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1、第六章 同步电机的稳态分析,同步机：,本章讨论内容：同步电机的基本结构，工作原理，电磁过程；基本平衡方程；运行特性以及同步发电机与电网并联运行；同步机的不对称运行。,运行方式：同步电动机; 同步发电机; 同步补偿机,一、同步电机的基本结构,1、隐极同步电机,汽轮发电机一般都是两极：,定子绕组三相对称绕组（又称电枢绕组）。,定子：,定子铁芯内圆周均匀开槽的硅钢片叠成。,转子绕组置于转子槽中，通直流电励磁（有时称励磁绕组）,转子：,转子铁芯整块具有良好导磁性能的高强度合金钢锻成，不开槽部分约1/3圆周）称为“大齿”,汽轮发电机一般采用细长结构,（国产200MW汽轮发电机）,（国产600MW汽轮发电
2、机）,Stator of Turbo-dynamo with 330MW Made in China （国产330MW汽轮发电机）,Stator Core of Turbo-dynamo with 330MW Made in China （国产330MW汽轮发电机定子铁心）,定子铁心,定子绕组端部,汽轮发电机转子结构,2、凸极同步电机,如图所示，一般水轮发电机为凸极同步机，电机极数较多。对50Hz电网而言，转速在几百到几十转/分。所以通常水轮机为“扁平”结构。,定子铁芯和绕组与汽轮机相似。转子铁芯为凸极式结构，转子绕组为集中励磁绕组。,(1) 立式水轮发电机,(2) 卧式水轮发电机,(3) 灯
3、泡贯流式水轮发电机,(4)转子结构,10000kw水轮机转子,凸极极通常有卧式和立式两种结构，通常同步电动机、同步补偿机、内燃机和冲击式水轮机拖动同步发电机采用卧式结构，而大型水轮发电机采用立式结构，立式水轮发电机的推力轴承是关键部件。,除了转子励磁绕组，通常在转子上还装有阻尼绕组。起抑制转子转速的作用。在同步电动机和补偿机中，主要作为起动绕组用。,Hydraulic Turbine Generator in Operation （现场运行的水轮发电机）,二、同步电机的运行状态,旋转磁场，同时转子转速也是同步转速，所以定、转子磁势保持相对静止，它们之间相互作用产生电磁转距，实现机电能量转换，,
4、同步电机三种运行状态：电机运行状态主要决定于转子磁场和定子合成磁场之间的夹角功率角 。,发电机：将机械能转换为电能，所以定、转子磁场相对位置如图所示，转子主磁场超前于定子合成磁场 ，转子从原动机输入驱动转距（ ），转子上受到制动性质的电磁转距（ ）当 时电机转子以同步转速 恒速旋转，定子绕组向电网输出功率。,电动机:将电能转换成机械能，所以定、转子磁场相对位置如图6-7c)所示 。电磁转距Te是驱动性质转距。定子从电网吸收电功率，转子可以拖动负载，而输出机械功率。,补偿机:当 时，此时电机没有有功功率的转换，电机处于补偿机状态或空载状态。,并励或他励直流发电机与同步发电机同轴安装。若是他励直流
5、发电机，则同轴还有一副励磁机供给直流机励磁，直流机发出直流电供给同步发电机转子励磁绕组。同时为了随负载变化能同步发电机励磁而保证输出电压恒定，称为复式励磁系统。,三、同步机的励磁方式,1、直流励磁机励磁,2、整流器励磁,图6-9 静止整流器励磁系统,四、额定值,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 指额定运行时定子的线电压.,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,7、额定励磁电流 有时也作为额定值写在铭牌上,5、额定频率 指额定运行时电枢绕组的电压或电流的频率我国标准工频为50Hz,6、额定转速 指额定运行时电机
6、的转速,6.2 空载和负载时同步发电机磁场,励磁绕组通直流励磁电流，原动机拖动转子以同步转速旋转，电枢绕组开路的情况，称为同步发电机的空载运行。,一、空载运行,同步电机空载时，转子励磁绕组通直流电所产生磁场分两部分：主磁通 穿过气隙匝链定子绕组；主极漏磁 不通过气隙与定子绕组匝链。主磁场“切割”定子三相绕组，在定子绕组中感应三相对称感应电势，称其为激磁电势（或空载电势 ）,其中: 空载时每极磁通量,空载特性的下部是一直线，与下部相切的直线称为气隙线，当 增大 增大时，由于磁路饱和，空载特性逐渐弯曲。,空载特性,空载特性是同步电机的一条基本特性。,二、对称负载时的电枢反应,当电机运行时，电枢绕组
7、将流过对称三相电流，此时电枢绕组将产生旋转的电枢磁势，电枢磁势基波分量与转子励磁磁势转向和转速相同，此时，气隙中磁场由定、转子磁势共同产生。电枢磁动势的基波在气隙中产生的磁场就称为电枢反应。,电枢反应的性质取决于激磁电动势和主磁场在空间的相对位置，此相对位置取决于激磁电动势 和负载电流 之间的相位角 （称其为内功率因数角）,同方向同速度旋转，二者的相对位置始终不会改变。,1、 与 同相位,此时电枢反应为交轴电枢反应。,对于同步发电机，当 时，主磁场将超前于气隙合成磁场，主极将受到一个制动性质的电磁转距，所以交轴电枢磁动势与产生电磁转距及能量转换直接有关。,时空矢量图上 与 相位相同,2、 与
8、不同相位,将Fa分解为两个分量：,交轴电枢磁动势,直轴的电枢磁动势,交轴电枢磁动势 与能量转换直接有关；直轴电枢磁动势 的作用是去磁或助磁.。,6.3 隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路,一、不考虑磁饱和时,不计饱和时， 和 的作用分别考虑，再把它们作用结果叠加起来。,电枢：,主极：,按发电机惯例由回路电压定律可得：,所以：,Xa是电枢反应磁通相应的电抗，称为电枢反应电抗。（电枢电流产生电枢反应磁场，在定子每相绕组中感应电势可以表示为电枢绕组相电流与电枢反应电抗的乘积）,所以：,隐极同步电机的同步电抗。,二、考虑磁饱和时,考虑饱和时，由于磁路的非线性，应先将磁势进行合成，再利用磁化曲线
9、求相应的气隙合成磁场和感应电势 ，即：,电压平衡方程式：,ka的物理意义：产生同样大小的基波气隙磁场，一安匝的电枢磁动势相当于多少安匝的梯形波主极磁动势ka0.931.03,阶梯波幅值,正弦波幅值,6.4凸极同步发电机的电压方程和相量图,一、双反应理论,凸极同步发电机气隙是不均匀的，直轴处气隙小，交轴处气隙大，极面下气隙小，两极间气隙大，所以直轴下单位面积的气隙磁导要比交轴下单位面积的气隙磁导大的多。,当正弦分布的电枢磁动势作用在直轴上时，产生的基波磁场的幅值较大，而作用于交轴上时，产生的基波磁场幅值较小.,一般情况下，Fa既不作用于直轴，也不作用于交轴上，而是在空间任意处（Fa位置决定于负载
10、性质），可将Fa分解成直轴和交轴两个分量,再用对应的直轴和交轴磁导分别算出直轴和交轴的电枢反应。最后再将它们效果相加，这种将电枢反应分解为交、直轴分量，分别处理的方法，称为双反应理论。,二、凸极同步发电机的电压方程和矢量图,1、电压方程,不计饱和时：,列出电压方程：,所以不计饱和时：,直轴电枢反应电抗,交轴电枢反应电抗,-直轴同步电抗,交轴同步电抗,2、相量图,三、直轴和交轴同步电抗的意义,由于电抗与绕组匝数平方成正比与磁场所经磁路磁导成正比，所以：,电枢绕组每相串联匝数 直轴和交轴磁路等效磁导 -主磁导所对应的磁路， 漏磁路磁导,6.5 同步发电机的功率方程和转矩方程,1、功率方程,若同步电
11、机的转子交流励磁由别的直流电流供给时，则转子轴上输入机械功率P1，扣除机械损耗P 和铁耗PFe ，即为靠电磁感应传递给电枢绕组的功率电磁功率Pe 。,电枢绕组得到的电磁功率Pe扣除电枢绕组铜耗，可得输出电功率P2,其中：,对于隐极机而言 所以：,2、电磁功率,由要进行能量转换，则 即电枢电流中必须要有交轴电枢电流 在发电机中由于交轴电枢反应存在，使得气隙合成磁场与转子主极磁场之间错开一定角度，使主极上受到制动的电磁转距，原动机克服电磁转矩而做功，将机械能转换为电能。 与 夹角称为功率角 ，不难看出， 愈大，交轴电枢反应愈强， 角就愈大，在一定范围内，电磁转距和电磁功率愈大。,-同步机械角速度,
12、To -同步发电机空载转矩,Te -电磁转矩,T1 -原动机驱动转矩,二、转矩方程,6.6 同步电机参数的测定,一、用空特性和短路特性确定Xd(不饱和值）,空载特性：I = 0时 Eo = f ( If ),可以由实验求取,实验时，让电机电枢绕组开路，原动机拖动转子以同步转速旋转，调节两励磁电流If,记录不同励磁电流所对应端电压Uo直到Uo = 1.25UN左右。做出U = Eo = f ( If )曲线。,短路特性：U = 0时I = f ( If )曲线，也可以由实验求取：,电枢绕组短路，原动机拖动转子以同步转速旋转，调节励磁电流If，记录不同If 时的电枢绕组短路电流Ik ,直到Ik =
13、 1.25IN左右。做出U = 0时I = f ( If )曲线.,分析：短路时，由于端电压U = 0，所以电枢绕组的短路电流主要在电枢绕组内阻抗限制，一般电枢绕组电枢远小于内阻抗。所以，短路电流可以认为是纯感性的,电枢电流是纯去磁性质的直轴电枢反应电流。所以电枢磁路不饱和，短路特性接近于是一直线。,由于短路特性对应磁路不饱和，所以求出的Xd亦为不饱和值，Eo也应查空载特性的气隙线。,二、Xd的饱和值的测定,忽略漏阻抗压降则电机的饱和程度决定于端电压，不同的饱和程度有不同的Xd饱和值，通常用对应额定电压时的Xd作为其饱和值。从空载特性曲线查出对应的短路电流 。,对于隐极电机：,6.7 同步电机
14、的运行特性,一、同步发电机的运行特性,同步发电机的稳态运行特性包括外特性，调整特性和效率特性，从这些特性可以确定发电机的电压调整率，额定励磁电流和额定效率。,1、外特性,= 常数， = 常数时U = f ( I )关系，称为外特性。,感性和阻性负载时，随负载电流增加端电压将减小，外特性曲线是下降的。这是因为电枢反应的去磁和漏阻抗压降所引起的。在容性负载时，由于电枢反应的增磁作用，外特性可能是上升的。,为说明端电压的变化，引入电压调整率：,电机从额定运行状态卸去负载过渡到空载状态时端电压的升高值与额定值之比的百分值。,凸极机：,隐极机：,2、调整特性,= 常数时，If = f ( I )关系称为
15、调整特性,汽轮发电机：,3、效率特性,由于:,所以电机的效率决定于电机的损耗。,同步电机基本损耗有：基本铁耗 ，电枢基本铜耗 励磁绕组损耗 和机械损耗 。,大型水轮发电机 ：,6.8 同步发电机与电网的并联运行,现代电力系统通常总是由许多发电厂并联组成。每个发电厂又有多台发电机在一起并联运行。,并联运行的优点：,1）可以提高电力系统的供电质量。,2）可以合理利用动力资源。,3）可以减少电机的备用台数，提高电网供电的可靠性。,一、同步发电机投入并联的条件和方法,投入并联的条件：,为了避免电机和电网之间产生电流冲击，投入并联的同步发电机应当满足的条件为：,1）发电机的相序与电网的相序一致。,2）发电机所发出的电压频率与电网的电压频率相同。,3）发电机所发出电压与电网电压大小相等，相位相同。,上述三条件中，第一个条件是应绝对满足的。,上述三条件，若有一个不满足，则会在发电机和电网之间引起电流、功率和转矩的冲击。,若相序不同，则对应调发电机三个出线中的任意两个，若频率不同，则对应调节原动机的转速，若电压不同，则应调节励磁电流和原动机转速。（电网为无穷大电网 U = 常数f = 常数）,投入并联的方法：为了投入并联运行而进行的调节和操作过程称为整步过程，实用的整步方法有两种，
