第6章 同步电机1

第六章同步电机,本章章节,6.1概述6.2同步电机的运行原理6.3同步发电机的运行特性6.4同步发电机的并联运行6.5同步电动机和调相机6.6同步发电机的不对称运行6.7同步电机的突然短路6.8特殊用途的同步电机,普通同步电机与异步电机的根本区别在转子上，同步电机的转子上装有磁极并通入直流电流励磁，故具有确定的极性。,6.1概述,励磁绕组中通以直流电流励磁，产生恒定的磁场。当原动机拖动转子以转速n旋转时，定子绕组导体将切割磁力线，在定子绕组中将感应出交变电动势。当导体经过一对磁极，导体中的感应电势就变化了一个周波，若转子极对数为p，转子旋转一周，导体感应电势就变化了p个周波，设转子转速为n，则感应电势的频率为：f=pn/60,6.1概述,同时，当三相对称绕组接有三相对称负载时，绕组中会有三相对称电流流通，形成磁场，其合成磁动势是一个幅值恒定的旋转磁动势，且转速决定于电流的频率和磁极对数，即转速n1=60f/p;显然，转子的转速与气隙磁场的旋转速度相等，所以称之为同步电机。,6.1概述,用途：同步电机主要作为发电机；作为电动机一般用在恒速的低速大功率机械中；亦可作同步调相机，专门用来吸收和输送无功功率。,6.1概述,同步电机的运行状态,发电机把机械能转换为电能,电动机把电能转换为机械能,调相机没有有功功率的转换，只发出或吸收无功功率,同步电机运行状态，主要取决于定子合成磁动势与转子磁动势之间的夹角（功率角）。,6.1概述,同步电机,旋转电枢式,旋转磁极式,隐极式,凸极式,6.1.1同步电机的结构,同步电机的主要结构部件有定子、转子、端盖、轴承等。,6.1.1同步电机的结构,6.1.1同步电机的结构,同步电机的定子主要由定子铁芯、定子绕组、机座以及若干紧固连接件组成。发电机的机座为钢板焊接结构，用于支撑定子铁芯，并构成所需的通风路径。定子铁芯是电机的主要部件，它起着构成主磁路和固定定子绕组的重要作用，用冷轧硅钢片分组叠压而成。定子绕组又称电枢绕组，是发电机进行能量转换的心脏部位。,6.1.1同步电机的结构,6.1.1同步电机的结构,6.1.1同步电机的结构,6.1.1同步电机的结构,汽轮发电机的定子,水轮发电机的定子,6.1.1同步电机的结构,发电机转子的作用是传递原动机供给的机械转矩，支撑旋转的励磁线圈，形成良好的磁通路径和转子散热通道。发电机转子：转子铁芯、励磁绕组、护环、中心环、滑环和阻尼绕组等组成。转子铁芯分为隐极式和凸极式。隐极式：气隙均匀，适于高速旋转，与汽轮机组合；用铬镍钼合金锻炼而成。凸极式：气隙不均匀，旋转时阻力大，转速低，与水轮机组合；13mm钢板叠压而成。,6.1.1同步电机的结构,汽轮发电机的转子,水轮发电机的转子,6.1.1同步电机的结构,6.1.1同步电机的结构,6.1.1同步电机的结构,6.1.1同步电机的结构,6.1.1同步电机的结构,6.1.1同步电机的结构,卧式凸极同步电机转子的典型结构,6.1.1同步电机的结构,6.1.1同步电机的结构,端盖将电机两端封盖起来，与机座、定子铁芯和转子一道构成电机的内通风系统。它多由非导磁铝合金浇铸而成。轴承需承受巨大的转子重量和离心力，故采用油膜润滑的座式结构，并配有油循环系统。,6.1.1同步电机的结构,励磁系统是指为同步发电机提供可调励磁电流所需设备组成的系统。直流发电机励磁系统（在10MW以下的机组）交流发电机励磁系统：由一台与发电机同轴的交流发电机产生交流电，经整流变成直流电，给发电机转子励磁。又分为静止式交流整流励磁系统和旋转交流整流励磁系统。无励机励磁系统：将来自发电机机端的交流电经变压器降压，再整流变成直流电，作为发电机转子的励磁。,6.1.2同步电机的励磁方式,静止式交流整流励磁系统,6.1.2同步电机的励磁方式,旋转式交流整流励磁系统,6.1.2同步电机的励磁方式,无励磁机励磁系统（自并励励磁系统）,6.1.2同步电机的励磁方式,自并励励磁系统目前广泛应用于汽轮发电机、水轮发电机中，它具有以下优点：优良的动态控制特性，灵活、快速、可靠；良好的传输特性；简化机组轴系，轴短，运行维护简单；能方便地与不同类型和容量的发电机配用；损耗小。,6.1.2同步电机的励磁方式,6.1.3同步电机的冷却方式,空气冷却：50MW以下的汽轮发电机。氢气冷却：防漏、防爆问题。水冷却：泄露、积垢堵塞问题。水氢氢：定子绕组水内冷，转子绕组氢内冷，定、转子铁芯氢外冷双水内冷：定子绕组、转子绕组水内冷，定、转子铁芯空气冷却超导发电机,6.1.4同步电机的额定值,额定电压UN（kV）指额定运行时定子的线电压额定电流IN（A）指额定运行时定子的线电流额定功率因数指额定运行时电机的功率因数额定效率指额定运行时电机的效率,额定频率fN（Hz）指额定运行时电枢的频率额定转速nN（r/min）指额定运行时电机的转速，即为同步转速额定功率PN（MW）指额定运行时电机的输出功率发电机电动机,6.1.4同步电机的额定值,三峡电厂水轮机组介绍,6.2.1空载和负载运行时同步发电机的磁场同步发电机空载运行是指同步发电机被原动机带动到同步转速，转子励磁绕组通过直流励磁电流，定子绕组开路（定子绕组电流为零）时的运行状况。（图示）,6.2同步电机的运行原理,从图可见，主极磁通分成主磁通0和漏磁通f两部分，前者通过气隙并与定子绕组相交链，后者不通过气隙，仅与励磁绕组相交链。,6.2.1空载和负载运行时同步发电机的磁场,空载运行时气隙磁场仅由转子励磁磁动势单独建立，磁场的强弱仅由励磁电流大小决定。,6.2.1空载和负载运行时同步发电机的磁场,空载时：I=0，If0,n=nN空载时发电机内部电磁关系,只增加磁极部分的饱和程度,6.2.1空载和负载运行时同步发电机的磁场,空载特性曲线E0=f(If)如右图。电机磁路的饱和系数：,通常同步发电机的k大约为1.11.25。,空载特性是同步电机的一条基本特性。,6.2.1空载和负载运行时同步发电机的磁场,E0=4.44fN1KN10，其空载特性曲线E0=f(If)和电机的磁化曲线相似，但还是有一定的区别，电机的磁化曲线与转速无关，只与电机本身有关，而E0=f(If)与转速有关。,6.2.1空载和负载运行时同步发电机的磁场,6.2.1空载和负载运行时同步发电机的磁场,空载运行频率、波形要求频率：f=pn1/60波形：用电压波形正弦性畸变率kM和电话谐波因数THF%衡量,THF%=,负载运行时，定子绕组中有电流流过，便会产生电枢基波旋转磁动势。负载运行时，同步电机内由励磁磁动势和电枢磁动势共同建立的主磁场。,6.2.1空载和负载运行时同步发电机的磁场,负载运行时，同步电机内的主磁场由励磁磁动势和电枢磁动势共同建立。,6.2.1空载和负载运行时同步发电机的磁场,负载时：I0，If0,n=nN负载时发电机内部电磁关系,6.2.1空载和负载运行时同步发电机的磁场,两种磁动势性质比较：,结论：电枢磁动势Fa和励磁磁动势Ff1在空间相对静止。,6.2.1空载和负载运行时同步发电机的磁场,空载：气隙磁动势负载：气隙磁动势同步发电机对称负载时，电枢磁动势Fa对励磁磁动势Ff的影响，称为电枢反应。,6.2.1空载和负载运行时同步发电机的磁场,几个概念内功率因数角：空载电动势E0和电枢电流I之间的夹角，与电机本身参数和负载的大小、性质有关；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）：转子相邻磁极轴线间的中心线为交轴（横轴）,6.2.2电枢反应,电枢反应的性质：（增磁、去磁或交磁）与负载的性质和大小有关，主要取决于电枢磁动势和励磁磁动势在空间的相对位置。分析表明，此相对位置取决于空势电动势E0和定子电流I之间的相角差。电枢反应的性质可通过时空矢量图来反映。,6.2.2电枢反应,时空矢量图：含有时间相量和空间向量的矢量图。作时空矢量图确定电枢反应的性质的规律：取励磁磁势基波Ff1作为参考向量，其方向就d轴方向；空载磁通0与Ff1同方向，空载电势E0滞后空载磁通090；定子电流I滞后空载电势E0的角度为内功率因数角；电枢磁动势基波Fa与定子电流I同相位。,6.2.2电枢反应,1、=0时的电枢反应,6.2.2电枢反应,1、=0时的电枢反应,电枢磁势基波Fa滞后励磁磁势基波Ff90，合成磁势F的大小略有增加，分布滞后励磁磁势基波Ff一个锐角，此时电枢反应性质为交轴电枢反应。,6.2.2电枢反应,1、=0时的电枢反应交轴电枢反应，即交磁作用。电枢磁场与转子励磁绕组相互作用产生的电磁力f1，在转子上产生的电磁转矩与转子的转向相反，对发电机起制动作用。要想维持转速不变，就要相应地增加原动机的输入机械功率。交轴电枢反应实现了机电能量的转换，发电机有有功功率输出。,6.2.2电枢反应,2、=90时的电枢反应,6.2.2电枢反应,2、=90时的电枢反应直轴去磁电枢反应。电磁力f1在转子上不产生的电磁转矩。合成磁动势F减小，使发电机的端电压下降。要想保持发电机的端电压不变，需增大发电机的励磁电流。发电机输出无功功率。,6.2.2电枢反应,3、=-90时的电枢反应,时空矢量图,6.2.2电枢反应,3、=-90时的电枢反应直轴增磁电枢反应。电磁力f1在转子上不产生的电磁转矩。合成磁动势F增大，使发电机的端电压上升。要想保持发电机的端电压不变，需减小发电机的励磁电流。发电机输出无功功率。,6.2.2电枢反应,4、090时的电枢反应,既有交轴电枢反应，又有直轴去磁电枢反应。发电机既输出有功功率，又输出无功功率。,6.2.2电枢反应,5、-90Xaq，因此在凸极同步电机中，XdXq,且Xq*0.6Xd*对于隐极电机，由于气隙是均匀的，故Xd=Xq=XtXa（隐）Xad（凸）Xaq（凸）,6.2.4凸极同步发电机负载运行,凸极同步发电机的相量图,6.2.4凸极同步发电机负载运行,不饱和时的相量图,6.2.4凸极同步发电机负载运行,引入虚拟电动势，使可得：,6.2.4凸极同步发电机负载运行,凸极同步发电机的相量图,6.2.4凸极同步发电机负载运行,凸极同步发电机的等效电路图,6.2.4凸极同步发电机负载运行,二、考虑饱和时1.电磁关系,6.2.4凸极同步发电机负载运行,2.基本方程式,6.2.4凸极同步发电机负载运行,3.饱和时的时空矢量图,6.2.4凸极同步发电机负载运行,4.如何利用空载特性求一些值与隐极机相同，必须折算，由于d、q轴的气隙大小不一样，因此两者的折算系数不同。,6.2.4凸极同步发电机负载运行,说明：、的公式同样适用于隐极电机，只要令Xd=Xq=Xt公式中U、I、E均为相值；性质：滞后0、超前fS时，发电机转速高于同步转速，电机转轴上要承受制动性质的电磁转矩，使转速降低，直至同步运行；当fFfS时，发电机转速低于同步转速，电机转轴上要承受驱动性质的电磁转矩，使转速上升，直至同步运行。,6.4.1投入并联的条件和方法,6.4.1投入并联的条件和方法,2）交叉接法：,6.4.1投入并联的条件和方法,判断方法：fFfS，则三灯交替亮暗，形成灯光旋转现象；调转速n，使三灯旋转缓慢，表明fFfS；调If，即调UF，使UF=US，当灯1熄，且两端电压为0，灯2、3同亮度时并入电网。故交叉接法亦称旋转灯光法。,6.4.1投入并联的条件和方法,准确同步法的优点：冲击电流小；准确同步法的缺点：较复杂。,6.4.1投入并联的条件和方法,自同步法并列原理接线图,6.4.1投入并联的条件和方法,并列操作步骤：校验发电机相序；励磁绕组经限流电阻短路；拖动转子，使其转速接近同步转速(相差2%5%)，注意应与定子旋转磁场转向一致；合闸，同时转子上加直流励磁并调节励磁电流强弱，依靠定转子磁场间所形成的电磁转矩即可把转子拖入同步。优点：简单、投入迅速；缺点：合闸时冲击电流较大。,6.4.1投入并联的条件和方法,有功功率的平衡,6.4.2功率和转矩平衡方程,6.4.2功率和转矩平衡方程,对于不饱和隐极机：,则有：,电磁功率,6.4.2功率和转矩平衡方程,对于不饱和凸极机：,则有：,转矩平衡方程式,T1原动机输入机械转矩（驱动性质）；Tem发电机电磁转矩（制动性质）；T0发电机空载转矩（制动性质）。,6.4.2功率和转矩平衡方程,6.4.3功角特性,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()。1.凸极机的功角特性,由凸极同步发电机的简化相量图(忽略Ra)可得：,6.4.3功角特性,则有：,式中：基本电磁功率；附加电磁功率,6.4.3功角特性,附加电磁功率的特点：与If无关；=45时最大，=90时为0；xdxq是其存在的原因，亦称为磁阻功率。,6.4.3功角特性,2.隐极机的功角特性由于隐极机xd=xq=xt，故只有基本电磁功率，功角特性表达式为,6.4.3功角特性,6.4.3功角特性,隐极机与凸极机的功角特性比较隐极机=90时电磁功率取得最大值；曲线为正弦。与隐极机比较：凸极机Pemmax略有增加；45T0，出现剩余转矩（T1-T0），使转子加速，转子的磁极轴线开始超前合成等效磁极轴线，使E0超前端电压U一个，P2=Pem0，转子将受到制动电磁转矩Tem。当增大到某个值，使T1=Tem+T0，发电机不再加速，而在此处稳定运行，且Pem=P1-p0,6.4.4有功功率调节与静态稳定,结论：调节原动机输入的机械功率，改变功角，使输出功率改变。即P1P2在励磁电流一定的情况下，=90时，电磁功率达到最大值，称极限功率。,6.4.4有功功率调节与静态稳定,二、静态稳定并联在电网上的同步发电机，在电网或原动机发生微小扰动时，运行状态将发生变化，当扰动消失后，发电机能回复到原来的状态下稳定运行，就称为发电机是静态稳定的，反之就是不稳定。,6.4.4有功功率调节与静态稳定,分析,6.4.4有功功率调节与静态稳定,6.4.4有功功率调节与静态稳定,a点：平衡运行，T1=Tem+T0；若小扰动使P1，则T1，T0，n,Pem,Tem,即T1=Tem+T0，在a点平衡；扰动消失后，在a点重新平衡。a点为静态稳定点。b点：平衡运行，T1=Tem+T0；若小扰动使P1，则T1，T0，n,Pem,Tem,即T1=Tem+T0，T0，n,Pem,Tem，不能达到新的平衡，失步；b点为静态不稳定点。,6.4.4有功功率调节与静态稳定,结论：发电机功角特性稳定范围在=090dPem/d0稳定运行dPem/d0不稳定运行dPem/d0稳定极限,6.4.4有功功率调节与静态稳定,6.4.4有功功率调节与静态稳定,比整步功率Psyn或整步功率系数(kW/rad),对于隐极机：,对于凸极机：,其值愈大，表明保持同步的能力愈强，发电机的稳定性愈好。,静态过载能力kM,要求：k1.7,N=2535,6.4.4有功功率调节与静态稳定,提高静态稳定的方法：,k与kc的关系：kck,6.4.4有功功率调节与静态稳定,以隐极电机为例，略去定子电阻和磁饱和的影响，发电机接到无穷大电网。,6.4.5无功功率调节和V形曲线,结论：有功功率增加时，无功功率减小。,6.4.5无功功率调节和V形曲线,结论：励磁电流增加，无功功率增加。,6.4.5无功功率调节和V形曲线,在有功功率不变时，调励磁电流可达到改变无功功率的目的。1、相量分析条件：P2=mUIcos=常数，要求Icos=常数；对于隐极电机，Pem=mE0Usin/Xt=常数，这样就要求E0sin=常数。,6.4.5无功功率调节和V形曲线,发电机有功输出保持不变时，调节励磁电流，定子电流的变化情况如图。,6.4.5无功功率调节和V形曲线,6.4.5无功功率调节和V形曲线,调节励磁电流就可以调节无功功率，也可以用磁动势平衡关系来解释：电网电压恒定不变说明气隙合成磁通量不变，当过励时主极磁通上升，电机应输出滞后的电流以便产生去磁电枢反应，使得气隙合成磁通不变；反之，则反。,6.4.5无功功率调节和V形曲线,2.V形曲线同步发电机的V形曲线：同步发电机并入电网后，有功不变，调节励磁电流时的I=f(If)。由上分析可知，在原动机输入功率不变，即发电机输出有功功率恒定时，改变励磁电流将引起定子电流大小和相位的变化。励磁电流为正常励磁时，定子电流最小，励磁电流偏离此点，都将引起定子电流增加。通过实验测得的曲线象V字形，故称V形曲线。,6.4.5无功功率调节和V形曲线,6.4.5无功功率调节和V形曲线,曲线说明：V形曲线的最低点是正常励磁，其cos=1；随着输出功率的增加，电枢电流也会增加，为抵消其较小的去磁反应，正常励磁点会稍向右倾；对于某一负载即P2一定，当励磁电流下降会致使E0下降，从而导致过载能力下降，甚至出现不稳定现象。励磁电流增大时，电枢电流变化规律为先减小后增大。,6.4.5无功功率调节和V形曲线,同步电机的主要优点：调励磁电流就可以调节功率因数和电机的无功电流。注意：只调励磁电流对有功功率没有影响，但可以改变E0值。要改变输出有功功率，只有调节原动机的输入功率使得功率角改变，同时输出的无功功率也会改变。求解功率调节后状态时，一般应由功角特性求出新的功率角，各参数须为同一状态之值,6.4.5无功功率调节和V形曲线,正常励磁：=0cos=1发PQ=0,2.过励磁：0cos滞后发PQ感性,3.欠励磁：X+Xq,6.6.1相序阻抗和等效电路,二、负序阻抗是转子正向同步旋转、励磁绕组短路时，电枢绕组中通入负序三相对称电流所遇到的阻抗。此时负序合成基波磁势的旋转方向与转子旋转方向相反，其转速相对于转子为两倍的同步速，相当于s=2的异步电机，故可借助异步电动机的等效电路进行分析。,6.6.1相序阻抗和等效电路,当负序磁场轴线与转子直轴重合时，励磁绕组和阻尼绕组均相当于异步电动机的转子绕组，忽略铁耗等效电阻后的等效电路如图示。注意图中电阻分母为2是因为s=2的原因。,6.6.1相序阻抗和等效电路,若直轴上没有阻尼绕组，则：,（也称之为直轴超瞬变电抗xd）,（也称之为直轴瞬变电抗xd）,当负序磁场轴线移到转子交轴时，由于交轴上励磁绕组不起作用，其等效电路如图示。,没有阻尼绕组，则：,（也称之为交轴超瞬变电抗