本科電機學(xué)之同步電機

1、第第三單元三單元同步發(fā)電機同步發(fā)電機運行分析運行分析 課題一課題一對稱負載時的電樞反應(yīng)及其電抗對稱負載時的電樞反應(yīng)及其電抗 一、什么是電樞反應(yīng)？一、什么是電樞反應(yīng)？空載時，同步發(fā)電機只有勵磁磁勢，為機械旋轉(zhuǎn)磁勢。空載時，同步發(fā)電機只有勵磁磁勢，為機械旋轉(zhuǎn)磁勢。對稱負載后，電樞繞組流過對稱電流，產(chǎn)生一電氣旋轉(zhuǎn)磁勢。對稱負載后，電樞繞組流過對稱電流，產(chǎn)生一電氣旋轉(zhuǎn)磁勢。這兩個旋轉(zhuǎn)磁勢轉(zhuǎn)速相同，在空間相對靜止，共同建立電機磁場。這兩個旋轉(zhuǎn)磁勢轉(zhuǎn)速相同，在空間相對靜止，共同建立電機磁場。電樞磁勢對勵磁磁勢的影響稱為電樞反應(yīng)。電樞磁勢對勵磁磁勢的影響稱為電樞反應(yīng)。u1u2v1v2w1w2nsffqd0e

2、0esxlzuiuiviwiuiviwiaf60pnf 60 fnnp電樞反應(yīng)磁勢與轉(zhuǎn)子電樞反應(yīng)磁勢與轉(zhuǎn)子磁勢速度相同磁勢速度相同af二、電樞反應(yīng)的性質(zhì)是由什么決定的？二、電樞反應(yīng)的性質(zhì)是由什么決定的？電樞反應(yīng)的性質(zhì)首先由電樞磁勢與勵磁磁勢的空間夾角決定。電樞反應(yīng)的性質(zhì)首先由電樞磁勢與勵磁磁勢的空間夾角決定。勵磁磁勢與磁極軸線重合，電樞磁勢由電樞電流相位決定（哪一相電流達到最大值時，與該勵磁磁勢與磁極軸線重合，電樞磁勢由電樞電流相位決定（哪一相電流達到最大值時，與該相繞組軸線重合）相繞組軸線重合）電樞電流的相位決定于負載的性質(zhì)。電樞電流的相位決定于負載的性質(zhì)。電樞反應(yīng)的性質(zhì)決定于負載的性質(zhì)。電

3、樞反應(yīng)的性質(zhì)決定于負載的性質(zhì)。u1u2v1v2w1w2ffqd0euiviwiaf0esxlzuiuiy1.y y0 0時的電樞反應(yīng)時的電樞反應(yīng)u1u2v1v2w1w2nsffq0e0esxlzuiuiaf交軸電樞反應(yīng)使得氣隙磁場軸線位置向后移動一個角度。交軸電樞反應(yīng)使得氣隙磁場軸線位置向后移動一個角度。y0時的情況。f2.y y9090時的電樞反應(yīng)時的電樞反應(yīng)u1u2v1v2w1w2nsffq0e0esxlzuiuiaf直軸去磁電樞反應(yīng)。y90時的情況。3.y y9090時的電樞反應(yīng)時的電樞反應(yīng)u1u2v1v2w1w2ns0e0esxlzuiuiaf直軸增磁電樞反應(yīng)。y90時的情況。ff4.

4、一般情況下的電樞反應(yīng)一般情況下的電樞反應(yīng)u1u2v1v2w1w2ns0e0esxlzuiuiafffffy yqdadfaqfsincosaadaqadaaqafffffff=+=yysincosadqdaqaiiiiiii=+=yy三、電樞反應(yīng)對能量轉(zhuǎn)換和電機端電壓的有什么影響？三、電樞反應(yīng)對能量轉(zhuǎn)換和電機端電壓的有什么影響？u1u2v1v2w1w2ns1f2f1、有功電流在電機內(nèi)部產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩、有功電流在電機內(nèi)部產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩0e有功電流與有功電流與e0同相位，產(chǎn)生交軸電樞反應(yīng)磁場，與轉(zhuǎn)子電流作用產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩。同相位，產(chǎn)生交軸電樞反應(yīng)磁場，與轉(zhuǎn)子電流作用產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩。發(fā)電機輸出有功功率增大時

5、，有功電流也增大，交軸電樞反應(yīng)磁場增強，制動轉(zhuǎn)發(fā)電機輸出有功功率增大時，有功電流也增大，交軸電樞反應(yīng)磁場增強，制動轉(zhuǎn)矩也增大。這時應(yīng)增大發(fā)電機軸上的輸入轉(zhuǎn)矩，以克服制動轉(zhuǎn)矩。矩也增大。這時應(yīng)增大發(fā)電機軸上的輸入轉(zhuǎn)矩，以克服制動轉(zhuǎn)矩。u1u2v1v2w1w2ns1f2f2、感性無功電流在使得發(fā)電機端電壓降低、感性無功電流在使得發(fā)電機端電壓降低0e感性無功電流與滯后感性無功電流與滯后e0 90，產(chǎn)生直軸去磁電樞反應(yīng)磁場，使氣隙磁場削弱，產(chǎn)生直軸去磁電樞反應(yīng)磁場，使氣隙磁場削弱，發(fā)電機端電壓降低。若要保持端電壓不變，應(yīng)增加勵磁電流。發(fā)電機端電壓降低。若要保持端電壓不變，應(yīng)增加勵磁電流。u1u2v1v

6、2w1w2ns1f2f3、容性無功電流在使得發(fā)電機端電壓升高、容性無功電流在使得發(fā)電機端電壓升高0e容性無功電流與超前容性無功電流與超前e0 90，產(chǎn)生直軸增磁電樞反應(yīng)磁場，使氣隙磁場增強，產(chǎn)生直軸增磁電樞反應(yīng)磁場，使氣隙磁場增強，發(fā)電機端電壓升高。若要保持端電壓不變，應(yīng)減小勵磁電流。發(fā)電機端電壓升高。若要保持端電壓不變，應(yīng)減小勵磁電流。四、什么是四、什么是電樞反應(yīng)電抗電樞反應(yīng)電抗和和同步電抗同步電抗 ？負載后負載后,fa將在電機內(nèi)部產(chǎn)生將在電機內(nèi)部產(chǎn)生跨過氣隙跨過氣隙的的電樞反應(yīng)磁通電樞反應(yīng)磁通 a和不和不通過氣隙通過氣隙的的漏磁通漏磁通 s s,分別在分別在電樞各電樞各相繞組相繞組中感應(yīng)出

7、中感應(yīng)出電樞反應(yīng)電勢電樞反應(yīng)電勢ea和和漏磁電勢漏磁電勢es s。不計飽和時不計飽和時,ea與電樞電流與電樞電流ia成正比成正比,比例常數(shù)稱比例常數(shù)稱xa為為電樞反應(yīng)電抗電樞反應(yīng)電抗。考慮到相位關(guān)系后，?？紤]到相位關(guān)系后，每相電樞反應(yīng)電勢每相電樞反應(yīng)電勢為：為：xa和和 a所經(jīng)過磁路的所經(jīng)過磁路的磁阻磁阻成反比。成反比。對于凸極電機而言對于凸極電機而言,當(dāng)當(dāng)fa和和ff重合時重合時, a經(jīng)過直軸氣隙和鐵心而閉合經(jīng)過直軸氣隙和鐵心而閉合(直軸磁路直軸磁路);該路徑磁阻該路徑磁阻較小較小,對應(yīng)的對應(yīng)的xa就較大。當(dāng)就較大。當(dāng)fa和和ff正交時正交時, a經(jīng)過交軸磁路而閉合。磁阻較大經(jīng)過交軸磁路而閉

8、合。磁阻較大,所以所以xa較小。較小。aaaejx i 一般情況下一般情況下,fa和和ff之間的夾角由負載的性質(zhì)決定之間的夾角由負載的性質(zhì)決定,為為90+y y , a的流通路徑介于直軸磁路和的流通路徑介于直軸磁路和交軸磁路之間，交軸磁路之間，xa的大小也就介于最大和最小之間。的大小也就介于最大和最小之間。不同負載對應(yīng)的不同負載對應(yīng)的xa也不同也不同,這給分析問題帶來了諸多不便。為了解決這一問題這給分析問題帶來了諸多不便。為了解決這一問題,人們采用了人們采用了正交分解法和疊加原理正交分解法和疊加原理,將將fa看成是其直軸分量看成是其直軸分量fad和交軸分量和交軸分量faq的疊加的疊加,并認為并

9、認為fad單獨激勵直單獨激勵直軸電樞反應(yīng)磁通軸電樞反應(yīng)磁通 ad,對應(yīng)有一個固定的對應(yīng)有一個固定的直軸電樞反應(yīng)電抗直軸電樞反應(yīng)電抗xad,并在定子并在定子每相繞組每相繞組中產(chǎn)生中產(chǎn)生直軸直軸電樞反應(yīng)電勢電樞反應(yīng)電勢ead;faq單獨激勵單獨激勵交軸電樞反應(yīng)磁通交軸電樞反應(yīng)磁通 aq,對應(yīng)交軸電樞反應(yīng)電抗對應(yīng)交軸電樞反應(yīng)電抗xaq,產(chǎn)生產(chǎn)生交軸電交軸電樞反應(yīng)電勢樞反應(yīng)電勢eaq。aadaqaddaqqeeejxijx i s s引起的漏抗電勢引起的漏抗電勢電樞繞組中由電樞繞組中由ia引起的總的感應(yīng)電勢為引起的總的感應(yīng)電勢為aejx iss aadaqaddaqqdqadqaqqddqqeeeee

10、jxijx ijxiij xxij xxijx ijx isssss 其中其中xd=xad+xs s 定義為定義為直軸同步電抗直軸同步電抗，xq=xaq+xs s 定義為定義為交軸同步電抗交軸同步電抗。 對于對于隱極電機隱極電機來說，可以認為直軸磁路和交軸磁路的來說，可以認為直軸磁路和交軸磁路的磁阻磁阻相等，則相等，則xad=xaq=xaaaaaaasaeejx ijx ij xxijx isss 式中式中xs=xa+xs s定義為定義為隱極電機的同步電抗隱極電機的同步電抗。由定義可知，。由定義可知，同步電抗同步電抗包括兩部分：包括兩部分：電樞繞組的漏電抗電樞繞組的漏電抗和和電樞反應(yīng)電抗電樞反

11、應(yīng)電抗，又稱為主電抗和漏電抗。，又稱為主電抗和漏電抗。xs、xa隨著飽和程度隨著飽和程度的增加而減??；的增加而減?。粁s s不不隨飽和程度的變化而改變，隨飽和程度的變化而改變，xs s比比xa小得多小得多。課題二課題二同步電機的同步電機的電勢方程式電勢方程式和和相量圖相量圖 一、電勢方程式電勢方程式 負載后負載后,發(fā)電機電樞繞組中存的電勢：發(fā)電機電樞繞組中存的電勢：01114.44fwfef n k aaaddaqqejxijx i ejx issss 電樞電阻很小，其壓降可以忽略。發(fā)電機每相的電勢方程為電樞電阻很小，其壓降可以忽略。發(fā)電機每相的電勢方程為0aeeeus對凸極電機來說對凸極電機

12、來說, 000addqqddqqeeeejx ijx iueujx ijx is對隱極電機來說對隱極電機來說, 000asasaeeeejx iueujx is二、電勢相量圖二、電勢相量圖 同步電機理論中，用同步電機理論中，用電勢相量圖電勢相量圖來進行分析是十分重要和方便的方法。來進行分析是十分重要和方便的方法。作相量圖時，作相量圖時，u與與ia的夾角即的夾角即負載功率因數(shù)角負載功率因數(shù)角j j、 xs為已知量，根據(jù)方程式求得為已知量，根據(jù)方程式求得e0。隱極電機相量圖畫法隱極電機相量圖畫法(動畫動畫)在水平方向作出相量在水平方向作出相量u；根據(jù)根據(jù)j j 角作出相量角作出相量ia；在在u的尾

13、端的尾端,加上相量加上相量jxsia,它超前它超前ia90。作出由作出由u的首端指向的首端指向jxsia尾端的相量尾端的相量,該相量便是該相量便是e0。 ajsajx i0eby0u1sintancossax iuujyj-+=內(nèi)功率因數(shù)角內(nèi)功率因數(shù)角 aic(2)凸極電機相量圖畫法凸極電機相量圖畫法凸極電機首先必須將凸極電機首先必須將ia分解為分解為id和和iq，然后才能根據(jù)方程式作出其，然后才能根據(jù)方程式作出其電勢相量圖電勢相量圖。由于由于iq與與e0同方位，同方位，id與與e0正交，找出正交，找出e0方位即可。方位即可。兩邊同時加上兩邊同時加上0ddqqeujx ijx i電勢電勢方程式

14、方程式()dqdj xxi0dqdddqqddqdqqqdqaej xxiujx ijx ijx ijx iujx ijx iujx i左邊相量顯然與左邊相量顯然與e0處于同一方位，而右邊的相量可以很方便地求得，這樣就可找到處于同一方位，而右邊的相量可以很方便地求得，這樣就可找到e0的方的方位。位。 在水平方位作出相量在水平方位作出相量u錯開錯開j j 角作角作ia；在在u的尾端加上相量的尾端加上相量jxqia，超前于，超前于ia90經(jīng)過經(jīng)過u首端和首端和jxqia尾端的直線為的尾端的直線為的e0方位方位。將將ia分解為分解為id和和iq；根據(jù)方程根據(jù)方程e0=u+jxdid+jxqiq作出作

15、出e0。 相量圖很直觀地顯示了同步電機各個相量之間的數(shù)值關(guān)系和相位關(guān)系，對于分相量圖很直觀地顯示了同步電機各個相量之間的數(shù)值關(guān)系和相位關(guān)系，對于分析和計算同步電機的許多問題有較大的幫助作用。析和計算同步電機的許多問題有較大的幫助作用。 ajqajx i0eb0u1sintancosqax iuuyjj內(nèi)功率因數(shù)角內(nèi)功率因數(shù)角 aidiqiddjx iqqjx iqdc例例22有一臺凸極同步發(fā)電機，定子繞組有一臺凸極同步發(fā)電機，定子繞組y連接連接10.5kvnu165anicos0.8nj（滯后）（滯后）36.7dx 22qx 忽略定子電阻，求額定負載運行時的忽略定子電阻，求額定負載運行時的yd

16、iqi0e解：解：1sintan56.2834cosaqnni xuuyjj10.5=6.0622kv33nuu 165aaniisin137.24a58daiiycosa91.5892qaiiyajqajx i0eb0uaidiqiddjx iqqjx iqdc0cos 10.754kvddeui x課題三課題三同步發(fā)電機的運行特性同步發(fā)電機的運行特性 一、什么是同步發(fā)電機的運行特性？一、什么是同步發(fā)電機的運行特性？0etxlzuiufi穩(wěn)態(tài)對稱運行時，轉(zhuǎn)速保持同步轉(zhuǎn)速，端電壓、電樞電流、勵磁電流三者保持任何一個不穩(wěn)態(tài)對稱運行時，轉(zhuǎn)速保持同步轉(zhuǎn)速，端電壓、電樞電流、勵磁電流三者保持任何一個不

17、變，另外兩個之間的關(guān)系曲線稱為運行特性。變，另外兩個之間的關(guān)系曲線稱為運行特性。主要特性有：空載特性、短路特性、外特性和調(diào)整特性。主要特性有：空載特性、短路特性、外特性和調(diào)整特性。 空載特性：空載特性： n = = n1 1 , , ia = 0 = 0 時時, , u0 0 = = f ( ( i f f ) ； 空載特性空載特性 u 0 0 = = f ( (if) ) 與電機磁路的磁化曲線與電機磁路的磁化曲線 f ff (ff)具有類似的變化規(guī)律。具有類似的變化規(guī)律。為了合理地利用材料，空載額定電壓為了合理地利用材料，空載額定電壓un一般設(shè)計在空載特性的一般設(shè)計在空載特性的彎曲處彎曲處。

18、空載特性可以通過空載特性可以通過計算計算或或試驗試驗得到。試驗測定的方法與直流發(fā)電機類似。得到。試驗測定的方法與直流發(fā)電機類似。同步電機的空載特性也常用同步電機的空載特性也常用標(biāo)么值標(biāo)么值表示，空載電勢以額定電壓表示，空載電勢以額定電壓un為基值，取為基值，取e0=un時時的的勵磁電流勵磁電流ifn(稱為額定稱為額定勵磁電流勵磁電流)為勵磁電流的基值。為勵磁電流的基值。用標(biāo)么值表示的空載特性具有用標(biāo)么值表示的空載特性具有典型性典型性，各種容量的發(fā)電機其空載特性彼此非常接近。，各種容量的發(fā)電機其空載特性彼此非常接近。判斷判斷電機設(shè)計電機設(shè)計是否合理。是否合理?？蛰d特性結(jié)合空載特性結(jié)合短路特性短路

19、特性(在后面介紹在后面介紹)可以求取同步電機的參數(shù)?？梢郧笕⊥诫姍C的參數(shù)。發(fā)電廠通過測取空載特性來判斷發(fā)電廠通過測取空載特性來判斷三相繞組的對稱性三相繞組的對稱性以及勵磁系統(tǒng)的故障。以及勵磁系統(tǒng)的故障。二、同步發(fā)電機的空載特性是怎樣的？二、同步發(fā)電機的空載特性是怎樣的？fi0ufinufni1fi0e01nffniekiu飽和系數(shù)飽和系數(shù)n=n1，電樞繞組三相持續(xù)短路，然后加勵磁電流，稱為，電樞繞組三相持續(xù)短路，然后加勵磁電流，稱為穩(wěn)態(tài)短路運行穩(wěn)態(tài)短路運行。這時這時u=0，如果改變，如果改變if，則短路電樞電流，則短路電樞電流ik也改變。也改變。ik=f(if)就是短路特性。就是短路特性。短

20、路運行時，短路運行時，ik和和e0之間的相位差之間的相位差y y 僅由僅由xs和繞組電阻決定，忽略電阻時，和繞組電阻決定，忽略電阻時，ik將滯后于將滯后于e090電角度，其電角度，其電樞反應(yīng)電樞反應(yīng)表現(xiàn)為直軸純?nèi)ゴ抛饔谩１憩F(xiàn)為直軸純?nèi)ゴ抛饔?。去磁作用減少了電機中的磁通，磁路不飽和去磁作用減少了電機中的磁通，磁路不飽和e0=f(if)呈線性。由于短路電流呈線性。由于短路電流ik=-je0/xs所以所以ik=f(if)也呈線性，是一條通過原點的直線。也呈線性，是一條通過原點的直線。穩(wěn)態(tài)短路時，電機中的電樞反應(yīng)為穩(wěn)態(tài)短路時，電機中的電樞反應(yīng)為直軸純?nèi)ゴ抛饔弥陛S純?nèi)ゴ抛饔茫姍C的磁通和感應(yīng)電勢較小，短

21、路電流，電機的磁通和感應(yīng)電勢較小，短路電流也不會過大，所以三相穩(wěn)態(tài)短路運行沒有危險。也不會過大，所以三相穩(wěn)態(tài)短路運行沒有危險。對凸極電機來說，短路時交軸電樞磁勢對凸極電機來說，短路時交軸電樞磁勢fq=0分析時只需將分析時只需將xs用用xd、將將ia用用id代替即可。代替即可。二、同步發(fā)電機的短路特性是怎樣的？二、同步發(fā)電機的短路特性是怎樣的？ifikfii三、如何利用空載和短路特性求不飽和電抗？三、如何利用空載和短路特性求不飽和電抗？短路且略去電阻壓降時，短路且略去電阻壓降時， 0skejx i0fskfeixii測定同步電抗的簡單方法：測定同步電抗的簡單方法： 用原動機帶動同步發(fā)電機在同步轉(zhuǎn)

22、速下運轉(zhuǎn)，測取用原動機帶動同步發(fā)電機在同步轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)，測取e e0 0=f(=f(i if f) )和和i ik k=f(=f(i if f) )特性。特性。 e e0 0=f(=f(i if f) )和和i ik k=f(=f(i if f) )繪成曲線，并在繪成曲線，并在e e0 0=f(=f(i if f) )上上作出作出氣隙線氣隙線。 選取某一選取某一 i if f，求得對應(yīng)的短路電流，求得對應(yīng)的短路電流i ik1k1和對應(yīng)于氣隙線上的電勢和對應(yīng)于氣隙線上的電勢e e0101，則，則 不不飽和同步電抗飽和同步電抗011sdkexxififni1fi1ki01e2ki空載時建立額定電壓需

23、要的空載時建立額定電壓需要的勵磁電流勵磁電流與與短路時產(chǎn)生額定電流所需的勵磁電流比值。短路時產(chǎn)生額定電流所需的勵磁電流比值。()()0000*/1/=fnkdncfnknnndnndiuuiexeukkiiiiix iux短路比大，則短路比大，則xd 小，氣隙大，勵磁磁勢增大，電機用銅和體積增大。小，氣隙大，勵磁磁勢增大，電機用銅和體積增大。短路比大，則短路比大，則xd 小，負載電流引起的端電壓波動較小，但短路電流較大。小，負載電流引起的端電壓波動較小，但短路電流較大。影響靜態(tài)穩(wěn)定度。短路比大，影響靜態(tài)穩(wěn)定度。短路比大，xd小，靜態(tài)穩(wěn)定度高。小，靜態(tài)穩(wěn)定度高。隱極同步發(fā)電機的短路比為隱極同步發(fā)電機的短路比為0.50.7，凸極同步發(fā)電機為，凸極同步發(fā)電機為1.01.4四、什么是同步發(fā)電機的短路比？四、什么是同步發(fā)電機的短路比？五、什么是同步發(fā)電機外特性和電壓調(diào)整率？五、什么是同步發(fā)電機外特性和電壓調(diào)整率？