《物理同步电机》PPT课件.ppt

1、第六章 同步电机的稳态分析,1）同步电机转子转速与旋转磁场转速始终相同。,2）同步电机主要作为发电机运行。,3）同步电机也可以作为电动机运行。,如无刷直流电动机、永磁同步电动机、步进电动机等。,转速恒定，一般应用于不需调速的大功率机械中；能向电网提供感性无功功率，以改善用户的功率因数。,概述,同步电机的基本结构和运行状态 空载时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、相量图和等效电路 同步发电机的功率方程和转矩方程 同步发电机与电网的并联运行,6.1 同步电机的基本结构和运行状态,同步电机的基本结构,同步电机的励磁方式,同步电机的工作原理

2、,同步电机的运行状态,同步电机的铭牌数据,一、同步电机的基本结构,同步电机也是由定子和转子两个基本部分组成。,同步电机,旋转电枢式,旋转磁极式,隐极式（高速）,凸极式（低速）,（适用于大容量）,Why？,（适用于小容量）,为什么同步电机一般为磁极旋转式？,电枢为定子，磁极为转子。电枢功率极大，电压高。激磁功率较小，电压低。大功率不宜通过滑动接触引入引出。激磁电流可通过集电环引入到转子。,隐极式转子的结构特点,N,S,+,隐极式,1）圆周上铣有槽和齿。 2）槽的部分约占有圆 周的2/3。 3）激磁绕组为一分布 绕组，嵌入槽中。 4）隐极式转子应用于 极数较少，转速较 高时的场合。,Why？,为什

3、么转速较高时采用隐极式转子？,隐极式转子气隙均匀，风阻小；,隐极转子机械强度高，易于妥善固定励磁绕组，因此 适用于高速场合。,隐极同步发电机转速较高，为了减小离心力，转子做成细长式。,N,S,N,S,+,凸极式,凸极式转子的结构特点,1）激磁绕组为集中绕 组。 2）极数较多（P=3）， 转速较低时，应用 凸极式转子。,汽轮发电机都为隐极式 汽轮机高速时较为经济 一般都设计为两极机，转速为3000r/min 汽轮发电机组一般为横轴式,汽轮发电机的构造特点,定子铁芯： 铁芯由厚度为0.35或0.5mm的电工钢片叠成,转子 转子直径限制在1m左右 受到转子材料机械强度的限制 增大电机容量 只能增加转

4、子的长度 转子为细长的圆柱体 长度l与外径D之比约为2.56,定子绕组： 一般均采用双层三相对称绕组。,水轮发电机组一般为竖轴式,水轮发电机的构造特点,水轮发电机都为凸极式,水轮机转速较低，转速为每分钟数十转至数百转，依水头高低、流量大小而定。因此，水轮发电机的极数很多。,定子 结构和一般交流电机相似 主要特点是直径大 为便于运输，将定子分成四至六瓣,转子 磁极由厚度为12mm的钢片叠成,转子支架 由于大型水轮发电机转子直径很大，往往超过10m 转轴和转子磁轭间有一纯粹起机械联接作用的支架，以节约成本。,1转子磁轭 2轴套 3支撑筋,凸极转子的机械支撑,悬式水轮机的推力轴承安放在转子上部；伞式

5、水轮机的推力轴承安放在转子下部。,水轮发电机的构造型式有两种：悬式和伞式,悬式水轮机 1推力轴承 2导轴承,悬式水轮机稳定性好，常用于转速较高的水轮发电机。,作用？,伞式水轮机 1推力轴承 2导轴承,伞式水轮机适用于转速在150r/min以下的水轮发电机。,二、同步电机的励磁方式,励磁方式,直流发电机励磁系统,整流器励磁系统,静止式,旋转式,给同步电机转子提供励磁电流的装置，称为励磁系统。,1）300MW同步电机励磁电流达到1800A，直流发电机励磁系统存在着换向火花问题。,2）汽轮机转速极高，达到3000r/min，直流电机达不到。,存在的问题：,静止式交流整流励磁系统采用交流励磁机，不存在

6、换向火花问题，但是仍然存在电刷和滑环，励磁容量较小。,旋转式交流整流励磁系统的主励磁机采用旋转电枢式，不存在电刷和滑环，励磁容量较大。,三、同步电机的铭牌数据,额定容量SN(或额定功率PN) 额定电压UN 额定电流IN 额定功率因数cos 额定频率fN 额定转速nN,四、同步电机的工作原理,磁极旋转,n,三相感应电动势, f1,1、发电机,2、电动机,三相对称电流, f1,旋转磁场,ns,磁极旋转,n,同步电机可以看成特殊运行的异步电机。,异步电机的转子电流频率：,当异步电机的转子转速为同步转速，则：,转子电流为直流。,改变异步电机转子结构，使其成为用直流电流励磁，且可以旋转的电磁铁，则成为同

7、步电机。,1、两种旋转磁场,五、同步电机的运行状态,定子旋转磁场（电枢磁场） 转子旋转磁场（主极磁场）,定子旋转磁场的产生机理与异步电机完全相同,转子旋转磁场的产生机理与异步电机不相同,1）同步电机：由激磁绕组电流产生,2）异步电机：由定子磁场感应产生,2、电枢磁场和主极磁场相对静止,直流电机的电枢磁场和主磁场相对静止；电枢磁场始终位于交轴位置。,同步电机的电枢磁场和主磁场相对静止；电枢磁场和主磁场的相对位置可以变化。,同步电机的电枢磁场和主磁场的相对位置不同决定了不同的运行状态。,Fa,Ff,电动机,ns,Ff,Fa,发电机,ns,Ff,Fa,补偿机,ns,3、三种运行状态,发电机状态：,补

8、偿机状态：,电动机状态：,主极磁场超前于气隙合成磁场，制动性质的电磁转矩，吸收机械功率，输出电功率。,主极磁场与气隙合成磁场的轴线重合，电磁转矩为零，没有有功功率的转换。,主极磁场滞后于气隙合成磁场，驱动性质的电磁转矩，吸收电功率，输出机械功率。,思考题,1、150r/min的水轮发电机应该是多少极？,2、同步电机和异步电机在结构上存在哪些异同点？,6.2 空载和负载时同步发电机的磁场,一、同步发电机的空载磁场,同步发电机的空载运行时，电枢电流为零，电机内仅有励磁电流所建立的主极磁场，简称主磁场。,1、主磁场,2、激磁电动势,空载特性是同步电机的一条基本特性。,3、空载特性曲线,空载特性,气隙

9、线,Bf,s=2f,90,相轴，交轴,时轴,直轴,E0,0,Ff,A相轴，交轴,转子绕组的轴线为直轴。,两极之间的中线为交轴。,4、空载时的时空相量图,Bf,s=2f,90,相轴，交轴,时轴,直轴,E0,0,Ff,绕组中的感应电势、电压和电流以及绕组所交链的磁通是时间相量。 磁动势和磁通密度是空间矢量。,二、对称负载时的电枢反应,1、电枢反应的定义,电枢磁场对主磁场的影响，称为电枢反应。,电枢反应产生增磁、去磁或者交磁作用。,电枢反应的作用取决于电枢磁动势Fa与励磁磁动势Ff的相对位置。,Fa,Ff,ns,Ff,Fa,ns,Ff,Fa,ns,2、电枢反应,定子电流 和空载电势 之间的相角，称为

10、内功率因数角。,电枢磁动势Fa与励磁磁动势Ff的相对位置为： +90。,直轴,s=2f,时轴,A相轴，交轴,Fa,Ff,I,E0,a,0,、 始终和d轴方向一致。,、 和 始终方向一致。,这两个结论很重要,此时，电枢磁动势滞后于主极磁动势，工作于发电机状态。,此时电枢磁动势是交轴磁动势，为交轴电枢反应。,结论1 （ ）,电枢电流 与激磁电动势 不同相,0/2,电枢磁动势Fa与励磁磁动势Ff的相对位置为： +90。,直轴,相轴,交轴,Ff,Fad,Fa,E0,Faq,Iq,Id,0,I,时轴,0/2,电枢磁动势滞后于主极磁动势，工作于发电机状态。,电枢磁动势可以分解为交轴分量 和直轴分量 ， 呈

11、交磁作用， 呈去磁作用。,结论2（ ）,电网的电压需保持不变，要求气隙合成磁场近似保持不变。电枢反应起去磁作用，原有的直流激磁就不够了，应相应增大，称直流激磁增加后的同步电机运行状态为过激状态。,-/2 0,直轴,相轴,交轴,Ff,Fad,Fa,E0,Faq,Iq,Id,0,I,时轴,电枢磁动势滞后于主极磁动势，工作于发电机状态。,电枢磁动势可以分解为交轴分量 和直轴分量 ， 呈交磁作用， 呈增磁作用。,结论3（ ）,电网的电压需保持不变，要求气隙合成磁场近似保持不变。电枢反应起增磁作用，原有的直流激磁就嫌大了，应相应减小，称直流激磁减小后的同步电机运行状态为欠激状态。,同步电机的内功率因数角

12、 为任意角度。,作电动机运行 /2 3/2,总 结,内功率因数角决定了同步电机电枢磁场与主磁场间的相对位置。,内功率因数角决定了同步电机的运行方式和电枢反应的性质。,电枢磁场与主磁场间的相对位置决定了同步电机运行状态和电枢反应的性质。,作发电机运行 /2 /2,同步电机电枢磁动势Fa可分解为直轴和交轴两个分量。直轴分量起增磁或去磁的作用，交轴分量起交磁的作用。,当直轴电枢磁动势起去磁作用时，接在电网上的同步电机，不论它用作发电机或电动机，都系在过激状态。,当直轴电枢磁动势起增磁作用时，接在电网上的同步电机，不论它用作发电机或电动机，均系在欠激状态。,6.3 隐极同步发电机的电压方程、相量图和等

13、效电路,一、不计磁饱和时,不考虑磁路饱和，可应用叠加原理。,1、电磁关系,定子,转子,2、电压方程,ra,式中 合成电势； 定子绕组的端电压； 定子电流； 定子绕组的电阻。,ra,均为相值,定子,电枢反应电动势与电枢电流成正比，它们之间的比例系数称为电枢反应电抗xa。,电枢反应电抗xa取决于电枢反应磁通所经过的磁路的磁阻。,不计磁饱和时，隐极同步电机电枢反应电抗xa与运行状态无关，是个常数。,滞后于 90电角度；,与 同相位；,滞后于 90电角度。,同理,是定子三相绕组通三相对称电流所形成的旋转磁场切割定子绕组所产生的感应电动势，其用电枢反应电抗的负压降来表示，这与异步电机中的励磁电抗相类似。

14、,3、等效电路,同步阻抗,同步电抗,Xs为同步电抗，表征对称稳态运行时电枢反应和电枢漏磁这两个效应的一个综合参数。,同步电抗是同步电机的重要参数 x 对应漏磁通 xa 对应定子电流形成的电枢磁场产生的磁通 实用上，不将两者分开 计算性能时只用到同步电抗 测量时也只能测量到同步电抗,E0表示主磁场的作用。,4、相量图,以0 /2时的情况为例,隐极同步发电机的简化相量图,功角,与 之间的相位角。,位移 i,与 之间的相位角。,与 之间的相位角。,位移 i,、三种角度,外功率因数角 端电压 和负载电流 之间的相位角,二、考虑磁路饱和时,磁路饱和时，由于磁路的非线性，叠加原理便不再适用。,先求出作用再

15、主磁路上的合成气隙磁动势 利用电机磁化曲线求出负载时的气隙磁通及相应的空载电动势,1、分析方法,从空载电动势减去电枢绕组的电阻和漏抗压降 得出电枢的端电压,6.4 凸极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路,1、磁路特点,气隙不均匀，气隙各处的磁阻不相同；,极面下的磁导大，两极之间的磁导小，二者相差甚大。,凸极电机：,隐极电机：,不计齿槽效应，则气隙均匀，气隙各处的磁阻相同。,同样大小的电枢磁动势作用在不同位置，所产生的磁场将具有明显区别。,同样大小的电枢磁动势作用在不同位置，所对应的磁路磁阻不同，电枢反应电抗也就不同，而要求解不同位置的磁阻也是非常困难的，这给分析问题带来很大不便。,、带来的

16、问题,若磁路不饱和，可把电枢磁动势分解成直轴分量和交轴分量；直轴磁导和交轴磁导虽不相等，但它们本身却都有固定的数值，因此可用对应的直轴磁导和交轴磁导分别算出直轴电枢反应磁通和交轴电枢反应磁通，最后把它们的效果叠加起来。,、双反应理论,双反应理论是建立在叠加原理的基础上，当不计饱和时，应用双反应理论来分析凸极同步电机既方便又准确。,、电压方程,ra,x,Xd和Xq分别称为直轴同步电抗和交轴同步电抗，它们是表征对称稳态运行时电枢漏磁和直轴或交轴电枢反应的一个综合参数。,隐极同步电机是凸极同步电机的特例 隐极机的气隙均匀,、直轴和交轴同步电抗的意义,由于电抗与绕组匝数的平方和所经磁路的磁导成正比，所

17、以 对于凸极电机，由于直轴下的气隙较交轴下小， ，所以XadXaq，因此在凸极同步电机中，XdXq。,、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,未知内功率因数角,1）利用方程式求出 ：,E0和EQ两者同相！,隐极同步发电机：,2）利用公式求出：,已知一台水轮发电机，PN=60000kW，UN=13.8kV，Y连结，cos=0.85，感性负载，忽略Ra，Xd=2.7欧姆，Xq=1.89欧姆，求额定负载运行时同步发电机的空载电动势E0和内功率因数角 。,解：,或者：,6.5 同步发电机的功率方程和转矩方程,一、功率方程,二、实现机电能量转换的条

18、件,同步发电机要实现机电能量转换，即要输出有功功率，必须满足的条件是：,当且仅当有Faq分量时，才能实现机电能量转换。,Faq分量使得气隙合成磁场滞后于主极磁场，使得主磁极受到制动性质的电磁转矩。,三、转矩方程,式中，,四、与电网并联运行时同步发电机的功角特性,中大型同步发电机的电枢电阻远远小于同步电抗。,功角特性表达式1：,基本电磁功率：,附加电磁功率：,附加电磁功率是由于Xd和Xq不相等引起的，因此称为磁阻功率。,隐极同步发电机不存在磁阻功率。,并网运行的同步发电机突然失磁，能否继续输出有功功率？,功角特性表达式2：,功角特性表达式1和2是统一的。,以隐极同步发电机为例：,功角特性表达式1

19、：,功角特性表达式2：,隐极同步发电机： E0=EQ ；Xd=Xs,总结（电磁功率）,绝对公式：,隐极同步发电机：,忽略Ra后的公式：,五、功角的双重物理意义,功角 为激磁电动势 和输出电压 之间的相位差。,功角 为激磁磁动势Ff和气隙合成磁动势F的夹角。,功角是转子磁极轴线和气隙合成磁场等效磁极轴线的空间夹角。,6.6 并网同步发电机的功率调节和静态稳定,现代电力系统的容量都很大，其频率和电压不受负载变化和其他扰动的影响，通常保持为常数。这种恒频恒压的交流电网称为：无穷大电网。,同步发电机与无穷大电网并联后，其输出端电压大小和频率将受到电网的约束，被强行与电网保持一致。,一、无穷大电网,二、

20、有功功率的调节（以隐极同步发电机为例）,同步发电机与无穷大电网并联，但不输出有功功率。,此时原动机输入的功率恰好补偿各种损耗，没有多余部分转化为电磁功率，功角等于0。,此时同步发电机是否肯定没有电流输出？,增大原动机的输入功率P1。,剩余转矩使得转子瞬间加速，从而转子磁极超前于气隙合成磁场的等效磁极，功角0， Tem0， Pem0。,随着功角的增大，Tem增大。当T1=Tem+T0时，转子停止加速，从而维持此时的功角，稳态运行。,通过调节输入功率，可以实现同步发电机的功角的调节，从而实现同步发电机输出的有功功率的调节 。,三、有功功率的调节极限,输入功率P1必须满足下式：,否则，转子将不断加速

21、，从而失步，对电网的稳定运行构成冲击。,四、静态稳定,与电网并联、在某一运行点运行的同步发电机，若外界（电网或原动机）发生微小的扰动，当扰动消失后，发电机能恢复到原来的运行点下持续运行，则称该运行点为静态稳定点。,1.静态稳定点,2.静态稳定区,3.静态稳定裕度,为了使同步发电机稳定运行，且有一定的裕度，应使：,用过载能力kp描述稳定裕度，kp越大，则越稳定。,增加最大电磁功率，可以提高静态稳定裕度。,五、无功功率的调节,与电网并联的同步电机，不仅要向电网输出有功功率，通常还要输出无功功率。一般通过调节发电机的励磁电流来实现并网同步发电机无功功率的调节。,为了分析问题的方便，特作如下假设：,只

22、考虑无功功率的调节，所以认为输入有功和输出有功功率均恒定不变。,忽略电枢电阻。,磁路不饱和。,以隐极同步发电机为例。,输入有功和输出有功功率均恒定不变,正常励磁：使得 的励磁电流。,此时，发电机输出功率全部为有功功率。,过励：励磁电流超过正常励磁。,此时，发电机除了输出一定的有功功率，还输出滞后的无功功率。,欠励：励磁电流小于正常励磁。,此时，发电机除了输出一定的有功功率，还输出超前的无功功率。,六、V形曲线,在输出功率不变时，改变励磁电流将引起同步发电机定子电流大小和相位的变化。,6.7 同步发电机的并网条件和方法,一、并网条件,把同步发电机并联至电网的手续称为整步，亦称为并列或并车。,6.7 同步发电机的并网条件和方法,一、并网条件,把同步发电机并联至电网的手续称为整步，亦称为并