重大电机学第六章 同步电机_2012

第六章同步电机的稳态分析同步发电机，视为一个有内阻抗的电源！6.1同步电机的基本结构和运行状态同步电机一、同步电机的基本结构旋转电枢式旋转磁极式隐极式（Salient-pole）凸极式（Cylindrical-Rotor）基本结构形式NS+隐极式结构特点：转子是长圆柱形，气隙较为均匀，转子表面有大齿和小齿之分。一对极，由汽轮机拖动，称汽轮发电机高速NS隐极式直轴，大齿中心交轴联想到直流电机的交轴电枢反应和直轴电枢反应！NSNS+凸极式结构特点：转子是扁盘状，转子表面有明显凸出的磁极，气隙为不均匀。多对极，通常由水轮机拖动，称水轮发电机低速NSNS凸极式直轴，磁极中心交轴直轴和交轴的气隙不均匀联想到直流电机的交轴电枢反应和直轴电枢反应！1、汽轮发电机结构（1）定子铁心返回返回1、汽轮发电机结构返回2、水轮发电机结构(1)立式水轮发电机(2)卧式水轮发电机2、水轮发电机结构转子结构10000kW水轮机转子1.发电环节——各种电机引进600MW汽轮发电机国产300MW汽轮发电机国产200MW汽轮发电机定子国产200MW汽轮发电机定子铁心现场运行的水轮发电机６.1同步电机的基本工作原理与结构发电机的物理过程可用图示表示６.1.2同步电机的基本工作原理与分类一、同步发电机的基本工作原理大小：0110444wE.fNk频率：60pnf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旋转时，其磁场切割定子绕组而感应交流电动势.n0E相序：由转子的转向决定。波形：由可知，波形取决于的空间分布。(x)eBlv(x)B二、同步电机的运行状态发电机——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，主要取决于定子合成磁场与转子主磁场之间的夹角δ，δ称为功率角定子合成磁场等效磁极(电气旋转磁场）sneTNS1T转子主磁极(机械旋转磁场)直轴作功和电枢反应的性质，取决于电气旋转磁场（定子合成磁场）轴线和直轴之间的电角度。seeTPNNoNoNoNNSoSoSSSSoeT0eTsnsnsn主极主极同步电机的三种运行状态发电机补偿机电动机eT三、同步电机的励磁方式直流励磁机励磁整流器励磁静止式和旋转式整流器励磁又分为静止式和旋转式两种。图6-9表示静止整流器励磁系统的原理图直流励磁机通常与同步发电机同轴，采用并励或他励接法。如图6—8所示四、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。单位kVA表示容量，单位kW表示有功功率•额定电压UN——指额定运行时定子的线电压•额定电流IN——指额定运行时定子的线电流•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空载和负载时同步发电机的磁场一、空载运行空载运行时，同步电机内仅有由励磁电流所建立的主极磁场。0f主磁通Φ0通过气隙并与定子绕组相交链，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漏磁通Φfσ不通过气隙，仅与励磁绕组相交链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f的对称三相电动势，称为激磁电动势空载特性是同步电机的一条基本特性00,EffFI,0fIoNU气隙线空载特性对于转子的位置而不会改变相的幅值只会改变电流的大小改变励磁被固定在转子直轴上励磁磁动势,,,ffFFA0BXZYBNSsnsnfF二、对称负载时的电枢反应•当定子接上负载后，电枢绕组将流过对称三相电流，定子电枢电流将产生电枢磁动势电枢磁动势与励磁磁动势相互作用形成负载时气隙中的合成磁动势，并建立负载时的气隙磁场。这时尽管励磁电流没有改变，但气隙磁场已经不同于原来的励磁磁场。对称负载时电枢磁动势的基波对主极磁动势基波的影响称为电枢反应。电枢反应的性质取决于电枢磁动势与励磁磁动势的空间相对位置二、对称负载时的电枢反应电枢磁动势的基波在气隙中所产生的磁场就称为电枢反应。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。称为内功率因数角之间的相角差和负载电流取决于激磁电动势对位置励磁磁动势在空间的相分析表明电枢磁动势与000,IE同相和01EI)(fF)(aqaFF)(00BI0EFB交轴电枢磁动势aqFaB气隙合成磁场B00结论同相和01EI)(使合成磁场轴线位置从空载时的直轴处，逆转向后移了一个锐角，而幅值也有所增加aBAXZYBCNS0BBsn主磁场0B气隙合成磁场B电枢磁场aBeT发电机制动性质的电磁转矩。将受到一个合成磁场，于是主极上隙时，主磁场将超前于气＝当00a)滞后于时的空间矢量图0EI不同相和02EI)(fFaqF)(00BI0EFBaFadFaB是去磁性质adF!!!120)(300的夹角为和则滞后为正夹角为与如果afFFIE090faFF滞后作用是去磁adF0a)滞后于时的空间矢量图0EI从电流角度分析不同相和02EI)(fFaqFI0EFaFadFqdIII和都可以分解为步电机不管时隐极机和凸机同必须含有交轴分量因此然要使磁场发生扭斜要发生机电能量转换必从电机的运行状态来看I,,0qIdI的位置都是在交轴上和0EIq之间拉开了一个角度和的存在使FFIfqb)超前于时的空间矢量图0EI不同相和02EI)(作用是助磁adFfFaqF)(00B0EFBaFadFaBI0电枢磁动势aqadaFFF00cossinaaqaadFFFFqdIII00cossinIIIIqd交轴电枢反应使功角拉开，与产生电磁转矩和能量转换直接相关直轴电枢反应对同步电机运行影响很大。1.若同步发电机单独供电给一组负载，则负载后，去磁或者增磁性的直轴电枢反应将使气隙内的合成磁通减少或者增加，从而使发电机的端电压产生变动。2.若同步发电机接在电网上，由于电压受到电网控制而不可撼动，将影响无功功率和功率因数。电枢反应后的同步电机磁场•负载后励磁磁动势和电枢磁动势形成了一个合成磁场,交轴电枢反应使气隙磁场发生畸变.•实际磁场分布和直流电机相似.•气隙合成磁场扭斜的程度越大，使在磁场间所产生的切向力及电磁转矩和电磁功率就越大。功率角正是来刻划这种扭斜的程度。6.3隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路一、不考虑磁饱和，同步发电机负载运行时fI主极fFaaFI电枢EXIjE漏电势aEE00EU电枢端电压XIjRIUEEaa0相值aaRIUEEE0XIjRIEUEaa0aRI电枢反应电势气隙电势同步电抗是常数。不计饱和时这两个效应的一个参数征电枢反应和电枢漏磁它是对称稳态运行时表步电抗，称为隐极同步电机的同sassXXXXXXIjRIEUEaa0saaaXIjRIUXIjXIjRIUE0内阻抗隐极同步发电机的等效电路aRIUsXXsaaaXIjRIUXIjXIjRIUE0带有内阻抗的电源是电源0E是内阻抗sajXR隐极同步发电机的向量图aE0EEaXIj0a90IUaRIXIjEUsaaaXIjRIUXIjXIjRIUE0隐极同步发电机的向量图0EIsXIjUaRI0功率角的夹角为和:UE0内功率因数角的夹角和:00IE功率因数角的夹角和:IU0角度的含义隐极同步发电机的向量图绘制步骤0EIsXIjUaRI0作为参考向量先画出以UI确定根据负载功率因数,cos)(IRIUa它平行与的末端加上在)(90IXIjRIsa超前的末端加上在0EXIjs的末端即得连接原点和隐极同步发电机的向量图的分析0EIsXIjUaRI0sinsinUIXEs00cossinarctanUIRUIXas0220)cos()sin(UIRUIXEas0从三角关系出发coscosUIREa00隐极同步发电机的向量图的分析0EIsXIjU00cossinsIXUcossinarctanUUIXs0220)cos()sin(UUIXEsaR忽略电阻009000sincossIXUEUIXs0cossin6.4凸极同步发电机的电压方程和相量图一、双反应理论•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。凸极电机气隙是不均匀的，但是围绕直轴和交轴是对称的直轴和交轴是对称分解后，采用叠加原理当同样大小的磁动势作用在交轴上时，由于λq较小，在极间区域，交轴电枢磁场出现明显下凹，相对来讲，基波幅值Baq1将显著减小轴dadq轴d轴q当正弦分布的电枢磁动势作用在直轴上时，由于λd较大，故在一定大小的磁动势下，直轴基波磁场的幅值Bad1相对较大。mmFRF直轴下单位面积的气隙磁导λd(λd＝μ0／δd)交轴下单位面积的气隙磁导λq(λq＝μ0／δq)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(如图6—18b)，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aqF0NSaFaqadaFFF二、凸极同步发电机的电压方程和相量图fIfF0相值0EEaddadXIjEad)I(FdadaFIaqaqqaqXIjE)(qaqIFXIjE气隙电动势激磁电动势aRIU再从气隙电动势减去电枢绕组的电阻和漏抗压降，便得电枢的端电压U．采用发电机惯例，电枢的电压方程为UjXRIEEEaaqad)(0addadXIjEaqqaqXIjEqdIII凸极同步发电机的向量图的方向后才能够分解即应该先确定才能确定的的分解是需要知道问题：00EIIdq,0qI0E0UdIqqXIjIaRIddXIj角的确定0同方向没有物理含义，它和虚拟电势0EEQ)(交轴交轴向量图绘制步骤作为参考向量先画出以UI确定根据负载功率因数,cos)(IRIUa它平行与的末端加上在0090的方向得出确定得到超前的末端加上在EEIXIjRIQqa,),(qdII和角分解为按照00EQEqIddXIjqXIjaRIdII0qqXIjU)(qddXXIjqdXIj0EXIjXIjRIddqqa得出和的末端加上在)(qddXXIj0EQEqIqXIjaRIdII0U?时当qdXX凸极机和隐极机的一致性.sqdXXX隙均匀在隐极机当中，由于气0EQEqIddXIjqXIjaRIdII0qqXIjUsinsin0UIXEqQ22)cos()sin(UIRUIXEaqQ0coscosUIREaQ0)(0qddQXXIEE0sinUXIqq22)cos()sin(UUIXEqQ000sincosdXIUEddXIUEcos0忽略电阻时：0EQEqIddXIjqXIjd