07年电机学复习

07年电机学复习四川大学电气信息学院曾成碧2007年12月直流电机部分直流发电机的工作原理:1.电枢线圈内电势、电流方向是交流电；2.电刷间为直流电势。线圈中感应电势与电流方向一致；3.从空间看，电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不变的磁场；4.产生的电磁转矩T与转子转向相反，是制动性质直流电动机的工作原理:1.外施电压、电流是直流，电枢线圈内电流是交流；2.线圈中感应电势与电流方向相反；3.线圈是旋转的，电枢电流是交变的。电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不变的；4.产生的电磁转矩T与转子转向相同，是驱动性质空载时直流电机的磁场由磁极的直流励磁电流产生，空气隙磁场不随时间变化，是恒定磁场；空间上，忽略极面下的齿槽效应，沿极面均匀分布。整个磁极下磁密分布为接近于矩形的平顶波直流电机负载时电枢磁场一、电刷在几何中线上时的电枢磁势直流电机的电枢磁势为幅值固定的空间分布波：交轴电枢磁势。交轴电枢磁势分布趋近于三角形波二、电刷不在几何中性线上电枢磁势包括交轴电枢磁势和直轴电枢磁直流电机的电枢反应什么叫直流电机的电枢反应？电枢反应类型有哪些？电枢反应的性质由什么决定?(与同步电机比较)负载时电枢磁势对主磁场的影响叫电枢反应交轴电枢反应，直轴去磁和助磁电枢反应一、电刷在几何中性线上的交轴电枢反应使气隙磁场畸变，每一极下主磁场的一半被加强，一半被削弱；不饱和时，每极磁通量不变；饱和时，每极磁通量会减小。二、电刷不在几何中性线上交轴电枢磁势产生的电枢反应与前面相同，直轴电枢反应起去磁或助磁作用。Fad：去磁或助磁交轴直轴交轴电枢反应对气隙磁场的影响：1.使气隙磁场发生畸变2.使物理中心线偏移几何中心线一个角度（对发电机：顺着旋转方向）3.磁路未饱和时，每极磁通不变4.如考虑磁路饱和的影响，则交轴电枢反应有去磁作用电枢绕组的感应电势（1）对一直流电机，不计饱和时，2）Ea仅与磁通的大小有关，与的具体分布无关，如的分布变化而总量不变，则变化的是各元件电势大小，而Ea不变nCEeanEEaa;afaEIE;直流电机的电磁转矩aTICTeTCaNPaPNC55.9602602一台制造好的电机，它的电磁转矩正比于每极磁通和电枢电流，与磁密分布无关。直流发电机的运行特性他励直流发电机的外特性UI0UNINU0U=aaeaaaRInCRIE端电压下降原因分析：考虑磁饱和效应，励磁电流一定情况下，负载电流增大，交轴电枢反应的去磁作用使每极磁通量减少，使电势减少；电枢回路上的电阻压降随负载电流增大而增加，使端电压下降。定义：当、时，发电机端电压与线路电流之间的关系NnnfNfII)(IfU定义)(,,IfICUUnnfNNIfI0INIfN调整特性由曲线可见，在负载电流变化时，若保持端电压不变，必须改变励磁电流，补偿电枢反应及电枢回路电阻压降对输出端电压的影响。他励发电机的调整特性并励发电机的运行特性并励发电机的自励条件:（1）发电机必须有剩磁（2）并联在电枢绕组两端的励磁绕组极性要正确，即所建立的励磁磁势要和剩磁方向相同（3）励磁回路的总电阻小于临界电阻直流电动机的运行原理转速特性：n0nU=C,n为IaRa及的函数，当P2输入电功率nnRIIIPaaaCIIafNf,,1去磁作用n变化小，实测n略为下降。影响电动机转速的两个因素：电枢回路的电阻压降电枢反应的去磁作用eaaCIRUnP2并励电动机运行时，励磁绕组绝对不允许开路。同步电机一、电枢反应1.什么叫电枢反应？电枢反应的性质有哪些？电枢反应的性质由什么决定？2.根据负载，利用时空相矢图判断电枢反应的性质当=90°时，产生去磁电枢反应，发电机端电压将降低；当=-90°时，产生助磁电枢反应，发电机端电压将升高；当=0°时，产生交磁电枢反应，发电机频率将降低；若要保持频率不变，应增加原动机输入。3.电枢反应电抗、同步电抗xxxasaaWx21定子绕组匝数增加，xs，励磁绕组匝数增加xs=C；饱和程度，xs。凸极同步电机由于气隙不均匀，有xd，xq之分同步发电机带对称负载时的运行特性1.对称负载时隐极同步发电机的方程式、相量图和等效电路图saXIjRIUE0UIXsRa0EIUIRaIXsj0E2.对称负载时凸极同步发电机的方程式、相量图和特殊运行情况时的等效电路图qqddaxIjxIjRIUE0特殊运行情况如：纯电感负载、纯电容负载、短路以及励磁电流为0时的等效电路、相量图和方程式UIxd0EIUaRIqXIjQEq轴dIqIqqXIjddXIj0E3.同步发电机的短路特性，同步电抗和短路比的求取I0INIfK（1）短路特性曲线I=f(If)因为短路时，短路电流仅受电机本身阻抗的限制，由于Raxs，所以，短路电流为纯电感电流，电枢反应为纯去磁作用，此时的气隙合成磁势很小，处于不饱和状态，磁路不饱和时：fIE0dxEI0fII所以短路特性为一直线。（2）短路比及短路比大小与运行性能、电机成本的关系空载电势等于额定电压时的励磁电流称空载额定励磁电流Ifo，在励磁电流为If0时做三相稳定短路试验测得的短路电流Ik，与额定电流IN之比叫短路比KcfkfNkCIIIIK0短路比又可定义成：空载时使空载电压为额定值的励磁电流If0与短路时使短路电流为额定值的励磁电流Ifk的比值。Kc小，Xd大，短路电流小，当负载变化时，(I变化时)，IXd阻抗压降变化大。发电机电压变化率大。稳定性差。但气隙小、造价低。Kc大，Xd小，气隙大，电机尺寸大。励磁磁势大，成本高。但电压变化率小，稳定性好。dsCXKK*（2）短路比及短路比大小与运行性能、电机成本的关系，励磁绕组匝数增加，励磁绕组导体截面增大fffffW,IIWF4.零功率因数负载特性：)(;cos;;1fNIfUconstIInnUIfIfQA0（1）由空载特性及零功率因数负载特性求Xd饱和值（2）空载特性及零功率因数特性曲线求定子漏电抗5.同步发电机的外特性UI0UNcos=0.8(滞后)cos=0.8(超前)cos=1IN•当cos=0.8(滞后)，随I↑，U↓，If=const，Ff=const;电枢反应去磁和漏阻抗压降↑•cos=1时，随I↑，U↓漏阻抗压降↑•当cos=0.8(超前)，随I↑，U↑If=const；Ff=const，电枢反应增磁%1000NNUUEu6.同步发电机的调整特性)(;cos;;1IfIconstUUnnfNIfI0U=UNcos=0.8(滞后)cos=0.8(超前)cos=1INIfN•cos=0.8(滞后)和cos=1，当I↑，电枢反应去磁作用↑，要保持U=const应使If↑•cos=0.8(超前)当I↑，电枢反应助磁作用↑，要保持U=const应使If↓7.转差法测xd及xqminmaxIUxdmaxminIUxq三、同步发电机与电网并联运行（一）并联投入的条件1.发电机的励磁电势应与电网电压相等即E0Ⅱ=U2Ⅱ=UI2.发电机的频率与电网频率相等fⅡ=fI3.并联合闸瞬间，发电机与电网的对应相的电压应同相位，亦即与发电机与电网回路电势为零4.相序相同5.电压波形相同（二）投入并联的方法（也称整步方法）及步骤1.准确同步法：准确同步法并网时无冲击电流，但很麻烦，对危急情况不适用。2.自同步法：用于事故状态下的并车。操作渐变迅速，不需增添设备，但冲击电流大。（三）同步发电机的功角特性1.隐极发电机的功角特性Pemδsin0semXUEmP0功角特性曲线电压降低或励磁电流增加曲线如何变化？电网故障使发电机并网机端电压降低，有功功角特性曲线如何变化？如果输出有功不变，如何变化？无功功率如何变化？稳定性有无变化？PemQPemδmUE0/Xs0δ1δ2U如图，蓝色曲线是电压降低後的有功功率曲线，输出有功不变，增大，发出的感性无功减小（向电网吸收容性无功减小），稳定性变差。维持稳定性不变可采取什么措施？并网运行的发电机，励磁电流增加曲线如何变化？如果输出有功不变，无功功率如何变化？稳定性有无变化？PemδmUE0/Xs0δ1δ2fIQ如图，绿色曲线是励磁电流增加後的有功功率曲线，输出有功不变，减小，发出的感性无功增加（向电网吸收容性无功增加），稳定性变好。正常励磁2.凸极同步发电机Pemδ0321ememdqdemPPXXmUXUEmP22sin)11(sin20123基本电磁功率（励磁功率）附加电磁功率（磁阻功率）总电磁功率功角的时空概念在时间上：端电压（U与E相位基本相同）和励磁磁势之间的相位差在空间上：合成磁场轴线与转子磁场轴线之间夹角。稳定运行时，Ff和F之间无相对运动，固定。功角为正值时，为发电机运行。1.P的调节功率调节：调节原动机的输出功率（改变汽门或水门大小）→有功功率输出变化→功角δ变化，无功功率Q也变化。（四）并网运行时同步发电机有功功率的调节及静态稳定2.静态稳定：定义：指并联在电网上稳定运行的同步发电机，当受电网或原动机方面某些微小扰动时，能在这种干扰消失后，继续保持原来稳定运行状态的能力。…………稳定运行…………不稳定运行…………极限位置0ddPem0ddPem0ddPem静态稳定的判据：比整步功率(kW/rad)0ddPPemsyn对汽轮发电机，比整步功率为cosxUEmddPPtemsyn0电机稳定的判断由此可见，要提高稳定性，可以使If↑，xs减小，减小。s在电机稳定区域内，Psyn越大，电机稳定性越好。（五）无功功率的调节及U形曲线无功功率调节：调节励磁电流If↑→功角δ↓→Q↑（有功功率P不变）。**调无功Q→δ变化→P不变；调有功P→δ变化→P改变，Q变化三种激磁方式：①正常激磁：φ=0，cosφ=1，Q=0，全部为有功；②过激磁：φ0，cosφ(滞后)，发出Q(感性)，If↑→Q(感性)↑；③欠励磁：φ0，cosφ(超前)，发出Q(容性)，If↓→Q(容性)↓；**结论：调无功也是提高系统稳定性的一个有效手段。U形曲线1.定义：并联于无穷大电网运行的同步发电机，输出有功功率为定值时，定子电流随激磁电流变化的规律，即：I=f(If)；2.曲线：IIf0欠励过励正常励磁领先滞后cos=1不稳定区Pem2Pem1Pem0发感性无功（吸收容性无功）发容性无功（吸收感性无功）曲线：分析：①曲线最低点的连线，即cosφ=1，向右倾斜；（为什么？）②不稳定区域，边缘连线向右倾斜；=900→不稳定区→失去同步;③过激→又称为迟相；欠激→进相；④励磁电流增大时，定子电流变化的规律。•调有功→改变原动机输入机械功率，调无功→调励磁•调原动机输入，使角变化→Q变化，静态稳定能力变化•稳定范围内P↑→Q↓，↑静态能力下降，必须相应调If;稳定性；变变调eMaxfeMaxfPQIPQI•调无功→只需调励磁，有功不变。有一台，，Y接法，（滞后）的水轮发电机，，，试求在额定负载下励磁电动势及角。kWPN725000kVUN5.1080.cosN0*aR1*dX5540.X*q解:8.0cosN87.3601*I87.361*UIUaRIqXIjQEq轴dIqIqqXIjddXIj0EaqIRUUIXtgcossin127.55822027551..sinsinII**d733482209027558220....I*d57027551..coscosII**q27.5557.0*qI*****0qqddXIjXIjUE544.0