同步電機工作原理14318.ppt

1、6.1 同步電機的基本工作原理與結構,6.2 同步發(fā)電機的空載運行,6.3同步發(fā)電機的電樞反應,6.4 同步發(fā)電機的負載運行,6.5同步發(fā)電機的并聯(lián)運行,6.6同步電動機和同步調(diào)相機,思考題與習題,同步電機是交流旋轉電機的一種,因其轉速恒等于同步速機時得名。同步電機主要用作發(fā)電機，也可用作電動機和調(diào)相機。本章主要分析同步發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)運行原理和運行特性，簡要分析同步電動機和調(diào)相機的運行狀態(tài)。,.1同步電機的基本工作原理與結構,.1.1 同步電機的基本結構,以汽輪發(fā)電機為例:,返回,返回,1、汽輪發(fā)電機結構 （1）定子鐵心,返回,返回,1、汽輪發(fā)電機結構,返回,2、水輪發(fā)電機結構,(1)立式水輪發(fā)

2、電機,(2)臥式水輪發(fā)電機,2、水輪發(fā)電機結構轉子結構,10000kW水輪機轉子,1.發(fā)電環(huán)節(jié)各種電機,引進600MW汽輪發(fā)電機,國產(chǎn)300MW汽輪發(fā)電機,國產(chǎn)200MW汽輪發(fā)電機定子,國產(chǎn)200MW汽輪發(fā)電機定子鐵心,現(xiàn)場運行的水輪發(fā)電機,.1同步電機的基本工作原理與結構,.1.2 同步電機的基本工作原理與分類,一、同步發(fā)電機的基本工作原理,大?。?頻率：,勵磁繞組通入直流電流后建立恒定磁場，原動機拖動轉子以轉速 旋轉時，其磁場切割定子繞組而感應交流電動勢 .,相序：由轉子的轉向決定。,波形：由 可知，波形取決于 的空間分布。,發(fā)電機的物理過程可用圖示表示,旋轉示意圖1,旋轉示意圖2,二、同

3、步電機的分類,按運行方式，同步電機分發(fā)電機、電動機和調(diào)相機。,按結構型式，同步電機分旋轉電樞式和旋轉磁極式。,旋轉磁極式同步電機按磁極形狀，又分隱極式和凸極式兩種。,按原動機類別,同步電機分為汽輪發(fā)電機、水輪發(fā)電機和柴油發(fā)電機等。,汽輪發(fā)電機一般作成隱極式，現(xiàn)代汽輪發(fā)電機均為2極，轉速為3000轉/分鐘，水輪發(fā)電機采用凸極式，極數(shù)多，轉速低。,同步電動機、柴油發(fā)電機和調(diào)相機一般作成凸極式。,.1.3 同步電機的額定值,對同步發(fā)電機額定值之間關系為：,額定運行時加在三相定子繞組上的線電壓。,指電機額定運行時，輸出功率的保證值。同步發(fā)電機是指輸出的額定視在功率或有功功率，單位是KVA或KW。電動機

4、額定容量是指額定條件下轉軸上輸出的機械功率，單位是KW。調(diào)相機用KVA或Kvar表示。,在額定運行狀態(tài)下三相定子繞組的線電流.,.2 同步發(fā)電機的空載運行,電磁關系：,空載特性：,同步發(fā)電機被原動機拖動到同步轉速，勵磁繞組中通入直流電流 ，定子繞組開路的運行稱為空載運行。,空載電動勢 大?。?.3 同步電機的電樞反應,電樞反應:電機帶上負載后，電樞磁動勢的基波在氣隙中使氣隙 磁通的大小及位置均發(fā)生變化, 這種影響稱為電樞反應.,電樞反應的性質(zhì)，取決于電樞磁動勢基波 和勵磁磁動勢基波 之間的相對位置，即與空載電動勢 和電樞電流 之間的夾角 有關.,勵磁磁勢和電樞磁勢的區(qū)別,.3.1 時的電樞反應

5、,電樞反應性質(zhì)： 交軸電樞反應,空載電動勢 和電樞電流 同相位.,.3.2 時的電樞反應,空載電動勢 超前電樞電流,6.3.3 時的電樞反應,空載電動勢 滯后電樞電流,6.3.4 一般情況下的電樞反應,空載電動勢 超前電樞電流 角,此種情況下,-直軸分量 -交軸分量,-直軸分量電流產(chǎn)生的合成磁動勢 -交軸分量電流產(chǎn)生的合成磁動勢,6.3.4 一般情況下的電樞反應（總結）,6.3.5 電樞反應與機-電能量轉換,電樞反應是同步電機在負載運行時的重要物理現(xiàn)象，它不僅是引起端電壓變化的主要原因，而且也是電機實現(xiàn)機-電能量轉換的樞紐。,輸出的有功功率越大，有功分量電流就越大，交軸電樞反應越強， 越大，這

6、就要求原動機輸入更大的驅(qū)動轉矩，維持電機的轉速不變。,說明發(fā)電機帶感性(或容性)無功負載時,不需要原動機增加能量.,但是直軸去磁（或助磁）電樞反應對氣隙磁場有去磁（或助磁）作用，致使電壓下降（或上升）。為維持電壓恒定所需的勵磁電流也需要相應增加（或減?。?。,直軸電樞反應磁場與勵磁電流共同作用,在勵磁繞組上產(chǎn)生電磁力,但不能形成電磁轉矩.,一般情況下，發(fā)電機既帶有功負載，又帶感性無功負載，有功電流的變化影響發(fā)電機的轉速及頻率，無功電流的變化影響發(fā)電機的電壓。,綜上所述，交軸電樞反應的存在是實現(xiàn)機電能量轉換的關鍵。,為了保持發(fā)電機的頻率和電壓的穩(wěn)定，必須隨負載變化及時調(diào)節(jié)發(fā)電機的輸入功率和勵磁電流

7、。,6.4.1 凸極同步發(fā)電機的電動勢方程和相量圖,.4 同步電機的負載運行,一、凸極同步發(fā)電機的電動勢方程,電磁關系：,不計磁路飽和時有下列關系,由于,且令,則電動勢平衡方程,分別表征在對稱負載下，單位直軸或交軸三相電流產(chǎn)生的總電樞磁場在電樞每一相繞組中感應的電動勢。,二、凸極同步發(fā)電機的相量圖,作圖步驟,6.4.2隱極同步發(fā)電機的電動勢方程、相量圖和等效電路,一、電動勢方程,電磁關系：,不計磁路飽和時有下列關系,令,電動勢平衡方程,-同步電抗,表征在對稱負載下，單位三相電流產(chǎn)生的電樞總磁場在電樞每一相繞組中感應的電動勢。,二、等效電路和相量圖,等效電路,相量圖,根據(jù)相量圖可求出,當忽略電樞

8、回路電阻時得到的等效電路稱為簡化等效電路,對應的相量圖稱為簡化相量圖,思考題,分別作出汽輪同步發(fā)電機帶阻性、純感性、純?nèi)菪?、電感性、電容性負載時的簡化相量圖？并說明各種情況下電樞反應的性質(zhì)？,6.4.3 同步發(fā)電機特性,一、空載特性,定義：,空載特性是發(fā)電機的基本特性之一。它一方面表征了磁路的飽和情況，另一方面把它和短路特性、零功率因數(shù)負載特性配合，可確定電機的基本參數(shù)、額定勵磁電流和電壓變化率等。,實際生產(chǎn)中，它還可以檢查三相電樞繞組的對稱性、匝間短路、判斷勵磁繞組和定子鐵心有無故障等。,二、短路特性,定義：,短路時的等效電路,短路特性曲線,短路特性與空載特性配合可以求出電機的同步電抗。,三

9、、外特性,定義：,外特性曲線,當發(fā)電機帶阻性和感性負載時，外特性是下降的，原因是電樞反應的去磁作用和電樞漏阻抗產(chǎn)生了電壓降.,帶容性負載時且（發(fā)電機負載的容抗大于同步電抗）時，外特性是上升的，原因是電樞反應的助磁作用和容性電流在漏抗上的壓降。,四、調(diào)節(jié)特性,定義：,調(diào)整特性曲線,在感性和阻性負載時，隨著負載電流的增加，必須增加勵磁電流，補償電樞反應的去磁作用和漏阻抗壓降，保持端電壓恒定；對容性負載，隨著負載電流的增加，必須減小勵磁電流。,在功率因數(shù)一定情況下,根據(jù)調(diào)整特性曲線,可確定在負載變化范圍內(nèi),維持電壓不變所需的勵磁電流的變化范圍。運行人員可利用調(diào)整特性曲線,使系統(tǒng)中無功功率的分配更合理

10、一些。,并聯(lián)運行的含義,.5 同步電機的并聯(lián)運行,1、提高供電的可靠性； 2、提高供電的經(jīng)濟性； 3、提高電能的質(zhì)量。,無窮大電網(wǎng)的含義,將兩臺或更多臺發(fā)電機分別接在電力系統(tǒng)對應母線上，或通過變壓器、輸電線接在電力系統(tǒng)的公共母線上，共同向負荷供電。,并聯(lián)運行的優(yōu)點,并列方法,1.準同期法 2.自同期法,6.5.1 并聯(lián)運行的條件,一、準同期并列的條件,1.待并發(fā)電機的電壓與電網(wǎng)電壓大小相等； 2.待并發(fā)電機電壓相位相同與電網(wǎng)電壓相位相同； 3.待并發(fā)電機電壓頻率與電網(wǎng)電壓頻率相同； 4.待并發(fā)電機的相序與電網(wǎng)的相序相同。,上述條件（4）一般在安裝發(fā)電機時，根據(jù)發(fā)電機的轉向確定了發(fā)電機的相序而滿

11、足，因此運行人員在并列時只需調(diào)節(jié)發(fā)電機使其滿足其它三個條件即可。,不滿足任一條件的并列稱為非同期并列，將對電機產(chǎn)生嚴重的危害。,重點內(nèi)容,1. 電壓大小不等,此時,ab兩端有電位差,在電位差的作用下發(fā)電機產(chǎn)生沖擊電流，即,沖擊電流為無功分量，不會加重原動機的負擔，但會在電樞繞組中產(chǎn)生很大的沖擊力，使電樞繞組端部受沖擊力的作用而變形。,2. 相位不同,電位差可達發(fā)電機電壓的兩倍，若此時并列，會產(chǎn)生很大的沖擊電流，發(fā)電機會因遭受巨大的沖擊力而損壞。,沖擊電流的影響：1)電樞繞組端部受力變形; 2)轉軸上受沖擊轉矩的作用,使機軸扭曲變形;)電樞繞組發(fā)熱.,此時,ab兩端有電位差,3. 頻率不同,轉軸

12、上時而產(chǎn)生制動轉矩、時而產(chǎn)生驅(qū)動轉矩，結果是電機振動。,拍振電流使電樞繞組端部受力變形，使電樞繞組發(fā)熱。,頻率差過大電機不能并列；頻率差較小時，靠自整步作用，可以把發(fā)電機拉入同步。,4. 相序不同,發(fā)電機實際并列時，除了相序必須一致外，其它條件允許有一定的偏差，如U不超過10%，相位差不超過10%，頻率偏差不超過0.2%0.5%（0.10.25Hz)。,二、自同期法,相序正確前提下，起動未加勵磁的發(fā)電機，當其轉速接近同步速時，合上同步開關，將發(fā)電機并網(wǎng)，然后加上發(fā)電機勵磁將發(fā)電機牽入同步。并網(wǎng)前，勵磁繞組需經(jīng)限流電阻閉合。,6.5.2 有功功角特性及有功功率調(diào)節(jié),.5 同步電機的并聯(lián)運行,一、

13、功率和轉矩平衡,可得轉矩平衡方程為,或,上式說明，電機穩(wěn)定運行時，驅(qū)動性質(zhì)的原動機轉矩與制動性質(zhì)的電磁轉矩和空載轉矩之和平衡。,二、有功功率功角特性,定義：,并聯(lián)于無窮大電網(wǎng)的同步發(fā)電機，當電網(wǎng)電壓和頻率一定、參數(shù)（ ）為常數(shù)、空載電動勢 不變（即 不變）時， 為有功功率功角特性。,凸極發(fā)電機的有功功率功角特性,隱極發(fā)電機的有功功率功角特性,水輪發(fā)電機有功功率功角特性曲線,水輪發(fā)電機的有功功率功角特性分兩部分:,附加電磁功率的特點:,汽輪發(fā)電機的功角特性曲線,汽輪發(fā)電機的有功功率功角特性的特點:,1、是電動勢 和電壓 間的時間相位角;,或稱是勵磁磁勢 和合成磁勢 間的空間夾角。,2、是感應電動

14、勢 的主磁通和產(chǎn)生電壓 的電樞等效假想磁通之間的夾角。,功角 的雙重物理意義,用圖示功角的雙重物理意義,轉子因有原動機的驅(qū)動轉矩克服定子合成磁極的制動轉矩而作功,實現(xiàn)機電能量轉換,將由原動機輸入的機械能轉變?yōu)殡娔茌敵觥?可見，功角是研究同步發(fā)電機運行狀態(tài)的一個重要參數(shù)，它不僅決定了發(fā)電機輸出有功功率的大小，而且還反映發(fā)電機轉子的相對空間位置，通過它把同步電機的電磁關系和機械運動緊密聯(lián)系起來。,發(fā)電機空載運行時，原動機輸入的功率用來平衡各種損耗，此時 ，定、轉子磁極軸線重合，它們之間只有徑向力而無切向力，所以 ，在功角特性的0點上。,可見，并聯(lián)于無窮大電網(wǎng)的同步發(fā)電機要調(diào)節(jié)有功功率輸出，只需調(diào)節(jié)

15、原動轉矩。在功率極限角范圍內(nèi)，輸入轉矩越大，有功功率輸出就越大。,四、靜態(tài)穩(wěn)定的概念,靜態(tài)穩(wěn)定：指并聯(lián)在電網(wǎng)上穩(wěn)定運行的同步發(fā)電機，當受電網(wǎng)或原動機方面某些微小擾動時，能在這種干擾消失后，繼續(xù)保持原來穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力。,在a點運行時電機具有靜態(tài)穩(wěn)定的能力。,若干擾使功角增大到a點， Pem和Tem增大，迫使電機減速，功角變小，電機回到a點。,干擾使功角減小時，有同樣結論。所以a點稱為穩(wěn)定運行點。,而b點為不穩(wěn)定運行點，分析略。,靜態(tài)穩(wěn)定的判據(jù)：比整步功率(kW/rad),對汽輪發(fā)電機，比整步功率為,在電機穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)， 越大，電機穩(wěn)定增長性越好。,五、過載能力,汽輪發(fā)電機的過載能力,最大電磁功

16、率與額定功率的比值稱為過載能力。,過載能力越大，電機的穩(wěn)定性越好。過載能力是表達靜態(tài)穩(wěn)定的能力，不是發(fā)電機可以過載的倍數(shù)。,過載能力設計得在一點，是從提高稱定觀點考慮的，不是從發(fā)熱觀點考慮的。,6.5.3 無功功角特性及V形曲線,一、無功功率功角特性,并聯(lián)于無窮大電網(wǎng)的同步發(fā)電機當電網(wǎng)電壓和頻率恒定、參數(shù)（xd、xq、xt）為常數(shù)、空載電勢E0不變（即 If 不變）時，Q=f()為無功功率功角特性。,水輪發(fā)電機無功功率的功角特性,汽輪發(fā)電機無功功率的功角特性,汽輪發(fā)電機無功功率的功角特性曲線,幾個特殊點:,從能量守恒觀點看，并網(wǎng)運行的同步發(fā)電機調(diào)節(jié)無功功率，不需調(diào)節(jié)原動機來的輸入功率，只需改變

17、勵磁電流。,調(diào)節(jié) 前，,增大 后,調(diào)節(jié) 不影響發(fā)電機的有功功率輸出,但影響電機的穩(wěn)定性能。,調(diào)節(jié)無功時不影響有功功率的輸出,但是調(diào)節(jié)有功時影響無功功率輸出.,三、相量分析,1.正常勵磁,2.過勵磁,3.欠勵磁,四、V形曲線,并聯(lián)于無窮大電網(wǎng)的同步發(fā)電機，保持有功功率不變時，表示電樞電流 和勵磁電流 的關系曲線 稱為“V”形曲線。,發(fā)電機運行時，定子電流和勵磁電流是運行人員主要監(jiān)視的兩個物理量，這兩個量關系到定子繞組和勵磁繞組的溫度，又牽涉到功率因數(shù)的超前或滯后以及運行的穩(wěn)定性問題。,對于一個給定的有功功率輸出就有一條V形曲線，有功功率越大，曲線向上移，因此可是以得到一簇“V”形曲線。,V形曲線

18、的特點,2.不穩(wěn)定區(qū)域邊緣：=900，連線向右傾斜;,1.每條曲線的最低點, ,定子電流最小,且全為有功電流，這些點的連線向右傾斜；,3.每條曲線上的電流變化量I 為無功分量;,4.勵磁電流從零開始增大時，定子電樞電流變化規(guī)律為先減小后增大。,表明要輸出純有功功率，必須相應增加一些勵磁電流。,表明輸出有功功率越多，維持穩(wěn)定所需的勵磁電流也越大。,6.6.1 同步電動機,.6 同步電動機和同步調(diào)相機,一、同步電機的可逆原理,同步電機運行于發(fā)電機狀態(tài)時，如圖所示。,轉子磁極軸線超前定子合成磁極軸線，0，電機把機械能轉變成電能。,同步電機的運行是可逆的，既可以用作發(fā)電機，還可以用作電動機。,逐步減少發(fā)電機的輸入功率，轉子將瞬時減速，角減小，相應的電磁功率也減少。,當發(fā)電機的輸入功率只能滿足空載損耗時，發(fā)電機處于空載運行狀態(tài)。,繼續(xù)減少發(fā)電機的輸入功率，則和 Pem變?yōu)樨撝?。卸動原動機，電機從電網(wǎng)吸收功率滿足空載損耗，成為空轉的電動機。,電機軸上加上機械負載，負值的增大，由電網(wǎng)向電機輸入的電功率和相應的電磁功率增大，轉子磁極軸線落后定子合成磁極軸線，轉子受到驅(qū)動性質(zhì)的電磁轉矩作用。,二、同步電動機的基本方程,按照發(fā)電機慣例，同步電動機可以看成是一臺輸出負的有功功率的發(fā)電機，其電動勢方程與發(fā)電機的方程相同，以隱極機為例：,按照電動機慣例，把