第12章-同步电机的课件

第12章 同步电机的基本理论与运行特性第一节 同步电机的结构 什么是同步电机？什么是同步电机？一一.同步电机和异步电机的区别同步电机和异步电机的区别转子绕组结构转子绕组结构v 异步电机异步电机:三相双层叠绕组或其他交流绕组三相双层叠绕组或其他交流绕组 笼式绕组笼式绕组,构成闭合回路构成闭合回路v 同步电机同步电机:多为同心式绕组，外接直电源多为同心式绕组，外接直电源转子转速和同步转速的关系转子转速和同步转速的关系绕组中的电流绕组中的电流气隙大小的差别气隙大小的差别二、同步电机的运行原理v当励磁绕组通以直流电之后，建立恒定的磁场，转子转速为n时，定子的导体感应交流电动势，其频率是 三.同步电机的分类v按运行方式和功转换方向：同步发电机 同步电动机 同步调相机v按结构分:旋转磁极式 旋转电枢式(小容量)v按磁极的形状分：隐极机 凸极机v按原动机的类别分：汽轮发电机 水轮发电机 柴油发电机 燃汽轮发电机 风力发电机 v汽轮发电机转速高、离心力大(p=1,p=2)隐极式v水轮发电机转速低、极数多凸极式四、同步电机的基本结构型式v组成：固定的定子和可旋转的转子v1、按旋转结构分：磁极旋转式 电枢旋转式v磁极旋转式以电枢为定子，磁极为转子。使磁极旋转，厉磁电流通过集电环送入励磁绕组。v旋转电枢式-把磁极放在定子上，而电枢绕组放在转子上。应用于小容量同步电机 机械端口机械端口转子转子定子绕组定子绕组定子铁心定子铁心电端口电端口ABC返回磁极旋转式同步电机v v2、按转子结构分：隐极式转子同步电机 凸极式转子同步电机隐极式转子v隐极式转子上没有凸出的磁极v沿着转子本体圆周表面上，开有许多槽，这些槽中嵌放着励磁绕组。在转子表面约1/3部分没有开槽，构成大齿大齿，是磁极的中心区。v励磁绕组通入励磁电流后，沿转子圆周也会出现 N 极和 S 极。v在大容量高转速汽轮发电机中，转子圆周线速度极高，最大可达170米/秒。为了减小转子本体及转子上的各部件所承受的巨大离心力，大型汽轮发电机都做成细长的隐极式圆柱体转子。凸极式转子v凸极式转子上有明显凸出的成对磁极和励磁线圈v当励磁线圈中通过直流励磁电流后，每个磁极就出现一定的极性，相邻磁极交替为 N 极和 S 极v对水轮发电机来说，由于水轮机的转速较低，要发出工频电能，发电机的极数就比较多，做成凸极式结构工艺上较为简单。中小型同步电机多半也做成凸极式。汽轮发电机组汽轮发电机图二、汽轮发电机结构v定义：以汽轮机或燃气轮机为原动机。v特点：汽轮机的运行性能在高速时较为经济，应有尽可能高的转速。火电站中汽轮发电机一般为两极隐极式。核电站的大型汽轮发电机一般采用4极隐极式。1、定子v定子铁心：由0.35mm或0.5mm或其它厚度的电工钢片叠成。定子外径较小时，采用圆形冲片，当定子外径大于1m 时，采用扇形冲片v定子绕组：铜线v机座v端盖隐极同步发电机的基本结构隐极同步发电机的基本结构 1 1、汽、汽轮发轮发电机电机结构结构 （2 2）定子定子绕组绕组返回2、转子 隐极式转子，其外形常做成一个细长的圆柱体外形常做成一个细长的圆柱体为了减少高速旋转引起的离心力。转子铁心：表面圆周上铣有许多槽，励磁绕组嵌放在这些槽内。励磁绕组：为同心式绕组，以铜线绕制，并用不导用不导磁的槽楔磁的槽楔将绕组紧固在槽内。转轴经联轴器与汽轮机相联的一端为汽机端，称与励磁机相接的一端为励磁机端。集电环：激磁绕组的两个出线端，通过装在励磁机侧的集电环经电刷与直流激磁电源接通。1 1、汽、汽轮发电轮发电机结构机结构返回各种电机各种电机 引进引进600MW汽轮发电机汽轮发电机国产国产300MW汽轮发电机汽轮发电机国产国产200MW汽轮发电机定子汽轮发电机定子国产国产200MW汽轮发电机定子铁心汽轮发电机定子铁心三、水轮发电机v特点极数多，直径大，轴向长度短极数多，直径大，轴向长度短，整个转子在外形上与汽轮发电机大不相同，具扁短形扁短形。v 大多数水轮发电机为立式。(1)(1)立式水轮发电机立式水轮发电机(2)(2)卧式水轮发电机卧式水轮发电机1、定子v定子铁心水轮发电机的直径很大，定子铁心由扇形电工钢片拼装叠成。为了散热的需要，定子铁心中留有径向通风沟。v定子绕组每槽内只有一线棒，称单层绕组。为为改善电压波形，常采用分数槽绕组改善电压波形，常采用分数槽绕组。v机座发电机定子总装配 发 电 机 定 子 铁 芯发电机定子总装配定定子子铁铁芯芯由由硅硅钢钢片片、齿齿压压板板、压压指指、压压紧紧螺螺栓栓等等组组成成。硅硅钢钢片片厚厚度度为为0.5mm0.5mm，两两面面均均涂涂有有F F级级绝绝缘缘漆漆，铁铁芯芯拉拉紧紧螺螺栓栓位位于于铁铁芯芯叠叠片片中中部部，用用绝绝缘缘套套管管与与铁铁 芯芯叠叠片片绝绝缘缘，与与传传统统的的位位于于铁铁芯芯叠叠片片尾尾部部相相比比拉拉紧紧效效果果好好，有有利利于于防防止止叠叠片片翘翘曲曲变变形形和和运运行行过过程程中松动中松动。发电机定子总装配 发电机定子绕组定子绕组一般设计为三相双层波形绕组发电机定子总装配发电机定子总装配2、转子v转子磁极由厚度为12mm的钢片叠成v励磁绕组v阻尼绕组v磁轭发电机转子发电机转子左江左江24MW24MW发电机转子在吊装发电机转子在吊装现场运行的水轮发电机现场运行的水轮发电机四、同步电机铭牌我国生产的汽轮发电机有QFQ、QFN、QFS等系列。前两个字母表示汽轮发电机；第三个字母表示冷却方式，Q表示氢外冷，N表示氢内冷，S表示双水内冷。系列：TS系列，T表示同步，S表示水轮。举例：QFS-300-2 表示容量为300MW双水内冷2极汽轮发电机。TSS1264/160-48表示双水内冷水轮发电机，定子外径为1264厘米，铁心长为160厘米，极数为48。外同步电动机系列有TD、TDL等，TD表示同步电动机，后面的字母指出其主要用途。如TDG表示高速同步电动机；TDL表示立式同步电动机。同步补偿机为TT系列。电机型号v额定容量 SN(VA,kVA,MVA等)或额定功率PN (W,kW,MW等)：指电机输出功率输出功率的保证值。v额定电压(V,kV等)：额定时定子输出端线电压。v额定电流(A)：指额定运行时定子的线电流。v额定功率因数 ：额定运行时输出电功率的功率因数。v额定频率 ：额定运行时电机电枢输出端电能的频率，我国标准工业频率规定为50Hz。v额定转速 ：额定运行时电机的转速，即同步转速。同步电机名牌上还有其它的运行数据，如额定负载时的温升 、励磁容量 和励磁电压 ，定子绕组连接等。第二节 同步电机的励磁系统一、概念v励磁方式同步电机获取直流直流励磁电流的方式v励磁系统供结励磁电流的整个系统，包括装置和线路，如：励磁机励磁调节器（手动、自动）灭磁装置二、对励磁系统的要求v1、正常运行时，供给励磁电流v2、为维持端电压或电网电压值，随负载情况变化，励磁电流能相应调节v3、当系统电压严重下降时（如发生短路故障等），能强行励磁提高电势，保持电压稳定v4、突然丢负荷时，如水轮机组转速明显升高，能强行减磁，限制端电压过度增高。v5、当电机内部发生短路故障时，能快速灭磁和减磁，以减小故障的损坏程度。v6、对两台以上并列运行发电机，能成组成组调节无功功率，使无功合理分配。v其他：反映迅速，运行可靠，结构简单，损耗小，成本低，体积小等三、励磁方式1、直流励磁机励磁 直流励磁机通常与同步发电机同轴，采用并励或者他励接法.直流并励励磁机系统，如图：P209,图12-10直流他励励磁机系统：采用他励接法时，励磁机的励磁电流由另一台被称为副励磁机的同轴的直流发电机供给。二、交流励磁机整流励磁系统 1、静止整流励磁 2、旋转整流励磁可分为1、交流励磁机静止整流励磁系统交流励磁机静止整流励磁系统：v 同一轴上有三台交流发电机，即主发电机、交流主励磁机和交流副励磁机。v 副励磁机的励磁电流开始时由外部直流电源提供，待电压建立起来后再转为自励(有时采用永磁发电机)。v 副励磁机的输出电流经过静止晶闸管整流器整流后供给主励磁机v 主励磁机的交流输出电流经过静止的三相桥式硅整流器整流后供给主发电机的励磁绕组。在中小型同步发电机中，也可采用自励式整流系统在中小型同步发电机中，也可采用自励式整流系统2、交流励磁机旋转整流系统2、交流励磁机旋转整流系统v 静止整流器的直流输出必须经过电刷和集电环才能输送到旋转的励磁绕组，对于大容量的同步发电机，其励磁电流达到数千安培，使得集电环严重过热。v 在大容量的同步发电机中常采用不需要电刷和集电环的旋转整流器励磁系统。v 主励磁机是旋转电枢式三相同步发电机，旋转电旋转电枢的交流电流经与主轴一起旋转的硅整流器整流后，直枢的交流电流经与主轴一起旋转的硅整流器整流后，直接送到主发电机的转子励磁绕组接送到主发电机的转子励磁绕组。交流主励磁机的励磁电流由同轴的交流副励磁机经静止的晶闸管整流器整流后供给。由于这种励磁系统取消了集电环和电刷装置无刷励磁系统无刷励磁系统。旋转电枢式第三节 同步电机的基本原理一、同步电机的基本原理：一、同步电机的基本原理：v 当同步发电机的转子在原动机的拖动下达到同步转速当同步发电机的转子在原动机的拖动下达到同步转速n1时，由于转子绕组是由直流电流时，由于转子绕组是由直流电流If 励磁，励磁，所以转子绕组在气所以转子绕组在气隙中所建立的磁场相对于定子来说是一个与转子旋转方向相隙中所建立的磁场相对于定子来说是一个与转子旋转方向相同，转速大小相等的旋转磁场。该磁场切割定子上开路的三同，转速大小相等的旋转磁场。该磁场切割定子上开路的三相对称绕组，相对称绕组，在三相对称绕组中产生三相对称空载感应电动在三相对称绕组中产生三相对称空载感应电动势势E0。若改变励磁电流的大小则可相应地改变感应电动势。若改变励磁电流的大小则可相应地改变感应电动势的大小，此时同步发电机处于的大小，此时同步发电机处于空载运行空载运行。v 当同步发电机带当同步发电机带负载负载后，定子绕组构成闭合回路，产生后，定子绕组构成闭合回路，产生定子电流，该电流是三相对称电流，因而要在气隙中产生与定子电流，该电流是三相对称电流，因而要在气隙中产生与与转子旋转方向相同，转速大小相等的旋转磁场。此时定、与转子旋转方向相同，转速大小相等的旋转磁场。此时定、转子间旋转磁场相对静止，气隙中的磁场是定、转子旋转磁转子间旋转磁场相对静止，气隙中的磁场是定、转子旋转磁场的合成。由于气隙中磁场的改变，定子绕组中感应电动势场的合成。由于气隙中磁场的改变，定子绕组中感应电动势的大小也将发生变化。的大小也将发生变化。v二、两种旋转磁场二、两种旋转磁场 1、定子旋转磁场、定子旋转磁场 2、转子旋转磁场、转子旋转磁场 （与异步电机比较（与异步电机比较)三、电磁力的产生三、电磁力的产生 同步电机的两种旋转磁场均以同步速度旋转，没有同步电机的两种旋转磁场均以同步速度旋转，没有相对运动，但两种磁场存在空间位移，便会产生电相对运动，但两种磁场存在空间位移，便会产生电磁力磁力三、同步电机的运行方式三、同步电机的运行方式 电枢磁场与转子磁场间没有相对运动电枢磁场与转子磁场间没有相对运动三、同步电机的运行方式三、同步电机的运行方式 电枢磁场与转子磁场间没有相对运动电枢磁场与转子磁场间没有相对运动发电机方式：转子磁场超前定子磁场（电磁阻力）发电机方式：转子磁场超前定子磁场（电磁阻力）电动机方式：定子磁场超前转子磁场（驱动转动）电动机方式：定子磁场超前转子磁场（驱动转动）第四节 同步电机的空载运行一、空载与空载磁势一、空载与空载磁势v空载运行：空载运行：同步发电机被原动机拖动到同步转速，转子绕组通入直流励磁电流，定子绕组开路（定子电流为零），此时发电机的端电压等于绕组中的感应电动势，称为空载电动势E0v 空载运行是同步发电机最简单的运行方式，其空载运行是同步发电机最简单的运行方式，其气隙气隙磁场由转子磁势单独建立磁场由转子磁势单独建立，分析较为简单，分析较为简单 v If Ff（空载磁动势）（空载磁动势）二、隐极同步电机的空载磁势v励磁绕组（分布绕组）埋于转子槽内，励磁绕组（分布绕组）埋于转子槽内，沿转子圆周沿转子圆周气隙气隙近似均匀近似均匀。v励磁磁势在励磁磁势在空间的分布为一个阶梯形空间的分布为一个阶梯形，受齿槽的影响，受齿槽的影响,气气隙磁密呈现出波动变化。隙磁密呈现出波动变化。v用傅里叶极数可求出其基波分量用傅里叶极数可求出其基波分量v合理地选择大齿的宽度可以使气隙磁密的分布接近正弦合理地选择大齿的宽度可以使气隙磁密的分布接近正弦波。如无特殊说明，以后波。如无特殊说明，以后仅考虑磁通密度的基波分量仅考虑磁通密度的基波分量 阶梯形波幅值：Ff=IfNf三、凸极同步电机的空载磁势凸极同步电机的空载磁势v对于凸极发电机来说，由于定转子间的对于凸极发电机来说，由于定转子间的气隙沿整个电枢圆周分气隙沿整个电枢圆周分布不均匀布不均匀，极面下气隙较小，磁阻较小；极间气隙较大，极间，极面下气隙较小，磁阻较小；极间气隙较大，极间磁阻很大。同一个极面下，气隙径向磁通密度的分布近似于平磁阻很大。同一个极面下，气隙径向磁通密度的分布近似于平顶的帽形。极靴以外的气隙磁通密度减少很快，相邻两极中线顶的帽形。极靴以外的气隙磁通密度减少很快，相邻两极中线上的磁通密度为零。上的磁通密度为零。v气隙磁密用付立叶谐波分析分解出空间基波和气隙磁密用付立叶谐波分析分解出空间基波和一系列谐波一系列谐波。励磁绕组为集中绕组，磁势波为励磁绕组为集中绕组，磁势波为矩形波矩形波v感应电势的波形和大小与气隙磁密的分布形状及幅感应电势的波形和大小与气隙磁密的分布形状及幅值大小紧密相关。值大小紧密相关。v在设计和制造电机时，应采取适当的措施，以获得在设计和制造电机时，应采取适当的措施，以获得尽可能尽可能接近正弦分布接近正弦分布的气隙磁密，从而得到较高品的气隙磁密，从而得到较高品质的感应电势。质的感应电势。四、同步电机中的时空量图将相绕组轴线作为空间矢量参考轴（相轴）令时间相量参考轴（时轴）与空间矢量参考轴重合转子绕组轴线两极间中心线时间相量时间相量U、I、E、(对一相而言)磁势和磁场是空间 分布函数，磁通电空间矢量空间矢量F、B（整台电机而言）势是时间函数，二 者有相同的角速度五、空载电势三相电势对称三相电势对称主主磁通磁通 0漏磁通漏磁通 只有主磁通才在定子绕组中产生感应电势六、电压波形畸变v定义：实际空载线电压波形与正弦波形的偏差程度。规定规定：空载及额定电压时，容量在300kVA之上时不超过5%，较小容量不超过10%。影响影响：危害用电设备（瞬时电压值可大大超过额定电压），导致线路附加损耗，高频辐射影响通讯。措施措施：使气隙磁密波形接近正弦波，定子采用分布和短距绕组，三相Y形接法消除三次及其倍数次谐波。第四节 对称负载时的电枢反应一、负载后（气隙）磁势分析空载时，只有一个以同步转速旋转的励磁磁势空载时，只有一个以同步转速旋转的励磁磁势Ff随轴同随轴同转的转子磁势转的转子磁势 (称为称为机械旋转磁势机械旋转磁势)，在电枢绕组中感应出在电枢绕组中感应出三相对称交流电势，励磁电势，即空载电三相对称交流电势，励磁电势，即空载电势势E0。当电枢绕组接上三相对称负载后，电枢绕组中流过三相对称当电枢绕组接上三相对称负载后，电枢绕组中流过三相对称的交流电流的交流电流，将形成一个以同步速度旋转的旋转磁势，将形成一个以同步速度旋转的旋转磁势电电枢磁势枢磁势Fa电枢旋转磁势电枢旋转磁势(称为称为电气旋转磁势电气旋转磁势）。两个旋转磁势的转速均为同步速，且转向一致，二者在空间两个旋转磁势的转速均为同步速，且转向一致，二者在空间处于相对静止状态，矢量合成为一个合成磁势处于相对静止状态，矢量合成为一个合成磁势。气隙磁场气隙磁场 由合成磁势由合成磁势 在电机的气隙中建立起来的磁场。在电机的气隙中建立起来的磁场。电枢反应电枢反应-对称负载时对称负载时Fa（电枢磁势）对（电枢磁势）对Ff1的影响的影响内功率因数角：E0Ia 解释：时间相量Ia与空间矢量Fa同向电枢磁势Fa三相电流产生的合成磁势，哪一相电流达最大值，则位置在其绕组的轴线上；A相电流Ia如Ia最大，则Ia在相轴上，此时Fa正好在交轴上一、=0时的电枢反应分析v输出电流 和空载电势同相，有功功率从电机输至电网发电机状态发电机状态。v0，cos1，sin0，不发出无功功率不发出无功功率。转子磁势在直轴上，电枢磁势作用在交轴上，电枢反应的结果使得合成磁势的轴线位置产生一定的偏移，幅值发生一定的变化。作用在交轴上的电枢反应称为交轴电枢反应，简称交磁作用 解释：时间相量Ia与空间矢量Fa同向电枢磁势Fa三相电流产生的合成磁势，哪一相电流达最大值，则位置在其绕组的轴线上；A相电流Ia如Ia最大，则Ia在相轴上，此时Fa正好在交轴上交轴交轴电枢反应电枢反应Fa滞后于滞后于Ff1发电机发电机二、=/2 时的电枢反应分析v输出电流滞后于空载电势90，cos0，sin1，有功功率等于零，仅发出电感性无功功率发出电感性无功功率。直轴电枢反应直轴电枢反应 转子磁势和电枢磁势均作用在直轴上，方向相反，电枢反应转子磁势和电枢磁势均作用在直轴上，方向相反，电枢反应为纯去磁作用，合成磁势的幅值减小为纯去磁作用，合成磁势的幅值减小直轴去磁电枢反应直轴去磁电枢反应。为保持电压不变，应增大励磁，即为为保持电压不变，应增大励磁，即为过激状态，将过激状态，将输出电感输出电感性无功功率性无功功率 三、=时的电枢反应分析vI与E0反相。cos1，sin0，有功功率将从电网输送到电机电动机运行状态电动机运行状态。vsin0，不发出无功功率不发出无功功率。交轴交轴电枢反应电枢反应Fa超前于超前于Ff1电动机电动机转子磁势作用在直轴上，电枢磁势作用在交轴上，电枢反转子磁势作用在直轴上，电枢磁势作用在交轴上，电枢反应使合成磁势的轴线位置产生一定的偏移，幅值发生一定应使合成磁势的轴线位置产生一定的偏移，幅值发生一定的变化。的变化。四、=-/2 时的电枢反应分析v输出电流超前空载电势90，cos0，sin1，有功功率等于零，仅发出电容性无功功率发出电容性无功功率，或吸收电感性无功功率。直轴电枢反应直轴电枢反应转子磁势和电枢磁势均作用在直轴上，方向一致，合成磁势转子磁势和电枢磁势均作用在直轴上，方向一致，合成磁势的幅值加大，电枢反应为纯增磁作用的幅值加大，电枢反应为纯增磁作用直轴助磁电枢反应直轴助磁电枢反应。为保持电压不变，应减少励磁，即为为保持电压不变，应减少励磁，即为欠激状态，将欠激状态，将输出电容输出电容性无功功率性无功功率 五、y为任意角度时的电枢反应v1、将电枢磁势分解为直轴和交轴两个分量。将电枢磁势分解为直轴和交轴两个分量。v2、交轴分量、交轴分量Faq滞后于滞后于Ff1为发电机运行，超前于为发电机运行，超前于Ff1为电动为电动机运行，分别对应于输出和输入有功功率。机运行，分别对应于输出和输入有功功率。v3、直轴分量、直轴分量Fad可能是磁化或去磁作用，当去磁作用时，可能是磁化或去磁作用，当去磁作用时，处于过激状态。当直轴电枢磁势起磁化作用时，接在电网上处于过激状态。当直轴电枢磁势起磁化作用时，接在电网上的同步电机处于欠激状态。的同步电机处于欠激状态。电枢反应分析同步发电机运行情况：（-90o，90o）同步电动机运行情况：（90o，270o）电枢反应是实现能量转换的关键v同步电机空载运行时，定子绕组开路，没有负载电流：不存不存在电枢反应，不存在由转子到定子的能量传递在电枢反应，不存在由转子到定子的能量传递。当同步发电机带有负载时，就产生了电枢反应电枢反应。不同负载性质时，电枢磁场与转子电流产生不同性质的电磁力和电磁转产生不同性质的电磁力和电磁转矩矩。实现能量的传递实现能量的传递（a)：电枢反应交轴作用，电磁力与旋转方向相反，为了维持发电机的转速不变，必须随着有功负载的变化调节原动机的输入功率（b）（c）：电枢反应直轴作用，b为去磁，c为助磁，为保持发电机的端电压不变，必须随着无功负载的变化相应地调节转子的激磁电流。第五节 隐极同步电机的分析方法一、接对称负载时vIf Ff1 两个磁场定转子磁场无相对运动 相互间没有感应耦合，因而都不 会在转子绕组中感应电势，不 计饱和时便可用叠加原理，认 为转子磁场与电枢磁场分别在v I Fa 绕组中感应电势二、不计饱和时的电磁关系vIf Ff1 0 E0v EvI系统 Fa a Ea 方程式：等效电路:vE0空载电势，反应转子磁场的作用vEa电枢反应电势，反应电枢磁场的作用。是三相合成电枢反应磁场在一相绕组中的感应电势。三、隐极电机电枢反应电抗xa，同步电抗XS,漏抗X1、电枢反应电抗Xav当三相对称电枢电流流过电枢绕组时，将产生旋转的电枢磁势，在电机内部产生跨过气隙的电枢反应磁通 和不通过气隙的漏磁通，分别在电枢各相绕组中感应出电枢反应电势 和漏磁电势 。v 与电枢电流 的大小成正比(不计饱和)，比例常数称 为电枢反应电抗。考虑到相位关系后，每相电枢反应电势为：物理意义：电枢反应磁场在定子每相绕组中感应的电枢反应电势，可以看作相电流所产生的一个电抗电压降2、漏抗Xv 电枢反应磁通a（互磁通）Fa v电枢磁势 槽漏磁通和端部漏磁通 高次谐波磁势 谐波磁通（差漏磁通）端部漏磁通 槽漏磁通 统称为定子漏磁通 差部漏磁通3、隐极电机同步电抗 xs对应于定子绕组的漏磁通对应于定子电流所产生的空气隙旋转磁场 定子旋转磁势是三相电流联合产生的，幅值为每相脉动磁势幅值的3/2倍。磁通在绕组中的感应电势用相电流 在电抗上的压降表示，为每相值xs3、隐极发电机的相量图在作相量图时，假设已知：发电机的端电压，电枢电流，负载功率因数角，同步电抗。根据方程式求得励磁电势 步骤1：在水平方向作出相量 U步骤2：根据角作I 的方向并作出相量 步骤3：在U 的尾端加上 Ira 和 相量jIx0 ，它超前于I 90 得到E相量步骤4：再加上相量jIxa，得到E0相量隐极发电机的相量图:功角功角 E0与U间的夹角，与功率有关位移角位移角i 空间矢量Ff1与F间的相位角，反映负载后磁势的位移二、电枢反应磁势的折算v磁路不饱和时，分别由磁势-磁密-感应电势，然后进行叠加。v考虑磁路饱和，则叠加原理不适用。必须先合成磁势，利用磁化曲线，确定产生合成的磁场及其合成感应电势。v电枢磁势折算为等效的转子磁势，并与原转子磁势合成为等效的气隙合成磁势。v隐极机与凸极机气隙形状不一样，有不同的折算结果。第六节 凸极同步发电机的分析方法一、双反应理论v凸凸极极同同步步机机的的气气隙隙不不均均匀匀在极面下的磁导大，两极之间的磁导小。v同一电枢磁势波作用在气隙不同处，会遇到不同的磁阻，产生不同的磁密。F=，B=Sv双双反反应应法法电枢基波磁势Fa分解为直轴上的直轴电枢反应磁势Fad和交轴上的交轴电枢反应磁势Faq。v根据直轴和交轴的磁导，分别求出直轴和交轴的磁通密度波及磁通。v求出在每相定子绕组中直轴电枢反应电势Ead和交轴电枢反应电势Eaq。v双反应法的基础是，当不计饱和时，适用叠加原理，用双反应法来分析凸极同步电机。二、电路方程与等效电路电枢反应电枢反应Fad磁通磁通ad电枢反应电枢反应Faq磁通磁通aq机械旋转机械旋转Ff 磁通磁通0定子绕组漏磁场定子绕组漏磁场 三、直轴与交轴电枢反应电抗和同步电抗v（一）直轴电枢反应电抗v（二）交轴电枢反应电抗v（三）直轴同步电抗和交轴同步电抗凸极发电机的相量图v由负载性质，作出U和I相量v 确定E0的方向，得到内功率因数角v分解负载电流Id=Isin,Iq=Icos v得到E0同步电机对称运行时的特性1.空载特性、短路特性、负载特性（曲线）2.测定同步电抗、计算短路比、测定漏抗3.外特性与调整特性4.电压变化率分析同步电机的特性分析基础v对称运行：指电机转速为额定值且保持恒定，并供给三相对称负载时的一种稳态运行稳态运行方式 v主要变量变量：电压U、电枢电流I、激磁电流If和功率因数cos v特性：(1)空载特性：I=0 (2)短路特性：U0 (3)负载特性：Iconst、cos=const (4)外特性：Ifconst、cosconst (5)调整特性：Uconst、cos=const 主要参数参数：同步电抗xs、xd、xq及漏抗x 标幺值计算时的基值的选取v定子侧电压基值额定相电压电流基值额定相电流容量功率基值电压基值电流基值阻抗基值电压基值/电流基值v转子侧转子电流基值空载电势为额定相电压时的励 磁电流第八节 同步发电机的空载、短路和负载特性一.同步发电机的空载特性v当空载运行时（电枢绕组开路，I=0）,空载电动势E0随转子励磁电流If变化的关系。v空载特性与电机磁路的磁化曲线具有类似的变化规律空载特性与电机磁路的磁化曲线具有类似的变化规律 E00 0=f（Ff）即磁化曲线 If Ff 二、空载特性的实验测定v调节可变电阻，使励磁电流逐步上升，每次记下If和E0的读数。v作同步电机的空载特性v由于存在剩磁，规定规定用下降曲线来表示空用下降曲线来表示空载特性载特性。v从1.3UN对应的励磁逐步减小（较正的空载特性曲线）剩磁电动势三、饱和系数：E0*=1时的总磁势与气隙磁势之比，一般在1.1-1.25间意义：空载磁路饱和后，由励磁磁势所建立的磁通和感应电势都降低到未饱和时的1/k。当励磁电流较小时，由于磁通较小，电机磁路没有饱和，空载特性呈直线（将其延长后的射线称为（气隙线）磁势主要消耗在气隙上磁势主要消耗在气隙上磁势主要消耗在气隙上磁势主要消耗在气隙上随着励磁电流的增大，磁路逐渐饱和，磁化曲线开始进入饱和段。（向下弯曲）铁磁饱和后，需磁势迅速增大，横向距离bcbc为铁磁部分的磁动势Ffe为了合理地利用材料，空载额定电压一般设计在空载特性的弯曲处，如图中的c点 ba空载特性的工程应用v 将设计好的电机的空载特性与常规空载特性相比较，如果两者接近，说明电机设计合理，反之，则说明该电机的磁路磁路过于饱和或者材料没有充分利用。如太饱和太饱和，将使励磁绕组用铜过多，且电压调节困难如饱和度太低饱和度太低，则负载变化时电压变化较大，且铁心利用率较低，铁心耗材较多v结合短路特性可以求取同步电机的参数结合短路特性可以求取同步电机的参数。v发电厂通过测取空载特性来判断三相绕组的对称性以及励磁系统的故障。必须掌握（*）二、同步发电机的短路特性v发电机定子绕组三相短路，即U=0时，电枢短路电流Ik与励磁电流If间的关系曲线，即IK=f（If）忽略绕组电阻忽略绕组电阻ra(c)短路运行时，Ik 滞后于E0 90o电角度，y=90o，交轴分量Ikq=0，电枢反应为纯去磁纯去磁作用。影响：电机磁路处于不饱和状态。短路特性曲线v去磁作用减少了电机中的磁通，磁路处于不饱和状态磁路处于不饱和状态v电枢磁势Fa正比于电枢电流I=Ikv短路特性是一直线短路特性是一直线IkIf0U=0稳态短路时，电枢反应为纯去磁作用，电机的磁通和感应电势较小，短路电流不大，三相稳态短路稳态短路运行没有危险零功率因数特性（零功率因数特性（2）：I=IN,cos=0(=90)的负载特性纯感性负载，纯去磁作用的电枢反应 Faq=0,Fad=Fa合成磁势 端电压三负载特性曲线端电压与励磁电流间的曲线I=const，cos=const Uf(If)矢量（相量）关系变成了代数关系矢量（相量）关系变成了代数关系重点：空载特性与零功率因数曲线 vmn对应于去磁磁势对应于去磁磁势kadFad的励磁电流的励磁电流on：合成磁势om=mn+om：励磁磁势Ffan：E合成电势ab：Ix bn=cm：U=E-Ix c点：对应(U,If)为零功率因数特性曲线上一点负载时实际激磁电抗三角形abc如电枢电流保持不变，三角形大小不变高ab=Ix，底边bc=mn均正比于电枢电流c点轨迹即为零功率因数点轨迹即为零功率因数曲线曲线重点：空载特性与零功率因数曲线 第九节 同步发电机的参数及测定同步发电机的参数及测定：v同步电抗：饱和与不饱和值vxd和xq的转差法测定v短路比v漏抗和保梯电抗一、同步电抗的实验测定v1、不饱和不饱和同步电抗同步电抗 短路时不计饱和凸极电机的交轴同步电抗可以利用经验公式求得 2、饱和同步电抗的测定：v在纯感性负载时磁路饱和决定于空气隙中的合成磁场，忽略漏阻抗压降，则决定于端电压。不同的端电压时，xs不同当磁路不饱和时，同步电抗电压为ca，比ca大。不饱和同不饱和同步电抗的数值步电抗的数值比饱和同步电抗的数值大大。二、短路比kKv在空载时使空载电势有额定值时的激磁电流If0与在短路时使短路电流有额定值时的激磁电流Ifk之比 IN短路比kK分析：短路比略大于不饱和同步电抗的倒数短路比大，则同步电抗小，负载变化时发电机的电压变化就小，并联运行时发电机的稳定度较高；设计上，电机气隙较大，转子的额定激磁磁势和用铜量增大。短路比小，同步电抗大，负载变化时发电机的电压变化就大电压调整率大电压调整率大，发电机的稳定度较差。工程上：随着单机容量的增大，为了提高材料利用率，随机组容量增大短路比降低。由于采用自动励磁调节装置，大大提高了运行稳定性，降低短路比可以提高电机经济指标三、转差率试验，测定xd、xqv同步电机由原动机带动，转速接近于同步转速，转子励磁绕组开路（不加励磁），在定子端子上外施对称三相电压。为了避免转子被牵入同步，外施电压约为额定电压的外施电压约为额定电压的1/4左右左右，且使其相序能保证电枢旋转磁场的转向与转子的转向致。v调节原动机转速，使约有1一2的转差。此时，定子旋转磁场的轴线交替地与转子直轴和交轴重合。v当定子旋转磁场与转子直轴重合时，定子的电抗为xd，此时电抗最大，定子电流最小，线路压降最小，端电压为最大。v当定子旋转磁场与转子交轴重合时，定子的电抗为xq，此时电抗最小，定子电流最大，线路压降最大，端电压为最小。计算为不饱和值1 外施电压低，定子电枢磁场较小2 无励磁电流，没有转子励磁磁场四、漏抗的测定和保梯电抗1、漏抗的测定由空载特性和零功率因数曲线测定漏抗x为了求漏抗不需要作出整条零功率因数曲线，只需要两个特殊的c点和e点利用电抗三角形确定漏抗x四、漏抗的测定和保梯电抗1、漏抗的测定v电抗三角形法v抽出转子法bc为抵消电枢反为抵消电枢反应的励磁电流应的励磁电流ab为漏抗电压降INX抽出转子法测漏抗v抽出电机转子，定子绕组外施三相对称电压，使输入电流达到额定值（U=15%UN）v电压和频率要为额定值v电压方程 忽略定子绕组电阻，则：v特点：实测值大于实际值转子空间也归入了漏磁路，使总磁阻转子空间也归入了漏磁路，使总磁阻减小，表现漏抗增大减小，表现漏抗增大。可采用探测线圈修正。第十节 同步发电机的稳态运行特性v外特性v电压变化率v调整特性v效率特性v磁势法求电压变化率和额定励磁电流一、发电机的外特性vn=n1,I f=const，cos=const，单机运行，发电机端电压U随负载电流 I的变化关系与负载的性质有关 影响因数：1.电枢反应2.漏抗压降当容性负载且内功率因数超前时，电枢反映是助磁作用，特性可以呈上升形状。1、纯电阻负载v电枢反应呈交磁作用v由于定子电枢绕组的漏阻抗电压降，端电压随着电枢电流的增大而降低v外特性时下降的2、感性负载v电枢反应呈去磁作用v空气隙合成磁动势将随电枢电流的增加而减小v外特性更为下降 3、容性负载v电枢反应呈助磁作用v气隙合成磁动势随电枢电流的增大而增大v外特性是上升的二、电压变化率额定工作点额定工作点：额定电压、额定负载（额定电流与功率因数）保持转速与励磁不变，如负载减小，则电枢反应的去磁作用也减小，端电压将升高电压变化电压变化二、电压变化率v保持额定运行时的励磁电流和转速不变，发电机的额定运行时的端电压为UN，空载时端电压为空载电势 E0，电压变化率表示 U是发电机的性能指标之一，按国家标准规定应不大于50%通过采用快速励磁调节器，可以自动改变励磁电流使发电机端电压保持不变三、发电机的调整特性vn=n1,U=const，cos=const，作单机运行，负载电流 I与励磁电流If的关系v物理意义：维持端电压不变，励磁电流需随负载电流维持端电压不变，励磁电流需随负载电流的大小变化进行调节的大小变化进行调节。在感性负载时，随负载增大，需增加励磁以抵消电增加励磁以抵消电枢反应的去磁作用枢反应的去磁作用在容性负载时，随负载增大，需减小励磁以平衡电减小励磁以平衡电枢反应的助磁影响枢反应的助磁影响