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1、第章 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。 第章 同步电机 .1同步电机的基本工作原理与结构 .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
2、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 第章 同步电机 机械端口 转子 定子绕组 定子铁心 电端口 A B C 返回 第章 同步电机 返回 第章 同步电机 1、汽轮发电机结构 （1）定子铁心 返回 第章 同步电机 返回 第章 同步电机 1、汽 轮发电 机结构 返回 第章 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 第章 同步电机 2、水轮发电机结构转子结构 10000kW水轮机转子 第
3、章 同步电机 1.发电环节各种电机 引进600MW汽轮发电机 第章 同步电机 国产300MW汽轮发电机 第章 同步电机 国产200MW汽轮发电机定子 第章 同步电机 国产200MW汽轮发电机定子铁心 第章 同步电机 现场运行的水轮发电机 第章 同步电机 .1同步电机的基本工作原理与结构 .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： 频率： 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 . 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。 第章 同步电机 U2 U1 W2 V1 W1
4、V2 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。 第章 同步电机 .1.3 同步电机的额定值 对同步发电机额定值之间关系为： 额定运行时加在 三相定子绕组上 的线电
5、压。 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。 在额定运行状 态下三相定子 绕组的线电流. 第章 同步电机 .2 同步发电机的空载运行 电磁关系： 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。 空载电动势 大小： 第章 同步电机 .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
6、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. 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 第章 同步电机 .3.1 时的电枢反应 d轴 q轴 U轴 U1U2 W2 V1 W1V2 NS W轴 V轴 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. 第章 同步电机 d轴 q轴 U轴 U1
7、U2 W2 V1 W1V2 NS W轴 V轴 .3.2 时的电枢反应 空载电动势 超 前电枢电流 电枢反应性质： 直轴去磁电枢反应 第章 同步电机 d轴 q轴 U轴 U1U2 W2 V1 W1V2 NS W轴 V轴 6.3.3 时的电枢反应 空载电动势 滞后 电枢电流 电枢反应性质： 直轴助磁电枢反应 第章 同步电机 d轴 q轴 U轴 U1U2 W2 V1 W1V2 NS W轴 V轴 6.3.4 一般情况下的电枢反应 空载电动势 超前 电枢电流 角, 电枢反应性质： 既有交轴,还有直轴 去磁电枢反应 第章 同步电机 此种情况下 -直轴分量 -交轴分量 -直轴分量电流产生的合成磁动势 -交轴分量
8、电流产生的合成磁动势 第章 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 第章 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。 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
9、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。 第章 同步电机 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
10、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 .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： 不计磁路饱和时有下列关系 由于 且令 则电动势平衡方程 -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。 第章 同步电机 二、凸极同步发电机的相量图 作图步骤 第章 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： 不计磁路饱和时有下列关系 令 电动势平衡方程 -同步电抗
11、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 第章 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？ 第章 同步电机 6.4.3 同步发电机特性 一、空载特性 定义： 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
12、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。 第章 同步电机 二、短路特性 定义： 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。 第章 同步电机 三、外特性 定义： 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。 第章 同步电机 四、调节特性 定义： 调整特性曲线 在感性和阻性负载时，随着负载
13、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。 第章 同步电机 并联运行的含义 .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 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
14、 1.准同期法 2.自同期法 第章 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 第章 同步电机 1. 电压大小不等 此时,ab两端有电位差 在电位差的作用下发电机产生 冲击电流，即 冲击电流为
15、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 端部受冲击力的作用 而变形。 第章 同步电机 2. 相位不同 电位差可达发电机 电压的两倍，若此时并 列，会产生很大的冲击 电流，发电机会因遭受 巨大的冲击力而损坏。 冲击电流的影响：1)电枢绕组端 部受力变形; 2)转轴上受冲击转 矩的作用,使机轴扭曲变形;)电 枢绕组发热. 此时,ab两端有电位差 第章 同步电机 3. 频率不同 转轴上时而产生制动转矩、时而产 生驱动转矩，结果是电机振动。 拍振电流使电枢绕组端 部受力变形，使电枢绕 组发热。 第章 同步电机 频率差过大电机不能并列；频率差较小时，靠自整步作 用，可以把发电机拉入同步。 第章 同步电机 4. 相序不同 发电机实际并列时，除了相序必须一致外，其它条件允 许有一定的偏差，如U不超过10%，相位差不超过10%，频率 偏差不超过0.2%0.5%（0.10.25Hz)。 二、自同期法 相序正确前提下，起动未加励磁的发电机，当其转速接近同 步
