电机学第2版 王秀和 孙雨萍第06章 同步电机

第六章 同步电机,6.1 同步电机的基本结构和运行状态 6.2 同步发电机的空载磁场和电枢反应 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、转矩方程和功角特性 6.6 同步电机参数的测定,6.7 同步发电机的运行特性 6.8 同步发电机与电网的并联运行 6.9 同步电动机与同步补偿机 6.10 同步发电机的不对称运行 6.11 同步发电机的三相突然短路 6.12 永磁同步电机,第六章 同步电机,第六章 同步电机,同步电机转子转速是常值且与同步速相等，与负载的大小无关。,同步电机主要用作发电机，也可以用作电动机和补偿机。,主要内容,同步发电机的稳态对称运行,同步电动机和调相机,同步发电机的不对称运行和三相突然短路,6.1 同步电机的基本结构和运行状态,一、基本结构,同步电机分为,旋转电枢式：磁极装在定子上，用于小容量同步电机中。,旋转电枢式,旋转磁极式,旋转磁极式：磁极装在转子上，为大中型同步电机的基本形式。,旋转磁极式同步电机的结构,转子,定子,电刷和集电环,同步电机又分为隐极式和凸极式两种。,有明显的凸出的磁极，气隙不均匀，制作简单。,适合于高速发电机,适合于低速发电机,转子圆柱形，气隙均匀，转子机械强度高，励磁绕组固定容易。,汽轮发电机 由汽轮机驱动的同步发电机,p = 1 n = 3000r/min (50Hz) n = 3600r/min (60Hz),采用隐极结构,转子细而长,转子高速旋转，对铁心的强度要求很高，就目前材料，转子直径不能超过1.1m。,基本采用卧式结构,水轮发电机 由水轮机驱动的同步发电机 n = 几十 几百r/min 极对数多 采用凸极结构 转子粗而短,励磁绕组为集中绕组,立式结构,阻尼绕组,阻尼绕组的结构与笼型感应电机的转子的笼型绕组相似。,阻尼绕组的作用作用,同步发电机中：抑制转子机械振荡,同步电动机和同步补偿机中：起动绕组,与感应电机一样同步电机定转子极数应相同。,二、同步电机的运行状态,转子磁场 转子通入直流励磁电流产生，与转子同步旋转。,定子磁场 定子三相对称绕组流过三相对称电流产生，以同步速旋转（等于转子转速）。,同步电机有发电机、电动机、补偿机三种运行状态。,运行状态取决于磁场的相对位置,合成磁场 定子磁场和转子磁场的合成，以同步速旋转。,功率角 转子磁场轴线领先合成磁场轴线的夹角。, 0时，Te为制动转矩，原动机的驱动转矩与电磁转矩Te 平衡 。转子吸收机械功率，定子发出电功率。,发电机运行状态, 0 时，Te为驱动转矩，带动负载运行。转子输出机械功率，定子吸收电功率。,电动机运行状态, = 0 时，不进行能量转换，仅发出或吸收无功功率，补偿机。,补偿机运行状态,三、同步电机的励磁方式,1.电励磁,（1）直流励磁机励磁,并励直流发电机（与同步电机同轴）,直流电机存在电刷和换向器，可靠性差，受换向限制，容量受限。,并励 + 他励直流发电机励磁,与并励直流发电机励磁相比，可提高励磁系统的反应速度，并使励磁机在较低的电压下也能稳定运行。,(2) 静止整流器励磁,他励式,优点：运行、维护方便，没有直流励磁机，使励磁容量得以提高，因而在大 容量汽轮发电机中得到了广泛的应用。,自励式,主发电机发出的功率经静止整流器整流为直流，然后通过电刷和滑环通入到主发电机的励磁绕组中。,系统的特点是系统简单，便于维护，电压稳定性好，动态性能好，目前在同步发电机中已经采用。,缺点：存在电刷滑环的滑动接触（薄弱环节）。,（3）旋转整流器励磁,副励磁机 主励磁机 主发电机 无刷，适合大容量发电机。 （转极式） （转枢式） （转极式）,优点：取消了电刷和集电环，运行比较可靠，尤其适合于要求防爆、防燃的特殊场合。 缺点：发电机励磁回路的灭磁时间常数较大，不利于迅速消除主发电机的内部故障。,无刷励磁多用于大、中容量的汽轮发电机、补偿机以及在特殊环境下的同步发电机。,目前我国新装发电机容量一般为 30万kW 、60万kW、90万kW等。多采用整流器励磁系统。,单机容量越大， 电机效率越高。,2.永磁励磁,永磁励磁采用永磁材料建立同步电机的磁场。,优点：转子上无励磁绕组和励磁电流，取消了电刷和滑环，结构简单，运行可靠，效率高，维护工作量小；转子上永磁材料的形状和尺寸可以灵活多样，尤其适合于低速和高速电机。,目前永磁励磁在小型和微型同步电机中获得了广泛应用。,永磁励磁的缺点是其磁场不能根据电机的运行状态进行方便和有效的调节。,四、额定值,额定电压UN 单位为kV,额定电流IN 单位为A, kA,额定功率因数,额定频率 f N 单位为Hz,额定转速n N 单位为r/min,额定温升N,额定励磁电流和电压 IfN 、UfN,额定容量 SN 或额定率PN 单位为 kW, kVA,同步发电机是指额定运行时输出的电功率；同步电动机是指额定运行时轴上输出的机械功率；补偿机是指额定运行时输出的无功功率。,6.2 同步发电机的空载磁场和电枢反应,一、空载运行,n s I f I = 0,1.空载磁场主磁场,同步电机的空载磁场,若主磁场B0 在气隙中正弦分布，且以同步速ns旋转，则在定子绕组中产生对称三相电动势,有效值：,频率：,空载电动势，激磁电动势。,三相对称电动势,2.空载特性,n s = c E0 = f (I f),Ff If E0 0 电机的磁化曲线 0= f (F f),同步电机的空载特性,0较小时，磁路不饱和，空载曲线的下部是一条直线；随 o的增大，铁心逐渐饱和，空 载 曲线弯曲。,气隙线：不计铁心磁阻的空载特性曲线。,空载特性是同步电机的一条基本特性。,二、负载运行,接三相对称负载,空载时，同步电机的气隙磁场是由励磁磁动势所产生的主磁场B0。,(空载电动势或激磁电动势),电枢反应：电枢磁动势的基波对气隙磁场的影响,电枢反应使气隙磁场空间位置发生变化，直接关系到电机的 机电能量转换。,电枢反应的去磁或增磁，对电机的运行性能产生影响。,电枢反应的性质（交磁，去磁或增磁）取决于电枢磁动势和主磁场在空间的相对位置。,这一相对位置决定于空载电动势 和负载电流 的之间的相位差 ，称为内功率因数角。,o,1. o = 0 时,定子绕组电动势、电流及磁动势,在此时刻，A相电动势、电流达到最大值，电枢磁动势的轴线与A相绕组轴线重合，同时也与q轴重合，即 Faq=Fa，称为交轴电枢反应磁动势。,定子绕组电动势、电流和磁通的时间相量图,各相电动势、电流和磁通间的相位关系是相同的，所以后边只画出一相。,在时 - 空统一矢量图中，电枢磁动势Fa（空间矢量）与电枢电流 （时间相量）同相位；空载磁通 与励磁磁动势Ff同相位。,时-空统一矢量图,气隙合成磁场与主磁场的相对位置,相对于主磁场，气隙合成磁场的轴线偏移了一个角度，且幅值有所增加。这是由于电枢磁动势（Fa=Faq）的作用造成的，称之为交磁作用。,2. 00时,电流滞后电动势,电流超前电动势,并网运行时，直轴电枢反应影响电机输出的无功功率。,直轴电枢反应的影响,电机单机运行时，直轴电枢反应将直接影响端电压的大小。去磁时，端电压降低；助磁时端电压升高。,6.3 隐极同步发电机的电压方程、向量图和等效电路,同步发电机负载运行时物理量的关系,一、不考虑磁饱和时,1.电压方程式,采用发电机惯例规定正方向，可写出电压方程式,Xa：电枢反应电抗； ：电枢漏电抗。,直轴电枢反应去磁,2. 相量图,已知 和电机参数，画相量图的步骤,3、等效电路,4、同步电抗,a) 反映了a和的作用,b) 磁路不饱和时为常数,c),二、考虑磁路饱和时,非线性，迭加原理不适用。,已知磁动势F，由电机的空载特曲线求得电动势E。,励磁磁动势在空间是梯形波，Ff是其幅值，而电枢磁动势在空间是正弦波，Fa是基波磁动势的幅值。为了利用空载特性，应把Fa换算到励磁磁动势。,对于汽轮发电机，ka = 0.93 1.03，主要取决于大齿的宽度。,ka的意义：产生同样大小的基波气隙磁场时，一安匝的电枢磁动势相当与多少安匝的梯形波励磁磁动势。,正弦波磁动势幅值；,等效梯形波磁动势的幅值。,1.电枢磁动势换算系数是k a,2.电压方程和磁动势方程式,由于磁路饱和，不能单独的计算激磁电动势E0和电枢反应电动势Ea，而只有合成电动势E（气隙电动势）。,漏磁场路径主要为气隙，没有饱和问题。,* 考虑饱和的另一方法是根据运行点的饱和程度，找出相应的Xs(饱和)，即把空载特性在工作点线性化。,3.电压相量图和磁动势矢量图,6.4 凸极同步发电机的电压方程和相量图,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。,一. 双反应理论,Ff、Fad和Faq幅值相同，但产生的基波磁密明显不同。引入折算系数kad和kaq。若Ff= kad Fad= kaq Faq则产生基波磁密相同。,直轴电枢反应磁场Bad1,交轴电枢反应磁场Baq1,实际上，前面考虑电枢磁场的去磁、助磁及交磁时，已涉及这一问题，那时没考虑各分量磁动势所对应的气隙磁密的差异。,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。,二、电压方程和相量图,（磁路不饱和）,E0：励磁电动势； Ead：直轴电枢反应电动势； Eaq：交轴电枢反应电动势； Ea：电枢反应电动势； E：合成电动势； E：漏抗电动势。,按发电机惯例写出电压方程式为：,Xad：直轴电枢反应电抗 Xad=Ead/Id，单位直轴电流产生的直轴电枢反应电动势。,Xaq：交轴电枢反应电抗 Xaq=Eaq/Iq，单位交轴电流产生的交轴电枢反应电动势。,而且有：,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。,：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。,0 ？,等效电路,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。,磁路饱和时,* 磁路饱和时也可在不饱和模型中采用 X d 的饱和值来考虑直轴饱和的影响。,Ed为励磁磁动势和直轴电枢反应磁动势共同作用所产生。,三、直轴和交轴同步电抗,电枢绕组电抗同绕组有效匝数的平方成正比，与所经路径的磁导成正比。,X d = Xad+X,(kw1N1)2 d, d = ad +,X q = X aq+ X,(kw1N1)2 q,q = aq +,ad：直轴电枢反应磁通所经路径的等效磁导； aq：交轴电枢反应磁通所经路径的等效磁导； ：电枢漏磁通所经路径的等效磁导； d、 q ：稳态运行时直轴和交轴的电枢等效磁导。,结论：凸极同步电机X d Xq ，隐极同步电机 X d = X q = Xs,例 6-1 Xd *= 1.0 Xq* = 0.6 Ra* = 0 U* = 1 I* = 1 cos = 0.8（滞后） 求： E*0（不饱和值）,解：方法1：通过相量图求解,E0* = U*cos +Id *Xd* = 1×cos19.44+0.8321×1.0 = 1.755,方法2：通过基本方程求解,一、功率方程,I f B0 pFe 铁心损耗 （转子铁心中磁场恒定，无铁耗）,P1-p-pFe = Pe,ns ,励磁损耗由另外的直流电源供给,Pe-pcua = P2,同步发电机的功率方程：,6.5 同步发电机的功率方程和转矩方程和功角特性,二、