第六章同步電機(jī).ppt

電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),1,同步電機(jī)也是一種常用的交流電機(jī)。與感應(yīng)電機(jī)相比較，特點(diǎn)是，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n與極對(duì)數(shù)p和頻率f之間具有固定不變的關(guān)系：同步轉(zhuǎn)速?gòu)脑砩峡?，同步電機(jī)既可用作為發(fā)電機(jī)，也可用作為電動(dòng)機(jī)或補(bǔ)償機(jī)?，F(xiàn)代發(fā)電站中的交流發(fā)電機(jī)幾乎全部都是同步發(fā)電機(jī)，在工礦企業(yè)和電力系統(tǒng)中，同步電動(dòng)機(jī)和補(bǔ)償機(jī)也有使用。,第六章同步電機(jī),電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),2,主要內(nèi)容,以發(fā)電機(jī)為主進(jìn)行分析同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、運(yùn)行原理空載運(yùn)行；負(fù)載時(shí)的電樞反應(yīng)；同步發(fā)電機(jī)的基本方程；同步電機(jī)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),3,同步發(fā)電機(jī)的工作原理：,同步電機(jī)的構(gòu)造圖，在定子鐵芯上開(kāi)槽槽內(nèi)放置導(dǎo)線，轉(zhuǎn)子上裝有磁極及勵(lì)磁繞組。當(dāng)勵(lì)磁繞組通以直流電流時(shí)，電機(jī)內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，如果轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子使磁場(chǎng)與定子導(dǎo)線之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就會(huì)在定子導(dǎo)線中感應(yīng)出交流電勢(shì)。加把這些導(dǎo)線按一定規(guī)律聯(lián)成三相的電樞繞組，即可以從該繞組中引出三相交流電勢(shì)。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),4,這個(gè)交流電勢(shì)的頻率f決定于電機(jī)的極對(duì)數(shù)p和轉(zhuǎn)子每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)n(r/min)。由于每一轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)p對(duì)磁極，轉(zhuǎn)子每秒鐘轉(zhuǎn)數(shù)為n60，因此每秒鐘有pn/60個(gè)對(duì)磁極切割定子導(dǎo)線，使它的感應(yīng)電勢(shì)交變pn/60個(gè)周期，換句話(huà)說(shuō)，該電勢(shì)的頻率為：,當(dāng)電機(jī)的極對(duì)數(shù)和轉(zhuǎn)速一定時(shí)、它發(fā)出交流電勢(shì)的頻率也是一定的。我國(guó)電力系統(tǒng)規(guī)定，交流電的頻率為50Hz，例：電機(jī)為一對(duì)極，它的轉(zhuǎn)速必定是3000r/min。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),5,f與n之間這種固定關(guān)系，是同步電機(jī)的一個(gè)特征。若定子三相電樞繞組與三相負(fù)載相連，則三相定子繞組中流通三相電流，產(chǎn)生三相合成旋轉(zhuǎn)電樞磁勢(shì)，基波轉(zhuǎn)速n1即，電樞磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子同轉(zhuǎn)速、同轉(zhuǎn)向同步。即，電樞磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子磁勢(shì)二者同步、相對(duì)靜止。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),6,同步電機(jī)做電動(dòng)機(jī)：,三相定子繞組與電源接通，產(chǎn)生三相合成基波磁勢(shì)，轉(zhuǎn)速為同步速：同時(shí)轉(zhuǎn)子直流勵(lì)磁產(chǎn)生恒定主極磁場(chǎng)；兩個(gè)磁場(chǎng)間有相互電磁力作用，使得電樞磁場(chǎng)拖著主極磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n=n1。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),7,一、同步電機(jī)分類(lèi)：,旋轉(zhuǎn)電樞式：電樞旋轉(zhuǎn)，主極固定，因電樞功率不易由滑動(dòng)部分送出，只適于較小容量發(fā)電機(jī)，實(shí)用少。,同步電機(jī),6.1概述6.1.1同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)型式,旋轉(zhuǎn)磁極式：磁極旋轉(zhuǎn)，電樞固定，電樞功率由靜止部分送出，可傳送較大功率，實(shí)用廣，是同步發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)型式。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),8,旋轉(zhuǎn)磁極式,隱極式轉(zhuǎn)子：不計(jì)齒槽時(shí)氣隙均勻；機(jī)械強(qiáng)度高，適用于高轉(zhuǎn)速；一般用于汽輪發(fā)電機(jī)；外形細(xì)長(zhǎng)。凸極式轉(zhuǎn)子：氣隙不均勻，極弧下較小，極間較大；機(jī)械強(qiáng)度比隱極機(jī)低，適用于低轉(zhuǎn)速；一般用于水輪發(fā)電機(jī)，外形扁盤(pán)形。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),9,二、隱極同步電機(jī)（只有臥式支撐）,1、隱極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)：隱極式轉(zhuǎn)子上沒(méi)有凸出的磁極。沿著轉(zhuǎn)子本體圓周表面上，開(kāi)有許多槽，槽中嵌放勵(lì)磁繞組。在轉(zhuǎn)子表面約1/3部分沒(méi)有開(kāi)槽，構(gòu)成所謂大齒，是磁極的中心區(qū)。勵(lì)磁繞組通入勵(lì)磁電流后，沿轉(zhuǎn)子圓周也會(huì)出現(xiàn)N極和S極。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),10,2、隱極式轉(zhuǎn)子特點(diǎn)在大容量高轉(zhuǎn)速汽輪發(fā)電機(jī)中，轉(zhuǎn)子圓周線速度極高，最大可達(dá)170米/秒。為了減小轉(zhuǎn)子本體及轉(zhuǎn)子上的各部件所承受的巨大離心力，大型汽輪發(fā)電機(jī)都做成細(xì)長(zhǎng)的隱極式圓柱體轉(zhuǎn)子?？紤]到轉(zhuǎn)子冷卻和強(qiáng)度方面的要求，隱極式轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和加工工藝較為復(fù)雜。轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度/直徑=2.56.5，且容量愈大比值愈大。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),11,3、汽輪發(fā)電機(jī)主要結(jié)構(gòu)部件有：定子、轉(zhuǎn)子、端蓋和軸承。(1)定子定子大體上與異步電機(jī)相同，定子鐵心由0.35mm,0.5mm或其它厚度的硅鋼片疊成。,定子外徑較小時(shí)，采用圓形沖片，當(dāng)定子外徑大于1m時(shí)，采用扇形沖片。定子鐵心固定在機(jī)座上，機(jī)座常由鋼板焊接而成，它必須有足夠的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)還必須滿(mǎn)足通風(fēng)和散熱的需要。汽輪發(fā)電機(jī)的電壓較高，要求定子繞組有足夠的絕緣強(qiáng)度，一般采用B級(jí)或F級(jí)絕緣。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),12,(2)轉(zhuǎn)子采用隱極式轉(zhuǎn)子，外形常做成一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的圓柱體。轉(zhuǎn)子鐵心：鉻鎳鉬合金鋼鍛制而成，與轉(zhuǎn)軸鍛為一個(gè)整體。勵(lì)磁繞組：勵(lì)磁繞組為同心式繞組，以特制扁銅線繞制，并用不導(dǎo)磁的槽楔將繞組緊固在槽內(nèi)。護(hù)環(huán)、中心環(huán)和滑環(huán)：護(hù)環(huán)為一金屬圓筒，共兩只，用于保護(hù)勵(lì)磁繞組的兩個(gè)端部，采用高強(qiáng)度非導(dǎo)磁合金鋼制成。中心環(huán)用于支撐護(hù)環(huán)，阻止勵(lì)磁繞組的軸向移動(dòng)?；h(huán)實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁繞組與勵(lì)磁電源的連接，一方經(jīng)引線接勵(lì)磁繞組，另一方經(jīng)電刷接勵(lì)磁電源。,(3)端蓋和軸承,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),13,圖6-3典型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)散件示意圖,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),14,定子,汽輪發(fā)電機(jī)組,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),15,三、凸極同步電機(jī)1、支撐：臥式、立式支撐。大多數(shù)同步電動(dòng)機(jī)、調(diào)相機(jī)和內(nèi)燃機(jī)或沖擊式水輪機(jī)拖動(dòng)的發(fā)電機(jī)采用臥式結(jié)構(gòu)。低速、大型水輪發(fā)電機(jī)采用立式結(jié)構(gòu)。2、水輪發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)：極數(shù)多，直徑大，軸向長(zhǎng)度短。,立式,臥式,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),16,4、轉(zhuǎn)子水輪發(fā)電機(jī)由于水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速較低，要發(fā)出工頻電能，發(fā)電機(jī)的極數(shù)就比較多，做成凸極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)工藝上較為簡(jiǎn)單。凸極式轉(zhuǎn)子上有明顯凸出的成對(duì)磁極和勵(lì)磁線圈。轉(zhuǎn)子鐵心：由厚度為13mm的鋼片疊成；磁極兩端有磁極壓板，用來(lái)壓緊磁極沖片和固定磁極繞組。有些發(fā)電機(jī)磁極的極靴上開(kāi)有一些槽，槽內(nèi)放上銅條，并用端環(huán)將所有銅條連在一起構(gòu)成阻尼繞組，其作用是用來(lái)抑制短路電流和減弱電機(jī)振蕩，在電動(dòng)機(jī)中作為起動(dòng)繞組用。,3、定子水輪發(fā)電機(jī)的直徑很大，定子鐵心由扇形硅鋼片拼裝疊成。為了散熱的需要，定子鐵心中留有徑向通風(fēng)溝。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),17,勵(lì)磁方式分類(lèi)獲得勵(lì)磁電流的方法稱(chēng)為勵(lì)磁方式。目前采用的勵(lì)磁方式分為兩大類(lèi)：用直流發(fā)電機(jī)作為勵(lì)磁電源的直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)；用硅整流裝置將交流轉(zhuǎn)化成直流后供給勵(lì)磁的整流器勵(lì)磁系統(tǒng)。,6.1.2同步電機(jī)的勵(lì)磁方式,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),18,大容量的電機(jī)發(fā)熱問(wèn)題嚴(yán)重，為了使溫升不超過(guò)允許限度，就要采用有效的冷卻方法。對(duì)冷卻方法的要求是能夠輸送足夠的冷卻介質(zhì)到各個(gè)發(fā)熱的部位去，使電機(jī)各部分溫度比較均勻，而且不超過(guò)允許溫升，同時(shí)所用的冷卻系統(tǒng)應(yīng)盡可能結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且耗能小。汽輪發(fā)電機(jī)的冷卻最困難。水輪發(fā)電機(jī)由于直徑大，體積大，而軸向長(zhǎng)度短，冷卻問(wèn)題比較容易解決。冷卻方式主要有以下幾種：空氣冷卻、氫外冷卻、水冷卻、超導(dǎo)發(fā)電機(jī)。,6.1.3同步電機(jī)的冷卻方式,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),19,6.1.4同步電機(jī)的額定值,一、額定值額定電壓UN(V,kV)：指額定運(yùn)行時(shí)定子輸出端的線電壓。額定電流IN(A)：指額定運(yùn)行時(shí)定子的線電流。額定功率因數(shù)cosN：額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的功率因數(shù)。額定效率N：電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的效率。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),20,額定容量SN：發(fā)電機(jī)指出線端額定視在功率，單位為VA，KVA，MVA；調(diào)相機(jī)為線端額定無(wú)功功率，單位為Var,kVar,MVar。SN=3UNIN額定功率PN(W,kW,MW）：發(fā)電機(jī)指額定輸出有功電功率：PN=SNcosN=3UNINcosN電動(dòng)機(jī)指軸上輸出的額定機(jī)械功率：PN=SNcosNN=3UNINcosNN,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),21,額定頻率：額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)電樞輸出端電能的頻率，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)頻率規(guī)定為50Hz。額定轉(zhuǎn)速：額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即同步轉(zhuǎn)速。除上述額定值外，同步電機(jī)名牌上還常列出一些其它的運(yùn)行數(shù)據(jù)，例如額定負(fù)載時(shí)的溫升、勵(lì)磁容量和勵(lì)磁電壓等。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),22,二、國(guó)產(chǎn)同步電機(jī)型號(hào)汽輪發(fā)電機(jī)有QFQ、QFN、QFS等系列，前兩個(gè)字母表示汽輪發(fā)電機(jī)；第三個(gè)字母表示冷卻方式，Q表示氫外冷，N表示氫內(nèi)冷，S表示雙水內(nèi)冷。大型水輪發(fā)電機(jī)為T(mén)S系列，T表示同步，S表示水輪。同步電動(dòng)機(jī)系列有TD、TDL等，TD表示同步電動(dòng)機(jī)，后面的字母指出其主要用途。如TDG表示高速同步電動(dòng)機(jī)；TDL表示立式同步電動(dòng)機(jī)。同步補(bǔ)償機(jī)為T(mén)T系列。舉例：QFS-300-2：容量300MW雙水內(nèi)冷2極汽輪發(fā)電機(jī)。TSS1264/160-48：雙水內(nèi)冷水輪發(fā)電機(jī)，定子外徑為1264厘米，鐵心長(zhǎng)為160厘米，極數(shù)為48。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),23,6.2同步電機(jī)的運(yùn)行原理,1、定子上：三相繞組，空間互差1200電角度，匝數(shù)相等2、轉(zhuǎn)子上：If,由轉(zhuǎn)子N極出來(lái)氣隙定子鐵心氣隙轉(zhuǎn)子S極原動(dòng)機(jī)n逆時(shí)針恒速旋轉(zhuǎn)定子上導(dǎo)體切割磁力線產(chǎn)生E,一、同步發(fā)電機(jī)工作原理,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),24,二、感應(yīng)電勢(shì)e設(shè)沿極面正弦分布，則導(dǎo)體電勢(shì)ec=Bxlv=Bmlvsinwt=EcmsinwtBm正弦波磁通密度最大值則：eA=EcmsinwteB=Ecmsin（wt-1200）eC=Ecmsin（wt+1200）,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),25,6.2.1同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行,空載運(yùn)行原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)在同步轉(zhuǎn)速下運(yùn)行,勵(lì)磁（轉(zhuǎn)子）繞組通過(guò)勵(lì)磁電流，電樞（定子）繞組不帶任何負(fù)載（開(kāi)路）時(shí)的運(yùn)行情況?？蛰d運(yùn)行是同步發(fā)電機(jī)最簡(jiǎn)單的運(yùn)行方式，其氣隙磁場(chǎng)由轉(zhuǎn)子磁勢(shì)Ff（勵(lì)磁磁勢(shì)）單獨(dú)建立，稱(chēng)勵(lì)磁磁場(chǎng)。,圖空載時(shí)發(fā)電機(jī)內(nèi)部電磁關(guān)系,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),26,一、空載氣隙磁場(chǎng),（一）磁場(chǎng)波形對(duì)于凸極發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，定轉(zhuǎn)子間的氣隙沿整個(gè)電樞圓周分布不均勻，極面下氣隙較小，而極間氣隙較大，極面下的磁阻較小，而極間磁阻很大。,在一個(gè)極的范圍內(nèi)氣隙徑向磁通密度的分布近似于平頂?shù)拿毙巍O靴以外的氣隙磁通密度減少很快，相鄰兩極中線上的磁通密度為零。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),27,隱極電機(jī)的勵(lì)磁繞組嵌埋于轉(zhuǎn)子槽內(nèi)，沿轉(zhuǎn)子圓周氣隙可視為是均勻的。勵(lì)磁磁勢(shì)在空間的分布為一個(gè)階梯形，受齒槽的影響，氣隙磁密呈現(xiàn)出波動(dòng)變化。用諧波分析法可求出其基波分量。合理地選擇大齒的寬度可以使氣隙磁密的分布接近正弦波。,以后分析，如無(wú)特殊說(shuō)明，僅考慮磁通密度基波分量。,感應(yīng)電勢(shì)的波形和大小與氣隙磁密的分布形狀及幅值大小緊密相關(guān)，在設(shè)計(jì)和制造電機(jī)時(shí)，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧垣@得盡可能接近正弦分布的氣隙磁密，從而得到品質(zhì)較高的感應(yīng)電勢(shì)。以后的分析中，我們僅考慮感應(yīng)電勢(shì)的基波分量。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),28,（二）主漏磁通,1、主磁通0：既與轉(zhuǎn)子交鏈，又經(jīng)氣隙與定子交鏈的磁通。為一以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，磁密波形沿氣隙圓周近似作正弦分布，其基波分量的每極磁通用0表示，0參與電機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。2、漏磁通f：除0外的所有諧波成分，及勵(lì)磁磁場(chǎng)中僅與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組交鏈而不與定子交鏈的磁通。f不參與電機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),29,二、空載特性E0f(If)轉(zhuǎn)子同步速為n1，主磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速n1三相基波電勢(shì)有效值為E0=4.44fNkN10空載時(shí)，定子繞組的端電壓與感應(yīng)電勢(shì)相等式中，N定子每相繞組匝數(shù)；kN1繞組系數(shù)；0每極下基波磁通的平均值可變If空載運(yùn)行時(shí),勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)隨勵(lì)磁電流變化的關(guān)系稱(chēng)為同步發(fā)電機(jī)的空載特性E0f(If)。E0=f(If)E00、FfIf0=f(If)、E0=f(Ff)、0=f(Ff)：改變If，可改變E0，得空載特性曲線。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),30,圖6-15空載特性曲線,鐵磁材料的導(dǎo)磁率則是非線性的，隨Ff(If)大小而變化。Ff較小：很大，且變化不大，0和Ff呈線性關(guān)系；Ff較大：變小，隨Ff繼續(xù)加大而變得更?。柡汀⒎蔷€性）?？蛰d特性類(lèi)似電機(jī)磁路磁化曲線。,0和Ff有關(guān)，還和磁路的飽和情況有關(guān)。同步發(fā)電機(jī)的磁路由氣隙和鐵磁材料(磁極、轉(zhuǎn)子磁軛、定子鐵心、齒等)兩大部分組成?？諝獾膶?dǎo)磁率很小，是常數(shù)，磁通與Ff或If呈線性關(guān)系。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),31,為合理利用材料，空載額定電壓一般設(shè)計(jì)在空載特性的彎曲處，如圖中的c點(diǎn)。任何一臺(tái)電機(jī)的空載特性實(shí)際上也反映了它的磁化曲線。從磁路計(jì)算可知一臺(tái)電機(jī)的磁化曲線實(shí)際上只決定于電機(jī)各段鐵心和氣隙的尺寸以及鐵心的材料，當(dāng)電機(jī)制成后，其磁化曲線即確定不變。,氣隙線,勵(lì)磁電流較小時(shí)，由于磁通較小，電機(jī)磁路沒(méi)有飽和，空載特性呈直線，將其延長(zhǎng)后的直線稱(chēng)氣隙線。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),32,空載特性可以通過(guò)計(jì)算或試驗(yàn)得到。試驗(yàn)測(cè)定的方法與直流發(fā)電機(jī)類(lèi)似。同步電機(jī)的空載特性也常用標(biāo)么值表示，空載電勢(shì)以額定電壓為基值，此時(shí)的勵(lì)磁電流(稱(chēng)為額定勵(lì)磁電流)為勵(lì)磁電流的基值。用標(biāo)么值表示的空載特性具有典型性，不論電機(jī)容量的大小，電壓的高低，其空載特性彼此非常接近。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),33,4、空載特性曲線的飽和系數(shù)：,E0UN處空載磁動(dòng)勢(shì)Ff0ac；氣隙部分消耗的磁動(dòng)勢(shì)F=ab；其差是由鐵心飽和引起的磁壓降。電機(jī)磁路飽和系數(shù)k：,通常同步電機(jī)的k：約在1.11.25,E0：磁路不飽和時(shí)的空載電動(dòng)勢(shì),即，磁路飽和后，由勵(lì)磁磁勢(shì)所建立的磁通和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)都降低到未飽和時(shí)的1/k。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),34,5、空載特性在同步發(fā)電機(jī)理論中有著重要作用根據(jù)設(shè)計(jì)好的電機(jī)的空載特性，可判斷該電機(jī)的磁路是否過(guò)于飽和或者材料是否充分利用?？蛰d特性結(jié)合短路特性(在后面介紹)可以求取同步電機(jī)的參數(shù)。發(fā)電廠通過(guò)測(cè)取空載特性來(lái)判斷三相繞組的對(duì)稱(chēng)性以及勵(lì)磁系統(tǒng)的故障。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),35,三、空載運(yùn)行時(shí)空矢量圖,.,時(shí)間相量和空間矢量Ff1、Bf1：空間上正弦分布曲線，旋轉(zhuǎn)角速度1，空間上同相位；Bf10E0：0、E0時(shí)間上變化周期1。時(shí)間相量0、E0和空間矢量Ff1、Bf1變化頻率一致，在同一坐標(biāo)下，取定子繞組的時(shí)間參考軸即時(shí)軸與相軸重合形成時(shí)空矢量圖。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),36,2、凸極機(jī)：d軸：直軸，主磁極軸線（轉(zhuǎn)子磁極軸線）q軸：交軸，N、S之間的中心線，滯后d軸903、時(shí)空矢量圖Ff中的基波分量Ff1(空間矢量）與由它產(chǎn)生的Bf1(空間矢量）及0(時(shí)間矢量）同相位，波幅為d軸正方向；E0(時(shí)間矢量）滯后0900。,A,X,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),37,6.2.2同步電機(jī)的電樞反應(yīng)一、負(fù)載后磁勢(shì)分析,空載時(shí)，同步電機(jī)中只有一個(gè)n1旋轉(zhuǎn)的勵(lì)磁磁勢(shì)Ff，它在電樞繞組中感應(yīng)出三相對(duì)稱(chēng)交流電勢(shì)(勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)E0)。電樞繞組接三相對(duì)稱(chēng)負(fù)載后，電樞繞組和負(fù)載一起構(gòu)成閉合通路，通路中流過(guò)的是三相對(duì)稱(chēng)的交流電流，三相對(duì)稱(chēng)電流流過(guò)三相對(duì)稱(chēng)繞組時(shí)將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)以n1旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)Fa，與主極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)Ff“同步”。,電樞磁勢(shì),電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),38,結(jié)論：,隨軸同轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁勢(shì)Ff(稱(chēng)為機(jī)械旋轉(zhuǎn)磁勢(shì))；電樞旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)Fa(稱(chēng)為電氣旋轉(zhuǎn)磁勢(shì))。轉(zhuǎn)速均為同步速n1，而且轉(zhuǎn)向一致，二者在空間處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，可以用矢量加法將其合成為一個(gè)合成磁勢(shì)F。因此，氣隙中的磁場(chǎng)由主極磁場(chǎng)與電樞磁場(chǎng)二者合成。氣隙磁場(chǎng)可以看成是由合成磁勢(shì)F在電機(jī)的氣隙中建立起來(lái)的磁場(chǎng)。也是以同步轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。,F,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),39,勵(lì)磁磁勢(shì)和電樞磁勢(shì)的區(qū)別,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),40,電樞反應(yīng)定義：空載時(shí)Ff1FaF改變E、U改變。實(shí)踐證明，當(dāng)對(duì)稱(chēng)三相負(fù)載性質(zhì)不同時(shí)(如感性、容性或電阻性)，發(fā)電機(jī)端壓變化規(guī)律也不同。原因：電樞磁場(chǎng)對(duì)主極磁場(chǎng)的影響不同。同步發(fā)電機(jī)對(duì)稱(chēng)負(fù)載時(shí)，電樞磁勢(shì)Fa對(duì)勵(lì)磁磁勢(shì)Ff影響，使得氣隙磁場(chǎng)的大小和位置發(fā)生變化，這一現(xiàn)象稱(chēng)為電樞反應(yīng)。,二、電樞反應(yīng),電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),41,電樞反應(yīng)會(huì)對(duì)電機(jī)性能產(chǎn)生重大影響,電樞反應(yīng)的性質(zhì)（去磁、助磁或交磁）決定于空間相量Fa和Ff1之間的相對(duì)位置，這一相對(duì)位置僅與時(shí)間相量0和之間的相位差相關(guān)連。即取決于以E0作為電動(dòng)勢(shì)供電的相回路內(nèi)總電抗與總電阻的比值，故稱(chēng)為內(nèi)功率因數(shù)角。其大小由負(fù)載的性質(zhì)決定。不同于功率因數(shù)角(電機(jī)端壓U和電樞電流I的夾角)。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),42,三個(gè)角,四個(gè)軸,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),43,3.正方向規(guī)定,相繞組軸線正方向：假定相繞組首端(A，B，C)電流方向?yàn)椤?”，尾端(X，Y，Z)電流方向?yàn)椤啊保从沂致菪?，得A、B、C三個(gè)相軸線，空間互差120空間電角，組成空間固定坐標(biāo)系統(tǒng)。轉(zhuǎn)子d軸和q軸正方向：規(guī)定轉(zhuǎn)子N極磁力線穿出的方向，d軸；逆轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)過(guò)90空間電角，q軸。由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，d軸和q軸隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)組成空間旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),44,4、時(shí)-空矢量圖,Ff1及0在d軸上，E0在q軸上,Fa與I重合。將Fa分解：,幅值：Fad=Fasin直軸分量Faq=Facos交軸分量,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),45,5、電樞反應(yīng)的性質(zhì)(1)=0E0、I同相,Ff1超前Fa90，二者正交，F(xiàn)f1作用在直軸上；而Fa作用在交軸上，這種作用在交軸上的電樞反應(yīng)稱(chēng)為交軸電樞反應(yīng)，簡(jiǎn)稱(chēng)交磁作用。,Fa,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),46,電樞反應(yīng)的影響：,合成磁勢(shì)F的軸線位置從空載時(shí)直軸處逆轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向后移一個(gè)銳角，改變磁場(chǎng)分布。形成Ff1“拖著”F同步轉(zhuǎn)動(dòng)，主極轉(zhuǎn)子受到電磁制動(dòng)性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩。幅值較空載時(shí)略有增大。I和E0同相，發(fā)電機(jī)有有功功率輸送到電網(wǎng)，同步電機(jī)處于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),47,(2)=90E0超前I90Fa滯后Ff1180二者反相，F(xiàn)f1和Fa一同作用在直軸上，方向相反，電樞反應(yīng)為純?nèi)ゴ抛饔茫铣纱艅?shì)的幅值減小，這一電樞反應(yīng)稱(chēng)為直軸去磁電樞反應(yīng)。,Fa,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),48,電樞反應(yīng)的影響：,Ff1和Fa在d軸上，F(xiàn)a對(duì)Ff1起去磁作用，合成磁勢(shì)F的幅值減小。F與Ff1都在d軸上，兩者之間沒(méi)有切向作用力，沒(méi)有電磁轉(zhuǎn)矩，不進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),49,(3)=180E0超前I180，反相,Fa作用在交軸上，與相軸正方向反向180，為交軸電樞反應(yīng)。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),50,電樞反應(yīng)的影響：,合成磁勢(shì)F的軸線位置從空載時(shí)直軸處順轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向移一個(gè)銳角，改變磁場(chǎng)分布。F幅值較空載時(shí)略有增大。I和E0反相，有功功率從電網(wǎng)輸送到發(fā)電機(jī)，同步電機(jī)處于電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),51,(4)=-90I超前E090Fa和Ff1與之間的夾角為0，即二者同相，一同作用在直軸上，電樞反應(yīng)為純助磁作用，合成磁勢(shì)的幅值增大，這一電樞反應(yīng)稱(chēng)為直軸助磁電樞反應(yīng)。,Fa,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),52,電樞反應(yīng)的影響：,=-90時(shí)縱軸電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)Fa對(duì)主極磁動(dòng)勢(shì)Ff起助磁作用，使合成氣隙場(chǎng)增強(qiáng)。Fa、Ff同軸二者不產(chǎn)生切向力和電磁轉(zhuǎn)矩，不進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),53,（4）一般情況=(090)滯后0一個(gè)銳角,Fa和Ff1與之間的夾角90為分析電樞反應(yīng)，將Fa分解：,電流產(chǎn)生磁動(dòng)勢(shì)，把電樞電流分解為兩個(gè)分量：,對(duì)應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)Fad和Faq,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),54,電樞反應(yīng)的影響：,交軸電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)Faq（Iq）改變磁場(chǎng)分布，使得氣隙合成磁動(dòng)勢(shì)交軸分量滯后主極磁動(dòng)勢(shì)所在的d軸。F。定轉(zhuǎn)子間產(chǎn)生切向力和有電磁轉(zhuǎn)矩，進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。直軸電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)Fad（Id），對(duì)主極磁動(dòng)勢(shì)有去磁作用，使合成氣隙磁動(dòng)勢(shì)減小。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),55,當(dāng)角為不同值的電樞反應(yīng),電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),56,總結(jié)：,同步電機(jī)的運(yùn)行方式可以由來(lái)判斷：作發(fā)電機(jī)：-/2/2作電動(dòng)機(jī)：/2Xq書(shū)上p308的解釋?zhuān)詫W(xué)隱極機(jī)，氣隙均勻，XdXq,N1：電樞繞組每相的串聯(lián)匝數(shù)d、q：交直軸的電樞等效磁導(dǎo),電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),90,圖凸極同步電機(jī)電樞反應(yīng)磁通和漏磁通所經(jīng)磁路及其磁導(dǎo),Fad,Faq,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),91,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),92,3、相量圖由電勢(shì)平衡方程直接作出,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),93,畫(huà)相量圖注意事項(xiàng)：,已知條件：發(fā)電機(jī)的端電壓、電流、負(fù)載的功率因數(shù)角以及電機(jī)的參數(shù)Ra、Xd和Xq外；還必須先把電樞電流分解成直軸和交軸兩個(gè)分量，為此須先確定角，而角無(wú)法用儀表測(cè)得引入虛擬電勢(shì)。,RQ=IqXq/cos=IXq,R,Q,jXq,方法：從R點(diǎn)畫(huà)垂直于的直線并與0相量交于Q點(diǎn)，得到線段RQ，RQ與相量jIqXq間夾角為，有：,虛擬電勢(shì),電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),94,不計(jì)飽和時(shí)，凸極同步電機(jī)相量圖實(shí)際做法：,根據(jù)角，作出和；畫(huà)出相量Q，確定Q點(diǎn)，OQ與的夾角即為角；根據(jù)求出的角，把分解為d和q；從R點(diǎn)依次做jdXd和jqXq，得到端點(diǎn)T，連接OT，即為0。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),95,及E0的求取：,:與之間的夾角標(biāo)量法：根據(jù)相量圖進(jìn)行代數(shù)運(yùn)算，運(yùn)算簡(jiǎn)單tan=(IXq+Usin)/(IRa+Ucos)E0=Ucos+IRacos+IXdsin,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),96,假設(shè)：d軸（直軸）飽和、q軸（交軸）不飽和；交直軸磁路分開(kāi)計(jì)算，不計(jì)交叉飽和的影響。（疊加原理不再適用，雙反應(yīng)理論仍采用）,二、飽和時(shí),q軸：在正常運(yùn)行時(shí)，由于凸極電機(jī)q軸磁路氣隙大，不易飽和，故可認(rèn)為q軸電樞反應(yīng)電抗Xaq不受磁路飽和的影響為恒值；d軸：磁路氣隙小，磁路易飽和，當(dāng)磁路飽和時(shí)，磁導(dǎo)ad，故Xad。磁路飽和：XadXads（飽和值），XdXds(飽和值)，且大小隨磁路飽和程度不同而不同。,不飽和,飽和,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),97,1、電磁關(guān)系,磁路飽和時(shí)，電磁關(guān)系F均為基波磁動(dòng)勢(shì)折算到勵(lì)磁繞組的等效勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì),電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),98,2、電勢(shì)方程：,q軸氣隙大，磁路接近線性，Xaq為恒值：,漏電勢(shì)：,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),99,3、相量圖,如何求？,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),100,圖6-23凸極同步發(fā)電機(jī)空載特性,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),101,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),102,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),103,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),104,思考題,比較變壓器、異步電機(jī)和同步電機(jī)中的折算異同。答：變壓器的折算是繞組折算。即用一假想的繞組代替變壓器其中的一個(gè)繞組，成為變比為1的變壓器。折算原則，保持內(nèi)部電磁平衡關(guān)系。異步電機(jī)須進(jìn)行繞組折算，折算時(shí)引入電壓和電流變比；同時(shí)由于定、轉(zhuǎn)子參數(shù)頻率的不同，須進(jìn)行頻率折算，即將旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子等效成靜止的轉(zhuǎn)子，與定子繞組有相同的頻率。同步電機(jī)由于勵(lì)磁磁勢(shì)（階梯形波）和電樞磁勢(shì)（正弦波）在空間分布的波形不同，需要折算。原則是產(chǎn)生相同的基波磁勢(shì)（隱極機(jī)）或相同的基波磁密（凸極機(jī)：由于氣隙不均勻）。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),105,主要變量：U、Ia、If、cos研究?jī)?nèi)容：在保持n、cos不變的條件下，分析U、Ia、If之間的關(guān)系。確定一個(gè)量不變，其余兩量函數(shù)的關(guān)系同步發(fā)電機(jī)特性。同步發(fā)電機(jī)特性：基本特性和運(yùn)行特性基本特性：空載特性、短路特性和零功率因數(shù)負(fù)載特性求取發(fā)電機(jī)參數(shù)、了解電機(jī)性能；運(yùn)行特性：外特性、調(diào)節(jié)特性了解發(fā)電機(jī)運(yùn)行性能。,6.3同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),106,6.3同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性,電壓基值：額定相電壓UN(V)；電流基值：額定相電流IN(A)阻抗基準(zhǔn)值：Zb=UN/IN功率基準(zhǔn)值：SbmUNIN（VA）轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)：b=2n/60勵(lì)磁電流基值：Ifb=If0，空載時(shí)發(fā)電機(jī)有額定電壓時(shí)(E0=UN)，轉(zhuǎn)子中的勵(lì)磁電流；,分析特性時(shí)，常用標(biāo)么值表示?；鶞?zhǔn)值選用如下：,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),107,6.3.1同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性,一、空載特性nnNIa=O時(shí)，E0=f(If)空載時(shí)：E0=U1、空載試驗(yàn)過(guò)程：發(fā)電機(jī)電樞繞組開(kāi)路(I=0)，原動(dòng)機(jī)將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子拖動(dòng)到同步速nN，并保持不變，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流If，測(cè)量并記錄與勵(lì)磁電流If相對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)空載電壓U0（先使U達(dá)到1.3UN，再減小至If=0），逐點(diǎn)記錄，描成空載特性曲線?？蛰d特性曲線E0=f(If)電機(jī)的磁化曲線0=f(Ff),本質(zhì)上相同,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),108,2、空載試驗(yàn)注意磁滯問(wèn)題：,回顧p17頁(yè)磁滯現(xiàn)象：磁滯現(xiàn)象使If上升、下降所對(duì)應(yīng)的空載曲線不重合，一般取下降曲線。If=0時(shí)，E0=Er為剩磁電動(dòng)勢(shì)。調(diào)節(jié)If時(shí)，應(yīng)保證單向減小，以避免磁滯回線特性的影響。Er太大時(shí)，空載特性要加以校正。,Er,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),109,3、空載特性的校正,校正方法：將曲線延長(zhǎng)與橫軸相交，交點(diǎn)與原點(diǎn)距離為校正值，再將原實(shí)測(cè)曲線整體右移得工程中實(shí)用的校正曲線。,校正量,用途：不同電機(jī)的空載特性曲線彼此相似。試驗(yàn)曲線與設(shè)計(jì)好的電機(jī)空載特性曲線比較，應(yīng)很接近，可以判斷電機(jī)是否過(guò)飽和或材料未充分利用。與短路特性、零功率因數(shù)負(fù)載特性配合確定同步電機(jī)的參數(shù)。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),110,二、短路特性nnNU=O時(shí)，Ia=IK=f(If)曲線,試驗(yàn)過(guò)程：同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子拖動(dòng)到同步轉(zhuǎn)速nN，電樞繞組三相端點(diǎn)短路，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流If從0增加到1.2IN為止，測(cè)量Ia=IK、If，畫(huà)IK=f(If)。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),111,2、短路時(shí)電動(dòng)勢(shì)方程：,短路時(shí)，端電壓U0，短路電流僅受電機(jī)自身阻抗限制。通常，電樞電阻電樞電抗，短路電流認(rèn)為純感性的，電樞回路為純電感電路，即=90。電樞反應(yīng)為純?nèi)ゴ胖陛S電樞反應(yīng)；q=0，=d,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),112,3、分析合成磁勢(shì)：F=Ff-FadEE很小磁路不飽和，相當(dāng)于C點(diǎn)。,FEIKFad=kadFaIK(Ia)Ff=Fad+FIK，即IfIK,短路特性為一條過(guò)原點(diǎn)的直線,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),113,穩(wěn)態(tài)短路時(shí)，電機(jī)中的電樞反應(yīng)為純?nèi)ゴ抛饔?，電機(jī)的磁通和感應(yīng)電勢(shì)較小，短路電流也不會(huì)過(guò)大；三相穩(wěn)態(tài)短路運(yùn)行沒(méi)有危險(xiǎn)。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),114,4、特性三角形,BD短路時(shí)的E0三角形ABC為同步發(fā)電機(jī)的特性三角形，對(duì)測(cè)定同步電機(jī)的參數(shù)很有用。AB電樞反應(yīng)磁勢(shì)FadACIKXOAFOBFf,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),115,三、零功率因數(shù)特性n=nNI=Ccos=0時(shí)，U=f(If),定義：發(fā)電機(jī)的負(fù)載特性是指當(dāng)負(fù)載電流=常數(shù)，功率因數(shù)cos=常數(shù)的條件下，端電壓U與勵(lì)磁電流If的關(guān)系。其中當(dāng)cos=0時(shí)一條負(fù)載特性稱(chēng)為零功率因數(shù)特性。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),116,2、相量圖,cos=0的負(fù)載為純電感負(fù)載，RaIf0）。增加勵(lì)磁電流原因：AC：克服電樞漏抗壓降IX，相當(dāng)于消耗了勵(lì)磁電流；AF：Ifa抵消電樞等效磁動(dòng)勢(shì)kadFa的去磁作用。AE:電樞漏抗壓降IX,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),118,零功率因數(shù)特性是在I=c下作出的，IX和Ifa均保持不變，特性三角形的大小亦不變。若使特性三角形的底邊保持水平，將三角形的頂點(diǎn)E沿空載特性移動(dòng)，頂點(diǎn)F的軌跡即為零功率因數(shù)特性。把三角形下移，直到其水平邊與橫坐標(biāo)重合，此時(shí)K的端電壓為零，故K點(diǎn)即為短路點(diǎn)。,AE(垂邊)和Ifa(水平邊)組成直角三角形特性三角形,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),119,零功率因數(shù)曲線上的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：F、K,F：發(fā)電機(jī)接在UN上，調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)和勵(lì)磁電流，使發(fā)電機(jī)處于過(guò)勵(lì)，電樞電流IIN，輸出P0，此時(shí)的If和UN確定F點(diǎn)位置。K：U0，IIN，短路點(diǎn)；可由短路試驗(yàn)求得：調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，使IIkIN，此時(shí)的If即可確定K點(diǎn)位置。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),120,四、外特性n=nNIf=ccos=c時(shí)，U=f(Ia),不同功率因數(shù)的負(fù)載時(shí)，同步發(fā)電機(jī)的外特性。感性負(fù)載和純電阻負(fù)載時(shí)，外特性是下降（電樞反應(yīng)的去磁作用；漏阻抗壓降）容性負(fù)載且功率因數(shù)角達(dá)到超前時(shí)（X,凸極機(jī)：Xp=(1.051.1)X隱極機(jī)：Xp=(1.11.3)X,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),129,三、利用空載特性和短路特性確定Xd的不飽和值,短路特性：If0Ik空載曲線：If0E短路時(shí)，F(xiàn)很小磁路不飽和，利用空載特性的線性段氣隙線。短路時(shí)：=-jkX,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),130,四、短路比(SCR),定義：同步發(fā)電機(jī)在空載額定電壓UN所對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流If0下，三相穩(wěn)態(tài)短路時(shí)的短路電流IK0與額定電流IN之比，用kc表示。,kc=Ik0/IN,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),131,If0:產(chǎn)生空載額定電壓所需的勵(lì)磁電流If0:產(chǎn)生氣隙線上空載額定電壓所需勵(lì)磁電流Ifk:產(chǎn)生額定短路電流所需的勵(lì)磁電流k:電機(jī)主磁路的飽和系數(shù),又：U0=UN時(shí)，勵(lì)磁電流If0電樞繞組中Ik0勵(lì)磁電流IfK有短路電流IK=IN,kc=Ik0/IN=If0(U0=UN)/Ifk(Ik=IN)=(If0/If0)(If0/Ifk)=kUN/E0=k/Xd*不飽和,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),132,kc分析：,k1，飽和系數(shù)kc短路比Xd*不飽和倒數(shù)略大。kc小，Xd*不飽和大，氣隙較小，負(fù)載變化時(shí)，發(fā)電機(jī)電壓變化較大，并聯(lián)運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定性較差；電機(jī)氣隙較小，轉(zhuǎn)子用銅量少，電機(jī)造價(jià)便宜。增大電機(jī)氣隙，Xdkc；發(fā)電機(jī)電壓變化較小，電機(jī)靜態(tài)穩(wěn)定性好，過(guò)載能力強(qiáng)，但要增大勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)，轉(zhuǎn)子用銅量增大，造價(jià)高。汽輪：kc=0.41輸電距離短水輪：kc=0.81.8散熱條件好，輸電線路長(zhǎng)，穩(wěn)定性問(wèn)題突出,kc=Ik0/IN,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),133,思考：為什么同容量的同步電機(jī)氣隙異步電機(jī)氣隙？,異步電機(jī)：If由電源供給，從電網(wǎng)吸收感性無(wú)功功率；若氣隙大，則功率因數(shù)低，對(duì)電網(wǎng)影響大，所以在允許條件下，氣隙盡可能小。同步電機(jī)：氣隙合成磁場(chǎng)由定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)共同建立。從SCR角度考慮：氣隙大，短路比大，轉(zhuǎn)子用銅量多，尺寸大，制造成本高。所以，同步電機(jī)選擇氣隙大小時(shí)，要綜合考慮（氣輪、水輪），并從穩(wěn)定性角度盡可能加大氣隙。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),134,6.4同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行,單機(jī)供電的缺點(diǎn)：不能保證供電質(zhì)量(電壓和頻率的穩(wěn)定性)和可靠性(發(fā)生故障就得停電)；無(wú)法實(shí)現(xiàn)供電的靈活性和經(jīng)濟(jì)性。這些缺點(diǎn)可通過(guò)多機(jī)并聯(lián)來(lái)改善。通過(guò)并聯(lián)可將幾臺(tái)電機(jī)或幾個(gè)電站并成一個(gè)電網(wǎng)?，F(xiàn)代發(fā)電廠都是把幾臺(tái)同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)起來(lái)接在共同的匯流排上，一個(gè)地區(qū)總有多個(gè)發(fā)電廠并聯(lián)起來(lái)組成一個(gè)強(qiáng)大的電力系統(tǒng)(電網(wǎng))?，F(xiàn)代發(fā)電廠都是聯(lián)成大電力系統(tǒng)。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),135,電網(wǎng)供電優(yōu)點(diǎn)：,提高了供電可靠性。一臺(tái)電機(jī)故障或檢修不會(huì)引起停電事故。提高了供電的經(jīng)濟(jì)性和靈活性。若水電廠與火電廠并聯(lián)，在枯水期和旺水期兩種電廠可以調(diào)配發(fā)電，旺水期水電多發(fā)電，枯水期火電多發(fā)電；用電高峰期和低谷期可靈活決定投入電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)數(shù)量，提高發(fā)電效率和供電靈活性。提高了供電質(zhì)量。電網(wǎng)容量大(相對(duì)于單臺(tái)發(fā)電機(jī)或個(gè)別負(fù)載可視為無(wú)窮大)，單臺(tái)發(fā)電機(jī)投入與停機(jī)、個(gè)別負(fù)載變化對(duì)電網(wǎng)影響甚微，衡量供電質(zhì)量的電壓和頻率可視為恒定不變的常數(shù)。同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)到電網(wǎng)后其電壓、頻率和電網(wǎng)一致不能單獨(dú)變化。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),136,6.4.1投入并聯(lián)的條件和方法,一、并聯(lián)條件：1、定義：把同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)至電網(wǎng)的過(guò)程稱(chēng)為投入并聯(lián)(并列、并車(chē)、整步)。并車(chē)時(shí)必須避免產(chǎn)生巨大的沖擊電流，以防止同步發(fā)電機(jī)受到損壞（電磁沖擊、機(jī)械沖擊），電網(wǎng)遭受干擾。,兩臺(tái)同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行：是電力系統(tǒng)中若干臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)后的“等效”發(fā)電機(jī)；是待并聯(lián)的發(fā)電機(jī)。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),137,2、五個(gè)條件：,波形相同正弦波頻率相同f接近幅值相同；相位相同接近相序相同嚴(yán)格條件,若以上條件中的任何一個(gè)不滿(mǎn)足則在開(kāi)關(guān)兩端會(huì)出現(xiàn)差額電壓，如果閉合開(kāi)關(guān)，在發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)組成的回路中必然會(huì)出現(xiàn)瞬態(tài)沖擊電流。上述條件中相序一致是絕對(duì)條件，其它條件是相對(duì)的，因?yàn)橥ǔｋ姍C(jī)可以承受一些小的沖擊電流。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),138,五個(gè)條件的決定因素：,波形相同制造廠保證，認(rèn)為基本上是正弦波頻率相同調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速幅值相同調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流相位相同合閘瞬間電位相序相同在規(guī)定轉(zhuǎn)向下，發(fā)電機(jī)三相出線已標(biāo)明其相序ABC，只要和電網(wǎng)的各相對(duì)應(yīng)連接即可保證相序相同。,并聯(lián)，主要考慮,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),139,3、并聯(lián)條件不滿(mǎn)足的影響,若ff，頻率不同0與之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)兩相量間的相角差將在0360之間變化，電壓差忽大忽小。頻率相差越大，這個(gè)變化越劇烈。投入并聯(lián)的操作越困難，若投入電網(wǎng)，也不易同步，將在電機(jī)和電網(wǎng)之間引起很大的電流和功率振蕩。,發(fā)電機(jī)投入并聯(lián)的示意圖,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),140,若0與大小不等，或相位不同，把發(fā)電機(jī)投入并聯(lián)，則相當(dāng)于出突加電壓差U引起的瞬態(tài)過(guò)程，將在發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)中產(chǎn)生一定的沖擊電流。嚴(yán)重時(shí)，該電流可達(dá)額定電流的58倍。,綜上所述，為了避免投入并聯(lián)時(shí)引起電流、功率和轉(zhuǎn)矩的沖擊，最好同時(shí)滿(mǎn)足上述三個(gè)條件。,0與大小不等,相位不同,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),141,思考：同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)和變壓器的并聯(lián)有何異同？,相同點(diǎn)：相序一致、電壓相等不同點(diǎn)：同步：If可以調(diào)節(jié)，總能保證各臺(tái)發(fā)電機(jī)端電壓相等，但E0不一定相等。同步電抗數(shù)值不能確定負(fù)載電流的分配，即使有不同的同步電抗，也可以并聯(lián)運(yùn)行。變壓器：有相同的短路阻抗。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),142,1、準(zhǔn)確同步法（準(zhǔn)確整步法）將發(fā)電機(jī)調(diào)整到完全符合并聯(lián)條件后的合閘操作。調(diào)整過(guò)程常用同步指示器來(lái)判斷條件的滿(mǎn)足情況。最簡(jiǎn)單的同步指示器由三相相燈組成。A）直接接法：1）接法：三只燈泡直接跨接于電網(wǎng)與發(fā)電機(jī)的對(duì)應(yīng)相之間。,二、并聯(lián)方法,同步指示器,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),143,采用直接接法，每組燈上電壓相同假設(shè)發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的電壓幅值相同，而頻率不同,U以頻率（f2-f1)在(02)U1之間交變，即三組相燈以頻率（f2-f1）閃爍，同暗同亮燈光明暗法。,2）理論分析：,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),144,沖轉(zhuǎn)將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高到額定轉(zhuǎn)速；投勵(lì)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的大小，使系統(tǒng)側(cè)和待并發(fā)電機(jī)電壓表讀數(shù)相等；用燈光法檢查相序，如果相序一致，燈光應(yīng)表現(xiàn)為明暗交替，如燈光不是明暗交替說(shuō)明相序不一致，應(yīng)調(diào)整發(fā)電機(jī)的出線相序或電網(wǎng)的引線相序，嚴(yán)格保證相序一致；調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速n，改變頻率，直到燈光明暗交替頻率很低，等待燈光完全變暗的瞬間到來(lái)，即可合閘并車(chē)。,3）并車(chē)方法：,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),145,4）并聯(lián)后的自整步作用,合閘前，燈光仍在亮、暗交替變化，說(shuō)明f2和f1還不是嚴(yán)格相等，合閘后仍有u存在。分析表明，由于u的存在所產(chǎn)生的自整步作用，使電機(jī)最終能同步運(yùn)行。,若f2f1，合閘后產(chǎn)生環(huán)流Ih滯后90，也滯后2。發(fā)電機(jī)相當(dāng)于輸出電功率，軸上受制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速下降，直到嚴(yán)格同步,f2=f1。若f2f1，由相量圖可知三組燈的亮度變化情況。分析時(shí)取電網(wǎng)電壓為基準(zhǔn)圖6.48先是第組燈最亮，接著輪到第組燈最亮，然后是第組燈最亮，好像燈光逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)速度：2-1。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),149,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),150,若f2f1,組燈，燈光按順時(shí)針?lè)介g旋轉(zhuǎn)。增大發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使燈光旋轉(zhuǎn)速度慢下來(lái)，直到燈光不再旋轉(zhuǎn)時(shí)，就表示f2f1再調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電壓的大小和相位，直到燈熄滅燈的亮度相同，即A1、A2間電壓為零時(shí)，即表示發(fā)電機(jī)巳滿(mǎn)足投入并聯(lián)的條件，可合閘并網(wǎng)。交叉接法也稱(chēng)為燈光旋轉(zhuǎn)法，此法的優(yōu)點(diǎn)是能看出發(fā)電機(jī)的頻率比電網(wǎng)高還是低故用得較多。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),151,通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的大小使得端電壓與電網(wǎng)電壓相等；電壓調(diào)整好后，如果相序一致，則燈光旋轉(zhuǎn)，否則說(shuō)明相序不一致，這時(shí)應(yīng)調(diào)整發(fā)電機(jī)的出線相序或電網(wǎng)的引線相序，嚴(yán)格保證相序一致；通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速改變的頻率，直到燈光旋轉(zhuǎn)十分緩慢時(shí)，頻率f2f1，當(dāng)燈I完全熄滅，另兩組燈等亮度時(shí)迅速合閘并車(chē)。并聯(lián)后最終由自整步作用牽入同步運(yùn)行。,3）旋轉(zhuǎn)法并車(chē)方法,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),152,4）實(shí)驗(yàn)注意問(wèn)題,若按上述交叉接法接線時(shí)發(fā)現(xiàn)燈光不旋轉(zhuǎn)，而三對(duì)燈同時(shí)明暗，說(shuō)明發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)相序不同，使每對(duì)燈承受的相同，故須讓發(fā)電機(jī)任意兩線互換后才能并聯(lián)。準(zhǔn)確同步法（燈光法）又稱(chēng)理想整步法，合閘時(shí)無(wú)明顯的沖擊電流；對(duì)并車(chē)條件逐一檢查和調(diào)整，操作復(fù)雜，費(fèi)時(shí)較多。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),153,2、自同步法（自整步法）,上述準(zhǔn)確同步方法的優(yōu)點(diǎn)是合閘時(shí)沒(méi)有沖擊電流，缺點(diǎn)是操作較復(fù)雜，尤其當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，電網(wǎng)電壓和頻率都在變動(dòng)，采取準(zhǔn)確同步法很準(zhǔn)投入。為了把發(fā)電機(jī)迅速投入電網(wǎng)，可采用自同步法：,在相序一致的情況下將勵(lì)磁繞組通過(guò)適當(dāng)電阻短接原動(dòng)機(jī)把發(fā)電機(jī)拖動(dòng)到接近同步速(相差小于25)沒(méi)有接通勵(lì)磁電流的情況下合閘將發(fā)電機(jī)接入電網(wǎng)，并立即加入勵(lì)磁，依靠定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)之間的電磁轉(zhuǎn)矩將轉(zhuǎn)子拉入同步轉(zhuǎn)速，并車(chē)過(guò)程即告結(jié)束。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),154,實(shí)驗(yàn)注意問(wèn)題：,自整步作用只有當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近同步速時(shí)，才能發(fā)揮其作用。轉(zhuǎn)速相差太大，由于轉(zhuǎn)子有慣性，有時(shí)就不能牽入同步，將相當(dāng)于發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)頻率不同時(shí)的并網(wǎng)，因此產(chǎn)生很大電流，造成不良后果。勵(lì)磁繞組必須通過(guò)一限流電阻短接，因?yàn)橹苯娱_(kāi)路，將在其中感應(yīng)出危險(xiǎn)的高壓；直接短路，將在定、轉(zhuǎn)子繞組間產(chǎn)生很大的沖擊電流。缺點(diǎn)：合閘時(shí)有沖擊電流。優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，方便快捷。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),155,6.4.2功率和轉(zhuǎn)矩平衡方程,同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，由原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，在發(fā)電機(jī)對(duì)稱(chēng)穩(wěn)定運(yùn)行。原動(dòng)機(jī)輸入到發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率為P1機(jī)械損耗pmec、鐵損耗pFe、附加損耗pad電磁感應(yīng)傳到定子電功率電磁功率PemPem定子繞組銅耗pCu1發(fā)電機(jī)輸出有功功率P2,一、同步發(fā)電機(jī)的功率流程：,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),156,二、功率平衡方程式,P1-(pmec+pFe+pad)=PemPem=P2+pCu1Pem=P2+PCu1=mUIcos+mI2Ra=mEIcosiiE與I之間的夾角P2=P1-(pmec+pFe+pad)-pCu1,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),157,A、隱極同步發(fā)電機(jī)(不飽和)Ecosi=E0cos則Pem=mEIcosi=mE0Icos,Pem=mEIcosi,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),158,Pem=mEIcosi,B、凸極同步發(fā)電機(jī)（不飽和）Ecosi=EQcos=E0-Id(Xd-Xq)cos則Pem=mEIcosI=mE0Icos-mIdIq(Xd-Xq),C、定子繞組的電阻一般較小，其銅耗可以忽略不計(jì)，則有PemP2=mUIcos=mUIcos(-),電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),159,三、轉(zhuǎn)矩平衡功率平衡方程式兩側(cè)同除轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度：=2n/60T1-(Tmec+TFe+Tad)=TemT1=Tem+T0T1輸入轉(zhuǎn)矩、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tmec、TFe、Tad發(fā)電機(jī)空載損耗對(duì)應(yīng)的阻力轉(zhuǎn)矩、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tem發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,P1-(pmec+pFe+pad)=Pem,表明：發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，從原動(dòng)機(jī)輸入到發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩T1，應(yīng)克服空載阻力轉(zhuǎn)矩和對(duì)應(yīng)于負(fù)載的阻力轉(zhuǎn)矩Tem做功，從而通過(guò)發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能輸出。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),160,6.4.3功角特性,在許多場(chǎng)合下，常常用發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)E0，端電壓U、E0和U之間的功率角以及電機(jī)的參數(shù)來(lái)表示電磁功率。穩(wěn)態(tài)功角特性：同步發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)后，當(dāng)E0和U保持不變時(shí)，Pem=f()。功角特性是同步電機(jī)的基本特性之一。通過(guò)它可以研究同步電機(jī)接在電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)發(fā)出的有功功率，并進(jìn)一步揭示機(jī)組的穩(wěn)定性和闡明發(fā)電機(jī)狀態(tài)與電動(dòng)機(jī)狀態(tài)之間的聯(lián)系和轉(zhuǎn)化。下面先研究不計(jì)電樞電阻時(shí)的功角特性。,電機(jī)學(xué)第六章同步電機(jī),161,一、電磁功率,由Pem=P2+PCu1=mUIcos+mI2RaPemP2=mUIcos=mUIcos(-)=mUI(coscos+si