同步电机2006.pdf

第一节同步电机的工作原理和额定值第二节同步发电机的磁场和电枢反应第三节电枢反应电抗和同步电抗第四节同步发电机电压方程和相量图第五节同步发电机的稳态运行特性第六节同步发电机的并网条件和方法第七节同步发电机的有功功率和无功功率调节第八节同步电动机的运行特性13.8 同步电机(380页)第一节同步电机的工作原理和额定值ƒ一、同步发电机的工作原理ƒ二、同步电机的铭牌数据ƒ三、同步电机的运行状态定子上装有三相对称绕组互差120°电角度转子上安放直流励磁绕组ACBSN设转子逆时针旋转紫色为流入红色为流出n1一、同步发电机的工作原理工作原理：当同步发电机被原动机拖动以同步转速n1旋转，转子励磁绕组通入直流励磁电流时，转子将产生同步转速旋转的主极磁动势及相应的主极磁场主磁场通过气隙并与定子绕组交链，在定子绕组中感应出三相交流电动势，若定子绕组带有负载，发电机将输出电功率„同步电机的特点：„其转子转速n与电网频率f 之间具有固定不变的关系„而感应电机的转子转速n≠n1 二、同步电机的额定值1、额定容量SN (或额定功率PN )：额定运行时电机的输出功率同步发电机SN (kVA)或PN (kW)；同步电动机PN (kW)；同步补偿机SN (kvar)。

2、额定电压UN：额定运行时定子绕组的线电压，单位为伏(V)3、额定电流IN：额定运行时定子绕组中的线电流，单位为安(A)4、额定功率因数cosϕN：额定运行时电机的功率因数5、额定频率fN：额定运行时电枢的频率，我国工频为50赫(Hz)6、额定转速nN：额定运行时电机的转速，为同步转速n1；单位为转/分(r/min)还有绝缘等级、允许温升、额定励磁电压和额定励磁电流等三、同步电机的运行状态有三种运行状态：发电机、电动机、补偿机根据定、转子磁场或定子合成磁场与转子主磁场的相对位置，也即定子合成磁场与转子主磁场之间的夹角δ来决定.δ称为功率角δN0S0主极n1SN表征电枢合成磁场的等效磁极n1Te(a) 发电机轴上输入机械功率，定子绕组输出电功率(b) 补偿机SN表征电枢合成磁场的等效磁极n1N0S0主极n1Te= 0电机内没有有功功率转换SN表征电枢合成磁场的等效磁极n1δN0S0主极n1Te(c) 电动机定子绕组从电网吸收电功率，转子轴输出机械功率一、同步电机的空载磁场同步发电机被原动机拖动以同步转速旋转，励磁绕组通入直流励磁电流，电枢绕组开路或电枢电流为零的情况ACBSN紫色为流入红色为流出n10φσφf第二节同步电机的磁场和电枢反应空载时的电磁关系激磁电动势的有效值011044.4 Φ=wkfNEfI0E&0Φ&f1Fr0Br对称负载时电枢磁势对主磁场的影响称为电枢反应。

二、同步电机的负载磁场和电枢反应1、负载时的电磁关系fIf1FrI&aFr)( 0Φ≠Φ&&)( 0EE&&≠BrFr2、电枢反应的作用：使气隙磁场畸变，影响能量转换；增磁、去磁作用－－与激磁电动势和电枢电流的夹角ψ0(即内功率因数角)有关0E&I&(1)、-900<ψ0<0°，超前，电枢反应为直轴增磁和交轴电枢反应2)、0°<ψ0<900，滞后，电枢反应为直轴去磁和交轴电枢反应3)、ψ0＝0°时，为交轴电枢反应，影响发电机有功功率的输出4)ψ0＝90°时，为直轴去磁电枢反应，使气隙磁场削弱，发电机端电压下降，影响发电机无功功率的输出5)ψ0＝-90°时，为直轴增磁电枢反应，使气隙磁场增强，发电机端电压上升，影响发电机无功功率的输出3、电枢反应的性质I&0E&I&0E&σσXjRIXIjXIjRIUEas+=++ssaaa0&&XXXXIU+=++=同步电抗—&&&&&&电枢绕组漏电抗—同理σσσXXIjE &&−=IEXXaa= a电枢反应电抗—aaXIjE&&−=引入一个参数，将电动势与电枢电流直接联系起来一、隐极机的电枢反应电抗和同步电抗第三节电枢反应电抗和同步电抗σσσσσXXXXXXXXXIjXIjRIUXXIjXXIjRIUXIjXIjXIjRIUE+=+=+++=+++++=++++=aqadddddaaaddaaadda0)()( 交轴同步电抗—直轴同步电抗—&&&&&&&&&&&&&&qaqaqaqaaqIEXXXIjE=−=交轴电枢反应电抗—同理&&dadadIEXX = ad直轴电枢反应电抗—addadXIjE&&−=二、凸极机的电枢反应电抗和同步电抗a0RIXIjUEasa&&&&++=1、隐极机的方程式2、凸极机的方程式dda0XIjXIjRIUE&&&&&+++=第四节同步电机的电势方程式和相量图激磁电动势与端电压的夹角称为功率角δ0E&U&3、隐极机的相量图U&aRI&σXIj&0E&aXIj&I&相量图ϕδ0ψasIRUIXUtg++=−ϕϕψcossin10ϕδψ +=04、凸极机的相量图U&aRI&0E&ddXIj&I&相量图ϕXIj&dI&qI&δ0ψaqIRUIXUtg++=−ϕϕψcossin10ϕδψ +=0cos , sin0q0dψψ IIII ==二、调整特性在同步转速下，保持端电压为额定电压，功率因数为常值时，励磁电流If 与电枢电流I的关系曲线If = f ( I ) ，称为同步发电机的调整特性。

即n = ns，U = UN，cosϕ=常值时，If = f ( I )曲线）IfI)(8.0cos 1 滞后：=ϕ0NI1cos 2 =ϕ：)(8.0cos 3超前：=ϕfNI不同功率因数时同步发电机的调整特性f0I第五节同步发电机并网的条件和方法1、投入并联的条件(1)、发电机相序应与电网一致；(2)、发电机频率应与电网相同；(3)、发电机激磁电动势应与电网电压大小相等、相位相同，即0E&U&UE&&=02、投入并联的方法为了投入并联所进行的调节和操作过程，称为整步过程1)、准确整步法（准确同步法、准确同期法）把发电机调整到完全合乎并联条件，再投入电网，为准确整步准确整步法优点：无冲击电流；缺点：操作复杂2)、自整步法（自同步法、自同期法）电力系统发生故障时，电压、频率均在变化，很难调整到完全合乎并联条件，为把发电机迅速投入电网，采用自整步法，事故后能迅速合闸，但冲击电流大自整步法优点：操作简单、迅速；缺点：有冲击电流3)、自整步操作方法首先校验发电机相序，然后将励磁绕组经限流电阻短路，用原动机将发电机拖动到接近同步转速时，将发电机投入电网，再立即加上直流励磁，利用定、转子磁场间形成的电磁转矩的“自整步作用”，迅速将发电机牵入同步。

第六节同步发电机有功功率和无功功率的调节ƒ一、功率方程ƒ二、功角特性ƒ三、有功功率和无功功率1P机械功率ΩpFepMP电磁功率∆p2P电功率功率转换流程图cuap机械损耗定子铁耗杂散损耗电枢铜耗(2) 2 cuaMpPP −=一、功率方程(1) 1 ∆Ω−−−= pppPPFeM设转子励磁损耗由独立的直流电源供给二、功角特性同步发电机接在电网上稳态对称运行时，在恒定励磁和恒定电网电压下（即E0 = 常值，U = 常值），发电机发出的电磁功率PM与功率角δ之间的关系曲线PM= f (δ)，称为同步发电机的功角特性不计电枢电阻时的相量图U&0Φ&0E&ddXIj&I&ϕXIj&qI&δ0ψdI&)sincos( )sinsincos(cos )cos( cos000δδδψδψδψϕdqMIImUmUImUImUIP+=+=−≈≈（忽略电枢电阻）δδ cos sin0UEXIUXIdd−==ddXUEIXUIδδ cossin0−==δδ 2sin)11(2sin20dqdMXXUmXUEmP −+=功率附加电磁功率，或磁阻—隐极机的功角特性基本电磁功率—δδ2sin)11(2)(sin2201dqMdMXXUmPXUEmP−==)11(245902max20max1dqMdMXXUmPXUEmP−=°==°=时，时，δδPe1PePe20°45°90°Peδ180°-180°发电机电动机同步电机功角特性max2max1max9045eeePPP +≠°°时＜＜δ三、有功功率和无功功率调节1、有功功率调节（设保持If =常值）调节原动机输入功率就可以改变功角δ，继而可调节同步发电机输出的有功功率。

但功角δ不能超过最大功角δm2、无功功率调节（设保持P2 =常值）分析前提：设发电机为隐极机，不计磁路饱和，忽略电枢电阻，电网为“无穷大电网”（即U =常值，f =常值）常值常值====≈ϕδcossin202mUIPXUEmPPse常值常值==ϕδcossin0IEU&0E&ϕ ′′I&ϕ′sXIj ′&sXIj&sXIj ′′&I′&I ′′&0E′&0E′′&ABCD常值=δsin0E常值=ϕcosI过励正常励磁欠励cosϕ =1时的励磁电流If 称为正常励磁电流If 时正常励磁状态：只输出有功功率；I′f ＞If，过励状态：输出有功功率和感性无功功率；I″f ＜If，欠励状态：输出有功功率和容性无功功率可见，调节励磁电流就可以调节同步发电机的无功功率三种状态相比，欠励状态下功率角δ较大，同步电机稳定性差，δ＞90°时为不稳定区，欠励区域靠近不稳定区，因此同步电机一般不宜在欠励状态下运行第七节同步电动机一、同步电动机的电势方程和相量图二、功角特性和无功功率的调节三、同步电动机的起动一、同步电动机的电势方程式和相量图采用电动机惯例，即这样输入的功率和电磁功率都为正1、隐极同步电动机的电势方程式aII&&−=a0RIXIjEUs&&&&++=dda0XIjXIjRIEU&&&&&+++=2、凸极同步电动机的电势方程式激磁电动势与端电压的夹角称为功率角δ0E&U&3、隐极同步电动机的相量图U&aRI&sXIj&0E&I&相量图ϕδ0ψϕδψ +=04、凸极同步电动机的相量图U&aRI&0E&ddXIj&I&ϕXIj&dI&qI&δ0ψϕδψ +=0cos , sin0q0dψψ IIII ==二、功角特性和无功功率的调节1、其功角特性公式与同步发电机的相同。

有功功率从电网－－电动机2、调节转子励磁电流可调节同步电动机的无功功率从而改善电网的功率因数过励时：同步电动机从电网吸收超前的无功功率；欠励时：同步电动机从电网吸收滞后的无功功率三、同步电动机的起动同步电动机不能自起动，因为：不能产生恒定方向的电磁转矩1、异步起动法：起动时，将励磁绕组通过电阻短接，然后将定子绕组接到电网，使电机靠异步电磁转矩起动，待转速接近同步转速时，再将励磁电流接入，使转子建立主磁场，靠定、转子磁场相互作用将电机牵入同步注意：异步起动阶段，励磁绕组不能开路2、其它起动方法采用辅助感应电动机拖动，接近同步转速时，再考自整步法将电动机牵入同步3、同步补偿机是不带机械负载，专门调节电网功率因数的同步电机例题1、一台75转/分、50Hz的同步电机的极数？2、三相汽轮发电机，额定容量为25000千瓦，额定电压10.5千伏，星形接法，功率因数为0.8(滞后)，同步电抗为7.52欧，不计电枢电阻，每相激磁电势为14263伏，单机运行，接下列各种负载，求电枢电流，并说明电枢反应的性质？1)、每相10欧纯电阻；2)、每相10欧纯电容；3)、每相10欧纯电感：4)、容性负载10-j10欧。

3、一台并联在电网的三相同步发电机，输出功率。