同步电机的基本工作原理与结构.ppt

6 1同步电机的基本工作原理与结构 6 2同步发电机的空载运行 6 3同步发电机的电枢反应 6 4同步发电机的负载运行 6 5同步发电机的并联运行 6 6同步电动机和同步调相机 思考题与习题 同步电机是交流旋转电机的一种 因其转速恒等于同步速机时得名 同步电机主要用作发电机 也可用作电动机和调相机 本章主要分析同步发电机的稳态运行原理和运行特性 简要分析同步电动机和调相机的运行状态 1同步电机的基本工作原理与结构 1 1同步电机的基本结构 以汽轮发电机为例 返回 返回 1 汽轮发电机结构 1 定子铁心 返回 返回 1 汽轮发电机结构 返回 2 水轮发电机结构 1 立式水轮发电机 2 卧式水轮发电机 2 水轮发电机结构转子结构 10000kW水轮机转子 1 发电环节 各种电机 引进600MW汽轮发电机 国产300MW汽轮发电机 国产200MW汽轮发电机定子 国产200MW汽轮发电机定子铁心 现场运行的水轮发电机 1同步电机的基本工作原理与结构 1 2同步电机的基本工作原理与分类 一 同步发电机的基本工作原理 大小 频率 励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁场 原动机拖动转子以转速旋转时 其磁场切割定子绕组而感应交流电动势 相序 由转子的转向决定 波形 由可知 波形取决于的空间分布 发电机的物理过程可用图示表示 旋转示意图1 旋转示意图2 二 同步电机的分类 按运行方式 同步电机分发电机 电动机和调相机 按结构型式 同步电机分旋转电枢式和旋转磁极式 旋转磁极式同步电机按磁极形状 又分隐极式和凸极式两种 按原动机类别 同步电机分为汽轮发电机 水轮发电机和柴油发电机等 汽轮发电机一般作成隐极式 现代汽轮发电机均为2极 转速为3000转 分钟 水轮发电机采用凸极式 极数多 转速低 同步电动机 柴油发电机和调相机一般作成凸极式 1 3同步电机的额定值 对同步发电机额定值之间关系为 额定运行时加在三相定子绕组上的线电压 指电机额定运行时 输出功率的保证值 同步发电机是指输出的额定视在功率或有功功率 单位是KVA或KW 电动机额定容量是指额定条件下转轴上输出的机械功率 单位是KW 调相机用KVA或Kvar表示 在额定运行状态下三相定子绕组的线电流 2同步发电机的空载运行 电磁关系 空载特性 同步发电机被原动机拖动到同步转速 励磁绕组中通入直流电流 定子绕组开路的运行称为空载运行 空载电动势大小 3同步电机的电枢反应 电枢反应 电机带上负载后 电枢磁动势的基波在气隙中使气隙磁通的大小及位置均发生变化 这种影响称为电枢反应 电枢反应的性质 取决于电枢磁动势基波和励磁磁动势基波之间的相对位置 即与空载电动势和电枢电流之间的夹角有关 励磁磁势和电枢磁势的区别 3 1时的电枢反应 电枢反应性质 交轴电枢反应 空载电动势和电枢电流同相位 3 2时的电枢反应 空载电动势超前电枢电流 6 3 3时的电枢反应 空载电动势滞后电枢电流 6 3 4一般情况下的电枢反应 空载电动势超前电枢电流角 此种情况下 直轴分量 交轴分量 直轴分量电流产生的合成磁动势 交轴分量电流产生的合成磁动势 6 3 4一般情况下的电枢反应 总结 6 3 5电枢反应与机 电能量转换 电枢反应是同步电机在负载运行时的重要物理现象 它不仅是引起端电压变化的主要原因 而且也是电机实现机 电能量转换的枢纽 输出的有功功率越大 有功分量电流就越大 交轴电枢反应越强 越大 这就要求原动机输入更大的驱动转矩 维持电机的转速不变 说明发电机带感性 或容性 无功负载时 不需要原动机增加能量 但是直轴去磁 或助磁 电枢反应对气隙磁场有去磁 或助磁 作用 致使电压下降 或上升 为维持电压恒定所需的励磁电流也需要相应增加 或减小 直轴电枢反应磁场与励磁电流共同作用 在励磁绕组上产生电磁力 但不能形成电磁转矩 一般情况下 发电机既带有功负载 又带感性无功负载 有功电流的变化影响发电机的转速及频率 无功电流的变化影响发电机的电压 综上所述 交轴电枢反应的存在是实现机 电能量转换的关键 为了保持发电机的频率和电压的稳定 必须随负载变化及时调节发电机的输入功率和励磁电流 6 4 1凸极同步发电机的电动势方程和相量图 4同步电机的负载运行 一 凸极同步发电机的电动势方程 电磁关系 不计磁路饱和时有下列关系 由于 且令 则电动势平衡方程 分别表征在对称负载下 单位直轴或交轴三相电流产生的总电枢磁场在电枢每一相绕组中感应的电动势 二 凸极同步发电机的相量图 作图步骤 6 4 2隐极同步发电机的电动势方程 相量图和等效电路 一 电动势方程 电磁关系 不计磁路饱和时有下列关系 令 电动势平衡方程 同步电抗 表征在对称负载下 单位三相电流产生的电枢总磁场在电枢每一相绕组中感应的电动势 二 等效电路和相量图 等效电路 相量图 根据相量图可求出 当忽略电枢回路电阻时得到的等效电路称为简化等效电路 对应的相量图称为简化相量图 思考题 分别作出汽轮同步发电机带阻性 纯感性 纯容性 电感性 电容性负载时的简化相量图 并说明各种情况下电枢反应的性质 6 4 3同步发电机特性 一 空载特性 定义 空载特性是发电机的基本特性之一 它一方面表征了磁路的饱和情况 另一方面把它和短路特性 零功率因数负载特性配合 可确定电机的基本参数 额定励磁电流和电压变化率等 实际生产中 它还可以检查三相电枢绕组的对称性 匝间短路 判断励磁绕组和定子铁心有无故障等 二 短路特性 定义 短路时的等效电路 短路特性曲线 短路特性与空载特性配合可以求出电机的同步电抗 三 外特性 定义 外特性曲线 当发电机带阻性和感性负载时 外特性是下降的 原因是电枢反应的去磁作用和电枢漏阻抗产生了电压降 带容性负载时且 发电机负载的容抗大于同步电抗 时 外特性是上升的 原因是电枢反应的助磁作用和容性电流在漏抗上的压降 四 调节特性 定义 调整特性曲线 在感性和阻性负载时 随着负载电流的增加 必须增加励磁电流 补偿电枢反应的去磁作用和漏阻抗压降 保持端电压恒定 对容性负载 随着负载电流的增加 必须减小励磁电流 在功率因数一定情况下 根据调整特性曲线 可确定在负载变化范围内 维持电压不变所需的励磁电流的变化范围 运行人员可利用调整特性曲线 使系统中无功功率的分配更合理一些 并联运行的含义 5同步电机的并联运行 1 提高供电的可靠性 2 提高供电的经济性 3 提高电能的质量 无穷大电网的含义 将两台或更多台发电机分别接在电力系统对应母线上 或通过变压器 输电线接在电力系统的公共母线上 共同向负荷供电 并联运行的优点 并列方法 1 准同期法2 自同期法 6 5 1并联运行的条件 一 准同期并列的条件 1 待并发电机的电压与电网电压大小相等 2 待并发电机电压相位相同与电网电压相位相同 3 待并发电机电压频率与电网电压频率相同 4 待并发电机的相序与电网的相序相同 上述条件 4 一般在安装发电机时 根据发电机的转向确定了发电机的相序而满足 因此运行人员在并列时只需调节发电机使其满足其它三个条件即可 不满足任一条件的并列称为非同期并列 将对电机产生严重的危害 重点内容 1 电压大小不等 此时 ab两端有电位差 在电位差的作用下发电机产生冲击电流 即 冲击电流为无功分量 不会加重原动机的负担 但会在电枢绕组中产生很大的冲击力 使电枢绕组端部受冲击力的作用而变形 2 相位不同 电位差可达发电机电压的两倍 若此时并列 会产生很大的冲击电流 发电机会因遭受巨大的冲击力而损坏 冲击电流的影响 1 电枢绕组端部受力变形 2 转轴上受冲击转矩的作用 使机轴扭曲变形 电枢绕组发热 此时 ab两端有电位差 3 频率不同 转轴上时而产生制动转矩 时而产生驱动转矩 结果是电机振动 拍振电流使电枢绕组端部受力变形 使电枢绕组发热 频率差过大电机不能并列 频率差较小时 靠自整步作用 可以把发电机拉入同步 4 相序不同 发电机实际并列时 除了相序必须一致外 其它条件允许有一定的偏差 如 U不超过10 相位差不超过10 频率偏差不超过0 2 0 5 0 1 0 25Hz 二 自同期法 相序正确前提下 起动未加励磁的发电机 当其转速接近同步速时 合上同步开关 将发电机并网 然后加上发电机励磁将发电机牵入同步 并网前 励磁绕组需经限流电阻闭合 6 5 2有功功角特性及有功功率调节 5同步电机的并联运行 一 功率和转矩平衡 可得转矩平衡方程为 或 上式说明 电机稳定运行时 驱动性质的原动机转矩与制动性质的电磁转矩和空载转矩之和平衡 二 有功功率功角特性 定义 并联于无穷大电网的同步发电机 当电网电压和频率一定 参数 为常数 空载电动势不变 即不变 时 为有功功率功角特性 凸极发电机的有功功率功角特性 隐极发电机的有功功率功角特性 水轮发电机有功功率功角特性曲线 水轮发电机的有功功率功角特性分两部分 附加电磁功率的特点 汽轮发电机的功角特性曲线 汽轮发电机的有功功率功角特性的特点 1 是电动势和电压间的时间相位角 或称是励磁磁势和合成磁势间的空间夹角 2 是感应电动势的主磁通和产生电压的电枢等效假想磁通之间的夹角 功角的双重物理意义 用图示功角的双重物理意义 转子因有原动机的驱动转矩克服定子合成磁极的制动转矩而作功 实现机电能量转换 将由原动机输入的机械能转变为电能输出 可见 功角是研究同步发电机运行状态的一个重要参数 它不仅决定了发电机输出有功功率的大小 而且还反映发电机转子的相对空间位置 通过它把同步电机的电磁关系和机械运动紧密联系起来 发电机空载运行时 原动机输入的功率用来平衡各种损耗 此时 定 转子磁极轴线重合 它们之间只有径向力而无切向力 所以 在功角特性的0点上 可见 并联于无穷大电网的同步发电机要调节有功功率输出 只需调节原动转矩 在功率极限角范围内 输入转矩越大 有功功率输出就越大 四 静态稳定的概念 静态稳定 指并联在电网上稳定运行的同步发电机 当受电网或原动机方面某些微小扰动时 能在这种干扰消失后 继续保持原来稳定运行状态的能力 在a点运行时电机具有静态稳定的能力 若干扰使功角 增大到a 点 Pem和Tem增大 迫使电机减速 功角 变小 电机回到a点 干扰使功角 减小时 有同样结论 所以a点称为稳定运行点 而b点为不稳定运行点 分析略 静态稳定的判据 比整步功率 kW rad 对汽轮发电机 比整步功率为 在电机稳定区域内 越大 电机稳定增长性越好 五 过载能力 汽轮发电机的过载能力 最大电磁功率与额定功率的比值称为过载能力 过载能力越大 电机的稳定性越好 过载能力是表达静态稳定的能力 不是发电机可以过载的倍数 过载能力设计得在一点 是从提高称定观点考虑的 不是从发热观点考虑的 6 5 3无功功角特性及V形曲线 一 无功功率功角特性 并联于无穷大电网的同步发电机当电网电压和频率恒定 参数 xd xq xt 为常数 空载电势E0不变 即If不变 时 Q f 为无功功率功角特性 水轮发电机无功功率的功角特性 汽轮发电机无功功率的功角特性 汽轮发电机无功功率的功角特性曲线 几个特殊点 从能量守恒观点看 并网运行的同步发电机调节无功功率 不需调节原动机来的输入功率 只需改变励磁电流 调节前 增大后 调节不影响发电机的有功功率输出 但影响电机的稳定性能 调节无功时不影响有功功率的输出 但是调节有功时影响无功功率输出 三 相量分析 1 正常励磁 2 过励磁 3 欠励磁 四 V形曲线 并联于无穷大电网的同步发电机 保持有功功率不变时 表示电枢电流和励磁电流的关系曲线称为 V 形曲线 发电机运行时 定子电流和励磁电流是运行人员主要监视的两个物理量 这两个量关系到定子绕组和励磁绕组的温度 又牵涉到功率因数的超前或滞后以及运行的稳定性问题 对于一个给定的有功功率输出就有一条V形曲线 有功功率越大 曲线向上移 因此可是以得到一簇 V 形曲线 V形曲线的特点 2 不稳定区域边缘 900 连线向右倾斜 1 每条曲线的最低点 定子电流最小 且全为有功电流 这些点的连线向右倾斜 3 每条曲线上的电流变化量 I为无功分量 4 励磁电流从零开始增大时 定子电枢电流变化规律为先减小后增大 表明要输出纯有功功率 必须相应增加一些励磁电流 表明输出有功功率越多 维持稳定所需的励磁电流也越大 6 6 1同步电动机 6同步电动机和同步调相机 一 同步电机的可逆原理 同步电机运行于发电机状态时 如图所示 转子磁极轴线超前定子合成磁极轴线 0 电机把机械能转变成电能 同步电机的运行是可逆的 既可以用作发电机 还可以用作电动机 逐步减少发电机的输入功率 转子将瞬时减速 角减小 相应的电磁功率也减少 当发电机的输入功率只能满足空载损耗时 发电机处于空载运行状态 继续减少发电机的输入功率 则 和Pem变为负值 卸动原动机 电机从电网吸收功率满足空载损耗 成为空转的电动机 电机轴上加上机械负载 负值的 增大 由电网向电机输入的电功率和相应的电磁功率增大 转子磁极轴线落后定子合成磁极轴线 转子受到驱动性质的电磁转矩作用 二 同步电动机的基本方程 按照发电机惯例 同步电动机可以看成是一台输出负的有功功率的发电机 其电动势方程与发电机的方程相同 以隐极机为例 按照电动机惯例 把输出负电流看成是输入正电流即可 其电动势方程 隐极机 凸极机 同步电动机的功角特性与发电机的也相似 用 M 代替 即可 三 同步电动机的V形曲线 与同步发电机相似 当同步电动机的输入有功功率恒定而调节励磁电流时 也有三种励磁状态 正常励磁 时 电动机没有无功功率输出 过励 时电动机从电网吸收容性无功 或发出感性无功 欠励 时电动机从电网吸收感性无功 或发出容性无功 也可以调节无功功率 调节励磁电流可以调节同步电动机的无功功率和功率因数 这是同步电动最可贵的特点 由于同步电动机的平均起动转矩为零 所不能自行起动 必须借用其它方法 常用的起动方法有 辅助电动机起动法 变频起动法和异步起动法 其中异步起动法应用最广泛 6 6 2同步调相机 同步调相机是专门发送无功功率的同步电机 实质上是一台空载运行的同步电动机 在电网的受电端接上同步调速相机 是提高电网功率因数的重要方法之一 一 同步调相机的励磁 1 正常励磁 2 过励磁 3 欠励磁 二 同步调相机的特点 1 调相机的额定容量指的是在过励状态下的额定视在功率 2 由于转轴上不带机械负载 所以调相机的转轴比同容量的电动机转轴细 没有过载能力的要求 3 为了提高调相机提供感性无功的能力 励磁线圈导线截面较大 但励磁损耗仍然很大 对通风冷却要求较高 同步调相机的起动一般采用异步起动法或辅助电动机法 选择起动方法时 首先考虑限制起动电流 然后考虑满足起动转矩的要求