1、第六篇 同步电机,同步电机的基本结构,同步发电机的运行原理,同步发电机与电网并联运行,同步电动机和同步补偿机,同步发电机的不对称运行,河北工业大学,第二十章 同步电机的基本结构,20.1 同步电机的基本结构 20.2 同步电机的运行状态和励磁方式 20.3 同步电机的冷却方式 20.4 同步电机的额定值,本章主要内容：,同步电机是另一种交流电机。同步电机与感应电机结构上的根本区别是在转子侧（或定子侧）装有直流励磁(或永磁体)的磁极，具有确定的极性。 同步电机的运行特点是转子的旋转速度与定子磁场的旋转速度严格同步，即n=ns。,20.1 同步电机的基本结构,(a) 凸极式 (b) 隐极式1-定子
2、； 2-凸极转子；3-隐极转子；4-滑环,20.2 同步电机的运行状态和励磁方式,1. 运行状态,发电机转子主极磁场超前于定子合成磁场，0, 把机械能转换为电能,同步电机运行状态，取决于定子合成磁场与转子主极磁场之间的夹角，即功率角,电动机转子主极磁场滞后于定子合成磁场，0, 把电能转换为机械能,补偿机转子主极磁场轴线与定子合成磁场轴线重合，=0, 没有有功功率的转换，只发出或吸收无功功率。,20.2 同步电机的运行状态和励磁方式,2. 励磁方式,直流励磁机励磁系统直流励磁机通常与同步发电机同轴，采用并励或他励接法。,交流整流励磁系统,静止式 旋转式,20.2 同步电机的运行状态和励磁方式,2
3、0.3 同步电机的冷却方式,1. 空气冷却 空气冷却主要采用内扇式轴向和径向混合通风系统，适用于容量为50MW以下的汽轮发电机。 2. 氢气冷却 氢气冷却的效果明显优于空气冷却，在汽轮发电机中被广泛应用，并从外冷式发展为内冷式，应用中注意防漏和防爆问题。 3.水冷却 水的冷却效果优于氢气。主要方式为内冷式，并且以定子绕组内冷的应用为多，但面临泄露和积垢堵塞问题。混合冷却方式“水氢氢”更为经济，应用也较多。同步电机的冷却方式方法在不断发展，新型电机也随着新型材料的不断涌现得到发展，比如超导发电机等，能够实现解决电机发热和冷却问题。,20.4 同步电机的额定值,同步电机的额定值主要有以下几个： 1
4、. 额定容量SN (或额定功率PN) 2. 额定电压UN 3. 额定电流IN 4. 额定功率因数 5. 额定频率fN 6. 额定转速nN 7. 额定效率N,第二十一章 同步发电机的运行原理,21.1 同步发电机的空载运行 21.2 同步发电机对称负载时的电枢反应 21.3 隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路 21.4 凸极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路21.5 同步发电机参数的测定 21.6 同步发电机的运行特性,内容：,21.1 同步发电机的空载运行,同步发电机的空载运行: 即电枢电流为零时的运行情况。 空载时电机磁场由励磁电流产生。 左下图为4极直流电机磁路的一部分。整个主
5、磁路分气隙、电枢齿、电枢磁轭、主磁极及定子磁轭五个组成部分；漏磁路不进入电枢铁心，直接经过气隙、相邻磁极或定子铁轭形成闭合回路。,空载时直流电机内的磁场,E04.44fN1kw10,激磁电势,21.1 同步发电机的空载运行,空载特性曲线,电机的空载特性实际上反应了其磁路的磁化特性。 当激磁电势E0等于额定电压UN时，总磁势Ff0和气隙磁势F之比称为电机磁路的饱和系数k，即,21.2 同步发电机对称负载时的电枢反应,负载后，其气隙内的磁场由电枢磁势和主极磁势共同建立。 同步发电机负载时电枢磁势的基波在气隙中所产生的磁场对主极磁场基波的影响，称为电枢反应。 电枢反应的性质 (增磁、去磁或交磁) 取
6、决于电枢磁势和主极磁势在空间的相对位置，即与激磁电势和负载电流之间的相角差有关 。,1. 电枢电流 与激磁电势 同相时,21.2 同步发电机对称负载时的电枢反应,这时的电枢磁势Fa为交轴电枢磁势Faq 用电角度表示时，主极磁场B0与电枢磁势Fa之间的空间相位关系，恰好与交链A相的主磁通与A相电流之间的时间相位关系相一致 提示：在时空统一的矢量图中，空间矢量是指整个电枢（三相绕组）或主磁极的作用，而时间相量仅指一相（A相）而言。,21.2 同步发电机对称负载时的电枢反应,2. 电枢电流 与激磁电势 不同相时,0090 -9000,此时的电枢磁势Fa可以分成两个分量，一个为交轴电枢磁势Faq，另一
7、个为直轴电枢磁势Fad,Fad的性质,21.3 隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路,可应用叠加原理，先分别单独分析磁势Ff和Fa的作用结果，然后把它们的结果叠加起来，得到Ff和Fa共同作用的结果。,1. 不考虑磁路饱和时,X 漏电抗 Xa 电枢反应电抗 Xs=Xa+X 同步电抗,21.3 隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路,隐极同步发电机的相量图和等效电路,21.3 隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路,磁路非线性，叠加原理不适用，必须先求出作用在主磁路上的合成磁势F，然后利用电机的磁化曲线（空载特性曲线），找出负载时的气隙合成磁通及相应的气隙电势。,2. 考虑磁路饱和时
8、,ka：波形系数,21.4 凸极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路,凸极同步发电机的结构特点是其气隙沿电枢圆周是不均匀的，因此相同的电枢磁势作用在不同位置，产生的电枢反应不一样。,1. 双反应理论,当电枢磁势恰好作用在直轴 (0=90)或交轴 (0=0)位置时，电枢磁场的波形是对称的，此时，电枢反应的大小不难确定。但在一般情况下，0是任意角度的，电枢磁场分布不对称，其形状和大小取决于Fa和0两个因素，而且无法用数学解析式来表达，也就难于直接确定电枢反应的大小。,21.4 凸极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路,双反应理论：当电枢磁势的轴线既不和直轴又不和交轴重合时，把电枢磁势Fa分解成
9、直轴分量Fad和交轴分量Faq，如下图所示，分别求出直轴和交轴电枢反应单独作用时的气隙磁场，然后叠加起来得到合成的气隙磁场。,21.4 凸极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路,2. 凸极同步发电机的电压方程和相量图,21.4 凸极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路,Xad：直轴电枢反应电抗；Xaq：交轴电枢反应电抗 ； Xd= Xad + X ：直轴同步电抗，Xq =Xaq + X ：交轴同步电抗,凸极同步发电机直轴下的气隙比交轴下的小，故有adaq，所以XadXaq或XdXq。 对于隐极电机，气隙均匀，有XdXq=Xs。,21.4 凸极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路,要画出以
10、上相量图，除需给出发电机端电压、负载电流、功率因数cos以及电机的参数Ra、Xd和Xq外，还必须先把电枢电流分解成直轴和交轴两个分量 和 ，即须先确定内功率因数角0，因此引入电势 ，,因 与 相垂直， 与 相垂直，故 必与 在同一直线上，因此 与 亦在同一直线上，有,21.4 凸极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路,同步发电机的电势方程式和向量图是分析同步电机的主要工具，必须熟练掌握。 各量的求取既可以按照相量运算的方法，或用相量图上的几何关系求得。熟练掌握相量图的画法，包括隐极和凸极、功率因数超前或滞后等各种情况。 掌握内功率因数角 ，功率角 和功率因数角 三个角之间的关系及由相量图的几
11、何关系求取内功率因数角 的方法。,等效电路,21.5 同步发电机参数的测定,1. 用空载特性和短路特性确定Xd,21.5 同步发电机参数的测定,2. 短路比,3. 定子漏抗X和直轴电枢等效磁势,kadFa=,21.5 同步发电机参数的测定,3. 用转差法测定Xd和Xq,所测出的Xd和Xq均为电机的不饱和值,21.6 同步发电机的运行特性,同步发电机的运行特性包括：外特性、调整特性和效率特性。从这些特性可以确定发电机的电压调整率、额定励磁电流和额定效率等表征同步发电机性能的基本数据。,1. 外特性,当nnsIf=常值cos=常值时，U=f(I),21.6 同步发电机的运行特性,2. 调整特性,当
12、nnsU= UNcos=常值时，If=f(I),3. 效率特性,当nnsU= UNcos=常值时，=f(P2),第二十二章 同步发电机与电网并联运行,22.1 同步发电机投入电网的条件和方法 22.2 同步发电机的功角特性 22.3 并联运行时同步发电机功率的调节,本章主要内容：,同步发电机单机运行时，随着负载的变化，发电机的频率和端电压将发生相应的变化，供电的质量和可靠性较差。现代的同步发电机大都是采用与大电网并联运行的方式供电。,22.1 同步发电机投入电网的条件和方法,1. 投入电网的条件,发电机的相序应与电网的一致； 发电机的频率应与电网的相同； 发电机的激磁电势应与电网电压大小相等、
13、相位相同，即。 上述三个条件中，第一个条件必须严格满足，后两个条件允许稍有出入。,相序：出厂前都已标定； 电势的频率和大小：从公式f=pn/60和E0=4.44fNlkwl0可以看出，分别调节原动机的转速和发电机的励磁电流，激磁电势的相位可调节发电机的瞬时速度来调整。,22.1 同步发电机投入电网的条件和方法,为了将发电机投入并联运行所进行的调节和操作过程，称为整步过程。实用的整步方法有两种，一种叫准确整步法，一种叫自整步法。 准确整步法：将发电机调整到完全符合投入并联的条件，然后投入电网。为了判断是否满足投入并联条件，常常采用同步指示器。最简单的同步指示器由三个同步指示灯组成，它们可以有二种
14、接法，即直接接法和交叉接法。也叫灯光熄灭法和灯光旋转法。 自整步法：先校验发电机的相序，并把发电机拖动到接近于同步转速，然后把发电机直接投入到电网，再立即加励磁，利用定、转子磁场所产生的电磁转矩，将发电机自动牵入同步。,2.投入并联的方法,22.1 同步发电机投入电网的条件和方法,直接接法（灯光熄灭法）,22.1 同步发电机投入电网的条件和方法,交叉接法（灯光旋转法）,准确整步法的优点是投入瞬间电网和发电机没有或很少有冲击，缺点是整步过程比较复杂。,22.1 同步发电机投入电网的条件和方法,优点是：投入迅速，不需要复杂的设备装置；缺点是：投入时电流冲击较大。因此只适用于小型发电机的并网。,自整
15、步法,并网步骤为：首先检查发电机的相序，按照规定的转向把发电机拖动到接近同步转速，将发电机的励磁绕组经过约10倍于励磁绕组电阻阻值的限流电阻Rm接成闭合回路，然后合上并网开关B将发电机投入电网，并立即加上直流励磁，这样定转子磁场间所形成的电磁转矩，可迅速地将发电机自动拉入同步。,22.2 同步发电机的功角特性,1. 同步发电机的功率和转矩,交轴电枢反应愈强，功率角就愈大，同步电机的电磁转矩和电磁功率也愈大，所以交轴电枢反应对产生电磁转矩和进行能量转换具有直接关系。,要进行能量转换，电枢电流中必须有有功分量。对 来说，电枢电流的交轴分量 就是有功分量。正是由于交轴电流分量的存在，使气隙磁场离开主
16、极磁场，与主极磁场不同相，产生电磁转矩，进而实现机电能量转换。,22.2 同步发电机的功角特性,功角特性：常用激磁电势E0、端电压U、以及它们间的夹角 和电机参数来表示电磁功率。当E0和U保持不变时，发电机发出的电磁功率与功率角之间的关系Pe=f() 。,2. 同步发电机的功角特性,22.2 同步发电机的功角特性,隐极机凸极机,22.3 并联运行时同步发电机功率的调节,现代电力系统的容量越来越大，电网的频率和电压基本不受负载变化或其他扰动的影响而保持为常数，对于装有调压调频装置的电网来说更是如此。这种恒频恒压的交流电网，通常称为“无穷大电网”。同步发电机并联到无穷大电网之后，其频率和端电压将受
17、到电网的约束而与电网相一致，这是同步发电机并联运行的特点。,1. 有功功率的调节,22.3 并联运行时同步发电机功率的调节,要增加同步发电机输出的有功功率，必须增加原动机的输出功率，使同步发电机的功率角 增大，从而同步发电机的电磁功率和输出功率相应增加，直到 时，同步发电机的电磁功率达到最大值Pe(max),2. 静态稳定,整步功率系数：,过载能力 ：,22.3 并联运行时同步发电机功率的调节,调节发电机的励磁，即可调节其无功功率。 假定调节发电机的励磁时原动机输入的有功功率保持不变。根据功率平衡关系可知，在调节励磁前后，发电机的电磁功率和输出的有功功率均应近似保持不变。,3. 无功功率的调节
18、和V形曲线,22.3 并联运行时同步发电机功率的调节,在保持电网电压U和同步发电机的电磁功率Pe不变的条件下，把空载和不同负载下的电枢电流和励磁电流的关系画成曲线I = f (If)，其形状象英文字母V，故称为V形曲线。,(1) 电机的电磁功率越大，V形曲线也越高，图中Pe3Pe2Pe10。 (2) 每条V形曲线的最低点，是在一定电磁功率情况下，功率因数等于1的点。此时定子电流最小，随着励磁电流If的增大或减小，电枢,电流都会增大，但是If的增减都是有限制的。 (3) 曲线的左边属欠励磁区，同步发电机输出容性无功功率；右边属于过励磁区，同步发电机输出感性无功功率。 (4) 曲线最左端，为最小励
19、磁电流限制区，超过该限制区，则由于励磁电流过小，运行功率角 ，同步发电机将失去稳定。,第二十三章 同步电动机和同步补偿机,23.1 同步电动机的基本方程和功角特性 23.2 同步电动机的运行特性 23.3 同步电动机的起动 23.4 同步补偿机,本章主要内容：,23.1 同步电动机的基本方程和功角特性,隐极同步电动机,1. 同步电动机的电压方程和相量图,23.1 同步电动机的基本方程和功角特性,凸极同步电动机,23.1 同步电动机的基本方程和功角特性,2. 功角特性和功率平衡关系,采用发电机惯例分析电枢反应的性质时，当电枢电流滞后于激磁电势时，直轴电枢反应为去磁作用；超前时，为增磁作用；若采用
20、电动机惯例，由于电枢电流的正方向已经改变，所以电枢电流滞后于激磁电势时，直轴电枢反应为增磁作用，超前时，为去磁作用。,23.2 同步电动机的运行特性,1. 同步电动机的工作特性,假定电网电压和频率均保持恒定，且同步电动机的励磁电流不变时，同步电动机的电磁转矩、电枢电流、效率、功率因数等与输出功率之间的关系曲线称为同步电动机的工作特性。,23.2 同步电动机的运行特性,2. 同步电动机无功功率的调节和V形曲线,假定电网电压和频率均保持恒定，且同步电动机的励磁电流不变时，同步电动机的电磁转矩、电枢电流、效率、功率因数等与输出功率之间的关系曲线称为同步电动机的工作特性。,23.3 同步电动机的起动,
21、同步电动机仅在同步转速时才能产生恒定的同步电磁转矩。起动时若把定于直接投入电网，转子加上直流励磁，则定子旋转磁场以同步转速旋转，而转子磁场静止不动，定、转子磁场之间有相对运动，作用在转子上的同步电磁转矩正、负交变使同步电动机不能起动。为了利用同步电动机的功率因数可调的优点，必须解决同步电动机的起动问题。,1. 同步电动机的起动方法,辅助电动机起动法 变频起动法 异步起动法,23.3 同步电动机的起动,2. 同步电动机的异步起动过程,T单轴,23.4 同步补偿机,同步补偿机的特点有： 1同步补偿机的额定容量是指它在过励时的视在功率，这时的励磁电流称为额定励磁电流。其容量主要受定、转子绕组温升的限
22、制。而根据实际运行的需要和稳定性，它在欠励运行时的容量只有过励容量的0.50.65倍。 2由于补偿机不带任何机械负载，故其转轴可以细些，对其机械结构要求亦较低，且允许其同步电抗稍大，因而同步补偿机的用铜量较少、造价较低。同步补偿机的转子上装有起动绕组，供异步起动之用。 3为提高材料利用率，大型补偿机常常采用氢冷或双水冷方式进行冷却。,第二十四章 同步发电机的不对称运行,24.1 各相序阻抗和等效电路 24.2 同步发电机的不对称稳定短路 24.3 同步发电机不对称运行的影响,本章主要内容：,24.1 各相序阻抗和等效电路,24.1 各相序阻抗和等效电路,本章主要内容：,24.2 同步发电机的不对称稳定短路,24.2 同步发电机的不对称稳定短路,本章主要内容：,
