第六章同步電機.ppt

電機學第六章同步電機,1,同步電機也是一種常用的交流電機。與感應電機相比較，特點是，穩(wěn)態(tài)運行時，轉子的轉速n與極對數(shù)p和頻率f之間具有固定不變的關系：同步轉速從原理上看，同步電機既可用作為發(fā)電機，也可用作為電動機或補償機?，F(xiàn)代發(fā)電站中的交流發(fā)電機幾乎全部都是同步發(fā)電機，在工礦企業(yè)和電力系統(tǒng)中，同步電動機和補償機也有使用。,第六章同步電機,電機學第六章同步電機,2,主要內容,以發(fā)電機為主進行分析同步電機的基本結構、運行原理空載運行；負載時的電樞反應；同步發(fā)電機的基本方程；同步電機內的能量轉換同步發(fā)電機并聯(lián)運行,電機學第六章同步電機,3,同步發(fā)電機的工作原理：,同步電機的構造圖，在定子鐵芯上開槽槽內放置導線，轉子上裝有磁極及勵磁繞組。當勵磁繞組通以直流電流時，電機內就會產生磁場，如果轉動轉子使磁場與定子導線之間有相對運動，就會在定子導線中感應出交流電勢。加把這些導線按一定規(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。,電機學第六章同步電機,4,這個交流電勢的頻率f決定于電機的極對數(shù)p和轉子每分鐘的轉數(shù)n(r/min)。由于每一轉對應p對磁極，轉子每秒鐘轉數(shù)為n60，因此每秒鐘有pn/60個對磁極切割定子導線，使它的感應電勢交變pn/60個周期，換句話說，該電勢的頻率為：,當電機的極對數(shù)和轉速一定時、它發(fā)出交流電勢的頻率也是一定的。我國電力系統(tǒng)規(guī)定，交流電的頻率為50Hz，例：電機為一對極，它的轉速必定是3000r/min。,電機學第六章同步電機,5,f與n之間這種固定關系，是同步電機的一個特征。若定子三相電樞繞組與三相負載相連，則三相定子繞組中流通三相電流，產生三相合成旋轉電樞磁勢，基波轉速n1即，電樞磁勢與轉子同轉速、同轉向同步。即，電樞磁勢與轉子磁勢二者同步、相對靜止。,電機學第六章同步電機,6,同步電機做電動機：,三相定子繞組與電源接通，產生三相合成基波磁勢，轉速為同步速：同時轉子直流勵磁產生恒定主極磁場；兩個磁場間有相互電磁力作用，使得電樞磁場拖著主極磁場同步轉動，轉子轉速n=n1。,電機學第六章同步電機,7,一、同步電機分類：,旋轉電樞式：電樞旋轉，主極固定，因電樞功率不易由滑動部分送出，只適于較小容量發(fā)電機，實用少。,同步電機,6.1概述6.1.1同步電機的結構型式,旋轉磁極式：磁極旋轉，電樞固定，電樞功率由靜止部分送出，可傳送較大功率，實用廣，是同步發(fā)電機的基本結構型式。,電機學第六章同步電機,8,旋轉磁極式,隱極式轉子：不計齒槽時氣隙均勻；機械強度高，適用于高轉速；一般用于汽輪發(fā)電機；外形細長。凸極式轉子：氣隙不均勻，極弧下較小，極間較大；機械強度比隱極機低，適用于低轉速；一般用于水輪發(fā)電機，外形扁盤形。,電機學第六章同步電機,9,二、隱極同步電機（只有臥式支撐）,1、隱極式轉子結構：隱極式轉子上沒有凸出的磁極。沿著轉子本體圓周表面上，開有許多槽，槽中嵌放勵磁繞組。在轉子表面約1/3部分沒有開槽，構成所謂大齒，是磁極的中心區(qū)。勵磁繞組通入勵磁電流后，沿轉子圓周也會出現(xiàn)N極和S極。,電機學第六章同步電機,10,2、隱極式轉子特點在大容量高轉速汽輪發(fā)電機中，轉子圓周線速度極高，最大可達170米/秒。為了減小轉子本體及轉子上的各部件所承受的巨大離心力，大型汽輪發(fā)電機都做成細長的隱極式圓柱體轉子?？紤]到轉子冷卻和強度方面的要求，隱極式轉子的結構和加工工藝較為復雜。轉子長度/直徑=2.56.5，且容量愈大比值愈大。,電機學第六章同步電機,11,3、汽輪發(fā)電機主要結構部件有：定子、轉子、端蓋和軸承。(1)定子定子大體上與異步電機相同，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，采用圓形沖片，當定子外徑大于1m時，采用扇形沖片。定子鐵心固定在機座上，機座常由鋼板焊接而成，它必須有足夠的強度和剛度，同時還必須滿足通風和散熱的需要。汽輪發(fā)電機的電壓較高，要求定子繞組有足夠的絕緣強度，一般采用B級或F級絕緣。,電機學第六章同步電機,12,(2)轉子采用隱極式轉子，外形常做成一個細長的圓柱體。轉子鐵心：鉻鎳鉬合金鋼鍛制而成，與轉軸鍛為一個整體。勵磁繞組：勵磁繞組為同心式繞組，以特制扁銅線繞制，并用不導磁的槽楔將繞組緊固在槽內。護環(huán)、中心環(huán)和滑環(huán)：護環(huán)為一金屬圓筒，共兩只，用于保護勵磁繞組的兩個端部，采用高強度非導磁合金鋼制成。中心環(huán)用于支撐護環(huán)，阻止勵磁繞組的軸向移動?；h(huán)實現(xiàn)勵磁繞組與勵磁電源的連接，一方經引線接勵磁繞組，另一方經電刷接勵磁電源。,(3)端蓋和軸承,電機學第六章同步電機,13,圖6-3典型汽輪發(fā)電機轉子結構散件示意圖,電機學第六章同步電機,14,定子,汽輪發(fā)電機組,電機學第六章同步電機,15,三、凸極同步電機1、支撐：臥式、立式支撐。大多數(shù)同步電動機、調相機和內燃機或沖擊式水輪機拖動的發(fā)電機采用臥式結構。低速、大型水輪發(fā)電機采用立式結構。2、水輪發(fā)電機的特點：極數(shù)多，直徑大，軸向長度短。,立式,臥式,電機學第六章同步電機,16,4、轉子水輪發(fā)電機由于水輪機的轉速較低，要發(fā)出工頻電能，發(fā)電機的極數(shù)就比較多，做成凸極式轉子結構工藝上較為簡單。凸極式轉子上有明顯凸出的成對磁極和勵磁線圈。轉子鐵心：由厚度為13mm的鋼片疊成；磁極兩端有磁極壓板，用來壓緊磁極沖片和固定磁極繞組。有些發(fā)電機磁極的極靴上開有一些槽，槽內放上銅條，并用端環(huán)將所有銅條連在一起構成阻尼繞組，其作用是用來抑制短路電流和減弱電機振蕩，在電動機中作為起動繞組用。,3、定子水輪發(fā)電機的直徑很大，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溝。,電機學第六章同步電機,17,勵磁方式分類獲得勵磁電流的方法稱為勵磁方式。目前采用的勵磁方式分為兩大類：用直流發(fā)電機作為勵磁電源的直流勵磁機勵磁系統(tǒng)；用硅整流裝置將交流轉化成直流后供給勵磁的整流器勵磁系統(tǒng)。,6.1.2同步電機的勵磁方式,電機學第六章同步電機,18,大容量的電機發(fā)熱問題嚴重，為了使溫升不超過允許限度，就要采用有效的冷卻方法。對冷卻方法的要求是能夠輸送足夠的冷卻介質到各個發(fā)熱的部位去，使電機各部分溫度比較均勻，而且不超過允許溫升，同時所用的冷卻系統(tǒng)應盡可能結構簡單，并且耗能小。汽輪發(fā)電機的冷卻最困難。水輪發(fā)電機由于直徑大，體積大，而軸向長度短，冷卻問題比較容易解決。冷卻方式主要有以下幾種：空氣冷卻、氫外冷卻、水冷卻、超導發(fā)電機。,6.1.3同步電機的冷卻方式,電機學第六章同步電機,19,6.1.4同步電機的額定值,一、額定值額定電壓UN(V,kV)：指額定運行時定子輸出端的線電壓。額定電流IN(A)：指額定運行時定子的線電流。額定功率因數(shù)cosN：額定運行時電機的功率因數(shù)。額定效率N：電機額定運行時的效率。,電機學第六章同步電機,20,額定容量SN：發(fā)電機指出線端額定視在功率，單位為VA，KVA，MVA；調相機為線端額定無功功率，單位為Var,kVar,MVar。SN=3UNIN額定功率PN(W,kW,MW）：發(fā)電機指額定輸出有功電功率：PN=SNcosN=3UNINcosN電動機指軸上輸出的額定機械功率：PN=SNcosNN=3UNINcosNN,電機學第六章同步電機,21,額定頻率：額定運行時電機電樞輸出端電能的頻率，我國標準工業(yè)頻率規(guī)定為50Hz。額定轉速：額定運行時電機的轉速，即同步轉速。除上述額定值外，同步電機名牌上還常列出一些其它的運行數(shù)據(jù)，例如額定負載時的溫升、勵磁容量和勵磁電壓等。,電機學第六章同步電機,22,二、國產同步電機型號汽輪發(fā)電機有QFQ、QFN、QFS等系列，前兩個字母表示汽輪發(fā)電機；第三個字母表示冷卻方式，Q表示氫外冷，N表示氫內冷，S表示雙水內冷。大型水輪發(fā)電機為TS系列，T表示同步，S表示水輪。同步電動機系列有TD、TDL等，TD表示同步電動機，后面的字母指出其主要用途。如TDG表示高速同步電動機；TDL表示立式同步電動機。同步補償機為TT系列。舉例：QFS-300-2：容量300MW雙水內冷2極汽輪發(fā)電機。TSS1264/160-48：雙水內冷水輪發(fā)電機，定子外徑為1264厘米，鐵心長為160厘米，極數(shù)為48。,電機學第六章同步電機,23,6.2同步電機的運行原理,1、定子上：三相繞組，空間互差1200電角度，匝數(shù)相等2、轉子上：If,由轉子N極出來氣隙定子鐵心氣隙轉子S極原動機n逆時針恒速旋轉定子上導體切割磁力線產生E,一、同步發(fā)電機工作原理,電機學第六章同步電機,24,二、感應電勢e設沿極面正弦分布，則導體電勢ec=Bxlv=Bmlvsinwt=EcmsinwtBm正弦波磁通密度最大值則：eA=EcmsinwteB=Ecmsin（wt-1200）eC=Ecmsin（wt+1200）,電機學第六章同步電機,25,6.2.1同步發(fā)電機的空載運行,空載運行原動機帶動發(fā)電機在同步轉速下運行,勵磁（轉子）繞組通過勵磁電流，電樞（定子）繞組不帶任何負載（開路）時的運行情況?？蛰d運行是同步發(fā)電機最簡單的運行方式，其氣隙磁場由轉子磁勢Ff（勵磁磁勢）單獨建立，稱勵磁磁場。,圖空載時發(fā)電機內部電磁關系,電機學第六章同步電機,26,一、空載氣隙磁場,（一）磁場波形對于凸極發(fā)電機來說，定轉子間的氣隙沿整個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。,在一個極的范圍內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。,電機學第六章同步電機,27,隱極電機的勵磁繞組嵌埋于轉子槽內，沿轉子圓周氣隙可視為是均勻的。勵磁磁勢在空間的分布為一個階梯形，受齒槽的影響，氣隙磁密呈現(xiàn)出波動變化。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，如無特殊說明，僅考慮磁通密度基波分量。,感應電勢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，在設計和制造電機時，應采取適當?shù)拇胧垣@得盡可能接近正弦分布的氣隙磁密，從而得到品質較高的感應電勢。以后的分析中，我們僅考慮感應電勢的基波分量。,電機學第六章同步電機,28,（二）主漏磁通,1、主磁通0：既與轉子交鏈，又經氣隙與定子交鏈的磁通。為一以同步轉速旋轉的旋轉磁場，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，0參與電機的機電能量轉換。2、漏磁通f：除0外的所有諧波成分，及勵磁磁場中僅與轉子勵磁繞組交鏈而不與定子交鏈的磁通。f不參與電機的機電能量轉換。,電機學第六章同步電機,29,二、空載特性E0f(If)轉子同步速為n1，主磁場轉速n1三相基波電勢有效值為E0=4.44fNkN10空載時，定子繞組的端電壓與感應電勢相等式中，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空載運行時,勵磁電動勢隨勵磁電流變化的關系稱為同步發(fā)電機的空載特性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。,電機學第六章同步電機,30,圖6-15空載特性曲線,鐵磁材料的導磁率則是非線性的，隨Ff(If)大小而變化。Ff較小：很大，且變化不大，0和Ff呈線性關系；Ff較大：變小，隨Ff繼續(xù)加大而變得更小（飽和、非線性）?？蛰d特性類似電機磁路磁化曲線。,0和Ff有關，還和磁路的飽和情況有關。同步發(fā)電機的磁路由氣隙和鐵磁材料(磁極、轉子磁軛、定子鐵心、齒等)兩大部分組成?？諝獾膶Т怕屎苄。浅?shù)，磁通與Ff或If呈線性關系。,電機學第六章同步電機,31,為合理利用材料，空載額定電壓一般設計在空載特性的彎曲處，如圖中的c點。任何一臺電機的空載特性實際上也反映了它的磁化曲線。從磁路計算可知一臺電機的磁化曲線實際上只決定于電機各段鐵心和氣隙的尺寸以及鐵心的材料，當電機制成后，其磁化曲線即確定不變。,氣隙線,勵磁電流較小時，由于磁通較小，電機磁路沒有飽和，空載特性呈直線，將其延長后的直線稱氣隙線。,電機學第六章同步電機,32,空載特性可以通過計算或試驗得到。試驗測定的方法與直流發(fā)電機類似。同步電機的空載特性也常用標么值表示，空載電勢以額定電壓為基值，此時的勵磁電流(稱為額定勵磁電流)為勵磁電流的基值。用標么值表示的空載特性具有典型性，不論電機容量的大小，電壓的高低，其空載特性彼此非常接近。,電機學第六章同步電機,33,4、空載特性曲線的飽和系數(shù)：,E0UN處空載磁動勢Ff0ac；氣隙部分消耗的磁動勢F=ab；其差是由鐵心飽和引起的磁壓降。電機磁路飽和系數(shù)k：,通常同步電機的k：約在1.11.25,E0：磁路不飽和時的空載電動勢,即，磁路飽和后，由勵磁磁勢所建立的磁通和感應電動勢都降低到未飽和時的1/k。,電機學第六章同步電機,34,5、空載特性在同步發(fā)電機理論中有著重要作用根據(jù)設計好的電機的空載特性，可判斷該電機的磁路是否過于飽和或者材料是否充分利用。空載特性結合短路特性(在后面介紹)可以求取同步電機的參數(shù)。發(fā)電廠通過測取空載特性來判斷三相繞組的對稱性以及勵磁系統(tǒng)的故障。,電機學第六章同步電機,35,三、空載運行時空矢量圖,.,時間相量和空間矢量Ff1、Bf1：空間上正弦分布曲線，旋轉角速度1，空間上同相位；Bf10E0：0、E0時間上變化周期1。時間相量0、E0和空間矢量Ff1、Bf1變化頻率一致，在同一坐標下，取定子繞組的時間參考軸即時軸與相軸重合形成時空矢量圖。,電機學第六章同步電機,36,2、凸極機：d軸：直軸，主磁極軸線（轉子磁極軸線）q軸：交軸，N、S之間的中心線，滯后d軸903、時空矢量圖Ff中的基波分量Ff1(空間矢量）與由它產生的Bf1(空間矢量）及0(時間矢量）同相位，波幅為d軸正方向；E0(時間矢量）滯后0900。,A,X,電機學第六章同步電機,37,6.2.2同步電機的電樞反應一、負載后磁勢分析,空載時，同步電機中只有一個n1旋轉的勵磁磁勢Ff，它在電樞繞組中感應出三相對稱交流電勢(勵磁電動勢E0)。電樞繞組接三相對稱負載后，電樞繞組和負載一起構成閉合通路，通路中流過的是三相對稱的交流電流，三相對稱電流流過三相對稱繞組時將會產生一個以n1旋轉的旋轉磁勢Fa，與主極旋轉磁場Ff“同步”。,電樞磁勢,電機學第六章同步電機,38,結論：,隨軸同轉的轉子磁勢Ff(稱為機械旋轉磁勢)；電樞旋轉磁勢Fa(稱為電氣旋轉磁勢)。轉速均為同步速n1，而且轉向一致，二者在空間處于相對靜止狀態(tài)，可以用矢量加法將其合成為一個合成磁勢F。因此，氣隙中的磁場由主極磁場與電樞磁場二者合成。氣隙磁場可以看成是由合成磁勢F在電機的氣隙中建立起來的磁場。也是以同步轉速n1旋轉的旋轉磁場。,F,電機學第六章同步電機,39,勵磁磁勢和電樞磁勢的區(qū)別,電機學第六章同步電機,40,電樞反應定義：空載時Ff1FaF改變E、U改變。實踐證明，當對稱三相負載性質不同時(如感性、容性或電阻性)，發(fā)電機端壓變化規(guī)律也不同。原因：電樞磁場對主極磁場的影響不同。同步發(fā)電機對稱負載時，電樞磁勢Fa對勵磁磁勢Ff影響，使得氣隙磁場的大小和位置發(fā)生變化，這一現(xiàn)象稱為電樞反應。,二、電樞反應,電機學第六章同步電機,41,電樞反應會對電機性能產生重大影響,電樞反應的性質（去磁、助磁或交磁）決定于空間相量Fa和Ff1之間的相對位置，這一相對位置僅與時間相量0和之間的相位差相關連。即取決于以E0作為電動勢供電的相回路內總電抗與總電阻的比值，故稱為內功率因數(shù)角。其大小由負載的性質決定。不同于功率因數(shù)角(電機端壓U和電樞電流I的夾角)。,電機學第六章同步電機,42,三個角,四個軸,電機學第六章同步電機,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)電流方向為“.”，尾端(X，Y，Z)電流方向為“”，按右手螺旋，得A、B、C三個相軸線，空間互差120空間電角，組成空間固定坐標系統(tǒng)。轉子d軸和q軸正方向：規(guī)定轉子N極磁力線穿出的方向，d軸；逆轉子轉向轉過90空間電角，q軸。由于轉子旋轉，d軸和q軸隨轉子轉動組成空間旋轉坐標系統(tǒng)。,電機學第六章同步電機,44,4、時-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,電機學第六章同步電機,45,5、電樞反應的性質(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稱為交軸電樞反應，簡稱交磁作用。,Fa,電機學第六章同步電機,46,電樞反應的影響：,合成磁勢F的軸線位置從空載時直軸處逆轉子轉向后移一個銳角，改變磁場分布。形成Ff1“拖著”F同步轉動，主極轉子受到電磁制動性質的轉矩。幅值較空載時略有增大。I和E0同相，發(fā)電機有有功功率輸送到電網，同步電機處于發(fā)電運行狀態(tài)。,電機學第六章同步電機,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，電樞反應為純去磁作用，合成磁勢的幅值減小，這一電樞反應稱為直軸去磁電樞反應。,Fa,電機學第六章同步電機,48,電樞反應的影響：,Ff1和Fa在d軸上，F(xiàn)a對Ff1起去磁作用，合成磁勢F的幅值減小。F與Ff1都在d軸上，兩者之間沒有切向作用力，沒有電磁轉矩，不進行機電能量轉換。,電機學第六章同步電機,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。,電機學第六章同步電機,50,電樞反應的影響：,合成磁勢F的軸線位置從空載時直軸處順轉子轉向移一個銳角，改變磁場分布。F幅值較空載時略有增大。I和E0反相，有功功率從電網輸送到發(fā)電機，同步電機處于電動機運行狀態(tài)。,電機學第六章同步電機,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，電樞反應為純助磁作用，合成磁勢的幅值增大，這一電樞反應稱為直軸助磁電樞反應。,Fa,電機學第六章同步電機,52,電樞反應的影響：,=-90時縱軸電樞反應磁動勢Fa對主極磁動勢Ff起助磁作用，使合成氣隙場增強。Fa、Ff同軸二者不產生切向力和電磁轉矩，不進行機電能量轉換。,電機學第六章同步電機,53,（4）一般情況=(090)滯后0一個銳角,Fa和Ff1與之間的夾角90為分析電樞反應，將Fa分解：,電流產生磁動勢，把電樞電流分解為兩個分量：,對應磁動勢Fad和Faq,電機學第六章同步電機,54,電樞反應的影響：,交軸電樞反應磁動勢Faq（Iq）改變磁場分布，使得氣隙合成磁動勢交軸分量滯后主極磁動勢所在的d軸。F。定轉子間產生切向力和有電磁轉矩，進行機電能量轉換。直軸電樞反應磁動勢Fad（Id），對主極磁動勢有去磁作用，使合成氣隙磁動勢減小。,電機學第六章同步電機,55,當角為不同值的電樞反應,電機學第六章同步電機,56,總結：,同步電機的運行方式可以由來判斷：作發(fā)電機：-/2/2作電動機：/2Xq書上p308的解釋，自學隱極機，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,電機學第六章同步電機,90,圖凸極同步電機電樞反應磁通和漏磁通所經磁路及其磁導,Fad,Faq,電機學第六章同步電機,91,電機學第六章同步電機,92,3、相量圖由電勢平衡方程直接作出,電機學第六章同步電機,93,畫相量圖注意事項：,已知條件：發(fā)電機的端電壓、電流、負載的功率因數(shù)角以及電機的參數(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分量，為此須先確定角，而角無法用儀表測得引入虛擬電勢。,RQ=IqXq/cos=IXq,R,Q,jXq,方法：從R點畫垂直于的直線并與0相量交于Q點，得到線段RQ，RQ與相量jIqXq間夾角為，有：,虛擬電勢,電機學第六章同步電機,94,不計飽和時，凸極同步電機相量圖實際做法：,根據(jù)角，作出和；畫出相量Q，確定Q點，OQ與的夾角即為角；根據(jù)求出的角，把分解為d和q；從R點依次做jdXd和jqXq，得到端點T，連接OT，即為0。,電機學第六章同步電機,95,及E0的求?。?:與之間的夾角標量法：根據(jù)相量圖進行代數(shù)運算，運算簡單tan=(IXq+Usin)/(IRa+Ucos)E0=Ucos+IRacos+IXdsin,電機學第六章同步電機,96,假設：d軸（直軸）飽和、q軸（交軸）不飽和；交直軸磁路分開計算，不計交叉飽和的影響。（疊加原理不再適用，雙反應理論仍采用）,二、飽和時,q軸：在正常運行時，由于凸極電機q軸磁路氣隙大，不易飽和，故可認為q軸電樞反應電抗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，當磁路飽和時，磁導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,電機學第六章同步電機,97,1、電磁關系,磁路飽和時，電磁關系F均為基波磁動勢折算到勵磁繞組的等效勵磁磁動勢,電機學第六章同步電機,98,2、電勢方程：,q軸氣隙大，磁路接近線性，Xaq為恒值：,漏電勢：,電機學第六章同步電機,99,3、相量圖,如何求？,電機學第六章同步電機,100,圖6-23凸極同步發(fā)電機空載特性,電機學第六章同步電機,101,電機學第六章同步電機,102,電機學第六章同步電機,103,電機學第六章同步電機,104,思考題,比較變壓器、異步電機和同步電機中的折算異同。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繞組，成為變比為1的變壓器。折算原則，保持內部電磁平衡關系。異步電機須進行繞組折算，折算時引入電壓和電流變比；同時由于定、轉子參數(shù)頻率的不同，須進行頻率折算，即將旋轉的轉子等效成靜止的轉子，與定子繞組有相同的頻率。同步電機由于勵磁磁勢（階梯形波）和電樞磁勢（正弦波）在空間分布的波形不同，需要折算。原則是產生相同的基波磁勢（隱極機）或相同的基波磁密（凸極機：由于氣隙不均勻）。,電機學第六章同步電機,105,主要變量：U、Ia、If、cos研究內容：在保持n、cos不變的條件下，分析U、Ia、If之間的關系。確定一個量不變，其余兩量函數(shù)的關系同步發(fā)電機特性。同步發(fā)電機特性：基本特性和運行特性基本特性：空載特性、短路特性和零功率因數(shù)負載特性求取發(fā)電機參數(shù)、了解電機性能；運行特性：外特性、調節(jié)特性了解發(fā)電機運行性能。,6.3同步發(fā)電機的運行特性,電機學第六章同步電機,106,6.3同步發(fā)電機的運行特性,電壓基值：額定相電壓UN(V)；電流基值：額定相電流IN(A)阻抗基準值：Zb=UN/IN功率基準值：SbmUNIN（VA）轉速基準：b=2n/60勵磁電流基值：Ifb=If0，空載時發(fā)電機有額定電壓時(E0=UN)，轉子中的勵磁電流；,分析特性時，常用標么值表示?；鶞手颠x用如下：,電機學第六章同步電機,107,6.3.1同步發(fā)電機的運行特性,一、空載特性nnNIa=O時，E0=f(If)空載時：E0=U1、空載試驗過程：發(fā)電機電樞繞組開路(I=0)，原動機將發(fā)電機轉子拖動到同步速nN，并保持不變，調節(jié)勵磁電流If，測量并記錄與勵磁電流If相對應的發(fā)電機空載電壓U0（先使U達到1.3UN，再減小至If=0），逐點記錄，描成空載特性曲線。空載特性曲線E0=f(If)電機的磁化曲線0=f(Ff),本質上相同,電機學第六章同步電機,108,2、空載試驗注意磁滯問題：,回顧p17頁磁滯現(xiàn)象：磁滯現(xiàn)象使If上升、下降所對應的空載曲線不重合，一般取下降曲線。If=0時，E0=Er為剩磁電動勢。調節(jié)If時，應保證單向減小，以避免磁滯回線特性的影響。Er太大時，空載特性要加以校正。,Er,電機學第六章同步電機,109,3、空載特性的校正,校正方法：將曲線延長與橫軸相交，交點與原點距離為校正值，再將原實測曲線整體右移得工程中實用的校正曲線。,校正量,用途：不同電機的空載特性曲線彼此相似。試驗曲線與設計好的電機空載特性曲線比較，應很接近，可以判斷電機是否過飽和或材料未充分利用。與短路特性、零功率因數(shù)負載特性配合確定同步電機的參數(shù)。,電機學第六章同步電機,110,二、短路特性nnNU=O時，Ia=IK=f(If)曲線,試驗過程：同步發(fā)電機轉子拖動到同步轉速nN，電樞繞組三相端點短路，調節(jié)勵磁電流If從0增加到1.2IN為止，測量Ia=IK、If，畫IK=f(If)。,電機學第六章同步電機,111,2、短路時電動勢方程：,短路時，端電壓U0，短路電流僅受電機自身阻抗限制。通常，電樞電阻電樞電抗，短路電流認為純感性的，電樞回路為純電感電路，即=90。電樞反應為純去磁直軸電樞反應；q=0，=d,電機學第六章同步電機,112,3、分析合成磁勢：F=Ff-FadEE很小磁路不飽和，相當于C點。,FEIKFad=kadFaIK(Ia)Ff=Fad+FIK，即IfIK,短路特性為一條過原點的直線,電機學第六章同步電機,113,穩(wěn)態(tài)短路時，電機中的電樞反應為純去磁作用，電機的磁通和感應電勢較小，短路電流也不會過大；三相穩(wěn)態(tài)短路運行沒有危險。,電機學第六章同步電機,114,4、特性三角形,BD短路時的E0三角形ABC為同步發(fā)電機的特性三角形，對測定同步電機的參數(shù)很有用。AB電樞反應磁勢FadACIKXOAFOBFf,電機學第六章同步電機,115,三、零功率因數(shù)特性n=nNI=Ccos=0時，U=f(If),定義：發(fā)電機的負載特性是指當負載電流=常數(shù)，功率因數(shù)cos=常數(shù)的條件下，端電壓U與勵磁電流If的關系。其中當cos=0時一條負載特性稱為零功率因數(shù)特性。,電機學第六章同步電機,116,2、相量圖,cos=0的負載為純電感負載，RaIf0）。增加勵磁電流原因：AC：克服電樞漏抗壓降IX，相當于消耗了勵磁電流；AF：Ifa抵消電樞等效磁動勢kadFa的去磁作用。AE:電樞漏抗壓降IX,電機學第六章同步電機,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E沿空載特性移動，頂點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重合，此時K的端電壓為零，故K點即為短路點。,AE(垂邊)和Ifa(水平邊)組成直角三角形特性三角形,電機學第六章同步電機,119,零功率因數(shù)曲線上的兩個關鍵點：F、K,F：發(fā)電機接在UN上，調節(jié)原動機和勵磁電流，使發(fā)電機處于過勵，電樞電流IIN，輸出P0，此時的If和UN確定F點位置。K：U0，IIN，短路點；可由短路試驗求得：調節(jié)發(fā)電機勵磁電流，使IIkIN，此時的If即可確定K點位置。,電機學第六章同步電機,120,四、外特性n=nNIf=ccos=c時，U=f(Ia),不同功率因數(shù)的負載時，同步發(fā)電機的外特性。感性負載和純電阻負載時，外特性是下降（電樞反應的去磁作用；漏阻抗壓降）容性負載且功率因數(shù)角達到超前時（X,凸極機：Xp=(1.051.1)X隱極機：Xp=(1.11.3)X,電機學第六章同步電機,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，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：=-jkX,電機學第六章同步電機,130,四、短路比(SCR),定義：同步發(fā)電機在空載額定電壓UN所對應的勵磁電流If0下，三相穩(wěn)態(tài)短路時的短路電流IK0與額定電流IN之比，用kc表示。,kc=Ik0/IN,電機學第六章同步電機,131,If0:產生空載額定電壓所需的勵磁電流If0:產生氣隙線上空載額定電壓所需勵磁電流Ifk:產生額定短路電流所需的勵磁電流k:電機主磁路的飽和系數(shù),又：U0=UN時，勵磁電流If0電樞繞組中Ik0勵磁電流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,電機學第六章同步電機,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，負載變化時，發(fā)電機電壓變化較大，并聯(lián)運行時穩(wěn)定性較差；電機氣隙較小，轉子用銅量少，電機造價便宜。增大電機氣隙，Xdkc；發(fā)電機電壓變化較小，電機靜態(tài)穩(wěn)定性好，過載能力強，但要增大勵磁磁動勢，轉子用銅量增大，造價高。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，穩(wěn)定性問題突出,kc=Ik0/IN,電機學第六章同步電機,133,思考：為什么同容量的同步電機氣隙異步電機氣隙？,異步電機：If由電源供給，從電網吸收感性無功功率；若氣隙大，則功率因數(shù)低，對電網影響大，所以在允許條件下，氣隙盡可能小。同步電機：氣隙合成磁場由定轉子磁場共同建立。從SCR角度考慮：氣隙大，短路比大，轉子用銅量多，尺寸大，制造成本高。所以，同步電機選擇氣隙大小時，要綜合考慮（氣輪、水輪），并從穩(wěn)定性角度盡可能加大氣隙。,電機學第六章同步電機,134,6.4同步發(fā)電機的并聯(lián)運行,單機供電的缺點：不能保證供電質量(電壓和頻率的穩(wěn)定性)和可靠性(發(fā)生故障就得停電)；無法實現(xiàn)供電的靈活性和經濟性。這些缺點可通過多機并聯(lián)來改善。通過并聯(lián)可將幾臺電機或幾個電站并成一個電網?，F(xiàn)代發(fā)電廠都是把幾臺同步發(fā)電機并聯(lián)起來接在共同的匯流排上，一個地區(qū)總有多個發(fā)電廠并聯(lián)起來組成一個強大的電力系統(tǒng)(電網)?，F(xiàn)代發(fā)電廠都是聯(lián)成大電力系統(tǒng)。,電機學第六章同步電機,135,電網供電優(yōu)點：,提高了供電可靠性。一臺電機故障或檢修不會引起停電事故。提高了供電的經濟性和靈活性。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的發(fā)電機數(shù)量，提高發(fā)電效率和供電靈活性。提高了供電質量。電網容量大(相對于單臺發(fā)電機或個別負載可視為無窮大)，單臺發(fā)電機投入與停機、個別負載變化對電網影響甚微，衡量供電質量的電壓和頻率可視為恒定不變的常數(shù)。同步發(fā)電機并聯(lián)到電網后其電壓、頻率和電網一致不能單獨變化。,電機學第六章同步電機,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)電機并聯(lián)至電網的過程稱為投入并聯(lián)(并列、并車、整步)。并車時必須避免產生巨大的沖擊電流，以防止同步發(fā)電機受到損壞（電磁沖擊、機械沖擊），電網遭受干擾。,兩臺同步發(fā)電機并聯(lián)運行：是電力系統(tǒng)中若干臺發(fā)電機并聯(lián)后的“等效”發(fā)電機；是待并聯(lián)的發(fā)電機。,電機學第六章同步電機,137,2、五個條件：,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格條件,若以上條件中的任何一個不滿足則在開關兩端會出現(xiàn)差額電壓，如果閉合開關，在發(fā)電機和電網組成的回路中必然會出現(xiàn)瞬態(tài)沖擊電流。上述條件中相序一致是絕對條件，其它條件是相對的，因為通常電機可以承受一些小的沖擊電流。,電機學第六章同步電機,138,五個條件的決定因素：,波形相同制造廠保證，認為基本上是正弦波頻率相同調節(jié)原動機轉速幅值相同調節(jié)發(fā)電機勵磁電流相位相同合閘瞬間電位相序相同在規(guī)定轉向下，發(fā)電機三相出線已標明其相序ABC，只要和電網的各相對應連接即可保證相序相同。,并聯(lián)，主要考慮,電機學第六章同步電機,139,3、并聯(lián)條件不滿足的影響,若ff，頻率不同0與之間有相對運動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，這個變化越劇烈。投入并聯(lián)的操作越困難，若投入電網，也不易同步，將在電機和電網之間引起很大的電流和功率振蕩。,發(fā)電機投入并聯(lián)的示意圖,電機學第六章同步電機,140,若0與大小不等，或相位不同，把發(fā)電機投入并聯(lián)，則相當于出突加電壓差U引起的瞬態(tài)過程，將在發(fā)電機與電網中產生一定的沖擊電流。嚴重時，該電流可達額定電流的58倍。,綜上所述，為了避免投入并聯(lián)時引起電流、功率和轉矩的沖擊，最好同時滿足上述三個條件。,0與大小不等,相位不同,電機學第六章同步電機,141,思考：同步發(fā)電機的并聯(lián)和變壓器的并聯(lián)有何異同？,相同點：相序一致、電壓相等不同點：同步：If可以調節(jié)，總能保證各臺發(fā)電機端電壓相等，但E0不一定相等。同步電抗數(shù)值不能確定負載電流的分配，即使有不同的同步電抗，也可以并聯(lián)運行。變壓器：有相同的短路阻抗。,電機學第六章同步電機,142,1、準確同步法（準確整步法）將發(fā)電機調整到完全符合并聯(lián)條件后的合閘操作。調整過程常用同步指示器來判斷條件的滿足情況。最簡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與發(fā)電機的對應相之間。,二、并聯(lián)方法,同步指示器,電機學第六章同步電機,143,采用直接接法，每組燈上電壓相同假設發(fā)電機與電網的電壓幅值相同，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：,電機學第六章同步電機,144,沖轉將發(fā)電機轉子轉速升高到額定轉速；投勵調節(jié)發(fā)電機勵磁電流的大小，使系統(tǒng)側和待并發(fā)電機電壓表讀數(shù)相等；用燈光法檢查相序，如果相序一致，燈光應表現(xiàn)為明暗交替，如燈光不是明暗交替說明相序不一致，應調整發(fā)電機的出線相序或電網的引線相序，嚴格保證相序一致；調節(jié)轉速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，即可合閘并車。,3）并車方法：,電機學第六章同步電機,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，說明f2和f1還不是嚴格相等，合閘后仍有u存在。分析表明，由于u的存在所產生的自整步作用，使電機最終能同步運行。,若f2f1，合閘后產生環(huán)流Ih滯后90，也滯后2。發(fā)電機相當于輸出電功率，軸上受制動轉矩，轉速下降，直到嚴格同步,f2=f1。若f2f1，由相量圖可知三組燈的亮度變化情況。分析時取電網電壓為基準圖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，好像燈光逆時針旋轉。旋轉速度：2-1。,電機學第六章同步電機,149,電機學第六章同步電機,150,若f2f1,組燈，燈光按順時針方間旋轉。增大發(fā)電機的轉速，使燈光旋轉速度慢下來，直到燈光不再旋轉時，就表示f2f1再調節(jié)發(fā)電機電壓的大小和相位，直到燈熄滅燈的亮度相同，即A1、A2間電壓為零時，即表示發(fā)電機巳滿足投入并聯(lián)的條件，可合閘并網。交叉接法也稱為燈光旋轉法，此法的優(yōu)點是能看出發(fā)電機的頻率比電網高還是低故用得較多。,電機學第六章同步電機,151,通過調節(jié)發(fā)電機勵磁電流的大小使得端電壓與電網電壓相等；電壓調整好后，如果相序一致，則燈光旋轉，否則說明相序不一致，這時應調整發(fā)電機的出線相序或電網的引線相序，嚴格保證相序一致；通過調節(jié)發(fā)電機的轉速改變的頻率，直到燈光旋轉十分緩慢時，頻率f2f1，當燈I完全熄滅，另兩組燈等亮度時迅速合閘并車。并聯(lián)后最終由自整步作用牽入同步運行。,3）旋轉法并車方法,電機學第六章同步電機,152,4）實驗注意問題,若按上述交叉接法接線時發(fā)現(xiàn)燈光不旋轉，而三對燈同時明暗，說明發(fā)電機與電網相序不同，使每對燈承受的相同，故須讓發(fā)電機任意兩線互換后才能并聯(lián)。準確同步法（燈光法）又稱理想整步法，合閘時無明顯的沖擊電流；對并車條件逐一檢查和調整，操作復雜，費時較多。,電機學第六章同步電機,153,2、自同步法（自整步法）,上述準確同步方法的優(yōu)點是合閘時沒有沖擊電流，缺點是操作較復雜，尤其當電網發(fā)生故障時，電網電壓和頻率都在變動，采取準確同步法很準投入。為了把發(fā)電機迅速投入電網，可采用自同步法：,在相序一致的情況下將勵磁繞組通過適當電阻短接原動機把發(fā)電機拖動到接近同步速(相差小于25)沒有接通勵磁電流的情況下合閘將發(fā)電機接入電網，并立即加入勵磁，依靠定子磁場和轉子磁場之間的電磁轉矩將轉子拉入同步轉速，并車過程即告結束。,電機學第六章同步電機,154,實驗注意問題：,自整步作用只有當轉子轉速接近同步速時，才能發(fā)揮其作用。轉速相差太大，由于轉子有慣性，有時就不能牽入同步，將相當于發(fā)電機與電網頻率不同時的并網，因此產生很大電流，造成不良后果。勵磁繞組必須通過一限流電阻短接，因為直接開路，將在其中感應出危險的高壓；直接短路，將在定、轉子繞組間產生很大的沖擊電流。缺點：合閘時有沖擊電流。優(yōu)點：操作簡單，方便快捷。,電機學第六章同步電機,155,6.4.2功率和轉矩平衡方程,同步發(fā)電機運行時，由原動機帶動旋轉，在發(fā)電機對稱穩(wěn)定運行。原動機輸入到發(fā)電機的機械功率為P1機械損耗pmec、鐵損耗pFe、附加損耗pad電磁感應傳到定子電功率電磁功率PemPem定子繞組銅耗pCu1發(fā)電機輸出有功功率P2,一、同步發(fā)電機的功率流程：,電機學第六章同步電機,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,電機學第六章同步電機,157,A、隱極同步發(fā)電機(不飽和)Ecosi=E0cos則Pem=mEIcosi=mE0Icos,Pem=mEIcosi,電機學第六章同步電機,158,Pem=mEIcosi,B、凸極同步發(fā)電機（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，則有PemP2=mUIcos=mUIcos(-),電機學第六章同步電機,159,三、轉矩平衡功率平衡方程式兩側同除轉子機械角速度：=2n/60T1-(Tmec+TFe+Tad)=TemT1=Tem+T0T1輸入轉矩、驅動轉矩Tmec、TFe、Tad發(fā)電機空載損耗對應的阻力轉矩、制動轉矩Tem發(fā)電機電磁轉矩、制動轉矩,P1-(pmec+pFe+pad)=Pem,表明：發(fā)電機負載運行時，從原動機輸入到發(fā)電機的轉矩T1，應克服空載阻力轉矩和對應于負載的阻力轉矩Tem做功，從而通過發(fā)電機將機械能轉換成電能輸出。,電機學第六章同步電機,160,6.4.3功角特性,在許多場合下，常常用發(fā)電機的勵磁電動勢E0，端電壓U、E0和U之間的功率角以及電機的參數(shù)來表示電磁功率。穩(wěn)態(tài)功角特性：同步發(fā)電機并入電網后，當E0和U保持不變時，Pem=f()。功角特性是同步電機的基本特性之一。通過它可以研究同步電機接在電網運行時發(fā)出的有功功率，并進一步揭示機組的穩(wěn)定性和闡明發(fā)電機狀態(tài)與電動機狀態(tài)之間的聯(lián)系和轉化。下面先研究不計電樞電阻時的功角特性。,電機學第六章同步電機,161,一、電磁功率,由Pem=P2+PCu1=mUIcos+mI2RaPemP2=mUIcos=mUIcos(-)=mUI(coscos+si