CH16 同步发电机的基本电磁关系

1昆明石林第四篇同步电机2概述同步电机：交流旋转电机。用途：主要作发电机用，也可作电动机带动具有恒速要求的机械，还可作调相机，向电力系统发出无功功率，用于改善电力系统的功率因数及调整电网电压。现代发电厂中所发出的交流电能几乎全部是同步发电机发出，尽管目前有其他发电型式，如磁流体发电，太阳能发电等，但电力系统中仍是同步发电机占绝对优势。3•同步电机指电机转子的转速n与旋转磁场转速n1相同的交流电机。•同步电机的转速：n=60f1/Pf1--电网频率•本章主要介绍同步电机的结构、分析方法、运行特性和它的各种参数。概述4第十六章同步发电机的基本电磁关系西安交通大学图书馆5•同步发电机基本工作原理：导体切割磁力线感应电动势。•转子：转动的部分，转子上有磁极和励磁绕组，产生磁场。•定子（又叫电枢）：固定的部分，定子铁心上有齿和槽，槽内设置有绕组，是切割磁场的导体。•气隙：定转子之间有气隙。同步电机的基本工作原理6•定子：有三相定子绕组，每相结构完全相同，它们在空间上互差120°电角度，对称分布放置在定子铁心槽内。•转子：有p对磁极，磁极上有直流励磁绕组，当直流电流通过电刷和滑环流入转子绕组后，产生主磁通，主磁通由N极经气隙，定子铁心，再经气隙进入S极，构成主磁路。同步电机的基本工作原理7励磁绕组外接产生恒原动机拖动恒定直流电源定磁场转子旋转(n1)转子磁场切割定定子绕组感应以n1旋转子绕组三相对称的电势三相电势相位互差1200。N1S1S2N2X1X2A2A1n1同步电机的基本工作原理动画8定子外接负载，形成回路，有三相电流。•机械能转化为电能同步电机的基本工作原理)120sin(tEemOBtEemOAsin）（240sintEemOC三相电势的大小为：9交流电势频率f的确定当转子为1对磁极时，转子旋转一周，定子绕组中感应电势变化一个周期；当同步发电机有p对极时，转子旋转一周，感应电势交变p个周期。当转子转速为每分n转时，交变电势频率为：min/60rnpnf转子转速，同步电机的基本工作原理10交流电势频率f的确定min/60rnpnf转子转速，结论：同步发电机定子绕组感应电势的频率取决于它的极对数p和转子的转速n。同步发电机极对数一定时，转速与电枢电势的频率有严格对应关系。当电力系统频率f一定，发电机转速为恒定值，这是同步发电机的主要特点。pfn/60同步电机的基本工作原理11结论：我国标准工频为50Hz，所以同步发电机的极对数和转速成反比，为：np3000汽轮发电机转速较高，极对数较少，如转速n=3000r/min，则极对数p=1。水轮发电机转速较低，极对数较多，如转速n=125r/min，则极对数p=24。同步电机的基本工作原理12同步电机的基本结构结构特点：旋转磁极式，即电枢固定，磁场旋转。按转子磁极形状可分为：隐极式—汽轮发电机常用，转速较高；凸极式—水轮发电机常用，转速较低。13同步电机的基本结构1—定子2—凸极式转子凸极式电机结构特点：气隙不均匀，极弧底下气隙较小，极间部分较大。14同步电机的基本结构隐极式结构特点：转子上没有凸出的磁极，气隙均匀，转子呈圆柱形。1—定子3—隐极式转子15同步电机的基本结构1—定子2—凸极式转子3—隐极式转子16•定子：铁心，绕组。•转子：凸极式隐极式•气隙：比异步电机大。同步电机的基本结构特点17隐极式同步发电机的基本结构用途：多用于汽轮发电机，一般为两极，转速为3000r/min。体积和造价运行效率发电机转速容量一定，电机长度转子直径发电机转速一般汽轮发电机转子长度L和定子内径D之比为2-6.5。18隐极式同步发电机的基本结构定子(又叫电枢)组成：定子铁芯电枢三相绕组机座和端盖19隐极式同步发电机的基本结构定子铁心由0.35mm,0.5mm或其它厚度的电工钢片叠成。各段叠片间有宽约10mm的通风槽，以改善定子铁心散热。定子外径较小时，采用圆形冲片，当定子外径大于1m时，采用扇形冲片，目的是减少漏磁，防止涡流引起过热。定子铁心两端用非磁性材料压板将其压紧，将整个铁心固定在定子机座上。沿定子铁心内圆表面的槽内放置三相定子绕组。定子铁心20隐极式同步发电机的基本结构汽轮发电机的电压较高，要求定子绕组有足够的绝缘强度，一般采用B级或F级绝缘。定子绕组一般采用双层三相对称绕组。为便于绕组下线．定子槽采用矩形开口槽，定子绕组放入槽中后，槽口用槽楔封住，槽楔常用绝缘材料(如玻璃布板)做成。大型电机定子电流极大，要求绕组导线有较大的截面积。为减小导体集肤效应带来的附加损耗，定子绕组常由多股截面15平方毫米以下的扁铜线并绕而成，且沿槽长进行适当的换位，使绕组的有效部分，有时甚至连同绕组的端接部分，成为编织形。21隐极式同步发电机的基本结构机座用于固定铁芯，常由钢板焊接而成。有足够的强度和刚度。满足通风散热的需要。铁芯一般固定在机座内圆的筋上，铁芯外圆与机座壁间留有空间作为通风道。大型电机中，当电磁负荷增大，由于定、转于间的磁拉力，定子铁芯会产生很大的双倍频率的振动。为防止这种振动传到机座，引起厂房基础同其他设施发生危险的共振，常在铁芯和机座间采用弹性联接的隔振结构。22隐极式同步发电机的基本结构转子组成转子铁芯励磁绕组阻尼绕组紧固件风扇23隐极式同步发电机的基本结构良好的导磁性。能承受很大的离心力作用。隐极式转子铁心与转轴锻造成一体，一般用具有高强度和导磁性能良好的合金钢制成。隐极式转子铁心外圆表面铣槽，槽内放置直流励磁绕组。转子表面约占圆周长的1/3不开槽，称为大齿，即主磁极。转子铁心24隐极式同步发电机的基本结构由矩形绝缘扁铜线绕成同心式线圈，两线圈边分别放在大齿两侧所开的槽内，所有线圈串联。励磁绕组构成电机直流回路，通过电刷与外电路连接。各线圈匝间有绝缘，对地也有绝缘。励磁绕组25隐极式同步发电机的基本结构一种短路绕组，大型电机有。由放在槽楔下的铜条和转子两端铜环焊接成闭合回路。作用：在同步发电机短路或不对称运行时，利用其感应电流来削弱负序旋转磁场作用；发电机振荡时起阻尼作用，使振荡衰减。阻尼绕组26隐极式同步发电机的基本结构紧固件：护环和中心环，可靠固定绕组。滑环：引入直流电流到励磁绕组。风扇：汽轮发电机转子细长，通风较困难，在转子两端有轴流式或离心式风扇，以改善冷却条件。27凸极式同步发电机的基本结构用途：多用于水轮发电机。容量一定，电机长度转子直径水轮机转速一般水轮发电机转子长度L和定子内径D之比为0.125-0.07。28凸极式同步发电机的基本结构转子定子机架推力轴承29凸极式同步发电机的基本结构机座定子铁心定子绕组定子30凸极式同步发电机的基本结构支撑定子铁心,轴承,端盖等,并构成冷却风路。机座与汽发基本相同。定子铁心水轮机极数较多,定子绕组多采用波绕组,节省极间连线。定子绕组31凸极式同步发电机的基本结构转轴转子支架磁轭磁极转子32凸极式同步发电机的基本结构大中型电机采用空心,高强度钢锻造而成。转轴1-1.5mm钢板冲片叠成。磁极采用绝缘扁铜线绕制,套装在极上。励磁绕组33凸极式同步发电机的基本结构装在极靴部位,减少并联运行时转子振荡的振幅,中小容量电机磁极铁心是整体的,一般无阻尼绕组。阻尼绕组磁轭是磁路的一部分，磁极固定在其圆柱表面，磁轭和转子间用支架支撑。磁轭与支架34凸极式同步发电机的基本结构导轴承：约束轴线位移和防止轴摆动，承受径向力。推力轴承：承受转动部分全部重量及轴向水推力，水轮机关键部件。轴承35•额定容量SN或额定功率PN额定容量SN：发电机在额定运行时出线端的额定视在功率，一般用KW（KVA）或MW（MVA）表示。额定功率PN：指发电机在额定运行时输出的额定有功功率，用KW或MW为单位。对同步调相机，用出线端的额定无功功率表示，Kvar或Mvar表示同步电机的铭牌36•额定电流IN：额定运行时流过三相定子绕组的线电流，A或KA。•额定电压UN：额定运行时三相定子绕组的线电压，V或KV。•额定功率因数（cosN）额定有功功率和视在功率的比值。同步电机的铭牌NNNSPCOS37•额定效率N电机额定运行的效率。•额定频率fN：fN=50Hz。•额定转速nN：额定运行时电机转速。同步电机的铭牌38空载运行：同步发电机转子被原动机拖动至同步速度，励磁绕组中通入直流电流，定子绕组开路时的运行状态为空载运行，此时气隙中的磁场仅有直流励磁电流产生的励磁磁场，称为空载磁场或主磁场。主磁通：同时与定、转子交链的磁通为主磁通0。主极漏磁通：仅与转子励磁绕组交链的为主极漏磁通f。同步电机的空载运行空载磁场39主磁路(0的路径)：主磁通所经过的路径。主磁路路径：主极铁心→气隙→电枢齿→电枢磁轭→电枢齿→气隙→另一主极铁心→转子磁轭，形成闭合回路。同步电机的空载运行漏磁路：主要由空气和非磁性材料组成。主磁路磁阻较漏磁路磁阻小，主磁通远远大于漏磁通。40原动机拖动转子以n1速度转动，0切割定子绕组，在定子中感应电势E0。0：磁极的基波每极磁通。：每相定子绕组串联匝数。同步电机的空载特性01044.4wKfE感应电势有效值：601Pnf感应电势频率：41空载特性：电势与励磁电流之间的关系曲线)(0fIfE同步电机的空载特性空载时：定子电流为零，电枢电压等于空载电势。fIE000,0EUI2If(Ff)abc1ngd0Ff0F)(00E空载特性也表示主磁通和励磁磁势之间的关系，即电机的磁化曲线。00EffIF42电机设计时，既要充分利用铁磁材料，也要考虑不会过饱和而增加励磁磁势，从而增加电机用铜量，一般将发电机的空载额定电压设计于弯曲部分C点。abc12ngd0If(Ff)Ff0F同步电机的空载特性)(00E磁通较小时：磁路不饱和，磁化曲线近似直线。磁通较大时：磁路饱和，所消耗的磁势大。43饱和系数KsFefFFbcabacF0不计饱和时产生oa电压所需磁势，称为气隙磁势。F将空载特性的直线部分延长得到线段2，称为气隙线。0E()0abc12ngd0If(Ff)Ff0F同步电机的空载特性设oa代表额定电压，则ac为产生额定电压所需磁势:44dn：不计饱和时，磁场所能产生的电势大小。)25.1~1.1(0sfsKdcdnabacFFK0fF0E0abc1ngd0If(Ff)Ff0F饱和系数Ks同步电机的空载特性：由于饱和，使得产生oa电压的磁势增大的部分，是用来克服铁心磁阻所需磁势，且铁心越饱和所需的磁势越大。当时，总磁势和气隙磁势之比为电机磁路的饱和系数KsFeFNUE00fFF450E0abc1ngd0If(Ff)Ff0F电机运行于曲线刚好弯曲处：可充分利用材料；不会过分饱和。，成本用铜量导体匝数导体截面饱和fffffIIF同步电机的空载特性46不同电机用标么值画出的空载特性相差不大，可认为有一条标准的曲线。利用空载曲线：可检查励磁系统工作情况、电枢绕阻联接是否正确。同步电机的空载特性空载曲线可用标么值来表示用标准曲线比较实际电机的试验数据，可看到电机的磁路饱和情况、铁心质量及材料利用情况。47对空载电势的要求同步电机的空载特性三相对称频率恒定波形接近正弦有一定幅值以上要求标志发电机输出电能的质量。48对发电机电势波形的要求用电压波形正弦畸变率表示300KVA以上发电机，畸变率不超过5%；10-300KVA的发电机，畸变率小于10%。电势波形畸变严重，对发电机本身和由它所供电的电动机都有不利影响，如损耗增加，效率降低等。)%100(22423221nUUUUUUK49对称负载时的电枢反应同步发电机空载：气隙中只有转子的励磁磁势产生的主极磁场。励磁绕组外接产生恒原动机拖动恒定直流电源定磁场转子旋转(n1)转子磁场以n1旋转同步发电机空载：50对称负载时的电枢反应同步发电机负载：励磁绕组外接产生恒原动机拖动恒定直流电源定磁场转子旋转(n1)转子磁场切割定定子绕组感应以n1旋转子绕组三