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1、第六章 同步电机的稳态分析,同步电机也是一种常用的交流电机。其特点： 转子的转速与电网频率f之间具有固定不变的关系，即 若电网的频率不变， 同步电机的转速恒为常值而与负载的大小无关。,运行方式：发电机，电动机，调相机。,6-1 同步电机结构和工作原理,旋转电枢式电枢装设在转子上，主磁极装设在定子上 旋转磁极式主磁极装设在转子上，电枢装设在定子上 凸极式同步电机 隐极式同步电机,一、同步电机结构：,1、按磁极的安装位置分类：,定子铁心内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。,转子铁心装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极
2、性相间的分布磁场，称为励磁磁场,处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性能有重大影响,2、同步电机结构,凸极式同步电机,隐极式同步电机,同步电机结构,汽轮发电机组,水轮发电机组,同步电机结构,水轮发电机分瓣定子,二、励磁形式,概念,励磁方式同步电机获取直流励磁电流的方式 励磁系统供结励磁电流的整个系统，包括装置和线路 励磁机 励磁调节器（手动、自动） 灭磁装置,正常运行时，供给励磁电流 为维持端电压或电网电压值，随负载情况变化，励磁电流能相应调节 当系统电压严重下降时（如发生短路故障等），能强行励磁提高电势，保持电压稳定 突然丢负荷时，如水轮机组转速明显
3、升高，能强行减磁，限制端电压过度增高。 当电机内部发生短路故障时，能快速灭磁和减磁，以减小故障的损坏程度。 对两台以上并列运行发电机，能成组调节无功功率，使无功合理分配。 其他：反映迅速，运行可靠，结构简单，损耗小，成本低，体积小等,对励磁系统的要求,励磁方式,它励 由另外电源供电直流发电机，带整流的交流发电机 运动方式同轴，独立工作 自励 自并励，自复励，谐波绕组励,直流励磁机励磁,直流励磁机通常与同步发电机同轴，采用并励或者他励接法，或采用负载电流反馈的复式励磁。 采用他励接法时，励磁机的励磁电流由另一台被称为副励磁机的同轴的直流发电机供给。,交流励磁机静止整流励磁,副励磁机的励磁电流开始
4、时由外部直流电源提供，待电压建立起来后再转为自励(有时采用永磁发电机)。,副励磁机的输出电流经过静止晶闸管整流器整流后供给主励磁机,主励磁机的交流输出电流经过静止的三相桥式硅整流器整流后供给主发电机的励磁绕组。,同一轴上有三台交流发电机，即主发电机、交流主励磁机和交流副励磁机。,静止整流器的直流输出必须经过电刷和集电环才能输送到旋转的励磁绕组，对于大容量的同步发电机，其励磁电流达到数千安培，使得集电环严重过热。 在大容量的同步发电机中，常采用不需要电刷和集电环的旋转整流器励磁系统。 主励磁机是旋转电枢式三相同步发电机，旋转电枢的交流电流经与主轴一起旋转的硅整流器整流后，直接送到主发电机的转子励
5、磁绕组。交流主励磁机的励磁电流由同轴的交流副励磁机经静止的晶闸管整流器整流后供给。由于这种励磁系统取消了集电环和电刷装置无刷励磁系统。,交流励磁机旋转整流系统,三、同步电机的基本工作原理,励磁绕组建立起主磁场 ;,原动机拖动转子旋转, 励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组 ;,电枢绕组三相对称交变电势。通过引出线，输出交流电 。,感应电势的有效值：,感应电势 频率： 感应电势的频率决定于同步电机的转速n 和极对数p ，即,四、同步电机铭牌,同步电机铭牌,我国生产的汽轮发电机有QFQ、QFN、QFS等系列。 前两个字母表示汽轮发电机；第三个字母表示冷却方式，Q表示氢外冷，N表示氢内冷，S表
6、示双水内冷。 水轮发电机系列：TS系列，T表示同步，S表示水轮。 举例：QFS-300-2 表示容量为300MW双水内冷2极汽轮发电机。TSS1264/160-48表示双水内冷水轮发电机，定子外径为1264厘米，铁心长为160厘米，极数为48。 另外同步电动机系列有TD、TDL等，TD表示同步电动机，后面的字母指出其主要用途。如TDG表示高速同步电动机；TDL表示立式同步电动机。同步补偿机为TT系列。,额定容量SN（额定功率PN）：额定运行时电机输出的功率； 额定电压UN：额定运行时定子三相线电压； 额定电流IN：额定运行时定子三相线电流； 额定功率因数：额定运行时电机的额定功率； 额定频率；
7、额定运行时的频率； 额定转速：同步电机的同步转速；,额定值间的相互关系：,额定值,6-2 空载和负载时同步发电机的磁场,空载运行：原动机带动发电机在同步转速下运行, 励磁绕组通过适当的励磁电流, 电枢绕组不带任何负载时的运行情况。 空载运行是同步发电机最简单的运行方式，其气隙磁场由转子磁势单独建立。磁通分为主磁通和漏磁通。,一、空载运行,（1）隐极同步电机的空载磁势,励磁绕组埋于转子槽内，沿转子圆周气隙近似均匀。 励磁磁势在空间的分布为一个阶梯形，受齿槽的影响,气隙磁密呈现出波动变化。 用谐波分析法可求出其基波分量 合理地选择大齿的宽度可以使气隙磁密的分布接近正弦波。如无特殊说明，以后仅考虑磁
8、通密度的基波分量,1 空载磁势,（2）凸极同步电机的空载磁势,励磁绕组为集中绕组，磁势波为矩形波,对于凸极发电机来说，由于定转子间的气隙沿整个电枢圆周分布不均匀，极面下气隙较小，磁阻较小；极间气隙较大，极间磁阻很大。同一个极面下，气隙径向磁通密度的分布近似于平顶的帽形。极靴以外的气隙磁通密度减少很快，相邻两极中线上的磁通密度为零。 气隙磁密用付立叶谐波分析分解出空间基波和一系列谐波。,感应电势的波形和大小与气隙磁密的分布形状及幅值大小紧密相关。 在设计和制造电机时，应采取适当的措施，以获得尽可能接近正弦分布的气隙磁密，从而得到较高品质的感应电势。,磁密波Bf1与定子任一相交链的磁通量0是时间变
9、量， 由 感应产生的该相电势用 表示,当定子各相的时间参考轴都取在各自的相绕组轴线时， 与 重合。,2 同步电机中的时空量,将相绕组轴线作为空间矢量参考轴（相轴） 令时间相量参考轴（时轴）与空间矢量参考轴重合,时间相量绕组的感应电势、电压和电流，匝链的磁通 空间矢量磁势和磁通密度（随时间变化）,励磁磁势的基波Ff1和由它产生的气隙磁密波Bf1为空间分布波， 两者同相位，其正波幅处于转子直轴正方向， 且与转子一起以同步速旋转；,当Bf1波的波幅来到某相轴左侧900时， Bf1波与该相绕组交链的磁通量的瞬时值正好为零， 这时0 在该轴线左侧900。,3 空载电势,三相电势对称,只有主磁通才在定子绕
10、组中产生感应电势,二、 对称负载时的电枢反应,空载时，只有一个以同步转速旋转的励磁磁势Ff随轴同转的转子磁势 (称为机械旋转磁势) ，在电枢绕组中感应出三相对称交流电势，励磁电势，即空载电势E0。 当电枢绕组接上三相对称负载后，电枢绕组中流过三相对称的交流电流 ，将形成一个以同步速度旋转的旋转磁势电枢磁势Fa电枢旋转磁势 (称为电气旋转磁势）。 两个旋转磁势的转速均为同步速，且转向一致，二者在空间处于相对静止状态，矢量合成为一个合成磁势 。 气隙磁场 由合成磁势 在电机的气隙中建立起来的磁场。 同步发电机负载以后，电机内部的磁势和磁场及绕组中感应电势将发生显著变化，此变化主要由电枢磁势的出现所
11、致。 电枢反应,同步电机的电枢反应,同步电机的磁场建立：,负载时， 电枢磁动势的基波对主磁极基波磁场的影响称为电枢反应。,内功率因数角,解释：时间相量Ia与空间矢量Fa同向 电枢磁势Fa三相电流产生的合成磁势，哪一相电流达最大值，则位置在其绕组的轴线上； A相电流Ia如Ia最大，则Ia在相轴上，此时Fa正好在交轴上,假定：磁路不饱和，隐极式转子。,电枢磁势基波与励磁磁势同转速、同转向、彼此保持相对静止。,影响电枢反应的量,1、=0时的电枢反应分析,输出电流 和空载电势同相，有功功率从电机输至电网发电机状态。 0，cos1，sin0，不发出无功功率。 转子磁势在直轴上，电枢磁势作用在交轴上，电枢
12、反应的结果使得合成磁势的轴线位置产生一定的偏移，幅值发生一定的变化。 作用在交轴上的电枢反应称为交轴电枢反应，简称交磁作用,交轴电枢反应 Fa滞后于Ff1发电机,2、=/2 时的电枢反应分析,输出电流滞后于空载电势90，cos0，sin1，有功功率等于零，仅发出电感性无功功率。 转子磁势和电枢磁势均作用在直轴上，方向相反，电枢反应为纯去磁作用，合成磁势的幅值减小直轴去磁电枢反应。 为保持电压不变，应增大励磁，即为过激状态，将输出电感性无功功率,直轴电枢反应,3、= 时的电枢反应分析,I与E0反相。cos1，sin0，有功功率将从电网输送到电机电动机运行状态。 sin0，不发出无功功率。 转子磁
13、势作用在直轴上，电枢磁势作用在交轴上，电枢反应使合成磁势的轴线位置产生一定的偏移，幅值发生一定的变化。,交轴电枢反应 Fa超前于Ff1电动机,4、=-/2 时的电枢反应分析,输出电流超前空载电势90，cos0，sin1，有功功率等于零，仅发出电容性无功功率，或吸收电感性无功功率。 转子磁势和电枢磁势均作用在直轴上，方向一致，合成磁势的幅值加大，电枢反应为纯增磁作用直轴助磁电枢反应。 为保持电压不变，应减少励磁，即为欠激状态，将输出电容性无功功率,直轴电枢反应,5、 y为任意角度时的电枢反应,将电枢磁势分解为直轴和交轴两个分量。,电枢反应的总结,交轴的电枢反应使转子产生电磁转矩， 实现能量转换；
14、 直轴电枢反应对气隙磁场起助磁或去磁的作用， 不产生转矩； 电枢磁动势和励磁磁动势间的夹角会随着电机的运行情况改变。 电枢反应的性质也随负载的变化而变化。 交轴分量Faq滞后于Ff1为发电机运行，超前于Ff1为电动机运行，分别对应于输出和输入有功功率。 直轴分量Fad可能是磁化或去磁作用，当去磁作用时，处于过激状态。当直轴电枢磁势起磁化作用时，接在电网上的同步电机处于欠激状态。,电枢反应是实现能量转换的关键,同步电机空载运行时，定子绕组开路，没有负载电流：不存在电枢反应，不存在由转子到定子的能量传递。 当同步发电机带有负载时，就产生了电枢反应。 不同负载性质时，电枢磁场与转子电流产生不同性质的
15、电磁力和电磁转矩。实现能量的传递,（a)：电枢反应交轴作用，电磁力与旋转方向相反，为了维持发电机的转速不变，必须随着有功负载的变化调节原动机的输入功率 （b）（c）：电枢反应直轴作用，b为去磁，c为助磁，为保持发电机的端电压不变，必须随着无功负载的变化相应地调节转子的激磁电流。,6-3 隐极同步发电机的负载运行,不计磁路饱和， 磁路线性， 把主极磁势和电枢磁势的作用分别考虑， 再利用叠加原理。,一、不考虑磁饱和,按照规定的参考正方向，电枢绕组一相的电动势平衡方程：,xa为电枢反应电抗,1、电动势平衡方程,E0空载电势，反应转子磁场的作用 Ea电枢反应电势，反应电枢磁场的作用。是三相合成电枢反应
16、磁场在一相绕组中的感应电势。 E漏抗电动势，可以写成漏抗压降形式,Xs：为同步电机的同步电抗， 磁路不饱和时为常数。,2、隐极同步发电机等效电路,隐极同步电机的等效电路图：,3、隐极同步电机的相量图,作相量图时，我们认为发电机的端电压，电枢电流，负载功率因数角以及同步电抗为已知量，最终可以根据方程式求得励磁电势。,隐极电机相量图可按以下步骤作出： 在水平方向作出相量 ； 根据j角找出 的方向并作出相量 ； 在 的尾端，加上相量 、 ； 作出由 的首端指向 尾端的相量，该相量便是,电动势磁动势图,功角 E0与U间的夹角，与功率有关 位移角i 空间矢量Ff1与F间的相位角，反映负载后磁势的位移,思考题,12-3 同步电抗对应于什么磁通?为什么说同步电抗是三相电流产生的电抗而它的数值又是每相值？每相同步电抗与每相绕组本身的
