同步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行

關(guān)于同步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行6.1

同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)

同步電機(jī)一、同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

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，2024年2月25日，星期天二、同步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)電機(jī)——把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能

電動(dòng)機(jī)——把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能補(bǔ)償機(jī)——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(jī)運(yùn)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δ，δ稱為功率角

6.1

同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)

第3頁,共64頁，2024年2月25日，星期天三、同步電機(jī)的勵(lì)磁方式直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁——直流勵(lì)磁機(jī)通常與同步發(fā)電機(jī)同軸，采用并勵(lì)或他勵(lì)接法。

如圖6—8所示

整流器勵(lì)磁————靜止式——如圖6-9旋轉(zhuǎn)式6.1

同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)

第4頁,共64頁，2024年2月25日，星期天額定容SN——指額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的輸輔出功率

額定電壓UN——指額定運(yùn)行時(shí)定子的線電壓

額定電流IN——指額定運(yùn)行時(shí)定子的線電流

額定功率因數(shù)——指額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的功率因數(shù)額定頻率fN——指額定運(yùn)行時(shí)電樞的頻率額定轉(zhuǎn)速nN——指額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即為同步轉(zhuǎn)速

四、額定值6.1

同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)

返回第5頁,共64頁，2024年2月25日，星期天

空載運(yùn)行時(shí)，同步電機(jī)內(nèi)僅有由勵(lì)磁電流所建立的主極磁場。圖6—l0表示一臺(tái)四極電機(jī)空載時(shí)的磁通示意圖。從圖可見，主極磁通分成主磁通Φ0和漏磁通Φfσ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(lì)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(fù)載時(shí)同步發(fā)電機(jī)的磁場一、空載運(yùn)行第6頁,共64頁，2024年2月25日，星期天6.2空載和負(fù)載時(shí)同步發(fā)電機(jī)的磁場一、空載運(yùn)行當(dāng)轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，主磁場將在氣隙中形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，在定子繞組內(nèi)感應(yīng)出對稱三相電動(dòng)勢（激磁電動(dòng)勢）

空載特性是同步電機(jī)的一條基本特性。如圖6—11所示第7頁,共64頁，2024年2月25日，星期天二、對稱負(fù)載時(shí)的電樞反應(yīng)電樞磁動(dòng)勢的基波在氣隙中所產(chǎn)生的磁場就稱為電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)的性質(zhì)(增磁、去磁或交磁)取決于電樞磁動(dòng)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(dòng)勢E0和扭載電流I之間的相角差Ψ0(Ψ0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(fù)載時(shí)同步發(fā)電機(jī)的磁場第8頁,共64頁，2024年2月25日，星期天與同相時(shí)a)定子繞組電動(dòng)勢、電流和磁動(dòng)勢的空間矢量圖第9頁,共64頁，2024年2月25日，星期天與同相時(shí)b)時(shí)間矢量圖第10頁,共64頁，2024年2月25日，星期天與同相時(shí)c)時(shí)-空統(tǒng)一矢量圖第11頁,共64頁，2024年2月25日，星期天與同相時(shí)d)氣隙合成磁場與主磁場的相對位置第12頁,共64頁，2024年2月25日，星期天與不同相時(shí)a)滯后于時(shí)的空間矢量圖第13頁,共64頁，2024年2月25日，星期天與不同相時(shí)b)滯后時(shí)的時(shí)-空統(tǒng)一矢量圖第14頁,共64頁，2024年2月25日，星期天與不同相時(shí)c)超前時(shí)得時(shí)-空統(tǒng)一矢量圖返回第15頁,共64頁，2024年2月25日，星期天同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)物理量的關(guān)系：一、不考慮磁飽和時(shí)6.3隱極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程、相量圖和等效電路第16頁,共64頁，2024年2月25日，星期天在時(shí)間相位上，滯后于以90°電角度，若不計(jì)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(fù)電抗壓降的形式，即采用發(fā)電機(jī)慣例，以輸出電流作為電樞電流的正方向時(shí)，電樞的電壓方程為因?yàn)殡姌蟹磻?yīng)電動(dòng)勢Ea正比于電樞反應(yīng)磁通Φa不計(jì)磁飽和時(shí)，Φa又正比于電樞磁動(dòng)勢Fa和電樞電流I，即(6—5)

(6—6)

第17頁,共64頁，2024年2月25日，星期天將式(6—6)代人式(6—5)，可得(6—7)

式中，Xs稱為隱極同步電機(jī)的同步電抗，Xs=Xa+Xσ，它是對稱穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)表征電樞反應(yīng)和電樞漏磁這兩個(gè)效應(yīng)的一個(gè)綜合參數(shù)。不計(jì)飽和時(shí)，Xs是一個(gè)常值。圖6—15a和b表示與式(6—5)和式(6—7)相對應(yīng)的相量圖，圖6—15c表示與式(6—7)相應(yīng)的等效電路。從圖6—15c可以看出，隱極同步發(fā)電機(jī)的等效電路由激磁電動(dòng)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(yīng)和電樞漏磁場的作用。第18頁,共64頁，2024年2月25日，星期天考慮磁飽和時(shí)，由于磁路的非線性，疊加原理不再適用。此時(shí)，應(yīng)先求出作用在主磁路上的合成磁動(dòng)勢F，然后利用電機(jī)的磁化曲線(空載曲線)求出負(fù)載時(shí)的氣隙磁通及相應(yīng)的氣隙電動(dòng)勢。二、考慮磁飽和時(shí)第19頁,共64頁，2024年2月25日，星期天再從氣隙電動(dòng)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(yīng)的矢量圖、相量圖和F～E間的關(guān)系如圖6—16a和6—16b所示。圖6-16a中既有電動(dòng)勢相量，又有磁動(dòng)勢矢量。故稱為電動(dòng)勢—磁動(dòng)勢圖?；蚍祷氐?0頁,共64頁，2024年2月25日，星期天考慮到凸極電機(jī)氣隙的不均勻性，把電樞反應(yīng)分成直軸和交軸電樞反應(yīng)分別來處理的方法，就稱為雙反應(yīng)理論。凸極同步電機(jī)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(dǎo)λd(λd＝μ0／λd)要比交軸下單位面積的氣隙磁導(dǎo)λq(λq＝μ0／λq)大很多，如圖6—18a所示。當(dāng)正弦分布的電樞磁動(dòng)勢作用在直軸上時(shí)，由于λd較大，故在一定大小的磁動(dòng)勢下，直軸基波磁場的幅值Bad1相對較大。一、雙反應(yīng)理論6.4凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程和相量圖第21頁,共64頁，2024年2月25日，星期天不考慮磁飽和時(shí)同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)物理量的關(guān)系：二、凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程和相量圖6.4凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程和相量圖第22頁,共64頁，2024年2月25日，星期天

從氣隙電動(dòng)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(jī)慣例，電樞的電壓方程為：，6-9不計(jì)磁飽和時(shí)第23頁,共64頁，2024年2月25日，星期天

和可以用相應(yīng)的負(fù)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，2024年2月25日，星期天

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(yùn)行時(shí)電樞漏磁和直軸或交軸電樞反應(yīng)的一個(gè)綜合參數(shù)。上式就是凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程。圖6-19表示與上式相對應(yīng)的相量圖。引入虛擬電動(dòng)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(jī)的等效電路，如圖6-21所示。第25頁,共64頁，2024年2月25日，星期天三、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(dǎo)成正比，所以如圖6-22所示。對于凸極電機(jī)，由于直軸下的氣隙較交軸下小，>，所以Xad>Xaq，因此在凸極同步電機(jī)中，Xd>Xq。對于隱極電機(jī)，由于氣隙是均勻的，故Xd≈Xq≈Xs

例題返回第26頁,共64頁，2024年2月25日，星期天6.5同步發(fā)電機(jī)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(lì)磁損耗由另外的直流電源供給，則發(fā)電機(jī)軸上輸入的機(jī)械功率Pl扣除機(jī)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(yīng)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

(6-14)再從電磁功率Pe中減去電樞銅耗可得電樞端點(diǎn)輸出的電功率P2；即

(6-15)第27頁,共64頁，2024年2月25日，星期天

電磁功率

從式(6—15)可知，電磁功率Pe為由圖6—23可見故同步電機(jī)的電磁功率亦可寫成上式的第一部分與感應(yīng)電機(jī)的電磁功率表達(dá)式相同，第二部分則是同步電機(jī)常用的。對于隱極同步電機(jī)，由于EQ＝E0，故有第28頁,共64頁，2024年2月25日，星期天二、轉(zhuǎn)矩方程

把功率方程(6—14)除以同步角速度，可得轉(zhuǎn)矩方程

式中，T1為原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩,Te為電磁轉(zhuǎn)矩,T0為空載轉(zhuǎn)矩，分別為：(6—18)返回第29頁,共64頁，2024年2月25日，星期天6.6同步電機(jī)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(yàn)測出。試驗(yàn)時(shí)，電樞開路(空載)，用原動(dòng)機(jī)把被試同步電機(jī)拖動(dòng)到同步轉(zhuǎn)速，改變勵(lì)磁電流If，并記取相應(yīng)的電樞端電壓U0(空載時(shí)即等于E0，直到U0≈1.25UN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(yàn)測得，試驗(yàn)線路如圖6-24a所示。將被試同步電機(jī)的電樞端點(diǎn)三相短路，用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)被試電機(jī)到同步轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)勵(lì)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6—24b所示。第30頁,共64頁，2024年2月25日，星期天

短路時(shí)，，故，，而

所以

因?yàn)槎搪吩囼?yàn)時(shí)磁路為不飽和，所以這里的E0(每相值)應(yīng)從氣隙線上查出，如圖6—25所示，求出的Xd值為不飽和值。

(6—19)(6—20)第31頁,共64頁，2024年2月25日，星期天

Xd的飽和值與主磁路的飽和情況有關(guān)。主磁路的飽和程度取決于實(shí)際運(yùn)行時(shí)作用在主磁路上的合成磁動(dòng)勢，因而取決于相應(yīng)的氣隙電動(dòng)勢；如果不計(jì)漏阻抗壓降，則可近似認(rèn)為取決于電樞的端電壓，所以通常用對應(yīng)于額定電壓時(shí)的Xd值作為其飽和值。為此，從空載曲線上查出對應(yīng)于額定端電壓UN時(shí)的勵(lì)磁電流If0，再從短路特性上查出與該勵(lì)磁電流相應(yīng)的短路電流，如圖6—26所示，這樣即可求出Xd(飽和)例題返回第32頁,共64頁，2024年2月25日，星期天6.7同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性一、同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)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(jī)的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速，且勵(lì)磁電流和負(fù)載功率因數(shù)不變時(shí)，發(fā)電機(jī)的端電壓與電樞電流之間的關(guān)系：即n＝nS，If=常值，cosφ=常值時(shí)，U=f(I)。

圖6—30

表示帶有不同功率因數(shù)的負(fù)載時(shí)，同步發(fā)電機(jī)的外特性。第33頁,共64頁，2024年2月25日，星期天

調(diào)整特性——調(diào)整特性表示發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速、端電壓為額定電壓、負(fù)載的功率因數(shù)不變時(shí)，勵(lì)磁電流與電樞電流之間的關(guān)系；即n＝nS，U=UNΦ，cosφ=常值時(shí)，If=f(I)。

圖6—31表示帶有不同功率因數(shù)的負(fù)載時(shí)，同步發(fā)電機(jī)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(shí)，發(fā)電機(jī)的效率與輸出功率的關(guān)系；即n＝nS，U=UNΦ，cosφ=cosφN時(shí)，η=f(P2)。

返回第34頁,共64頁，2024年2月25日，星期天同步電機(jī)的空載磁路返回第35頁,共64頁，2024年2月25日，星期天同步電機(jī)的空載特性返回第36頁,共64頁，2024年2月25日，星期天雙反應(yīng)理論第37頁,共64頁，2024年2月25日，星期天圖6—18雙反應(yīng)理論雙反應(yīng)理論第38頁,共64頁，2024年2月25日，星期天圖6—18雙反應(yīng)理論返回雙反應(yīng)理論第39頁,共64頁，2024年2月25日，星期天隱極同步發(fā)電機(jī)的向量圖返回第40頁,共64頁，2024年2月25日，星期天隱極同步發(fā)電機(jī)的向量（圖b）返回第41頁,共64頁，2024年2月25日，星期天隱極同步發(fā)電機(jī)的等效電路返回第42頁,共64頁，2024年2月25日，星期天電動(dòng)勢-磁動(dòng)勢圖返回第43頁,共64頁，2024年2月25日，星期天由合成磁動(dòng)勢F確定氣隙電動(dòng)勢E空載曲線返回第44頁,共64頁，2024年2月25日，星期天凸極同步發(fā)電機(jī)的向量圖返回第45頁,共64頁，2024年2月25日，星期天角的確定返回第46頁,共64頁，2024年2月25日，星期天凸極同步發(fā)電機(jī)的等效電路圖返回第47頁,共64頁，2024年2月25日，星期天凸極同步電機(jī)電樞反磁通及所經(jīng)磁路及磁導(dǎo)返回直軸電樞磁導(dǎo)交軸電樞磁導(dǎo)第48頁,共64頁，2024年2月25日，星期天從向量圖導(dǎo)出返回第49頁,共64頁，2024年2月25日，星期天短路實(shí)驗(yàn)接線圖返回第50頁,共64頁，2024年2月25日，星期天短路特性返回第51頁,共64頁，2024年2月25日，星期天用空載和短路特性來確定返回第52頁,共64頁，2024年2月25日，星期天

(飽和)的確定返回第53頁,共64頁，2024年2月25日，星期天同步發(fā)電機(jī)的外特性cosΦ=0.8滯后cosΦ=1cosΦ=0.8超前返回第54頁,共64頁，2024年2月25日，星期天圖6—31同步發(fā)電機(jī)的調(diào)整特性cosΦ=0.8滯后cosΦ=1cosΦ=0.8超前返回第55頁,共64頁，2024年2月25日，星期天旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機(jī)的類型NS+隱極式返回第56頁,共64頁，2024年2月25日，星期天NSNS+凸極式返回第57頁,共64頁，2024年2月25日，星期天帶副勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)GG副勵(lì)磁機(jī)主勵(lì)磁機(jī)同步發(fā)電機(jī)返回第58頁,共64頁，2024年2月25日，星期天靜止整流器勵(lì)磁系統(tǒng)交流副勵(lì)磁機(jī)交流主勵(lì)磁機(jī)不可控整流起器電壓調(diào)整器主發(fā)電機(jī)電壓互感器電流互感器可控整流起器自勵(lì)恒壓器返回第59頁,共64頁，2024年2