電機學及變壓器：28章同步電機

1、第28章 同步電機,了解： 同步電機額定值的含義 電樞反應的基本概念 電樞反應電抗及同步電抗的含義 發(fā)電機并入電網(wǎng)的條件及方法 發(fā)電機有功功率及無功功率的調(diào)節(jié)方法 電動機的運行特性 發(fā)電機的絕緣系統(tǒng)、溫升要求、冷卻方式 發(fā)電機的勵磁系統(tǒng) 發(fā)電機的運行和維護工作要求,發(fā)電機：將機械能變?yōu)殡娔?，是主要用途?按運行方式分 電動機：將電能變?yōu)闄C械能。用于不需調(diào)速的大功率機械。 補償機：用來調(diào)節(jié)電網(wǎng)無功功率改善功率因數(shù),汽輪發(fā)電機：高速同步發(fā)電機，隱極式。 ( 火電） 按原動機類別分 水輪發(fā)電機：低速同步發(fā)電機，凸極式。（水電） 柴油(汽油)發(fā)電機：低速同步發(fā)電機，凸極式。（機車、 船舶，油田,旋轉(zhuǎn)電

2、樞式：用于小容量電機。 按結(jié)構(gòu)方式分 旋轉(zhuǎn)磁極式：用于大容量電機，電刷和集電環(huán)負荷大 為減輕，廣泛采用,同步電機為雙邊激磁的電機。定子邊用交流勵磁，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場； 轉(zhuǎn)子用直流勵磁，產(chǎn)生恒定磁場。定，轉(zhuǎn)子磁場以磁拉力同步旋轉(zhuǎn),對旋轉(zhuǎn)磁極式按轉(zhuǎn)子主極的形狀同步電機又可分為隱極式和凸極式兩種基本型式,一、基本結(jié)構(gòu),從轉(zhuǎn)子機械強度和妥善地固定勵磁繞組考慮，對高速電機采用隱極式，對低速電機采用制造簡單的凸極式。 大型發(fā)電機通常用汽輪機和水輪機作為原動機來拖動。由于汽輪機是一種高速原動機，一般采用隱極式而水輪機是一種低速原動機，一般采用凸極式,28.1同步電機的基本結(jié)構(gòu)工作原理和及額定值,1、隱極式同步電

3、機,同步速為 3000r/min 提高運行速度可提高汽輪機的運行效率，減小機組尺寸和造價。由于轉(zhuǎn)速高，所以直徑較小，轉(zhuǎn)子本體長度L和直徑D的比L/D=26 。容量越大，比值越大，汽輪發(fā)電機均為臥式結(jié)構(gòu),定子,轉(zhuǎn)子,定子主要由鐵芯、繞組、機座組成。鐵心每疊厚約36cm，疊與疊之間留有0.81cm的通風槽，整個鐵芯由非磁性壓板壓緊，固定在定子機座上,2、凸極同步電機,分臥式和立式兩種結(jié)構(gòu) 凸極同步電機與隱極同步電機定子結(jié)構(gòu)基本相同，所不同的是轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，它由磁極鐵芯、勵磁繞組、阻尼繞組等部件組成。 大型水輪發(fā)電機通常都是立式結(jié)構(gòu)，凸極式特點是短粗，D/L=57,二、同步發(fā)電機的工作原理,同步電動機的

4、運行狀態(tài)由轉(zhuǎn)子磁場與合成磁場的相對位置決定,同步電機有三種運行狀態(tài)：發(fā)電機，電動機，補償機。 分析表明，同步電機運行于哪一種狀態(tài)取決于定，轉(zhuǎn)子磁場的相對位置，即定子合成磁場與轉(zhuǎn)子主極磁場之間的夾角（功率角,1、發(fā)電機 若轉(zhuǎn)子磁場超前于定子合成磁場0， 則此時轉(zhuǎn)子將受到一個與其旋轉(zhuǎn)方向相反的制動性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩。 為使轉(zhuǎn)子能以同步速旋轉(zhuǎn)，必須從軸上輸入機械功率電機作為發(fā)電機運行,2、補償機,當=0，Te=0 此時電機內(nèi)沒有有功功率的轉(zhuǎn)換電機處于補償機狀態(tài)，或空載狀態(tài),3、電動機,當轉(zhuǎn)子磁場滯后定子磁場，0， 則此時轉(zhuǎn)子上受到一個與轉(zhuǎn)向相同的拖動性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩。此時定子從電網(wǎng)吸收電功率，轉(zhuǎn)子可拖動負載而

5、輸出機械功率，電機做為電動機運行,三、額定值,額定電壓 UN 單位為KV,額定電流 IN 單位為A, KA,額定功率因數(shù),額定頻率 f N 單位為Hz,額定轉(zhuǎn)速 n N單位為r/min,額定溫升 N,額定勵磁電流和電壓 IfN 、UfN,額定容量,注,n s , I f , I = 0 , 稱為空載運行,Ff ：主極磁勢（勵磁磁勢） E0：激磁電動勢，定子以ns的速度切割0 而感應出頻率為f的一組對稱三相電勢,同步電機的空載磁路（2p=4,空載時，同步發(fā)電機的氣隙中只有一個同步旋轉(zhuǎn)的主磁場Ff（0），負載后，電樞繞組中有對稱三相電流，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場稱為電樞磁場Fa。因此負載后同步電機氣隙同時存在

6、兩個磁勢。若僅考慮基波，則這兩個磁勢以相同的轉(zhuǎn)速相同的轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn),二、負載運行時同步發(fā)電機的磁場和電樞反應,接三相對稱負載,三、電樞反應,電樞基波磁動勢對氣隙基波磁場的影響稱為電樞反應反應,電樞反應的性質(zhì)（增磁、去磁或交磁）取決于兩個磁勢Ff 和Fa 在空間的相對位置,電樞反應的結(jié)果： 1、使氣隙磁場產(chǎn)生畸變； 2、增磁、去磁或交磁作用,由于E0滯后0 （即滯后Ff）900。而I與Fa相位相同。 所以研究Ff 和Fa 的相對位置，可歸納為研究I與E0 的相位差 稱為內(nèi)功率因數(shù)角，電樞反應的性質(zhì)取 決于 。即負載的性質(zhì),1. o = 00 時 (電樞電流I 與激磁電動勢E0同相,下面根據(jù)不同的 角

7、，分幾種情況分析電樞反應的性質(zhì),A相電勢最大 A相電流最大 三相旋轉(zhuǎn)磁勢的幅值在A相繞組軸線上,產(chǎn)生交軸電樞反應，使氣隙磁場的空間相位改變，轉(zhuǎn)子磁極 受到轉(zhuǎn)矩作用，從而實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換,a）氣隙合成磁場與主磁場的相對位置 （b）時-空矢量圖,由于出現(xiàn)交軸電樞反應，使氣隙合成磁場B與主磁場B0之間形成一定的空間相差角，從而產(chǎn)生一定的電磁轉(zhuǎn)矩。對于同步發(fā)電機， =0 時，Bo 超前B角，主極上受到一制動性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩,所以交軸電樞磁動勢與電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生及能量轉(zhuǎn)換直接相關(guān),以后將證明同步電機的電磁轉(zhuǎn)矩與sin成正比,交軸磁動勢所產(chǎn)生的電樞反應為交軸電樞反應,2. o =900 時,o=900,產(chǎn)生直

8、軸電樞反應，使氣隙磁場減弱，去磁,o= -900 產(chǎn)生直軸電樞反應助磁，使氣隙磁場增強，增磁,只有直軸電樞反應時，氣隙磁場的空間相位不變，轉(zhuǎn)子不受轉(zhuǎn) 矩的作用,3. 0o900時,結(jié)論：（對于同步發(fā)電機） 若I滯后Eo，則直軸電樞反應是去磁的。 若I超前Eo，則直軸電樞反應是增磁的,28.3隱極同步發(fā)電機電勢方程、同步電抗和相量圖,一、磁路不飽和時,線性系統(tǒng)，可使用迭加原理進行分析,轉(zhuǎn)子,定子,本節(jié)研究隱極同步發(fā)電機電壓平衡方程式，相量圖和等效電路。（分不飽和及飽和兩種情況來分析,1、電壓方程式,同步發(fā)電機負載運行時的電磁過程如下,E0：激磁電勢 Ea：電樞反應電勢 E：合成電勢,不計飽和時,

9、同步電抗表征對稱穩(wěn)態(tài)運行時電樞反應和電樞漏磁 兩個效應的一個綜合參數(shù)，不計飽和時, Xs為一常數(shù),Ra,j Xs,o,o,隱極同步發(fā)電機的相量圖,2、相量圖,3、等效電路,等效電路如圖所示。其中,隱極同步發(fā)電機等效電路,28.4凸極同步發(fā)電機電勢方程、同步電抗和相量圖,特點：氣隙不均勻,Fa 產(chǎn)生的 a不但與 Fa 有關(guān)，還與o有關(guān)， 解決的辦法：采用雙反應理論進行分析,一. 雙反應理論,本節(jié)討論凸極同步發(fā)電機的電壓方程、相量圖和等效電路,由于凸極電機極靴部分氣隙小，兩極之間部分氣隙大，所以電樞 圓周上的磁導各不相同。的變化與主極軸線對稱，并以1800 電角度為一周期。因此 可用僅含偶次諧波的

10、余弦級數(shù)表示,當正弦分布的電樞磁勢 作用于直軸上時,不計飽和時，可利用雙反應理論和疊加原理，即主極磁場，直軸電樞反應磁場和交軸電樞反應磁場各自在定子繞組中感應電勢，這些電勢的總和為一相繞組的合成電動勢（即氣隙電動勢,已知 、 、COS及電機參數(shù)，先假定0，畫相量圖步驟如下,凸極同步發(fā)電機的相量圖,o,d,o,q,Ra,j qXq,j d Xd,o,當U、I、cos已知（若Ra,、Xd,、Xq已知）可計算出0,凸極同步發(fā)電機的等效電路,Ra,jXq,Q,o,q,d,jd(Xd-Xq,o,o 角的確定,求： E0,解,3,4,6.5 同步發(fā)電機的功率方程和轉(zhuǎn)矩方程,ns,I f B0 pFe 鐵心

11、損耗 （轉(zhuǎn)子鐵心中磁場恒定無鐵耗,m：定子相數(shù)。 U、I：定子每相電壓和電流,二. 轉(zhuǎn)矩方程,P1(p +pFe) = Pe T1T0 = Te,三. 電磁功率及能量轉(zhuǎn)換,28.5 同步發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)運行特性,一、外特性,同步發(fā)電機的外特性,由外特性求電壓調(diào)整率,二、調(diào)整特性,同步發(fā)電機的調(diào)整特性,28.6 同步發(fā)電機與電網(wǎng)的并聯(lián),本節(jié)主要討論并聯(lián)運行的條件，以及并聯(lián)后發(fā)電機有功，無功功率的調(diào)節(jié),電網(wǎng) 無窮大,1、投入并聯(lián)的條件 同步發(fā)電機投入并聯(lián)時，為了避免電機和電網(wǎng)中產(chǎn)生沖擊電流及由此產(chǎn)生的沖擊轉(zhuǎn)矩，待投入并聯(lián)的發(fā)電機必須滿足以下條件： （1）發(fā)電機的相序應于電網(wǎng)一致。 （2）發(fā)電機的頻率應

12、與電網(wǎng)相同。 （3）發(fā)電機的E0應與電網(wǎng)電壓U大小相等，相位相同,以上三個條件中，第一條必須滿足,一、投入并聯(lián)的條件和方法,1）準整步法,直接接法,同步指示器：最簡單的同步指示器為三個指示燈,準整步的優(yōu)點是：投入瞬間電網(wǎng)和電機沒有沖擊； 缺點是： 整步手續(xù)比較復雜,符合并網(wǎng)條件后合閘并網(wǎng),2、投入并聯(lián)的方法,二、同步發(fā)電機的功率和轉(zhuǎn)矩方程,n1,I f B0 pFe 鐵心損耗 （轉(zhuǎn)子鐵心中磁場恒定無鐵耗,m：定子相數(shù)。 U、I：定子每相電壓和電流,2. 轉(zhuǎn)矩方程,P1(pm +pFe) = PM T1T0 = TM,三、同步發(fā)電機的功角特性,轉(zhuǎn)子無勵磁，僅靠Pe2工作時，稱為磁阻電機,四、有功

13、功率的調(diào)節(jié)和靜態(tài)穩(wěn)定,1、有功功率的調(diào)節(jié) 現(xiàn)代電力系統(tǒng)的容量都很大，其頻率和電壓基本不受負載變化和其他擾動的影響而保持為常值,這種恒頻恒壓的交流電網(wǎng)，稱為無窮大電網(wǎng)。當發(fā)電機并聯(lián)于無窮大電網(wǎng)時，可向電網(wǎng)輸出功率。 下面以隱極電機為例說明同步發(fā)電機與無窮大電網(wǎng)并聯(lián)時有功功率的調(diào)節(jié)，為簡化分析略去Ra不計，設(shè)發(fā)電機已接到一個無窮大電網(wǎng),從物理模型看，分解出切向力，使轉(zhuǎn)子上受到一制動性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩，當制動轉(zhuǎn)矩與原動機驅(qū)動轉(zhuǎn)矩相平衡時。功率就不再增大，這時轉(zhuǎn)子主極磁場拉著氣隙磁場以同步速旋轉(zhuǎn)，將輸入的機械功率變?yōu)殡姽β瘦敵?，在功角特性上對應于A點。 由此可見，要調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出的有功功率，必須調(diào)節(jié)原動機

14、的輸入功率，使增大，電磁功率和輸出功率便會相應增加。 原動機輸入功率的增加不是無限制的，對于隱極電機，當達到90時，電磁功率達到最大值。即隱極同步發(fā)電機的功率極限值,2、靜態(tài)穩(wěn)定,090度為穩(wěn)定運行區(qū)域,為了使發(fā)電機能穩(wěn)態(tài)運行，應使發(fā)電機的功率 極限比額定功率大一定的倍數(shù)，這個倍數(shù)稱為 過載能力,五、無功功率的調(diào)節(jié)和V形曲線,接到電網(wǎng)上的負載多數(shù)都是電感性的，所以與電網(wǎng)并聯(lián)的發(fā)電機不僅要向電網(wǎng)輸出有功功率，而且還要輸出無功功率。 下面以隱極同步發(fā)電機為例來說明同步發(fā)電機與無窮大電網(wǎng)并聯(lián)時無功功率的調(diào)節(jié)問題。 原動機的輸入有功功率保持不變,o,o,o,jXs,jXs,jXs,B,A,C,D,Eo

15、sin=常值,Icos=常值,28.7同步電動機的運行狀態(tài),與感應電動機相比，同步電動機的主要特點是：轉(zhuǎn)速與負載大小無關(guān)始終保持為 同步速，且功率因數(shù)可調(diào)。 因此廣泛應用于大功率恒轉(zhuǎn)速的機械負載，如空氣壓縮機、粉碎機、鼓風機、水泵 及電動發(fā)電機組 同步補償機相當于空載運行的同步電動機，用于補償電網(wǎng)的無功功率和功率因數(shù),一、同步電機的可逆原理,這時如在軸上加負載，即輸出機械功率變?yōu)殡妱訖C運行,同步發(fā)電機 空載同步發(fā)電機 同步電動機,二、同步電動機的電壓方程和相量圖,若仍用發(fā)電機慣例分析,I超前E0電樞反應為增磁 I滯后E0電樞反應為去磁,大于900，即此時發(fā)出負的電功率， 相當于輸入正功率,o,

16、jMXs,oM,M,MRa,M=,隱極同步電動機相量圖,隱極同步電動機等效電路,o,MRa,M=,M,oM,dM,qM,jdMXd,jqMXq,凸極同步電動機相量圖,三、同步電動機的功角特性,1、功角特性 （Ra = 0,整步功率系數(shù) 及過載能力 與發(fā)電機相同,隱極同步電動機，忽略Ra,四、同步電動機的V型曲線運行特性,o,o,o,EosinM=常值,IMcosM =常值,M,M,M,jMXs,jMXs,jMXs,A,B,C,D,電機學圖片段.shs,改變勵磁時同步電動機相量圖,同步電動機調(diào)節(jié) If 可改變功率因數(shù)，這是同步電動機的優(yōu)點之一,同步電機機與感應電機同時接入電網(wǎng)，并使同步機處于過勵

17、狀態(tài),例6-5,過勵時功率因數(shù)變?yōu)槌?五、同步電動機的起動方法,注：勵磁繞組切勿開路，且必須串一大電阻 （為限制單轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩,2、 輔助電機起動 同極數(shù)感應電動機，容量約為主機容量的（10 15）% 的感應電機作為輔機，拖動主機使 n 接近同步速時，轉(zhuǎn)子勵磁繞組加入If ，由同步轉(zhuǎn)矩拖入同步。 缺點：不能帶載起動，否則輔機容量太大,3、變頻起動 起動時f1 很低，隨著n逐步增加f1 最后達到 fN, 改變定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速利用同步轉(zhuǎn)矩起動。 缺點：必須具備變頻電源,28.8同步電機的勵磁方式,供給同步電機勵磁的裝置，稱為勵磁系統(tǒng)。獲得勵磁電流的方式稱為勵磁方式。為保證同步電機的正常運行，勵磁系統(tǒng)

18、應滿足以下要求,1）能穩(wěn)定地提供同步電機從空載到滿載到過載所需的勵磁電流 （2）當電力系統(tǒng)發(fā)生故障使電網(wǎng)電壓降低時，勵磁系統(tǒng)能快速強 行勵磁以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性； （3）當同步機內(nèi)部發(fā)生短路故障時，應能快速滅磁,1、直流勵磁機勵磁,直流勵磁機與同步發(fā)電機同軸并采用并勵接法。 Rt接到自動調(diào)節(jié)裝置，自動調(diào)節(jié)If K的作用是強行勵磁，（K閉合，切除Rt，使勵磁機輸出電壓大大提高,同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng),有時為了提高勵磁系統(tǒng)的響應速度，直流勵磁機本身的勵磁電流If采用它勵式，由同軸的副勵磁機供給，但由于多了一臺副勵磁機，使設(shè)備復雜，降低了運行的可靠性,直流發(fā)電機與同步發(fā)電機同軸 并勵直流發(fā)電機（副勵磁機） + 他勵直流發(fā)電機（主勵磁機） 采用直流勵磁機主要問題是高速、大容量勵磁機換向困難。 目前一般容量汽輪機和低速水輪機中大部分采用直流勵磁機,帶勵磁機的同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng),1）他勵式,他勵式由交流主勵磁機，交流副勵磁機，硅整流裝置和電壓調(diào)整器組成。 主勵磁機是一臺與同步發(fā)電機同軸連接的三相同步發(fā)電機（頻率通常為1