1、10/2006 C.B.Zeng,1,同步电机,同步发电机的基本电磁关系 同步发电机对称运行时的特性 同步发电机并网运行,10/2006 C.B.Zeng,2,同步电机的基本特点：n=n1,n1=60f1/P，f1电网频率 同步电机的用途：主要作发电机；电动机；同步调相机。 主要介绍同步电机的结构、分析方法、运行特性和它的各种参数。,10/2006 C.B.Zeng,3,第十六章 同步发电机的基本电磁关系,16-1 同步电机的基本工作原理,转子绕组通以直流电流形成分布磁场， 匝链定子上的各相绕组。,定子上嵌放有对称三相绕组a-x、b-y、c-z,S,N,n,If,同步电机的基本结构,同步电机与
2、异步电机的根本区别是旋转的转子通入直流电流励磁,S,N,n,ea,eb,ec,If,10/2006 C.B.Zeng,5,16-2 同步电机的构造特点,同步电机一般采用旋转磁极式结构，根据磁极形状可分为隐极和凸极两种型式。,凸极同步电机气隙不均匀，适合于中速或低速旋转场合 隐极同步电机在不考虑齿槽效应时，气隙均匀，适合于 高速旋转,10/2006 C.B.Zeng,6,国产300MW汽轮发电机,10/2006 C.B.Zeng,7,1、汽轮发电机结构,300MW水氢冷发电机结构,10/2006 C.B.Zeng,8,隐极同步电机结构实物图,大型汽轮发电机定子铁心槽,汽轮发电机完工后的定子,10
3、/2006 C.B.Zeng,9,1、汽轮发电机结构（1）定子铁心,思考：定子铁心为什么要用0.5mm的硅钢片叠裝？,10/2006 C.B.Zeng,10,1、汽轮发电机结构（2）定子绕组,10/2006 C.B.Zeng,11,1、汽轮发电机结构,10/2006 C.B.Zeng,12,10/2006 C.B.Zeng,13,10/2006 C.B.Zeng,14,汽轮发电机组,10/2006 C.B.Zeng,15,2、水轮发电机结构,(1)立式水轮发电机,(2)卧式水轮发电机,10/2006 C.B.Zeng,16,2、水轮发电机结构,(3)灯泡贯流式水轮发电机,10/2006 C.B
4、.Zeng,17,凸极同步电机结构实物图,带阻尼绕组的凸极同步电机转子,水轮发电机定子分段铁心,10/2006 C.B.Zeng,18,10/2006 C.B.Zeng,19,10/2006 C.B.Zeng,20,10/2006 C.B.Zeng,21,10/2006 C.B.Zeng,22,凸极同步电机,凸极同步电机转子由磁极、励磁线圈、磁轭和阻尼绕组等部分构成。,凸极同步电机的定子结构与隐极同步电机或异步电机的基本相同，所不同的只是转子结构。,10/2006 C.B.Zeng,23,同步电机的构造特点,1、定子：铁心，绕组 2、转子：凸极式隐极式 3 气隙：比异步电机大。气隙处于电枢内圆
5、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的性能有重大影响。,10/2006 C.B.Zeng,24,16-3 同步电机的铭牌及额定值,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。 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
6、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。,10/2006 C.B.Zeng,25,额定值 一 额定容量SN或功率PN：长期安全运行的最大允许输出功率。 二 额定电压UN：额定工况时，线电压 三 额定电流IN：额定工况时，线电流 四 fn fn=50Hz 五 nN 额定运行时电机转速 六 额定功率因数（cosN）额定有功功率和视在功率的比值 七 额定效率N 电机额定运行的效率,10/2006 C.B.Zeng,26,16-4 同步电机的空载运行,一 空载磁场 1 空载运行：同步发电机空载运行是指同步发电机被原动机拖动到同步转速，转子励磁绕组通入直
7、流励磁电流而定子绕组开路时的运行工况。,10/2006 C.B.Zeng,27,2 空载磁场,时气隙中的磁场仅有直流励磁电流产生的励磁磁场， 称为空载磁场或主磁场。 3 主磁路(0的路径) 主极铁心气隙电枢齿电枢磁轭电枢齿气隙另一主极铁心转子磁轭。,凸极同步电机的空载磁势,励磁绕组为集中绕组，磁势波为矩形波,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布不均匀，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。 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。,
8、10/2006 C.B.Zeng,29,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。在设计和制造电机时，应采取适当的措施，以获得尽可能接近正弦分布的气隙磁密，从而得到较高品质的感应电势。,10/2006 C.B.Zeng,30,二空载特性,1. 空载感应电势的大小与频率,n,0 ：磁极的基波每极磁通。 W：每相定子绕组串联匝数。,10/2006 C.B.Zeng,31,2空载特性：,当转子以恒定转速n旋转时，,为磁路的磁化特性,与,曲线相似(成比例),( ),c,1,d,0,If(Ff),一般将发电机的空载额定电压设计于弯曲部分C点,10/2006 C.B.Zeng,32,3.
9、电机磁路的饱和系数,气隙线:将空载特性的直线部分延长得线段2，称为气隙线。,( ),a,b,c,1,2,n,g,d,0,Ff0,F,设oa代表额定电压， 则ac为产生额定电压所需磁势:,10/2006 C.B.Zeng,33,( ),a,b,c,1,2,n,g,d,0,Ff0,F,ab=F：不计饱和时产生oa电压所需磁势，称为气隙磁势。,bc=FFe：由于饱和，使得产生oa电压的磁势增大的部分， FFe用以克服铁心磁阻所需磁势。且FFe铁心越饱和越大。,c,当E0=UN 时：,10/2006 C.B.Zeng,34,a,b,c,1,n,g,d,0,If(Ff),Ff0,F,电机运行于曲线刚好弯
10、曲除： 1、充分利用材料； 2、不会过分饱和;,10/2006 C.B.Zeng,35,空载特性的工程应用, 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过于饱和或者材料没有充分利用。如太饱和，将使励磁绕组用铜过多，且电压调节困难如饱和度太低，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 结合短路特性可以求取同步电机的参数。 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（*）,10/2006 C.B.Zeng,36,三、对空载电势的要求 三相对称。 频率恒定。 波形接近正弦。 有一定幅值。,10
11、/2006 C.B.Zeng,37,16-5 对称负载时的电枢反应Armature reaction of synchronous generator,电枢反应 概念：内功率因数角 不同情况电枢反应分析,10/2006 C.B.Zeng,38,1、电枢反应的定义：,电枢反应：电枢电流产生的磁动势对励磁磁场的影响,10/2006 C.B.Zeng,39,磁势分析 1、定子三相对称绕组中对称三相电流产生基波电Fa枢磁势,（1） 大小：,（2） 转速： (r/min),（3） 转向：沿通电相序A、B、C的方向，它与转子转向相同,（4）极对数：和转子极对数相同，决定于绕组的节距y,2、转子绕组通入直流
12、产生每极基波励磁磁势Ff1,（1） 大小： （2） 转速：和转子转速一样为同步速 （3） 转向：和转子转向一致 （4） 极对数：和转子磁极的极对数相同,10/2006 C.B.Zeng,40,励磁磁势和电枢磁势的区别,10/2006 C.B.Zeng,41,10/2006 C.B.Zeng,42,准备工作,三个角四个轴,10/2006 C.B.Zeng,43,2. 电枢反应的性质,电枢反应的性质(助磁、去磁或交磁）取决于电枢磁势基波与励磁磁势基波的空间位置；这一相对位置与励磁电势E0和电枢电流I之间的相位差，即角度有关,10/2006 C.B.Zeng,44,一、 和 同相（ =0）时的电枢反
13、应（ ：内功率因数角）,d轴,交轴电枢反应,10/2006 C.B.Zeng,45,1. 在轴d上。如图瞬间，A相励磁电势达到最大值，由于 和 同相，故而 亦如图示方向。此时A相电流最大。三相合成电枢磁势 出现在A相轴线上。,A,X,Z,C,B,Y,q轴,A轴,C轴,B轴,S,N,d轴,n1,1,1,时轴,A,X,Z,C,B,Y,q轴,A轴,C轴,B轴,S,N,d轴,n1,1,1,时轴,1,q轴,时轴,相轴,d轴,10/2006 C.B.Zeng,47,可见 始终位于交轴上，称为 （交轴磁势）。,2.时间向量图 将时间向量图的参考轴与A相绕组轴线取重合,3时空相矢量图 三相电流对称， 仅以A相
14、代表。,1,q轴,时轴,相轴,d轴,10/2006 C.B.Zeng,48,: 在定子中感应电势。, ：交轴电枢反应 使气隙磁势 增加，且由直轴后移一个角度。,3、使得转子励磁绕组受一阻力矩（制动力矩）这样要维持n1，必须输入更多的有功。,1,q轴,时轴,相轴,d轴,10/2006 C.B.Zeng,49,时空相矢图的作法：,1、根据负载性质定出,4、画出与对应的,2、选时轴、相轴和q、d轴,1,q轴,时轴,相轴,d轴,3、画Ff1在d轴上，E0在q轴上,5、Fa与I同“相”，,10/2006 C.B.Zeng,50,二、 滞后 （ =900 ）时电枢反应,直轴去磁电枢反应,A,X,Z,C,B
15、,Y,q轴,A轴,S,N,d轴,n1,1,1,时轴,1,q轴,时轴,相轴,d轴,1、各相电流如图,10/2006 C.B.Zeng,52,1,q轴,时轴,相轴,d轴,可见 , 与 方向相反 ，气隙磁场被削弱，电枢反应纯去磁作用，位于d轴又称直轴电枢磁势,2. 转子旋转不受影响，发电机供给纯感性（ =900 ）或纯容性（ =-900 ）无功负载时，不需原动机载入功率。,10/2006 C.B.Zeng,53,三、 超前 900 的电枢反应（ =-900 ）,直轴助磁电枢反应,10/2006 C.B.Zeng,54,A,X,Z,C,B,Y,q轴,A轴,S,N,d轴,n1,1,1,时轴,1,q轴,时
16、轴,相轴,d轴,10/2006 C.B.Zeng,55,1,q轴,时轴,相轴,d轴,可见， 超前 900相位时，电枢磁势 的方向总与励磁磁势 的方向相同。它们直接相加得气隙中合成磁势 的电枢反应是纯粹助磁的。 又位于d轴，又称,10/2006 C.B.Zeng,56,四、 情况下的电枢反:( 滞后励磁电势 锐角）。,既有交轴又有直轴去磁电枢反应,10/2006 C.B.Zeng,57,可见此时电枢磁势 滞后 （ +900 ）此时电枢应兼有去磁及交磁两种性质。,q轴,d轴,时轴,相轴,的直轴分量（无功分量）,的交轴分量（有功分量）,10/2006 C.B.Zeng,58,电枢磁势和电枢电流分量,
17、10/2006 C.B.Zeng,59,当角为不同值的电枢反应,10/2006 C.B.Zeng,60,电枢反应和机-电能量转换,有功电流产生电磁力，并形成电磁转矩无功电流产生电磁力，不形成电磁转矩,10/2006 C.B.Zeng,61,电枢反应是实现能量转换的关键,（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。,有功电流产生电磁力, 并形成电磁转矩Tem,10/2006 C.B.Zeng,62,（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。
18、,无功电流产生电磁力, 不形成电磁转矩,10/2006 C.B.Zeng,63,16-6 隐极同步电机的电枢反应磁通，电枢反应电抗和同步电抗,10/2006 C.B.Zeng,64,一、电枢反应电抗,设定子电流有效值为I，则产生的三相合成电枢反应磁势的幅值为：,W:每相串联匝数,电枢反应磁通：,：电枢反应磁通回路上的磁导,电枢反应电势：,隐极机不计饱和，不计齿槽轮影响，气隙均匀，故m 为常数，（a 在定子上感应电势）,故有：,10/2006 C.B.Zeng,65,引入比例系数：,比例系数xa称电枢反应电抗。考虑到相位关系后，每相电枢反应电势为：,xa物理意义： 电枢反应磁场在定子每相绕组中感
19、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,10/2006 C.B.Zeng,66,二、漏电抗,三、同步电抗：,xs称为隐极同步电机的同步电抗，它是对称稳态运行时表征电枢反应和电枢漏磁这两个效应的一个综合参数。不计饱和时，xs是一个常值。,注意：电枢反应磁势 与转子同步，故对转子无影响，但转子构成 的路径，故对 的大小有重要作用,10/2006 C.B.Zeng,67,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,10/2006 C.B.Zeng,68,16-7 凸极同步电机的电枢反应磁通、 直轴同步电抗及交轴同步电抗,凸极同步机
20、的气隙不均匀在极面下的磁导大，两极之间的磁导小。 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=S,隐极机: 气隙均匀，m 为常数,10/2006 C.B.Zeng,69,凸极电机气隙不均匀， 处于不同位置，产生的气隙磁场Ba不同，处于d，q轴上时，分别产生出如图所示的磁势：,10/2006 C.B.Zeng,70,一、双反应理论,双反应理论电枢基波磁势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。 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。 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。 双反应
21、理论的基础是，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。,双反应理论：,当 处于任意位置且不计饱和时：,分解,或,分解,10/2006 C.B.Zeng,72,二、凸极同步电机的直轴同步电抗和交轴同步电抗,1.直轴电枢反应磁势Fad和Id的直轴电流分量,：直轴电枢反应电抗,10/2006 C.B.Zeng,73,同理,：直轴电枢反应电抗,：交轴电枢反应电抗,：直轴同步电抗,：交轴同步电抗,10/2006 C.B.Zeng,74,：直轴电枢反应磁通所经路径磁导,：交轴电枢反应磁通所经路径磁导,直轴气隙小于交轴气隙,xadxaq,3、隐极机 同步阻抗,凸极机 直轴同步阻抗交轴同步阻
22、抗 电枢电阻,2、,气隙越大，则磁阻越大，电枢反应电抗越小,10/2006 C.B.Zeng,75,同步电抗,主要受电枢反应电抗的影响，与电枢绕组匝数平方W2成正比，与磁导成正比 铁心饱和程度提高，则磁导减小， 气隙增大，则磁导减小 激磁绕组匝数增加，如不改变磁路饱和程度，则同步电抗不变,10/2006 C.B.Zeng,76,电抗简单比较说明,变压器 激磁电抗标幺值为几十（无气隙，磁阻小，主磁通大），Im在0.02-0.05标幺值 异步电机 激磁电抗标幺值为几（气隙小，磁阻小，对应空载气隙主磁通），Im在0.2-0.5标幺值 同步电机 同步电抗标幺值：隐极机在0.9-3.5，凸极机在0.6-1.6（交轴0.4-1.0），由于气隙大，磁阻大,
