同步电机工作原理

第６章同步电机6.1同步电机的基本工作原理与结构6.2同步发电机的空载运行6.3同步发电机的电枢反应6.4同步发电机的负载运行6.5同步发电机的并联运行6.6同步电动机和同步调相机思考题与习题同步电机是交流旋转电机的一种,因其转速恒等于同步速机时得名。同步电机主要用作发电机，也可用作电动机和调相机。本章主要分析同步发电机的稳态运行原理和运行特性，简要分析同步电动机和调相机的运行状态。第６章同步电机６.1同步电机的基本工作原理与结构６.1.1同步电机的基本结构以汽轮发电机为例: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——铜线制成定子(电枢)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转子第６章同步电机机械端口转子定子绕组定子铁心电端口ABC返回第６章同步电机返回第６章同步电机1、汽轮发电机结构（1）定子铁心返回第６章同步电机返回第６章同步电机1、汽轮发电机结构返回第６章同步电机2、水轮发电机结构(1)立式水轮发电机(2)卧式水轮发电机第６章同步电机2、水轮发电机结构转子结构10000kW水轮机转子第６章同步电机1.发电环节——各种电机引进600MW汽轮发电机第６章同步电机国产300MW汽轮发电机第６章同步电机国产200MW汽轮发电机定子第６章同步电机国产200MW汽轮发电机定子铁心第６章同步电机现场运行的水轮发电机第６章同步电机６.1同步电机的基本工作原理与结构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第６章同步电机U2U1W2V1W1V2NSn发电机的物理过程可用图示表示旋转示意图1旋转示意图2第６章同步电机二、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。第６章同步电机６.1.3同步电机的额定值对同步发电机额定值之间关系为：3NNNNNNPScosUIcos)(kVUN额定电压额定运行时加在三相定子绕组上的线电压。NNPS额定功率额定容量指电机额定运行时，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。)(AIN额定电流在额定运行状态下三相定子绕组的线电流.fNfNNNNUInf额定励磁电压额定励磁电流额定转速额定效率额定频率额定功率因数Ncos第６章同步电机６.2同步发电机的空载运行fIfF0ΦΦf0E电磁关系：0110444wE.fNk空载特性：同步发电机被原动机拖动到同步转速，励磁绕组中通入直流电流，定子绕组开路的运行称为空载运行。fI空载电动势大小：0E00Nfnn,I,Ef(I)第６章同步电机６.3同步电机的电枢反应电枢反应: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.0EIfFaF励磁磁势和电枢磁势的区别基波波形大小位置转速转向励磁磁动势正弦波恒定，由励磁电流决定由转子位置决定由原动机的转速决定由原动机决定电枢反应磁动势正弦波恒定，由电枢电流决定由电流瞬时值决定由磁极对数和电流频率决定由电流相序决定第６章同步电机６.3.1时的电枢反应00d轴q轴U轴U1U2W2V1W1V2NSW轴V轴fFaFF090电枢反应性质：交轴电枢反应空载电动势和电枢电流同相位.0EI090角为之间夹与afFFaqaFF为记第６章同步电机d轴q轴U轴U1U2W2V1W1V2NSW轴V轴fF６.3.2时的电枢反应090空载电动势超前电枢电流0EI090电枢反应性质：直轴去磁电枢反应aF090角为之间夹与afFFadaFF为记第６章同步电机d轴q轴U轴U1U2W2V1W1V2NSW轴V轴fF6.3.3时的电枢反应090空载电动势滞后电枢电流0EI090电枢反应性质：直轴助磁电枢反应aF090角为之间夹与afFFadaFF为记第６章同步电机d轴q轴U轴U1U2W2V1W1V2NSW轴V轴fF6.3.4一般情况下的电枢反应空载电动势超前电枢电流角,009000EIaF090电枢反应性质：既有交轴,还有直轴去磁电枢反应090角为之间夹与afFF第６章同步电机此种情况下dqdqIIIIIsinIIcos---直轴分量---交轴分量0090成与EId同相位与0EIqaadaqadaaqaFFFFFsinFFcos---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第６章同步电机6.3.4一般情况下的电枢反应（总结）上升下降上升下降下降下降不变不变下降R、C增强交轴直轴助磁d、q轴R、L削弱交轴直轴去磁d、q轴C增强直轴助磁d轴L削弱直轴去磁d轴R波形畸变交轴q轴负载性质对电机的影响电枢反应性质记作夹角位置aFafFFaFaqFadFaqadFFadFaqadFFF000900900090000090090)f(nU第６章同步电机6.3.5电枢反应与机--电能量转换电枢反应是同步电机在负载运行时的重要物理现象，它不仅是引起端电压变化的主要原因，而且也是电机实现机---电能量转换的枢纽。.T，em电磁转矩转轴上产生制动性质的在励磁电流共同作用交轴的电枢反应磁场与.II,IE,qq的有功分量可以认为是产生的同相的势与空载电动交轴电枢反应磁动势是时当000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，越大，这就要求原动机输入更大的驱动转矩，维持电机的转速不变。emT第６章同步电机.II,IE,）(dd的无功分量是可以认为的产生的成与直轴电枢反应磁动势是时或当0000909090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.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，致使电压下降（或上升）。为维持电压恒定所需的励磁电流也需要相应增加（或减小）。直轴电枢反应磁场与励磁电流共同作用,在励磁绕组上产生电磁力,但不能形成电磁转矩.第６章同步电机一般情况下，发电机既带有功负载，又带感性无功负载，有功电流的变化影响发电机的转速及频率，无功电流的变化影响发电机的电压。综上所述，交轴电枢反应的存在是实现机——电能量转换的关键。为了保持发电机的频率和电压的稳定，必须随负载变化及时调节发电机的输入功率和励磁电流。第６章同步电机6.4.1凸极同步发电机的电动势方程和相量图６.4同步电机的负载运行一、凸极同步发电机的电动势方程电磁关系：fIfF0ΦfΦ0EΦdIadFadΦadEqIaqFaqΦaqEEI不计磁路饱和时有下列关系addadaqqaqEjIXEjIXEjIX由于qdIII且令dadqaqXXXXXX则电动势平衡方程0addqqEUIRjIXjIXdqXX--直轴同步电抗--交轴同步电抗分别表征在对称负载下，单位直轴或交轴三相电流产生的总电枢磁场在电枢每一相绕组中感应的电动势。第６章同步电机二、凸极同步发电机的相量图作图步骤;IU)(和根据已知条件绘出1;IEEXIjRIUE)(QQqaQ的夹角与及作出根据2;III)(qd和分解成角将根据3.EOG,G,XIjXIjM,XIjXIjRIUE)(ddqqqqdda004线段即得连接端得到末及点依次作出从根据第６章同步电机6.4.2隐极同步发电机的电动势方程、相量图和等效电路一、电动势方程电磁关系：fIfF0ΦfΦ0EΦaΦaEEIaF不计磁路饱和时有下列关系令taXXX电动势平衡方程0atEUIRjIXtX--同步电抗aaEjIXEjIX表征在对称负载下，单位三相电流产生的电枢总磁场在电枢每一相绕组中感应的电动势。第６章同步电机二、等效电路和相量图等效电路相量图根据相量图可求出220atEUcosRIUsinXItaXIUsinarctanRIUcos第６章同步电机当忽略电枢回路电阻时得到的等效电路称为简化等效电路,对应的相量图称为简化相量图思考题分别作出汽轮同步发电机带阻性、纯感性、纯容性、电感性、电容性负载时的简化相量图？并说明各种情况下电枢反应的性质？第６章同步电机6.4.3同步发电机特性一、空载特性定义：1000fnn,I,UEf(I)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、判断励磁绕组和定子铁心有无故障等。第６章同步电机二、短路特性定义：10Sfnn,U,If(I)短路时的等效电路短路特性曲线短路特性与空载特性配合可以求出电机的同步电抗。第６章同步电机三、外特性定义：1fnn,IC,cosC,Uf(I)外特性曲线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。第６章同步电机四、调节特性定义：1fnn,UC,cosC,If(I)调整特性曲线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,使系统中无功功率的分配更合理一些。第６章同步电机并联运行的含义６.5同步电机的并联运行1、提高供电的可靠性；2、提高供电的经济性；3、提高电能的质量。无穷大电网的含义0cccSUCfCZ将两台或更多台发电机分别接在电力系统对应母线上，或通过变压器、输电线接在电力系统的公共母线上，共同向负荷供电。并联运行的优点并列方法1.准同期法2.自同期法第６章同步电机6.5.1并联运行的条件一、准同期并列的条件1.待并发电机的电压与电网电压大小相等；2.待并发电机电压相位相同与电网电压相位相同；3.待并发电机电压频率与电网电压频率相同；4.待并发电机的相序与电网的相序相同。上述条件（4）一般在安装发电机时，根据发电机的转向确定了发电机的相序而满足，因此运行人员在并列时只需调节发电机使其满足其它三个条件即可。不满足任一条件的并列称为非同期并列，将对电机产生严重的危害。重点内容第６章同步电机1.电压大小不等此时,ab两端有电位差gcUUU在电位差的作用下发电机产生冲击电流，即gccddUUUIjxjx冲击电流为无功分量，不会加重原动机的负担，但会在电枢绕组中产生很大的冲击力，使电枢绕组端