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1、概述,电机学,第 6 章,6.1.1同步电机的结构型式,一、汽轮同步电机的基本结构 定子 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 转子 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,同步电机的基本工作原理,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n 旋转时，其磁场切割定子绕组而感应交流电动势 。 波形：由e=Blv可知，波形取决于磁密的空间分布。 频率：f=pn/60 大小：E=4.4
2、4fN1kw1 相序：由转子的转向决定,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。 按冷却介质和冷却方式分，有空外冷、氢冷、水内冷,同步电机的型号,型号 发电机型号表示该发电机的类型和特点 QFQS-200-2表示定子绕组水内冷、转子绕组氢内冷、铁
3、心氢冷的二极汽轮发电机，容量为200MW。 854/210-40表示立式同步水轮发电机，定子铁心外径为854cm，定子铁心长度为210cm，有40个磁极。,额定容量和额定功率 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。 额定电压 额定运行时加在三相定子绕组上的线电压。 额定电流 在额定运行状态下三相定子绕组的线电流.,额定值,6.2同步发电机的运行原理,同步发电机的电枢反应 同步发电机的电动势方程和相量图； 同步发电机的运行特性 同步发电机的并列
4、 同步发电机的有功功率功角特性和静态稳定 同步发电机的无功功率功角特性和形曲线 同步调相机和同步电动机,同步发电机的空载运行,同步发电机转子由原动机拖动到同步转速，转子绕组通以恒定的直流励磁电流，定子电枢绕组开路，这种运行状态，称为同步发电机的空载运行。 励磁电流If单独建立的励磁磁动势Ff产生的主、漏通。 主、漏磁通均随转子旋转，在气隙中形成旋转磁场。主磁通交链电枢绕组，在电枢绕组中感应电动势； 漏磁通不交链电枢绕组，不在电枢绕组中感应电动势，不参与定、转子之间的能量转换.,空载特性,空载时电磁关系： 空载特性： 空载电动势 大小： 空载特性曲线： 气隙线,电枢反应,电机带上负载后，电枢磁动
5、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.,励磁磁势和电枢磁势的区别,由电流相序决定 由原动机决定 转向 由磁极对数和电流频率决定 由电流瞬时值决定 恒定，由电枢电流决定 正弦波 电枢反应磁动势 由原动机的转速决定 由转子位置决定 恒定，由励磁电流决定 正弦波 励磁磁动势 转速 位置 大小 基波波形,准备工作,1.三个角 1)内功率因数角,是E0与F之间的时间相位角,与电机参数及负载有关.,2)外功率因数角,是U与F之间的时间相位角,与负载有关,
6、3)功率角(功角),是E0与U之间的时间相位角.,三个角之间的关系为=+,2.四个轴,直轴(纵轴、d轴）：主磁极轴线位置。 交轴（横轴、q轴）： 与直轴成900电角度的位置。 相轴： 每相绕组的轴线位置。 时轴： 时间相量在其上投影可得到时间量的瞬时值。,同步电机结构图,1.=0时的电枢反应,空载电动势E0和电枢电流Ia同相位.,C轴,q轴 A轴,B轴,A,B,C,Ff与Fa的夹角为+90 电枢反应性质： 交轴电枢反应,2.=90时的电枢反应,空载电动势 E0 超前电枢电流Ia90,Ff与Fa的夹角为+90,电枢反应性质：,直轴去磁电枢反应,3.=-90时的电枢反应,空载电动势 E0 滞后电枢
7、电流Ia90,Ff与Fa的夹角为+90,电枢反应性质：,直轴助磁电枢反应,4.090时的电枢反应,空载电动势 E0 超前电枢电流,Ff与Fa的夹角为+90,电枢反应性质：,交轴电枢反应兼 直轴去磁电枢反应,4.090时的电枢反应,此种情况下,-直轴分量 -交轴分量,4.090时的电枢反应,此种情况下,-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,一般情况下的电枢反应（总结）,位置,q轴,d轴,d轴,d、q轴,d、q轴,记作,夹角,电枢反应性质,交轴,直、去,直、助,交、直去,交、直助,对电机的影响,下降,下降,下降,不变,不变,波形畸变,削弱,削弱,增强,增强,下降,下降,上
8、升,上升,不变,负载性质,R,L,C,R、L,R、C,电磁转矩,同步发电机带上负载后，电枢电流建立电枢反应磁场，它与励磁电流作用 产生电磁力，在某些情况下形成电磁转矩，实现机电能量转换。,1.有功电流产生电磁力,形成电磁转矩,当发电机带有功负载(阻性负载)时,可以近似认为,机电能量转换,有功电流产生电磁力,形成电磁转矩,即，电枢绕组流过有功电流时,产生交轴电枢反应磁场。励磁绕组载流体在该磁场作用产生电磁力，并形成制动性质的电磁转矩。,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，电磁转矩越大，为了保持电机的转速不变，要求原动机输入更大的驱动转矩调节有功功率。,2.无功电流产生电磁
9、力但不形成转矩,发电机带电感或电容负载(无功负载)时,可以认为 产生直轴去磁(或助磁)电枢反应磁场。励磁绕组载流体在该磁场作用产生电磁力，但不形成电磁转矩。 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。,3. 系统静特性,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，致使发电机端电压下降（或上升）。为维持电压恒定，励磁电流需要相应增加（或减小）调节无功功率。,无功电流产生电磁转矩,同步发电机的电动势方程和相量图,同步电抗,饱和因素,不考虑磁路饱和时,各电动势与其对应的电流成正比,即有 由于定子漏磁通的路径主要是气隙，磁路不饱和，所以漏抗为常数。,:对应于 的直轴
10、电枢反应电抗, 对应于,的漏电抗,对应于,的交轴电枢反应电抗,对于凸极同步电机,由于直轴气隙比交轴气隙小，直轴磁阻比交轴磁阻小，所以有,对隐极同步电机，由于气隙均匀，交、直轴的磁阻大小相等，即认为,xa隐极发电机对应a的电枢反应电抗,电枢反应电抗为三相对称电枢电流产生合成的电枢反应磁场感应于一相的电枢电动势与其对应的相电流的比值，它综合反映三相对称电流产生的合成电枢反应磁场对定子一相的影响。,当三相对称电流流过电枢绕组时，产生电枢反应磁通和漏磁通，分别在电枢绕组中感应电枢反应电动势和漏感电动势。,对隐极电机，全部电动势为,xt 称为隐极电机的同步电抗，是电枢反应电抗和漏抗之和。同步发电机正常运
11、行时，磁路略呈饱和，磁路越饱和，所对应的电抗越小。,对凸极电机,分别称为直轴和交轴同步电抗。,直轴磁路的气隙较小，应当考虑铁心饱和的影响， 因而具有饱和值和不饱和值之分；而交轴磁路气隙较大， 可认为只有非饱和值，为常量。,同步电抗是同步电机的一个重要参数，它是表征同步发电机稳定运行时电枢反应磁场和电枢漏磁场对电枢电路作用的一个综合参数。同步电抗的大小直接影响同步发电机端电压随负载波动的程度和在大电网运行时的稳定性，也影响同步发电机短路电流大小。,凸极同步发电机的电动势方程和相量图,正方向按图规定，则有,代入,得到凸极发电机的电动势方程,注意：方程式中的电压、电动势和电流均为相值。,凸极同步发电
12、机的相量图作图步骤,凸极同步发电机的相量图,若内功率因数角不知，可从以下公式求取,隐极同步发电机的电动势方程、等效电路和相量图,电磁关系：,2. 数学模型,电动势平衡方程,代入,可得到隐极发电机的电动势方程,隐极发电机的等效电路,隐极发电机的相量图,相量图,由相量图可知,根据相量图可求出,同步发电机的运行特性,一、空载特性,定义：,续,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、判断励磁绕组有无故障等。,二、短路特性,定义
13、：,短路特性,短路时的等效电路,2.同步电抗的求取,求xd不饱和值,根据公式,求xd不饱和值时,首先给定一励磁电流If，在空载特性的不饱和段或气隙线上确定对应If的E0值，然后在短路特性曲线上确定对应If的短路电流Ik的值,则,求取xd饱和值,求取xd饱和值时，首先在空载特性上取对应额定电压UN的励磁电流If0，再从短路特性上取出对应If0 的短路电流Ik，则,交轴同步电抗,三、外特性,定义：,外特性(续）,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
14、性电流在漏抗上的压降。,为了在不同功率因数下时能得到额定电压，感性负载时要增大励磁电流，容性负载时应减小励磁电流。,四、调节特性,定义：,调整特性曲线,调整特性曲线(续),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。,同步电机的并联运行,并联运行的含义,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
15、量。,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,无穷大电网的含义,并列方法,1.准同步法,2.自同步法,准同步法,准同步并列必须满足的条件,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步并列，将对电机产生严重的危害。,不满
16、足并联条件时的结果,1. 电压大小不等,在电位差的作用下发电机产生冲击电流，即,由于xd 很小，所以即使U不大，冲击电流也会很大,此时,S两端有电位差,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，使电枢绕组端部受冲击力的作用而变形。,2. 相位不同,此时,ab两端有电位差,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。,（续）,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;,3)电枢绕组发热.,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。,（续）,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。,并发电机频率略高于电网频率时,冲击电流的有功分量与电压同相位,表明发电机向电网发出有功功率,并对转轴产生制动性质转矩，电机减速，频率下降，直至,并发电机频率略低于
