同步電機(jī)的基本理論和運(yùn)行特性1

第四篇第十二章

同步電機(jī)的基本理論和運(yùn)行特性12-1

同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)一、同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)型式組成：固定的定子和可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子分：磁極旋轉(zhuǎn)式和電樞旋轉(zhuǎn)式。磁極旋轉(zhuǎn)式——以電樞為定子，磁極為轉(zhuǎn)子。使磁極旋轉(zhuǎn)，激磁電流通過(guò)集電環(huán)送入激磁繞組。旋轉(zhuǎn)電樞式應(yīng)用于小容量同步電機(jī)

定子——定子鐵心的內(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(duì)稱交流繞組。這種同步電機(jī)的定子又稱為電樞，定子鐵心和繞組又稱為電樞鐵心和電樞繞組轉(zhuǎn)子——轉(zhuǎn)子鐵心上裝有制成一定形狀的成對(duì)磁極，磁極上繞有勵(lì)磁繞組，通以直流電流時(shí)，將會(huì)在電機(jī)的氣隙中形成極性相間的分布磁場(chǎng)，稱為勵(lì)磁磁場(chǎng)(也稱主磁場(chǎng)、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng))。氣隙——?dú)庀短幱陔姌袃?nèi)圓和轉(zhuǎn)子磁極之間，氣隙層的厚度和形狀對(duì)電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)的分布和同步電機(jī)的性能有重大影響。

發(fā)電機(jī)原理主磁場(chǎng)的建立：勵(lì)磁繞組通以直流勵(lì)磁電流，建立極性相間的勵(lì)磁磁場(chǎng)，即建立起主磁場(chǎng)。

載流導(dǎo)體：三相對(duì)稱的電樞繞組充當(dāng)功率繞組，成為感應(yīng)電勢(shì)或者感應(yīng)電流的載體。切割運(yùn)動(dòng)：原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)（給電機(jī)輸入機(jī)械能），極性相間的勵(lì)磁磁場(chǎng)隨軸一起旋轉(zhuǎn)并順次切割定子各相繞組（相當(dāng)于繞組的導(dǎo)體反向切割勵(lì)磁磁場(chǎng)）。

交變電勢(shì)的產(chǎn)生：由于電樞繞組與主磁場(chǎng)之間的相對(duì)切割運(yùn)動(dòng)，電樞繞組中將會(huì)感應(yīng)出大小和方向按周期性變化的三相對(duì)稱交變電勢(shì)。通過(guò)引出線，即可提供交流電源。

感應(yīng)電勢(shì)頻率：感應(yīng)電勢(shì)的頻率決定于同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速n和極對(duì)數(shù)p，即交變性與對(duì)稱性：由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)極性相間，使得感應(yīng)電勢(shì)的極性交變；由于電樞繞組的對(duì)稱性，保證了感應(yīng)電勢(shì)的三相對(duì)稱性。電動(dòng)機(jī)原理將同步電機(jī)定子繞組接至三相交流電源，頻率為f的三相交流電流將在電機(jī)氣隙中產(chǎn)生轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速n1的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。在一定條件下旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)將吸住轉(zhuǎn)子磁極一起旋轉(zhuǎn)，它們有相同的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向——無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速n＝60f／p同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)，在不要求調(diào)速的場(chǎng)合，應(yīng)用大型同步電動(dòng)機(jī)可以提高運(yùn)行效率。近年來(lái)，小型同步電動(dòng)機(jī)在變頻調(diào)速系統(tǒng)中開(kāi)始得到較多地應(yīng)用。

同步補(bǔ)償機(jī)運(yùn)行電機(jī)不帶任何機(jī)械負(fù)載，靠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子中的勵(lì)磁電流向電網(wǎng)發(fā)出所需的感性或者容性無(wú)功功率，以達(dá)到改善電網(wǎng)功率因數(shù)或者調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓的目的。過(guò)激時(shí)，有超前的無(wú)功功率，如電容器凸極式轉(zhuǎn)子凸極式轉(zhuǎn)子上有明顯凸出的成對(duì)磁極和勵(lì)磁線圈當(dāng)勵(lì)磁線圈中通過(guò)直流勵(lì)磁電流后，每個(gè)磁極就出現(xiàn)一定的極性，相鄰磁極交替為N極和S極對(duì)水輪發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，由于水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速較低，要發(fā)出工頻電能，發(fā)電機(jī)的極數(shù)就比較多，做成凸極式結(jié)構(gòu)工藝上較為簡(jiǎn)單。中小型同步電機(jī)多半也做成凸極式。隱極式轉(zhuǎn)子隱極式轉(zhuǎn)子上沒(méi)有凸出的磁極沿著轉(zhuǎn)子本體圓周表面上，開(kāi)有許多槽，這些槽中嵌放著勵(lì)磁繞組。在轉(zhuǎn)子表面約1/3部分沒(méi)有開(kāi)槽，構(gòu)成大齒，是磁極的中心區(qū)。勵(lì)磁繞組通入勵(lì)磁電流后，沿轉(zhuǎn)子圓周也會(huì)出現(xiàn)N極和S極。在大容量高轉(zhuǎn)速汽輪發(fā)電機(jī)中，轉(zhuǎn)子圓周線速度極高，最大可達(dá)170米/秒。為了減小轉(zhuǎn)子本體及轉(zhuǎn)子上的各部件所承受的巨大離心力，大型汽輪發(fā)電機(jī)都做成細(xì)長(zhǎng)的隱極式圓柱體轉(zhuǎn)子。二、同步電機(jī)的額定值1.

額定容量SN或額定功率PN2.額定電壓UN3.額定電流IN4.額定功率因數(shù)cosN5.

額定效率N6.額定轉(zhuǎn)速nN和額定頻率fN7.額定勵(lì)磁電壓UfN和額定勵(lì)磁電流IfN國(guó)產(chǎn)同步電機(jī)型號(hào)：

【例12-1】

一臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)，額定功率PN=1100MW，額定電壓UN=20kV，Y連接，額定功率因數(shù)cosN=0.85（滯后）。求發(fā)電機(jī)的額定電流IN。

【例12-2】

一臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)，額定容量SN=900MVA，額定電壓UN=15.5kV，Y連接，額定功率因數(shù)cosN=0.8（滯后）。求：（1）發(fā)電機(jī)的額定電流IN；（2）額定運(yùn)行時(shí)發(fā)出的有功功率PN；（3）額定運(yùn)行時(shí)發(fā)出的無(wú)功功率QN。12-2

同步電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)基本概念勵(lì)磁的要求勵(lì)磁方式12-3

同步電機(jī)的空載運(yùn)行空載與空載磁勢(shì)：空載運(yùn)行：原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)在同步轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，勵(lì)磁繞組通過(guò)適當(dāng)?shù)膭?lì)磁電流，電樞繞組不帶任何負(fù)載時(shí)?？蛰d運(yùn)行是同步發(fā)電機(jī)最簡(jiǎn)單的運(yùn)行方式，其氣隙磁場(chǎng)由轉(zhuǎn)子磁勢(shì)單獨(dú)建立，分析較為簡(jiǎn)單一、隱極式同步電機(jī)的空載磁動(dòng)勢(shì)表12-1

隱極電機(jī)勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)波形系數(shù)0.60.660.70.750.8kf1.091.061.0310.965二、凸極式同步電機(jī)的空載磁動(dòng)勢(shì)三、時(shí)間相量與空間矢量四、空載電動(dòng)勢(shì)相量五、電壓波形正弦畸變率基本方法有：使勵(lì)磁電流產(chǎn)生接近于正弦分布的氣隙磁通密度；定子繞組采用分布和短距線圈；三相繞組采用Y接法。上述方法可以大大消除感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)中的諧波含量，使同步電機(jī)的線電動(dòng)勢(shì)基本達(dá)到正弦變化。12-4

對(duì)稱負(fù)載時(shí)的電樞反應(yīng)首先要搞清楚什么是電樞反應(yīng)其次要了解電樞磁動(dòng)勢(shì)和勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)的關(guān)系再次之，要了解矢量合成的方法引入一個(gè)新概念，即內(nèi)功率因數(shù)角一、I和E0同相（y=0）時(shí)的電樞反應(yīng)二、I滯后E090

（y=90）時(shí)的電樞反應(yīng)三、I滯后E0180

（y=180）時(shí)的電樞反應(yīng)四、I超前E090

（y=-90）時(shí)的電樞反應(yīng)五、一般情況下的電樞反應(yīng)有功電流產(chǎn)生電磁力，并形成電磁轉(zhuǎn)矩?zé)o功電流產(chǎn)生電磁力，不形成電磁轉(zhuǎn)矩12-5

隱極同步發(fā)電機(jī)的分析方法一、不計(jì)磁路報(bào)和影響隱極發(fā)電機(jī)的電磁過(guò)程1.

電路方程和等效電路隱極發(fā)電機(jī)的電勢(shì)方程式其中同步電抗的物理意義：表征地對(duì)稱負(fù)載下單位電樞電流三相聯(lián)合產(chǎn)生的電樞總磁場(chǎng)在電樞每相繞組中感應(yīng)電勢(shì)簡(jiǎn)化方程式2.

電樞反應(yīng)電抗和同步電抗3.

隱極同步發(fā)電機(jī)的相量圖

【例12-3】一臺(tái)Y接法、4極的隱極同步發(fā)電機(jī)，它的空載線電動(dòng)勢(shì)E0=400V，定子槽數(shù)為60，雙層繞組，節(jié)距y=13，每個(gè)線圈的匝數(shù)Nc=6，由試驗(yàn)得到其同步電抗為xs=4.35。現(xiàn)接上每相阻抗為ZL=40+j26的三相對(duì)稱負(fù)載，求負(fù)載電流I和電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa，并說(shuō)明電樞反應(yīng)的性質(zhì)（忽略電樞繞組電阻）。

二、考慮磁路飽和時(shí)隱極同步

發(fā)電機(jī)的分析方法

【例12-2】一臺(tái)三相汽輪發(fā)電機(jī)，Y連接，額定數(shù)據(jù)如下：功率PN=25000kW，電壓UN=6300V，功率因數(shù)cosN=0.8（落后），每相漏抗x=0.0917，忽略電阻。空載特性如下表。在額定負(fù)載下，電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)的折算值ka