05第5章同步电机教学内容.ppt

第5章 同步电机海南风光同步电机 第5章 同步电机5.2 空载和负载时同步发动机的磁场5.3 同步发动机的基本方程式和相量图5.4 同步发动机的并联运行5.5 同步发动机参数测定5.6 同步发电机运行特性5.7 同步电动机5.1 同步电机的基本结构和工作原理第5章 同步电机5.1 同步电机的基本结构和工作原理 一、基本类型：1、按用途分：发电机、电动机、调相机（补偿机）2、按转子结构分：凸极式、隐极式3、按原动机类型（发电机）分：汽轮发电机、水轮发电机第5章 同步电机第5章 同步电机1、汽轮发电机结构 （1）定子铁心第5章 同步电机（2）定子绕组第5章 同步电机（3）转子第5章 同步电机2、水轮发电机结构(1)立式水轮发电机(2)卧式水轮发电机第5章 同步电机(3)转子结构10000kw水轮机转子第5章 同步电机 同步补偿机实际是一台接在交流电网上空载的同步电动机，电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目三、同步电机的用途 同步电机主要用作发电机运行，把机械能转化成电能向电网发出交流电，是同步电机最主要的运行方式 同步电动机可以通过调节励磁电流来改善电网的功率因数。

在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用第5章 同步电机四、额定值 1、额定功率 (kW) 输出的额定功率 发电机：电功率； 电动机：机械功率2、 额定电压(V)：定子绕组额定线电压3、 额定电流(A)：定子绕组额定线电流4、 额定转速 (r/min)：额定运行时的转子转速 5、 额定功率因数Cos：额定工况下发电机的功率因数6、 励磁电压（V）和励磁电流(A)第5章 同步电机5.2 空载载和负载时负载时 同步发动发动 机的磁场场一、空载载运行同步电电机的空载载磁路第5章 同步电机 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 前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第5章 同步电机 当转转子以同步转转速旋转时转时 ，主磁场场将在气隙中形成一个旋转转磁场场，在定子绕组绕组 内感应应出对对称三相电电动势动势 （激磁电动势电动势 ） 第5章 同步电机二、对称负载时的电枢反应 负载时，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。

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 (称为内功率因数角)第5章 同步电机励磁磁势和电枢磁势的区别基波波形大小位置转转速励磁磁势势正弦波恒定，由励磁电电流决定由转转子位置决定由原动动机的转转速决定电电枢反应应磁势势正弦波恒定，由电电枢电电流决定由电电流瞬时值时值 决定由电电流的f和P决定下面分成四种情况来分析电枢反应的性质第5章 同步电机三个角：四个轴：djdj+=YY:.:)(;,:;,:00三者关系的时间相位角与是功角功率角与负载有关的时间相位角与是外功率因数角与电机参数及负载有关的时间相位角与是内功率因数角UEIUIE第5章 同步电机 1、内功率因数角=00 时轴+900FFad轴q轴 A轴AX ZBCYFfNS 交轴电枢反应第5章 同步电机 2、内功率因数角=900时轴d轴q轴 A轴AXZBCYFfNS直轴去磁电枢反应Fa第5章 同步电机 3、内功率因数角=-900时轴d轴q轴 A轴AXZBCYFfNS直轴助磁电枢反应Fa第5章 同步电机 4、内功率因数角00900 时轴d轴q轴 A轴AXZBCYFfNS既有交轴又有直轴去磁电枢反应+900Fa第5章 同步电机凸极同步电机电枢反磁通及所经磁路及磁导直轴电枢磁导交轴电枢磁导第5章 同步电机当角为不同值的电枢反应 位置夹角记作电枢反应性质对电机的影响=负载性质n(f)U=00q轴+900交轴波形畸变下降不变R=900d轴+900直、去削弱不变下降L=-900d轴+900直、助增强不变上升C00900d、q轴+900交、直去削弱下降下降 R、L-90000d、q轴+900交、直助增强下降上升R、C第5章 同步电机 电枢磁势和电枢电流分量 第5章 同步电机三、电枢反应和机电能量转换1、有功电流产生电磁力，并形成电磁转矩 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。

n1Tem第5章 同步电机=900, 无功电流产生电磁力, 不形成电磁转矩 n1nadIfAZBXCYNS2、无功电流产生电磁力，不形成电磁转矩第5章 同步电机1、凸极发电机的电磁过程5.3 同步发电机的基本方程式和向量图一、凸极同步发电机第5章 同步电机2、凸极发电机的电势方程式其中：第5章 同步电机3、凸极发电机的相量图和等效电路已知发电机的端电压、负载电流和功率因数及参数ra 、xd、xq 已知内功率因数角按照电势方程式的关系作出相量图未知内功率因数角1）利用方程式求出：2）利用公式求出：第5章 同步电机凸极同步发电机的向量图（已知内功率因数角）第5章 同步电机引入虚拟电动势 ，使 可得角的确定：第5章 同步电机凸极同步发电机的等效电路图第5章 同步电机1、隐极发电机的电磁过程二、隐极同步发电机第5章 同步电机2、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第5章 同步电机3、隐极发电机的等效电路raxt只要去掉 ra 即可得到简化等效电路第5章 同步电机4、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ra 、xt当功率因数cos 滞后时的相量图第5章 同步电机5.4 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（主要是U和f）无穷大电网：1）S 2）ZS 0 3）US = C 4） fS= C一、并联运行的优点第5章 同步电机二、并联运行的条件和方法 条件： 1.电压大小相位相同 2.频率相同 3.电压波形相同 4.相序相同 方法 1.准同期法 2.自同期法第5章 同步电机 三、条件不满足时对电机的影响 电机和电网之间有环流，定子绕组端部受力变形。

产生拍振电流和电压，引起电机内功率振荡 电机和电网之间有高次谐波环流，增加损耗，温度升高，效率降低 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，危害电机安全运行第5章 同步电机输入功率P1机械损耗pmec附加损耗pad铁损pFe电磁功率Pem定子铜损pcu1输出功率P2四、有功功率第5章 同步电机1、有功功率功角特性定义： 并联于无穷大电网的同步发电机，当电网电压和频率恒定、参数（xd、xq、xt）为常数、空载电势E0不变（即 If 不变）时，Pem=f ()为有功功率功角特性第5章 同步电机凸极电机的有功功率功角特性： 隐极电机的有功功率功角特性：第5章 同步电机功率极限值(隐极)0900PemPemmax1800发电机有功功率功角特性曲线Pem18000900Pemmax凸极第5章 同步电机两种电机功角特性的区别第5章 同步电机2、功角的双重物理意义a、是电动势 和电压 间的时间相角差b、是励磁磁势 和合成磁势 间的空间相角差第5章 同步电机功角意义的图示A：第5章 同步电机NSFNSFfT1nTemn1功角意义的图示B功角是转子磁极轴线和定子合成磁极轴线的空间夹角第5章 同步电机判据：隐极发电机的判据：比整步功率(kW/rad)3、静态稳定的概念 指电网或原动机方面出现某些微小扰动时，同步发电机能在这种干扰消失后，继续保持原来的平衡运行状态第5章 同步电机过载能力隐极发电机的过载能力第5章 同步电机五、无功功率定义： 并联于无穷大电网的同步发电机当电网电压和频率恒定、参数（xd、xq、xt）为常数、空载电势E0不变（即 If 不变）时，Q=f()为无功功率功角特性。

第5章 同步电机凸极发电机无功功率的功角特性 隐极发电机无功功率的功角特性第5章 同步电机隐极发电机无功功率功角特性的几个特殊点第5章 同步电机励磁电流改变时的有功功率和无功功率功角特性增大励磁电流第5章 同步电机12同步发电机不同运行方式时的相量图3第5章 同步电机V形曲线:并联于无穷大电网的同步发电机，保持有功功率不变时，表示电枢电流 I 和励磁电流 If 的关系曲线 I = f（If）第5章 同步电机V形曲线的几个特点1、每条曲线的最低点：cos=1，连线向右倾斜2、不稳定区域边缘：=900，连线向右倾斜3、每条曲线上的电流变化量 I 为无功分量4、励磁电流增大时，电枢电流变化规律为先增大后减小第5章 同步电机5.5 同步发电机参数的测定一、用空载特性和短路特性确定Xd 空载特性可以用空载试验测出试验时，电枢开路 (空载)，用原动机把被试同步电机拖动到同步转速，改变励磁电流If，并记取相应的电枢端电压U0 (空载时即等于E0，直到U01.25UN左右，可得空载特性曲线 短路特性可由三相稳态短路试验测得，试验线路如图4-1所示将被试同步电机的电枢端点三相短路，用原动机拖动被试电机到同步转速，调节励磁电流If使电枢电流I从零起一直增加到1.2IN左右，便可得到短路特性曲线，如图42所示。

第5章 同步电机 短路时， ，故 ， ，而 所以 因为短路试验时磁路为不饱和，所以这里的E0(每相值)应从气隙线上查出，如图43所示，求出的Xd值为不饱和值 第5章 同步电机 Xd的饱和值与主磁路的饱和情况有关主磁路的饱和程度取决于实际运行时作用在主磁路上的合成磁动势，因而取决于相应的气隙电动势；如果不计漏阻抗压降，则可近似认为取决于电枢的端电压，所以通常用对应于额定电压时的Xd值作为其饱和值为此，从空载曲线上查出对应于额定端电压UN时的励磁电流If0，再从短路特性上查出与该励磁电流相应的短路电流，如图44所示，这样即可求出 Xd(饱和)第5章 同步电机5.6 同步发电机的运行特性一、同步发电机的运行特性 同步发电机的稳态运行特性包括外特性、调整特性和效率特性 外特性外特性表示发电机的转速为同步转速，且励磁电流和负载功率因数不变时，发电机的端电压与电枢电流之间的关系：即nnS，If=常值，cos=常值时，U=f(I) 图45 表示带有不同功率因数的负载时，同步发电机的外特性 第5章 同步电机 调整特性调整特性表示发电机的转速为同步转速、端电压为额定电压、负载的功率因数不变时，励磁电流与电枢电流之间的关系；即nnS，U =UN，cos=常值时，If=f(I)。

图46表示带有不同功率因数的负载时，同步发电机的调整特性 效率特性效率特性是指转速为同步转速、端电压为额定电压、功率因数为额定功率因数时，发电机的效率与输出功率的关系；即nnS，U =UN，cos= cosN时，=f(P2) 返回第5章 同步电机短路实验接线图返回第5章 同步电机短路特性返回第5章 同步电机用空载和短路特性来确定返回第5章 同步电机 (饱和)的确定返回第5章 同步电机同步发电机的外特性cos=0.8滞后cos=1cos=0.8超前返回第5章 同步电机同步发电机的调整特性cos=0.8滞后cos=1cos=0.8超前返回第5章 同步电机5.7 同步电动机一、三相异步电动机同步运行（异步电动机同步化）和三相同步电动机的工作原理 开关投向右边，直流电流从a端流入，b、c两端流出第5章 同步电机其三相绕组中的电流关系，与取 这个瞬间时，建立三相绕组合成磁动势的三相电流的关系相吻合，即第5章 同步电机通入直流电流所建立的磁动势与磁场的基波分布图和三相绕组合成磁动势一样第5章 同步电机第5章 同步电机 从磁效应来看，通入直流电流后，就成为一。