電機學(xué)同步電機PPT課件

1、6-1 同步電機結(jié)構(gòu)和工作原理 旋轉(zhuǎn)電樞式電樞裝設(shè)在轉(zhuǎn)子上，主磁極裝設(shè)在定子上 旋轉(zhuǎn)磁極式主磁極裝設(shè)在轉(zhuǎn)子上，電樞裝設(shè)在定子上 凸極式同步電機 隱極式同步電機一、同步電機結(jié)構(gòu)：1、按磁極的安裝位置分類：第1頁/共126頁定子鐵心內(nèi)圓均勻分布著定子槽，槽內(nèi)嵌放著按一定規(guī)律排列的三相對稱交流繞組。 轉(zhuǎn)子鐵心裝有制成一定形狀的成對磁極，磁極上繞有勵磁繞組，通以直流電流時，將會在電機的氣隙中形成極性相間的分布磁場，稱為勵磁磁場 處于電樞內(nèi)圓和轉(zhuǎn)子磁極之間，氣隙層的厚度和形狀對電機內(nèi)部磁場的分布和同步電機的性能有重大影響 2、同步電機結(jié)構(gòu)第2頁/共126頁凸極式同步電機隱極式同步電機同步電機結(jié)構(gòu)第3頁/

2、共126頁汽輪發(fā)電機組第4頁/共126頁水輪發(fā)電機組第5頁/共126頁同步電機結(jié)構(gòu)第6頁/共126頁第7頁/共126頁水輪發(fā)電機分瓣定子第8頁/共126頁二、勵磁形式概念 勵磁方式同步電機獲取直流勵磁電流的方式 勵磁系統(tǒng)供結(jié)勵磁電流的整個系統(tǒng)，包括裝置和線路勵磁機勵磁調(diào)節(jié)器（手動、自動）滅磁裝置第9頁/共126頁 正常運行時，供給勵磁電流 為維持端電壓或電網(wǎng)電壓值，隨負載情況變化，勵磁電流能相應(yīng)調(diào)節(jié) 當(dāng)系統(tǒng)電壓嚴重下降時（如發(fā)生短路故障等），能強行勵磁提高電勢，保持電壓穩(wěn)定 突然丟負荷時，如水輪機組轉(zhuǎn)速明顯升高，能強行減磁，限制端電壓過度增高。 當(dāng)電機內(nèi)部發(fā)生短路故障時，能快速滅磁和減磁，以減

3、小故障的損壞程度。 對兩臺以上并列運行發(fā)電機，能成組調(diào)節(jié)無功功率，使無功合理分配。 其他：反映迅速，運行可靠，結(jié)構(gòu)簡單，損耗小，成本低，體積小等對勵磁系統(tǒng)的要求第10頁/共126頁勵磁方式 它勵由另外電源供電直流發(fā)電機，帶整流的交流發(fā)電機運動方式同軸，獨立工作 自勵自并勵，自復(fù)勵，諧波繞組勵第11頁/共126頁直流勵磁機勵磁直流勵磁機通常與同步發(fā)電機同軸，采用并勵或者他勵接法，或采用負載電流反饋的復(fù)式勵磁。采用他勵接法時，勵磁機的勵磁電流由另一臺被稱為副勵磁機的同軸的直流發(fā)電機供給。第12頁/共126頁交流勵磁機靜止整流勵磁副勵磁機的勵磁電流開始時由外部直流電源提供，待電壓建立起來后再轉(zhuǎn)為自勵

4、(有時采用永磁發(fā)電機)。副勵磁機的輸出電流經(jīng)過靜止晶閘管整流器整流后供給主勵磁機主勵磁機的交流輸出電流經(jīng)過靜止的三相橋式硅整流器整流后供給主發(fā)電機的勵磁繞組。同一軸上有三臺交流發(fā)電機，即主發(fā)電機、交流主勵磁機和交流副勵磁機。第13頁/共126頁靜止整流器的直流輸出必須經(jīng)過電刷和集電環(huán)才能輸送到旋轉(zhuǎn)的勵磁繞組，對于大容量的同步發(fā)電機，其勵磁電流達到數(shù)千安培，使得集電環(huán)嚴重過熱。在大容量的同步發(fā)電機中，常采用不需要電刷和集電環(huán)的旋轉(zhuǎn)整流器勵磁系統(tǒng)。主勵磁機是旋轉(zhuǎn)電樞式三相同步發(fā)電機，旋轉(zhuǎn)電樞的交流電流經(jīng)與主軸一起旋轉(zhuǎn)的硅整流器整流后，直接送到主發(fā)電機的轉(zhuǎn)子勵磁繞組。交流主勵磁機的勵磁電流由同軸的交

5、流副勵磁機經(jīng)靜止的晶閘管整流器整流后供給。由于這種勵磁系統(tǒng)取消了集電環(huán)和電刷裝置無刷勵磁系統(tǒng)。第14頁/共126頁交流勵磁機旋轉(zhuǎn)整流系統(tǒng)第15頁/共126頁三、同步電機的基本工作原理 勵磁繞組建立起主磁場 ; 原動機拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn), 勵磁磁場隨軸一起旋轉(zhuǎn)并順次切割定子各相繞組 ; 電樞繞組三相對稱交變電勢。通過引出線，輸出交流電 。 感應(yīng)電勢的有效值：0104.44NEfNk 感應(yīng)電勢 頻率： 感應(yīng)電勢的頻率決定于同步電機的轉(zhuǎn)速n 和極對數(shù)p ，即60pnf 旋轉(zhuǎn)磁場極性相間，使得感應(yīng)電勢的極性交變；電樞繞組的對稱性，保證了感應(yīng)電勢的三相對稱性。 第16頁/共126頁四、同步電機銘牌第17頁/共

6、126頁同步電機銘牌我國生產(chǎn)的汽輪發(fā)電機有QFQ、QFN、QFS等系列。前兩個字母表示汽輪發(fā)電機；第三個字母表示冷卻方式，Q表示氫外冷，N表示氫內(nèi)冷，S表示雙水內(nèi)冷。水輪發(fā)電機系列：TS系列，T表示同步，S表示水輪。舉例：QFS-300-2 表示容量為300MW雙水內(nèi)冷2極汽輪發(fā)電機。TSS1264/160-48表示雙水內(nèi)冷水輪發(fā)電機，定子外徑為1264厘米，鐵心長為160厘米，極數(shù)為48。另外同步電動機系列有TD、TDL等，TD表示同步電動機，后面的字母指出其主要用途。如TDG表示高速同步電動機；TDL表示立式同步電動機。同步補償機為TT系列。第18頁/共126頁 額定容量SN（額定功率PN

7、）：額定運行時電機輸出的功率； 額定電壓UN：額定運行時定子三相線電壓； 額定電流IN：額定運行時定子三相線電流； 額定功率因數(shù)：額定運行時電機的額定功率； 額定頻率；額定運行時的頻率； 額定轉(zhuǎn)速：同步電機的同步轉(zhuǎn)速；3cosNNNNPUI額定值間的相互關(guān)系：額定值第19頁/共126頁6-2 空載和負載時同步發(fā)電機的磁場 空載運行：原動機帶動發(fā)電機在同步轉(zhuǎn)速下運行, 勵磁繞組通過適當(dāng)?shù)膭畲烹娏? 電樞繞組不帶任何負載時的運行情況。 空載運行是同步發(fā)電機最簡單的運行方式，其氣隙磁場由轉(zhuǎn)子磁勢單獨建立。磁通分為主磁通和漏磁通。 一、空載運行第20頁/共126頁（1）隱極同步電機的空載磁勢 勵磁繞組

8、埋于轉(zhuǎn)子槽內(nèi)，沿轉(zhuǎn)子圓周氣隙近似均勻。 勵磁磁勢在空間的分布為一個階梯形，受齒槽的影響,氣隙磁密呈現(xiàn)出波動變化。 用諧波分析法可求出其基波分量 合理地選擇大齒的寬度可以使氣隙磁密的分布接近正弦波。如無特殊說明，以后僅考慮磁通密度的基波分量 fffFFk1波形系數(shù)1 空載磁勢第21頁/共126頁2sin4fk（2）凸極同步電機的空載磁勢勵磁繞組為集中繞組，磁勢波為矩形波 對于凸極發(fā)電機來說，由于定轉(zhuǎn)子間的氣隙沿整個電樞圓周分布不均勻，極面下氣隙較小，磁阻較??；極間氣隙較大，極間磁阻很大。同一個極面下，氣隙徑向磁通密度的分布近似于平頂?shù)拿毙?。極靴以外的氣隙磁通密度減少很快，相鄰兩極中線上的磁通密度

9、為零。 氣隙磁密用付立葉諧波分析分解出空間基波和一系列諧波。 第22頁/共126頁 感應(yīng)電勢的波形和大小與氣隙磁密的分布形狀及幅值大小緊密相關(guān)。 在設(shè)計和制造電機時，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧?，以獲得盡可能接近正弦分布的氣隙磁密，從而得到較高品質(zhì)的感應(yīng)電勢。 第23頁/共126頁轉(zhuǎn)子繞組軸線兩極間中心線 磁密波Bf1與定子任一相交鏈的磁通量0是時間變量， 由 感應(yīng)產(chǎn)生的該相電勢用 表示,當(dāng)定子各相的時間參考軸都取在各自的相繞組軸線時， 與 重合。 00E01fB2 同步電機中的時空量將相繞組軸線作為空間矢量參考軸（相軸）令時間相量參考軸（時軸）與空間矢量參考軸重合時間相量繞組的感應(yīng)電勢、電壓和電流，匝鏈

10、的磁通空間矢量磁勢和磁通密度（隨時間變化） 勵磁磁勢的基波Ff1和由它產(chǎn)生的氣隙磁密波Bf1為空間分布波， 兩者同相位，其正波幅處于轉(zhuǎn)子直軸正方向， 且與轉(zhuǎn)子一起以同步速旋轉(zhuǎn)； 當(dāng)Bf1波的波幅來到某相軸左側(cè)900時， Bf1波與該相繞組交鏈的磁通量的瞬時值正好為零， 這時0 在該軸線左側(cè)900。第24頁/共126頁3 空載電勢三相電勢對稱主磁通 0漏磁通 只有主磁通才在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢01104.44NEfN k第25頁/共126頁二、 對稱負載時的電樞反應(yīng) 空載時，只有一個以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的勵磁磁勢Ff隨軸同轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁勢 (稱為機械旋轉(zhuǎn)磁勢) ，在電樞繞組中感應(yīng)出三相對稱交流電勢，勵磁

11、電勢，即空載電勢E0。 當(dāng)電樞繞組接上三相對稱負載后，電樞繞組中流過三相對稱的交流電流 ，將形成一個以同步速度旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁勢電樞磁勢Fa電樞旋轉(zhuǎn)磁勢 (稱為電氣旋轉(zhuǎn)磁勢）。 兩個旋轉(zhuǎn)磁勢的轉(zhuǎn)速均為同步速，且轉(zhuǎn)向一致，二者在空間處于相對靜止狀態(tài)，矢量合成為一個合成磁勢 。 氣隙磁場 由合成磁勢 在電機的氣隙中建立起來的磁場。 同步發(fā)電機負載以后，電機內(nèi)部的磁勢和磁場及繞組中感應(yīng)電勢將發(fā)生顯著變化，此變化主要由電樞磁勢的出現(xiàn)所致。 電樞反應(yīng)第26頁/共126頁 同步電機的電樞反應(yīng)afffFIUFIUBF同步電機的磁場建立：負載時， 電樞磁動勢的基波對主磁極基波磁場的影響稱為電樞反應(yīng)。第27頁/共1

12、26頁內(nèi)功率因數(shù)角 E0Ia 解釋：時間相量Ia與空間矢量Fa同向電樞磁勢Fa三相電流產(chǎn)生的合成磁勢，哪一相電流達最大值，則位置在其繞組的軸線上；A相電流Ia如Ia最大，則Ia在相軸上，此時Fa正好在交軸上第28頁/共126頁電樞反應(yīng)性質(zhì)（助磁、去磁、交磁）電樞反應(yīng)性質(zhì)（助磁、去磁、交磁）取決于基波磁勢與勵磁磁勢在空間的相對位置， 即決定于電樞電流和勵磁電動勢之間的相位角。 假定：磁路不飽和，隱極式轉(zhuǎn)子。 電樞磁勢基波與勵磁磁勢同轉(zhuǎn)速、同轉(zhuǎn)向、彼此保持相對靜止。影響電樞反應(yīng)的有關(guān)量影響電樞反應(yīng)的有關(guān)量： 主磁路的飽和程度； 、 之間的相位關(guān)系； 轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)形式；faFF 影響電樞反應(yīng)的量第29

13、頁/共126頁1、=0時的電樞反應(yīng)分析 輸出電流 和空載電勢同相，有功功率從電機輸至電網(wǎng)發(fā)電機狀態(tài)。 0，cos1，sin0，不發(fā)出無功功率。 轉(zhuǎn)子磁勢在直軸上，電樞磁勢作用在交軸上，電樞反應(yīng)的結(jié)果使得合成磁勢的軸線位置產(chǎn)生一定的偏移，幅值發(fā)生一定的變化。 作用在交軸上的電樞反應(yīng)稱為交軸電樞反應(yīng)，簡稱交磁作用交軸電樞反應(yīng)Fa滯后于Ff1發(fā)電機第30頁/共126頁2、=/2 時的電樞反應(yīng)分析 輸出電流滯后于空載電勢90，cos0，sin1，有功功率等于零，僅發(fā)出電感性無功功率。 轉(zhuǎn)子磁勢和電樞磁勢均作用在直軸上，方向相反，電樞反應(yīng)為純?nèi)ゴ抛饔?，合成磁勢的幅值減小直軸去磁電樞反應(yīng)。 為保持電壓不變

14、，應(yīng)增大勵磁，即為過激狀態(tài)，將輸出電感性無功功率 直軸電樞反應(yīng) 第31頁/共126頁3、= 時的電樞反應(yīng)分析 I與E0反相。cos1，sin0，有功功率將從電網(wǎng)輸送到電機電動機運行狀態(tài)。 sin0，不發(fā)出無功功率。 轉(zhuǎn)子磁勢作用在直軸上，電樞磁勢作用在交軸上，電樞反應(yīng)使合成磁勢的軸線位置產(chǎn)生一定的偏移，幅值發(fā)生一定的變化。交軸電樞反應(yīng)Fa超前于Ff1電動機第32頁/共126頁4、=-/2 時的電樞反應(yīng)分析 輸出電流超前空載電勢90，cos0，sin1，有功功率等于零，僅發(fā)出電容性無功功率，或吸收電感性無功功率。 轉(zhuǎn)子磁勢和電樞磁勢均作用在直軸上，方向一致，合成磁勢的幅值加大，電樞反應(yīng)為純增磁作

15、用直軸助磁電樞反應(yīng)。 為保持電壓不變，應(yīng)減少勵磁，即為欠激狀態(tài)，將輸出電容性無功功率 直軸電樞反應(yīng)第33頁/共126頁5、 為任意角度時的電樞反應(yīng) 將電樞磁勢分解為直軸和交軸兩個分量。sincosadqdqIIIIIII1111111.351.351.35NaNaddNaqqN kFIpN kFIpN kFIpsincosaadaqadaaqaFFFFFFF第34頁/共126頁電樞反應(yīng)的總結(jié) 交軸的電樞反應(yīng)使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩， 實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換； 直軸電樞反應(yīng)對氣隙磁場起助磁或去磁的作用， 不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩； 電樞磁動勢和勵磁磁動勢間的夾角會隨著電機的運行情況改變。 電樞反應(yīng)的性質(zhì)也隨負載的變化而變化。

16、 交軸分量Faq滯后于Ff1為發(fā)電機運行，超前于Ff1為電動機運行，分別對應(yīng)于輸出和輸入有功功率。直軸分量Fad可能是磁化或去磁作用，當(dāng)去磁作用時，處于過激狀態(tài)。當(dāng)直軸電樞磁勢起磁化作用時，接在電網(wǎng)上的同步電機處于欠激狀態(tài)。第35頁/共126頁電樞反應(yīng)是實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵 同步電機空載運行時，定子繞組開路，沒有負載電流：不存在電樞反應(yīng)，不存在由轉(zhuǎn)子到定子的能量傳遞。 當(dāng)同步發(fā)電機帶有負載時，就產(chǎn)生了電樞反應(yīng)。 不同負載性質(zhì)時，電樞磁場與轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生不同性質(zhì)的電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩。實現(xiàn)能量的傳遞 （a)：電樞反應(yīng)交軸作用，電磁力與旋轉(zhuǎn)方向相反，為了維持發(fā)電機的轉(zhuǎn)速不變，必須隨著有功負載的變化調(diào)節(jié)原動

17、機的輸入功率（b）（c）：電樞反應(yīng)直軸作用，b為去磁，c為助磁，為保持發(fā)電機的端電壓不變，必須隨著無功負載的變化相應(yīng)地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的激磁電流。第36頁/共126頁6-3 隱極同步發(fā)電機的負載運行 不計磁路飽和， 磁路線性， 把主極磁勢和電樞磁勢的作用分別考慮， 再利用疊加原理。 00 EffaaaIFEIFE E轉(zhuǎn)子：定子：一、不考慮磁飽和 第37頁/共126頁按照規(guī)定的參考正方向，電樞繞組一相的電動勢平衡方程：0aaEEEU I r UIaE0EEABCxa為電樞反應(yīng)電抗1、電動勢平衡方程E0空載電勢，反應(yīng)轉(zhuǎn)子磁場的作用Ea電樞反應(yīng)電勢，反應(yīng)電樞磁場的作用。是三相合成電樞反應(yīng)磁場在一相繞組中的感

18、應(yīng)電勢。E漏抗電動勢，可以寫成漏抗壓降形式EjI x aaEjIx 第38頁/共126頁0 aaaaassEUEEI rUjIxjIxI rUIrjIxUjIZ Xs：為同步電機的同步電抗， 磁路不飽和時為常數(shù)。 2、隱極同步發(fā)電機等效電路隱極同步電機的等效電路圖：aEEE0UaRXEIUaRsX0EIUaRsX0EI第39頁/共126頁3、隱極同步電機的相量圖作相量圖時，我們認為發(fā)電機的端電壓，電樞電流，負載功率因數(shù)角以及同步電抗為已知量，最終可以根據(jù)方程式求得勵磁電勢。隱極電機相量圖可按以下步驟作出： 在水平方向作出相量 ； 根據(jù)角找出 的方向并作出相量 ； 在 的尾端，加上相量 、 ；

19、作出由 的首端指向 尾端的相量，該相量便是 UIUsjIxUsjIx0EaIr第40頁/共126頁電動勢磁動勢圖功角 E0與U間的夾角，與功率有關(guān)位移角i 空間矢量Ff1與F間的相位角，反映負載后磁勢的位移sin0sMxUEP i第41頁/共126頁思考題 12-3 同步電抗對應(yīng)于什么磁通?為什么說同步電抗是三相電流產(chǎn)生的電抗而它的數(shù)值又是每相值？每相同步電抗與每相繞組本身的激磁電抗有什么區(qū)別? 哪些是空間矢量?哪些是時間相量?如何理解電流相量與電樞磁勢“同相”? 三相電流通過對稱三相繞組時產(chǎn)生電樞磁勢（為三相合成磁勢，空間矢量），幅值總是和具有最大電流的相繞組軸線重合。當(dāng)某相電流最大時，電流

20、相量在時間軸上。在時空圖上，取時間軸與相繞組軸線（空間軸）重合，則有電流相量與電樞磁勢“同相”重合。第42頁/共126頁 計及磁路飽和， 磁路非線性， 主極磁勢和電樞磁勢合成為氣隙磁動勢，再由此求出負載時的合成電動勢。 00 EffaaaIFEIFE E轉(zhuǎn)子：定子：F 計飽和：二、隱極同步電機計及飽和時電勢平衡方程： aEUI rjx第43頁/共126頁電動勢磁動勢圖注意：對隱極電機，勵磁磁動勢為一梯形波；而電樞磁動勢Fa的幅值則是基波的幅值，因此在Ff和Fa矢量相加時，需要把基波電樞磁動勢Fa乘上換算系數(shù)ka以換算為等效梯形波的作用。第44頁/共126頁 凸極同步電機的氣隙沿圓周不均勻：極面

21、下的氣隙較小， 兩極之間氣隙較大。 氣隙磁導(dǎo) ， 直軸磁導(dǎo)比交軸磁導(dǎo)大， 以1800電角度為一個周期。 同樣大小的電樞磁動勢作用在直軸和交軸上時， 所產(chǎn)生的電樞磁場有明顯變化； /06-4 凸極同步發(fā)電機的負載運行。 一、雙反應(yīng)理論aFaFaF第45頁/共126頁雙反應(yīng)理論：對于在空間任意位置的電樞磁動勢Fa，將其分解成直軸和交軸兩個分量Fad和Faq， 用對應(yīng)的直軸磁導(dǎo)和交軸磁導(dǎo)分別算出直軸和交軸電樞反應(yīng); 最后把它們的效果疊加起來。一般情況：一般情況：電樞磁動勢在空間的任意位置。分析方法：分析方法：把電樞磁勢分解成直軸和交軸兩個分量; 用對應(yīng)的直軸磁導(dǎo)和交軸磁導(dǎo)分別算出直軸和交軸電樞反應(yīng);

22、 最后把它們的效果疊加起來。 （注意前提：磁路是線性的）第46頁/共126頁凸極同步電機 addadadaqqaqaqIFEIFE E轉(zhuǎn)子：定子：EjIx 00ffIFE I利用雙反應(yīng)理論得到從電流建立磁場到感應(yīng)電動勢的過程：二、 凸極同步發(fā)電機的電壓方程和向量圖 第47頁/共126頁UIaqE0EEABCadE0 () dadqaqadadqaqdqaddqqaEUjI xjI xjIxIrUjI xjI xj IIxIrUjI xjI xIr按規(guī)定的參考正方向， 電壓方程為：adadaddaqaqaqqEFIEFI addadaqqaqEjI xEjI x 0adaqaEEEEUIrxd：

23、直軸同步電抗；xq：交軸同步電抗 （xdxq）1、凸極機的電壓方程第48頁/共126頁2、同步發(fā)電機的相量圖0 asEUIrjIx隱極同步機：IU0EaIrsjIx凸極同步機：0 ddqqaEUjI xjI xIrdIIU0EaIrqIqqjI xddjI x第49頁/共126頁凸極機的相量圖如何得到？cosqqqI xRQIxsinarctancosqaIxUIrU QaqEUI rjI x 首先求出EQIdIqIU0EqqjI xddjI xQEqjIxRQ0()dQdqEEjIxx第50頁/共126頁QaqEUI rjI x 凸極機的等效電路UaRqXQEI第51頁/共126頁6-5 同

24、步發(fā)電機的功率和轉(zhuǎn)矩方程（1）功率平衡式同步發(fā)電機由原動機拖動，從轉(zhuǎn)子軸上輸入機械功率P1，從定子輸出電功率P2。 P1PMP2pmecpFe，padpcu1第52頁/共126頁功率平衡式：1212()coscos(cos)cosMmecFeadMcuMaqQaPPpppPPpPmUImI rIImI UIrmE I轉(zhuǎn)矩平衡式：1()mecFeadTTTTT10TTTIdIqIU0EqqjI xddjI xQEqjIxRQ第53頁/共126頁6-6 同步電機參數(shù)的測定1. 同步發(fā)電機的空載特性一、空載特性、短路特性和零功率因數(shù)負載特性 當(dāng)空載運行時（電樞繞組開路，I=0）,空載電動勢E0隨轉(zhuǎn)子

25、勵磁電流If變化的關(guān)系 。 空載特性與電機磁路的磁化曲線具有類似的變化規(guī)律 E00 If Ff 第54頁/共126頁ba飽和系數(shù)： E0*=1時的總磁勢與氣隙磁勢之比，一般為（1.1-1.25） 意義：空載磁路飽和后，由勵磁磁勢所建立的磁通和感應(yīng)電勢都降低到未飽和時的1/k。第55頁/共126頁空載特性的實驗測定 調(diào)節(jié)可變電阻，使激磁電流逐步上升，每次記下If和E0的讀數(shù)。 作同步電機的空載特性 由于存在剩磁，規(guī)定用下降曲線來表示空載特性。 從1.3UN對應(yīng)的激磁逐步減小剩磁電動勢第56頁/共126頁空載特性的工程應(yīng)用 將設(shè)計好的電機的空載特性與常規(guī)空載特性相比較，如果兩者接近，說明電機設(shè)計合

26、理，反之，則說明該電機的磁路過于飽和或者材料沒有充分利用。如太飽和，將使勵磁繞組用銅過多，且電壓調(diào)節(jié)困難如飽和度太低，則負載變化時電壓變化較大，且鐵心利用率較低，鐵心耗材較多 結(jié)合短路特性可以求取同步電機的參數(shù)。 發(fā)電廠通過測取空載特性來判斷三相繞組的對稱性以及勵磁系統(tǒng)的故障。 必須掌握（*）第57頁/共126頁2.同步發(fā)電機的短路特性 發(fā)電機三相穩(wěn)態(tài)短路試驗時，電樞短路電流Ik與激磁電流If間的關(guān)系曲線。短路運行時，Ik 滯后于E0 90o電角度， =90o，交軸分量Iq =0 ，電樞反應(yīng)為純?nèi)ゴ抛饔谩?忽略繞組電阻忽略繞組電阻ra影響：電機磁路處于不飽和狀態(tài)。第58頁/共126頁短路特性曲

27、線 去磁作用減少了電機中的磁通，磁路處于不飽和狀態(tài) 電樞磁勢Fa正比于電樞電流I=Ik 短路特性是一直線kIEFkaIF kaffIFFFI1IkIf0U=0穩(wěn)態(tài)短路時，電樞反應(yīng)為純?nèi)ゴ抛饔茫姍C的磁通和感應(yīng)電勢較小，短路電流不大，三相穩(wěn)態(tài)短路運行沒有危險第59頁/共126頁短路特性的測定短路試驗 先將三相電樞繞組在出線端處短接，再起動原動機將發(fā)電機帶到同步轉(zhuǎn)速，通入不同數(shù)值的激磁電流If，讀取每次相應(yīng)的短路電流Ik，即得同步發(fā)電機的短路特性。 第60頁/共126頁3.零功率因數(shù)負載特性cos=0 的負載為純電感負載， 即=90度。負載特性：n=n1，I =常數(shù)，功率因數(shù)cos=常數(shù)時，端電壓

28、Uf（If）。 其中當(dāng)cos=0時一條負載特性稱為零功率因數(shù)特性。第61頁/共126頁0 , , ddUEjI x具有相同相位。寫出代數(shù)方程：00()ddfddUEI xE II x磁動勢間和電動勢間的關(guān)系：0dfadadEUIxFFk FddjI x第62頁/共126頁重點：空載特性與零功率因數(shù)曲線 mn對應(yīng)于去磁磁勢kadFad的激磁電流on：合成磁勢om=mn+om：激磁磁勢Ffan：E合成電勢ab：Ix bn=cm：U=E-Ix c點：對應(yīng)(U,If)為零功率因數(shù)特性曲線上一點電抗三角形abc如電樞電流保持不變，三角形大小不變高ab= Ix，底邊bc=mn均正比于電樞電流負載時實際激磁

29、第63頁/共126頁v 零功率因數(shù)負載特性與空載特性之間相差一個特性三角形。（由電樞電流對應(yīng)的等效勵磁電流和漏抗壓降Iax構(gòu)成其中的兩條邊）v可以由空載特性和特性三角形求取零功率因數(shù)負載特性。 c點軌跡即為零功率因數(shù)曲線DE保梯（Potier)電抗：考慮轉(zhuǎn)子漏磁影響， 空載特性和零功率因數(shù)負載特性間的特性三角形是逐漸變動的。 在UUN一點上得到的特性三角形稱為保梯三角形， 對應(yīng)的漏抗稱為保梯漏抗。 第64頁/共126頁零功率因數(shù)曲線求取兩點試驗實驗法當(dāng)電機較大時，將電機并聯(lián)于電網(wǎng)，有功調(diào)節(jié)為零，調(diào)節(jié)勵磁使發(fā)出無功電流達到IN，即為e點.短路點e點（I=IN,U=0）調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁電流，使三相穩(wěn)

30、定短路電流為額定值額定電壓點c點（ I=IN,U=UN ）調(diào)節(jié)發(fā)電機處于過激，電樞電流為額定值，輸出有功功率為0（零功率因數(shù)），激磁電流和額定電壓決定c點第65頁/共126頁由空載和短路特性確定Xd值 kdIEx0Ff(If)U0Ik0fINUfkIIIN)(IUxNd飽和Ff(If)U0IkfI0EkI二、同步發(fā)電機的參數(shù)及測定dqxx65. 0第66頁/共126頁短路比在一個能產(chǎn)生空載電動勢E0等于額定電壓的勵磁電流If0下進行三相穩(wěn)態(tài)短路試驗， 得到的穩(wěn)態(tài)短路電流Ik0與發(fā)電機的額定電流IN的比值。即：產(chǎn)生空載額定電壓和產(chǎn)生額定短路電流所需的勵磁電流之比。 )()(/NkNIIfkUUf

31、NkcIIIIk 000Ff(If)U0Ik0fINUfkI0KIIN第67頁/共126頁漏抗的測定 電抗三角形法 抽出轉(zhuǎn)子法NIabx bc等效于電樞反應(yīng)的勵磁電流第68頁/共126頁穩(wěn)態(tài)參數(shù)的測定轉(zhuǎn)差法測定xd和xq： 勵磁繞組開路， 被試電機拖到接近同步速， 在電樞繞組上外施三相對稱低電壓（約0.1UN， 保證電機不牽入同步), 外施電壓的相序使定子繞組旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相同。電機實際轉(zhuǎn)速略小于同步轉(zhuǎn)速， 電樞磁勢以sn1的速度掠過轉(zhuǎn)子表面。記錄電樞電壓、電樞電流以及轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓的波形。 第69頁/共126頁第70頁/共126頁Fa對準直軸時， 電樞反應(yīng)電抗大， 電流小，電樞端電壓

32、大（由于供電線路的壓降），轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓為零；Fa對準交軸時， 電樞反應(yīng)電抗小， 電流大，電樞端電壓小，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓最大。 maxminminmax/IUxIUxqd第71頁/共126頁思考題1.為什么感性負載特性（零功率因數(shù)特性）和空載特性有相同的形狀？感性負載時，電樞反應(yīng)為純?nèi)ゴ抛饔?，磁勢間的關(guān)系以及電勢間的關(guān)系為純代數(shù)關(guān)系，即：0dfaaEUIxFFk FddjI x第72頁/共126頁思考題2.比較變壓器、異步電機的激磁電抗與同步電機的同步電抗。變壓器：異步電機：同步電機：同步電抗包括兩個部分，（1）對應(yīng)于定子繞組的漏磁通的x ，（2）對應(yīng)與定子電流產(chǎn)生的空氣隙旋轉(zhuǎn)磁場的xa。非主氣隙合

33、成磁場的作用1111110mmmmasUI ZI ZUI ZI ZUEIrjIx對應(yīng)于-E1，即主磁通第73頁/共126頁6-7 同步發(fā)電機的運行特性 空載特性：實質(zhì)是電機的磁化曲線 短路特性：發(fā)電機在同步轉(zhuǎn)速下， 電樞線端三相穩(wěn)態(tài)短路時， 電樞電流與勵磁電流的關(guān)系曲線。 負載特性：轉(zhuǎn)速為同步速度， 負載電流和功率因數(shù)為常值時， 發(fā)電機的端電壓與勵磁電流之間的關(guān)系曲線。 外特性：在nnN， If常數(shù)和cos常數(shù)時， 端電壓U和負載電流I的關(guān)系曲線。 調(diào)整特性：在nnN， U常數(shù)和cos常數(shù)時，勵磁電流If和負載電流I的關(guān)系。第74頁/共126頁一、同步發(fā)電機的外特性v感性負載（或純阻性負載）在

34、勵磁電流不變的情況下，隨著電樞電流的增大，電樞反應(yīng)的去磁作用的增強，漏抗壓降的增大，同步電機的外特性是下降的曲線。 v容性負載電樞反應(yīng)表現(xiàn)為增磁作用，隨著電樞電流的增大，端電壓反而增大。外特性：n=n1, If=常數(shù),cos=常數(shù)的條件下，同步發(fā)電機作單機運行時,端電壓U隨負載電流 而變化的關(guān)系,即U=f(I )曲線。第75頁/共126頁額定勵磁電流：調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁，使其在額定負載（IIN，coscosN ）時電機端電壓為額定電壓時的勵磁電流。 發(fā)電機的端電壓隨著負載電流的改變而變,保持額定運行時的勵磁電流IfN 和轉(zhuǎn)速nN 不變,將發(fā)電機的完全卸載,發(fā)電機的端電壓將由 UN變化為勵磁電勢E

35、0 ，電壓變化的幅度可以用電壓調(diào)整率來表示 U是發(fā)電機的性能指標之一，按國家標準規(guī)定 應(yīng)不大于40% 。 二、電壓調(diào)整率%1000NNUUEU第76頁/共126頁三、調(diào)整特性調(diào)整特性 ：當(dāng)nnN，U常數(shù)， cos常數(shù)時， 勵磁電流If和負載電流I的關(guān)系曲線Iff（I）。8 . 0cos1cos8 . 0cos滯后超前NIIfI0對于感性和純電阻負載， 調(diào)整特性呈上升趨勢；對于容性負載， 調(diào)整特性呈下降趨勢；第77頁/共126頁提高了供電的可靠性；提高了供電的經(jīng)濟性和靈活性；提高了供電質(zhì)量6-8 同步發(fā)電機的并聯(lián)運行第78頁/共126頁并聯(lián)合閘的條件: 發(fā)電機和電網(wǎng)連接的相序應(yīng)相同； 發(fā)電機和電

36、網(wǎng)的頻率應(yīng)相同； 發(fā)電機和電網(wǎng)的電壓波形應(yīng)相同； 發(fā)電機和電網(wǎng)電壓的大小和相位相同；第79頁/共126頁投入并聯(lián)進行的調(diào)節(jié)和操作過程稱為同步過程。同步方法： 準同步法， 自同步法投入并聯(lián)的方法準同步：把發(fā)電機調(diào)整到完全合乎投入并聯(lián)條件再進行并聯(lián)合閘。 分交叉接法和直接接法第80頁/共126頁直接接法（燈滅法）通過調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁電流的大小使電壓相等 ；電壓調(diào)整好后，如果相序一致，燈光應(yīng)表現(xiàn)為明暗交替。如果燈光不是明暗交替，則說明相序不一致，應(yīng)調(diào)整發(fā)電機的出線相序或電網(wǎng)的引線相序，嚴格保證相序一致；通過調(diào)節(jié)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速改變頻率，直到燈光明暗交替十分緩慢時，說明頻率已十分接近，等待燈光完全變暗的瞬間

37、（相位相同），即可合閘并車 AUBUCUAUBUCU11直接接法（燈光明暗法）第81頁/共126頁交叉接法（燈光旋轉(zhuǎn)法）AUBUCUAUBUCU11通過調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁電流的大小使電壓相等 ；電壓調(diào)整好后，如果相序一致，則燈光旋轉(zhuǎn)，如燈光同步則說明相序不一致；通過調(diào)節(jié)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速改變 頻率，直到燈光旋轉(zhuǎn)十分緩慢時，說明 頻率十分接近，這時等待燈 3 完全熄滅的瞬間到來，即可合閘并車。依靠電機的自整步作用， 將電機牽入同步。 調(diào)節(jié)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)頻率；調(diào)節(jié)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)頻率；調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁調(diào)節(jié)電壓；調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁調(diào)節(jié)電壓；調(diào)節(jié)發(fā)電機的瞬時轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)相位調(diào)節(jié)發(fā)電機的瞬時轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)相位第82頁/共1

38、26頁自整步法v 在相序一致的情況下將勵磁繞組通過適當(dāng)?shù)碾娮瓒探樱籿 用原動機把發(fā)電機拖動到接近同步速(相差25)；v 在沒有接通勵磁電流的情況下將發(fā)電機接入電網(wǎng)；v 再接通勵磁并調(diào)節(jié)勵磁強弱，依靠定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場之間的電磁轉(zhuǎn)矩將轉(zhuǎn)子拉入同步轉(zhuǎn)速。需要注意的是：勵磁繞組必須通過一限流電阻短接。 直接開路，將在其中感應(yīng)出危險的高壓； 直接短路，將在定、轉(zhuǎn)子繞組間產(chǎn)生很大的沖擊電流。自同步法的優(yōu)點：操作簡單，方便快捷；缺點：合閘時有沖擊電流。 第83頁/共126頁6-9 功角特性 P PM Mf f（）當(dāng)忽略電樞繞組損耗時， 2coscos()(coscossinsin)cossinMqdPPm

39、UImUImUImUImUI 0cossinddqqEUIxUIx2011sin()sin22MdqdE UUPmmxxxIdIqIU0EqqjI xddjI xQEqjIxRQ第84頁/共126頁2011sin()sin22MdqdE UUPmmxxx對于隱極機， XdXqXs，只有基本電磁功率 0sinMsE UPmx基本電磁功率附加電磁功率原因：原因：凸機極電機直軸和交軸位置的磁阻不一樣，電樞磁密矢量Ba與磁勢磁勢Fa不重合第85頁/共126頁功角的時空概念 在時間上：端電壓（U與E相位基本相同）和勵磁電動勢E0之間的相位差 在空間上：合成磁場軸線與轉(zhuǎn)子磁場軸線之間夾角。 穩(wěn)定運行時，

40、Ff和F 之間無相對運動，固定。 功角為正值時，為發(fā)電機運行。 功角為負值時，為電動機運行。IdIqIU0EqqjI xddjI xQEqjIxRQ第86頁/共126頁同步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩：凸極機：201111sin()sin22dqdE UUTmmxxx隱極機：01sinsE UTmx2111()sin22qdUTmxx凸極機附加轉(zhuǎn)矩第87頁/共126頁附加轉(zhuǎn)矩（磁阻轉(zhuǎn)矩） 當(dāng)轉(zhuǎn)子軸線與旋轉(zhuǎn)磁極的軸線重合， 只有徑向磁拉力， 無切向磁拉力， 轉(zhuǎn)子無電磁轉(zhuǎn)矩； 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定角度，旋轉(zhuǎn)磁場磁通力圖通過磁阻最小的路徑， 氣隙磁場扭曲， 旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子間除了徑向力， 還有切向力， 形成電磁轉(zhuǎn)矩。 隱

41、極轉(zhuǎn)子氣隙不會扭歪， 所以沒有電磁轉(zhuǎn)矩。 第88頁/共126頁MPT、電動機發(fā)電機MPMPMP凸極機功角特性2011sin()sin22MdqdE UUPmmxxx電動機發(fā)電機隱極機MPT、第89頁/共126頁過載能力過載能力：最大電磁功率與額定功率的比值。額定情況下：N=3040 kP=1.62.0maxMmNPkP0max01sinsinMsmNNNsE UmPxkE UPmx對隱極機：第90頁/共126頁6-10 有功功率調(diào)節(jié)和靜態(tài)穩(wěn)定 同步電機空載運行，不輸出有功功率，0,0,0MPT 增加原動機輸入功率， 轉(zhuǎn)子加速， 轉(zhuǎn)子磁勢Ff超前合成磁場， 電機向電網(wǎng)輸出一定的有功功率。要增加發(fā)

42、電機的輸出有功功率， 必須增加原動機的輸入功率， 使功率角增大。 ,MPT090fFB0EsjIxUaIUBfF0EsjIxaI第91頁/共126頁穩(wěn)定不穩(wěn)定一、有功功率的調(diào)節(jié)210MPPP功率平衡P電機的極限功率1空載時：P2=PM=0P1=P0，處于平衡狀態(tài)=02增加機械功率輸入：P1P0， P1-P00過渡過程：電機加速，轉(zhuǎn)子磁場位置將超前合成磁場， 0 隨著 增加，P2=PM0增加，當(dāng)達到P1-P0=PM時，電機加速過程結(jié)束穩(wěn)定運行：轉(zhuǎn)化來的電磁功率，使輸出有功功率P2發(fā)電機內(nèi)部自動改變位移角，相應(yīng)改變電磁功率和輸出功率，達到新的功率平衡）P1-P0PM第92頁/共126頁二、靜態(tài)穩(wěn)定

43、 擾動發(fā)電機輸入功率的微動 靜態(tài)穩(wěn)定瞬時擾動消除后繼續(xù)保持原來的平衡運行狀態(tài)10abMaPP點：，轉(zhuǎn)子加速，10MbbaPPP擾動消失后，轉(zhuǎn)子減速，達到原有的功率平衡ad點正常工作點點靜態(tài)不穩(wěn)定第93頁/共126頁對隱極電機：當(dāng)m900， 電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩達到最大值。 0max0max1MssE UPmxE UTmx,MPT090靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)域00900對凸極電機：當(dāng)450m900，電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩達到最大值。 靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)域00Xq）凸極機的電壓方程第107頁/共126頁同步電動機的相量圖0 asUEIrjIx隱極同步機：IU0EaIrsjIx凸極同步機：0 ddqqaUEjI xjI xI

44、rIU0EaIrdIqIqqjI xddjI x第108頁/共126頁二、 同步電機的功角特性一、功角特性和矩角特性：（1）功率平衡式同步電動機正常工作時， 定子從電網(wǎng)吸收電功率，轉(zhuǎn)子軸上輸出機械功率。 P1PMP2pcu1pFeppf第109頁/共126頁121112coscuaMcuMFePmUIpmI rPPpPppP輸入功率：定子繞組銅耗：電磁功率： 或運行特性包括：工作特性、起動和調(diào)速。工作特性指U和If為常數(shù)時， T、I、cos、 、n等與輸出功率的關(guān)系。 （2）運行特性第110頁/共126頁當(dāng)忽略電樞繞組損耗時， 1coscos()(coscossinsin)cossinMqdP

45、PmUImUImUImUImUI IdIqIU0EqqjI xddjI xQEqjIxRQ0cossinddqqEUIxUIx2011sin()sin22MdqdE UUPmmxxx功角特性第111頁/共126頁同步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩：凸極機：201111sin()sin22dqdE UUTmmxxx隱極機：01sinsE UTmx第112頁/共126頁功角、矩角特性： 發(fā)電機狀態(tài)0； 凸極機的電磁轉(zhuǎn)矩包含有基本分量和附加分量；TMP發(fā)電機電動機隱極機MPT發(fā)電機電動機MPMPMP凸極機第113頁/共126頁二、有功功率的調(diào)節(jié)和靜態(tài)穩(wěn)定 同步電機空載運行，0,0,0MPT 負載增加，轉(zhuǎn)子減速， 轉(zhuǎn)子磁勢Ff滯后合成磁場， 電機輸出一定的功率和轉(zhuǎn)矩。同步電動機的有功功率調(diào)節(jié)，取決于總負載轉(zhuǎn)矩的變化 ， 電動機自動改變角， 調(diào)整從電網(wǎng)吸收的有功功率。 fFB0EsjIxUUBfF0EsjIx,MPT090第114頁/共126頁 三、同步電機的無功功率調(diào)節(jié)以隱