同步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)分析

1、第六章 同步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)分析,,,同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)同屬于交流電機(jī)，與感應(yīng)電機(jī) 的區(qū)別是同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n 與電網(wǎng)頻率 f 之間具有固定不變的關(guān)系 ，而感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n＜ns。本章主要講述同步發(fā)電機(jī)的工作原理、電磁關(guān)系，導(dǎo)出基本方程、等效電路和相量圖；分析同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性，以及與電網(wǎng)的并聯(lián)運(yùn)行和功率調(diào)節(jié)問題。最后介紹同步電動(dòng)機(jī)和同步補(bǔ)償機(jī)。,第一節(jié) 同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理和

2、運(yùn)行狀態(tài)第二節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的的空載和負(fù)載運(yùn)行第三節(jié) 隱極同步發(fā)電機(jī)電壓方程、相量圖和等效電路第四節(jié) 凸極同步發(fā)電機(jī)電壓方程和相量圖第五節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩方程第六節(jié) 同步電機(jī)參數(shù)的測定第七節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性第八節(jié) 同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的并聯(lián)運(yùn)行第九節(jié) 同步電動(dòng)機(jī)與同步補(bǔ)償機(jī),,,,,,第六章 同步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)分析,,,第一節(jié) 同步電機(jī)的結(jié)構(gòu) 、工作原理和運(yùn)

3、行狀態(tài),一、同步電機(jī)的基本類型二、同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)三、同步發(fā)電機(jī)的工作原理四、同步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)五、同步電機(jī)的勵(lì)磁方式六、同步電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù),,,一、同步電機(jī)的基本類型,汽輪發(fā)電機(jī)：高速，轉(zhuǎn)子隱極式, 細(xì)長形水輪發(fā)電機(jī)：低速，轉(zhuǎn)子凸極式, 短粗形,,,2)、定子繞組：由許多線圈按一定規(guī)律連接而成。大容量電機(jī)由于尺寸大，制成半匝式（線棒），每個(gè)線棒由若干銅線并在一起，分成一排或兩排，兩個(gè)線棒的一端焊在一起，即成一個(gè)線圈

4、。,3)、機(jī)座：固定和支撐定子鐵心，并形成風(fēng)道。,二、同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu),(一)、隱極同步電機(jī)（臥式）,1)、定子鐵心：由0.5mm厚的硅鋼片疊成，沿軸向分成好幾疊，每疊3~6cm，疊與疊之間留有寬0.8~1cm的通風(fēng)溝。,1、定子：包括定子鐵心、定子繞組、機(jī)座、端蓋等。,,,2)、勵(lì)磁繞組：用扁銅線繞成同心式線圈，嵌放在大齒兩側(cè)的轉(zhuǎn)子槽中，并用非磁性硬鋁槽楔壓緊。,3)、護(hù)環(huán)：為使勵(lì)磁繞組可靠地固定在轉(zhuǎn)子上，繞組端部還要套上用高強(qiáng)度非

5、磁性鋼鍛成的護(hù)環(huán)。,1)、轉(zhuǎn)子鐵心：一般用整塊的導(dǎo)磁性好的高強(qiáng)度合金鋼鍛成，轉(zhuǎn)子表面約2/3部分銑有軸向凹槽，用于嵌放勵(lì)磁繞組，不銑槽的約1/3部分形成大齒，即磁極。,2、轉(zhuǎn)子：包括轉(zhuǎn)子鐵心、勵(lì)磁繞組、護(hù)環(huán)、風(fēng)扇等。,,,2)、定子繞組：大、中容量凸極電機(jī)采用波繞組，小容量凸極電機(jī)采用疊繞組。,3)、機(jī)座：固定和支撐定子鐵心，并形成風(fēng)道。因直徑大，通常采用分瓣機(jī)座。,(二)、凸極同步電機(jī)（臥式或立式）,1)、定子鐵心：由0.5mm厚硅

6、鋼片疊成，因直徑大，一般采用幾片扇形硅鋼片拼成一個(gè)圓形。,1、定子：包括定子鐵心、定子繞組、機(jī)座等。,,臥式：同步電動(dòng)機(jī)、同步補(bǔ)償機(jī)和用內(nèi)燃機(jī)或沖擊式水輪 機(jī)拖動(dòng)的同步發(fā)電機(jī)。立式：低速、大容量水輪發(fā)電機(jī)和大型水泵用同步電動(dòng)機(jī)。,,,3)、阻尼繞組：由插入磁極極靴槽中的銅條和兩端的端環(huán)焊成一個(gè)閉合繞組。在發(fā)電機(jī)不對稱運(yùn)行時(shí)，起削弱負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場，抑制轉(zhuǎn)子機(jī)械振蕩的作用。,2)、轉(zhuǎn)軸：用高強(qiáng)度鋼鍛成。因轉(zhuǎn)速低，轉(zhuǎn)子鐵心

7、與轉(zhuǎn)軸分開鍛造。,1)、轉(zhuǎn)子鐵心：即磁極，采用T尾或鳩尾與磁軛連接，磁軛與轉(zhuǎn)軸間用轉(zhuǎn)子支架支撐著，轉(zhuǎn)子支架固定在轉(zhuǎn)軸上。,2、轉(zhuǎn)子：包括轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)軸、勵(lì)磁繞組、阻尼繞組等。,,,4)、推力軸承：懸式：推力軸承裝在轉(zhuǎn)子上面的上機(jī)架上，整個(gè)轉(zhuǎn)子懸吊著。機(jī)械穩(wěn)定性好，但機(jī)組的軸向高度大，轉(zhuǎn)速較高的電機(jī)(150r/min以上)采用。傘式：推力軸承裝在轉(zhuǎn)子下面的下機(jī)架上，整個(gè)轉(zhuǎn)子被托架著。機(jī)械穩(wěn)定性差，但機(jī)組的軸向高度小，轉(zhuǎn)速較低的電機(jī)(1

8、25r/min以下)采用。,定子上裝有三相對稱繞組互差120°電角度。 轉(zhuǎn)子上安放直流勵(lì)磁繞組。,,,,,,,,,,,,,,,,,,A,C,B,,,S,N,,,設(shè)轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn),紫色為流入紅色為流出,,,,ns,三、同步發(fā)電機(jī)的工作原理,當(dāng)同步發(fā)電機(jī)被原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組通入直流勵(lì)磁電流時(shí)，轉(zhuǎn)子將產(chǎn)生主極磁動(dòng)勢及相應(yīng)的主極磁場（包括在氣隙中以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的主磁場和主極漏磁場）。主磁場通過氣隙并與

9、定子繞組交鏈，在定子繞組中感應(yīng)出三相交流電動(dòng)勢，若定子繞組帶有負(fù)載，發(fā)電機(jī)將輸出電功率。,,,,,2、電動(dòng)勢的大小 三相定子繞組對稱，因此三相電動(dòng)勢大小相等， 相位互差120°電角度。 設(shè) Em為相電動(dòng)勢幅值，A相初相角為0°，則：,1、電動(dòng)勢的波形 若主磁場的氣隙磁密沿圓周按正弦規(guī)律分布， 則定子導(dǎo)體感應(yīng)電動(dòng)勢隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化：,當(dāng) f =50Hz時(shí)，

10、n =3000/p。汽輪發(fā)電機(jī)： p＝1 ―― n=3000r/min；水輪發(fā)電機(jī)：例 p＝30 ―― n=100r/min。,,,同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率有嚴(yán)格不變關(guān)系，即當(dāng)電網(wǎng)頻率一定時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速不變。,3、電動(dòng)勢的頻率,若轉(zhuǎn)子每分鐘轉(zhuǎn)速為n，電動(dòng)勢頻率為,當(dāng)p＝1，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一周，電動(dòng)勢交變一次；,當(dāng)p對極，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一周，電動(dòng)勢交變p次；,,,四、同步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài),當(dāng)定子（電樞）繞組中流過對稱三相電流時(shí)，定子將產(chǎn)生電樞磁動(dòng)勢及相

11、應(yīng)的電樞磁場（包括在氣隙中以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的電樞反應(yīng)磁場和電樞漏磁場）。在氣隙中均以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的主磁場和電樞反應(yīng)磁場共同合成為氣隙磁場。氣隙磁場在轉(zhuǎn)子內(nèi)部深處沿著主極軸線然后逐漸扭斜，在進(jìn)入定子時(shí)其軸線已偏離主極軸線一個(gè)角度，再加上電樞漏磁場，電樞合成磁場（包括主磁場、電樞反應(yīng)磁場和電樞漏磁場）與主磁場之間的夾角為δ，稱為功率角。它越大，則磁場所產(chǎn)生的切向力及電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率也越大。,,,(a) 發(fā)電機(jī),(b) 補(bǔ)償機(jī),(c

12、) 電動(dòng)機(jī),,,五、同步電機(jī)的勵(lì)磁方式指同步電機(jī)獲得直流勵(lì)磁電流的方式；而供給勵(lì)磁電流的整個(gè)系統(tǒng)，稱為勵(lì)磁系統(tǒng)。,(一)、直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)：用同軸直流發(fā)電機(jī)供給勵(lì)磁。(二)、整流器勵(lì)磁系統(tǒng)： (用晶閘管取代直流發(fā)電機(jī)電刷和換向器)1、靜止整流器勵(lì)磁系統(tǒng)：1)、他勵(lì)式：用同軸交流主勵(lì)磁機(jī)發(fā)出交流電，經(jīng)靜止半導(dǎo)體整流器整流后供給勵(lì)磁。2)、自勵(lì)式：(取消了交流勵(lì)磁機(jī))取自同步發(fā)電機(jī)輸出的交流電，經(jīng)晶閘管整流后供給勵(lì)磁。

13、2、旋轉(zhuǎn)整流器勵(lì)磁系統(tǒng)： (取消了同步發(fā)電機(jī)集電環(huán)和電刷) 用同軸轉(zhuǎn)樞式交流主勵(lì)磁機(jī)發(fā)出交流電，經(jīng)同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的半導(dǎo)體整流器整流后供給勵(lì)磁，稱為無刷勵(lì)磁系統(tǒng)。,,,六、同步電機(jī)的額定值,1、額定容量SN (或額定功率PN ) ：額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的 輸出功率。

14、同步發(fā)電機(jī)SN (kVA)或PN (kW)；同步電動(dòng)機(jī)PN (kW)； 同步補(bǔ)償機(jī)SN (kvar)。2、額定電壓UN：額定運(yùn)行時(shí)定子繞組的線電壓，單位為伏(V)。3、額定電流IN：額定運(yùn)行時(shí)定子繞組中的線電流， 單位為安(A)。4、額定功率因數(shù)cos?N：額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的功率因數(shù)。5、額定頻率 fN：額定運(yùn)行時(shí)電樞的頻率，我國工頻為50赫(Hz)。6、 額定轉(zhuǎn)速nN：額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速

15、，為同步轉(zhuǎn)速ns； 單位為轉(zhuǎn)/分(r/min)。還有絕緣等級(jí)、允許溫升、額定勵(lì)磁電壓和額定勵(lì)磁電流等。,第二節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的空載和負(fù)載運(yùn)行,,,一、同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行——空載特性二、同步發(fā)電機(jī)的負(fù)載運(yùn)行——電樞反應(yīng),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,A,C,B,,,S,N,,,一、同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行 同步發(fā)電機(jī)被原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)以同步轉(zhuǎn)速

16、旋轉(zhuǎn)，勵(lì)磁繞組通 入直流勵(lì)磁電流，電樞繞組開路或電樞電流為零的情況。,,,,,,,設(shè)轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn),紫色為流入紅色為流出,,ns,,,,,,,,主磁路包括氣隙、電樞齒、電樞軛、磁極極身和轉(zhuǎn)子軛五部分。,,,激磁電動(dòng)勢的有效值,在同步轉(zhuǎn)速下，激磁電動(dòng)勢E0與勵(lì)磁電流 If 之間的關(guān)系曲線E0= f ( If )，稱為同步電機(jī)的空載特性。,,,,1、空載時(shí)的電磁關(guān)系,2、空載特性,,,,0,E0= f ( If

17、),E0,Φ0,If , Ff,,,,氣隙線,空載特性,,If0,UNΦ,電機(jī)的磁化曲線————Φ0= f ( Ff ),,,E0,空載額定電壓時(shí)主磁路飽和系數(shù),,I'f0,不計(jì)飽和時(shí)：,對稱負(fù)載時(shí)電樞磁動(dòng)勢的基波對主磁場基波的影響稱為電樞反應(yīng)。,,,二、同步發(fā)電機(jī)的負(fù)載運(yùn)行,,1、負(fù)載時(shí)的電磁關(guān)系,,,,,,,,,,,,,,,把主磁場 和電樞反應(yīng)磁場 疊加，即可得到負(fù)載時(shí)的氣隙合成磁場 。 （教材中

18、——把電樞磁動(dòng)勢的基波在氣隙中所產(chǎn)生的磁場稱為電樞反應(yīng)）,,A相相軸 (A相時(shí)軸),(1)、任一相的電流相量與該電流系統(tǒng)產(chǎn)生的合成磁動(dòng)勢矢量重合；(2)、旋轉(zhuǎn)磁場與任一相繞組交鏈的磁通相量與旋轉(zhuǎn)磁場的磁密波矢量重合；再加上(3)、忽略磁滯、渦流影響時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場的磁密波矢量與產(chǎn)生它的磁動(dòng)勢矢量重合；(4)、磁通與其感應(yīng)電動(dòng)勢的正方向符合右手螺旋定則時(shí)，電動(dòng)勢相量滯后于產(chǎn)生它的磁通相量90°。,,,,,,,復(fù)習(xí)時(shí)空矢量圖

19、：,,把時(shí)間相量圖和空間矢量圖畫在一起，稱為時(shí)空矢量圖。,對于對稱多相系統(tǒng)，在時(shí)空矢量圖中，若每一相都取自己的相軸作為時(shí)軸，則存在下列關(guān)系：,,同步發(fā)電機(jī)A相電流 達(dá)最大值時(shí)的 時(shí)空矢量圖,,,時(shí)軸,,A軸,,,,,2、對稱負(fù)載時(shí)的電樞反應(yīng),,,,,,,,,B,C軸,,,A,C,Z,X,Y,B軸,,,,,設(shè)電流尾進(jìn)首出為正，,,,,(1)、電樞電流 與激磁電動(dòng)勢 同相時(shí) (ψ0=0°),,,,,,

20、,,,,,,,S,,N,,,d軸,,,,,,,(a) 空間矢量圖,(c) 時(shí)空矢量圖,(b) 時(shí)間相量圖,q 軸,紫色為流入紅色為流出,ns,,設(shè)轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn),d軸,A軸,q 軸,時(shí)軸,取主極軸線超前A相軸線90°的時(shí)刻繪圖,,,,,時(shí)軸,,A軸,,,,,,,,,,B,C軸,,,A,C,Z,X,Y,B軸,,,,,,,(2)、電樞電流 滯后激磁電動(dòng)勢 90°時(shí) (ψ0=90°),,,,

21、,,,,,,S,,N,,,d軸,,,,,,,(a) 空間矢量圖,(c) 時(shí)空矢量圖,(b) 時(shí)間相量圖,q 軸,ns,,d軸,A軸,q 軸,時(shí)軸,,,,,請同學(xué)們?nèi)相電流達(dá)最大值的時(shí)刻繪圖,,,,時(shí)軸,,A軸,,,,,,,,,,B,C軸,,,A,C,Z,X,Y,B軸,,,,,,(3)、電樞電流 超前激磁電動(dòng)勢 90°時(shí) (ψ0=－90°),,,,,,,,,S,N,,d軸,,,,,,,(a) 空間

22、矢量圖,(c) 時(shí)空矢量圖,(b) 時(shí)間相量圖,q 軸,ns,,d軸,A軸,q 軸,時(shí)軸,,,,請同學(xué)們?nèi)相電流達(dá)最大值的時(shí)刻繪圖,,,,時(shí)軸,,A軸,,,,,,,,,,B,C軸,,,A,C,Z,X,Y,B軸,,,,,,(4)、一般情況下的電樞反應(yīng)電樞電流 滯后激磁電動(dòng)勢 一個(gè)銳角 (0°＜ψ0＜90°),,,,,,,,,,S,,N,,,d軸,,,,,,,(a) 空間矢量圖,(c) 時(shí)空矢量圖,

23、(b) 時(shí)間相量圖,q 軸,ns,,d軸,A軸,q 軸,時(shí)軸,,,,,,,,,,,,,,對稱負(fù)載時(shí)的電樞反應(yīng),,,,,,,,,,電樞反應(yīng)取決于 與 的空間夾角，即取決于 與 的時(shí)間夾角Ψ0。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,小結(jié)：,(1)、電樞反應(yīng)的性質(zhì)與激磁電動(dòng)勢 和電樞電流的夾角ψ0(即內(nèi)功率因數(shù)角)有關(guān)。(2)、電樞反應(yīng)的性質(zhì)有交磁、去磁、增磁三種。(3)、交軸電樞反應(yīng)是實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，因

24、為只有交軸電樞反應(yīng)才產(chǎn)生制動(dòng)性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩，原動(dòng)機(jī)必須克服制動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩做功，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能。,,,(1)ψ0＝0°時(shí)，為交軸電樞反應(yīng)，作用是使氣隙磁場軸線從空載時(shí)的直軸處逆轉(zhuǎn)向后移了一個(gè)銳角，主磁場超前氣隙磁場，主極上受到制動(dòng)性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，影響發(fā)電機(jī)有功功率的輸出。(2)ψ0＝90°時(shí)，為直軸去磁電樞反應(yīng)，作用是使氣隙磁場削弱，發(fā)電機(jī)端電壓下降，影響發(fā)電機(jī)無功功率的輸出。(3)ψ0

25、＝-90°時(shí)，為直軸增磁電樞反應(yīng)，作用是使氣隙磁場增強(qiáng)，發(fā)電機(jī)端電壓上升，影響發(fā)電機(jī)無功功率的輸出。,ψ0＝0°、90°和－90°時(shí)電樞反應(yīng)的性質(zhì)、作用和對電機(jī)功率傳遞的影響？,一、隱極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程、相量圖和等效電路,二、凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程和相量圖,,,同步發(fā)電機(jī)的電壓方程、相量圖和等效電路,第三節(jié) 隱極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程、相量圖和等效電路,,,一、不考慮飽和（磁

26、路線性，可應(yīng)用疊加原理）,,,,,,,,1、電壓方程,,,,,,,,,不計(jì)飽和,,,為分析方便，引入一個(gè)反映電樞反應(yīng)磁通的參數(shù)，將電樞反應(yīng)電動(dòng)勢與電樞電流直接聯(lián)系起來 。,激磁電動(dòng)勢 與端電壓 的夾角稱為功率角δ,2、相量圖和等效電路,,,,,,,,,,,,,,,等效電路,相量圖,,,,,,,,,,,二、考慮飽和（磁路非線性，不能應(yīng)用疊加原理）,,,,,,1、電壓方程,,,,,,,,2、磁動(dòng)勢—電動(dòng)勢矢量圖,具體計(jì)算時(shí)利

27、用空載特性可直接求出氣隙合成磁動(dòng)勢建立的氣隙電動(dòng)勢，為此需要把基波電樞磁動(dòng)勢換算到階梯形波的主極磁動(dòng)勢上，即乘以電樞磁動(dòng)勢的換算系數(shù)ka。,ka的意義是：產(chǎn)生同樣大小的基波氣隙磁場時(shí)，一安匝基波電樞 磁動(dòng)勢相當(dāng)于多少安匝階梯形波主極磁動(dòng)勢。,,Ff 或 If,E0,,,,,,,,,,,,磁動(dòng)勢—電動(dòng)勢矢量圖,,,,,,,0,,,空載特性,F',E,,,Ff,E0,,,,,第四節(jié)

28、 凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程和相量圖,,,一、雙反應(yīng)理論,凸極同步電機(jī)的氣隙是不均勻的，極弧下氣隙較小，極間氣隙較大，即氣隙磁導(dǎo)是變化的，同樣大小的電樞磁動(dòng)勢作用在不同位置時(shí)電樞反應(yīng)將不相同。,當(dāng)電樞磁動(dòng)勢恰好作用在直軸或交軸位置時(shí)，電樞磁場波形是對稱的，電樞反應(yīng)不難確定。,,,一般情況下，電樞反應(yīng)既不作用在直軸也不作用在交軸，此時(shí)電樞磁場分布是不對稱的，且無法用解析式來表達(dá)，電樞反應(yīng)難于直接確定。,當(dāng)電樞磁動(dòng)勢既不作用在直軸也不作用

29、在交軸時(shí)，可把電樞磁動(dòng)勢分解成直軸和交軸兩個(gè)分量，然后分別求出直軸和交軸電樞磁動(dòng)勢的電樞反應(yīng)，最后再把它們的效果疊加起來?！Q為雙反應(yīng)理論,,,二、凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程和相量圖,,,,,,,,(1)、電壓方程,,,,,,1、不考慮飽和（磁路線性，可應(yīng)用疊加原理）,,,,,,,不計(jì)飽和,,,(2)、相量圖,,,,,,,,,相量圖,,,,,,,,,,,,,,,①、相量法,②、有效值 法,,,,,,ψ0 角是 與 的夾角，畫相量

30、圖須先確定ψ0 角。 與 不能同時(shí)存在，ψ0 角是無法測出的。,注意：,,,第五節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩方程,一、功率方程二、電磁功率三、轉(zhuǎn)矩方程,,,,,,,,,,機(jī)械功率,電磁功率,,,,,,,,,電功率,,,功率轉(zhuǎn)換流程圖,機(jī)械損耗,定子鐵耗,雜散損耗,電樞銅耗,一、功率方程,設(shè)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁損耗由獨(dú)立的直流電源供給,,,,,,,,,相量圖,,,,,,,,,,二、電磁功率,三、轉(zhuǎn)矩方程,,,原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩,電

31、磁轉(zhuǎn)矩,空載制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,第六節(jié) 同步電機(jī)參數(shù)的測定,,,一、直軸同步電抗Xd的測定二、短路比三、定子漏抗Xσ的測定四、直軸電樞等效磁動(dòng)勢,,,一、用空載特性和短路特性確定Xd,1、空載特性,,,,0,E0,If,,,,空載特性,If0,UNΦ,氣隙線,將電樞繞組開路，在同步轉(zhuǎn)速下，測得激磁電動(dòng)勢E0隨勵(lì)磁電流 If 變化的關(guān)系曲線E0= f ( If )，稱為同步電機(jī)的空載特性。（即 n = ns，I = 0時(shí)，E0= f (

32、If )曲線）,,,2、短路特性,將電樞繞組三相端頭短接，在同步轉(zhuǎn)速下，測得電樞穩(wěn)態(tài)短路電流 I 隨勵(lì)磁電流 If 變化的關(guān)系曲線 I = f ( If )，稱為同步電機(jī)的短路特性。（即 n = ns，U = 0時(shí)，I = f (If )曲線）,If,,,,,,Ifk,0,I,IN,,短路特性,,,短路時(shí)，端電壓U＝0，短路電流僅受電機(jī)本身阻抗的限制，一般電樞電阻遠(yuǎn)小于同步電抗，因此短路電流可認(rèn)為是純感性的，即ψ0≈90°

33、，電樞磁動(dòng)勢基本上是純?nèi)ゴ诺闹陛S磁動(dòng)勢，因此 ，于是 ，可得 I ∝ Eo 氣隙電動(dòng)勢 ，可見氣隙電動(dòng)勢很小，僅等于電樞漏抗壓降，因此其對應(yīng)的氣隙合成磁通很小，電機(jī)磁路處于不飽和狀態(tài)，于是 Eo ∝If，而

34、短路電流I ∝ Eo，因此I ? If，短路特性為一條直線。,為什么短路特性是一條直線？,,,Eo 應(yīng)從氣隙線上查出,,,,0,E0,If,,,,空載特性,If,氣隙線,,,,0,E0, I,If,,,,空載特性,If0,氣隙線,,短路特性,,I',短路特性,,UNΦ,E0, I,I,,E'0,,,線性磁化曲線,3、直軸同步電抗的確定,,,,,,,,0,E0, I,If,,,,空載特性,If0,氣隙線,,Ifk,I

35、9;,,短路特性,,UNΦ,IN,,二、短路比Kc,,,,三、用零功率因數(shù)負(fù)載特性確定定子漏抗Xσ和直軸電樞等效磁動(dòng)勢,1、零功率因數(shù)負(fù)載特性,將電樞接到一個(gè)可調(diào)的三相對稱純感性負(fù)載上，使 ， 在同步轉(zhuǎn)速下，保持電樞電流為常值(例如I = IN)，測得同步電機(jī)端電壓U 隨勵(lì)磁電流 If 變化的關(guān)系曲線U = f ( If )，稱為同步電機(jī)的零功率因數(shù)負(fù)載特性。（即 n = ns，I =常值，

36、時(shí)，U = f (If )曲線）,,零功率因數(shù)負(fù)載的相量圖,,,,,,,,,,,表示空載時(shí)產(chǎn)生額定電壓所需的勵(lì)磁電流； 表示零功率因數(shù)負(fù)載時(shí)產(chǎn)生額定電壓所需的勵(lì)磁電流， 表示克服定子漏抗壓降所需增加的勵(lì)磁電流， 表示克服去磁電樞反應(yīng)所需增加的勵(lì)磁電流。,零功率因數(shù)負(fù)載特性的分析,第七節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性,,,一、外特性二、調(diào)整特性三、效率特性,,,,,,,,,,,一、外特性在同步轉(zhuǎn)速下，保持勵(lì)

37、磁電流和負(fù)載功率因數(shù)為常值，測得同步發(fā)電機(jī)端電壓U 隨電樞電流 I 變化的關(guān)系曲線U = f ( I )，稱為同步發(fā)電機(jī)的外特性。（即 n = ns，If =常值， =常值時(shí)，U = f( I )曲線）,不同功率因數(shù)時(shí)同步發(fā)電機(jī)的外特性,,,電樞反應(yīng)增磁作用和容性電流的漏抗電壓引起端電壓U↑,曲線1： ，曲線下降，原因：,曲線2： ，曲線下

38、降，原因：,曲線3： ，曲線上升，原因：,,,,,,,容性負(fù)載時(shí)相量圖,,,,,,（1）I↑→電樞反應(yīng)去磁作用↑→U↓ （2）I↑→漏阻抗壓降↑→U↓,? ＝0，ψ0≠0，原因同上。,If = IfN，,,,調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，使電樞電流為額定電流，功率因數(shù)為額定功率因數(shù)，端電壓為額定電壓，此勵(lì)磁電流稱為發(fā)電機(jī)的額定勵(lì)磁電流IfN。保持勵(lì)磁電流為IfN，轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速ns不變，卸去負(fù)

39、載(即I = 0)，此時(shí)端電壓升高的百分值稱為同步發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整率。,從外特性求電壓調(diào)整率Δu,,,,,,cos? ? cos?N,,,Δu,為使電網(wǎng)電壓不致有太大波動(dòng)，要求凸極同步發(fā)電機(jī)Δu=18%~30%，隱極同步發(fā)電機(jī)Δu=30%~48%。（均為cos? = 0.8滯后時(shí)的數(shù)值）,,二、調(diào)整特性,,,在同步轉(zhuǎn)速下，保持端電壓為額定電壓，功率因數(shù)為常值時(shí)，勵(lì)磁電流 If 與電樞電流 I 的關(guān)系曲線If = f ( I ) ，稱為同

40、步發(fā)電機(jī)的調(diào)整特性。（即 n = ns，U = UN， cos? ?常值時(shí)， If = f ( I )曲線）,,,,,,,,,不同功率因數(shù)時(shí)同步發(fā)電機(jī)的調(diào)整特性,在同步轉(zhuǎn)速下，保持端電壓為額定電壓，功率因數(shù)為額定功率因數(shù)時(shí)，同步發(fā)電機(jī)的效率?與輸出功率P2的關(guān)系曲線? = f ( P2 )，稱為同步發(fā)電機(jī)的效率特性。（即 n = ns，U = UN， cos? ?cos?N時(shí)，? = f ( p2 )曲線）,,,三、效率特性,,,,

41、,η,ηmax,0,,1.0,ηmax發(fā)生在(0.7~1.1)PN 空冷大型水輪發(fā)電機(jī)：ηN=96%~98.5% 空冷汽輪發(fā)電機(jī)：ηN=94%~97.8%,,,電機(jī)效率比變壓器效率低，可用直接負(fù)載法：測量P1、P2來計(jì)算效率。也可用間接法（損耗分析法）：先測出損耗 ，再計(jì)算效率。,同軸勵(lì)磁機(jī)：勵(lì)磁損耗 pcuf由P1供給

42、；單獨(dú)拖動(dòng)的電動(dòng)機(jī)—?jiǎng)?lì)磁機(jī)組：勵(lì)磁損耗pcuf由勵(lì)磁機(jī)組供給，而與P1無關(guān)。,第八節(jié) 同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的并聯(lián)運(yùn)行,,,一、并聯(lián)運(yùn)行二、功角特性三、有功功率調(diào)節(jié)和靜態(tài)穩(wěn)定四、無功功率調(diào)節(jié),一、并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電廠通常采用發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行方式，即兩臺(tái)或兩臺(tái)以上發(fā)電機(jī)的三相繞組分別接在公用三相母線上，共同向用戶提供有功、無功功率。許多發(fā)電廠再并聯(lián)起來組成強(qiáng)大電網(wǎng)。,,,并聯(lián)運(yùn)行優(yōu)點(diǎn)：(1)、提高發(fā)電廠運(yùn)行效率；(2)、提高供電可

43、靠性；(3)、提高供電質(zhì)量；(4)、合理利用能源，提高經(jīng)濟(jì)效益。,,,1、投入并聯(lián)的條件(1)、發(fā)電機(jī)相序應(yīng)與電網(wǎng)一致；(2)、發(fā)電機(jī)頻率應(yīng)與電網(wǎng)相同；(3)、 發(fā)電機(jī)激磁電動(dòng)勢 應(yīng)與電網(wǎng)電壓 大小相等、相位相同，即 。,,,,,,,,,,,,,電網(wǎng),Q,投入并聯(lián)示意圖,,,不滿足并聯(lián)條件的后果：,(3)、頻率不等,(4)、相序不同,電壓差→強(qiáng)大環(huán)流→巨大電磁力(破壞繞組)和沖擊力矩(轉(zhuǎn)軸受

44、沖擊),(2)、 與 相位不同,(1)、 與 大小不等,變化電壓差(拍振電壓)→拍振電流→交變力矩(發(fā)電機(jī)振動(dòng))和功率振蕩,絕不允許并聯(lián),,,2、投入并聯(lián)的方法,(1)、準(zhǔn)確整步法（準(zhǔn)確同步法、準(zhǔn)確同期法）把發(fā)電機(jī)調(diào)整到完全合乎并聯(lián)條件，然后投入電網(wǎng)，稱為準(zhǔn)確整步。,為了投入并聯(lián)所進(jìn)行的調(diào)節(jié)和操作過程，稱為整步過程。將發(fā)電機(jī)調(diào)整到符合并聯(lián)條件時(shí)，稱發(fā)電機(jī)達(dá)到同步或同期。將發(fā)電機(jī)投入電網(wǎng)，稱為并網(wǎng)、并列、或

45、并車。,準(zhǔn)確整步法優(yōu)點(diǎn)：無沖擊電流；缺點(diǎn)：操作復(fù)雜。,(2)、自整步法（自同步法、自同期法）電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，電壓、頻率均在變化，很難調(diào)整到完全合乎并聯(lián)條件，為把發(fā)電機(jī)迅速投入電網(wǎng)，采用自整步法，事故后能迅速合閘，但沖擊電流大。,自整步法優(yōu)點(diǎn)：操作簡單、迅速；缺點(diǎn)：有沖擊電流。,判斷是否滿足并聯(lián)條件常采用同步指示器（包括同步指示燈、電壓表、頻率表、整步表等），最簡單的同步指示器由三組同步指示燈組成。檢查是否滿足并聯(lián)條件的方法：燈光

46、法和整步表法。燈光法有兩種接法：直接接法（燈光熄滅法） 交叉接法（燈光旋轉(zhuǎn)法）,,,(1)、準(zhǔn)確整步法,,,,,,,,,,,,電網(wǎng)?,Q,,,,,,,,,,,,,,A,B,C,A?,B?,C?,,,,,,,,,,,,1,2,3,待投入的發(fā)電機(jī) f ?,,,,,,,,,,,,,,,,,直接接法的接線圖和相量圖,(a) 接線圖,(b) 相量圖,1,2,3,,ω,,ω?,,,(a)、頻率不等：三組燈

47、同時(shí)忽亮忽暗，燈光閃爍；(b)、電壓大小或相位不等：長亮不閃；(c)、相序不同且頻率不等時(shí)：三組燈輪流亮暗，燈光旋轉(zhuǎn)。在三組燈同時(shí)熄滅，且A?與A之間的電壓表指示為零時(shí)的瞬間，合閘投入并聯(lián)。,直接接法,,,,,,,,,,,,電網(wǎng)?,Q,,,,,,,,,,,,,,A,B,C,A?,B?,C?,,,,,,,,,,,,1,2,3,待投入的發(fā)電機(jī) f ?,,,,,,,,,,,,交叉接法的接線圖和相量圖,(a) 接線圖,(b) 相量圖

48、,1,2,3,,ω,,ω?,,,,,,,,,(a)、頻率不等：三組燈輪流亮暗，燈光旋轉(zhuǎn)； f ?＞f，燈光按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)； f ?＜f，燈光按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。(b)、電壓大小或相位不等：長亮不閃；(c)、相序不同且頻率不等時(shí)：三組燈同時(shí)忽亮忽暗，燈光閃爍。在燈1熄滅，燈2和燈3亮度相同，且A?與A之間的電壓表指示為零時(shí)的瞬間，合閘投入并聯(lián)。,交叉接法,,,交叉接法燈光旋轉(zhuǎn)的分析,,,,,,,

49、,,,,,,,,,(假設(shè) f ?＞f ),,,,,,,,,,,,,ω?－ω,,ω?－ω,ω?－ω,,,(a),(b),(c),,,(2)、自整步法,首先校驗(yàn)發(fā)電機(jī)相序，然后將勵(lì)磁繞組經(jīng)限流電阻短路，用原動(dòng)機(jī)將發(fā)電機(jī)拖動(dòng)到接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，將發(fā)電機(jī)投入電網(wǎng)，再立即加上直流勵(lì)磁，利用定、轉(zhuǎn)子磁場間形成的電磁轉(zhuǎn)矩的“自整步作用”，迅速將發(fā)電機(jī)牽入同步。,,,,,S,N,,,,,,,,,,,n,,,,,S,N,,,,,,,,,,n,自整步法的接線

50、示意圖,,,,,,,,~,~,,,,,,,,ns,,,,ns,S0,N0,,,勵(lì)磁電源,二、功角特性同步發(fā)電機(jī)接在電網(wǎng)上穩(wěn)態(tài)對稱運(yùn)行時(shí)，在恒定勵(lì)磁和恒定電網(wǎng)電壓下（即E0 = 常值，U = 常值）， 發(fā)電機(jī)發(fā)出的電磁功率Pe與功率角δ之間的關(guān)系曲線Pe= f (δ)，稱為同步發(fā)電機(jī)的功角特性。,,,不計(jì)電樞電阻時(shí)的相量圖,,,Pe1,Pe,,,Pe2,0°,45°,90°,,,Pe,,δ,180°

51、;,-180°,發(fā)電機(jī),電動(dòng)機(jī),同步電機(jī)功角特性,,,功率角的雙重物理意義,,,激磁電動(dòng)勢 由主磁場 感應(yīng)產(chǎn)生，電樞端電壓 由電樞合成磁場 感應(yīng)產(chǎn)生，因此功率角δ既是激磁電動(dòng)勢 和電樞端電壓 的時(shí)間相位差，也是主磁場 與電樞合成磁場 的空間相位差。,(a) 時(shí)空矢量圖,(b) 功率角的近似空間表達(dá),電樞合成磁場由主磁場、電樞反應(yīng)磁場和電樞漏磁場合成,,,,令激磁

52、電動(dòng)勢 與氣隙電動(dòng)勢 的夾角為δi，因?yàn)橹鞔艌?和氣隙合成磁場 分別超前 和 90 °，因此δi 也是主磁場與氣隙合成磁場的空間相位差，它反映了負(fù)載后氣隙磁場的位移，所以將δi 稱為位移角。,當(dāng)同步發(fā)電機(jī)被原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組通入直流勵(lì)磁電流時(shí)，轉(zhuǎn)子將產(chǎn)生主極磁動(dòng)勢及相應(yīng)的主極磁場（包括在氣隙中以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的主磁場和主極漏磁場）。當(dāng)定子（電樞）繞組中流過對稱三相電流時(shí)

53、，定子將產(chǎn)生電樞磁動(dòng)勢及相應(yīng)的電樞磁場（包括在氣隙中以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的電樞反應(yīng)磁場和電樞漏磁場）。主磁場和電樞反應(yīng)磁場共同合成為氣隙合成磁場。氣隙合成磁場分別與主極漏磁場和電樞漏磁場合成為轉(zhuǎn)子合成磁場（包括主磁場、電樞反應(yīng)磁場和主極漏磁場）和電樞合成磁場（包括主磁場、電樞反應(yīng)磁場和電樞漏磁場）。氣隙合成磁場在轉(zhuǎn)子內(nèi)部深處沿著主極軸線然后逐漸扭斜，在進(jìn)入定子時(shí)其軸線已偏到氣隙合成磁場軸線處。δi 角反映了氣隙合成磁場扭斜的程度，它

54、越大，則磁場所產(chǎn)生的切向力及電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率也越大。因?yàn)榧ご烹妱?dòng)勢 與端電壓 的夾角δ≈δi ，因此把δ 稱為電機(jī)的功率角。,三、有功功率調(diào)節(jié)和靜態(tài)穩(wěn)定,,,1、有功功率調(diào)節(jié)（設(shè)保持If =常值）分析前提：設(shè)發(fā)電機(jī)為隱極機(jī)，不計(jì)磁路飽和，忽略電樞電阻，電網(wǎng)為“無窮大電網(wǎng)”（即U =常值，f =常值）。,,ns,,ns,,n,功率角δ= 0時(shí)的相量圖,功率角為δ時(shí)的相量圖,調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)輸入功率就可以調(diào)節(jié)同步發(fā)電機(jī)輸出的有功功率,

55、,,2、靜態(tài)穩(wěn)定與電網(wǎng)并聯(lián)、在某一工作點(diǎn)運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)，當(dāng)外界（電網(wǎng)或原動(dòng)機(jī)）發(fā)生微小的擾動(dòng)，在擾動(dòng)消失后，發(fā)電機(jī)能否回復(fù)到原先的狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行，此問題稱為同步發(fā)電機(jī)的靜態(tài)穩(wěn)定問題。如能回復(fù)，則是靜態(tài)穩(wěn)定的，反之，則不是靜態(tài)穩(wěn)定的。,A點(diǎn)是靜態(tài)穩(wěn)定點(diǎn),B點(diǎn)不是靜態(tài)穩(wěn)定點(diǎn),四、無功功率調(diào)節(jié),,,1、無功功率功角特性（以隱極同步發(fā)電機(jī)為例）,不計(jì)電樞電阻時(shí)的相量圖,,,,,,,,,0°,90°,δ,180°

56、,,,,,,,δA,,,,Pe,,Q,,δA?,If =常值時(shí)，增加原動(dòng)機(jī)輸入功率，δA→δA? ，功率角增大，P2增加，而Q減少。因此If =常值時(shí)調(diào)節(jié)有功功率， 會(huì)影響無功功率大?。环粗?If =常值時(shí)調(diào)節(jié)無功功率，也會(huì)影響有功功率大小。,隱極同步電機(jī)有功、無功功角特性,,,2、無功功率調(diào)節(jié)（設(shè)保持P2 =常值）分析前提：設(shè)發(fā)電機(jī)為隱極機(jī)，不計(jì)磁路飽和，忽略電樞電阻，電網(wǎng)為“無窮大電網(wǎng)”（即U =常值，f =常值）。,,,,,,

57、,,,,,,,,,,A,B,C,D,,,cos? =1時(shí)的勵(lì)磁電流 If 稱為正常勵(lì)磁電流。If 時(shí)正常勵(lì)磁狀態(tài)：只輸出有功功率；I?f ＞If ，過勵(lì)狀態(tài)： 輸出有功功率和感性無功功率；I?f ＜If ，欠勵(lì)狀態(tài)： 輸出有功功率和容性無功功率。可見，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流就可以調(diào)節(jié)同步發(fā)電機(jī)的無功功率。,三種狀態(tài)相比，欠勵(lì)狀態(tài)下功率角δ較大，同步電機(jī)穩(wěn)定性差，δ＞90°時(shí)為不穩(wěn)定區(qū)，欠勵(lì)區(qū)域靠近不穩(wěn)定區(qū)，因此同步電機(jī)一般不宜在