同步電機的基本工作原理與結(jié)構(gòu)演示文稿

同步電機的基本工作原理與結(jié)構(gòu)演示文稿當前第1頁\共有71頁\編于星期四\21點優(yōu)選同步電機的基本工作原理與結(jié)構(gòu)當前第2頁\共有71頁\編于星期四\21點６.1同步電機的基本工作原理與結(jié)構(gòu)６.1.1

同步電機的基本結(jié)構(gòu)以汽輪發(fā)電機為例:定子鐵心：硅鋼片疊成。機座：鋼板焊接面成，有足夠的強度和鋼度。電樞繞組：三相對稱繞組——銅線制成定子(電樞)轉(zhuǎn)子鐵心：采用整塊的含鉻、鎳和鉬的合金鋼鍛成護環(huán)：保護勵磁繞組受離心力時不甩出勵磁繞組：銅線制成滑環(huán)：引勵磁電流經(jīng)電刷、滑環(huán)進入勵磁繞組中心環(huán)：支持護環(huán)，阻止勵磁繞組軸向移動轉(zhuǎn)子當前第3頁\共有71頁\編于星期四\21點機械端口轉(zhuǎn)子定子繞組定子鐵心電端口ABC返回當前第4頁\共有71頁\編于星期四\21點返回當前第5頁\共有71頁\編于星期四\21點1、汽輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)（1）定子鐵心返回當前第6頁\共有71頁\編于星期四\21點返回當前第7頁\共有71頁\編于星期四\21點1、汽輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)返回當前第8頁\共有71頁\編于星期四\21點2、水輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)(1)立式水輪發(fā)電機(2)臥式水輪發(fā)電機當前第9頁\共有71頁\編于星期四\21點2、水輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)10000kW水輪機轉(zhuǎn)子當前第10頁\共有71頁\編于星期四\21點1.發(fā)電環(huán)節(jié)——各種電機

引進600MW汽輪發(fā)電機當前第11頁\共有71頁\編于星期四\21點國產(chǎn)300MW汽輪發(fā)電機當前第12頁\共有71頁\編于星期四\21點國產(chǎn)200MW汽輪發(fā)電機定子當前第13頁\共有71頁\編于星期四\21點國產(chǎn)200MW汽輪發(fā)電機定子鐵心當前第14頁\共有71頁\編于星期四\21點現(xiàn)場運行的水輪發(fā)電機當前第15頁\共有71頁\編于星期四\21點６.1同步電機的基本工作原理與結(jié)構(gòu)６.1.2

同步電機的基本工作原理與分類一、同步發(fā)電機的基本工作原理大?。侯l率：

勵磁繞組通入直流電流后建立恒定磁場，原動機拖動轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，其磁場切割定子繞組而感應交流電動勢.相序：由轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向決定。波形：由可知，波形取決于的空間分布。當前第16頁\共有71頁\編于星期四\21點U2U1W2V1W1V2發(fā)電機的物理過程可用圖示表示旋轉(zhuǎn)示意圖1旋轉(zhuǎn)示意圖2當前第17頁\共有71頁\編于星期四\21點二、同步電機的分類按運行方式，同步電機分發(fā)電機、電動機和調(diào)相機。按結(jié)構(gòu)型式，同步電機分旋轉(zhuǎn)電樞式和旋轉(zhuǎn)磁極式。旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機按磁極形狀，又分隱極式和凸極式兩種。按原動機類別,同步電機分為汽輪發(fā)電機、水輪發(fā)電機和柴油發(fā)電機等。汽輪發(fā)電機一般作成隱極式，現(xiàn)代汽輪發(fā)電機均為2極，轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分鐘，水輪發(fā)電機采用凸極式，極數(shù)多，轉(zhuǎn)速低。同步電動機、柴油發(fā)電機和調(diào)相機一般作成凸極式。當前第18頁\共有71頁\編于星期四\21點６.1.3同步電機的額定值對同步發(fā)電機額定值之間關系為：額定運行時加在三相定子繞組上的線電壓。

指電機額定運行時，輸出功率的保證值。同步發(fā)電機是指輸出的額定視在功率或有功功率，單位是KVA或KW。電動機額定容量是指額定條件下轉(zhuǎn)軸上輸出的機械功率，單位是KW。調(diào)相機用KVA或Kvar表示。在額定運行狀態(tài)下三相定子繞組的線電流.當前第19頁\共有71頁\編于星期四\21點６.2同步發(fā)電機的空載運行電磁關系：空載特性：

同步發(fā)電機被原動機拖動到同步轉(zhuǎn)速，勵磁繞組中通入直流電流，定子繞組開路的運行稱為空載運行?？蛰d電動勢大?。寒斍暗?0頁\共有71頁\編于星期四\21點６.3同步電機的電樞反應電樞反應:電機帶上負載后，電樞磁動勢的基波在氣隙中使氣隙磁通的大小及位置均發(fā)生變化,這種影響稱為電樞反應.電樞反應的性質(zhì)，取決于電樞磁動勢基波和勵磁磁動勢基波之間的相對位置，即與空載電動勢和電樞電流之間的夾角有關.勵磁磁勢和電樞磁勢的區(qū)別基波波形大小位置轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向勵磁磁動勢正弦波恒定，由勵磁電流決定由轉(zhuǎn)子位置決定由原動機的轉(zhuǎn)速決定由原動機決定電樞反應磁動勢正弦波恒定，由電樞電流決定由電流瞬時值決定由磁極對數(shù)和電流頻率決定由電流相序決定當前第21頁\共有71頁\編于星期四\21點６.3.1

時的電樞反應d軸q軸U軸U1U2

W2V1W1V2NSW軸V軸電樞反應性質(zhì)：交軸電樞反應空載電動勢和電樞電流同相位.當前第22頁\共有71頁\編于星期四\21點d軸q軸U軸U1U2

W2V1W1V2NSW軸V軸６.3.2

時的電樞反應空載電動勢超前電樞電流電樞反應性質(zhì)：直軸去磁電樞反應當前第23頁\共有71頁\編于星期四\21點d軸q軸U軸U1U2

W2V1W1V2NSW軸V軸6.3.3

時的電樞反應空載電動勢滯后電樞電流

電樞反應性質(zhì)：直軸助磁電樞反應當前第24頁\共有71頁\編于星期四\21點d軸q軸U軸U1U2

W2V1W1V2NSW軸V軸

一般情況下的電樞反應空載電動勢超前電樞電流角,電樞反應性質(zhì)：既有交軸,還有直軸去磁電樞反應當前第25頁\共有71頁\編于星期四\21點此種情況下---直軸分量---交軸分量---直軸分量電流產(chǎn)生的合成磁動勢---交軸分量電流產(chǎn)生的合成磁動勢當前第26頁\共有71頁\編于星期四\21點

一般情況下的電樞反應（總結(jié)）上升下降

上升下降下降下降不變不變下降R、C增強交軸直軸助磁d、q軸R、L削弱交軸直軸去磁d、q軸C增強直軸助磁d軸L削弱直軸去磁d軸R波形畸變交軸q軸

負載性質(zhì)對電機的影響電樞反應性質(zhì)記作夾角

位置當前第27頁\共有71頁\編于星期四\21點

電樞反應與機--電能量轉(zhuǎn)換

電樞反應是同步電機在負載運行時的重要物理現(xiàn)象，它不僅是引起端電壓變化的主要原因，而且也是電機實現(xiàn)機---電能量轉(zhuǎn)換的樞紐。輸出的有功功率越大，有功分量電流就越大，交軸電樞反應越強，越大，這就要求原動機輸入更大的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，維持電機的轉(zhuǎn)速不變。當前第28頁\共有71頁\編于星期四\21點

說明發(fā)電機帶感性(或容性)無功負載時,不需要原動機增加能量.

但是直軸去磁（或助磁）電樞反應對氣隙磁場有去磁（或助磁）作用，致使電壓下降（或上升）。為維持電壓恒定所需的勵磁電流也需要相應增加（或減?。?。

直軸電樞反應磁場與勵磁電流共同作用,在勵磁繞組上產(chǎn)生電磁力,但不能形成電磁轉(zhuǎn)矩.當前第29頁\共有71頁\編于星期四\21點

一般情況下，發(fā)電機既帶有功負載，又帶感性無功負載，有功電流的變化影響發(fā)電機的轉(zhuǎn)速及頻率，無功電流的變化影響發(fā)電機的電壓。

綜上所述，交軸電樞反應的存在是實現(xiàn)機——電能量轉(zhuǎn)換的關鍵。為了保持發(fā)電機的頻率和電壓的穩(wěn)定，必須隨負載變化及時調(diào)節(jié)發(fā)電機的輸入功率和勵磁電流。當前第30頁\共有71頁\編于星期四\21點

凸極同步發(fā)電機的電動勢方程和相量圖６.4同步電機的負載運行一、凸極同步發(fā)電機的電動勢方程電磁關系：不計磁路飽和時有下列關系由于且令則電動勢平衡方程--直軸同步電抗--交軸同步電抗分別表征在對稱負載下，單位直軸或交軸三相電流產(chǎn)生的總電樞磁場在電樞每一相繞組中感應的電動勢。當前第31頁\共有71頁\編于星期四\21點二、凸極同步發(fā)電機的相量圖作圖步驟當前第32頁\共有71頁\編于星期四\21點隱極同步發(fā)電機的電動勢方程、相量圖和等效電路一、電動勢方程電磁關系：不計磁路飽和時有下列關系令電動勢平衡方程--同步電抗

表征在對稱負載下，單位三相電流產(chǎn)生的電樞總磁場在電樞每一相繞組中感應的電動勢。當前第33頁\共有71頁\編于星期四\21點二、等效電路和相量圖等效電路相量圖根據(jù)相量圖可求出當前第34頁\共有71頁\編于星期四\21點

當忽略電樞回路電阻時得到的等效電路稱為簡化等效電路,對應的相量圖稱為簡化相量圖思考題

分別作出汽輪同步發(fā)電機帶阻性、純感性、純?nèi)菪浴㈦姼行?、電容性負載時的簡化相量圖？并說明各種情況下電樞反應的性質(zhì)？當前第35頁\共有71頁\編于星期四\21點

同步發(fā)電機特性一、空載特性定義：

空載特性是發(fā)電機的基本特性之一。它一方面表征了磁路的飽和情況，另一方面把它和短路特性、零功率因數(shù)負載特性配合，可確定電機的基本參數(shù)、額定勵磁電流和電壓變化率等。

實際生產(chǎn)中，它還可以檢查三相電樞繞組的對稱性、匝間短路、判斷勵磁繞組和定子鐵心有無故障等。當前第36頁\共有71頁\編于星期四\21點二、短路特性定義：短路時的等效電路短路特性曲線

短路特性與空載特性配合可以求出電機的同步電抗。當前第37頁\共有71頁\編于星期四\21點三、外特性定義：外特性曲線

當發(fā)電機帶阻性和感性負載時，外特性是下降的，原因是電樞反應的去磁作用和電樞漏阻抗產(chǎn)生了電壓降.

帶容性負載時且（發(fā)電機負載的容抗大于同步電抗）時，外特性是上升的，原因是電樞反應的助磁作用和容性電流在漏抗上的壓降。當前第38頁\共有71頁\編于星期四\21點四、調(diào)節(jié)特性定義：調(diào)整特性曲線

在感性和阻性負載時，隨著負載電流的增加，必須增加勵磁電流，補償電樞反應的去磁作用和漏阻抗壓降，保持端電壓恒定；對容性負載，隨著負載電流的增加，必須減小勵磁電流。

在功率因數(shù)一定情況下,根據(jù)調(diào)整特性曲線,可確定在負載變化范圍內(nèi),維持電壓不變所需的勵磁電流的變化范圍。運行人員可利用調(diào)整特性曲線,使系統(tǒng)中無功功率的分配更合理一些。當前第39頁\共有71頁\編于星期四\21點并聯(lián)運行的含義６.5同步電機的并聯(lián)運行1、提高供電的可靠性；2、提高供電的經(jīng)濟性；3、提高電能的質(zhì)量。無窮大電網(wǎng)的含義

將兩臺或更多臺發(fā)電機分別接在電力系統(tǒng)對應母線上，或通過變壓器、輸電線接在電力系統(tǒng)的公共母線上，共同向負荷供電。并聯(lián)運行的優(yōu)點并列方法1.準同期法2.自同期法當前第40頁\共有71頁\編于星期四\21點

并聯(lián)運行的條件一、準同期并列的條件1.待并發(fā)電機的電壓與電網(wǎng)電壓大小相等；2.待并發(fā)電機電壓相位相同與電網(wǎng)電壓相位相同；3.待并發(fā)電機電壓頻率與電網(wǎng)電壓頻率相同；4.待并發(fā)電機的相序與電網(wǎng)的相序相同。

上述條件（4）一般在安裝發(fā)電機時，根據(jù)發(fā)電機的轉(zhuǎn)向確定了發(fā)電機的相序而滿足，因此運行人員在并列時只需調(diào)節(jié)發(fā)電機使其滿足其它三個條件即可。

不滿足任一條件的并列稱為非同期并列，將對電機產(chǎn)生嚴重的危害。重點內(nèi)容當前第41頁\共有71頁\編于星期四\21點1.電壓大小不等此時,ab兩端有電位差

在電位差的作用下發(fā)電機產(chǎn)生沖擊電流，即

沖擊電流為無功分量，不會加重原動機的負擔，但會在電樞繞組中產(chǎn)生很大的沖擊力，使電樞繞組端部受沖擊力的作用而變形。當前第42頁\共有71頁\編于星期四\21點2.相位不同

電位差可達發(fā)電機電壓的兩倍，若此時并列，會產(chǎn)生很大的沖擊電流，發(fā)電機會因遭受巨大的沖擊力而損壞。沖擊電流的影響：1)電樞繞組端部受力變形;2)轉(zhuǎn)軸上受沖擊轉(zhuǎn)矩的作用,使機軸扭曲變形;３)電樞繞組發(fā)熱.此時,ab兩端有電位差當前第43頁\共有71頁\編于星期四\21點3.頻率不同轉(zhuǎn)軸上時而產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩、時而產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，結(jié)果是電機振動。拍振電流使電樞繞組端部受力變形，使電樞繞組發(fā)熱。當前第44頁\共有71頁\編于星期四\21點

頻率差過大電機不能并列；頻率差較小時，靠自整步作用，可以把發(fā)電機拉入同步。當前第45頁\共有71頁\編于星期四\21點4.相序不同

發(fā)電機實際并列時，除了相序必須一致外，其它條件允許有一定的偏差，如△U不超過10%，相位差不超過10%，頻率偏差不超過0.2%~0.5%（0.1~0.25Hz)。二、自同期法

相序正確前提下，起動未加勵磁的發(fā)電機，當其轉(zhuǎn)速接近同步速時，合上同步開關，將發(fā)電機并網(wǎng)，然后加上發(fā)電機勵磁將發(fā)電機牽入同步。并網(wǎng)前，勵磁繞組需經(jīng)限流電阻閉合。當前第46頁\共有71頁\編于星期四\21點

有功功角特性及有功功率調(diào)節(jié)６.5同步電機的并聯(lián)運行一、功率和轉(zhuǎn)矩平衡輸入功率P1機械損耗pmec附加損耗pad鐵損pFe電磁功率Pem定子銅損pcu1輸出功率P2當前第47頁\共有71頁\編于星期四\21點可得轉(zhuǎn)矩平衡方程為或

上式說明，電機穩(wěn)定運行時，驅(qū)動性質(zhì)的原動機轉(zhuǎn)矩與制動性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩和空載轉(zhuǎn)矩之和平衡。當前第48頁\共有71頁\編于星期四\21點二、有功功率功角特性定義：

并聯(lián)于無窮大電網(wǎng)的同步發(fā)電機，當電網(wǎng)電壓和頻率一定、參數(shù)（）為常數(shù)、空載電動勢不變（即不變）時，為有功功率功角特性。凸極發(fā)電機的有功功率功角特性隱極發(fā)電機的有功功率功角特性當前第49頁\共有71頁\編于星期四\21點水輪發(fā)電機有功功率功角特性曲線

水輪發(fā)電機的有功功率功角特性分兩部分:附加電磁功率的特點:當前第50頁\共有71頁\編于星期四\21點汽輪發(fā)電機的功角特性曲線汽輪發(fā)電機的有功功率功角特性的特點:當前第51頁\共有71頁\編于星期四\21點1、是電動勢和電壓間的時間相位角;或稱是勵磁磁勢和合成磁勢間的空間夾角。2、是感應電動勢的主磁通和產(chǎn)生電壓的電樞等效假想磁通之間的夾角。功角的雙重物理意義當前第52頁\共有71頁\編于星期四\21點用圖示功角的雙重物理意義當前第53頁\共有71頁\編于星期四\21點

轉(zhuǎn)子因有原動機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩克服定子合成磁極的制動轉(zhuǎn)矩而作功,實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換,將由原動機輸入的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茌敵觥?/p>

可見，功角是研究同步發(fā)電機運行狀態(tài)的一個重要參數(shù)，它不僅決定了發(fā)電機輸出有功功率的大小，而且還反映發(fā)電機轉(zhuǎn)子的相對空間位置，通過它把同步電機的電磁關系和機械運動緊密聯(lián)系起來。當前第54頁\共有71頁\編于星期四\21點

發(fā)電機空載運行時，原動機輸入的功率用來平衡各種損耗，此時，定、轉(zhuǎn)子磁極軸線重合，它們之間只有徑向力而無切向力，所以，在功角特性的0點上。

可見，并聯(lián)于無窮大電網(wǎng)的同步發(fā)電機要調(diào)節(jié)有功功率輸出，只需調(diào)節(jié)原動轉(zhuǎn)矩。在功率極限角范圍內(nèi)，輸入轉(zhuǎn)矩越大，有功功率輸出就越大。當前第55頁\共有71頁\編于星期四\21點四、靜態(tài)穩(wěn)定的概念靜態(tài)穩(wěn)定：指并聯(lián)在電網(wǎng)上穩(wěn)定運行的同步發(fā)電機，當受電網(wǎng)或原動機方面某些微小擾動時，能在這種干擾消失后，繼續(xù)保持原來穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力。在a點運行時電機具有靜態(tài)穩(wěn)定的能力。若干擾使功角δ增大到a′點，Pem和Tem增大，迫使電機減速，功角δ變小，電機回到a點。干擾使功角δ減小時，有同樣結(jié)論。所以a點稱為穩(wěn)定運行點。而b點為不穩(wěn)定運行點，分析略。當前第56頁\共有71頁\編于星期四\21點靜態(tài)穩(wěn)定的判據(jù)：比整步功率(kW/rad)對汽輪發(fā)電機，比整步功率為在電機穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，越大，電機穩(wěn)定增長性越好。當前第57頁\共有71頁\編于星期四\21點五、過載能力汽輪發(fā)電機的過載能力最大電磁功率與額定功率的比值稱為過載能力。

過載能力越大，電機的穩(wěn)定性越好。過載能力是表達靜態(tài)穩(wěn)定的能力，不是發(fā)電機可以過載的倍數(shù)。

過載能力設計得在一點，是從提高稱定觀點考慮的，不是從發(fā)熱觀點考慮的。當前第58頁\共有71頁\編于星期四\21點

無功功角特性及V形曲線一、無功功率功角特性

并聯(lián)于無窮大電網(wǎng)的同步發(fā)電機當電網(wǎng)電壓和頻率恒定、參數(shù)（xd、xq、xt）為常數(shù)、空載電勢E0不變（即If

不變）時，Q=f(δ)為無功功率功角特性。水輪發(fā)電機無功功率的功角特性汽輪發(fā)電機無功功率的功角特性當前第59頁\共有71頁\編于星期四\21點汽輪發(fā)電機無功功率的功角特性曲線幾個特殊點:當前第60頁\共有71頁\編于星期四\21點

從能量守恒觀點看，并網(wǎng)運行的同步發(fā)電機調(diào)節(jié)無功功率，不需調(diào)節(jié)原動機來的輸入功率，只需改變勵磁電流。調(diào)節(jié)前，增大后調(diào)節(jié)不影響發(fā)電機的有功功率輸出,但影響電機的穩(wěn)定性能。調(diào)節(jié)無功時不影響有功功率的輸出,但是調(diào)節(jié)有功時影響無功功率輸出.當前第61頁\共有71頁\編于星期四\21點三、相量分析1.正常勵磁2.過勵磁3.欠勵磁當前第62頁\共有71頁\編于星期四\21點四、V形曲線

并聯(lián)于無窮大電網(wǎng)的同步發(fā)電機，保持有功功率不變時，表示電樞電流和勵磁電流的關系曲線稱為“V”形曲線。

發(fā)電機運行時，定子電流和勵磁電流是運行人員主要監(jiān)視的兩個物理量，這兩個量關系到定子繞組和勵磁繞組的溫度，又牽涉到功率因數(shù)的超前或滯后以及運行的穩(wěn)定性問題。

對于一個給定的有功功率輸出就有一條V形曲線，有功功率越大，曲線向上移，因此可是以得到一簇“V”形曲線。當前第63頁\共有71頁\編于星期四\21點當前第64頁\共有71頁\編于星期四\21點V形曲線的特點2.不穩(wěn)定區(qū)域邊緣：δ=900，連線向右傾斜;1.每條曲線的最低點,,定子電流最小,且全為有功電流，這些點的連線向右傾斜；3.每條曲線上的電流變化量ΔI為無功分量;4.勵磁電流從零開始增大時，定子電樞電流變化規(guī)律為先減小后增大。表明要輸出純有功功率，必須相應增加一些勵磁電流。表明輸出有功功率越多，維持穩(wěn)定所需的勵磁電流也越大。當前第65頁\共有71頁\編于星期四\21點

同步電動機６.6同步電動機和同步調(diào)相機一、同步電機的可逆原理

同步電機運行于發(fā)電機狀態(tài)時，如圖所示。

轉(zhuǎn)子磁極軸線超前定子合成磁極軸線，δ>0，電機把機械能轉(zhuǎn)變成電能。

同步電機的運行是可逆的，既可以用作發(fā)電機，還可以用作電動機。當前第66頁\共有71頁\編于星期四\21點

逐步減少發(fā)電機的