同步电机PPT

第六章同步电机•6.1同步电机的基本结构和运行状态•6.2同步发电机的空载运行•6.3同步发电机的负载运行•6.4同步发电机的功率方程和转矩方程•6.5同步发电机的运行特性•同步发电机与电网的并联运行•6.7同步发电机的三相突然短路同步电机的特点是稳态运行时转速n与电网频率f之间具有n=ns=60f/p的固定关系，与负载大小无关。同步电机主要用作发电机，现代水电站、热电厂和核电站的交流发电机组几乎全部都是同步发电机。6.1同步电机的基本结构和运行状态一、同步电机的基本结构三种应用同步发电机：主要应用为汽轮发电机和水轮发电机同步电动机：转速恒定、能调节功率因数同步调相机：用于提高功率因数同步电机旋转电枢式旋转磁极式隐极式（Salient-pole）凸极式（Cylindrical-Rotor）隐极机：气隙均匀、结构牢固，主要应用于汽轮发电机；凸极机：气隙不均匀、结构简单，主要应用于水轮发电机；300MW水氢冷发电机结构二、隐极同步发电机的结构隐极同步发电机主要用于汽轮发电机，由转子与定子组成。由于汽轮机的转速很高，故汽轮发电机的转子只有一对磁极，在额定转速每分钟3000转时输出50赫兹的三相交流电。由于大型汽轮发电机转速高，转子磁极表面线速度达150m/s以上，离心力很大，故转子直径不能过大，大型发电机转子都为细长型。一般转子的L/D=2.5~6.5,容量愈大，比值愈大。1、定子部分铁心：采用0.5mm厚的硅钢片叠压而成。作用是构成电机主磁路。绕组：采用多股导线整体成型。作用是产生电枢磁场并感应电枢电动势。国产200MW汽轮发电机定子2、转子部分转子铁芯与轴用高强度高磁导率的合金钢材整体制作，在转子铁芯部分有一些轴向与径向的孔隙，用来通风冷却。作用构成主磁路。转子励磁绕组由多个线圈组成，嵌放在转子铁芯的槽中，多个线圈串联起来组成转子绕组，作用通入直流电形成主极磁场。集电环3、冷却方式大型发电机产生的热量很大，必须有强有力的冷却措施，主要的冷却介质是氢气与水，也有用空气。冷却水管三、凸极同步发电机的结构凸极同步发电机主要用作水轮发电机，水轮机的转速都比较低，特别是立式水轮机，为了能发出50Hz的交流电，水轮发电机采用多对磁极结构。由于大型水轮发电机转速较低，为了避免水头变化引起转速的改变，保持较高的转动惯量，并减少立式结构厂房的高度，一般大型发电机转子都为粗扁型。一般转子的D/L=5~7,容量愈大，比值愈大。1、定子部分发电机定子铁芯由导磁良好的硅钢片叠成，在铁芯内圆均匀分布着许多槽，用来嵌放定子线圈，每相绕组由多个整体成型的线圈组成，按一定规律排列。大型水轮发电机通常都是立式结构，整个机组传动部分的重量以及作用在水轮机转轮上的水推力均有推力轴承支撑，并通过机架和机座传递到地基上2、转子部分同步电机的转子上还常装有阻尼绕组。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四、同步电机的运行状态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。同步电机运行于哪一种状态．主要取决于气隙合成磁场与转子主磁场之间的夹角δ，δ称为功率角。1、发电机状态：δ0NoNSoSeTsn主极主极气隙合成磁场发电机状态时电磁转矩为制动性质，与原动机输入转矩平衡。2、电动机状态：δ0电动机状态时电磁转矩为驱动性质，与负载转矩平衡。NoNSSosneT3、补偿机状态：δ=0补偿机状态时电磁转矩为零，电机内无有功功率的转换。NNoSoS0eTsn五、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。1、直流励磁机励磁2、整流器励磁整流器励磁又分为静止式和旋转式两种。静止式指的是整流装置外放静止状态电刷、滑环旋转磁极式旋转式指的是整流装置随主轴一同旋转旋转电枢式六、额定值•额定容量SN(或额定功率PN)——指额定运行时电机的输出功率•额定电压UN——指额定运行时电枢的线电压•额定电流IN——指额定运行时电枢的线电流•额定功率因数cosΦ——指额定运行时电机的功率因数•额定频率fN——指额定运行时电枢的频率。我国标准工频规定为50Hz•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6.2同步发电机的空载运行空载运行：当原动机带动发电机在同步转速下运行，励磁绕组通过适当的励磁电流，电枢绕组不带任何负载时（相当于开路）的运行情况。空载运行时气隙磁场仅仅由励磁电流If产生的主极磁场。从图可见，主极磁通分成主磁通Φ0和漏磁通Φfσ两部分，前者通过气隙并与定子绕组相交链，后者不通过气隙，仅与励磁绕组相交链。主磁通所经过的主磁路包括空气隙、电枢齿、电枢轭、磁极极身和转子轭等五部分一、空载时的电磁过程主极磁场Bf原动机拖动旋转磁场主磁通漏磁通思考：有感生电势吗？0e011044.4wNkfE1、基波主极磁动势12344'1'2'3'ABCXYZ+A+A2032+A0232fF1fF隐极同步电机2、三相对称感生电动势当转子以同步转速旋转时，主磁场将在气隙中形成一个旋转磁场，它“切割”对称的三相定子绕组后，就会在定子绕组内感应出一组频率为f1的对称三相电动势，称为激磁电动势。00.00EEA00.0120EEB00.0120EEC0.0.0.0CBAEEE凸极同步电机AXBCYz0+Af+A012fffFNi1fffFkF60其中,44.410110pnfNkfjEw二、空载特性00()fUEfi定子绕组开路、转子由原动机拖动到额定转速并通入励磁电流的运行状态称为同步发电机的空载运行，称的函数关系为空载特性，它是一条非线性关系的饱和曲线。注意：空载曲线横坐标是实际的励磁电流，或每极实际磁动势波幅，而不是基波磁动势。空载特性曲线适当的改变坐标比例即是铁磁材料的磁化曲线，为此该曲线仅仅取决于各段铁心和气隙的尺寸以及铁心材料的性质，是电机的固有特性曲线。三、空载时的时-空矢量图磁极位置fFfB00E1、主极磁场就是磁极的具体位置；2、忽略铁耗，主极磁动势就与主极磁密重合；3、借助上一章所讲画时空矢量图的要求及结论，主极磁密（空间量）就与主极磁通（时间量）重合；4、根据，可以确定空载电势的位置；011044.4wNkfjE5、所有矢量均依照的速度旋转；60221pnf6.3同步发电机的负载运行一、对称负载时的电枢反应同步电机在空载时，气隙中仅存在着转子磁势。负载以后，除转子磁势外，定子三相电流也产生电枢磁势。电枢磁势的存在，将使气隙中磁场的大小及位置发生变化，这种现象称之为电枢反应。电枢反应：电枢磁动势对主极磁场的影响。afffaFFFFIFI通过分析可以表明电枢磁动势与主极磁动势同转向、同转速，气隙内磁场是由主极磁势和电枢磁势共同作用产生。主极磁势和电枢磁势的区别基波波形大小位置转速主极磁势正弦波恒定，由励磁电流决定由转子位置决定由原动机的转速决定电枢磁势正弦波恒定，由电枢电流决定由电流瞬时值决定由电流的f和P决定1f12fffFkNi111135dpaNIkF.p1160fnp电枢反应的性质(增磁、去磁或交磁)取决于电枢磁动势和主磁场在空间的相对位置。分析表明，此相对位置取决于激磁电动势E0和电枢电流I之间的相角差Ψ0(Ψ0称为内功率因数角)。下面我们分四种情况考虑：1、)000同相（和EI磁极位置fFfB00EIaFFd直轴q交轴交轴电枢反应使合成磁动势从空载时的直轴处逆转向后移了一个锐角，幅值有所增加。2、)90900000（滞后EI磁极位置fFfB00Ed直轴q交轴磁极位置fFfB00Ed直轴q交轴IFaFF直轴去磁性电枢反应3、)90-900000（超前EI直轴增磁性电枢反应IaF思考：同步电机接什么负载会出现上述三种情况？磁极位置fFfB00Ed直轴q交轴4、一般情况)90090~000000（滞后EIaFFdIqIadFaqF依照矢量分解：qdIII对应有：aqadaFFF结论：电枢反应为既有交轴电枢反应又有直轴去磁电枢反应。思考：1）同步发电机接感性负载时端电压的变化情况？2）同步发电机短路时短路电流很大吗？3）交轴电枢反应的重要性？I0二、隐极同步发电机的电磁运行原理隐极同步发电机的结构主要特征是气隙均匀，不论电枢磁动势处在任何位置，磁动势和磁通的关系均一样，分析相对简单。（一）不考虑磁饱和1、电磁过程同步发电机负载运行时，除了主极磁动势Ff之外，还有电枢磁动势Fa。不计磁饱和(即认为磁路为线性)，则可应用叠加原理，把Ff和Fa的作用分别单独考虑，再把它们的效果叠加起来。2、电压方程列写电枢回路的KVL方程：再来分析和的电磁关系：aEIIFEaaa大小：相位：IFBEaaaa等相位等相位（不计铁耗）等相位滞后090因此Ea大小正比于I；在时间相位上，则将滞后于90°电角度。于是亦可写成负电抗压降的形式：aaXIjEsaaaXIjRIUXIjXIjRIUE03、相量图及等效电路已知发电机的端电压、负载电流和功率因数cosφ及参数Ra、Xs，当功率因数滞后时的相量图：UIaRI0EsXIj其等效电路：其中E0表示主磁场的作用，Xs表示电枢反应和电枢漏磁场的作用0注意两个夹角：（二）考虑磁饱和考虑磁饱和时，由于磁路的非线性，叠加原理不再适用。此时，应先求出作用在主磁路上的合成磁动势F，然后利用电机的磁化曲线(空载曲线)求出负载时的气隙磁通及相应的气隙电动势，即)(jXRIUEa得出电压方程：这里有一点需要注意，通常的磁化曲线习惯上用励磁磁动势Ff的幅值(对隐极电机，励磁磁动势为一梯形波)或励磁电流值作为横坐标，而电枢磁动势Fa的幅值则是基波的幅值，因此在Ff和Fa矢量相加时，需要把基波电枢磁动势Fa乘上换算系数ka以换算为等效梯形波的作用。ka的意义为，产生同样大小的基波气隙磁场时，一安匝的电枢磁动势相当于多少安匝的梯形波主极磁动势。通常ka≈0.93～1.03。三、凸极同步发电机的电压方程和相量图凸极同步电机的气隙沿电枢圆周是不均匀的，因此在定量分析电枢反应的作用时，需要应用双反应理论。1、双反应理论：一般情况下，若电枢磁动势既不在直轴、亦不在交轴而是在空间任意位置处，可把电枢磁动势分解成直轴和交轴两个分量，再用对应的直轴磁导和交轴磁导分别算出直轴和交轴电枢反应，最后把它们的效果叠加起来。这种考虑到凸极电机气隙的不均匀性，把电枢反应分成直轴和交轴电枢反应分别来处理的方法，就称为双反应理论。其实双反应理论应用了叠加原理，必须要在线性的环境中才可以，所以不计磁饱和时，这种方法的效果是令人满意的。2、电磁过程双反应理论相当于将Fa分解为Fad和Faq，参考电枢反应的矢量图可以看到其实就是I也进行了分解：00cos,sin,IIFIIIFIqaqqdadd磁极位置fFfB00Ed直轴q交轴aFFdIqIadFaqFI0参考前面分析的Ea和I的关系：aaXIjE再来分析和的电磁关系：adEdIdadadadIFE大小：相位：dadadadadIFBE等相位等相位（不计铁耗）等相位90滞后0可表示为：同理：3、电压方程列写电枢回路的KVL方程：借助前面的分析并考虑可对方程进行处理为：qdIII式中，Xd和Xq分别称为直轴同步电抗和交轴同步电抗，它们是表征对称稳态运行时电枢漏磁和直轴或交轴电枢反应的一个综合参数。上式就是凸极同步