电机学4同步电机

1、第3篇同步电机 第7章同步电机的用途 分类 基本结构第8章同步发电机的电磁关系和分析方法第9章同步发电机的运行特性第10章同步发电机的并联运行第11章同步电动机 第7章同步电机的用途分类 基本结构和额定值 7 1同步电机的用途和分类7 2同步电机的基本结构7 3同步电机的额定值 7 1同步电机的用途和分类 1 同步电机的用途 现代社会中的交流电能几乎全部由同步发电机产生 如汽轮发电机 火电和核电 和水轮发电机 水电站 单机容量均已超过100万KW 同步电动机主要驱动一些不要求调速的大功率生产机械 调相机实际是并联在电网上空转的同步发电机 对电网的无功功率进行调节 同步电机是交流旋转电机的一种 因其转速恒等于同步速机时得名 同步电机主要用作发电机 也可用作电动机和调相机 2 同步电机的分类 按运行方式 同步电机分发电机 电动机和调相机 按结构型式 同步电机分旋转电枢式和旋转磁极式 旋转磁极式同步电机按磁极形状 又分隐极式和凸极式两种 按原动机类别 同步电机分为汽轮发电机 水轮发电机和柴油发电机等 汽轮发电机一般作成隐极式 现代汽轮发电机均为2极 转速为3000转 分钟 水轮发电机采用凸极

2、式 极数多 转速低 同步电动机 柴油发电机和调相机一般作成凸极式 7 2同步电机的基本结构 按转子结构的不同 可分为隐极同步电机和凸极同步电机 1 隐极同步发电机 汽轮发电机 返回 返回 1 汽轮发电机结构 1 定子铁心 返回 返回 1 汽轮发电机结构 返回 2 水轮发电机结构 1 立式水轮发电机 2 卧式水轮发电机 2 水轮发电机结构转子结构 10000kW水轮机转子 1 发电环节 各种电机 引进600MW汽轮发电机 国产300MW汽轮发电机 国产200MW汽轮发电机定子 国产200MW汽轮发电机定子铁心 现场运行的水轮发电机 3 同步发电机的励磁方式 分为电励磁方式和永磁励磁方式 直流发电机产生直流电通过集电环和电刷加到同步机的励磁绕组 换向器易产生火花现已经被永磁励磁方式和整流器的励磁方式取代 交流励磁机静止整流器励磁方式产生直流电通过集电环和电刷加到同步机的励磁绕组 转轴长度增长 轴的刚度的稳定性受影响 自励静止整流器励磁方式在发电机的出线端接励磁变压器 然后在经整流器产生直流电通过集电环和电刷加到同步机的励磁绕组 在大型发电机中应用非常广泛 旋转整流器 无刷 励磁方式 永磁励

3、磁方式 特别是一些高速运行电机 常用的 直流励磁机 交流励磁机 静止整流器励磁 旋转整流器励磁 7 3同步电机的额定值 对同步发电机额定值之间关系为 额定运行时加在三相定子绕组上的线电压 指电机额定运行时 输出功率的保证值 同步发电机是指输出的额定视在功率或有功功率 单位是KVA或KW 电动机额定容量是指额定条件下转轴上输出的机械功率 单位是KW 调相机用KVA或Kvar表示 在额定运行状态下三相定子绕组的线电流 第8章同步发电机的电磁关系和分析方法 同步发电机的工作原理8 1同步发电机的空载运行8 2同步发电机的负载时的电枢反应8 3隐极同步发电机的时空矢量图和相量图8 4凸极同步发电机的双反应理论和相量图8 5同步发电机的电压调整率和负载时励磁磁动势的求法 同步发电机的基本工作原理 大小 频率 励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁场 原动机拖动转子以转速旋转时 其磁场切割定子绕组而感应交流电动势 相序 由转子的转向决定 波形 由可知 波形取决于的空间分布 发电机的物理过程可用图示表示 旋转示意图1 旋转示意图2 8 1同步发电机的空载运行 同步发电机转子由原动机拖动到同步转速 转子绕组

4、通以恒定的直流励磁电流 定子电枢绕组开路 这种运行状态 称为同步发电机的空载运行 励磁电流If单独建立的励磁磁动势Ff产生的主 漏磁通 主 漏磁通均随转子旋转 在气隙中形成旋转磁场 主磁通交链电枢绕组 在电枢绕组中感应电动势 漏磁通不交链电枢绕组 不在电枢绕组中感应电动势 不参与定 转子之间的能量转换 空载时电磁关系 空载特性 空载电动势大小 空载特性曲线 一电枢反应 电枢反应 电枢磁通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 8 2同步发电机负载时电枢反应 电枢反应的性质 取决于电枢磁动势基波和励磁磁动势基波之间的相对位置 即与空载电动势和电枢电流之间的夹角有关 励磁磁势和电枢磁势的区别 准备工作 三个角四个轴 1时的电枢反应 电枢反应性质 交轴电枢反应 空载电动势和电枢电流同相位 2时的电枢反应 空载电动势超前电枢电流 3时的电枢反应 空载电动势滞后电枢电流 4一般情况下的电枢反应 空载电动势超前电枢电流角 此种情况下 直轴分量 交轴分量 直轴分量电流产生的合成磁动势 交轴分量电流产生的合成磁动势 一般情况下的电枢反应小结 二 电磁转矩 同步发电机带上

5、负载后 电枢电流建立电枢反应磁场 它与励磁电流作用产生电磁力 在某些情况下形成电磁转矩 实现机电能量转换 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 为了保持电机的转速不变 要求原动机输入更大的驱动转矩 调节有功功率 1 有功电流产生电磁力 形成电磁转矩 当发电机带有功负载 阻性负载 时 可以近似认为 即 电枢绕组流过有功电流时 产生交轴电枢反应磁场 励磁绕组载流体在该磁场作用产生电磁力 并形成制动性质的电磁转矩 2 无功电流产生电磁力但不形成转矩 说明发电机带感性 或容性 无功负载时 不需要原动机增加能量 但是直轴去磁 或助磁 电枢反应对气隙磁场有去磁 或助磁 作用 致使发电机端电压下降 或上升 为维持电压恒定 励磁电流需要相应增加 或减小 调节无功功率 发电机带电感或电容负载 无功负载 时 可以认为 产生直轴去磁 或助磁 电枢反应磁场 励磁绕组载流体在该磁场作用产生电磁力 但不形成电磁转矩 电枢反应和机 电能量转换 有功电流产生电磁力 并形成电磁转矩无功电流产生电磁力 不形成电磁转矩 当忽略电机本身参数 00 有功电流产生电磁力 并形成电磁转矩Tem 9

6、00 无功电流产生电磁力 不形成电磁转矩 隐极发电机的电磁过程 8 3隐极同步发电机的时空相矢量图和相量图 隐极发电机的电势方程式 其中 同步电抗的物理意义 表征地对称负载下单位电枢电流三相联合产生的电枢总磁场在电枢每相绕组中感应电势 简化方程式 隐极发电机的等效电路 只要去掉R即可得到简化等效电路 隐极发电机的相量图 已知发电机的端电压 负载电流和功率因数cos 及参数R xs 当功率因数cos 滞后时的相量图 8 4凸极同步发电机的双反应理论和相量图 1 凸极同步发电机的双反应理论 双反应理论 布朗戴尔双反应法 在磁路不饱和的条件下采用叠加定理 先把电枢磁动势Fa分解为两个磁动势 一个作用在直轴上 叫直轴电枢反应磁动势Fad 一个作用在交轴上 称交轴电枢反应磁动势Faq 两者分别产生与其相位相同的直 交轴基波气隙磁通密度 分别在绕组中产生电枢反应磁动势Ead和Eaq 在加上基波励磁磁动势Ff1产生空载电动势E0 三者叠加就得到气隙磁动势 2 凸极同步发电机的电动势方程和相量图 凸极同步发电机的电动势方程 电磁关系 不计磁路饱和时有下列关系 由于 且令 则电动势平衡方程 分别表征在对

7、称负载下 单位直轴或交轴三相电流产生的总电枢磁场在电枢每一相绕组中感应的电动势 若正方向按图规定 则有 代入 得到凸极发电机的电动势方程 或 注意 方程式中的电压 电动势和电流均为相值 凸极同步发电机的相量图作图步骤 若内功率因数角不知 可从以下公式求取 9 1同步发电机特性 短路特性及同步电抗的测定 1 空载特性 定义 空载特性是发电机的基本特性之一 它一方面表征了磁路的饱和情况 另一方面把它和短路特性 零功率因数负载特性配合 可确定电机的基本参数 额定励磁电流和电压变化率等 实际生产中 它还可以检查三相电枢绕组的对称性 匝间短路 判断励磁绕组和定子铁心有无故障等 第九章同步发电机的运行特性 定义 短路时的等效电路 2 短路特性 3 同步电抗的求取 隐极发电机 三相绕组短路电流时电压方程式 忽略电阻R时 如果已知漏电抗 则电枢反应电抗为 3 同步电抗的求取 短路时Iq 0 Id Ik 求xd不饱和值时 首先给定一励磁电流If 在空载特性的不饱和段或气隙线上确定对应If的E0值 然后在短路特性曲线上确定对应If的短路电流Ik的值 则 求取xd饱和值时 首先在空载特性上取对应额定电压UN

8、的励磁电流If0 再从短路特性上取出对应If0的短路电流Ik 则 交轴同步电抗 凸极发电机 1 负载特性 2 零功率因数负载特性 功率因数为零时的负载特性 目的 求电枢绕组的漏电抗 9 2同步发电机的零功率因数负载特性和保梯电抗的测定 If E0 U 气隙线 空载特性 试验曲线 取额定点n 取与横轴两线的距离到L3处 作气隙线的平行线交空载特性与K点 过K点作垂线交m km即为对应漏电抗电动势 n L3 k m 9 3同步发电机的电压调整特性和调整特性 定义 1 同步发电机的电压调整特性即外特性 当发电机带阻性和感性负载时 外特性是下降的 原因是电枢反应的去磁作用和电枢漏阻抗产生了电压降 带容性负载时且 发电机负载的容抗大于同步电抗 时 外特性是上升的 原因是电枢反应的助磁作用和容性电流在漏抗上的压降 为了在不同功率因数下时能得到额定电压 感性负载时要增大励磁电流 容性负载时应减小励磁电流 2 调节特性 在感性和阻性负载时 随着负载电流的增加 必须增加励磁电流 补偿电枢反应的去磁作用和漏阻抗压降 保持端电压恒定 对容性负载 随着负载电流的增加 必须减小励磁电流 在功率因数一定情况下 根

9、据调整特性曲线 可确定在负载变化范围内 维持电压不变所需的励磁电流的变化范围 运行人员可利用调整特性曲线 使系统中无功功率的分配更合理一些 并联运行的含义 第10章同步发电机的并联运行 1 提高供电的可靠性 2 提高供电的经济性 3 提高电能的质量 无穷大电网的含义 将两台或更多台发电机分别接在电力系统对应母线上 或通过变压器 输电线接在电力系统的公共母线上 共同向负荷供电 并联运行的优点 并列方法 1 准同步法2 自同步法 10 1同步发电机并联合闸方法和条件 准同期并列的条件 1 待并发电机的电压与电网电压大小相等 2 待并发电机电压相位与电网电压相位相同 3 待并发电机电压频率与电网电压频率相同 4 待并发电机的相序与电网的相序相同 上述条件 4 一般在安装发电机时 根据发电机的转向确定了发电机的相序而满足 因此运行人员在并列时只需调节发电机使其满足其它三个条件即可 不满足任一条件的并列称为非同期并列 将对电机产生严重的危害 重点内容 条件不满足时对电机的影响 1 电机和电网之间有环流 定子绕组端部受力变形 2 产生拍振电流和电压 引起电机内功率振荡 3 电机和电网之间有高次谐波

10、环流 增加损耗 温度升高 效率降低 4 电网和电机之间存在巨大的电位差而产生无法消除的环流 危害电机安全运行 1 电压大小不等 此时 S两端有电位差 在电位差的作用下发电机产生冲击电流 即 冲击电流为无功分量 不会加重原动机的负担 但会在电枢绕组中产生很大的冲击力 使电枢绕组端部受冲击力的作用而变形 由于xd 很小 所以即使 U不大 冲击电流也会很大 2 相位不同 此时 ab两端有电位差 电位差可达发电机电压的两倍 若此时并列 会产生很大的冲击电流 发电机会因遭受巨大的冲击力而损坏 冲击电流的影响 1 电枢绕组端部受力变形 2 转轴上受冲击转矩的作用 使机轴扭曲变形 3 电枢绕组发热 3 频率不同 转轴上时而产生制动转矩 时而产生驱动转矩 结果是电机振动 拍振电流使电枢绕组端部受力变形 使电枢绕组发热 4 相序不同 发电机实际并列时 除了相序必须一致外 其它条件允许有一定的偏差 如 U不超过10 相位差不超过10 频率偏差不超过0 2 0 5 0 1 0 25Hz 二 自同期法 相序正确前提下 起动未加励磁的发电机 当其转速接近同步速时 合上同步开关 将发电机并网 然后加上发电机励磁将

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