易由滑动部分送出，只适于较小容量发电机，实用少。,同步电机,6.1概述6.1.1同步电机的结构型式,旋转磁极式：磁极旋转，电枢固定，电枢功率由静止部分送出，可传送较大功率，实用广，是同步发电机的基本结构型式。,电机学第六章同步电机,8,旋转磁极式,隐极式转子：不计齿槽时气隙均匀；机械强度高，适用于高转速；一般用于汽轮发电机；外形细长。凸极式转子：气隙不均匀，极弧下较小，极间较大；机械强度比隐极机低，适用于低转速；一般用于水轮发电机，外形扁盘形。,电机学第六章同步电机,9,二、隐极同步电机（只有卧式支撑）,1、隐极式转子结构：隐极式转子上没有凸出的磁极。沿着转子本体圆周表面上，开有许多槽，槽中嵌放励磁绕组。在转子表面约1/3部分没有开槽，构成所谓大齿，是磁极的中心区。励磁绕组通入励磁电流后，沿转子圆周也会出现N极和S极。,电机学第六章同步电机,10,2、隐极式转子特点在大容量高转速汽轮发电机中，转子圆周线速度极高，最大可达170米/秒。为了减小转子本体及转子上的各部件所承受的巨大离心力，大型汽轮发电机都做成细长的隐极式圆柱体转子。考虑到转子冷却和强度方面的要求，隐极式转子的结构和加工工艺较为复杂。转子长度/直径=2.56.5，且容量愈大比值愈大。,电机学第六章同步电机,11,3、汽轮发电机主要结构部件有：定子、转子、端盖和轴承。(1)定子定子大体上与异步电机相同，定子铁心由0.35mm,0.5mm或其它厚度的硅钢片叠成。,定子外径较小时，采用圆形冲片，当定子外径大于1m时，采用扇形冲片。定子铁心固定在机座上，机座常由钢板焊接而成，它必须有足够的强度和刚度，同时还必须满足通风和散热的需要。汽轮发电机的电压较高，要求定子绕组有足够的绝缘强度，一般采用B级或F级绝缘。,电机学第六章同步电机,12,(2)转子采用隐极式转子，外形常做成一个细长的圆柱体。转子铁心：铬镍钼合金钢锻制而成，与转轴锻为一个整体。励磁绕组：励磁绕组为同心式绕组，以特制扁铜线绕制，并用不导磁的槽楔将绕组紧固在槽内。护环、中心环和滑环：护环为一金属圆筒，共两只，用于保护励磁绕组的两个端部，采用高强度非导磁合金钢制成。中心环用于支撑护环，阻止励磁绕组的轴向移动。滑环实现励磁绕组与励磁电源的连接，一方经引线接励磁绕组，另一方经电刷接励磁电源。,(3)端盖和轴承,电机学第六章同步电机,13,图6-3典型汽轮发电机转子结构散件示意图,电机学第六章同步电机,14,定子,汽轮发电机组,电机学第六章同步电机,15,三、凸极同步电机1、支撑：卧式、立式支撑。大多数同步电动机、调相机和内燃机或冲击式水轮机拖动的发电机采用卧式结构。低速、大型水轮发电机采用立式结构。2、水轮发电机的特点：极数多，直径大，轴向长度短。,立式,卧式,电机学第六章同步电机,16,4、转子水轮发电机由于水轮机的转速较低，要发出工频电能，发电机的极数就比较多，做成凸极式转子结构工艺上较为简单。凸极式转子上有明显凸出的成对磁极和励磁线圈。转子铁心：由厚度为13mm的钢片叠成；磁极两端有磁极压板，用来压紧磁极冲片和固定磁极绕组。有些发电机磁极的极靴上开有一些槽，槽内放上铜条，并用端环将所有铜条连在一起构成阻尼绕组，其作用是用来抑制短路电流和减弱电机振荡，在电动机中作为起动绕组用。,3、定子水轮发电机的直径很大，定子铁心由扇形硅钢片拼装叠成。为了散热的需要，定子铁心中留有径向通风沟。,电机学第六章同步电机,17,励磁方式分类获得励磁电流的方法称为励磁方式。目前采用的励磁方式分为两大类：用直流发电机作为励磁电源的直流励磁机励磁系统；用硅整流装置将交流转化成直流后供给励磁的整流器励磁系统。,6.1.2同步电机的励磁方式,电机学第六章同步电机,18,大容量的电机发热问题严重，为了使温升不超过允许限度，就要采用有效的冷却方法。对冷却方法的要求是能够输送足够的冷却介质到各个发热的部位去，使电机各部分温度比较均匀，而且不超过允许温升，同时所用的冷却系统应尽可能结构简单，并且耗能小。汽轮发电机的冷却最困难。水轮发电机由于直径大，体积大，而轴向长度短，冷却问题比较容易解决。冷却方式主要有以下几种：空气冷却、氢外冷却、水冷却、超导发电机。,6.1.3同步电机的冷却方式,电机学第六章同步电机,19,6.1.4同步电机的额定值,一、额定值额定电压UN(V,kV)：指额定运行时定子输出端的线电压。额定电流IN(A)：指额定运行时定子的线电流。额定功率因数cosN：额定运行时电机的功率因数。额定效率N：电机额定运行时的效率。,电机学第六章同步电机,20,额定容量SN：发电机指出线端额定视在功率，单位为VA，KVA，MVA；调相机为线端额定无功功率，单位为Var,kVar,MVar。SN=3UNIN额定功率PN(W,kW,MW）：发电机指额定输出有功电功率：PN=SNcosN=3UNINcosN电动机指轴上输出的额定机械功率：PN=SNcosNN=3UNINcosNN,电机学第六章同步电机,21,额定频率：额定运行时电机电枢输出端电能的频率，我国标准工业频率规定为50Hz。额定转速：额定运行时电机的转速，即同步转速。除上述额定值外，同步电机名牌上还常列出一些其它的运行数据，例如额定负载时的温升、励磁容量和励磁电压等。,电机学第六章同步电机,22,二、国产同步电机型号汽轮发电机有QFQ、QFN、QFS等系列，前两个字母表示汽轮发电机；第三个字母表示冷却方式，Q表示氢外冷，N表示氢内冷，S表示双水内冷。大型水轮发电机为TS系列，T表示同步，S表示水轮。同步电动机系列有TD、TDL等，TD表示同步电动机，后面的字母指出其主要用途。如TDG表示高速同步电动机；TDL表示立式同步电动机。同步补偿机为TT系列。举例：QFS-300-2：容量300MW双水内冷2极汽轮发电机。TSS1264/160-48：双水内冷水轮发电机，定子外径为1264厘米，铁心长为160厘米，极数为48。,电机学第六章同步电机,23,6.2同步电机的运行原理,1、定子上：三相绕组，空间互差1200电角度，匝数相等2、转子上：If,由转子N极出来气隙定子铁心气隙转子S极原动机n逆时针恒速旋转定子上导体切割磁力线产生E,一、同步发电机工作原理,电机学第六章同步电机,24,二、感应电势e设沿极面正弦分布，则导体电势ec=Bxlv=Bmlvsinwt=EcmsinwtBm正弦波磁通密度最大值则：eA=EcmsinwteB=Ecmsin（wt-1200）eC=Ecmsin（wt+1200）,电机学第六章同步电机,25,6.2.1同步发电机的空载运行,空载运行原动机带动发电机在同步转速下运行,励磁（转子）绕组通过励磁电流，电枢（定子）绕组不带任何负载（开路）时的运行情况。空载运行是同步发电机最简单的运行方式，其气隙磁场由转子磁势Ff（励磁磁势）单独建立，称励磁磁场。,图空载时发电机内部电磁关系,电机学第六章同步电机,26,一、空载气隙磁场,（一）磁场波形对于凸极发电机来说，定转子间的气隙沿整个电枢圆周分布不均匀，极面下气隙较小，而极间气隙较大，极面下的磁阻较小，而极间磁阻很大。,在一个极的范围内气隙径向磁通密度的分布近似于平顶的帽形。极靴以外的气隙磁通密度减少很快，相邻两极中线上的磁通密度为零。,电机学第六章同步电机,27,隐极电机的励磁绕组嵌埋于转子槽内，沿转子圆周气隙可视为是均匀的。励磁磁势在空间的分布为一个阶梯形，受齿槽的影响，气隙磁密呈现出波动变化。用谐波分析法可求出其基波分量。合理地选择大齿的宽度可以使气隙磁密的分布接近正弦波。,以后分析，如无特殊说明，仅考虑磁通密度基波分量。,感应电势的波形和大小与气隙磁密的分布形状及幅值大小紧密相关，在设计和制造电机时，应采取适当的措施，以获得尽可能接近正弦分布的气隙磁密，从而得到品质较高的感应电势。以后的分析中，我们仅考虑感应电势的基波分量。,电机学第六章同步电机,28,（二）主漏磁通,1、主磁通0：既与转子交链，又经气隙与定子交链的磁通。为一以同步转速旋转的旋转磁场，磁密波形沿气隙圆周近似作正弦分布，其基波分量的每极磁通用0表示，0参与电机的机电能量转换。2、漏磁通f：除0外的所有谐波成分，及励磁磁场中仅与转子励磁绕组交链而不与定子交链的磁通。f不参与电机的机电能量转换。,电机学第六章同步电机,29,二、空载特性E0f(If)转子同步速为n1，主磁场转速n1三相基波电势有效值为E0=4.44fNkN10空载时，定子绕组的端电压与感应电势相等式中，N定子每相绕组匝数；kN1绕组系数；0每极下基波磁通的平均值可变If空载运行时,励磁电动势随励磁电流变化的关系称为同步发电机的空载特性E0f(If)。E0=f(If)E00、FfIf0=f(If)、E0=f(Ff)、0=f(Ff)：改变If，可改变E0，得空载特性曲线。,电机学第六章同步电机,30,图6-15空载特性曲线,铁磁材料的导磁率则是非线性的，随Ff(If)大小而变化。Ff较小：很大，且变化不大，0和Ff呈线性关系；Ff较大：变小，随Ff继续加大而变得更小（饱和、非线性）。空载特性类似电机磁路磁化曲线。,0和Ff有关，还和磁路的饱和情况有关。同步发电机的磁路由气隙和铁磁材料(磁极、转子磁轭、定子铁心、齿等)两大部分组成。空气的导磁率很小，是常数，磁通与Ff或If呈线性关系。,电机学第六章同步电机,31,为合理利用材料，空载额定电压一般设计在空载特性的弯曲处，如图中的c点。任何一台电机的空载特性实际上也反映了它的磁化曲线。从磁路计算可知一台电机的磁化曲线实际上只决定于电机各段铁心和气隙的尺寸以及铁心的材料，当电机制成后，其磁化曲线即确定不变。,气隙线,励磁电流较小时，由于磁通较小，电机磁路没有饱和，空载特性呈直线，将其延长后的直线称气隙线。,电机学第六章同步电机,32,空载特性可以通过计算或试验得到。试验测定的方法与直流发电机类似。同步电机的空载特性也常用标么值表示，空载电势以额定电压为基值，此时的励磁电流(称为额定励磁电流)为励磁电流的基值。用标么值表示的空载特性具有典型性，不论电机容量的大小，电压的高低，其空载特性彼此非常接近。,电机学第六章同步电机,33,4、空载特性曲线的饱和系数：,E0UN处空载磁动势Ff0ac；气隙部分消耗的磁动势F=ab；其差是由铁心饱和引起的磁压降。电机磁路饱和系数k：,通常同步电机的k：约在1.11.25,E0：磁路不饱和时的空载电动势,即，磁路饱和后，由励磁磁势所建立的磁通和感应电动势都降低到未饱和时的1/k。,电机学第六章同步电机,34,5、空载特性在同步发电机理论中有着重要作用根据设计好的电机的空载特性，可判断该电机的磁路是否过于饱和或者材料是否充分利用。空载特性结合短路特性(在后面介绍)可以求取同步电机的参数。发电厂通过测取空载特性来判断三相绕组的对称性以及励磁系统的故障。,电机学第六章同步电机,35,三、空载运行时空矢量图,.,时间相量和空间矢量Ff1、Bf1：空间上正弦分布曲线，旋转角速度1，空间上同相位；Bf10E0：0、E0时间上变化周期1。时间相量0、E0和空间矢量Ff1、Bf1变化频率一致，在同一坐标下，取定子绕组的时间参考轴即时轴与相轴重合形成时空矢量图。,电机学第六章同步电机,36,2、凸极机：d轴：直轴，主磁极轴线（转子磁极轴线）q轴：交轴，N、S之间的中心线，滞后d轴903、时空矢量图Ff中的基波分量Ff1(空间矢量）与由它产生的Bf1(空间矢量）及0(时间矢量）同相位，波幅为d轴正方向；E0(时间矢量）滞后0900。,A,X,电机学第六章同步电机,37,6.2.2同步电机的电枢反应一、负载后磁势分析,空载时，同步电机中只有一个n1旋转的励磁磁势Ff，它在电枢绕组中感应出三相对称交流电势(励磁电动势E0)。电枢绕组接三相对称负载后，电枢绕组和负载一起构成闭合通路，通路中流过的是三相对称的交流电流，三相对称电流流过三相对称绕组时将会产生一个以n1旋转的旋转磁势Fa，与主极旋转磁场Ff“同步”。,电枢磁势,电机学第六章同步电机,38,结论：,随轴同转的转子磁势Ff(称为机械旋转磁势)；电枢旋转磁势Fa(称为电气旋转磁势)。转速均为同步速n1，而且转向一致，二者在空间处于相对静止状态，可以用矢量加法将其合成为一个合成磁势F。因此，气隙中的磁场由主极磁场与电枢磁场二者合成。气隙磁场可以看成是由合成磁势F在电机的气隙中建立起来的磁场。也是以同步转速n1旋转的旋转磁场。,F,电机学第六章同步电机,39,励磁磁势和电枢磁势的区别,电机学第六章同步电机,40,电枢反应定义：空载时Ff1FaF改变E、U改变。实践证明，当对称三相负载性质不同时(如感性、容性或电阻性)，发电机端压变化规律也不同。原因：电枢磁场对主极磁场的影响不同。同步发电机对称负载时，电枢磁势Fa对励磁磁势Ff影响，使得气隙磁场的大小和位置发生变化，这一现象称为电枢反应。,二、电枢反应,电机学第六章同步电机,41,电枢反应会对电机性能产生重大影响,电枢反应的性质（去磁、助磁或交磁）决定于空间相量Fa和Ff1之间的相对位置，这一相对位置仅与时间相量0和之间的相位差相关连。即取决于以E0作为电动势供电的相回路内总电抗与总电阻的比值，故称为内功率因数角。其大小由负载的性质决定。不同于功率因数角(电机端压U和电枢电流I的夹角)。,电机学第六章同步电机,42,三个角,四个轴,电机学第六章同步电机,43,3.正方向规定,相绕组轴线正方向：假定相绕组首端(A，B，C)电流方向为“.”，尾端(X，Y，Z)电流方向为“”，按右手螺旋，得A、B、C三个相轴线，空间互差120空间电角，组成空间固定坐标系统。转子d轴和q轴正方向：规定转子N极磁力线穿出的方向，d轴；逆转子转向转过90空间电角，q轴。由于转子旋转，d轴和q轴随转子转动组成空间旋转坐标系统。,电机学第六章同步电机,44,4、时-空矢量图,Ff1及0在d轴上，E0在q轴上,Fa与I重合。将Fa分解：,幅值：Fad=Fasin直轴分量Faq=Facos交轴分量,电机学第六章同步电机,45,5、电枢反应的性质(1)=0E0、I同相,Ff1超前Fa90，二者正交，Ff1作用在直轴上；而Fa作用在交轴上，这种作用在交轴上的电枢反应称为交轴电枢反应，简称交磁作用。,Fa,电机学第六章同步电机,46,电枢反应的影响：,合成磁势F的轴线位置从空载时直轴处逆转子转向后移一个锐角，改变磁场分布。形成Ff1“拖着”F同步转动，主极转子受到电磁制动性质的转矩。幅值较空载时略有增大。I和E0同相，发电机有有功功率输送到电网，同步电机处于发电运行状态。,电机学第六章同步电机,47,(2)=90E0超前I90Fa滞后Ff1180二者反相，Ff1和Fa一同作用在直轴上，方向相反，电枢反应为纯去磁作用，合成磁势的幅值减小，这一电枢反应称为直轴去磁电枢反应。,Fa,电机学第六章同步电机,48,电枢反应的影响：,Ff1和Fa在d轴上，Fa对Ff1起去磁作用，合成磁势F的幅值减小。F与Ff1都在d轴上，两者之间没有切向作用力，没有电磁转矩，不进行机电能量转换。,电机学第六章同步电机,49,(3)=180E0超前I180，反相,Fa作用在交轴上，与相轴正方向反向180，为交轴电枢反应。,电机学第六章同步电机,50,电枢反应的影响：,合成磁势F的轴线位置从空载时直轴处顺转子转向移一个锐角，改变磁场分布。F幅值较空载时略有增大。I和E0反相，有功功率从电网输送到发电机，同步电机处于电动机运行状态。,电机学第六章同步电机,51,(4)=-90I超前E090Fa和Ff1与之间的夹角为0，即二者同相，一同作用在直轴上，电枢反应为纯助磁作用，合成磁势的幅值增大，这一电枢反应称为直轴助磁电枢反应。,Fa,电机学第六章同步电机,52,电枢反应的影响：,=-90时纵轴电枢反应磁动势Fa对主极磁动势Ff起助磁作用，使合成气隙场增强。Fa、Ff同轴二者不产生切向力和电磁转矩，不进行机电能量转换。,电机学第六章同步电机,53,（4）一般情况=(090)滞后0一个锐角,Fa和Ff1与之间的夹角90为分析电枢反应，将Fa分解：,电流产生磁动势，把电枢电流分解为两个分量：,对应磁动势Fad和Faq,电机学第六章同步电机,54,电枢反应的影响：,交轴电枢反应磁动势Faq（Iq）改变磁场分布，使得气隙合成磁动势交轴分量滞后主极磁动势所在的d轴。F。定转子间产生切向力和有电磁转矩，进行机电能量转换。直轴电枢反应磁动势Fad（Id），对主极磁动势有去磁作用，使合成气隙磁动势减小。,电机学第六章同步电机,55,当角为不同值的电枢反应,电机学第六章同步电机,56,总结：,同步电机的运行方式可以由来判断：作发电机：-/2/2作电动机：/2Xq书上p308的解释，自学隐极机，气隙均匀，XdXq,N1：电枢绕组每相的串联匝数d、q：交直轴的电枢等效磁导,电机学第六章同步电机,90,图凸极同步电机电枢反应磁通和漏磁通所经磁路及其磁导,Fad,Faq,电机学第六章同步电机,91,电机学第六章同步电机,92,3、相量图由电势平衡方程直接作出,电机学第六章同步电机,93,画相量图注意事项：,已知条件：发电机的端电压、电流、负载的功率因数角以及电机的参数Ra、Xd和Xq外；还必须先把电枢电流分解成直轴和交轴两个分量，为此须先确定角，而角无法用仪表测得引入虚拟电势。,RQ=IqXq/cos=IXq,R,Q,jXq,方法：从R点画垂直于的直线并与0相量交于Q点，得到线段RQ，RQ与相量jIqXq间夹角为，有：,虚拟电势,电机学第六章同步电机,94,不计饱和时，凸极同步电机相量图实际做法：,根据角，作出和；画出相量Q，确定Q点，OQ与的夹角即为角；根据求出的角，把分解为d和q；从R点依次做jdXd和jqXq，得到端点T，连接OT，即为0。,电机学第六章同步电机,95,及E0的求取：,:与之间的夹角标量法：根据相量图进行代数运算，运算简单tan=(IXq+Usin)/(IRa+Ucos)E0=Ucos+IRacos+IXdsin,电机学第六章同步电机,96,假设：d轴（直轴）饱和、q轴（交轴）不饱和；交直轴磁路分开计算，不计交叉饱和的影响。（叠加原理不再适用，双反应理论仍采用）,二、饱和时,q轴：在正常运行时，由于凸极电机q轴磁路气隙大，不易饱和，故可认为q轴电枢反应电抗Xaq不受磁路饱和的影响为恒值；d轴：磁路气隙小，磁路易饱和，当磁路饱和时，磁导ad，故Xad。磁路饱和：XadXads（饱和值），XdXds(饱和值)，且大小随磁路饱和程度不同而不同。,不饱和,饱和,电机学第六章同步电机,97,1、电磁关系,磁路饱和时，电磁关系F均为基波磁动势折算到励磁绕组的等效励磁磁动势,电机学第六章同步电机,98,2、电势方程：,q轴气隙大，磁路接近线性，Xaq为恒值：,漏电势：,电机学第六章同步电机,99,3、相量图,如何求？,电机学第六章同步电机,100,图6-23凸极同步发电机空载特性,电机学第六章同步电机,101,电机学第六章同步电机,102,电机学第六章同步电机,103,电机学第六章同步电机,104,思考题,比较变压器、异步电机和同步电机中的折算异同。答：变压器的折算是绕组折算。即用一假想的绕组代替变压器其中的一个绕组，成为变比为1的变压器。折算原则，保持内部电磁平衡关系。异步电机须进行绕组折算，折算时引入电压和电流变比；同时由于定、转子参数频率的不同，须进行频率折算，即将旋转的转子等效成静止的转子，与定子绕组有相同的频率。同步电机由于励磁磁势（阶梯形波）和电枢磁势（正弦波）在空间分布的波形不同，需要折算。原则是产生相同的基波磁势（隐极机）或相同的基波磁密（凸极机：由于气隙不均匀）。,电机学第六章同步电机,105,主要变量：U、Ia、If、cos研究内容：在保持n、cos不变的条件下，分析U、Ia、If之间的关系。确定一个量不变，其余两量函数的关系同步发电机特性。同步发电机特性：基本特性和运行特性基本特性：空载特性、短路特性和零功率因数负载特性求取发电机参数、了解电机性能；运行特性：外特性、调节特性了解发电机运行性能。,6.3同步发电机的运行特性,电机学第六章同步电机,106,6.3同步发电机的运行特性,电压基值：额定相电压UN(V)；电流基值：额定相电流IN(A)阻抗基准值：Zb=UN/IN功率基准值：SbmUNIN（VA）转速基准：b=2n/60励磁电流基值：Ifb=If0，空载时发电机有额定电压时(E0=UN)，转子中的励磁电流；,分析特性时，常用标么值表示。基准值选用如下：,电机学第六章同步电机,107,6.3.1同步发电机的运行特性,一、空载特性nnNIa=O时，E0=f(If)空载时：E0=U1、空载试验过程：发电机电枢绕组开路(I=0)，原动机将发电机转子拖动到同步速nN，并保持不变，调节励磁电流If，测量并记录与励磁电流If相对应的发电机空载电压U0（先使U达到1.3UN，再减小至If=0），逐点记录，描成空载特性曲线。空载特性曲线E0=f(If)电机的磁化曲线0=f(Ff),本质上相同,电机学第六章同步电机,108,2、空载试验注意磁滞问题：,回顾p17页磁滞现象：磁滞现象使If上升、下降所对应的空载曲线不重合，一般取下降曲线。If=0时，E0=Er为剩磁电动势。调节If时，应保证单向减小，以避免磁滞回线特性的影响。Er太大时，空载特性要加以校正。,Er,电机学第六章同步电机,109,3、空载特性的校正,校正方法：将曲线延长与横轴相交，交点与原点距离为校正值，再将原实测曲线整体右移得工程中实用的校正曲线。,校正量,用途：不同电机的空载特性曲线彼此相似。试验曲线与设计好的电机空载特性曲线比较，应很接近，可以判断电机是否过饱和或材料未充分利用。与短路特性、零功率因数负载特性配合确定同步电机的参数。,电机学第六章同步电机,110,二、短路特性nnNU=O时，Ia=IK=f(If)曲线,试验过程：同步发电机转子拖动到同步转速nN，电枢绕组三相端点短路，调节励磁电流If从0增加到1.2IN为止，测量Ia=IK、If，画IK=f(If)。,电机学第六章同步电机,111,2、短路时电动势方程：,短路时，端电压U0，短路电流仅受电机自身阻抗限制。通常，电枢电阻电枢电抗，短路电流认为纯感性的，电枢回路为纯电感电路，即=90。电枢反应为纯去磁直轴电枢反应；q=0，=d,电机学第六章同步电机,112,3、分析合成磁势：F=Ff-FadEE很小磁路不饱和，相当于C点。,FEIKFad=kadFaIK(Ia)Ff=Fad+FIK，即IfIK,短路特性为一条过原点的直线,电机学第六章同步电机,113,稳态短路时，电机中的电枢反应为纯去磁作用，电机的磁通和感应电势较小，短路电流也不会过大；三相稳态短路运行没有危险。,电机学第六章同步电机,114,4、特性三角形,BD短路时的E0三角形ABC为同步发电机的特性三角形，对测定同步电机的参数很有用。AB电枢反应磁势FadACIKXOAFOBFf,电机学第六章同步电机,115,三、零功率因数特性n=nNI=Ccos=0时，U=f(If),定义：发电机的负载特性是指当负载电流=常数，功率因数cos=常数的条件下，端电压U与励磁电流If的关系。其中当cos=0时一条负载特性称为零功率因数特性。,电机学第六章同步电机,116,2、相量图,cos=0的负载为纯电感负载，RaIf0）。增加励磁电流原因：AC：克服电枢漏抗压降IX，相当于消耗了励磁电流；AF：Ifa抵消电枢等效磁动势kadFa的去磁作用。AE:电枢漏抗压降IX,电机学第六章同步电机,118,零功率因数特性是在I=c下作出的，IX和Ifa均保持不变，特性三角形的大小亦不变。若使特性三角形的底边保持水平，将三角形的顶点E沿空载特性移动，顶点F的轨迹即为零功率因数特性。把三角形下移，直到其水平边与横坐标重合，此时K的端电压为零，故K点即为短路点。,AE(垂边)和Ifa(水平边)组成直角三角形特性三角形,电机学第六章同步电机,119,零功率因数曲线上的两个关键点：F、K,F：发电机接在UN上，调节原动机和励磁电流，使发电机处于过励，电枢电流IIN，输出P0，此时的If和UN确定F点位置。K：U0，IIN，短路点；可由短路试验求得：调节发电机励磁电流，使IIkIN，此时的If即可确定K点位置。,电机学第六章同步电机,120,四、外特性n=nNIf=ccos=c时，U=f(Ia),不同功率因数的负载时，同步发电机的外特性。感性负载和纯电阻负载时，外特性是下降（电枢反应的去磁作用；漏阻抗压降）容性负载且功率因数角达到超前时（X,凸极机：Xp=(1.051.1)X隐极机：Xp=(1.11.3)X,电机学第六章同步电机,129,三、利用空载特性和短路特性确定Xd的不饱和值,短路特性：If0Ik空载曲线：If0E短路时，F很小磁路不饱和，利用空载特性的线性段气隙线。短路时：=-jkX,电机学第六章同步电机,130,四、短路比(SCR),定义：同步发电机在空载额定电压UN所对应的励磁电流If0下，三相稳态短路时的短路电流IK0与额定电流IN之比，用kc表示。,kc=Ik0/IN,电机学第六章同步电机,131,If0:产生空载额定电压所需的励磁电流If0:产生气隙线上空载额定电压所需励磁电流Ifk:产生额定短路电流所需的励磁电流k:电机主磁路的饱和系数,又：U0=UN时，励磁电流If0电枢绕组中Ik0励磁电流IfK有短路电流IK=IN,kc=Ik0/IN=If0(U0=UN)/Ifk(Ik=IN)=(If0/If0)(If0/Ifk)=kUN/E0=k/Xd*不饱和,电机学第六章同步电机,132,kc分析：,k1，饱和系数kc短路比Xd*不饱和倒数略大。kc小，Xd*不饱和大，气隙较小，负载变化时，发电机电压变化较大，并联运行时稳定性较差；电机气隙较小，转子用铜量少，电机造价便宜。增大电机气隙，Xdkc；发电机电压变化较小，电机静态稳定性好，过载能力强，但要增大励磁磁动势，转子用铜量增大，造价高。汽轮：kc=0.41输电距离短水轮：kc=0.81.8散热条件好，输电线路长，稳定性问题突出,kc=Ik0/IN,电机学第六章同步电机,133,思考：为什么同容量的同步电机气隙异步电机气隙？,异步电机：If由电源供给，从电网吸收感性无功功率；若气隙大，则功率因数低，对电网影响大，所以在允许条件下，气隙尽可能小。同步电机：气隙合成磁场由定转子磁场共同建立。从SCR角度考虑：气隙大，短路比大，转子用铜量多，尺寸大，制造成本高。所以，同步电机选择气隙大小时，要综合考虑（气轮、水轮），并从稳定性角度尽可能加大气隙。,电机学第六章同步电机,134,6.4同步发电机的并联运行,单机供电的缺点：不能保证供电质量(电压和频率的稳定性)和可靠性(发生故障就得停电)；无法实现供电的灵活性和经济性。这些缺点可通过多机并联来改善。通过并联可将几台电机或几个电站并成一个电网。现代发电厂都是把几台同步发电机并联起来接在共同的汇流排上，一个地区总有多个发电厂并联起来组成一个强大的电力系统(电网)。现代发电厂都是联成大电力系统。,电机学第六章同步电机,135,电网供电优点：,提高了供电可靠性。一台电机故障或检修不会引起停电事故。提高了供电的经济性和灵活性。若水电厂与火电厂并联，在枯水期和旺水期两种电厂可以调配发电，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。提高了供电质量。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。同步发电机并联到电网后其电压、频率和电网一致不能单独变化。,电机学第六章同步电机,136,6.4.1投入并联的条件和方法,一、并联条件：1、定义：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)。并车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。,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。,电机学第六章同步电机,137,2、五个条件：,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。,电机学第六章同步电机,138,五个条件的决定因素：,波形相同制造厂保证，认为基本上是正弦波频率相同调节原动机转速幅值相同调节发电机励磁电流相位相同合闸瞬间电位相序相同在规定转向下，发电机三相出线已标明其相序ABC，只要和电网的各相对应连接即可保证相序相同。,并联，主要考虑,电机学第六章同步电机,139,3、并联条件不满足的影响,若ff，频率不同0与之间有相对运动两相量间的相角差将在0360之间变化，电压差忽大忽小。频率相差越大，这个变化越剧烈。投入并联的操作越困难，若投入电网，也不易同步，将在电机和电网之间引起很大的电流和功率振荡。,发电机投入并联的示意图,电机学第六章同步电机,140,若0与大小不等，或相位不同，把发电机投入并联，则相当于出突加电压差U引起的瞬态过程，将在发电机与电网中产生一定的冲击电流。严重时，该电流可达额定电流的58倍。,综上所述，为了避免投入并联时引起电流、功率和转矩的冲击，最好同时满足上述三个条件。,0与大小不等,相位不同,电机学第六章同步电机,141,思考：同步发电机的并联和变压器的并联有何异同？,相同点：相序一致、电压相等不同点：同步：If可以调节，总能保证各台发电机端电压相等，但E0不一定相等。同步电抗数值不能确定负载电流的分配，即使有不同的同步电抗，也可以并联运行。变压器：有相同的短路阻抗。,电机学第六章同步电机,142,1、准确同步法（准确整步法）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。最简单的同步指示器由三相相灯组成。A）直接接法：1）接法：三只灯泡直接跨接于电网与发电机的对应相之间。,二、并联方法,同步指示器,电机学第六章同步电机,143,采用直接接法，每组灯上电压相同假设发电机与电网的电压幅值相同，而频率不同,U以频率（f2-f1)在(02)U1之间交变，即三组相灯以频率（f2-f1）闪烁，同暗同亮灯光明暗法。,2）理论分析：,电机学第六章同步电机,144,冲转将发电机转子转速升高到额定转速；投励调节发电机励磁电流的大小，使系统侧和待并发电机电压表读数相等；用灯光法检查相序，如果相序一致，灯光应表现为明暗交替，如灯光不是明暗交替说明相序不一致，应调整发电机的出线相序或电网的引线相序，严格保证相序一致；调节转速n，改变频率，直到灯光明暗交替频率很低，等待灯光完全变暗的瞬间到来，即可合闸并车。,3）并车方法：,电机学第六章同步电机,145,4）并联后的自整步作用,合闸前，灯光仍在亮、暗交替变化，说明f2和f1还不是严格相等，合闸后仍有u存在。分析表明，由于u的存在所产生的自整步作用，使电机最终能同步运行。,若f2f1，合闸后产生环流Ih滞后90，也滞后2。发电机相当于输出电功率，轴上受制动转矩，转速下降，直到严格同步,f2=f1。若f2f1，由相量图可知三组灯的亮度变化情况。分析时取电网电压为基准图6.48先是第组灯最亮，接着轮到第组灯最亮，然后是第组灯最亮，好像灯光逆时针旋转。旋转速度：2-1。,电机学第六章同步电机,149,电机学第六章同步电机,150,若f2f1,组灯，灯光按顺时针方间旋转。增大发电机的转速，使灯光旋转速度慢下来，直到灯光不再旋转时，就表示f2f1再调节发电机电压的大小和相位，直到灯熄灭灯的亮度相同，即A1、A2间电压为零时，即表示发电机巳满足投入并联的条件，可合闸并网。交叉接法也称为灯光旋转法，此法的优点是能看出发电机的频率比电网高还是低故用得较多。,电机学第六章同步电机,151,通过调节发电机励磁电流的大小使得端电压与电网电压相等；电压调整好后，如果相序一致，则灯光旋转，否则说明相序不一致，这时应调整发电机的出线相序或电网的引线相序，严格保证相序一致；通过调节发电机的转速改变的频率，直到灯光旋转十分缓慢时，频率f2f1，当灯I完全熄灭，另两组灯等亮度时迅速合闸并车。并联后最终由自整步作用牵入同步运行。,3）旋转法并车方法,电机学第六章同步电机,152,4）实验注意问题,若按上述交叉接法接线时发现灯光不旋转，而三对灯同时明暗，说明发电机与电网相序不同，使每对灯承受的相同，故须让发电机任意两线互换后才能并联。准确同步法（灯光法）又称理想整步法，合闸时无明显的冲击电流；对并车条件逐一检查和调整，操作复杂，费时较多。,电机学第六章同步电机,153,2、自同步法（自整步法）,上述准确同步方法的优点是合闸时没有冲击电流，缺点是操作较复杂，尤其当电网发生故障时，电网电压和频率都在变动，采取准确同步法很准投入。为了把发电机迅速投入电网，可采用自同步法：,在相序一致的情况下将励磁绕组通过适当电阻短接原动机把发电机拖动到接近同步速(相差小于25)没有接通励磁电流的情况下合闸将发电机接入电网，并立即加入励磁，依靠定子磁场和转子磁场之间的电磁转矩将转子拉入同步转速，并车过程即告结束。,电机学第六章同步电机,154,实验注意问题：,自整步作用只有当转子转速接近同步速时，才能发挥其作用。转速相差太大，由于转子有惯性，有时就不能牵入同步，将相当于发电机与电网频率不同时的并网，因此产生很大电流，造成不良后果。励磁绕组必须通过一限流电阻短接，因为直接开路，将在其中感应出危险的高压；直接短路，将在定、转子绕组间产生很大的冲击电流。缺点：合闸时有冲击电流。优点：操作简单，方便快捷。,电机学第六章同步电机,155,6.4.2功率和转矩平衡方程,同步发电机运行时，由原动机带动旋转，在发电机对称稳定运行。原动机输入到发电机的机械功率为P1机械损耗pmec、铁损耗pFe、附加损耗pad电磁感应传到定子电功率电磁功率PemPem定子绕组铜耗pCu1发电机输出有功功率P2,一、同步发电机的功率流程：,电机学第六章同步电机,156,二、功率平衡方程式,P1-(pmec+pFe+pad)=PemPem=P2+pCu1Pem=P2+PCu1=mUIcos+mI2Ra=mEIcosiiE与I之间的夹角P2=P1-(pmec+pFe+pad)-pCu1,电机学第六章同步电机,157,A、隐极同步发电机(不饱和)Ecosi=E0cos则Pem=mEIcosi=mE0Icos,Pem=mEIcosi,电机学第六章同步电机,158,Pem=mEIcosi,B、凸极同步发电机（不饱和）Ecosi=EQcos=E0-Id(Xd-Xq)cos则Pem=mEIcosI=mE0Icos-mIdIq(Xd-Xq),C、定子绕组的电阻一般较小，其铜耗可以忽略不计，则有PemP2=mUIcos=mUIcos(-),电机学第六章同步电机,159,三、转矩平衡功率平衡方程式两侧同除转子机械角速度：=2n/60T1-(Tmec+TFe+Tad)=TemT1=Tem+T0T1输入转矩、驱动转矩Tmec、TFe、Tad发电机空载损耗对应的阻力转矩、制动转矩Tem发电机电磁转矩、制动转矩,P1-(pmec+pFe+pad)=Pem,表明：发电机负载运行时，从原动机输入到发电机的转矩T1，应克服空载阻力转矩和对应于负载的阻力转矩Tem做功，从而通过发电机将机械能转换成电能输出。,电机学第六章同步电机,160,6.4.3功角特性,在许多场合下，常常用发电机的励磁电动势E0，端电压U、E0和U之间的功率角以及电机的参数来表示电磁功率。稳态功角特性：同步发电机并入电网后，当E0和U保持不变时，Pem=f()。功角特性是同步电机的基本特性之一。通过它可以研究同步电机接在电网运行时发出的有功功率，并进一步揭示机组的稳定性和阐明发电机状态与电动机状态之间的联系和转化。下面先研究不计电枢电阻时的功角特性。,电机学第六章同步电机,161,一、电磁功率,由Pem=P2+PCu1=mUIcos+mI2RaPemP2=mUIcos=mUIcos(-)=mUI(coscos+si