同步电机原理

1、会计学1同步电机原理同步电机原理同步发电机模型n0n0 转子直流励磁 原动机拖动转子磁场以速度n0旋转 定子导体感生电动势,定子带负载则有电流流过 定子电流产生旋转磁场，速度为n0 转子导体受电磁力，形成电磁转矩，和拖动转矩平衡定子转子（励磁）滑环三、同步电机的励磁方式 同步电机运行时，必须在励磁绕组中通入直流电流，建立励磁磁场。将供给励磁电流的整个装置称为励磁系统。 (1) 直流励磁机励磁 励磁绕组由小型直流发电机供电 (2) 静止整流器励磁 交流励磁机整流直流电励磁绕组(3) 旋转整流器励磁 交流励磁机整流直流电励磁绕组旋转励磁，无电刷四 、同步电机的冷却方式 随着单机容量的不断提高，大型

2、同步电机的发热和冷却问题日趋严重，冷却方式也不断改进。同步电机的冷却方式主要有以下几种。 空气冷却 氢气冷却 冷却 理想空载 调相机发电机状态电动机状态00功角U I 0E01E1I1xjI1 02E 2IxjI2 203E 3I xIj3 3xI j xIjUxIjrIUEa NNNNNcosIU3P 电动机：电动机：NNNNcosIU3P 发电机：发电机：60pnf 01N1N0kf44. 4E 同步电机运行分析感应电势频率：感应电势有效值：凸极同步发电机的空载磁场0 f)I(fEf0 )F(ff0 3 、负载运行（电枢反应）pf60n 磁磁场场转转速速： fFF 空空载载磁磁场场： af

3、FFF 负负载载磁磁场场： 电枢反应*实质：研究同步发电机负载时内部的电磁情况。负载以后，除转子磁势外，定子三相电流也产生电枢磁势。电枢磁势的存在，将使气隙中磁场的大小及位置发生变化，这种现象称之为电枢反应。电枢反应的性质主要决定于空载电势和负载电流之间的夹角，亦即决定于负载的性质。 感应电势为最大值。 电流也在此瞬间到达最大值。 电枢磁势与A相绕组中心线相重合。 电枢磁势滞后于转子磁势90 交轴电枢反应。电枢磁势产生去磁作用，称为直轴去磁电枢磁势。（2）Ia超前E090电角度（=90 ）时的电枢反应电枢磁势产生增磁作用，称为直轴增磁电枢磁势。 sinIIad cosIIaq aqadIII

4、aqadaFFF cosaaqFF sinFFaad 0900009001、隐极发电机的电磁过程aaxIjE xIjE aIIaF E EarI fIfF0 0E a aE 同步发电机电磁过程与电势方程2、隐极发电机的电势平衡方程taa0 xIjUEErIUE 其中 xxxxxxatat 并并且且有有称称为为同同步步电电抗抗同步电抗的物理意义：表征地对称负载下电枢电流产生的电枢总磁场在电枢每相绕组中的电磁效应。3、隐极发电机的等效电路：raxt0E I U注：去掉 ra 即可得到简化等效电路ta0 xIjrIUE 4、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 、

5、xt UIarI txIj 0E 当功率因数cos滞后时的相量图思考：隐极同步电动机有何不同？5、凸极发电机的电磁过程aI qI dI adFaqF E EarI fIfF0 0E ad aq adE aqE 6、凸极发电机的电势方程式addadxIjE aqqaqxIjE xIjE qqdda0 xIjxIjIrUE 其中：称称为为交交轴轴同同步步电电抗抗称称为为直直轴轴同同步步电电抗抗 xxxxxxaqqadd 思考：xd与xq有何不同，大小关系？7、凸极发电机的相量图已知端电压、负载电流和功率因数及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）利用

6、方程式求出：2）利用公式求出：)(0qddqaQxxIjExIjIrUE cosUIrsinUIxarctanaq qqdda0 xIjxIjIrUE 0EUfFFfaFFF功角意义的图示A：0fFFaIaF0EaEaEUNSF NSFf T1 nTem n1 功角意义的图示B功角是转子磁极轴线和定子合成磁极轴线的空间夹角 P1 pmec padpFe Pem pcu1 P2em1cuem201adFemec1emPPPPPP)PPP(PP 思考：电动机与发电机有何区别？同步发电机功率关系：13cosemPPUI从相量图中可知，3cos3cos()3coscos3sinsinemPUIUIUI

7、UI0sincoscossindqddqqIIIII XEUI XU020203cos3cos()3coscos3sinsin3cos3sin(cos )sin3cos3sin113sin3()cossin113sin3()sin 22emqdqddqddqdPUIUIUIUIUIUIEUUUUXXE UUXXXE UUXXX200011sin()sin22emdqdmEUUTmXXX20costtmEUmUQXX222011cos(cossin)ddqmE UQmUXXX（隐极电机）（凸极电机）隐极电机的有功功率功角特性：0emtE UPmUI cosmsinx003sinemtEUTX20

8、0011sin()sin22emdqdmE UUTmXXX对隐极式同步电动机，Xd=Xq=Xt03sinemtE UPX凸极电机的有功功率功角特性： cosmUIPP2em qdmUI cosmUI coscosmUI sinsinmUI cosmUI sin20emdqdE UU11Pmsinmsin2x2xxqqdd0I xU sinI xEU cos3U1E0 Xd Pem = sin Pem E0 ，当转子有励磁即 If 0 时存在。 1 XqPem = ( ) sin2 3U12 21 XdPem 是由于 Xd Xq 而引起的，与 If 是否存在无关。 特点： Pe 使 PeM。 P

9、eM 产生在90o 处。 功角特性与矩角特性 不再是正弦波。 基本分量 附加分量 （磁阻分量）OPe / T 90o PeM (TM)PePe 凸极电机2sin)11(2sin20dqdemXXUmXUmEP功率极限值(隐极)t0maxemxUEmP 0900PemPemmax1800Pem18000900Pemmax0emdTd0emdTd0emdTd判据：0emdPd隐极发电机的判据：比整步功率(kW/rad)0cos0emsyntdPE UPmdx 概念：当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。额定：功角2030稳定分析：静态稳定s

10、in 902 3.5sinmTNNTT隐极同步电动机额定运行N=3016.5 。凸极式同步电动机额定运行功率角更小。 负载改变时，随之变化，使同步电动机的电磁转矩或电磁功率跟着变化，以达到平衡状态。而电机的转速却保持同步转速不变。0max01sinsinemtTNNNtE UmPxE UPmx（静）过载倍数同步电机的重要特性：同步电机在保持输出有功不变的情况下，可以通过励磁电流的调节，使电机的功率因数发生变化。1、同步电动机的V形曲线同步电动机的V形曲线是指当电源电压与频率均为额定值，在输出功率不变的条件下，调节励磁电流If ，定子电流 I 会相应变化，绘制成的I = f (If) 曲线，形状

11、象“V”，故称V形曲线。,NNUUff即 无功功率的调节： 同步电动机可以通过励磁电流的调节，使电机的输出无功功率发生变化。常数cossin0mUIXUmEPtem常数常数cossin0IEtUXC不变 同步电动机输出有功功率P2恒定，改变励磁电流可以调节其无功功率 “正常”励磁时功率因数cos =1，电枢电流全部为有功电流，故数值最小 励磁电流小于正常励磁值(欠励)时，电动机功率因数cos 滞后，同步电动机相当于感性负载，要从电网吸取滞后无功。 励磁电流大于正常励磁值(过励)时，电动机功率因数cos 超前，同步电动机相当于容性负载，要从电网吸取超前无功 正常励磁 当 If = If0 时，

12、I1 与U1 同相， cos = 1, 电机呈电阻性。 欠励磁 当If If0时， I1 (I1 ) 滞后于U1， 电机呈电感性。 If ，感性程度 。 过励磁 当 If If0 时， 电机呈电容性， If | | ， 容性程度 。 I1 (I1) 超前于U1， U1jXtI1E0 E0 aajXtI1I1 bbE0 jXtI1I1 I1同步电动机的V形曲线I=f(If) ：同步电动机在有功功率恒定、励磁电流变化时，电枢电流随励磁电流变化的曲线(3)V形曲线每一功率（负载）对应一条V形曲线从欠励到正常励磁到过励I 有最小值每条曲线的最低点：cos=1， 连线向右倾斜。 每条曲线左边均有不稳定区

13、不稳定区域边缘：=900， 连线向右倾斜 每条曲线上的电流I变化量I 为无功分量 V形曲线的几个特点常数常数 cosmUIsinXUmEPt0em常数常数常数常数 cosIsinE02、同步发电机的V形曲线 空载特性试验电路及空载特性(a) 空载试验原理接线图； (b) 空载特性曲线短路特性 nn1 U=0时，Ia=Ik=f(If)曲线2、短路特性由空载及短路特性求取同步电抗dqXX65. 0011dkEXI%100UUE%UNN0 1、并联运行优点l提高供电可靠性。l提高供电的经济性和灵活性。l水电厂与火电厂并联调配发电，旺水期水电多发电，枯水期火电多发电；l用电高峰期和低谷期可灵活决定投入

14、电网的发电机数量，提高发电效率和供电灵活性。l提高供电质量。l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。n两台同步发电机并联运行q是电力系统中若干台发电机并联后的“等效”发电机；q是待并联的发电机。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、合闸)。合闸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。 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。 n将发电机调整到完全符合并联条件后的合闸操作。n调整过程常用同步指示器来判断条件的满足情况。3、 同步发电机并联合闸方法及分析电网发电机同步指示器（1）准确同步法（准确整步法）l最简单的同步指示器由三相相灯组成。1）接法：三只灯泡直接跨接于电网与发电机的对应相之间。（A）暗灯法灯接在A1、A2之间，灯和灯交叉接在B1、C2和C1、B2之间。发电机和电网电压相量图（B）灯光旋转法U I 0E01E1I