第6章-同步電機(jī)課件

1、第六章 同步電機(jī)6.1 同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)6.2 空載和負(fù)載時(shí)同步發(fā)電機(jī)的磁場6.3 隱極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程、相量圖和等效電路6.4 凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程和相量圖6.5 同步發(fā)電機(jī)的功率方程和轉(zhuǎn)矩方程6.6 同步電機(jī) 參數(shù)的測定6.7 同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性6.1 同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài) 同步電機(jī)一、同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 旋轉(zhuǎn)電樞式 旋轉(zhuǎn)磁極式 隱極式（Salient-pole） 凸極式（Cylindrical-Rotor） 二、同步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能 電動(dòng)機(jī)把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能補(bǔ)償機(jī)沒有有功功率的轉(zhuǎn)換，只發(fā)出或吸 收無功功率 同步電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，主要取決于定

2、子合成磁場與轉(zhuǎn)子主磁場之間的夾角，稱為功率角 6.1 同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài) 三、同步電機(jī)的勵(lì)磁方式直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁直流勵(lì)磁機(jī)通常與同步發(fā)電機(jī) 同軸，采用并勵(lì)或他勵(lì)接法。 如圖68所示 整流器勵(lì)磁靜止式如圖6-9旋轉(zhuǎn)式6.1 同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài) 額 定 容 SN 指額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的輸輔出功率 額定電壓UN 指額定運(yùn)行時(shí)定子的線電壓 額定電流IN 指額定運(yùn)行時(shí)定子的線電流 額定功率因數(shù)指額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的功率因數(shù) 額定頻率fN 指額定運(yùn)行時(shí)電樞的頻率額定轉(zhuǎn)速nN 指額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即為 同步轉(zhuǎn)速 四、額定值 6.1 同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài) 返回 空載運(yùn)行時(shí)，同步電機(jī)內(nèi)僅有

3、由勵(lì)磁電流所建立的主極磁場。圖6l0表示一臺(tái)四極電機(jī)空載時(shí)的磁通示意圖。從圖可見，主極磁通分成主磁通0和漏磁通f兩部分，前者通過氣隙并與定子繞組相交鏈，后者不通過氣隙，僅與勵(lì)磁繞組相交鏈。主磁通所經(jīng)過的主磁路包括空氣隙電樞 齒、電樞軛、磁極極身和轉(zhuǎn)子軛等五部分。6.2 空載和負(fù)載時(shí)同步發(fā)電機(jī)的磁場一、空載運(yùn)行6.2 空載和負(fù)載時(shí)同步發(fā)電機(jī)的磁場一、空載運(yùn)行 當(dāng)轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，主磁場將在氣隙中形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，在定子繞組內(nèi)感應(yīng)出對稱三相電動(dòng)勢（激磁電動(dòng)勢） 空載特性是同步電機(jī)的一條基本特性。如圖611所示二、對稱負(fù)載時(shí)的電樞反應(yīng) 電樞磁動(dòng)勢的基波在氣隙中所產(chǎn)生的磁場就稱為電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)

4、的性質(zhì)(增磁、去磁或交磁)取決于電樞磁動(dòng)勢和主磁場在空間的相對位置。分析表明，此相對位置取決于激磁電動(dòng)勢E0和扭載電流I之間的相角差0(0稱為內(nèi)功率因數(shù)角)。下面分成兩種情況來分析。 6.2 空載和負(fù)載時(shí)同步發(fā)電機(jī)的磁場 與 同相時(shí)a) 定子繞組電動(dòng)勢、電流和磁動(dòng)勢的空間矢量圖 與 同相時(shí)b) 時(shí)間矢量圖 與 同相時(shí)c) 時(shí)-空統(tǒng)一矢量圖 與 同相時(shí)d)氣隙合成磁場與主磁場的相對位置 與 不同相時(shí) a) 滯后于 時(shí)的空間矢量圖 與 不同相時(shí) b) 滯后 時(shí)的時(shí)-空統(tǒng)一矢量圖 與 不同相時(shí) c) 超前 時(shí)得時(shí)-空統(tǒng)一矢量圖返回同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)物理量的關(guān)系：一、不考慮磁飽和時(shí)6.3 隱極同步發(fā)

5、電機(jī)的電壓方程、相量圖和等效電路 在時(shí)間相位上， 滯后于 以90電角度，若不計(jì)定子鐵耗, 與 同相位，則 將滯后于 以90電角度于是 亦可寫成負(fù)電抗壓降的形式，即 采用發(fā)電機(jī)慣例，以輸出電流作為電樞電流的正方向時(shí)，電樞的電壓方程為 因?yàn)殡姌蟹磻?yīng)電動(dòng)勢Ea正比于電樞反應(yīng)磁通a不計(jì)磁飽和時(shí)，a又正比于電樞磁動(dòng)勢Fa和電樞電流I，即 (65) (66) 將式(66)代人式(65)，可得 (67) 式中，Xs稱為隱極同步電機(jī)的同步電抗，Xs=Xa+X，它是對稱穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)表征電樞反應(yīng)和電樞漏磁這兩個(gè)效應(yīng)的一個(gè)綜合參數(shù)。不計(jì)飽和時(shí)，Xs是一個(gè)常值。 圖615a和b表示與式(65)和式(67)相對應(yīng)的相量圖

6、，圖615c表示與式(67)相應(yīng)的等效電路。從圖615c可以看出，隱極同步發(fā)電機(jī)的等效電路由激磁電動(dòng)勢和同步阻抗Ra+jXs串聯(lián)組成，其中E0表示主磁場的作用，Xs表示電樞反應(yīng)和電樞漏磁場的作用。 考慮磁飽和時(shí)，由于磁路的非線性，疊加原理不再適用。此時(shí)，應(yīng)先求出作用在主磁路上的合成磁動(dòng)勢F，然后利用電機(jī)的磁化曲線 (空載曲線) 求出負(fù)載時(shí)的氣隙磁通 及相應(yīng)的氣隙電動(dòng)勢 。二、考慮磁飽和時(shí) 再從氣隙電動(dòng)勢 減去電樞繞組的電阻和漏抗壓降，使得電樞的端電壓 ，即 相應(yīng)的矢量圖、相量圖和FE間的關(guān)系如圖616a和616b所示。圖6-16a中既有電動(dòng)勢相量，又有磁動(dòng)勢矢量。故稱為電動(dòng)勢磁動(dòng)勢圖?；蚍祷?

7、考慮到凸極電機(jī)氣隙的不均勻性，把電樞反應(yīng)分成直軸和交軸電樞反應(yīng)分別來處理的方法，就稱為雙反應(yīng)理論。 凸極同步電機(jī)的氣隙是不均勻的，極面下氣隙較小，兩極之間氣隙較大，故直軸下單位面積的氣隙磁導(dǎo)d (d0d) 要比交軸下單位面積的氣隙磁導(dǎo)q (q0q) 大很多，如圖618a所示。 當(dāng)正弦分布的電樞磁動(dòng)勢作用在直軸上時(shí)，由于d較大，故在一定大小的磁動(dòng)勢下，直軸基波磁場的幅值Bad1相對較大。一、雙反應(yīng)理論6.4 凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程和相量圖 不考慮磁飽和時(shí)同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)物理量的關(guān)系：二、凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程和相量圖6.4 凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程和相量圖 從氣隙電動(dòng)勢云減去電樞繞組的電

8、阻和漏抗壓降，便得電樞的端電壓。采用發(fā)電機(jī)慣例，電樞的電壓方程為：， 6-9不計(jì)磁飽和時(shí) 和 可以用相應(yīng)的負(fù)電抗壓降來表示6-10將式(6-10)代入式(6-9)，并考慮 ，可得 式中，Xd和Xq分別稱為直軸同步電抗和交軸同步電抗，它們是表征對稱穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)電樞漏磁和直軸或交軸電樞反應(yīng)的一個(gè)綜合參數(shù)。上式就是凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程。圖6-19表示與上式相對應(yīng)的相量圖。 引入虛擬電動(dòng)勢 ，使 可得6-12 由式6-12相量圖如圖6-20所示。由圖6-20不難確定 由式6-12可得凸極同步發(fā)電機(jī)的等效電路，如圖6-21所示。 三、直軸和交軸同步電抗的意義 由于電抗與繞組匝數(shù)的平方和所經(jīng)磁路的磁導(dǎo)成

9、正比，所以 如圖6-22所示。對于凸極電機(jī)，由于直軸下的氣隙較交軸下小， ，所以XadXaq，因此在凸極同步電機(jī)中，XdXq。 對于隱極電機(jī)，由于氣隙是均勻的，故XdXqXs 例題返回6.5 同步發(fā)電機(jī)的功率方程和轉(zhuǎn)矩方程一、功率方程和電磁功率 功率方程 若轉(zhuǎn)子勵(lì)磁損耗由另外的直流電源供給，則發(fā)電機(jī)軸上輸入的機(jī)械功率Pl扣除機(jī)械損耗 和定子鐵耗 后，余下的功率將通過旋轉(zhuǎn)磁場和電磁感應(yīng)的作用，轉(zhuǎn)換成定子的電功率，所以轉(zhuǎn)換功率就是電磁功率Pe，即 (6-14) 再從電磁功率Pe中減去電樞銅耗 可得電樞端點(diǎn)輸出的電功率P2；即 (6-15) 電磁功率 從式(615)可知，電磁功率Pe為 由圖623可

10、見 故同步電機(jī)的電磁功率亦可寫成 上式的第一部分與感應(yīng)電機(jī)的電磁功率表達(dá)式相同，第二部分則是同步電機(jī)常用的。對于隱極同步電機(jī)，由于EQE0，故有 二、轉(zhuǎn)矩方程 把功率方程(614)除以同步角速度，可得轉(zhuǎn)矩方程 式中，T1為原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩,Te為電磁轉(zhuǎn)矩,T0為空載轉(zhuǎn)矩，分別為：(618)返回6.6 同步電機(jī)參數(shù)的測定一、用空載特性和短路特性確定Xd 空載特性可以用空載試驗(yàn)測出。試驗(yàn)時(shí)，電樞開路 (空載)，用原動(dòng)機(jī)把被試同步電機(jī)拖動(dòng)到同步轉(zhuǎn)速，改變勵(lì)磁電流If，并記取相應(yīng)的電樞端電壓U0 (空載時(shí)即等于E0，直到U01.25UN左右，可得空載特性曲線 。 短路特性可由三相穩(wěn)態(tài)短路試驗(yàn)測得，試驗(yàn)

11、線路如圖6-24a所示。將被試同步電機(jī)的電樞端點(diǎn)三相短路，用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)被試電機(jī)到同步轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流If使電樞電流I從零起一直增加到1.2IN左右，便可得到短路特性曲線，如圖624b所示。 短路時(shí)， ，故 ， ，而 所以 因?yàn)槎搪吩囼?yàn)時(shí)磁路為不飽和，所以這里的E0(每相值)應(yīng)從氣隙線上查出，如圖625所示，求出的Xd值為不飽和值。 (619)(620) Xd的飽和值與主磁路的飽和情況有關(guān)。主磁路的飽和程度取決于實(shí)際運(yùn)行時(shí)作用在主磁路上的合成磁動(dòng)勢，因而取決于相應(yīng)的氣隙電動(dòng)勢；如果不計(jì)漏阻抗壓降，則可近似認(rèn)為取決于電樞的端電壓，所以通常用對應(yīng)于額定電壓時(shí)的Xd值作為其飽和值。為此，從空載曲線上

12、查出對應(yīng)于額定端電壓UN時(shí)的勵(lì)磁電流If0，再從短路特性上查出與該勵(lì)磁電流相應(yīng)的短路電流，如圖626所示，這樣即可求出 Xd(飽和)例題返回6.7 同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性一、同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性 同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性包括外特性、調(diào)整特性和效率特性。 外特性外特性表示發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速，且勵(lì)磁電流和負(fù)載功率因數(shù)不變時(shí)，發(fā)電機(jī)的端電壓與電樞電流之間的關(guān)系：即nnS，If=常值，cos=常值時(shí)，U=f(I)。 圖630 表示帶有不同功率因數(shù)的負(fù)載時(shí)，同步發(fā)電機(jī)的外特性。 調(diào)整特性調(diào)整特性表示發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速、端電壓為額定電壓、負(fù)載的功率因數(shù)不變時(shí)，勵(lì)磁電流與電樞電流之間的關(guān)系；即nnS，

13、U =UN，cos=常值時(shí)，If=f(I)。 圖631表示帶有不同功率因數(shù)的負(fù)載時(shí)，同步發(fā)電機(jī)的調(diào)整特性 效率特性效率特性是指轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速、端電壓為額定電壓、功率因數(shù)為額定功率因數(shù)時(shí)，發(fā)電機(jī)的效率與輸出功率的關(guān)系；即nnS，U =UN，cos= cosN時(shí)，=f(P2)。 返回同步電機(jī)的空載磁路返回同步電機(jī)的空載特性返回雙反應(yīng)理論圖618 雙反應(yīng)理論雙反應(yīng)理論圖618 雙反應(yīng)理論返回雙反應(yīng)理論隱極同步發(fā)電機(jī)的向量圖返回隱極同步發(fā)電機(jī)的向量（圖b ）返回隱極同步發(fā)電機(jī)的等效電路返回電動(dòng)勢-磁動(dòng)勢圖返回由合成磁動(dòng)勢F確定氣隙電動(dòng)勢E空載曲線返回凸極同步發(fā)電機(jī)的向量圖返回 角的確定返回凸極同步發(fā)電

14、機(jī)的等效電路圖返回凸極同步電機(jī)電樞反磁通及所經(jīng)磁路及磁導(dǎo)返回直軸電樞磁導(dǎo)交軸電樞磁導(dǎo)從向量圖導(dǎo)出返回短路實(shí)驗(yàn)接線圖返回短路特性返回用空載和短路特性來確定返回 (飽和)的確定返回同步發(fā)電機(jī)的外特性cos=0.8滯后cos=1cos=0.8超前返回圖631同步發(fā)電機(jī)的調(diào)整特性cos=0.8滯后cos=1cos=0.8超前返回旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機(jī)的類型NS+隱極式返回NSNS+凸極式返回帶副勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)GG副勵(lì)磁機(jī)主勵(lì)磁機(jī)同步發(fā)電機(jī)返回靜止整流器勵(lì)磁系統(tǒng)交流副勵(lì)磁機(jī)交流主勵(lì)磁機(jī)不可控整流起器電壓調(diào)整器主發(fā)電機(jī)電壓互感器電流互感器可控整流起器自勵(lì)恒壓器返回NNoNoNoNNSoSoSSSSo主極主極同步電機(jī)的三種運(yùn)行狀態(tài)發(fā)電機(jī)補(bǔ)償機(jī)電動(dòng)機(jī)返回例62 有一臺(tái)25000kW、10.5kV(星形聯(lián)結(jié))、 (滯后)的汽輪發(fā)電機(jī)，從其空載、短路試驗(yàn)中得到下列數(shù)據(jù)，試求同步電抗。從空載特性上查得：相電壓 kV時(shí)，If0155A；從短路特性上查得：IIN1718A時(shí)，Ifk280A；從氣隙線上得查得：If280A時(shí)， k