同步电机的基本理论和运行特性课件

第第 四四 篇篇第 四 篇1 1第十二章第十二章同步电机的基本理论和同步电机的基本理论和运行特性运行特性第十二章同步电机的基本理论和运行特性2 212-1 同步电机的结构同步电机的结构一、同步电机的基本结构型式一、同步电机的基本结构型式组成：固定的定子和可旋转的转子组成：固定的定子和可旋转的转子分：磁极旋转式和电枢旋转式。分：磁极旋转式和电枢旋转式。磁极旋转式磁极旋转式以电枢为定子，磁极为转子以电枢为定子，磁极为转子。使磁极旋转，激磁电流通过集电环送入激磁绕使磁极旋转，激磁电流通过集电环送入激磁绕组。组。旋转电枢式应用于小容量同步电机旋转电枢式应用于小容量同步电机 12-1 同步电机的结构一、同步电机的基本结构型式组成：固3 3同步电机的基本理论和运行特性课件4 4定子定子定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组三相对称交流绕组三相对称交流绕组三相对称交流绕组。这种。这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组为电枢铁心和电枢绕组 转子转子转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电时，将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场场(也称主磁场、转子磁场也称主磁场、转子磁场)。气隙气隙气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机层的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性能有重大影响。的性能有重大影响。定子定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律5 5发电机原理发电机原理主磁场的建立主磁场的建立主磁场的建立主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。的励磁磁场，即建立起主磁场。载流导体载流导体载流导体载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。势或者感应电流的载体。切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。交变电势的产生交变电势的产生交变电势的产生交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。感应电势感应电势感应电势感应电势 频率频率频率频率：感应电势的频率决定于同步电机的转速感应电势的频率决定于同步电机的转速n n 和极对数和极对数p p，即，即交变性与对称性交变性与对称性交变性与对称性交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。对称性。发电机原理主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相6 6电动机原理电动机原理将同步电机定子绕组接至三相交流电源，频率为将同步电机定子绕组接至三相交流电源，频率为f f的三相交流电流将在电机气隙中产生转速为同步的三相交流电流将在电机气隙中产生转速为同步转速转速n1n1的旋转磁场。的旋转磁场。在一定条件下旋转磁场将吸住转子磁极一起旋转，在一定条件下旋转磁场将吸住转子磁极一起旋转，它们它们有相同的转速和转向有相同的转速和转向有相同的转速和转向有相同的转速和转向无相对运动无相对运动无相对运动无相对运动转子转速为同步转速转子转速为同步转速 n n60f60fp p 同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。得到较多地应用。电动机原理将同步电机定子绕组接至三相交流电源，频率为f的三相7 7同步补偿机运行同步补偿机运行电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。过激时，有超前的无功功率，如电容器同步补偿机运行电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向8 8同步电机的基本理论和运行特性课件9 9凸极式转子凸极式转子凸极式转子上有明显凸出的成对磁极和励磁线圈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。凸极式转子凸极式转子上有明显凸出的成对磁极和励磁线圈1010隐极式转子隐极式转子隐极式转子上没有凸出的磁极隐极式转子上没有凸出的磁极沿着转子本体圆周表面上，开有许多槽，这些槽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。在转子表面约中嵌放着励磁绕组。在转子表面约1/31/3部分没有开部分没有开槽，构成槽，构成大齿大齿大齿大齿，是磁极的中心区。，是磁极的中心区。励磁绕组通入励磁电流后，沿转子圆周也会出现励磁绕组通入励磁电流后，沿转子圆周也会出现 N N 极和极和 S S 极。极。在大容量高转速汽轮发电机中，转子圆周线速度在大容量高转速汽轮发电机中，转子圆周线速度极高，最大可达极高，最大可达170170米米/秒。为了减小转子本体及秒。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。发电机都做成细长的隐极式圆柱体转子。隐极式转子隐极式转子上没有凸出的磁极1111同步电机的基本理论和运行特性课件1212同步电机的基本理论和运行特性课件1313二、同步电机的额定值二、同步电机的额定值1.额定容量额定容量SN或额定功率或额定功率PN2.额定电压额定电压UN3.额定电流额定电流IN4.额定功率因额定功率因数数cos N5.额定效率额定效率 N6.额定转速额定转速nN和额定频率和额定频率fN7.额定励磁电额定励磁电压压UfN和额定和额定励磁电流励磁电流IfN二、同步电机的额定值1.额定容量SN或额定功率PN5.额1414国产同步电机型号国产同步电机型号：国产同步电机型号：1515 【例例12-1】一台汽轮发电机，一台汽轮发电机，额定功率额定功率PN=1100 MW，额定电，额定电压压UN=20 kV，Y连接，额定功率连接，额定功率因数因数cos N=0.85（滞后）。求发（滞后）。求发电机的额定电流电机的额定电流IN。【例12-1】一台汽轮发电机，额定功率PN=11616 【例【例12-2】一台水轮发电机，额一台水轮发电机，额定容量定容量SN=900 MVA，额定电压，额定电压UN=15.5 kV，Y连接，额定功率因数连接，额定功率因数cos N=0.8（滞后）。求：（滞后）。求：（1）发电）发电机的额定电流机的额定电流IN；（；（2）额定运行时发）额定运行时发出的有功功率出的有功功率PN；（；（3）额定运行时发）额定运行时发出的无功功率出的无功功率QN。【例12-2】一台水轮发电机，额定容量SN 171712-2 同步电机的励磁系统同步电机的励磁系统基本概念基本概念励磁的要求励磁的要求励磁方式励磁方式12-2 同步电机的励磁系统基本概念励磁的要求励磁方式181812-3 同步电机的空载运行同步电机的空载运行空载与空载磁势：空载与空载磁势：空载运行：原动机带动发电机在同步转速下运空载运行：原动机带动发电机在同步转速下运行，励磁绕组通过适当的励磁电流，电枢绕组行，励磁绕组通过适当的励磁电流，电枢绕组不带任何负载时。不带任何负载时。空载运行是同步发电机最简单的运行方式，空载运行是同步发电机最简单的运行方式，其其气隙磁场由转子磁势单独建立气隙磁场由转子磁势单独建立气隙磁场由转子磁势单独建立气隙磁场由转子磁势单独建立，分析较为简，分析较为简单单 12-3 同步电机的空载运行空载与空载磁势：空载运行：原动1919一、隐极式同步电机的空载磁动势一、隐极式同步电机的空载磁动势一、隐极式同步电机的空载磁动势2020表表表表12-112-1 隐极电机励磁磁动势波形系数隐极电机励磁磁动势波形系数隐极电机励磁磁动势波形系数隐极电机励磁磁动势波形系数 0.60.660.70.750.8kf1.091.061.0310.965表12-1 隐极电机励磁磁动势波形系数0.60.660.2121二、凸极式同步电机的空载磁动势二、凸极式同步电机的空载磁动势二、凸极式同步电机的空载磁动势2222三、时间相量与空间矢量三、时间相量与空间矢量三、时间相量与空间矢量2323四、空载电动势相量四、空载电动势相量2424五、电压波形正弦畸变率五、电压波形正弦畸变率基本方法有：使励磁电流产生接近于正弦分布的气隙磁通密度；定子绕组采用分布和短距线圈；三相绕组采用Y接法。上述方法可以大大消除感应电动势中的谐波含量，使同步电机的线电动势基本达到正弦变化。五、电压波形正弦畸变率基本方法有：使励磁电流产生接近于正弦分2525同步电机的基本理论和运行特性课件2612-4 对称负载时的电枢反应对称负载时的电枢反应12-4 对称负载时的电枢反应27271.1.首先要搞清楚什么是电枢反应首先要搞清楚什么是电枢反应2.2.其次要了解电枢磁动势和励磁磁动势的其次要了解电枢磁动势和励磁磁动势的关系关系3.3.再次之，要了解矢量合成的方法再次之，要了解矢量合成的方法4.4.引入一个新概念，即内功率因数角引入一个新概念，即内功率因数角 首先要搞清楚什么是电枢反应2828一、一、I和和E0同相同相（y=0）时的电枢反应时的电枢反应一、I和E0同相（y=0）时的电枢反应2929二、二、I滞后滞后E090 （y=90）时的电枢反应时的电枢反应二、I滞后E090 （y=90）时的电枢反应3030三、三、I滞后滞后E0180 （y=180）时的电枢反应时的电枢反应三、I滞后E0180 （y=180）时的电枢反应3131四、四、I超前超前E090 （y=-90）时的电枢反应时的电枢反应四、I超前E090 （y=-90）时的电枢反应3232五、一般情况下的电枢反应五、一般情况下的电枢反应五、一般情况下的电枢反应3333同步电机的基本理论和运行特性课件3434有功电流产生电磁力，并形成电磁转矩353512-5 隐极同步发电机的分析方法隐极同步发电机的分析方法12-5 隐极同步发电机的分析方法3636一、不计磁路报和影响一、不计磁路报和影响一、不计磁路报和影响3737隐极发电机的电磁过程隐极发电机的电磁过程38381.电路方程和等效电路电路方程和等效电路1.电路方程和等效电路3939同步电机的基本理论和运行特性课件4040隐极发电机的电势方程式其中同步电抗的物理意义：表征地对称负载下单位电枢电流三相联合产生的电枢总磁场在电枢每相绕组中感应电势简化方程式隐极发电机的电势方程式其中同步电抗的物理意义：表征地对称负载41412.电枢反应电抗和同步电抗电枢反应电抗和同步电抗2.电枢反应电抗和同步电抗42423.隐极同步发电机的相量图隐极同步发电机的相量图3.隐极同步发电机的相量图4343同步电机的基本理论和运行特性课件4444 【例例12-3】一台一台Y接法、接法、4极极的隐极同步发电机，它的空载线电的隐极同步发电机，它的空载线电动势动势E0=400 V，定子槽数为，定子槽数为60，双层绕组，节距双层绕组，节距y=13，每个线圈，每个线圈的匝数的匝数Nc=6，由试验得到其同步，由试验得到其同步电抗为电抗为xs=4.35 。现接上每相阻。现接上每相阻抗为抗为ZL=40+j26 的三相对称负的三相对称负载，求负载电流载，求负载电流I和电枢磁动势和电枢磁动势Fa，并说明电枢反应的性质（忽略电枢并说明电枢反应的性质（忽略电枢绕组电阻）。绕组电阻）。【例12-3】一台Y接法、4极的隐极同步发4545二、考虑磁路饱和时隐极同步二、考虑磁路饱和时隐极同步发电机的分析方法发电机的分析方法二、考虑磁路饱和时隐极同步发电机的分析方法4646同步电机的基本理论和运行特性课件4747同步电机的基本理论和运行特性课件4848 【例例12-2】一台三相汽轮发电机，一台三相汽轮发电机，Y连接，额定数据如下：功率连接，额定数据如下：功率PN=25000 kW，电压，电压UN=6300 V，功率因，功率因数数cos N=0.8（落后），每相漏抗（落后），每相漏抗x =0.0917 ，忽略电阻。空载特性如下表。，忽略电阻。空载特性如下表。在额定负载下，电枢反应磁动势的折在额定负载下，电枢反应磁动势的折算值算值kaFa用转子励磁电流来表示为用转子励磁电流来表示为250.9A。求电机额定负载时的相。求电机额定负载时的相-矢图，矢图，根据相根据相-矢图求此时的励磁电流和空载矢图求此时的励磁电流和空载电动势。电动势。【例12-2】一台三相汽轮发电机，Y连接，4949表表12-2 例例12-2空载特性空载特性E E0 0(V)(V)0 0218221823637363742194219454745474801480149634963I If f(A)(A)0 08282164164246246438438410410492492表12-2 例12-2空载特性E0(V)0218236375050同步电机的基本理论和运行特性课件5151