第六章_同步电机

1、第六章第六章 同步电机同步电机6.1 6.1 同步电机概述同步电机概述6.2 6.2 同步电机的主要结构及基本工作原理同步电机的主要结构及基本工作原理6.3 6.3 空载和负载时同步发电机的磁场空载和负载时同步发电机的磁场6.4 6.4 隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路6.5 6.5 凸极同步发电机的电压方程和相量图凸极同步发电机的电压方程和相量图6.6 6.6 同步发电机的功率平衡和转矩平衡同步发电机的功率平衡和转矩平衡6.7 6.7 同步电机参数的测定同步电机参数的测定6.8 6.8 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性6.1 6.1

2、 同步电机概述同步电机概述1 1同步电机的运行特点同步电机的运行特点 同步电机转子的旋转速度必须与定子磁场的旋转速度严格的同步，即 ,同步电机由此得名。pfn1160 1. 1. 同步发电机：同步发电机：机械能 交流电能 2. 2. 同步电动机：同步电动机：交流电能 机械能 3. 3. 同步调相机：同步调相机：接在电网上作空载运行的同步电动机，其主 要作用是补偿电网的无功功率，以提高功率因数。 二二. . 同步电机的分类同步电机的分类1. 1. 直流发电机励磁系统直流发电机励磁系统三三. . 励磁方式励磁方式GG副励磁机副励磁机主励磁机主励磁机同步发电机同步发电机2. 2. 静止式交流整流励磁

3、系统，如下图所示。静止式交流整流励磁系统，如下图所示。交流副励磁机交流副励磁机交流主励磁机交流主励磁机不可控整不可控整流起器流起器电压调电压调整器整器主发电机主发电机电电压压互互感感器器电流互感器电流互感器可控整可控整流起器流起器自励恒自励恒压器压器四四. . 同步电机的用途同步电机的用途 1. 1. 同步发电机同步发电机 世界上的电力几乎都由同步发电机发出。 2. 2. 同步电动机同步电动机 同步电动机即可作为电动机，又可通过调节励磁电流来改变功率因数。 3. 3. 同步调相机同步调相机 是同步电动机的一种特殊的运行方式，即接于电网作空载运行，专门用于电网的无功补偿，以提高功率因数。6.2

4、6.2 同步电机的主要结构及基本工作原理同步电机的主要结构及基本工作原理1 1主要结构主要结构同步电机旋转电枢式 旋转磁极式 隐极式（Salient-pole） 凸极式（Cylindrical-Rotor） 旋转磁极式又可分为凸极式和隐极式两种。 1. 1. 凸极式同步电机的结构凸极式同步电机的结构（1）定子部分 铁心 由电工钢片冲叠而成，其上安放三相对称绕组，构成磁路。 绕组 三相对称绕组，通入三相对称电流，以产生旋转磁场。（2）转子部分 铁心 由电工钢片冲成凸极叠压而成，其上安放励磁绕组，构成磁路。 绕组 励磁绕组，经电刷和滑环引入直流电，以形成主极磁场。2. 2. 隐极式同步电机的结构隐

5、极式同步电机的结构（1）定子部分:同凸极式（2）转子部分 铁心 由电工钢片冲叠而成圆柱体铁心，外围有磁槽，槽内安放励磁绕组，构成磁路。 绕组 励磁绕组，经电刷和滑环引入直流电，以形成主极磁场。二二. . 基本工作原理基本工作原理 1. 1. 发电机工作原理发电机工作原理 转子的主极磁场在原动机的拖动下旋转，切割定子的三相绕组，依次感应电势如下：AXZYBCNSsntEemAsin)120sin(tEemB)240sin(tEemC 2. 2. 电动机工作原理电动机工作原理 当同步电机的三相对称绕组通入对称三相电流时，在定子中产生旋转磁场。该磁场与主极磁场互相作用，产生电磁力矩，使转子跟着旋转磁

6、场旋转。其原理图如下：NoNSSon1 nn1 n三三. . 额定值额定值额定容量额定容量SN N( (或额定功率或额定功率P PN N ) )指额定运行时电机的输辅出功率 额定电压额定电压UN N 指额定运行时定子的线电压 额定电流额定电流IN N 指额定运行时定子的线电流 额定功率因数额定功率因数coscos 指额定运行时电机的功率因数 额定频率额定频率fN N 指额定运行时电枢的频率。我国标准工频规定为50Hz额定转速额定转速nN N 指额定运行时电机的转速，对同步电机而言，即为同步转速 6.3 6.3 空载和负载时同步发电机的磁场空载和负载时同步发电机的磁场一一. . 空载运行时同步发

7、电机的磁场空载运行时同步发电机的磁场 空载运行时，同步电机内仅有由励磁电流所建立的主极磁场。图（a）表示一台四极电机空载时的磁通示意图。从图可见，主极磁通分成主磁通0和漏磁通两部分，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。主磁通所经过的主磁路包括空气隙、电枢齿、电枢轭、磁极极身和转子轭等五部分。 空载特性如图（b）所示，它是同步电动机的一条很重要的特性曲线。0 （a）FIf,NU00, E0fIo空载特性 NU气隙线（b）二二. . 负载运行时同步发电机的磁场负载运行时同步发电机的磁场 当同步发电机向外供电时，其定子三相绕组中流过三相的对称电流同样产生旋转磁场，该磁

8、场对主极磁场的影响称为电枢反应。afffaFFFFIFI 电枢反应的性质(增磁、去磁或交磁)取决于电枢磁动势和主磁场在空间的相对位置。分析表明，此相对位置取决于激磁电动势E0和负载电流I之间的相角差0 (0称为内功率因数角)。下面分成两种情况来分析。aF1. 1. 与与 同相同相0EI(1)定子绕组内的电动势,电流和磁动势的空间矢量图相轴线相轴线AfFA0BXZYBCNSsnsnaF(2)时间矢量图时间参考轴时间参考轴CE0 A0 C0 BE0 AE0 B I1 00B0 AICI (3)时-空统一矢量图轴轴dfF)(aqnFF )(00 B I0 E1 (4)气隙合成磁场与主磁场的相对位置a

9、FeTAXZYBCNS0BBsn2. 2. 与与 不同相不同相0EIXsnadF相轴线相轴线AAZBCsnaFaqFNSfF（1） 滞后于 时的空间矢量图I0EfFadFaFaqF I0 0 1 0 E（2） 滞后于 时的时-空统一矢量图I0E1 0 IfFadFaF0 0 E（2） 超前 时的时-空统一矢量图I0E6.4 6.4 隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路一一. .隐极同步发电机的电压方程隐极同步发电机的电压方程taxIjIrUE0其中 称为同步电抗xxxat 同步电抗的物理意义：同步电抗的物理意义：表征对称负载下单位电枢电流三相联合

10、产生的电枢总磁场在电枢每相绕组中感应电势。txIjUE0简化方程式xxxat并且有二二. .隐极发电机的相量图隐极发电机的相量图已知发电机的端电压、负载电流和功率因数cos及参数ra 、xtUIarItxI j0E当功率因数cos滞后时的相量图三三. .隐极发电机的等效电路：隐极发电机的等效电路：raxt0EIU只要去掉只要去掉 r ra a 即可得到简化等效电路即可得到简化等效电路6.5 6.5 凸极同步发电机的电压方程和相量图凸极同步发电机的电压方程和相量图一一. .凸极发电机的电势方程式凸极发电机的电势方程式addadxI jEaqqaqxI jExIjEqqddaxIjxIjIrUE0

11、其中：xxxxxxaqqaddxxxqd称为直轴同步电抗称为交轴同步电抗并且有二二. .凸极发电机的相量图凸极发电机的相量图已知发电机的端电压、负载电流和功率因数及参数ra 、xd、xq 。已知内功率因数角按照电势方程式的关系作出相量图未知内功率因数角1.1.利用方程式求出利用方程式求出 ：2.2.利用公式求出利用公式求出：qaQxI jIrUEcossinarctanUIrUIxaq0 qI 0 E 0 UdI qqXI j IaRI ddXI j 6.6 6.6 同步发电机的功率平衡和转矩平衡同步发电机的功率平衡和转矩平衡输入输入功率功率P P1 1机械损机械损耗耗p pmecmec附加损

12、耗附加损耗p padad铁损铁损p pFeFe电磁功电磁功率率P Pemem定子铜损定子铜损p pcu1cu1输出功输出功率率P P2 2emcuemadFemecemPPPPPPPPPPP12011)(一一. .有功功率有功功率1.1.有功功率功角特性有功功率功角特性定义：并联于无穷大电网的同步发电机，当电网电压和频率恒定、参数（xd、xq、xt）为常数、空载电势E0不变（即 If 不变）时，Pem=f ()为有功功率功角特性。凸极电机的有功功率功角特性： 2sin112sincos202dqdemxxUmxUEmmUIPP隐极电机的有功功率功角特性：sincos0temxUEmmUIPsi

13、ncos*0*temxUEIUP功率极限值(隐极)temxUEmP0max0900PemPemmax1800发电机有功功率功角特性曲线：Pem18000900Pemmax两种电机功角特性的区别0180)390)2sin)10max0ememememPPPP0)40180)390)2sin)10max0附加与emememememPPPPP不成正比隐极：凸极：功角的双重物理意义：1、是电动势 和电压 间的时间相角差2、是励磁磁势 和合成磁势 间的空间相角差0EUfFFEEEUEa00a00FFf0ExI jxI jEEaaUIFfF0a功角意义的图示A：NSFNSFfT1nTemn1功角意义的图示

14、B功角 是转子磁极轴线和定子合成磁极轴线的空间夹角。判据：0ddPem隐极发电机的判据：比整步功率(kW/rad)0cos0temsynxUEmddPP静态稳定的概念： 指电网或原动机方面出现某些微小扰动时，同步发电机能在这种干扰消失后，继续保持原来的平衡运行状态。过载能力隐极发电机的过载能力NemPPmaxNNttNemxUEmxUEmPPsin1sin00max二二. .无功功率无功功率定义：并联于无穷大电网的同步发电机当电网电压和频率恒定、参数（xd、xq、xt）为常数、空载电势E0不变（即If不变）时，Q=f()为无功功率功角特性。凸极发电机无功功率的功角特性：2sin112112co

15、ssin220dqdqdxxUmxxUmxUEmmUIQ 隐极发电机无功功率的功角特性：ttxUmxUEmmUIQ20cossin隐极发电机无功功率功角特性的几个特殊点：txUEUmQ)(0000arccos0QEUtxUmQ2090励磁电流改变时的有功功率和无功功率功角特性:QPem1P1emP1Qaabb2Qb2emP增大励磁电流同步发电机不同运行方式时的相量图:UI0E01E1I1txjI102E2ItxjI2203E3ItxI j33txIj 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）0emPemPem

16、PemP磁励常正IfI01cos超前欠励滞后过励emememPPP区域不稳定090V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：=90o，连线向右倾斜；3、每条曲线上的电流变化量 I 为无功分量；4、励磁电流增大时，电枢电流变化规律为先增大后减小。三、转矩方程三、转矩方程sPT11seePTsFeppT0 把功率方程除以同步角速度，可得转矩方程 式中，T1为原动机的驱动转矩,Te为电磁转矩,T0为空载转矩，分别为：eTTT01eFePppP16.7 6.7 同步电机参数的测定同步电机参数的测定 空载特性可以用空载试验测出。试验时，电枢开路 (空载)，用

17、原动机把被试同步电机拖动到同步转速，改变励磁电流If，并记取相应的电枢端电压U0 (空载时即等于E0，直到U01.25UN左右，可得空载特性曲线 。)(0fIfE 短路特性可由三相稳态短路试验测得，试验线路如下页图a）所示。将被试同步电机的电枢端点三相短路，用原动机拖动被试电机到同步转速，调节励磁电流If使电枢电流I从零起一直增加到1.2IN左右，便可得到短路特性曲线，如下页图b）所示。一、用空载特性和短路特性确定一、用空载特性和短路特性确定X Xd da)短路试验接线图b)短路特性 短路时， ，故 ， ，而 所以 因为短路试验时磁路为不饱和，所以这里的E0(每相值)应从气隙线上查出，如下图所

18、示，求出的Xd值为不饱和值。 00900qIdIIdqqddaXI jXI jXI jRIUE0IEXd0 气隙线空载特性短路特性IE,00EIoIUXNd）（饱和fIfI气隙线空载特性短路特性IE,00EIo Xd的饱和值与主磁路的饱和情况有关。主磁路的饱和程度取决于实际运行时作用在主磁路上的合成磁动势，因而取决于相应的气隙电动势；如果不计漏阻抗压降，则可近似认为取决于电枢的端电压，所以通常用对应于额定电压时的Xd值作为其饱和值。为此，从空载曲线上查出对应于额定端电压时的励磁电流，再从短路特性上查出与该励磁电流相应的短路电流，如下图所示，这样即可求出 Xd(饱和)0fINU6.8 6.8 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性IUNIONUcoscos=0.8=0.8滞后滞后coscos=1=1coscos=0.8=0.8超前超前 同步发电机的稳态运行特性包括外特性、调整特性和效率特性。 外特性外特性表示发电机的转速为同步转速，且励磁电流和负载功率因数不变时，发电机的端电压与电枢电流之间的关系：即，=常值，cos=常值时，U=f(I)。 下图表示带有不同功率因数的负载时，同步发电机的外特