电机学-同步电机

本章重点：(1)同步电机的工作原理(2)同步发电机的基本方程式和电磁关系(3)发电机的并网运行本章难点：(1) 时-空矢量表达方法(2)凸极电机的双反应理论,第六章 同步电机,6.6 三相同步发电机的运行特性,第六章 同步电机,6.2 空载和负载时同步发电机的磁场,6.3 三相隐极同步发电机的运行分析,6.4 三相凸极同步发电机的运行分析,6.5 三相同步发电机的功率和转矩,6.7 同步发电机与电网的并联运行,6.1 三相同步电机的工作原理及结构,N S,6.1 同步电机的工作原理及结构,定子,转子,励磁 绕组,1. 三相同步电动机,定子旋转磁场。 转子直流磁极。 转子转速,同步,一、同步电机的工作原理,同步电动机中的磁通势,定子 电枢。 电枢旋转磁通势 Fa 转子旋转磁通势 F0,气隙旋转磁通势 F,电枢反应, Fa 对 F 的影响。,电动机状态,理想空载状态,功角,同步电动机中的感应电动势,2. 三相同步发电机,励磁机,F0,旋转的 F0 和0,E0,发电机运行,A、B、C三相绕组结构完全相同，空间分布互差120°电角度。实现三相电势对称，三相电压对称。,动画,三相同步发电机空载运行时,电枢（定子）： I1 (Fa ) = 0 转子每极磁通： 0 空载电动势： E0 = 4.44 f1 kw1 N10或,电枢相电压： U0P = E0 电枢线电压（Y 形联结）：,E0 的频率：,如果： f1 = 50Hz，则： pn = 3 000,三相同步发电机负载运行时,电枢旋转磁通势 Fa 转子旋转磁通势 F0,气隙旋转磁通势 F,同步电动机中的感应电动势,3. 三相同步电机的可逆运行,二、同步电机的基本结构,1. 整体结构,单击播放,2. 主要部件,由硅钢片叠成。 对称三相绕组。,定子铁心： 定子绕组： 机座和端盖等。,转子铁心：由整块铸（锻）钢制成。 励磁绕组：工作时施加直流励磁。 阻尼绕组和转轴等。,阻尼绕组,(2) 转子,(1) 定子（电枢）,3. 励磁方式,(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 (3) 旋转整流器励磁交流励磁机整流直流电励磁绕组。,(1) 按能量转换的方式不同：同步发动机、同步电动机。 (2) 按相数的不同: 三相、单相。 (3) 按转子结构的不同：隐极式、凸极式。,4. 主要种类,N S,+ ,×,+ ,N S,励磁机,发电机,水轮机,卧式、立式。 (5) 按原动机的不同：汽轮发电机、水轮发电机。,(4) 按安装方式的不同：,小浪底电站水轮机组安装,三峡电站首台机组安装,火力发电厂,小型同步电机,5. 额定值,(1) 额定电压 UN ：线电压的额定值。 (2) 额定电流 IN ：线电流的额定值。 (3) 额定功率 PN ：输出功率的额定值。三相同步电动机：,三相同步发电机：,(4) 额定转速 nN ：额定运行时的转速。 (5) 额定频率 fN ： 50Hz。,6.2 空载和负载时同步发电机的磁场,一. 空载运行,转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场(也称主磁场、转子磁场)。,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。右图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f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。,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）,空载特性是同步电机的一条基本特性。如下图所示。,同步电机的空载特性,二. 对称负载时的电枢反应,电枢磁动势的基波在气隙中所产生的磁场就称为电枢反应。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。,与 同相时,a) 定子绕组电动势、电流和磁动势的空间矢量图,b) 时间矢量图,c) 时-空统一矢量图,d)气隙合成磁场与主磁场的相对位置,a) 滞后于 时的空间矢量图,与 不同相时,b) 滞后 时的时-空统一矢量图,与 不同相时,直轴电枢反应表现为去磁性,与 不同相时,c) 超前 时得时-空统一矢量图,直轴电枢反应表现为增磁性,6.3 三相隐极同步发电机的运行分析,1. 电磁关系分析,隐极同步发电机负载运行时的电磁关系为,3 ,+ ,N S,2. 基本方程式,Uf If F0 0 E0,I1,Fa,a Ea,因为 Ea a Fa I1 ，,不计磁饱和,不计电枢铁耗，, Xa 电枢反应电抗。X 电枢漏电抗。, Xs = XaX 同步电抗。忽略 R1，则,2. 等效电路,3. 相量图根据负载的功率因数和电路方程作相量图。,(c) 电容性,(a) 电感性,(b) 电阻性,忽略 R1 时：,6.4 三相凸极同步发电机的运行分析,1. 基本方程式,Uf IfF00E0,I1,Fad Faq,ad aq,Ead Eaq,因为 Ead ad Fad Id； Eaq aq Faq Iq；,E Fa I1,因此有如下关系, Xad 直轴电枢反应电抗。 Xaq 交轴电枢反应电抗。X 电枢漏电抗。, Xd = Xad + X 直轴同步电抗。Xq = Xaq + X 交轴同步电抗。 忽略 R1，则,2. 等效电路,设：,忽略 R1，则,3. 相量图,根据电路方程和负载性质作相量图。,(c) 电容性,(a) 电感性,(b) 电阻性,忽略 R1 时,【例题】 某三相同步发电机， 已知 U1L = 11 kV，Y 形联结，I1 = 460 A， = 0.8（电感性），Xd = 16 ，Xq = 8 ，R1 忽略不计。求、E0 。解：,= 1.474 = arctan1.474 = 55.85o = = 55.85o 36.87o = 18.98oE0 = U1cos XdId= (6 351×cos18.98o16×460×sin 55.85o )V = 12 096.63 V,6.5 三相同步发电机的功率和转矩,1. 功率 (1) 输入功率 (2) 空载损耗 (3) 电磁功率 (4) 铜损耗 (5) 输出功率(6) 功率关系,P1 = T1 P0 = PFePmePad Pe = P1P0 PCu = 3R1I12 P2 = PePcu= 3U1I1cos P1 = P0Pe = PFePmePadPCuP2,(7) 功率流程图和效率,P1,Pe,P2,2. 转矩 (1) 输入转矩 (2) 空载转矩 (3) 电磁转矩 (4) 转矩关系,T1 = T + T0,6.6 三相同步发电机的运行特性,1. 外特性当 n = nN，If、 = 常数时，U1L 与 I1L 的关系， 即 U1L = f (I1L)。调节If，使 I1L= IN、 = N、U1L = UN 时，If = IfN。电压调整率：保持 nN、N、IfN 时，,2. 调节特性,保持 n = nN、U1L = UN、 = N 时， If 与 I1 的关系， 即 If = f ( I1 )。,3. 功角特性和矩角特性功角特性：保持 n、If 、U1 不变时，Pe 与 的关系，即 Pe = f ( ) 。矩角特性：保持 n、If 、U1 不变时，T 与 的关系，即 T = f ( ) 。 上述关系与同步电动机的关系相同。,6.7 同步发电机与电网的并联运行,并联运行的优点(1) 提高电力系统的经济指标。(2) 减少发电厂备用机组的容量。(3) 提高电能供应的可靠性。(4) 提高电能供应的质量。 1. 并联运行的条件相序一致、频率相同、电压相等。以避免电网与发电机之间产生大的冲击电流 和在发电机轴上产生大的冲击转矩。,(1) 电压相等如果 则,(2) 频率相等 如果：AB,U = 0 2U1,(3) 相序一致如果相序不一致， 则,2. 并联运行的方法调节 If 调节 E0 ；调节 n 调节 f 。 (1) 理想同步法 (2) 自同步法,本章结束！,