同步电机

第一节同步电机的基本知识同步发电机的基本工作原理同步电机基本结构一、同步发电机的基本工作原理1.基本组成1)定子——定子铁心、定子绕组（电枢绕组—交流）2)转子——转子铁心、转子绕组（励磁绕组—直流）2.工作原理1)原动机拖动转子旋转。2)转子通入直流励磁——产生恒定磁场，随转子旋转形成机械旋转磁场。3)电枢绕组切割转子旋转磁场感应电动势a.感应电动势的相序：与绕组沿定子内圆的空间分布和转子旋转磁场的方向有关——要求感应正序电势，即A—B—Cb.感应电动势的频率：与转子磁场的极对数p和转速n有恒定关系。——c.感应电动势的大小与波形——交流绕组的感应电动势。二、同步电机基本结构回顶部1.分类：1)按转子磁极形状分：隐极式和凸极式。2)同步发电机按原动机分：——汽轮发电机：整体采用卧式结构，转子磁极采用隐极式，原动机为汽轮机——水轮发电机：整体采用立式结构、转子磁极采用凸极式、原动机为水轮机2.同步电机的结构1)定子：定子铁芯——采用0.5mm厚的硅钢片叠成，以减少涡流和磁滞损耗定子绕组——交流绕组2)转子：转子铁芯——隐极机转子采用整块具有良好导磁性的高强度合金钢锻成凸极机转子采用硅钢板叠成转子绕组——直流绕组回顶部3.同步电机的铭牌1)额定容量（或额定功率）：指额定运行时电机的输出功率。2)额定电压：指额定运行时定子线电压。3)额定电流：指额定运行时定子的线电流。4)额定功率因数：指额定运行时电机的功率因数。5)额定频率：指额定运行时电枢的频率。我国标准工频为50Hz。6)额定转速：指额定运行时电机的转速。原理试验目的实验内容试验步骤试验报告思考题实验目录主目录三相同步发电机的运行特性三相同步电动机的运行特性原理三相同步发电机由原动机拖动直流励磁的同步发电机转子，以转速n(rpm)旋转，根据电磁应原理，三相定子绕阻便感应交流电势。定子绕阻若接入用电负载，电机就有交流电能输出。若认为磁路不饱和，则电枢磁势与磁极磁势各自产生相应的磁通，并在定子绕阻内感因电势。对于极电机，电枢磁势所感应的电势可以表示为Ea=-jIaXa.Xa被称为电枢反应电抗。Xa+Xσ=Xs隐极同步发电机的同步电抗。对于凸极电机，因直轴.交轴处磁阻不同，可将电枢磁势分解成Fad和Faq分别研究。它们所感应的电势分别写成Ead=-jIdXad和Eaq=-jIqXaq，式中Xad.Xaq分别是直轴及交轴电枢反应电抗。Xad+Xσ=Xd.Xaq+Xσ=Xq,Xd和Xq分别为直轴同步电抗和交交轴同步电抗。Xσ为漏磁通引起的电抗。同步电抗是决定同步电机性能的一个重要参数，通个开路实验和稳态实验就可求取。同步发电机的空载特性是一个很重要的特性，它直接影响着电机的其它特性，通个开路实验还可以发现励磁系统的故障。态短路特性和零功率因数特性也都属于同步电机的重要特性，和空载特性配合，可以求出同步发电机的态参数及确定出补偿电枢的励磁电流。同步发电机的外特性曲线用来求取电机运行时的重要指标之一及电压调整率。同步发电机的调整特性可使运行人员知道在功率因数一定时，不改变端电压值.负载电流到多小而不使励磁电流超过规定值。国家标准GB1029对三相同步电机的实验方法作了具体规定，适用于普通三相同步发电机的型式实验或检查实验。通过实验可以确定该电机各性能指标。各种电机的效率和电压调整率均在部颁标准的相应技术条件中有具体规定，将实验结果与标准规定数据比较即可确定某同步发电机的质量和性能了。若求取额定励磁电流和电压变化率，一般用做图法，跟国家标准GB1029介绍，其具体步骤如下：（1）如图1上绘制开路特性曲线，并沿纵轴额定相电压相量UN.（2）自原点O作额定电枢电流相量IN，与纵轴成ΦN角（cosΦN为额定功率因数）。（3）从相量UN终端作出电枢绕组电阻压降INRa平行与相量，IN,Ra为基准工作温度时的绕组电阻（对大型电机的Ra可忽略不计，对小型电机可进可行实际测量），从INRa终端作一垂直于相量IN的保梯电抗压降相量INXp（Xp的保梯电抗压降相量INXp（Xp的求法见下（5），UN和INRa及和INRa及INXp的相量和为相量Ep,Ep和UN的夹角δ。（4）由开路特性确定的对应于Ep的励磁电流为Ifp在相量终端上与纵与纵轴成δ+ΦN角做相量Ifa（5）额定电枢电流时电枢反应的励磁电流Ifa和保梯电抗Xp的确定：如右下图上的开路特性曲线，并在图上作F点，F点的纵坐标为额定电压，横坐标为零功率因数特性上对应于于额定电枢电压.额定电枢电流的励磁电流通过通过F点作平行于横轴的直线CF，取CF的长度等于三相稳态短特性曲线上对应于额定枢电流的励磁电流Ifk，自点C作直线平行于开路特性的直线部分于开路特性交于H，自CF作的垂线HK交CF于K，线段HK的长度即为额定电枢电流时在保梯电流电抗Xp上的压降△Up，则保梯电抗Xp，可按下式计算。Xp＝△Up／IN若用标么值绘制开路特性曲线时,则,即可直接得出.线段的长度代表对应于时的励磁电流.与的向量和即为额定励磁电流。（7）由开路特性曲线求出对应与开路电压。电压变化率按下式机算△U=（U0-UN)/UN*100注：实验室里为教学实验用的同步电机通常是小型的。一.实验目的1.掌握三相同步发电机对称运行时工作特性的测量方法。2.学会三相同步发电机对称运行时稳态参数的测量。二.实验内容1.开路实验在n=nN(即f=fN),I=0的条件下，测取开路特性E=f(If)曲线。2.三相稳态短路实验在n=nN(即f=fN),U=0的条件下，测取三相稳态短路特性Ik=f(If)曲线。3.零功率因数特性在n=nN(即f=fN),I=IN,cosφ=0的条件下，测取纯感负载特性U=f(I)曲线。4.外特性在n=nN(即f=fN),I=常数，cosφ=1和cosφ=0.8时的外性U=f(I)曲线。5.调整特性在n=nN(即f=fN),U=UN,cosφ=1时，测取调整特性I=f(I)曲线。三.实验操作步骤被试三相同发电机由直流电动机输入机械能，直流电机经过起动器（本列为四点式起动器）接入直流电网。若无起动器也可在电枢回路串入可调电阻。接线图如下所示。（实验正视图，侧视图，后视图）。开路特性测定试验步骤：（1）.接线无误后，使直流电动机磁场电阻处于最小位置，点枢回外串电阻（此图中为起动器）调至最大阻值位置。（2）.合上开关K1，起动直流电动机，调节磁场电阻R1使电机的转速到额定转速并保持不变。（3）.合上同步发电机励磁电源开关K2,同步发电机的电枢绕组开路。调节励磁电阻Rf,使空载电枢电势E0=1.3UN。读取三个线电势.励磁电流.转速作为开路特性曲线上的第一点。(4).再单方向逐步减少励磁电流，量取7-9组，数据填入表30。注意在额定附至近多测取几点，最后读取励磁电流为零时的剩磁电压表30当n=nN=rpm,I=0时序号空载电流励磁电流表中U=1/3(UAB+UBC+UCA),U0*=U0/UN,If=If/If0注：①若实验时的频率f与额定频率fN略有差异，则空载电压U0=U*fN/f式中：U----实验室测的得空载电压（单位：V)，是三个线电压的平均值。U---换算到额定频率时的空载电压，伏。②对自励恒压发电机．开路特性实验应在他励方式下进行，励磁装置系统应断开。③关系曲线E0=f(If)即为所求的开路特性。若剩磁电压较高，则空载特性应预以校正，即将特性曲线的直线部分延长与横轴相交，交点的坐标的绝对值即为正量，所有试验测得的励磁电流数据上加上此值，即得通过原点之校正，如图所示零功率因数特性实验国家标准GB1029-80规定：本实验同步发电机输出有功功率应为零，如有困难发电机也可带部分负载，但此时因数应低于0.2图50中开关K3下边的A.B.C三点改接三相电抗器，或用感应调压器代替。若用感应调压器时，应将其输出端接到开关K3下边。具体实验步骤如下：⑴起动原动机调节转速的额定值n，并始终保持不变。⑵调节发电机励磁电流使端电压大约升至1.1UN⑶在电抗器XL为最大电抗位置时，即感因调压器指示在最高电压位置时，合上开关⑷逐步减少电抗，同时增加励磁电流使发电机和电枢电流即转速约达到额定值，纪录此时的三相电压．励磁电流。⑸在保持电枢电流IN等于的情况下，逐步减少电抗，同时改变励磁电流If，使发电机端电压在1.1UN至最低制之间测取5-7组，数据纪录于下表中.表当n=nN=rpm,I=IN（A)时序号三相电压励磁电流UABUBCUCAUU*IfIf*表中U=1/3(UAB+UBC+UCA),U*=U/UN,If*=If/If0表中U=1/3(UAB+UBC+UCA),U0*=U0/UN,If=If/If0外特性⑴纯电阻负载(COΦ=1)图50中开关K3下边的A.B.C三点同时接入三相可调电阻箱。将三相负载电组调到最大位置，闭合开关K1和K2起动原动机并调到额定转速.额定电压时合上开关K3。减少负载电阻同时增加励磁电流使电压和电枢电流均达到额定值，并使原动机拖动的转速也保持额定值。此时发电机作额定窜态运行，纪录此数组于表中。以下保持发电机励磁电流If不变，转速n=nN不变逐次减少负载电流直到空载，测取4-6组数据纪录于表中.表当n=nN=rpm,If=(A)COSΦ=0.8或COSΦ=1.0时序号三相电压（V）三相电流功率因数ＵABＵBCＵCAＵIIAIBICCOSΦ表中U=1/3(UAB+UBC+UCA),I=1/3(IA+IB+IC)调整特性接线于外特性的纯电阻负载情况相同。当同步发电机空载运行，且n=nN时，调节发电机励磁电流If时端电压达到额定值。在RL最大时合上负载开关K3，减少负载电阻R2，同时调节发电机励磁电流时端电压一直保持不变，转速也保持不变在电枢电流从零到额定值之间，测取电枢电流和励磁电流值4-6组，记录于表中。表34当n=nN=rpm,u=uN=(v),cosΦ=1时序号负载电流励磁电流IAIBICII*IfIf实验内容完成后，将开关断开，随后在断开和，将实验纪录数据请指导老师检查后，在拆除和整理连线和仪器实验报告1.跟据实验数据，在同一坐标上绘出开路.短路.零功率因数特性曲线，并画出特性三角形。2.作出COΦ=1.0和COΦ=0.8时的同步发电机外特性曲线，并计算两种情况下的电压调整率。3.用开路特性和短路特性求出同步电抗的不饱和值。求出短路比。4.用原理简述”中介绍的作图法求取额定励磁电流和电压变化率。思考题1.分析同步发电机的特性三形有何意义。2.同步发电机的电压变化率△U与负载性质有何关系。3.如何利用开路短路和零功率因数特性曲线求取同步发电机的稳态参数。第五节同步发电机的运行特性空载特性短路特性外特性及电压变化率整特性同步发电机对称稳态运行时，保持转速为额定转速，端电压、电枢电流和励磁电流的变化关系。一、空载特性1．定义电枢绕组开路（空载），保持转子转速为额定转速，电枢端电压U0（空载时即激磁电动势E0）随励磁电流If的变化曲线。.2．空载特性曲线见图6-113．原因：交流绕组电动势公式。4．作用：判断同步发电机定子铁心的性能与故障。二、短路特性1．定义：电枢绕组三相短接（短路，端电压U=0），保持转子转速为额定转速，电枢电流I随励磁电流If的变化曲线。2．短路特性曲线：见图6-243．原因：忽略电枢绕组的电阻Ra，可认为短路电流为纯感性，即，则即此时，电枢反应的性质为直轴去磁的电枢反应，使气隙磁场不饱和，即。所以，。4．作用：配合空载特性求xd见图6-25，求xd不饱和值，见图6-26，求xd的饱和值，三、外特性及电压变化率1．定义保持转子转速为额定转速，且励磁电流If和负载功率因数cosφ不变，发电机端电压U随负载电流I的变化曲线，即U=f(I)。2．外特性曲线见图6-30，负载功率因数不同，外特性曲线不同3．原因感性负载（cosφ=0.8滞后）和纯电阻负载时，外特性曲线是下降的。这是由于电枢反应去磁作用和漏阻抗压降所引起的。容性负载（cosφ=0.8超前）时，外特性曲线可能上升。这是由于电枢反应助磁作用抵消漏阻抗压降使端电压下降的影响使端电