重庆大学《电机学》课件-第6章同步电机

同步电机

SynchronousMachines电气工程学院韩力电机学第6章2019重庆大学《电机学》2电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步电机的基本结构和运行状态空载和负载时同步发电机的磁场*隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路*凸极同步发电机的电压方程和相量图*同步发电机的功率方程和转矩方程*同步电抗的测定定子漏抗与电枢等效磁动势的测定同步发电机的运行特性同步发电机与电网的并联运行*同步电动机与同步补偿机本章内容*

重点3电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步电机的基本结构同步电机的励磁方式同步电机的运行状态同步电机的额定值本节内容4电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步电机的基本结构转枢式转极式凸极式隐极式少用少极、高速汽轮发电机多极、低速水轮发电机5电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院隐极与凸极同步电机隐极转子CylindricalRotor凸极转子Salient-poleRotor6电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院隐极同步电机-汽轮发电机7电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院凸极同步电机-水轮发电机8电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院凸极同步电机-水轮发电机视频(6’10”)9电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步电机的结构模型(1)10电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步电机的结构模型(2)11电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步电机的结构模型(3)12电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步电机的

结构模型(4)13电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步电机的结构模型(5)14电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步电机的结构模型(6)15电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步电机的励磁方式励磁系统：给同步电机励磁绕组供电的系统分类：直流励磁机系统静止的交流整流器励磁系统旋转的交流整流器励磁系统（无刷励磁系统）16电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院带副励磁机的直流励磁系统17电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院静止的交流整流器励磁系统18电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院旋转的交流整流器励磁系统19电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步电机的运行状态SN定子合成磁场SN定子合成磁场SN定子合成磁场N0S0主磁极nsTeTe=0N0S0主磁极nsN0S0主磁极nsTe发电机补偿机电动机δ功率角δ功率角20电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步发电机的运行SN定子旋转磁场N0S0主磁极nsTe21电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步电机的额定值额定容量SN（kVA）；额定功率PN（kW）额定电压UN（kV）额定电流IN（kA）额定功率因数cosφN额定频率fN（Hz）额定转速nN（r/min)额定效率ηN22电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院空载运行空载磁场对称负载运行电枢反应（重点）本节内容23电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步发电机空载运行空载运行：定子绕组开路，定子电流为零，转子绕组通入直流励磁电流，发电机被拖动以同步速度旋转的情况。24电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步发电机空载磁场25电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步发电机空载磁场OF0E0

Φ0If0UNΦ空载特性气隙线If空载磁场：由转子绕组的直流励磁电流建立。26电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步发电机空载电动势切割电枢绕组27电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步发电机空载电动势28电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院对称负载运行定子绕组接三相对称负载，定子电流不为零，有电枢磁动势产生；转子绕组通入直流励磁电流，有励磁磁动势产生；发电机被拖动以同步速度旋转。29电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院空载与对称负载运行时

物理情况对比运行状态电流磁动势磁通电动势合成电动势空载运行IfFfΦ0E0E0对称负载运行IfFfΦ0E0EIaFaΦaEa30电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院励磁磁动势Ff与

电枢磁动势Fa的特点磁动势基波波形大小位置转速共同点Ff正弦波恒定，由励磁电流决定由转子位置决定由原动机转速决定转速相等，转向相同，在空间相对静止。Fa正弦波恒定，由电枢电流决定由电流瞬时值决定由频率f和极对数p共同决定31电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院电枢反应定义：电枢基波磁动势对主极基波磁场的影响。性质：取决于电枢基波磁动势与励磁磁动势在空间的相对位置，有交磁、助磁、去磁之分。分析：取决于同步发电机的内功率因数角ψ0。32电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院ψ0＝0时的电枢反应BaB结论：电枢磁动势只有交轴分量，电枢反应对主极磁场的影响为交磁作用；交轴电枢反应使气隙合成磁场轴线位置从空载时的直轴处逆转后移一个角度，而幅值增加；转子主磁场B0超前气隙合成磁场B，电磁转矩对主磁极起制动作用。33电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院0°<ψ0<90°时的电枢反应结论：电枢磁动势包括交轴分量和直轴分量。交轴电枢反应对主极磁场的影响为交磁作用；直轴电枢反应对主极磁场的影响为去磁作用。34电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院-90°<ψ0<0°时的电枢反应结论：电枢磁动势包括交轴分量和直轴分量。交轴电枢反应对主极磁场的影响为交磁作用；直轴电枢反应对主极磁场的影响为助磁作用。35电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步电机的时空矢量图交磁去磁助磁36电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院最后3周时间安排星期二星期三星期五15周上课上课习题课课堂测验16周上课上课习题课课堂测验17周上课上课习题课课堂测验37电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院隐极同步发电机情况凸极同步发电机情况本节内容38电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院隐极同步发电机情况前提：不考虑饱和基本电磁关系电压方程式相量图等效电路同步电抗的物理意义39电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院隐极同步发电机

的基本电磁关系转子主极：定子电枢：40电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院隐极同步发电机

的电压方程式同步电抗电枢反应电抗不计饱和电压方程41电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院隐极同步发电机的相量图42电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院隐极同步发电机的等效电路～43电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院隐极同步发电机

相量图的求解方法方法一：利用电压方程式；方法二：利用几何关系。caobd已知：U,I,φ,Ra,Xs求：E0,δ44电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院电枢反应电抗的物理意义以上物理量都是定子绕组一相的值；Xa：对称负载下单位电流感应的电枢反应电动势；Xa：综合反映了三相对称电流所产生的磁动势对一相的影响；Xa：相当于感应电机中的激磁电抗Xm。电枢反应电抗45电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院凸极同步发电机情况前提：不考虑饱和双反应理论基本电磁关系电压方程式相量图等效电路直轴与交轴同步电抗的意义46电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院气隙对磁导的影响隐极极凸47电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院凸极同步发电机的电枢磁场d轴q轴FadBadFaqBaqBad1Baq1ψ0=90°ψ0=0°48电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院双反应理论电枢磁动势Fa的位置取决于ψ0。当Fa既不在直轴、也不在交轴，而位于任意位置时，可把Fa分解为直轴分量Fad和交轴分量Faq，分别求解直轴电枢反应和交轴电枢反应，两者叠加，在不计饱和时就可得到一般情况下凸极同步电机的电枢反应。49电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院凸极同步发电机

的基本电磁关系转子主极：定子电枢：50电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院凸极同步发电机

的电压方程式直轴电枢反应电抗交轴电枢反应电抗51电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院凸极同步发电机

的电压方程式52电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院凸极同步发电机的相量图现在的问题：如何确定ψ0？53电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院凸极同步发电机的相量图为了确定ψ0，画出相量图，定义一个虚拟电动势：与E0同相54电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院凸极同步发电机

相量图的标量求解方法55电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院凸极同步发电机的等效电路～56电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院直轴与交轴同步电抗的意义Φad(Λad)Φaq

(Λaq)Φσ(Λσ)Φσ(Λσ)57电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步电机参数的比较电机定子漏抗电枢反应电抗直轴同步电抗交轴同步电抗基本关系大小关系隐极机XσXaXsXsXs=Xd=Xq

=Xσ+XaXs>>Xσ>Ra凸极机XσXadXaqXdXqXd=Xσ+XadXq=Xσ+XaqXd>Xq>Xσ>Ra58电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院习题（2019.12.21交）6-1、6-2、6-4、6-5、6-7、6-859电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院功率方程(PowerEquations)电磁功率(ElectromagneticPower)转矩方程(TorqueEquation)本节内容60电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步发电机的功率方程原动机同步发电机电负载注意与教材的区别61电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步发电机的电磁功率交轴电枢电流是产生电磁功率、实现机电能量转换的必要条件。62电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步发电机的转矩方程原动机同步发电机电负载63电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院空载、短路特性求Xd转差法求Xd和Xq短路比的概念（补充）本节内容64电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步发电机的空载实验目的：测取同步发电机的空载特性。方法：电枢绕组开路，发电机空载运行；原动机拖动同步发电机以同步转速旋转。操作：逐渐增加励磁电流If，测量相应的If和电枢端电压U0，得到空载特性E0=f(If)直到U0≈1.25UN为止。原理：U0=E0IfE0OIf0UNφ空载特性65电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步发电机的短路实验目的：测取同步发电机的短路特性。方法：电枢绕组直接短路，U=0；原动机拖动同步发电机以同步转速旋转。操作：逐渐增加励磁电流If，测量相应的If和短路电流I，得到短路特性I=f(If)直到I≈1.2IN为止。IfIOOIfkIN短路特性66电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院隐极同步发电机

的短路特性分析IfIOOIfkIN短路特性纯去磁短路特性不饱和67电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院凸极同步发电机

的短路特性分析所以：结论：利用空载特性和短路特性，可以求出Xd。68电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院转差法求Xd

和Xq目的：同时测出Xd

和Xq

。方法：励磁绕组开路，If=0;定子绕组外施三相对称低电压，U≈(2～5)％UN；定子旋转磁场与转子转向一致；转速接近但不等于同步转速，S<0.5%。操作：用示波器拍摄电枢电压、电枢电流和励磁电压波形。69电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院转差法求Xd和Xq原理：当定子磁场与d轴重合时，I=Id，Iq=0，电抗达到最大值；当定子磁场与q轴重合时，I=Iq，Id=0，电抗达到最小值。所以：70电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步发电机的短路比定义：对应于空载额定电压的励磁电流下，在三相稳态短路时，短路电流与额定电流之比。转换：产生空载额定电压时与产生额定短路电流时所需的励磁电流之比。IfE0IOUNφIf0Ik0空载特性短路特性气隙线IfkINE’071电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步发电机的短路比I’f0IfE0IOUNφIf0Ik0空载特性短路特性气隙线IfkINE’072电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步发电机的短路比kcX*d气隙优点缺点大小大发电机性能好：端电压变化小稳定性高励磁安匝和用铜量增加电机尺寸和成本增加小大小电机成本低电压调整率大稳定性差73电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院外特性调整特性效率特性本节内容74电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院前提：n=ns，If=C，cosφ=C求取：U=f(I)当φ≥0时：去磁的电枢反应和感性漏抗电压使U下降。当φ＜0时：助磁的电枢反应和容性漏抗电压使U上升。同步发电机的外特性cosφ=0.8滞后cosφ=0.8超前cosφ=175电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步发电机的外特性过励状态欠励状态76电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步发电机的电压调整率额定励磁电流IfN：当n=ns

、I=IN、cosφ=cosφN、U=UN时的励磁电流。电压调整率Δu：保持n=ns

、If=IfN不变，当I=0时，端电压升高的百分比。凸极：18％～30％隐极：30％～48％77电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院前提：n=ns，U=UN，cosφ=C求取：If=f(I)当φ≥0时：电枢反应为去磁。当φ＜0时：电枢反应为助磁。同步发电机的调整特性cosφ=0.8滞后cosφ=0.8超前cosφ=178电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步发电机的效率特性前提：n=ns，U=UN，cosφ=cosφN求取：η=f(P2)测量方法：直接负载法，损耗分析法。范围：现代大型同步发电机的效率一般都在95％以上。79电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院并联运行的目的意义投入并联运行的条件投入并联运行的方法并网后的功角特性有功功率的调节无功功率的调节本节内容80电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院发电机并网运行的意义减少发电厂的储备容量：发电厂可以根据负荷的发展，相应地逐步增加发电机的台数。提高发电厂运行的经济性：发电厂可按照负荷变化倩况，确定投入并联运行的发电机台数。提高供用电的质量和可靠性：由多台发电机组成一个发电厂，由许多发电厂构成电力系统，容量大，负荷变化时对系统的电压和频率的影响就小。81电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步发电机与电网的相序必须一致；同步发电机与电网的频率应相同；同步发电机的激磁电动势E0与电网电压U的幅值、相位、波形应相同。同步发电机

投入并联运行的条件82电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院相序一致：多相系统相容的基本要求。波形、频率、幅值、相位相同：交流电磁量相等的基本条件。同步发电机

投入并联运行的条件相序：取决于接线波形：取决于设计频率：取决于转速幅值、相位：励磁83电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院准确整步法直接接法交叉接法自整步法同步发电机

投入并联运行的方法84电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院直接接法（灯光熄灭法）灯光旋转？灯光时明时暗？闪烁的快慢？灯光发亮？85电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院交叉接法（灯光旋转法）灯光旋转灯光亮度一致A相灯光熄灭86电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院自整步法前提：相序一致。将励磁绕组通过限流电阻短接；拖动到接近同步速（相差2~5％），在无励磁电流的情况下，将发电机接入电网；再接通励磁并调节励磁，依靠定子磁场和转子磁场之间的电磁转矩，将发电机牵入同步转速。注意事项：励磁绕组必须通过一个限流电阻短接，因为直接开路，将在其中感应出危险的高压；直接短路，将在定、转子绕组间产生很大的冲击电流。约为励磁电阻的10倍87电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步发电机并网方法的比较方法定义优点缺点准确整步法调节发电机直到完全满足并网条件冲击电流小并网操作复杂、费时自整步法自动整步，把发电机牵入同步运行并网操作简单、迅速冲击电流大88电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院前提：E0、U、f保持不变；忽略电枢电阻，Ra=0。不计饱和寻求：Pe＝f(δ)同步发电机的功角特性89电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步发电机的功角特性90电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步发电机的功角特性91电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步发电机的功角特性基本电磁功率：附加电磁功率：PePe1Pe2δPeO发电机：0°≤δ≤180°电动机：-180°≤δ≤0°磁阻功率92电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院隐极与凸极同步发电机

功角特性的比较PePe1Pe2δPeO隐极同步发电机：

Pe=Pe1∝sinδ，Pe2=0

当δ=90°时：Pe=Pe(max)凸极同步发电机：

Pe=Pe1+Pe2，与sinδ没有正比关系

Pe2与E0没有关系，只取决于电网电压和凸极效应Pe(max)出现在δ<90°的地方，且Pe(max)>Pe1(max)

93电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院隐极与凸极同步发电机

功角特性的比较凸极同步发电机：隐极同步发电机：94电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院凸极同步发电机的

最大电磁功率计算95电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院功率角的双重含义δδSN电枢合成磁场N0S0主磁场nsTeδ96电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院“无穷大”电网的概念有功功率的调节静态稳定同步发电机有功功率的调节97电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院电网视在功率S等于无穷大；电网电压U等于常数；电网频率f等于常数。“无穷大”电网的概念发电机无穷大电网恒频恒压电网98电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院有功功率的调节99电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院要增加发电机输出的有功功率P2，必须增加原动机输入的机械功率P1，使功率角δ增大。在电网电压、频率和发电机励磁电流不变的情况下，改变功率角，可以调节有功功率。对隐极同步发电机，当δ=90°时，电磁功率和有功功率达到最大。有功功率的调节100电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院静态稳定的概念：当电网或原动机出现微小扰动时，同步发电机能够继续稳定运行；当外界微小扰动消失后，同步发电机能够回到原来的稳定运行点。同步发电机的静态稳定性101电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院静态稳定的条件：同步发电机静态稳定的条件整步功率系数102电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院提高静态稳定性的办法：增加励磁电流；减小同步电抗（增加短路比）。同步发电机的静态稳定性103电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院无功功率的调节V形曲线（增加）输出能力曲线同步发电机无功功率的调节104电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院当发电机带感性负载时，电枢反应具有去磁效应。在有功输出不变的情况下，为了调节无功输出，必须调节励磁电流，才能维持发电机端电压不变。同步发电机无功功率的调节105电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步发电机无功功率的调节正常励磁：φ=0，cosφ=1，Q=0过励磁：φ>0，cosφ滞后，Q>0(感性)欠励磁：φ<0，cosφ超前，Q<0(容性)106电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步发电机的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，电枢电流I和励磁电流If的关系曲线。I＝f（If）正常励磁滞后过励超前欠励不稳定区IfIOPe=0P’e>0P”e>P’ecos

φ=1cos(-φ)=0.8cos

φ=0.8107电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院V形曲线的特点每条曲线的最低点连线向右倾斜，cosφ=1不稳定区边缘连线向右上倾斜，δ=90°当励磁电流从零增大时，电枢电流变化规律为先减小后增大每条曲线上的电枢电流变化量为无功分量108电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院输出能力曲线作用：当cosφ变化时，用来反映同步发电机的输出能力。定义：允许输出的最大无功功率与有功功率之间的关系曲线，Q＝f(P)。OPQAB受制于励磁电流QNPNφNN(额定点)SN受制于电枢电流109电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院例题：一台凸极同步发动机，X*d=0.8，X*q=0.5，R*a=0，接在U*=1的电网上，运行工况为I*=1、cosφN=0.8(滞后)。

求：（1）E*0和ψ0；（2）P*e和P*e(max)

；（3）kp。110电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院习题（2019.12.28交）6-9、6-13、6-166-17、6-18、6-19111电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步电动机概述同步电动机的工作原理同步补偿机简介本节内容112电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步电动机的结构一般采用凸极结构；磁极表面安装有起动绕组（阻尼绕组）。同步电动机的优点可以改善功率因数；低速时，同步电动机的体积与重量比同容量、同转速的感应电动机要小；气隙大，Xd小，过载能力高，静态稳定性好。同步电动机的缺点起动不方便；只适合恒速负载；结构复杂、成本高。同步电动机概述113电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院电压方程、相量图功角特性功率方程、转矩方程功率因数特性V形曲线起动方法同步电动机工作原理114电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步电机运行状态的变化SN定子合成磁场N0S0主磁极TeδnsT1SN定子合成磁场Te=0N0S0主磁极nsT1SN定子合成磁场N0S0主磁极T2δnsTe115电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步电机电压方程与相量图发电机惯例：电动机惯例：同步电动机电压方程～116电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步电机电压方程与相量图发电机惯例：电动机惯例：117电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院凸极同步电动机的相量图118电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步电动机的功角特性发电机惯例：电动机惯例：119电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步电动机的

功率方程和转矩方程功率方程：转矩方程：其中：120电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院隐极同步电机的标幺值系统发电机：电动机：121电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步电动机的工作特性O前提：U＝UN，If＝IfN工作特性：Te＝f(P2)IM＝f(P2)η＝f(P2)cosφ＝f(P2)ηTeT0IMI0122电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步电动机的功率因数特性IfI’fI”fIf<I’f<I”f1.01.0O超前滞后变化规律：在同一励磁电流下，随着负载的增加，功率因数从超前变到滞后；在同一负载下，调节励磁电流，可以改善功率因数。123电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步电动机无功功率的调节正常励磁：φM=0，cosφM=1，Q=0过励磁：φM<0，cosφM超前，Q<0(容性)欠励磁：φM>0，cosφM滞后，Q>0(感性)124电机学教案，©2019by重庆大学电气工程学院同步电动机的V形曲线正常励磁超前过励滞后欠励不稳定区IfIMOPe=0P’e>0P”e>P’ecos

φM=1cos

φM