第六章同步电机

电机学教案１第六章同步电机6．1概述同步电机特点：同步电机转速与极对数、电流频率有严格的关系。高压、大容量的同步电动机采用旋转磁极式结构；小容量采用旋转电枢式。转枢式---转子绕组（电枢），定子磁极转极式---转子磁极，定子电枢。隐极式：气隙均匀、转子高机械强度高转速。适合细长汽轮发电机。凸极式：气隙不均匀，适合中速、低速运行。短粗水轮发电机结构。6．1．1同步电机的结构型式一．隐极电机部件名称作用材料结构定子铁心形成磁路0.5mm硅钢片叠制。直径大于1米的铁心用扇形片拼成开口槽（大型）定子绕组电路部分，感应电势圆铜线或扁铜线三相双层短路叠绕组；高压大电流用多根并绕换位导线机座机械支撑大型用钢板焊接气隙磁场耦合绕线转子要利用滑环和电刷转子铁心磁路的一部分整块的良导磁合金钢（导磁、承受高转速、大离心力）高强度合金钢与转轴锻成一体转子绕组励磁绕组流过电流建立磁场电机用扁铜导线绕成同心线圈同心线圈被槽楔压紧在槽里护环保护励磁绕组端部中心环阻挡励磁绕组轴向移动滑环引入励磁电流端盖封盖电机两端部无磁性硅铝轻合金材料铸造轴承承受转子重量和离心力二．凸极同步电机隐极式同步电机只有卧式一种；凸极式则分为卧式和立式结构。卧式：多数同步电动机、调相机、内燃机发电机、冲击式水轮发电机立式：低速、大型水轮发电机1．卧式凸极同步电机的结构特点２磁极用1~3mm的钢板冲制叠成。高速电机用实心磁极。励磁绕组用扁铜线绕制成同心线圈套在极身上。磁轭用铸钢或冲片叠制阻尼绕组用铜条插在磁极极靴槽中。作用是改善起动性能。2．立式凸极同步电机的结构特点定子分数槽波绕组转子：用高强度钢整体锻造，制成空心式以减轻重量；支架由轮毂和轮辐构成；磁极用1~1.5mm钢板叠压，用螺杆拉紧6．1．2同步电机的励磁方式励磁绕组中通入直流电流，建立磁场。励磁系统有：1）直流发电机励磁系统：采用独立供电的直流并励发电机，与主发电机同轴。输出的直流电经电刷、滑环引入同步发电机转子励磁绕组。2）静止式交流整流励磁系统：为解决换相火花问题，采用交流励磁机取代直流励磁机，但是要经过半导体整流系统把交流电变成直流电供给同步机励磁绕组。3）旋转式交流整流励磁系统：亦称无刷励磁系统。转枢式的交流励磁发电机，与电机一起旋转，整流器也在轴上一起旋转，这样将整流输出直接供给同步发电机励磁，既不用直流励磁发电机的换向器又不用同步机的电刷滑环引入系统。6．1．3同步电机的冷却方式空气冷却、氢气冷却、水冷却、超导发电机6．1．4同步电机的额定值与异步电动机一样，额定电压、电流为线值，另外有：额定容量：发电机出线端额定视在功率，VAkVA.额定功率：发电机输出电功率NNNNNNIUSPcos3cos电动机输出机械功率NNNNNNNNIUSPcos3cos额定功率因数及额定效率6．2同步电机的运行原理研究三相同步电机在对称负载下稳态运行时的内部物理过程，包括基本方程式、矢量图、等效电路。电机学教案３6．2．1同步发电机的空载运行1．空载特性与饱和系数空载时，定子绕组开路，电流为零，转子绕组通入直流励磁电流，发电机被拖动以同步速度旋转转子以同步速度n1旋转时，主磁通切割定子绕组感应电势频率为f，则01044.4NfNkE0为主磁通：由N极气隙定子齿定子轭定子齿气隙S极转子轭N极特点是经过气隙，同时与定转子交链的磁通。f漏磁通：由N极极间气隙S极转子轭N极特点是不经过气隙，仅与励磁绕组自身交链，不与定子交链的磁通。发电机空载特性)(0fIfE，因为ffIFE00，经过适当比例变换，可得)(0fFf，它就是电机的磁化曲线。根据磁化曲线求饱和系数FFk0=NUE'0（1.1~1.25）F0空载额定电压所需要磁势；Fδ负载额定电压气隙磁势；'0E磁路不饱和时，对应F0磁势产生的感应电动势。2．空载时-空相量图空间相量：励磁磁势基波分量Ff1以及它产生的气隙磁密基波Bf1,波幅同处于直轴正方向，都以同步角频率f21旋转。时间相量：定子绕组交链的磁通0.，以及它在绕组中感应的电动势0.E。0.E在时间上滞后0.900电角度。3.电压波形正弦性畸变率---各次谐波幅值平方和的平方根与基波幅值之比。%100122UUknnM6．2．2同步电机的电枢反应同步电机空载时，气隙中的同步旋转主磁场仅由转子励磁电流（直流）建立；负载时定子绕组流过电流产生磁势（称为电枢磁势），它与励磁磁势共同作用产生合成气隙磁场。因此存在电枢反应问题。电枢磁场和主极磁场都是相对静止的，二者本身是旋转的。电枢反应：电枢磁势基波对主磁场的影响。同样包括去磁、助磁、交磁三种情况。它会使气隙磁场畸变。４电枢磁势基波与励磁磁势同转速、同转向，相对静止；因为励磁磁势转速n1，定子对称三相绕组产生电枢磁势基波转速11606060npnppfn1．电枢电流.I滞后励磁电动势.0E一个锐角时的电枢反应，即0≤≤900假设某时刻，A相绕组交链最大磁通，产生最大励磁电动势E0，此时刻作为时间起点。此时刻电流滞后ψ角，也达到最大值。主磁通0.超前感应电势E0900。令时轴与相轴重合，则，（图6.17）（1）0.与B重合，忽略磁滞涡流时，0.与1fF重合。（2）.I与aF重合根据图6.17b得cossinaaqaadaqadaFFFFFFF和cossin...IIIIIIIqdqd此时dI产生去磁磁势adF，qI产生交磁磁势aqF。特殊地：ψ=0adF=0aqF=Fa只有交轴磁势；ψ=90，只有直轴磁势。只要知道时间相量的相位关系，便可以确定空间相量间的相位关系，进而分析电枢反应的情况与性质。2.隐极同步电机的电枢反应特点由于隐极同步电机气隙均匀，电枢磁势对主极磁场的影响在气隙圆周上任何位置都一样，可以整体考虑电枢反应的影响，不用分成交直轴分量考虑。磁路不饱和：利用叠加原理，分别考虑负载时电枢磁势Fa和励磁磁势Ff1的各自独立作用，然后进行叠加。即.fI直流励磁电流1fF励磁基波磁势0.主磁通0.E感应电动势（定子绕组）f.漏磁通（与转子交链）.I负载定子电流aF电枢磁势基波a.电枢磁通aE.电枢感应电动势.定子漏磁通.E定子感应漏电势定子绕组上产生的三个感应电动势0.E、aE.、.E各自滞后于产生它们的磁通90度电角度。合成气隙磁通..0.a，气隙电动势..0.aEEE电机学教案５磁路饱和：不能使用叠加原理。电流产生磁势，求合成磁势，再求合成气隙磁通及感应电动势。即，.fI1fFF..E.IaF..E3.凸极同步电机的双反应理论凸极同步电机的气隙不均匀，同一电枢磁势作用在不同气隙位置时，电枢磁势对主极磁场的影响不同，所以气隙磁场会有变化。(1)ψ=90,正弦电枢磁势基波作用在d轴上。(2)ψ=0,正弦电枢磁势基波作用在q轴上。(3)0≤≤900电枢磁势作用在任意位置，电枢磁场分布不对称，磁场波形与ψ和Fa大小有关。不能直接确定电枢反应的大小。在这种情况下，为了分析电枢反应的影响，提出了双反应理论。双反应理论：当电枢磁势的轴线既不和直轴重合又不和交轴重合时，可以把电枢磁势分解成直轴分量和交轴分量。分别求出直轴和交轴磁势的电枢反应，最后再把它们的效果叠加起来。双反应理论适合饱和以及不饱和情况。4．直轴和交轴电枢磁势的折算（1）励磁磁密基波幅值（转子励磁磁势产生）ffffffffBBkFkkBkB101（波形系数）（2）直轴电枢磁势产生的基波磁密幅值adaddaddaddadBBkFkkBkB101（电枢磁场波形系数）（3）交轴电枢磁势产生的基波磁密幅值aqaqqaqqaqqaqBBkFkkBkB101（4）将正弦波电枢磁势aqadFF,折算为等效的励磁绕组方波磁势'',aqadFF，折算前后的基波磁密幅值不变。aqaqaqfqaqaqfaqqadadadfdadadfaddFkFkkFFkkFkkFkFkkFFkkFkk''00''00aqadkk,直轴交轴电枢磁势折算系数（5）根据'',aqadFF查电机的空载特性曲线，可以得到aqadFF,产生的磁场在电枢绕组中的感应电动势。６6．2．3隐极同步发电机的负载运行1．不考虑饱和正像前面分析的那样，不计饱和时，可以利用叠加原理。按照发电机惯例，如图6.20所示参考方向，得定子电动势平衡方程：aaRIUEEE.....0其中，aaXIjE..；电枢反应电势，Xa电枢反应电抗：数值上等于单位电流所感应的电枢反应电动势；物理意义表示对称三相电流产生的电枢反应磁场在定子绕组中感应电动势的能力。XIjE..；电枢感应漏电势，Xσ漏电抗总为常数。所以，taaaXIjRIUXIjXIjRIUE........0Xt=Xa+Xσ为隐极同步电机的同步电抗，它表征对称稳态远行时电枢反应基波磁场和漏磁场综合效应的电磁参数。相量图：6.21不计饱和时隐极同步发电机的时空矢量图和等效电路（任意波形）6.22不计饱和时用励磁电动势和同步电抗表示的隐极同步发电机的时空相量图和等效电路（正弦波形）2．考虑饱和考虑饱和时，不能利用叠加原理。应该由合成磁势F求磁通，由磁通求电势E电势平衡方程：aRIUEE.....XIjRIUEa.....根据图6.24知，饱和时漏抗压降的延长线不和空载励磁电动势闭合。6．2．4凸极同步发电机的负载运行1．不考虑饱和此时，转子直流励磁电流和定子绕组电流的交直轴分量各自作用产生磁势，在产生磁通，进一步会感应电势。最终将所有电势叠加起来得到平衡方程式及相应的相量图。.fI直流励磁电流1fF励磁基波磁势0.主磁通0.E感应电动势（定子绕组）f.漏磁通（与转子交链）.I负载定子电流IdadFφadadE.电枢感应电动势IqFaqφaqEaq.定子漏磁通.E定子感应漏电势则，aaqadRIUEEEE.....0.相量图6.25电机学教案７同时有：qaqaqaqaqdadadadadIFFEIFFE''记qqaqddadXIjEXIjE..电抗Xad,Xaq是直轴电枢反应电抗和交轴电枢反应电抗，它们物理意义是反映定子电流产生的磁场在定子绕组中感应电动势的能力。方程式进一步可以写出：qqddaaqqaddaaqqaddaXIjXIjRIUXXIjXXIjRIUXIjXIjXIjRIUE.............0.)()(参数XXXXXXaqqadd，XdXq（qd）。分别称为凸极同步电机直轴同步电抗和交轴同步电抗。相量图6.262．考虑饱和考虑饱和后，首先要把作用在直轴上的磁势进行叠加，然后求各自的直轴磁通和电势以及交轴磁通和电势，最后再合成交直轴电势。即：IfFfFdφdEdIdFadIqFaqφaqEaqφσEσ平衡方程式：.......EERIUEEEaadd交轴气隙大，可以认为磁路线性，交轴电枢反应电抗为常数，则XIjXIjRIUEaqqad.....相量图6.276．3同步发电机的运行特性运行特性是指：空载特性E0=f(If)；短路特性Ik=f(If)；零功率因数特性U=f(If)；外特性U=f(I)；调整特性If=f(I)。两个重要参数：短路比kc和电压调整率采用标么值分析同步电机，基值选取如下：容量基值：NNbImUS单位VA电压、电流基值：NbNbIIUU,８阻抗基值：NNbbbIUIUZ转速基值：sradnNb/602励磁电流：)(00NffbUEII6．3．1同步发电机的运行特性1．空载特性空载特性是指电机在同步转速下空载运行时，励磁电势E0与励磁电流If的关系。由于铁磁材料的磁滞现象，当