华中科技大学 电机学 第六章 同步电机 ppt

电机学ElectricMachinery（第6章同步电机）电气工程与自动化学院26.1同步电机的工作原理及结构特点同步电机的特点与用途同步电机的结构形式同步电机的冷却方式同步电机的额定值同步电机的励磁方式电气工程与自动化学院3一、同步电机的特点与用途同步电机与异步电机的根本区别：旋转的转子通入直流电流励磁同步电机的运行特点：是转子的旋转速度必须与定子磁场的旋转速度严格同步。同步电机主要用途：发电机。此外还可作为调相机，补偿电网中的无功功率。SNneaebecIf电气工程与自动化学院4二、同步电机的结构形式同步电机有旋转电枢式和旋转磁极式两种结构。一般多采用旋转磁极式结构，根据磁极形状可分为隐极和凸极两种型式。凸极同步电机气隙不均匀，适合于中速或低速旋转场合隐极同步电机在不考虑齿槽效应时，气隙均匀，适合于高速旋转场合电气工程与自动化学院5隐极同步电机结构实物图大型汽轮发电机定子铁心槽汽轮发电机完工后的定子汽轮发电机转子加工电气工程与自动化学院6凸极同步电机凸极同步电机转子由磁极、励磁线圈、磁轭和阻尼绕组等部分构成。凸极同步电机的定子结构与隐极同步电机或异步电机的基本相同，所不同的只是转子结构。电气工程与自动化学院7凸极同步电机结构实物图带阻尼绕组的凸极同步电机转子水轮发电机定子分段铁心电气工程与自动化学院8三、同步电机的励磁方式同步电机运行时，必须在励磁绕组中通入直流电流，建立励磁磁场。将供给励磁电流的整个装置称为励磁系统。直流发电机励磁系统静止式交流整流励磁系统旋转式交流整流励磁系统电气工程与自动化学院9四、同步电机的冷却方式随着单机容量的不断提高，大型同步电机的发热和冷却问题日趋严重，冷却方式也不断改进。同步电机的冷却方式主要有以下几种。空气冷却氢气冷却水冷却超导发电机电气工程与自动化学院10五、同步电机的额定值额定电压UN：电机额定运行时定子的线电压（V或kV）额定电流IN：电机额定运行时定子的线电流（A）额定功率因数：电机额定运行时的功率因数额定效率ηN：电机额定运行时的效率额定频率f(Hz)额定励磁电流IfN(A)额定励磁电压UfN(V)额定功率PN：电机额定运行时的输出功率（kW或MW）对发电机为额定输出有功电功率对电动机是轴上输出的额定机械功率NNNNIUPcos3NNNNNIUPcos3额定转速nN：电机额定运行时的转速电气工程与自动化学院116.2同步电机的运行原理同步发电机空载运行同步电机的电枢反应隐极同步发电机的负载运行凸极同步发电机的负载运行电气工程与自动化学院12一、同步发电机空载运行同步发电机空载运行是指同步发电机被原动机拖动到同步转速，转子励磁绕组通入直流励磁电流而定子绕组开路时的运行工况。电气工程与自动化学院131.空载感应电动势的大小与频率基波电动势：E0=4.44fNkN1Φ0n速旋转主磁通Φ0漏磁通Φfσ定子感应电势eabcn感应电势励磁电流磁动势电气工程与自动化学院142.空载电动势与励磁电流的关系电机磁路的饱和系数oadhaback00E)()(00ffIfFfE当转子以恒定转速n旋转时，为磁路的磁化特性与曲线相似(成比例)电气工程与自动化学院153.相位关系若转子以恒定速度旋转，取转子与某相相轴相交时作参考，1fF励磁电流If磁动势Ff(基波分量)随转子旋转角速度ω相轴直轴(d轴)o00Eω时轴1fF1fB与定子某相交链磁通不计磁滞效应11ffBF、选取相轴为时轴0n用空间矢量表示同相位感应电动势0E可以用时间向量表示为00电气工程与自动化学院16二、同步电机的电枢反应IfFf随转子旋转转速为n基波E0（）接三相对称负载三相对称电流iabc(f)旋转磁势基波(电枢磁势)与在空间相对静止，联合建立气隙磁场BδФδ电枢绕组感应电动势Eδ电枢反应：电枢电流产生的磁动势对励磁磁场的影响1.定义电气工程与自动化学院172.电枢反应的性质当取任一相绕组轴线作为时间参考轴，设三相对称负载时，相电流I滞后于相角。若在t＝0时，转子励磁磁动势正向轴线（d轴）超前参考相轴线90o（电角度），则各时－空矢量如图所示。根据交流电机绕组理论磁动势原理，电枢三相电流产生的合成旋转磁动势基波矢量与重合。电气工程与自动化学院18(1)ψ=0o时(负载为纯阻性)Fa=Faq,与Ff1正交，为交磁性质I(2)ψ=90o时(负载为纯感性)Fa=－Fad,与Ff1反向，为去磁性质II电气工程与自动化学院19(3)0ψ90o时(负载为感性)FaFad，与Ff1反向，去磁性质Faq，与Ff1正交，交磁性质IadIaqI(4)－90oψ0o时(负载为容性)FaFad，与Ff1同向，助磁性质Faq，与Ff1正交，交磁性质aqIadII电气工程与自动化学院20(1)隐极同步电机3.分析方法aaaaFBE0011EBFff0EEEa不饱和时，求出气隙均匀，处于任意位置上，产生的气隙磁场Ba大小相同，故可直接由：饱和时，磁场不满足线性叠加条件，但是磁动势可以叠加先由求得合成气隙磁动势，再由求出或。1faFFFFE电气工程与自动化学院21(2)凸极同步电机－双反应理论凸极电机气隙不均匀，处于不同位置，产生的气隙磁场Ba不同，处于d，q轴上时，分别产生出如图所示的磁动势：电气工程与自动化学院22双反应理论：adadadEFaqaqaqEF当处于任意位置且不计饱和时：aIF分解或I分解dadadadIFEqaqaqaqIFE气隙合成磁场：0EEEEaqadB电气工程与自动化学院23三、隐极同步发电机的负载运行假设条件：不考虑饱和转子励磁电流100ffIFE定子三相电流aaaaIFEjIXEjIX不考虑饱和0a0aEEE电气工程与自动化学院241.电路图If三相对称取一相分析oXa：电枢反应电抗，Xσ：漏电抗Xt：隐极同步电机的同步电抗电气工程与自动化学院252.相量图考虑饱和时，afFFF10()aEEE求解方法：先求合成磁势（折算到励磁磁势），再利用空载特性（磁化曲线）求afFFF1E电气工程与自动化学院26四、凸极同步发电机的负载运行1.不计饱和电气工程与自动化学院27与隐极同步电机相似，可以得到一相等效电路为：EaRIUXd=Xσ+XadXq=Xσ+Xaq由得到：电气工程与自动化学院28四、凸极同步发电机的负载运行2.考虑饱和计及饱和后，叠加原理不能应用，气隙合成磁场由合成磁动势来决定，即交、直轴各自的合成磁动势及感应电动势可分别根据实际饱和情况由空载特性求取。daqaEEEEEEUIR电动势平衡方程式adfdFF1F磁动势平衡方程式'addFI'aqqFIfIfFIdddEF'EaqaqEE电气工程与自动化学院296.3同步电机的基本运行特性空载特性短路特性零功率因数负载特性同步发电机稳态参数的计算与测定方法外特性及电压调整率Xd、Xq的低转差测试法电气工程与自动化学院30一、空载特性Ia=0，n=nN时，U0＝f(If)曲线0f()fI和相似电气工程与自动化学院31二、短路特性n=nN，U=0(三相稳态短路)时,短路电流Ik与与励磁电流If的关系Ik=f(If)Fad∝Fa∝IFδ∝Eδ∝IFf=Fδ´+Fad´∝IIf∝I，即Ik=f(If)是直线电气工程与自动化学院32三、零功率因数负载特性负载特性U=f(If)：在n=nN、I=常数、=常数的条件下，端电压U与励磁电流If之间的关系曲线其中，当＝0时U=f(If)的关系称为零功率因数负载特性电气工程与自动化学院33Fa＝Fad纯去磁作用I不变，特性三角形不变空载时，负载I增加，Fa´增加，要保持U＝UNφ，必须增加If△AEF称为特性三角形，其中：σfAEIXAFI为励电等效磁流电气工程与自动化学院34四、外特性及电压调整率n=nN、If=常数、cos=常数时，U=f(I)的关系曲线称为外特性。电流I引起电压U变化的原因：电枢反应影响定子漏阻抗压降影响电压调整率：电气工程与自动化学院35磁路不饱和时，IXσ在线性段：1）作直线OB；五、同步发电机稳态参数的计算与测定方法1.由空载和零功率因数特性确定定子Xδ,Ifa(Ffa)三角形A'B'C'为所求的特性三角形。由空载与零功率因数特性两特性之间存在特性三角形的关系，确定Xσ,Ifa(Ffa)IXσFfa2）过UN作直线平行于x轴，交零功率因素曲线于A'，取A'O'=AO3）过O'作OB的平行线O'B'，BUN电气工程与自动化学院362.利用空载特性和短路特性确定Xd的不饱和值已知U0=f(If),Ik=f(If),短路时，Fδ很小，因此磁路不饱和，这样可由气隙线确定E0´。当Ra≈0时，因为：（不饱和值）在图中，由任意Ifk电气工程与自动化学院373.短路比空载额定电压所对应的励磁电流If0励磁下三相稳态短路时的短路电流Ik0与额定电流IN之比。Kc是同步发电机一个重要的性能、经济指标当Kc小时，ku小，Xd大△U大，稳定性差气隙小，造价低，经济性好当气隙增加，Xd减小，Kc增加,电机性能变好，造价增高电气工程与自动化学院381）方法：将被测试同步发电机拖动到接近同步转速（转差率小于0.01），将励磁绕组开路，在定子侧加额定频率的相序与转子转向一致的三相对称低电压（0.02UN），测量定子电压、电流与励磁绕组电压。六、Xd、Xq的低转差测试法2）原理：在If＝0时，E0=0Ra≈0n≠n1电枢磁场轴线与转子直轴重合Iq＝0,Id＝I电枢磁场轴线与转子交轴重合Id＝0,Iq＝I不同时刻，XdXq,IdIq因为此时外加电压U很小，磁路不饱和，此法测得的Xd、Xq为不饱和值。电气工程与自动化学院39投入并联的条件和方法功率和转矩平衡方程功角特性有功功率调节与静态特性无功功率调节与V形曲线6.4同步发电机的并联运行电气工程与自动化学院40一、投入并联的条件和方法(1)(2)(3)(4)(5)1.并联条件发电机端电压与电网电压满足以下条件：电气工程与自动化学院41准确同步法－直接接法接线图向量图直接接法：电机各端与电网同相端对应，三灯泡同时亮、暗，当灯泡亮、暗频率很低并且灯泡变暗的瞬间为合闸的最佳时机。2.并联方法电气工程与自动化学院42接线图向量图准确同步法－交叉接法交叉接法：一相灯泡同端连接，另外两组交叉连接，三组灯泡依次亮、暗，当三组灯泡亮度旋转速度很慢且第一组灯泡变暗的瞬间为合闸的最佳时机。电气工程与自动化学院43二、同步发电机的功率和转矩平衡方程原动机nP1P21.功率平衡方程121()emmecFeademCuPPpppPPp对于隐极同步发电机：1P(输入功率)emP(电磁功率)mecp机械损耗Fep铁耗adp附加损耗213CuapIR定子绕组铜耗输出电功率电气工程与自动化学院4410emTTT10emPpP两边除以机械角速度Ω0mecFeadpppp空载损耗：驱动转矩空载转矩电磁转矩则：2.转矩平衡方程电气工程与自动化学院45忽略定子电阻时，2coscos()emPPmUImUIcossinqdmUImUIsinqqUIX0(cos)ddEUIXsinqqUXI0cosddEUIX2011sin()sin22emdqdmEUmUPXXX因为，所以可以忽略漏抗压降，从图中可以看出，称为功率角三、功角特性电气工程与自动化学院462011sin()sin22emdqdmEUmUPXXX隐极同步发电机功角特性0sinemtmEUPX功角特性简化为隐极电机,tqdXXX0sinemtEUPX