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1《电机学(下)》同步电机复习提纲第二十章同步电机概述1.同步电机的定子——称电枢,电枢铁心嵌放三相对称绕组;转子——称主磁极,由直流电励磁,分为隐极式和凸极式【P193图20-2】;隐极转子:气隙均匀,多用于高速电机,如:汽轮发电机,通常极对数p=1,由于转速高,汽轮发电机直径较小、长度较长;凸极转子:气隙不均匀,多用于低速电机,如:水轮发电机均采用凸极式,特点是直径大、长度短;转子除励磁绕组外,还常装有与感应电机笼型绕组相似的闭合绕组,在发电机称为阻尼绕组,在电动机称为起动绕组。2.同步电机定子三相对称绕组通进三相对称电流产生的旋转磁场,与转子旋转磁极的转速恒为同步速sn,定、转子旋转磁场轴线之间的夹角为转矩角sr,通常认为sr【P195图20-6】——称为功率角,是转子磁场轴线超前于定、转子合成磁场轴线的夹角;当0,相当于转子磁极拖着定、转子合成旋转磁场转,转子输入的机械功率转变为定子输出的电功率——发电机运行状态;此时机械转矩为驱动转矩、电磁转矩为制动转矩;当0,相当于定、转子合成旋转磁场拖着转子磁极转,定子输入的电功率转变为转子输出的机械功率——电动机运行状态;此时电磁转矩为驱动转矩、机械转矩为制动转矩;当0,相当于转子与合成旋转磁场轴线重合,电机内没有有功功率转换——空载运行状态;电磁转矩为零。3.同步电机的励磁系统有:直流励磁机励磁、交流整流励磁、晶闸管自励恒压励磁等4.同步电机的额定值(铭牌数据):NU、NI——指电枢(定子)线电压、线电流;NS——发电机的额定容量,指三相视在功率;NP——指额定运行时的输出三相有功功率,故对发电机是电功率、对电动机是机械功率;∴3NNNSUI单位:VA、KVA发电机:3cosNNNNPUI电动机:3cosNNNNNPUI单位:KW同步电机的转子转速n与电枢电流频率f、电机极对数p存在严格不变的关系:60sfnnp——称为同步速,单位:/minr(转/分钟);我国电网频率50fHz,故:p=1,nS=3000r/min;p=2,nS=1500r/min;p=3,nS=1000r/min.......第二十一章同步发电机运行原理(一)同步发电机空载运行和负载时的电枢反应1.同步发电机空载运行——励磁绕组通入直流励磁电流fI,原动机拖动转子磁极以同步速nS旋转,定子电枢绕组开路。空载时只有fI建立的励磁磁势fF,产生空载磁通0,以nS速度切割定子三相对称绕组感生三相空载电势0E;2.同步发电机接上三相对称负载后,电枢三相对称绕组通过三相对称电流I,产生一个旋转磁势,称为电枢磁势2aF,aF的转速也为同步速nS;即aF、fF均与转子转速、转向相同,故不会在转子绕组感应电势。3..空载时气隙磁场中只有fF,负载时多了aF;因此:负载时电枢磁势aF对气隙磁场的影响——称为电枢反应4.电枢反应的性质与内功率因数角0有关,定义:0——电枢电流I落后于0E的夹角。直轴(d轴)——转子主磁极轴线,即fF的轴线;交轴(q轴)——与直轴正交的轴线;00时aF为交轴磁势,产生交轴电枢反应;交轴电枢反应的作用:使气隙磁场发生畸变,主极磁场超前于气隙合成磁场,电磁转矩为制动性质,原动机克服电磁转矩做功,机械能转变为电能。0090时aF为直轴磁势,产生直轴去磁电枢反应;作用:纯去磁。0090时aF为直轴磁势,产生直轴增磁电枢反应;作用:纯增磁。当0为任意角时,可把aF分解为一个交轴分量aqF和一个直轴分量adF,其中aqF产生交轴电枢反应,adF产生直轴电枢反应;因此:00900时电枢反应性质:交轴+直轴去磁;00090时电枢反应性质:交轴+直轴增磁;5.时-空统一相量图——把时间相量和空间相量合并在一起【P199图21-2】;时间相量:0E、I、0;空间相量:fF、aF在时-空统一相量图中:fF与0同相、aF与I同相;(二)同步发电机数学模型1.隐极发电机①电磁关系:定子aaaaIFEjIx系统EjIx转子00ffIFE采用发电机惯例,定子绕组的上述感应电势与定子端电压U平衡(忽略电枢绕组电阻aR):0aEEEU其中:aE——隐极机电枢反应电势;ax——隐极机电枢反应电抗,对应于电枢反应的作用;3E——漏磁通感生的漏电势;x——定子绕组漏电抗,对应于电枢漏磁场的作用;0E——转子主磁通在定子感生的励磁电势,对应于主磁场的作用;②电势方程(注:公式中所有电量均是相值):0()aaasEUEEUjIxjIxUjIxxUjIx其中:saxxx——隐极同步电机的同步电抗③相量图和等效电路如【p202图21-9】:其中:由于0E是转子磁场感生的;U可看成是定、转子合成磁场感生的,因此U与0E之间的夹角就是功率角【P208图21-18】;——功率角(0E超前于U的角度)0——内功率因数角(I落后于0E的角度);——功率因数角(I落后于U的角度);02.凸极发电机由于气隙不均匀,需采用“双反应理论”的分析方法;双反应理论——把电枢电流、电枢磁势、电枢反应电抗、同步电抗都分解为直轴(d轴)和交轴(q轴)分量分别进行计算,再把结果叠加起来。①电磁关系:定子dadadaddadIIFEjIx系统qaqaqaqqaqIFEjIxEjIx转子00ffIFE定子绕组的上述感应电势与定子端电压U平衡(忽略aR):0adaqEEEEU其中:dqIIIdI、adF、adE、adx——分别为直轴电流、直轴电枢磁势、直轴电枢反应电势、直轴电枢反应电抗;qI、aqF、aqE、aqx——分别为交轴电流、交轴电枢磁势、交轴电枢反应电势、交轴电枢反应电抗;②凸极发电机电势方程(注:公式中所有电量均是相值):0adaqEUEEEdadqaqUjIxjIxjIx4()()dadqaqUjIxxjIxxddqqUjIxjIx其中:dadxxx——凸极同步电机的直轴同步电抗;qaqxxx——凸极同步电机的交轴同步电抗;电抗的大小与磁导成正比,由于直轴气隙比交轴小故磁导比交轴大,所以dqxx;隐极机由于气隙均匀,相当于dqsxxx。上式变为:0()dsqsdqssEUjIxjIxUjIIxUjIx——隐极机电势方程;可见,隐极机可看成是凸极机当dqsxxx时的特例。③凸极机相量图如【P205图21-13、图21-14】:由于d轴就是励磁磁通0的方向,0E比0落后090,q轴与d轴垂直(正交),∴0E一定在q轴方向;∵相量dqIII,∴大小0sindII、0cosqII;④利用凸极机相量图可采用几何方法求0、、0E:由【P205图21-14】可见:忽略aR,过U的矢端作I的垂线与q轴相交;所组成的直角三角形中,0角的邻边长度为cosU、对边长度为sinqIxU;因此:0sinarctancosqIxUU;0由【P205图21-13】可见:忽略aR,0cosddEUIx其中:0sindII;⑤此外由图21-14可见,凸极机0的对边与q轴相交所组成的直角三角形,其斜边并不是0E而是QE,QqEUjIx称为虚拟电动势,与此方程对应的等效电路如【P206图21-15】;由图21-14:0()QddqEEjIxx;由于0E、QE、()ddqjIxx同相,故大小为:0()QddqEEIxx;且由该直角三角形可知,忽略aR:0coscosQUE对于隐极机:∵dqxx,∴0QEE;书上例题:p206例21-1;例1:一台凸极同步发电机,72500NPkW,10.5NUkV,Y接法,cos0.8N滞后,已知1.217dx50.674qx,忽略aR。试求额定负载下运行时发电机的0、dI、qI及0E线。解:725004983()3cos310.50.8NNNNNPIIAU310.5106062()33NNUUV1100sin49830.67460620.655.27cos60620.8NqNNNNIXUtgtgU0sin4983sin55.274095()dNIIA0cos4983cos55.272838.9()qNIIA∵cos0.8N,∴036.87N;000055.2736.8718.4N00cos6062cos18.440951.21710735.7()NddEUIxV003310735.718595()EEV线(三)同步发电机功率方程和转矩方程1.功率平衡方程(假设励磁损耗cufp由另外电源供给):①机械方面的功率平衡:10FeeePppPpP;其中:1P——由原动机输入的机械功率;eP——机械转变为电的那部分功率,称为电磁功率;0()Fepppp——空载损耗,它包括机械损耗p、铁耗Fep,有时还需考虑杂散损耗p;②电方面的功率平衡:2ecuaPpP;其中:2cuaapmIR——定子绕组铜耗;2cosPmUI——发出的电功率;常忽略aR,则:2ePP因此:20coscoseQPPmUImEI(隐极机0QEE)注:凡功率符号为大写P,凡损耗符号为小写p;2.转矩平衡方程把机械方面的功率平衡方程两边除以同步角速度S,可得同步发电机的转矩平衡方程:10eTTT6其中:11SPT————原动机输入的驱动机械转矩;00FeSSPppT————电机的空载损耗转矩;2eeSSPPT————制动性质的电磁转矩;其中:260SSn;单位:/rads(弧度/秒);转矩单位:N.m(牛顿.米);第二十二章同步发电机的特性同步发电机在对称负载下运行时,Snn=常数、cos常数。在可测量的fI、U、I三个量中,保持其中一个不变,另两者之间的关系即表示一种特性:0I不变、00()fUUEfI——空载特性;0U不变、()kfIIfI——短路特性;0I为常数不变、()fUfI——负载特性;其中cos0的负载特性称为零功率因数负载特性;fI常数不变、()UfI——外特性;NUU不变、()fIfI——调整特性;此外还有效率特性——2()fP1.空载特性——0()fEfI与磁化曲线0()ffF形状相似:【P209图22-1】当0较小时磁路未饱和,空载特性是直线,饱和后成为曲线;直线部分的延长线称为气隙线。通常额定相电压NphU点设计在空载特性的拐弯点;2.短路特性短路时0U,忽略aR发电机只剩内部同步电抗压降与0E平衡,故kI是纯感性的,∴0090,对隐极机:0sksEUjIxjIx;对凸极机:由于090,则cos0qkII,sindkkIII;∴0qqddkdEUjIxjIxjIx可见无论隐极、凸极机:0kEI7又由于0090时的电枢反应是直轴去磁的,即磁通较小电机不饱和,∴0fEI因此:kfII——短路特性是一条直线,【P209图22-2(b)】。且由于磁通较小、感应电势较小,故kI不大,所以同步发电机三相稳态短路没有危险。3.利用空载特性和短路特性可求sx、dx的不饱和值:【P211图22—6】由于短路时磁路不饱和,空载特性是直线即气隙线,短路特性也是一条直线;因此,在图中对应同一励磁电流fI,从空载特性气隙线上查0E、从短路特性上查kI;据0ksEjIx及0kdEjIx可知,0E与kI的比值就是sx、dx的不饱和值:0sdkExxI不饱和值、;4.sx、dx饱和值的近似求法【P212图22—7】:在空载特性饱和段取NphU点,对应于该点找同一励磁电流0fI下
本文标题:《电机学(下)》同步电机复习提纲
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