《电机学(下)》同步电机复习提纲要点

电机学（下）同步电机综述第20章同步电机概述1.同步电机的定子称为电枢，电枢铁芯嵌有三相对称绕组。转子被称为主磁极，由直流电激励。分为隐极式和凸极式P193图20-2。隐极转子：具有均匀的气隙，主要用于高速电机，如涡轮发电机，通常极对p=1。由于高转速，汽轮发电机直径较小，长度较长。凸极转子：气隙不均匀，多用于低速电机，如：水轮发电机采用凸极式，特点是直径大。长度短；除了励磁绕组之外，转子通常还配有类似于感应电动机笼形绕组的闭合绕组。发电机中的阻尼绕组，用于供电系统。动机被称为启动绕组。2.同步电机定子的三相对称绕组通过三相对称电流产生的旋转磁场与转子旋转磁极的转速作为同步速度是恒定的。定子和转子的旋转磁场轴线之间的夹角为扭矩角，一般认为是P195图20-6称为功率角，即转子磁场轴与定子和转子的组合磁场轴之间的夹角。当转子的磁极拖动定子和转子在组合旋转磁场中旋转时，转子输入的机械能转化为定子发电机运行状态输出的电能；此时，机械扭矩是驱动扭矩，电磁扭矩是制动扭矩。当相当于定子和转子的组合旋转磁场拖动转子磁极旋转时，定子输入的电能转化为转子电机运行状态输出的机械能；此时，电磁扭矩是驱动扭矩，机械扭矩是制动扭矩。当转子与组合旋转磁场的轴线重合时，电机无有功功率转换空载运行状态；电磁转矩为零。3.同步电机励磁系统包括：DC励磁机励磁、交流整流器励磁、晶闸管自励磁恒压励磁等4.同步电机的额定值(铭牌数据):，指电枢(定子)线电压、线电流；发电机的额定容量是指三相的视在功率。是额定运行时输出的三相有功功率，所以它是发电机的电功率和电动机的机械功率。单位：弗吉尼亚州发电机：电动机：单位：千瓦同步电动机的转子速度n与电枢电流频率f和电动机的极数p具有严格恒定的关系：称为同步速度，单位：(rpm)；因此，中国电网频率：p=1，ns=3000 r/min；p=2，Ns=1500 r/min；p=3，nS=1000r/min.第21章同步发电机的工作原理(一)同步发电机空载运行和带负荷时的电枢反应1.同步发电机空载运行励磁绕组馈入DC励磁电流，原动机拖动转子磁极以同步速度nS旋转，定子电枢绕组开路。当无负载时，只有建立的励磁磁势产生空载磁通，并以纳秒级速度切割定子三相对称绕组，以感应出三相空载电势。2.同步发电机与三相对称负载连接后，电枢三相对称绕组通过三相对称电流产生旋转磁势，称为电枢磁势，转速也是同步转速NS；也就是说，它们都具有与转子相同的转速和方向，因此在转子绕组中不会感应出电势。3.没有负载时，气隙中只有一个磁场，有负载时磁场更多；因此，电枢磁势对负载下气隙磁场的影响称为电枢反应4.电枢反应与内部功率因数角有关。定义：电枢电流落后于的角度。直轴(D轴)是转子主磁极的轴，即的轴。垂直于横轴的直轴(Q轴)；时间是t电枢反应时的性质：横轴直轴磁化；5.时空统一相量图结合了时间相量和空间相量P199图21-2。时间相量：空间相量：在时空统一相量图中：同相和同相；(2)同步发电机的数学模型1.隐极发电机(1)电磁关系：定子转子使用发电机实践，定子绕组的上述感应电势与定子端电压平衡(电枢绕组电阻被忽略):其中：隐藏电极机电枢轴反应电位；隐极机电枢轴反应电抗，对应电枢反应的影响；漏磁通引起的泄漏电位：定子绕组漏抗对应电枢漏磁场的影响；定子中转子主磁通量感应的励磁电势对应于主磁场的影响；电势方程(注：公式中所有电量均为相位值):其中：隐极同步电机同步电抗(3)相量图和等效电路见p202图21-9:其中：因为它是由转子磁场感应的；它可以被认为是由定子和转子的组合磁场感应的，因此与的夹角是功角P208图21-18。功率角(提前角)功率因数角在(后角)；功率因数角(后角)；2.由于气隙不均匀，凸极发电机需要采用“双反应理论”的分析方法；双反应理论将电枢电流、电枢磁势、电枢反应电抗和同步电抗分解成直轴(D轴)和横轴(Q轴)分量分别计算，然后叠加结果。(1)电磁关系：定子转子定子绕组的上述感应电势与定子端电压平衡(忽略):其中：、和分别是直轴电流、直轴电枢磁势、直轴电枢反应势和直轴电枢反应电抗；、和分别是交流电流、交流电枢磁势、交流电枢反应势和交流电枢反应电抗；凸极发电机电势方程(注：公式中所有电量均为相位值):其中：凸极同步电机的直轴同步电抗；凸极同步电机的横轴同步电抗：电抗的大小与磁导成正比。因为直轴的气隙小于横轴的气隙，所以磁导大于横轴的磁导。由于气隙均匀，隐极电机相当于。以上方程变为：隐电极机电势方程；显然，隐极机可以看作是当时凸极机的一个特例。(3)凸极电机相量图见P205图21-13，图21-14:因为d轴是励磁磁通的方向，并且滞后，所以q轴垂直于(正交于)d轴，并且必须在q轴方向上；相量，尺寸；(4)凸极电机的相量图可以用几何方法得到。从P205，图21-14可以看出：忽略通过矢状端的垂直线与Q轴相交。在形成的直角三角形中，角的相邻边的长度为，相对边的长度为；因此：从P205图21-13可以看出：忽略，其中：(5)此外，从图21-14中可以看出，凸极电机的对边与Q轴相交形成的直角三角形的斜边不是虚电动势，而是虚电动势，对应于此方程的等效电路如图21-15所示。从图21-14:因为，是同相的，尺寸是：从直角三角形开始，忽略：对于隐杆机：书中示例：p206案例21-1；例1:凸极同步发电机，Y连接，滞后，已知，忽略。试着找出额定负载下发电机的、和。解决方案：*,；(3)同步发电机功率方程和转矩方程1.功率平衡方程(假设励磁损耗由另一个电源提供):(1)机械功率平衡：其中：机械动力由原动机输入；机械转换成电力的那部分电力称为电磁能。空载损耗，包括机械损耗、铁损和有时将机械功率平衡方程的两边除以同步角速度，得到同步发电机的转矩平衡方程；其中：3354原动机输入驱动机械扭矩；3354电机空载损耗转矩；制动性质的电磁转矩；其中：单位：(弧度/秒)；扭矩单位：牛顿米。第二十二章同步发电机的特点当同步发电机在对称负载下运行时，=常数，常数。在可测的、三个量中，保持一个不变，另外两个之间的关系代表一个特征：不变，空载特性；恒定，短路特性；对于恒定的负载特性；负载特性称为零功率因数负载特性。不变，外部特征；恒定，调节特性；此外，还有一个效率特性1.空载特性类似于磁化曲线的形状：P209图22-1当磁路不饱和时，空载特性是一条直线，饱和后变成曲线；直线部分的延长线称为气隙线。通常，额定相电压点设计在空载特性的转折点。2.短路特性在短路情况下，只忽略发电机内部同步电压降和平衡，因此纯属电感性。对于隐杆机：对于凸极电机：由于：可见无论隐极、凸极机：此外，电枢反应在直轴上退磁，即磁通量较小的电机不饱和。因此：短路特性是一条直线P209图22-2(b)。此外，同步发电机的三相稳态短路并不危险，因为磁通小，感应电势小。3.利用空载特性和短路特性可以获得的非饱和值：P211图22-6由于磁路在短路期间不饱和，空载特性是直线，即气隙线，短路特性也是直线。因此，根据图中相同的励磁电流，从空载特性气隙线和短路特性进行检查。据我们所知，和的比值是和的不饱和值：；4.饱和度值的近似解P212图22-7:取空载特性饱和段的点，找出该点对应的相同励磁电流下的短路电流；然后：5.短路比定义了空载额定电压与产生的额定短路电流所需的励磁电流之比；由P212图22-7:可见：书籍P212案例22-16.零功率因数负载特性：(1)由于负载是纯电感性的，电机本身的阻抗也是纯电感性的(忽略)，电枢反应是直接轴退磁；因此，此时同步电机方程为：(2)空载特性和零功率因数负载特性之间有一个特性三角形P210图22-5根据上述同步电机方程：在空载特性上当时，励磁电流图的中间部分，即该部分被用来建立空载相电压；就负荷特性而言，当时的，励磁电流图的中间部分；其中，分段仍用于建立空载相电压，分段用于建立泄漏压降，分段用于补偿直轴电枢反应的退磁效应。由此可以得出，3354略大于实际电枢漏抗，称为梯度电抗。因为它没有改变，所以特征的大小没有改变。当三角形的点E在空载特性上移动时，点F的轨迹是零功率因数负载特性。当三角形的水平边缘移动到与横坐标重合时，点f=K对应于短路点。7.用滑动法计算、的非饱和值原动机拖动同步电机到接近同步速度，转子励磁绕组打开，定子加三相对称低电压(相序应使电枢旋转磁场和转子转向相同)，示波器记录电枢电压U和电枢电流I波形，见P213图22-8；然后：8.外部同样，容性负载将随着增加而增加，但现在它将随着增加而保持不变，因此必须降低激励电流。见P214图22-12。10.效率特征根据同步发电机的功率平衡方程：其中：全损效率第二十三章(一)同步发电机并网运行1.并联条件为避免并网时冲击电流和冲击转矩，并联时P217图23-1中开关q两端的电压差应为零，即发电机和电网的瞬时值必须始终相等。因此，并联条件：发电机和电网的相序、电压波形和频率一致；大小和相位相等；2.并联方式：发电机并联时的调整和运行过程称为全过程。由于电压波形设计已得到保证，电机转向和相序已标记。因此，整个步进过程只需要实现相同的尺寸、相位和频率。(1)精确整步法：调整发电机，使其完全满足并联条件，然后再投入电网消光法P218，图23-3:关闭条件：三盏灯都熄灭；当大小或相位不同时，三个灯都亮着。当频率不同时，三盏灯同时出现，亮的和暗的；灯光旋转方式P219图23-4:关闭条件：一灯关闭，两灯开启等。当大小或相位不同时，三盏灯都亮着，但亮度不同。当频率不同时，灯旋转；(2)自积分法：操作简单，但有一定的冲击电流励磁绕组首先被限流电阻短路，这将发电机拖动到接近同步速度的速度。发电机被放入电网，并立即施加DC励磁，转子被电磁转矩拉至同步。(2)同步发电机的功角特性1.凸极同步发电机的功角特性忽略，凸极电机相量图见P220图23-6:其中：其中：其中：其中：其中：3354凸极同步发电机的功角特性P220图23-7其中，基本电磁功率正弦变化，并与激励电位成正比。这时，达到最大值。附加电磁功率正弦变化；即使电机没有被激励，也就是说，只要凸极效应存在，有，那时，达到了最大值；3.隐极同步发电机的功角特性由于隐藏式电杆机，附加组件只是基本组件。隐极同步发电机的 3354功角特性：可以看出，当时隐极电机的最大电磁功率出现，而凸极电机的最大电磁功率出现在两者之间。书籍P221案例23-1(3)有功功率调节和静态稳定性将同步发电机并联的目的是向电网输出电力。电机并联到(无限)电网后，其端电压和频率与电网一致，不能改变。1.同步发电机