《电机学》课件同步电机

概述电机学第6章6.1.1同步电机的结构型式一、汽轮同步电机的基本结构定子定子铁心：硅钢片叠成。机座：钢板焊接面成，有足够的强度和钢度。电枢绕组：三相对称绕组——铜线制成转子转子铁心：采用整块的含铬、镍和钼的合金钢锻成护环：保护励磁绕组受离心力时不甩出励磁绕组：铜线制成滑环：引励磁电流经电刷、滑环进入励磁绕组中心环：支持护环，阻止励磁绕组轴向移动同步电机的基本工作原理励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁场，原动机拖动转子以转速n旋转时，其磁场切割定子绕组而感应交流电动势。波形：由e=Blv可知，波形取决于磁密的空间分布。频率：f=pn/60大小：E=4.44fN1kw1Φ相序：由转子的转向决定同步电机的分类按运行方式，同步电机分发电机、电动机和调相机。按结构型式，同步电机分旋转电枢式和旋转磁极式。旋转磁极式同步电机按磁极形状，又分隐极式和凸极式两种。按原动机类别,同步电机分为汽轮发电机、水轮发电机和柴油发电机等。汽轮发电机一般作成隐极式，现代汽轮发电机均为2极，转速为3000转/分钟，水轮发电机采用凸极式，极数多，转速低。同步电动机、柴油发电机和调相机一般作成凸极式。按冷却介质和冷却方式分，有空外冷、氢冷、水内冷同步电机的型号型号发电机型号表示该发电机的类型和特点QFQS-200-2表示定子绕组水内冷、转子绕组氢内冷、铁心氢冷的二极汽轮发电机，容量为200MW。ＴＳ854/210-40表示立式同步水轮发电机，定子铁心外径为854cm，定子铁心长度为210cm，有40个磁极。额定容量和额定功率指电机额定运行时，输出功率的保证值。同步发电机是指输出的额定视在功率或有功功率，单位是KVA或KW。电动机额定容量是指额定条件下转轴上输出的机械功率，单位是KW。调相机用KVA或Kvar表示。额定电压额定运行时加在三相定子绕组上的线电压。额定电流在额定运行状态下三相定子绕组的线电流.额定值•6.2同步发电机的运行原理同步发电机的电枢反应同步发电机的电动势方程和相量图；同步发电机的运行特性同步发电机的并列同步发电机的有功功率功角特性和静态稳定同步发电机的无功功率功角特性和Ｖ形曲线同步调相机和同步电动机同步发电机的空载运行同步发电机转子由原动机拖动到同步转速，转子绕组通以恒定的直流励磁电流，定子电枢绕组开路，这种运行状态，称为同步发电机的空载运行。励磁电流If单独建立的励磁磁动势Ff产生的主、漏通。主、漏磁通均随转子旋转，在气隙中形成旋转磁场。主磁通交链电枢绕组，在电枢绕组中感应电动势；漏磁通不交链电枢绕组，不在电枢绕组中感应电动势，不参与定、转子之间的能量转换.空载特性空载时电磁关系：空载特性：空载电动势大小：空载特性曲线：气隙线电枢反应电机带上负载后，电枢磁动势的基波在气隙中使气隙磁通的大小及位置均发生变化,这种影响称为电枢反应.电枢反应的性质，取决于电枢磁动势基波和励磁磁动势基波之间的相对位置，即与空载电动势和电枢电流之间的夹角有关.励磁磁势和电枢磁势的区别由电流相序决定由原动机决定转向由磁极对数和电流频率决定由电流瞬时值决定恒定，由电枢电流决定正弦波电枢反应磁动势由原动机的转速决定由转子位置决定恒定，由励磁电流决定正弦波励磁磁动势转速位置大小基波波形准备工作1.三个角1)内功率因数角是E0与F之间的时间相位角,与电机参数及负载有关.2)外功率因数角是U与F之间的时间相位角,与负载有关3)功率角(功角)是E0与U之间的时间相位角.三个角之间的关系为ψ=Φ+δ2.四个轴直轴(纵轴、d轴）：主磁极轴线位置。交轴（横轴、q轴）：与直轴成900电角度的位置。相轴：每相绕组的轴线位置。时轴：时间相量在其上投影可得到时间量的瞬时值。同步电机结构图AXZBCYNS1.ψ=0°时的电枢反应空载电动势E0和电枢电流Ia同相位.C轴q轴A轴B轴CFf与Fa的夹角为ψ+90°电枢反应性质：交轴电枢反应2.ψ=90°时的电枢反应空载电动势E0超前电枢电流Ia90°Ff与Fa的夹角为ψ+90°电枢反应性质：直轴去磁电枢反应3.ψ=-90°时的电枢反应空载电动势E0滞后电枢电流Ia90°Ff与Fa的夹角为ψ+90°电枢反应性质：直轴助磁电枢反应4.0°＜ψ＜90°时的电枢反应空载电动势E0超前电枢电流ψFf与Fa的夹角为ψ+90°电枢反应性质：交轴电枢反应兼直轴去磁电枢反应4.0°＜ψ＜90°时的电枢反应此种情况下IcosψIIsinψIIIIqdqd---直轴分量---交轴分量0090成与EId同相位与0EIq4.0°＜ψ＜90°时的电枢反应此种情况下cosψFFsinψFFFFFaaqaadaqada---直轴分量电流产生的合成磁动势---交轴分量电流产生的合成磁动势adFaqFaFfF090ψ一般情况下的电枢反应（总结）位置q轴d轴d轴d、q轴d、q轴记作夹角电枢反应性质交轴直、去直、助交、直去交、直助对电机的影响下降下降下降不变不变波形畸变削弱削弱增强增强下降下降上升上升不变负载性质LCR、LR、C电磁转矩同步发电机带上负载后，电枢电流建立电枢反应磁场，它与励磁电流作用产生电磁力，在某些情况下形成电磁转矩，实现机电能量转换。1.有功电流产生电磁力,形成电磁转矩当发电机带有功负载(阻性负载)时,可以近似认为机电能量转换有功电流产生电磁力,形成电磁转矩即，电枢绕组流过有功电流时,产生交轴电枢反应磁场。励磁绕组载流体在该磁场作用产生电磁力，并形成制动性质的电磁转矩。输出的有功功率越大，有功分量电流就越大，交轴电枢反应越强，电磁转矩越大，为了保持电机的转速不变，要求原动机输入更大的驱动转矩——调节有功功率。2.无功电流产生电磁力但不形成转矩发电机带电感或电容负载(无功负载)时,可以认为产生直轴去磁(或助磁)电枢反应磁场。励磁绕组载流体在该磁场作用产生电磁力，但不形成电磁转矩。说明发电机带感性(或容性)无功负载时,不需要原动机增加能量。0090或90ψ3.系统静特性但是直轴去磁（或助磁）电枢反应对气隙磁场有去磁（或助磁）作用，致使发电机端电压下降（或上升）。为维持电压恒定，励磁电流需要相应增加（或减小）——调节无功功率。无功电流产生电磁转矩同步发电机的电动势方程和相量图同步电抗ΦdIadFadΦadEqIaqFaqΦaqEEI饱和因素不考虑磁路饱和时,各电动势与其对应的电流成正比,即有由于定子漏磁通的路径主要是气隙，磁路不饱和，所以漏抗为常数。addadxjIEadx:对应于的直轴电枢反应电抗adaqqaqxjIEjIxEx—对应于的漏电抗aqx—对应于aq的交轴电枢反应电抗对于凸极同步电机,由于直轴气隙比交轴气隙小，直轴磁阻比交轴磁阻小，所以有aqadxx对隐极同步电机，由于气隙均匀，交、直轴的磁阻大小相等，即认为aaqadxxxaaqadΦΦΦaaxIjExa——隐极发电机对应φa的电枢反应电抗电枢反应电抗为三相对称电枢电流产生合成的电枢反应磁场感应于一相的电枢电动势与其对应的相电流的比值，它综合反映三相对称电流产生的合成电枢反应磁场对定子一相的影响。当三相对称电流流过电枢绕组时，产生电枢反应磁通和漏磁通，分别在电枢绕组中感应电枢反应电动势和漏感电动势。对隐极电机，全部电动势为taaxIjxIjxIjEExxxatxt称为隐极电机的同步电抗，是电枢反应电抗和漏抗之和。同步发电机正常运行时，磁路略呈饱和，磁路越饱和，所对应的电抗越小。对凸极电机分别称为直轴和交轴同步电抗。xxxxxxaqqadd直轴磁路的气隙较小，应当考虑铁心饱和的影响，因而具有饱和值和不饱和值之分；而交轴磁路气隙较大，可认为只有非饱和值，为常量。同步电抗是同步电机的一个重要参数，它是表征同步发电机稳定运行时电枢反应磁场和电枢漏磁场对电枢电路作用的一个综合参数。同步电抗的大小直接影响同步发电机端电压随负载波动的程度和在大电网运行时的稳定性，也影响同步发电机短路电流大小。凸极同步发电机的电动势方程和相量图fIfF0ΦfσΦ0E(三相系统)(合成旋转磁动势)ΦarIadFadΦadEaqFaqΦaqEEIaF正方向按图规定，则有aaqadrIUEEEE0arIUEEXIjEXIjEXIjEaqqaqaddadqdIII代入得到凸极发电机的电动势方程qqddaxIjxIjrIUE0注意：方程式中的电压、电动势和电流均为相值。凸极同步发电机的相量图作图步骤返回目录;IU)(和根据已知条件绘出1;IEExIjrIUE)(ONONqaON的夹角与及作出根据2;III)(qd和分解成角将根据3004E,xIjxIjD,xIjxIjrIUE)(ddqqqqdda得到及点依次作出从根据凸极同步发电机的相量图cosUIrsinUIxtanaq1若内功率因数角不知，可从以下公式求取隐极同步发电机的电动势方程、等效电路和相量图电磁关系：fIfF0ΦfσΦ0EσΦaFaΦaEσEI2.数学模型电动势平衡方程aσδrIUEEaarIUEEE0代入xIjExIjEaa可得到隐极发电机的电动势方程taxIjrIUE0隐极发电机的等效电路0EUIartx~隐极发电机的相量图UIarItxIj0E相量图)(0由相量图可知δψ根据相量图可求出220taIxsinUIrcosUEatrIcosUIxsinUtan1同步发电机的运行特性一、空载特性定义：)I(fEU,I,nnf0010续空载特性是发电机的基本特性之一。它一方面表征了磁路的饱和情况，另一方面把它和短路特性、零功率因数负载特性配合，可确定电机的基本参数、额定励磁电流和电压变化率等。实际生产中，它还可以检查三相电枢绕组的对称性、匝间短路、判断励磁绕组有无故障等。二、短路特性定义：)I(fI,U,nnfk01短路时,090电枢反应为直轴去磁dx气隙电动势很小,感应气隙电动势的气隙磁通量很小,所以磁路不饱和.fkIEI0所以短路特性是一条过原点的直线.xIjxIjrIUEa此时是常数,有短路特性短路时的等效电路2.同步电抗的求取求xd不饱和值根据公式k0dIEx求xd不饱和值时,首先给定一励磁电流If，在空载特性的不饱和段或气隙线上确定对应If的E0值，然后在短路特性曲线上确定对应If的短路电流Ik的值,则Nk)(dIEIEx00不求取xd饱和值求取xd饱和值时，首先在空载特性上取对应额定电压UN的励磁电流If0，再从短路特性上取出对应If0的短路电流Ik，则kN)(dIUx饱交轴同步电抗dqx.x60三、外特性定义：)I(fU,Ccos,CI,nnf1外特性(续）当发电机带阻性和感性负载时，外特性是下降的，原因是电枢反应的去磁作用和电枢漏阻抗产生了电压降；带容性负载时且（发电机负载的容抗大于同步电抗）时，外特性是上升的，原因是电枢反应的助磁作用和容性电流在漏抗上的压降。为了在不同功率因数下时能得到额定电压，感性负载时要增大励磁电流，容性负载时应减小励磁电流。四、调节特性定义：)I(fI,Ccos,CU,nnf1调整特性曲线调整特性曲线(续)在感性和阻性负载时，随着负载电流的增加，必须增加励磁电流，补偿电枢反应的去磁作用和漏阻抗压降，保持端电压恒定；对容性负载，随着负载电流的增加，必须减小励磁电流。在功率因数一定情况下,根据调整特性曲线,可确定在负载变化范围内,维持电压不变所需的励磁电流的变化范围。运行人员可利用调整特性曲线,