同步電機穩(wěn)態(tài)運行

1、關于同步電機的穩(wěn)態(tài)運行第1頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四6.1 同步電機的基本結(jié)構和運行狀態(tài) 同步電機一、同步電機的基本結(jié)構 旋轉(zhuǎn)電樞式 旋轉(zhuǎn)磁極式 隱極式（Salient-pole） 凸極式（Cylindrical-Rotor） 第2頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四二、同步電機的運行狀態(tài)發(fā)電機把機械能轉(zhuǎn)換為電能 電動機把電能轉(zhuǎn)換為機械能補償機沒有有功功率的轉(zhuǎn)換，只發(fā)出或吸 收無功功率 同步電機運行狀態(tài)，主要取決于定子合成磁場與轉(zhuǎn)子主磁場之間的夾角，稱為功率角 6.1 同步電機的基本結(jié)構和運行狀態(tài) 第3頁，共64頁，2022年，5月20日，3點

2、49分，星期四三、同步電機的勵磁方式直流勵磁機勵磁直流勵磁機通常與同步發(fā)電機 同軸，采用并勵或他勵接法。 如圖68所示 整流器勵磁靜止式如圖6-9旋轉(zhuǎn)式6.1 同步電機的基本結(jié)構和運行狀態(tài) 第4頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四額 定 容 SN 指額定運行時電機的輸輔出功率 額定電壓UN 指額定運行時定子的線電壓 額定電流IN 指額定運行時定子的線電流 額定功率因數(shù)指額定運行時電機的功率因數(shù) 額定頻率fN 指額定運行時電樞的頻率額定轉(zhuǎn)速nN 指額定運行時電機的轉(zhuǎn)速，即為 同步轉(zhuǎn)速 四、額定值 6.1 同步電機的基本結(jié)構和運行狀態(tài) 返回第5頁，共64頁，2022年，5月20

3、日，3點49分，星期四 空載運行時，同步電機內(nèi)僅有由勵磁電流所建立的主極磁場。圖6l0表示一臺四極電機空載時的磁通示意圖。從圖可見，主極磁通分成主磁通0和漏磁通f兩部分，前者通過氣隙并與定子繞組相交鏈，后者不通過氣隙，僅與勵磁繞組相交鏈。主磁通所經(jīng)過的主磁路包括空氣隙電樞 齒、電樞軛、磁極極身和轉(zhuǎn)子軛等五部分。6.2 空載和負載時同步發(fā)電機的磁場一、空載運行第6頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四6.2 空載和負載時同步發(fā)電機的磁場一、空載運行 當轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，主磁場將在氣隙中形成一個旋轉(zhuǎn)磁場，在定子繞組內(nèi)感應出對稱三相電動勢（激磁電動勢） 空載特性是同步電機的一條

4、基本特性。如圖611所示第7頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四二、對稱負載時的電樞反應 電樞磁動勢的基波在氣隙中所產(chǎn)生的磁場就稱為電樞反應。電樞反應的性質(zhì)(增磁、去磁或交磁)取決于電樞磁動勢和主磁場在空間的相對位置。分析表明，此相對位置取決于激磁電動勢E0和扭載電流I之間的相角差0(0稱為內(nèi)功率因數(shù)角)。下面分成兩種情況來分析。 6.2 空載和負載時同步發(fā)電機的磁場第8頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四 與 同相時a) 定子繞組電動勢、電流和磁動勢的空間矢量圖第9頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四 與 同相時b) 時間矢量圖第1

5、0頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四 與 同相時c) 時-空統(tǒng)一矢量圖第11頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四 與 同相時d)氣隙合成磁場與主磁場的相對位置第12頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四 與 不同相時 a) 滯后于 時的空間矢量圖第13頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四 與 不同相時 b) 滯后 時的時-空統(tǒng)一矢量圖第14頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四 與 不同相時 c) 超前 時得時-空統(tǒng)一矢量圖返回第15頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四同步發(fā)電

6、機負載運行時物理量的關系：一、不考慮磁飽和時6.3 隱極同步發(fā)電機的電壓方程、相量圖和等效電路第16頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四 在時間相位上， 滯后于 以90電角度，若不計定子鐵耗, 與 同相位，則 將滯后于 以90電角度于是 亦可寫成負電抗壓降的形式，即 采用發(fā)電機慣例，以輸出電流作為電樞電流的正方向時，電樞的電壓方程為 因為電樞反應電動勢Ea正比于電樞反應磁通a不計磁飽和時，a又正比于電樞磁動勢Fa和電樞電流I，即 (65) (66) 第17頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四將式(66)代人式(65)，可得 (67) 式中，Xs稱為隱極同

7、步電機的同步電抗，Xs=Xa+X，它是對稱穩(wěn)態(tài)運行時表征電樞反應和電樞漏磁這兩個效應的一個綜合參數(shù)。不計飽和時，Xs是一個常值。 圖615a和b表示與式(65)和式(67)相對應的相量圖，圖615c表示與式(67)相應的等效電路。從圖615c可以看出，隱極同步發(fā)電機的等效電路由激磁電動勢和同步阻抗Ra+jXs串聯(lián)組成，其中E0表示主磁場的作用，Xs表示電樞反應和電樞漏磁場的作用。 第18頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四 考慮磁飽和時，由于磁路的非線性，疊加原理不再適用。此時，應先求出作用在主磁路上的合成磁動勢F，然后利用電機的磁化曲線 (空載曲線) 求出負載時的氣隙磁通

8、 及相應的氣隙電動勢 。二、考慮磁飽和時第19頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四 再從氣隙電動勢 減去電樞繞組的電阻和漏抗壓降，使得電樞的端電壓 ，即 相應的矢量圖、相量圖和FE間的關系如圖616a和616b所示。圖6-16a中既有電動勢相量，又有磁動勢矢量。故稱為電動勢磁動勢圖?；蚍祷氐?0頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四 考慮到凸極電機氣隙的不均勻性，把電樞反應分成直軸和交軸電樞反應分別來處理的方法，就稱為雙反應理論。 凸極同步電機的氣隙是不均勻的，極面下氣隙較小，兩極之間氣隙較大，故直軸下單位面積的氣隙磁導d (d0d) 要比交軸下單位面積的

9、氣隙磁導q (q0q) 大很多，如圖618a所示。 當正弦分布的電樞磁動勢作用在直軸上時，由于d較大，故在一定大小的磁動勢下，直軸基波磁場的幅值Bad1相對較大。一、雙反應理論6.4 凸極同步發(fā)電機的電壓方程和相量圖第21頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四 不考慮磁飽和時同步發(fā)電機負載運行時物理量的關系：二、凸極同步發(fā)電機的電壓方程和相量圖6.4 凸極同步發(fā)電機的電壓方程和相量圖第22頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四 從氣隙電動勢云減去電樞繞組的電阻和漏抗壓降，便得電樞的端電壓。采用發(fā)電機慣例，電樞的電壓方程為：， 6-9不計磁飽和時第23頁，共6

10、4頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四 和 可以用相應的負電抗壓降來表示6-10將式(6-10)代入式(6-9)，并考慮 ，可得 第24頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四 式中，Xd和Xq分別稱為直軸同步電抗和交軸同步電抗，它們是表征對稱穩(wěn)態(tài)運行時電樞漏磁和直軸或交軸電樞反應的一個綜合參數(shù)。上式就是凸極同步發(fā)電機的電壓方程。圖6-19表示與上式相對應的相量圖。 引入虛擬電動勢 ，使 可得6-12 由式6-12相量圖如圖6-20所示。由圖6-20不難確定 由式6-12可得凸極同步發(fā)電機的等效電路，如圖6-21所示。 第25頁，共64頁，2022年，5月20日，3點

11、49分，星期四三、直軸和交軸同步電抗的意義 由于電抗與繞組匝數(shù)的平方和所經(jīng)磁路的磁導成正比，所以 如圖6-22所示。對于凸極電機，由于直軸下的氣隙較交軸下小， ，所以XadXaq，因此在凸極同步電機中，XdXq。 對于隱極電機，由于氣隙是均勻的，故XdXqXs 例題返回第26頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四6.5 同步發(fā)電機的功率方程和轉(zhuǎn)矩方程一、功率方程和電磁功率 功率方程 若轉(zhuǎn)子勵磁損耗由另外的直流電源供給，則發(fā)電機軸上輸入的機械功率Pl扣除機械損耗 和定子鐵耗 后，余下的功率將通過旋轉(zhuǎn)磁場和電磁感應的作用，轉(zhuǎn)換成定子的電功率，所以轉(zhuǎn)換功率就是電磁功率Pe，即 (6

12、-14) 再從電磁功率Pe中減去電樞銅耗 可得電樞端點輸出的電功率P2；即 (6-15)第27頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四 電磁功率 從式(615)可知，電磁功率Pe為 由圖623可見 故同步電機的電磁功率亦可寫成 上式的第一部分與感應電機的電磁功率表達式相同，第二部分則是同步電機常用的。對于隱極同步電機，由于EQE0，故有 第28頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四二、轉(zhuǎn)矩方程 把功率方程(614)除以同步角速度，可得轉(zhuǎn)矩方程 式中，T1為原動機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩,Te為電磁轉(zhuǎn)矩,T0為空載轉(zhuǎn)矩，分別為：(618)返回第29頁，共64頁，2022年，5

13、月20日，3點49分，星期四6.6 同步電機參數(shù)的測定一、用空載特性和短路特性確定Xd 空載特性可以用空載試驗測出。試驗時，電樞開路 (空載)，用原動機把被試同步電機拖動到同步轉(zhuǎn)速，改變勵磁電流If，并記取相應的電樞端電壓U0 (空載時即等于E0，直到U01.25UN左右，可得空載特性曲線 。 短路特性可由三相穩(wěn)態(tài)短路試驗測得，試驗線路如圖6-24a所示。將被試同步電機的電樞端點三相短路，用原動機拖動被試電機到同步轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)勵磁電流If使電樞電流I從零起一直增加到1.2IN左右，便可得到短路特性曲線，如圖624b所示。第30頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四 短路時， ，

14、故 ， ，而 所以 因為短路試驗時磁路為不飽和，所以這里的E0(每相值)應從氣隙線上查出，如圖625所示，求出的Xd值為不飽和值。 (619)(620)第31頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四 Xd的飽和值與主磁路的飽和情況有關。主磁路的飽和程度取決于實際運行時作用在主磁路上的合成磁動勢，因而取決于相應的氣隙電動勢；如果不計漏阻抗壓降，則可近似認為取決于電樞的端電壓，所以通常用對應于額定電壓時的Xd值作為其飽和值。為此，從空載曲線上查出對應于額定端電壓UN時的勵磁電流If0，再從短路特性上查出與該勵磁電流相應的短路電流，如圖626所示，這樣即可求出 Xd(飽和)例題返回第

15、32頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四6.7 同步發(fā)電機的運行特性一、同步發(fā)電機的運行特性 同步發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)運行特性包括外特性、調(diào)整特性和效率特性。 外特性外特性表示發(fā)電機的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速，且勵磁電流和負載功率因數(shù)不變時，發(fā)電機的端電壓與電樞電流之間的關系：即nnS，If=常值，cos=常值時，U=f(I)。 圖630 表示帶有不同功率因數(shù)的負載時，同步發(fā)電機的外特性。 第33頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四 調(diào)整特性調(diào)整特性表示發(fā)電機的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速、端電壓為額定電壓、負載的功率因數(shù)不變時，勵磁電流與電樞電流之間的關系；即nnS，U =UN，co

16、s=常值時，If=f(I)。 圖631表示帶有不同功率因數(shù)的負載時，同步發(fā)電機的調(diào)整特性 效率特性效率特性是指轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速、端電壓為額定電壓、功率因數(shù)為額定功率因數(shù)時，發(fā)電機的效率與輸出功率的關系；即nnS，U =UN，cos= cosN時，=f(P2)。 返回第34頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四同步電機的空載磁路返回第35頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四同步電機的空載特性返回第36頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四雙反應理論第37頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四圖618 雙反應理論雙反應理論第3

17、8頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四圖618 雙反應理論返回雙反應理論第39頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四隱極同步發(fā)電機的向量圖返回第40頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四隱極同步發(fā)電機的向量（圖b ）返回第41頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四隱極同步發(fā)電機的等效電路返回第42頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四電動勢-磁動勢圖返回第43頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四由合成磁動勢F確定氣隙電動勢E空載曲線返回第44頁，共64頁，2022年，5月20日，3點

18、49分，星期四凸極同步發(fā)電機的向量圖返回第45頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四 角的確定返回第46頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四凸極同步發(fā)電機的等效電路圖返回第47頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四凸極同步電機電樞反磁通及所經(jīng)磁路及磁導返回直軸電樞磁導交軸電樞磁導第48頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四從向量圖導出返回第49頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四短路實驗接線圖返回第50頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四短路特性返回第51頁，共64頁，2022年，

19、5月20日，3點49分，星期四用空載和短路特性來確定返回第52頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四 (飽和)的確定返回第53頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四同步發(fā)電機的外特性cos=0.8滯后cos=1cos=0.8超前返回第54頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四圖631同步發(fā)電機的調(diào)整特性cos=0.8滯后cos=1cos=0.8超前返回第55頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機的類型NS+隱極式返回第56頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四NSNS+凸極式返回第57頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四帶副勵磁機的勵磁系統(tǒng)GG副勵磁機主勵磁機同步發(fā)電機返回第58頁，共64頁，2022年，5月20日，3點49分，星期四靜止整流器勵磁系統(tǒng)交流