电机学 第6章 同步电机

《电机学》ElectricalMachinery

电气工程系第6章同步电机6.1同步电机的基本结构和运行状态6.2空载和负载时同步发电机内的磁场6.3隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路6.4凸极同步发电机的电压方程和相量图6.5同步发电机的功率方程和转矩方程6.6同步电抗的测定6.7定子漏抗和电枢等效磁动势的测定6.8同步发电机的运行特性6.9同步发电机与电网的并联运行6.10同步电动机与同步补偿机6.11同步发电机的不对称短路6.12同步发电机的三相突然短路6.13三相磁阻电动机燃烧室燃料锅炉的炉膛循环水汽轮机发电机3600r/min升压变压器超热高压蒸汽电能输出电能的产生认识同步电机—同步发电机大亚湾核电站发电机组认识同步电机—同步发电机汽轮机同步发电机励磁机火电厂汽轮发电机现场认识同步电机—同步发电机同步发电机是将机械能转变为交流电能的设备。在火电厂，发电机用汽轮机作原动机，称为汽轮发电机；在核电站是以核反应堆来代替火电站的锅炉，原动机仍然是汽轮机；在水电厂，发电机用水轮机作原动机，称为水轮发电机；用柴油机用作原动机，称为柴油发电机。汽轮发电机水轮发电机柴油发电机认识同步电机—同步发电机1、同步电机的基本结构旋转电枢式：磁极装在定子上，电枢旋转，因电枢功率不易由滑动部分送出，只适于较小容量发电机。旋转磁极式：磁极装在转子上，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。同步电机基本结构：定子（也称电枢）转子定转子间气隙。6.1同步电机的基本结构6.1同步电机的基本结构

转子：直流励磁，形成固定磁极，当转子旋转时，形成旋转磁场；按转子磁极端形状不同同步电机可分为隐极式同步电机和凸极式同步电机。定子铁心：硅钢片叠成。机座：钢板焊接面成，有足够的强度和钢度。电枢绕组：三相对称绕组——铜线制成(定子电枢)汽轮发电机定子风力发电机定子发电机定子铁心发电机定子6.1同步电机的基本结构—定子6.1同步电机的基本结构—定子汽轮发电机定子汽轮发电机转子汽轮发电机转子水轮发电机转子水轮发电机转子6.1同步电机的基本结构—转子隐极式同步电机转子:隐极式多用于高速的汽轮发电机，转子与定子相仿，在圆周上刻有槽和齿，有槽部份约占三分之二，激励绕组分布于槽中，无槽部分为大齿.凸极式同步电机转子:凸极式多为低速的水轮发电机，转子激励绕组绕在磁极上，磁极再安装在轴幅上，磁极表面还有阻尼绕组.6.1同步电机的基本结构气隙均匀气隙不均匀强度高强度低汽轮发电机水轮发电机同步电动机小型同步发电机隐极式凸极式6.1同步电机的基本结构汽轮发电机2极，转速高；直径小，长度长；一般为卧式。水轮发电机极数多，转速较低；直径大，长度短；一般为立式。基本结构：定子：与异步电机相同转子：转子绕组直流励磁，形成固定磁极，当转子旋转时，形成旋转磁场.气隙同步电机特点转子绕组直流励磁转速等于同步转速异步电机对比转子绕组自闭合转速不等于同步转速如果FLASH无画面，则右击鼠标选择播放同步电机与异步电机结构对比转子：励磁绕组通入直流电，建立主极磁场；If,由转子N极出来气隙定子铁心气隙转子S极定子：电枢绕组嵌放在电枢铁心槽里，三相对称，空间互差1200电角度，匝数相等，是切割磁场的导体。SNnIf2.同步电机工作原理2.同步电机工作原理原动机带动转子恒速旋转

建立转子旋转磁场

磁场切割定子三相对称绕组

产生三相交变电动势。U2U1W2V1W1V22.同步电机工作原理交流电势频率f的确定当转子为1对磁极时，转子旋转一周，定子绕组中感应电势变化一个周期；当同步发电机有p对极时，转子旋转一周，感应电势交变p个周期。当发电机有P对磁极，转子转速为每分n转时，产生交流电的交变电势频率为：当电力系统频率f一定，发电机转速为恒定值，这是同步发电机的主要特点。3.同步电机的运行状态电动机——把电能转换为机械能。补偿机——没有有功功率的转换，只发出或吸收无功功率。发电机——把机械能转换为电能。同步电机运行状态，主要取决于定子合成磁场与转子主磁场之间的夹角δ，δ称为功率角。同步电机的运行状态:把定子合成磁场想象成一个旋转的磁极发电机：转子磁极超前定子合成磁场磁极时。电动机：转子磁极滞后前定子合成磁场磁极时。补偿机：转子磁极与定子合成磁场磁极轴线重合。沿运动方向，电磁转矩为0，不进行能量交换。发电机补偿机电动机3.同步电机的运行状态额定容量PN：对同步发电机而言，额定运行时电机输出电功率；额定电压UN：额定运行时定子三相绕组线电压；额定电流IN：额定运行时定子绕组线电流；额定功率因数cosφN：额定有功功率和额定视在功率的比值，对于同步发电机，其值一般为0.8~0.9滞后；额定频率fN，额定运行时定子频率，额定为50HZ；额定转速nN，额定运行时电机的转速，即同步转速。同步发电机4.同步电机的额定值同步发电机，额定容量25000kVA，额定电压10kV，功率因数0.8滞后，额定电流为多少？4.同步电机的额定值6.2空载和负载时同步发电机内的磁场1、同步发电机的空载运行用原动机拖动同步发电机到同步转速，励磁绕组通入直流励磁电流，定子绕组开路（或电枢绕组电流为0）的情况。同步电机在空载时，气隙中仅存在着转子磁势。空载运行时磁场分布如右图：同步电机的空载磁路1.同步发电机的空载运行当转子以同步转速旋转时，主磁场将在气隙中形成一个旋转磁场，在定子绕组内感应出对称三相电动势（激磁电动势）

有效值：改变励磁电流If大小,激磁电动机E0改变，其对应的空载特性如下图所示：☆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（将其延长后的射线称气隙线）。☆空载特性与电机磁路的磁化曲线具有类似的变化规律。1.同步发电机的空载运行同步电机内的磁场转子转子主磁场主极磁场转子漏磁场定子定子主磁场电枢反应磁场定子漏磁场如果FLASH无画面，则右击鼠标选择播放1.同步发电机的空载运行电枢反应:电机带上负载后，电枢磁动势的基波在气隙中使气隙磁通的大小及位置均发生变化,这种影响称为电枢反应。电枢反应的性质：增磁、去磁或交磁。取决于电枢磁场Fa和主磁场Ff在空间的相对位置。分析表明，此相对位置取决于电枢绕组空载电动势E0和电枢电流I之间的相角差Ψ0(Ψ0称为内功率因数角)。励磁磁动势Ff随转子旋转；电枢磁动势Fa本身为旋转磁场，与转子同速同向旋转，二者在空间相对静止。2.电枢反应转子旋转时，主磁极磁场旋转，当旋转到图示位置时，A相绕组轴线与主磁极轴线垂直。A相绕组切割最大主(极)磁场B0。A相绕组中激磁电动势E0为最大值。如果，则这时候A相绕组中电流最大，此时电枢电流I单独产生的磁动势Fa轴线与A绕组轴线重合,与主极磁动势垂直。交磁2.电枢反应时间相量图A相链过的主极磁通主极磁场主极磁动势空间矢量图时-空统一矢量图绑定时间相量与空间矢量图2.电枢反应时-空统一矢量图分析在时空统一相量图中，Ff既代表主磁极磁动势方向，也可代表主磁通φ0的方向（绑定）I既可代表电枢电流的方向，也可代表电枢磁动势Fa的方向（总结出来的）。I与E0方向重合是因为假定Ψ0=0造成。I与Fa方向重合2.电枢反应转子到此E0与I同相时磁动势位置ω1t=Ψ0前的磁动势位置FaFa时-空统一矢量图电动势E02.电枢反应使用时-空失量图进行分析在时空矢量图上，电流I既表示A相电流相量，又表示电枢磁动势Fa的空间相位。根据I的相位判断Fa的空间相位。判断电枢磁动势与主磁极磁动势的相互位置，及作用性质。2.电枢反应电枢磁动势Fa的分解电枢磁动势可分解为两个相互垂直的分量：交轴分量和直轴分量。直轴增磁或去磁交轴交磁2.电枢反应直轴电枢反应磁场与励磁电流共同作用,在励磁绕组上产生电磁力,但不能形成电磁转矩；直轴去磁（或助磁）电枢反应对气隙磁场有去磁（或助磁）作用，致使电压下降（或上升）。为维持电压恒定所需的励磁电流也需要相应增加（或减小）。交轴电枢反应与励磁电流共同作用，在转轴上产生制动性质的电磁转矩。输出的有功功率越大，有功分量电流就越大，交轴电枢反应越强，电磁转矩越大，这就要求原动机输入更大的驱动转矩，维持电机的转速不变。交轴电枢反应的存在是实现机—电能量转换的关键。2.电枢反应同步电机的结构特点同步发电机工作过程同步电机电枢反应123课堂思考为简化分析所做的假设：忽略磁路饱和同步发电机负载运行时各物理量的关系如下：激磁电动势主极磁场电枢反应电动势电枢反应主磁场6.4隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路采用发电机惯例规定正方向：Xa：电枢反应电抗；：电枢漏电抗。6.3隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路同步电抗是表征电枢反应和电枢漏磁两个效应的一个综合参数。6.3隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路功率角直轴电枢反应去磁6.3隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路不计电枢电阻时的电压方程及相量图：已知U=□□kV，I=□□A，cosφ=0.8(滞后)，Xs=□Ω，磁路不饱和，忽略电枢电阻时，求激磁电动势E0和内功率因数角ψ0大小。？？6.3隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路凸极同步电机的特点：气隙不均匀，直轴气隙小，交轴气隙大。相同大小的磁枢磁动势作用于不同的气隙位置时，产生不同的磁密。采用双反应理论分析凸极同步电机。1.双反应理论6.5凸极同步发电机的电压方程和相量图双反应理论：当电枢磁动势作用于交、直轴间的任意位置时，可将之分解成直轴分量和交轴分量，先分别求出直、交轴电枢反应，最后再把它们的效果叠加起来——双反应理论。

把电枢磁动势Fa分解为：直轴磁动势--产生直轴磁场；交轴磁动势--产生交轴磁场。作用于直轴上作用于交轴上直轴电枢反应磁场Bad1交轴电枢反应磁场Baq1见下图1.双反应理论凸极同步电机电枢反应磁通及所经磁路直轴电枢分量交轴电枢分量1.双反应理论不考虑磁饱和时同步发电机负载运行时物理量的关系：直轴电动势交轴电动势交轴电枢磁场直轴电枢磁场2.凸极同步发电机的电压方程和相量图（不考虑磁饱和）采用发电机惯例规定正方向：电枢电流I分解成直轴分量和交轴分量:其中，Xad：直轴电枢反应电抗；Xaq：交轴电枢反应电抗同理：2.凸极同步发电机的电压方程和相量图同步电抗是表征对称负载运行时电枢漏磁和直轴或交轴电枢反应的一个综合参数。2.凸极同步发电机的电压方程和相量图

：功率因数角；

：功率角。

0：内功率因数角；直轴电枢反应电动势在直轴上，与激磁电动势在同一轴上。2.凸极同步发电机的电压方程和相量图2.凸极同步发电机的电压方程和相量图2.凸极同步发电机的电压方程和相量图该等效电路在计算凸极同步电机在电网中的运行性能和功角时常常用到。2.凸极同步发电机的电压方程和相量图输入功率P1机械损耗pmec附加损耗pad定子铁损pFe电磁功率Pem定子铜损pcu1输出功率P21.功率平衡方程6.5同步发电机的功率方程和转矩方程2.转矩平衡方程P1－(pmec+pFe+pad)=PemT1－T0=Tem两边同时除以同步角速度

s=2ns/606.5同步发电机的功率方程和转矩方程6.6同步电抗的测定1.空载实验试验条件电枢开路（空载）用原动机拖动同步电机到同步转速ns改变励磁电流If，并记取相应的电枢端电压U0（空载时U0=E0），直到U0=1.25UN左右，就可以得到空载特性曲线E0=f（If）。试验目的：测得空载特性E0=f（If）试验条件电枢绕组短路用原动机拖动同步电机到同步转速ns试验目的：测得短路特性I=f(If)调节励磁电流If，使电枢电流I从零一直增加到1.2IN左右，便可以得到短路特性曲线。2.短路实验6.6同步电抗的测定空载实验和短路实验—接线图空载实验短路实验6.6同步电抗的测定注意：在绘制空载特性曲线时，应注意把E0换算成相值。空载特性实质是电机的磁化曲线。空载实验和短路实验—特性曲线6.6同步电抗的测定6.7定子漏抗和电枢等效磁动势的测定1.零功率因数负载特性纯感性负载（功率因数为0），电枢电流为额定电流时，发电机端电压与励磁电流之间关系。6.7定子漏抗和电枢等效磁动势的测定2.由空载特性和零功率因数负载特性求取参数6.8同步发电机的运行特性运行特性：外特性，调整特性，效率特性外特性n=同步转速，If和cosφ不变时，发电机端电压和电枢电流之间的关系U=f(I)电压调整率6.8同步发电机的运行特性调整特性n=同步转速，端电压=额定电压，cosφ=常数时的励磁电流和电枢电流之间关系，If=f(I).效率特性n=同步转速，端电压=额定电压，cosφ=常数时发电机效率与输出功率P2之间关系，η=(P2).同步发电机的并联运行单机运行发电机的缺点：供电质量和可靠性差发电机端电压和频率发生变化设备检修时用电设备停止运转并网运行许多发电厂（及发电机）并联，构成电力网并网运行的优点电网容量大，负载对电网冲击对电网影响减小，电网电压和频率稳定，对其他用电设备影响也小经济、合理利用动力资源，便于安排发电设备轮流检修6.9同步发电机与电网的并联运行1.投入并联的三个条件☆发电机的相序与电网一致，必须保证;

☆发电机的频率与电网一致;☆并网时，发电机的激磁电动势E0（即端电压）与电网电压U大小相等，相位相同。目的：并网时，发电机与电网三相之间不允许出现过大电压差，避免引起较大冲击电流6.9同步发电机与电网的并联运行相序必须相同，电压和频率允许稍有出入。完全一致时，可合闸并网。电压和频率稍有出入时，可强行并网，系统对发电机电压和频率自动进行修正（牵入同步）具体调节发电机策略：相序：电压：频率：电动势相位：如不一致，可调换接线；调节发电机励磁电流，E0=f(If)；调节同步发电机（的原动机）转速；调节发电机瞬时速度，即瞬时加速减速。并联策略准确整步法：把发电机调整到理想并联条件，然后并网合闸采用同步指示器，观察调节。如：同步指示灯（常见有两种接法）：直接接法；交叉接法自整步法：对发电机频率和电动势相位进行粗略调节，并网后，电网对发电机进行整理。投入并联的方法电压与相序的保证如果频率不同，三灯同时明灭当三灯同时熄灭时，条件满足，可以并网合闸直接接法如果频率不同，三灯循环明灭当A灭，BC灯同亮时，条件满足，可以并网合闸交叉接法功角特性当激磁电动势E0和端电压U保持不变时，发电机发出的电磁功率和功率角δ之间关系，Pem=f(δ)。功率表达式大中型发电机电枢电阻Ra远小于同步电抗Xs，常忽略不计2.与无穷大电网并联时同步发电机的功角特性以凸极同步发电机为例：

设法消去Id和Iq2.与无穷大电网并联时同步发电机的功角特性基本电磁功率凸极同步发电机

Xd≠Xq隐极同步发电机

Xd=Xq附加电磁功率2.与无穷大电网并联时同步发电机的功角特性运行状态0°～180°Pe为正,发电机-180°～0°Pe为负,电动机最大值基本电磁功率在90°时达到最大附加电磁功率在45°时达到最大,总电磁功率在45°

～90°区域内达到最大2.与无穷大电网并联时同步发电机的功角特性刚并联的同步发电机I=0电压相等：E0=U相位相同：δ=0输出功率(隐极机为例)转矩平衡原动机转矩T1为驱动性质电磁转矩Te=0转矩平衡方程T1仅用来克服发电机的空载转矩T03.有功功率的调节欲使发电机输出电功率，应增加发电机输入功率通过增加汽轮机的汽门，增加输入转矩T1T1增大时，发电机转子瞬时加速主磁极磁场超前定子合成磁场，E0超前U角度δ产生电枢电流输出功率转矩平衡保持此角度3.有功功率的调节并联于无穷大电网的同步发电机要增加发电机的输出功率，必须增加原动机的输入功率，使功率角增大。直到功率角等于90°时，电磁功率达到最大值。在电机的最大功率增大到Pe（max）时，不能再增加输入功率。否则驱动转矩与制动转矩不能实现平衡，发电机会失去同步。3.有功功率的调节问题：为什么要调节并网发电机的无功功率？电网中除了有功负载外，还有无功负载，如果电网中各台发电机发出的无功功率不能满足电网对无功功率的要求，则感性电流的去磁效应会导致整个电网电压水平下降，因此要调节与电网并联运行的同步发电机的无功功率。发电机的无功率为：（以隐极式为例）4.无功功率的调节以隐极发电机为例忽略电枢电阻假定磁路不饱和根据功率平衡关系可知，在调节励磁前后，发电机的电磁功率和输出的有功功率均应近似的保持不变。即：4.无功功率的调节1）正常励磁发电机输出功率全部为有功功率cosφ=1

I与U夹角为0以隐极式同步发电机为例，并联于无穷大电网的同步发电机，当保持有功输出不变，调节励磁电流If时，其他各物理量的向量分析过程如下：4.无功功率的调节2）过励磁If增大，E0增大电流滞后；除向电网输送有功功率，还向电网输送滞后的无功功率。3）欠励磁If减小，E0减小电流超前；除向电网输送有功功率，还向电网输送超前的无功功率。正常励磁Eosinδ=CIcosφ=C4.无功功率的调节123正常励磁cos

=1，发电机输出功率全部为有功功率过励，加大励磁电流，电枢电流将滞后于电网电压。欠励，减小励磁电流，电枢电流将超前于电网电压。4.无功功率的调节调节励磁电流就可以调节无功功率这一现象，还可以用磁动势平衡关系来解释。发电机与无穷大电网并联时，其端电压恒为常值，所以无论励磁如何变化，电枢绕组的合成磁通近似不变。当增加励磁电流并达到“过励”时，主磁通增多，为维持电枢绕组的合成磁通不变，发电机应输出滞后电流，使去磁性的电枢反应增加，以补偿过多的主磁通。反之，减小励磁电流而变为“欠励”时，主磁通减少，为了维持合成磁通不变，发电机必须输出超前电流，以减小去磁性的电枢反应，甚至使电枢反应变为增磁性，以补偿主磁通。4.无功功率的调节并联于无穷大电网的同步发电机，保持有功功率不变时，表示电枢电流和励磁电流的关系曲线称为“V”形曲线。发电机运行时，定子电流和励磁电流是运行人员主要监视的两个物理量，这两个量关系到定子绕组和励磁绕组的温度，又牵涉到功率因数的超前或滞后以及运行的稳定性问题。对于一个给定的有功功率输出就有一条V形曲线，有功功率越大，曲线向上移，因此可是以得到一簇“V”形曲线。4.无功功率的调节4.无功功率的调节静态稳定：指并联在电网上稳定运行的同步发电机，当受电网或原动机方面某些微小扰动时，能在这种干扰消失后，继续保持原来稳定运行状态的能力。在a点运行时电机具有静态稳定的能力。若干扰使功角δ增大到a′点，Pem和Tem增大，迫使电机减速，功角δ变小，电机回到a点。而b点为不稳定运行点。静态稳定同步电机并联运行的条件同步发电机有功功率和无功功率的调节同步电机V形曲线123课堂思考6.10同步电动机与同步补偿机同步电动机的工作原理旋转磁场和主磁极相互作用，产生电磁转矩，带动转子持续旋转同步电动机的特点：稳态运行时，转子转速与负载大小无关，始终为同步转速功率因数可以调节内容一、同步电动机电压方程和相量图二、功角特性，功率方程和转矩方程三、运行特性四、起动五、同步补偿机1.同步电动机电压方程和相量