电机学2之同步电机

1、第六章 同步电机的稳态分析,6.1 同步电机的基本结构和运行状态,6.2 空载和负载时同步发电机的磁场,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和转矩方程,6.6 同步电机参数的测定,6.7 同步发电机的运行特性,第六章 同步电机的稳态分析,6.8 同步发电机与电网并联运行,6.9 同步电动机与同步补偿机,6.1 同步电机的基本结构和运行状态,同步电机,一、同步电机的基本结构,旋转电枢式,旋转磁极式,隐极式（Cylindrical-Rotor）,凸极式 （Salient-pole）,细长,水轮发电机,汽轮发电机,短粗,不计齿槽时气隙均匀；机械强度高，适用于高转速；一般用于汽轮发电机；外形细长。,气隙不均匀，极弧下较小，极间较大；机械强度比隐极机低，适用于低转速；一般用于水轮发电机，外形扁盘形。,同步电机的基本结构,300MW水氢冷发电机结构,1、汽轮发电机结构（1）定子铁心,思考：定子铁心为什么要用0.5mm的硅钢片叠裝？,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

2、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,现场运行的水轮发电机,发电机的物理过程可用图示表示,二、同步电机的运行状态,发电机把机械能转换为电能,电动机把电能转换为机械能,补偿机没有有功功率的转换，只发出或吸收无功功率,同步电机运行状态，主要取决于定子合成磁场与转子主磁场之间的夹角，称为功率角,6.1 同步电机的基本结构和运行状态,同步电机的三种运行状态,三、同步电机的励磁方式,直流励磁机励磁直流励磁机通常与同步发电机同轴，采用并励或他励接法。如图68所示,整流器励磁,静止式如图6-9旋转式,6.1 同步电机的基本结构和运行状态,额 定 容 SN 指额定运行时电机的输出功率 额定电压UN 指额定运行时定子的线电压 额定电流IN 指额定运行时定子的线电流 额定功率因数指额定运行时电机的功率因数 额定频率fN 指额定运行时电枢的频率 额定转速nN 指额定运行时电机的转速，即为同步转速,四、额定值,6.1 同步电机的基本结构和运行状态,返回,空载运行时，同步电机内仅

3、有由励磁电流所建立的主极磁场。图6l0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。,6.2 空载和负载时同步发电机的磁场,一、空载运行,6.2 空载和负载时同步发电机的磁场,一、空载运行,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。如图611所示,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。,6.2 空载和负载时同步发电机的磁场,与 同相时,定子绕组电动势、电流和磁动势的空间矢量图,b)定子绕组电动势、电流和磁动势的时间矢量图,注意：空间上三相绕组是逆时针放置,与 同相时,c) 时-空统一矢量

4、图,d)气隙合成磁场与主 磁场的相对位置,与 不同相时,a) 滞后于 时的空间矢量图,b) 滞后 时的时- 空统一矢量图,与 不同相时,c) 超前 时的时-空统一矢量图,返回,同步发电机负载运行时物理量的关系：,一、不考虑磁饱和时,6.3 隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路,在时间相位上， 滞后于 以90电角度，若不计定子铁耗, 与 同相位，则 将滞后于 以90电角度于是 亦可写成负电抗压降的形式，即,采用发电机惯例，以输出电流作为电枢电流的正方向时，电枢的电压方程为,因为电枢反应电动势Ea正比于电枢反应磁通a不计磁饱和时，a又正比于电枢磁动势Fa和电枢电流I，即,(65),(66),将式(66)代人式(65)，可得,(67),式中，Xs称为隐极同步电机的同步电抗，Xs=Xa+X，它是对称稳态运行时表征电枢反应和电枢漏磁这两个效应的一个综合参数。不计饱和时，Xs是一个常值。,图615a和b表示与式(65)和式(67)相对应的相量图，图615c表示与式(67)相应的等效电路。从图615c可以看出，隐极同步发电机的等效电路由激磁电动势和同步阻抗Ra+jXs串联组成，其中E0表示主磁

5、场的作用，Xs表示电枢反应和电枢漏磁场的作用。,考虑磁饱和时，由于磁路的非线性，叠加原理不再适用。此时，应先求出作用在主磁路上的合成磁动势F，然后利用电机的磁化曲线 (空载曲线) 求出负载时的气隙磁通 及相应的气隙电动势 。,二、考虑磁饱和时,ka是换算系数，表示产生同样大小的基波气隙磁动势时，1安匝的电枢磁动势相当于多少安匝的梯形波主极磁动势。,再从气隙电动势 减去电枢绕组的电阻和漏抗压降，使得电枢的端电压 ，即,相应的矢量图、相量图和FE间的关系如图616a和616b所示。图6-16a中既有电动势相量，又有磁动势矢量。故称为电动势磁动势图。,或,同步发电机稳态运行时，若所带负载为感性 ，则其电枢反应的性质为（ ）。A 交轴电枢反应； B 直轴去磁电枢反应；C 直轴去磁与交轴电枢反应； D 直轴增磁与交轴电枢反应。 答：C,2在同步电机中，只有存在 电枢反应才能实现机电能量转换。 答：交轴,例题,3同步电机的功角有双重含义，一是 和 之间的夹角；二是 和 空间夹角。 答：主极轴线，气隙合成磁场轴线，励磁电动势，电压,复习题,3.同步发电机带有阻感负载时的电枢反应是（ ）。 A.直轴去

6、磁； B.直轴加磁；C.交轴及直轴加磁 ；D.交轴及直轴去磁； 4.同步发电机并网联运行时，在下列哪种情况下其稳定性较好（ ）。 A.正常励磁运行； B.欠励运行； C.过励运行； D.重载运行； 5.负载并网运行的水轮发电机只减小励磁电流，发出的功率将（ ） A.不变 ； B.减小； C.增大； D.不确定； 6. 单台水轮同步发电机带负载独立运行时，若水轮机的输出功率减小，而励磁电流和负载阻抗值不变时，发电机输出功率将（ ）。 A.不变 ； B.减小； C.增大； D.不确定； 7.凸极同步电机，其直轴同步电抗Xd和交轴同步电抗Xq相比（ ）。 A. XdXq； D. XdXq；,复习题,8.中小型交流电机，消除定子绕组中齿谐波电动势常采用的方法是（ ）。 A.采用短距线圈； B.采用分布绕组； C.改善主极磁场分布； D.采用斜槽； 9.三相异步电动机拖动恒转矩负载运行时，若电源电压下降10%，转速将（ ）。 A.增大； B.不变； C.减小； D. 减小10%； 10.为消除交流绕组中的5次和7次谐波电动势，可取y1等于（ ）。 A.4/5T； B. 5/4T； C.5/6T；

7、 D.5/7T； 11.三相异步电动机转子电流所产生的磁动势相对于转子的转速为（ ） A.ns ； B.n； C.sns ； D.0； 12. 正常运行为接线的三相异步电动机，常见的起动方法是（ ）。 A.直接起动； B.自耦变压器降压起动；C.Y-换接起动；D.定子串电阻起动； 8.D；9.C；10.C；11.C；12.C；,复习题,15.空载的变压器若电源电压不变，频率由50Hz变为60Hz，其铁心磁通将（ ） A.不变； B.变大； C.变小； D.不确定；16.一台配电变压器，保持一次侧额定电压不变，若二次侧空载电压和额定负载时电压相等，则这台变压器负载性质可能为（ ）。 A.阻感性 ； B.纯感性； C.纯阻性； D.阻容性； 15，C 16， D 22.同步发电机实用的并网方法有两种，分别是_和 。23.减小同步发电机励磁电流，其功率角将 _。24.同步发电机转子阻尼绕组的作用是_ _。25.绕线式异步电动机转子串电阻起动的优点是_ 和 _。,复习题,（5）升高异步电机的定子电压，最大转矩将_（减小，不变，增大）；在转子回路中串电阻，最大转矩将 _（减小，不变，增大）。 （

8、答案：增大；不变）（6）一台380V、50Hz的感应电动机，把它接在380V、60Hz的电源上运行，则电机的主磁通将_（下降，不变，上升）；电机的最大转矩将_（下降，不变，上升）。 （答案：下降；下降）（7）在异步电动机的绕线转子中串入适当的电阻，则电机的最大转矩将_（下降，不变，上升）；电机的临界转差率将_（下降，不变，上升）。 （答案：不变；上升）,复习题,复习题,40.某三相水轮发电机PN=15000kW，UN=6.3kV，Y接，cosN=0.8（滞后），已知：标么值Xd=1.0，Xq=0.65，电枢电阻Ra忽略不计。 试求：额定运行时的功率角。,2 两台额定电压相同的变压器并联运行，已知：SNI=3000kVA，uKI=5%；SNII=3000kVA，uKII=10%。(1) 总负载为3000kVA时，两台变压器的负载分别是多少？(2) 为了不使任一台变压器过载，两台变压器的最大总输出容量是多少。,考虑到凸极电机气隙的不均匀性，把电枢反应分成直轴和交轴电枢反应分别来处理的方法，就称为双反应理论。凸极同步电机的气隙是不均匀的，极面下气隙较小，两极之间气隙较大，故直轴下单位面积的气隙磁导d (d0 ) 要比交轴下单位面积的气隙磁导q (q0 ) 大很多，如图618a所示。当正弦分布的电枢磁动势作用在直轴上时，由于d较大，故在一定大小的磁动势下，直轴基波磁场的幅值Bad1相对较大。,一、双反应理论,6.4 凸极同步发电机的电压方程和相量图,不考虑磁饱和时同步发电机负载运行时物理量的关系：,二、凸极同步发电机的电压方程和相量图,6.4 凸极同步发电机的电压方程和相量图,合成电动势（气隙电动势）,激磁电动势,直轴电枢反应电动势,交轴电枢反应电动势,漏抗压降,从气隙电动势中减去电枢绕组的电阻和漏抗压降，便得电枢的端电压。采用发电机惯例，电枢的电压方程为：,，,6-9,不计磁饱和时,和 可以用相应的负电抗压降来表示,6-10,将式(6-10)代入式(6-9)，并考虑 ，可得,直轴电枢反应电抗,交轴电枢反应电抗,直轴同步电抗,交轴同步电抗,6-11,式中，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。上式就是凸极同步发电机的电压方程。图6-19表示与上式相对应的相量图。引入虚拟电动势 ，使 可得,

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