第六章 同步电机的稳态分析

第六章同步电机的稳态分析同步电机亦是一种常用的交流电机。与感应电机相比较，同步电机的特点是转子的转速n与电网频率f之间具有固定不变的关系，即pfnns/60（单位为转/分），转速sn称为同步转速。若电网的频率不变，则同步电机的转速恒为常值与负载的大小无关。从原理上看，同步电机即可用作为发电机，亦可用作为电动机或补偿机。现代发电站中的交流发电机几乎全部都是同步发电机。在工矿企业和电力系统中，同步电动机和补偿机用的也不少。本章先简要地介绍同步电机的结构，然后说明空载和负载时同步发电机内的电磁过程，并导出其基本方程。再进一步讨论同步发电机的运行特性、并联运行及同步电动机和同步补偿机，最后分析同步发电机的不对称运行和特种同步电动机。6.1同步电机的基本结构和运行状态先说明同步电机的基本结构和运行状态，并简要介绍同步电机的励磁方式和额定值。一、同步电机的基本结构按照结构型式，同步电机可以分为旋转电枢式和旋转磁极式两类。前者的电枢装设在转子上，主磁极装设在定子上。这种结构在小容量同步电机中得到一定的应用。对于高压、大容量的同步电机，长期的制造和运行经验表明，采用旋转磁极式结构比较合理。由于历次部分的容量和电压常较电枢小的多，把电枢装设在定子上，主磁极装设在转子上，电刷和集电环的负载就大为减轻。工作条件得以改善。所以目前旋转磁极式结构已成为中、大型同步电机的基本结构形式。在旋转磁极式电机中，按照转子主级的形状，同步电机又可分为隐极式和凸极式两种基本型式。如图6-1所示。隐极式转子做成圆柱形，气隙均匀；凸极式转子有明显的凸出的磁极，气隙不均匀。对于高速的同步电机（3000r/min），从转子机械强度和妥善地固定励磁绕组考虑，采用励磁绕组分布于转子表面槽内的隐极式结构较为可靠。对于低速电机（1000r/min及以下），由于转子的圆周速度较低、离心力较小，故采用制造简单，励磁绕组集中安放的凸极式结构较为合理。大型同步发电机通常用汽轮机或水轮机作为原动机来拖动，前者称为汽轮发电机，后者称为水轮发电机。由于汽轮机是一种高速原动机，所以汽轮发电机一般采用隐极式结构。水轮机则是一种低速原动机，所以水轮发电机一般都是凸极式结构。同步电动机、由内燃机拖动的同步发电机以及同步补偿机，大多做成凸极式，少数二极的高速同步电动机亦有做成隐极式的。隐极同步电机：以汽轮发电机为例来说明隐极同步电机的结构。现代的汽轮发电机一般都是二极的，同步转速为3000或3000r/min（对于60Hz的电机）。这是因为提高转速可以提高汽轮机的运行效率，减小机组的尺寸、降低机组的造价。由于转速高，所以汽轮发电机的直径较小，长度较长。现代汽轮发电机的转子本体长度与直径之比6~2/22Dl，容量越大，此比值亦越大。汽轮发电机均为卧式结构，图6-2表示一台汽轮发电机的外形图。汽轮发电机的定子由定子铁心、定子绕组、机座、端盖等部件组成。定子铁心一般用厚0.5mm的DR360硅钢片叠成，每叠厚度为3~6cm，叠与叠之间留有0.8~1cm的通风槽。整个铁心用非磁性压板压紧，固定在定子机座上。从机械应力和发热这两方面来看，汽轮发电机中最吃紧的部件是转子。大容量汽轮发电机的转子周速可达170~180m/s。由于周速高，转子的某些部件将受到极大的机械应力。因此，现代汽轮发电机的转子一般都用整块的具有良好导磁性的高强度合金钢锻成。沿转子表面约2/3部分铣有轴向凹槽，励磁绕组就分布、嵌放在这些槽里。不开槽的部份组成一个“大齿”，大齿的中心线即为转子主磁极的中心线。嵌线部分和大齿构成了发电机的主磁极（图6-1a）。为把励磁绕组可靠地固定在转子上，转子槽锲采用非磁性的金属槽锲，端部套上用高强度非磁性钢锻成的护环。图6-3表示一台嵌完线的汽轮发电机的转子。由于汽轮发电机的机身比较细长，转子和电机中部的通风比较困难，所以良好的通风、冷却系统对汽轮发电机特别重要。通常，汽轮发电机的冷却系统比较复杂凸极同步电机：凸极同步电机通常分为卧式（横式）和立式两种结构。绝大部分同步电动机、同步补偿机和用内燃机或冲击式水轮机拖动的同步发电机都采用卧式结构。低速、大容量的水轮发电机和大型水泵电动机则采用立式结构。卧式同步电机的定子结构与感应电机基本相同，定子亦由机座、铁心和定子绕组等部件组成；转子则由主磁极、磁轭、励磁绕组、集电环和转轴等部件组成。图6-4表示一台已经装配好的凸极同步电动机的转子。大型水轮发电机通常都是立式结构。与隐极式电机相比较，由于它的转速低、极数多，要求转动惯量大，故其特点是直径大、长度短。在低速水轮发电机中，定子铁心的外径和长度之比lDa/可达5~7或更大。在立式水轮发电机中，整个机组转动部分的重量以及作用在水轮机转子上的水推力均由推理轴承支撑，并通过机架传递到地基上。按照推力轴承的位置，发电机又有悬式和伞式两种结构，如图6-5所示。悬式的推理轴承装在转子上面，整个转子悬吊着；伞式的推力轴承装在转子下面，状如伞形。伞式结构可以减少电机的轴向高度和厂房高度，从而可以节约电站建设投资，但机组的机械稳定性稍差，故主要用于低速水轮发电机中。当转速较高时，从减小振动和增加机械稳定性出发，以采用悬式为宜。图6-6表示一台大型水轮发电机的分瓣定子，图6-7表示水轮发电机的转子。除励磁绕组外，同步电机的转子还常装有阻尼绕组。阻尼绕组与笼型感应电机转子的笼形绕组结构相似，它由插入主极极靴槽中的铜条和两端的端环焊成一个闭合绕组。在同步发电机中，阻尼绕组起抑制转子机械振荡的作用；在同步电动机和补偿机中，主要作为起动绕组用。二、同步电机的运行状态当同步电机的定子（电枢）绕组中通过对称的三相电流时，定子将产生一个以同步转速推移的旋转磁场。在稳态情况下，同步电机的转速恒为同步转速。于是，定子旋转磁场恒与直流励磁的转子主极磁场保持相对静止，它们之间相互作用，产生电磁转矩，并进行能量转换。同步电机有三种运行状态：发电机、电动机和补偿机。发电机把机械能转换为电能，电动机把电能转换为机械能，补偿机中没有有功功率的转换，专门发出或吸收无功功率，调节电网的功率因数。分析表明，同步电机运行于哪一种状态主要取决于定、转子磁场或定子合成磁场与转子主磁场相对位置，定子合成磁场与主磁场之间的夹角称为功率角。以后可知，角是同步电机的一个基本变量。若转子主磁场超前于定子合成磁场0，此时转子上将受到一个与其旋转方向相反的制动性质的电磁转矩，如图6-8a所示。为使转子能以同步转速持续旋转，转子必须从原动机输入驱动转矩。此时转子输入机械功率、定子绕组向电网或负载输出电功率，电机作发电机运行。若转子主磁场与定子合成磁场的轴线重合，0，此时电磁转矩为零。如图6-8b所示。此时电机内没有有功功率的转换，电机处于补偿机状态或空载状态。若转子主磁场滞后于定子合成磁场，则转子上将受到一个与其转向相同的驱动性质的电磁转矩，如图6-8c所示。此时定子从电网吸收电功率，转子可拖动负载而输出机械功率，电机作为电动机运行。三、同步电机的励磁方式供给同步电机励磁的装置，称为励磁系统。为保证同步电机的正常运行，励磁系统应满足以下要求：1、能够稳定地提供同步电机从空载到满载以及过载时所需要的励磁电流；2、当电力系统发生故障而使电网电压下降时，励磁系统应能快速强行励磁，以提高系统稳定性。3、当同步电机内部发生短路故障时，为迅速排除故障并使故障局限在最小范围内，应能快速灭磁；4、励磁系统应能长期可靠地运行，维护要方便，且力求简单、经济。目前，采用的励磁系统可分为两类：一类是用直流发电机作为励磁电源的直流励磁机励磁系统；另一类是通过整流装置将交流变成直流后供给励磁的整流器励磁系统。现分述如下。直流励磁机励磁：直流励磁机通常与同步发电机同轴，并采用并励接法。有时为了提高励磁系统的反应速度，并使励磁机在较低电压下也能稳定运行，直流励磁机也有采用他励的。如图6-9所示。此时励磁机的励磁由另一台与主励磁机同轴的副励磁机供给。为使同步发电机的输出电压保持恒定，常在励磁电流中加入一个反应发电机负载电流的反馈分量；当负载增加时，使励磁电流相应地增大，已补偿电枢反应和漏抗压降的作用，这样的系统称为复式励磁系统。静止整流器励磁：静止整流器励磁又分为他励式和自励式两种。他励式静止整流器励磁系统的工作原理如图6-10所示。图中交流主励磁机是一台与同步发电机同轴连接的三相同步发电机（其频率通常是100Hz）。主励磁机的交流输出经静止的三相桥式不可控整流器整流后，通过集电环接到主发电机的励磁绕组，以供给其直流励磁，而主励磁机的励磁电流则由交流副励磁机发出的交流电经静止的可控整流器整流后供给。交流副励磁机也与主同步发电机同轴连接，它是一台中频三相同步发电机（有时采用永磁发电机）。副励磁机的励磁，开始时由外部直流电源供给，待电压建立后再转为自励。自动电压调整器根据主发电机端电压的偏差，对交流主励磁机的励磁进行调节，从而实现对主发电机励磁的自动调节。这种励磁系统运行、维护方便，由于取消了直流励磁机，使励磁容量得以提高，因而在大容量的汽轮发电机中获得广泛应用。自励式系统没有旋转的励磁机，励磁功率是从主发电机发出的功率中取得。空载时，同步发电机的励磁由输出的交流电压经励磁变压器和三相桥式半控整流装置整流后供给；负载时，发电机的励磁除由半控桥供给外，还由复励变流器经三相桥式硅整流装置整流后共同供给。这种励磁系统便于维护，电压稳定性较高，动态性能好，目前，在中、小型同步发电机中已经采用。旋转整流器励磁：实践表明，当励磁电流超过2000A时，可引起集电环的严重过热；此时可采用取消集电环装置的旋转整流器励磁系统，其原理图如图6-11所示。系统中的交流主励磁机是与主发电机同轴连接的旋转电枢式三相同步发电机，旋转电枢的交流输出经与主轴一同旋转的不可控整流器整流后，直接送到汽轮发电机的转子励磁绕组，以供给其励磁。因为交流主励磁机的电枢、整流装置与主发电机的励磁绕组均装设在同一旋转体上（图6-11中用点划线框出），不再需要集电环和电刷装置，所以这种系统又称为无刷励磁系统。交流主励磁机的励磁，由同轴的交流副励磁机经静止的可控整流器整流后供给。发电机的励磁由电压调整器自动调节。由于取消了电刷和集电环，所以这种励磁方式的运行比较可靠，尤其适合于要求防燃、防爆的特殊场合。缺点是发电机励磁回路的灭磁时间常数较大，这对迅速消除主发电机的内部故障是不利的。这种励磁系统大多用于大、中容量的汽轮发电机、补偿机以及在特殊环境中工作的同步发电机。在小型同步发电机中，还经常采用具有结构简单和具有自利恒压等特点的三次谐波励磁、电抗移相励磁或感应励磁等励磁方式。四、额定值同步电机的额定值与：1、额定容量NS（或额定功率NP）：指额定运行时电机的输出功率。同步发电机的额定容量即可用视在功率表示，亦可用有功功率表示；同步电动机的额定功率是指轴上输出的机械功率，补偿机则用无功功率表示2、额定电压NU：指额定运行时定子的线电压3、额定电流NI：指额定运行时定子的线电流4、额定功率因数Ncos：指额定运行时电机的功率因数5、额定频率Nf：指额定运行时电枢的频率6、额定转速Nn：指额定运行时电机的转速，对同步电机而言，即为同步转速。除上述额定值外，铭牌上还常常列出一些其他的运行数据，例如额定负载时的温升N，额定励磁电流和电压fNI、fNU等。6.2空载和负载时同步发电机的磁场一、空载运行同步发电机被原动机拖动以同步转速旋转，励磁绕组通入直流励磁电流，电枢绕组开路或电枢电流为零的情况，称为同步发电机的空载运行。空载运行时，由于电枢电流为零，同步电机内仅有由励磁电流所建立的主极磁场。图6-12表示一台四极同步电机空载时，电机内的磁通示意图。从图可见，主极磁通分成主磁通0和主极漏磁通f两部分，前者通过气隙并与定子绕组相交链，能在定子绕组中感应三相交流电动势；后者不通过气隙，仅与励磁绕组相交链。主磁通所经过的路径称为主磁路。从图可见，主磁路包括空气隙、电枢齿、电枢轭、磁极极身和转子轭五部分。当转子以同步转速旋转时，主磁场就在气隙中形成一个旋转磁场，它切割