第六章同步电机稳态分析.ppt
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1、第六章 同步电机 Synchronous machines,同步电机的工作原理及结构特点 同步电机的运行原理 同步电机的基本运行特性 同步发电机的并联运行 同步电动机和同步补偿机 同步发电机的不对称运行 同步发电机的突然短路,主要内容,6.1 同步电机的基本结构和运行状态,同步电机结构模型 同步电机工作原理 同步电机运行方式 同步电机结构(主要部件、励磁方式、分类) 同步电机额定值,同步电机,旋转电枢式,旋转磁极式,隐极式 (Non-salient pole),凸极式 ( Salient-pole ),最基本形式,很少使用,一、同步电机的结构模型,N S,定子 (电枢),转子,励磁 绕组,旋转
2、磁极式电机,主磁场,气隙,载流导体: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。,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。 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。 动画,主磁场的建立:转子上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。,二、 同步电机的工作原理,(三相同步发电机为例 ),二极机械旋转磁势,四极机械旋转磁势,励磁机,F0,旋转的 F0 和0,E0,发电机运行,交变感应
3、电势的产生,感应电势有效值,感应电势频率,交变性和对称性,同步转速,E相 = 4.44 f1 kw1 N1,三、 三相同步电机的可逆运行,三相同步电机的工作原理,发电机,电动机,无有功功率转换 发出无功功率,同步补偿机,同步电机运行状态,主要取决于定子合成磁场与转子主磁场之间的夹角,称为功率角,N,No,No,No,N,N,So,So,S,S,S,So,主极,主极,同步电机的三种运行状态,发电机,补偿机,电动机,四、三相同步电机的基本结构,1. 主要部件 (1) 定子(电枢) (2) 转子,由硅钢片叠成。 对称三相绕组。,定子铁心: 定子绕组: 机座和端盖等。,转子铁心: 由整块铸(锻)钢制成
4、。 励磁绕组: 工作时施加直流励磁。 阻尼绕组和转轴等。,阻尼绕组,第9章 同步电动机,按转子结构的不同:隐极式、凸极式。,凸极式,隐极式,优点:机械强度好 缺点:制造工艺较复杂; 应用:因此多用在离心力较大、转速较高的电机中。例如汽轮发电机多采用隐极结构。,优点:制造方便; 缺点:机械强度较差。 应用:在离心力较小、转速较低的中小型电机中或用在水轮发电机中。,励磁机,发电机,水轮机,水轮发电机原理,水轮发电机结构,(2)卧式水轮发电机,(3)转子结构,10000kw水轮机转子,三相同步电机的基本结构,小浪底电站水轮机组安装,三相同步电机的基本结构,三峡电站首台机组安装,三相同步电机的基本结构
5、,水力发电,三相同步电机的基本结构,三相同步电机的基本结构,汽轮发电机原理,汽轮发电机结构 (均为卧式) (1)定子铁心,(2)定子绕组,燃烧室,燃料,锅炉的炉膛,循环水,汽轮机,发电机,3 600 r/min,升压变压器,超热高压蒸汽,电能输出,电能的产生,热电厂 1 煤传送带 2 加煤机 3 粉碎机 4 锅炉 5 煤渣 6 空气预热器 7 静电除尘 8 烟囱 9 汽轮机 10 冷凝器 11变压器 12 冷却塔 13 发电机 14 输电线,励磁方式同步电机获取直流励磁电流的方式 励磁系统供结励磁电流的整个系统,包括装置和线路 励磁机 励磁调节器(手动、自动) 灭磁装置,2. 励磁方式,对励磁
6、系统的要求,正常运行时,供结励磁电流 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 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 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。,对励磁系统的要求,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。 对两台以上并列运行发电机, 能成组调节无功功率,使无功合理分配。 其他:反映迅速,运行可靠,结构简单,损耗小,成本低,体积小等,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,或采用负载电流反馈的复式励磁。 采用他励接法时,励磁机的励磁电流由
7、另一台被称为副励磁机的同轴的直流发电机供给。,交流励磁机静止整流励磁,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。,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)。,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,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。,它励式,交流励磁机旋转整流系统,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。 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
8、励磁系统。 主励磁机是旋转电枢式三相同步发电机,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。,三相同步电机,三相同步电机的基本结构,三相同步电机,三相同步电机的基本结构,同步发电机,三相同步电机的基本结构,小型同步电机,三相同步电机的基本结构,五、三相同步电机的额定值,(1) 额定电压 UN :额定运行时定子侧线电压的额定值。 (2) 额定电流 IN :额定运行时定子侧线电流的额定值。 (3) 额定功率 PN :在正常运行时,电机
9、的输出功率。 对于发电机是指输出的电功率; 对于电动机是指输出的机械功率。,三相同步电机的基本结构,五、三相同步电机的额定值,额定功率与额定电压、额定电流之间的关系: 发电机 电动机 额定容量:,(4) 额定转速 nN :额定运行时的转速。 (5) 额定频率 fN : 50Hz。,6.2 空载和负载时同步发电机的磁场,一、同步电机的空载运行,空载磁势 空载电势 时空矢量,1、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行,励磁绕组通过适当的励磁电流,电枢绕组不带任何负载的运行情况。 空载运行是同步发电机最简单的运行方式,其气隙磁场由转子磁势单独建立,分析较为简单。 图6-11表示一
10、台四极电机空载时的磁通示意图。,同步电机的空载磁路,1.1 隐极同步电机的空载磁势,励磁绕组(分布绕组)埋于转子槽内,沿转子圆周气隙近似均匀。 励磁磁势在空间的分布为一个阶梯形,受齿槽的影响,气隙磁密呈现出波动变化。 用谐波分析法可求出其基波分量 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,以后仅考虑磁通密度的基波分量,1.2 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
11、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。,凸极同步电机通常选用 极弧系数为0.68-0.72, 气隙比值为1.3-1.8,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。,2 空载电势,三相电势 对称,只有主磁通才在定子绕组中产生感应电势,励磁电势大小取决于?,当空载运行时,励磁电势随励磁电流变化的关系,称为空载特性,其为同步电机的一条基本特性。 如图612所示,空载特性可通过计算或试验得到。 说明电机设计合理性。 空载
12、特性结合短路特性(在 后面介绍)可以求取同步电 机的参数。 发电厂通过测取空载特性 来判断励磁系统的故障。,3 同步电机中的时-空矢量图,空间矢量:,磁势和磁通密度(随时间变化),绕组的感应电势、电压和电流,匝链的磁通,时间相量:,分析:,空间矢量:,磁势和磁通密度(随时间变化),绕组的感应电势、电压和电流,匝链的磁通,时间相量:,励磁磁势的基波Ff1和由它产生的气隙磁密波Bf1为空间 分布波,两者同相位,其正波幅处于转子直轴正方向,且与转子一起以同步速旋转;,磁密波Bf1与定子任一相交链的磁通量0是时 间变量,由 感应产生的该相电势用 表示, 当定子各相的时间参考轴都取在各自的相绕组 轴线时
13、, 与 重合。,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(相轴)重合,二、对称负载时的电枢反应,负载后磁势分析(电枢反应) 概念:内功率因数角 不同情况电枢反应分析,1、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Ff随轴同转的转子磁势 (称为机械旋转磁势) ,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的交流电流 ,将形成一个以同步速度旋转的旋转磁势电枢磁势Fa电枢旋转磁势 (称为电气旋转磁势)。 两个旋转磁势的转速均为同步转速,且转向一致,二者在空间处于相对静
14、止状态,矢量合成为一个合成磁势 。 气隙磁场 由合成磁势 在电机的气隙中建立起来的磁场。,负载后同步电机的磁场建立,负载后,电枢磁动势的基波对励磁磁动势的影响称之为电枢反应,思考:反映电枢反应有关系的量有哪些?,反映电枢反应有关系的量,主磁路的饱和程度,转子的结构形式,励磁磁动势和电枢磁动势之间的相位关系,假设:磁路不饱和 隐极式转子,电枢磁势基波与励磁磁势均为同步转速,同转向,在空间相对静止,电枢反应性质,取决于励磁磁动势和电枢磁动势在空间的相对位置,即决定于电枢电流和励磁电动势之间的相位角,即取决于负载的性质。,(助磁、去磁、交磁):,内功率因数角0,注意:时间相量Ia与空间矢量Fa 电枢
15、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,与 同相时(内功率因数角等于0),a) 定子绕组电动势、电流和磁动势的空间矢量图,2、不同情况电枢反应分析,与 同相时,b) 时间矢量图,与 同相时,c) 时-空统一矢量图,与 同相时,d)气隙合成磁场与主磁场的相对位置,交轴电枢反应: 使气隙合成磁动势的轴线从主磁极轴逆向后移一个电角度,从而产生一定的电磁转矩; 合成磁场的幅值较转子励磁磁场有所增加(增磁),与 不同相时,a) 滞后于 时的空间矢量图,与 不同相时,b) 滞后 时的时-空统一矢量图,与 不
16、同相时,c) 超前 时得时-空统一矢量图,返回,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),电枢反应总结,交轴的电枢反应使转子产生电磁转矩,实现能量转换; 直轴电枢反应对气隙磁场起助磁或去磁的作用,不产生转矩; 电枢磁动势和励磁磁动势的夹角(内功率因数角)会随着电机的运行情况改变。电枢反应的性质也随负载的变化而变化。,同步发电机负载运行时物理量的关系:,一、不考虑磁饱和时,6.3 隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路,不计磁路饱和,磁路线性, 把主极磁势和电枢磁势的作用分别考虑,再利用叠加原理,采用发电机惯例,以输出 电流作为电枢电流
17、的正方 向时规定的参考正方向, 电枢绕组一相的电动势平 衡方程: 漏抗电动势写成漏抗压降 形式:,在时间相位上, 滞后于 以90电角度,若不计定子铁耗, 与 同相位,则 将滞后于 以90电角度于是 亦可写成负电抗压降的形式,即,电枢绕组一相的电动势平衡方程的电压方程为,因为电枢反应电动势Ea正比于电枢反应磁通a不计磁饱和时,a又正比于电枢磁动势Fa和电枢电流I,即,(66),(67),将式(67)代人式(66),可得,Xs称为隐极同步电机的同步电抗,Xs=Xa+X; 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。,隐极同步发电机的等效电路,作相
18、量图时,我们认为发电机的端电压,电枢电流,负 载功率因数角以及同步电抗为已知量,最终可以根据方程式 求得励磁电势。,隐极电机相量图可按以下步骤作出: 在水平方向作出相量 ; 根据 角找出 的方向并作出相量; 在 的尾端,加上相量 ; 作出由 的首端指向 尾端的相量, 该相量便是,隐极同步发电机的相量图,隐极同步发电机的向量(图b ),二、考虑磁饱和时,考虑磁饱和时,由于磁路的非线性,叠加原理不再适用。 先求出作用在主磁路上的合成磁动势F;,因为电枢磁势的波形和励磁磁势波形不太一样,所以要换算. 换算系数Ka:表示1安匝的电枢磁势相当于多少安匝的主极磁势。Ka=0.93-1.03,然后利用电机的
19、磁化曲线 (空载曲线)求出负载时的气隙磁通,最后求出相应的气隙电动势 。,相应的矢量图、相量图和FE间的关系如图617a和617b所示。图6-17a中既有电动势相量,又有磁动势矢量。故称为电动势磁动势图。,或,再从气隙电动势 减去电枢绕组的电阻和漏抗压降, 使得电枢的端电压 ,即,电动势-磁动势图,由合成磁动势F确定气隙电动势E,例题,凸极同步电机的气隙沿圆周不均匀: 极面下的气隙较小,两极之间气隙较大。 气隙磁导=0/ ,直轴磁导比交轴磁 导大,以1800由角度为一个周期。 同样大小的电枢磁动势作用在直轴和交 轴上时,所产生的电枢磁场有明显变化;,一般情况:电枢磁动势在空间的任意位置。 分析
20、方法:把电枢磁势分解成直轴和交轴两个分量; 用对应的直轴磁导和交轴磁导分别算出直轴和交轴电 枢反应;最后把他们的效果叠加起来。,6.4 凸极同步发电机的电压方程和相量图,一、双反应理论,凸极同步电机电枢反磁通及所经磁路及磁导,返回,直轴电枢磁导,交轴电枢磁导,双反应理论: 对于在空间任意的电枢磁动势Fa,将其分解成直轴和交轴两个分量Fad和Faq,用对应的直轴磁导和交轴磁导分别算出直轴和交轴电枢反应;最后把它们的效果叠加起来。,不考虑磁饱和时同步发电机负载运行时物理量的关系:,二、凸极同步发电机的电压方程和相量图,定子,凸极机的电压方程,按规定的参考正方向,电压方程为:,直轴电枢反应电抗,交轴
21、电枢反应电抗,直轴同步电抗,交轴同步电抗,凸极同步发电机的向量图,画出凸极同步发电机的相量图: 首先必须知道及两个电流分量,也就是 要知道 与 之间的夹角0。 进行变换:,引入虚拟电动势 ,使,依上式作图步骤如下: 1)以电压作参考量,在水平方向作出相量 ; 2)当已知功率因数角 后,画出电流相 量 ; 3)根据上式可知,相量 和 相 加可以确定 的位置,即确定0角;,4)按0角将电流I分解成 及 ; 5)根据上式,在电压相量 上加上 及 ,最后求得 。 由图中,可以求得角及E0的计算式,角的确定,凸极同步发电机的等效电路图,三、直轴和交轴同步电抗的意义,由于电抗与绕组匝数的平方和所经磁路的磁
22、导成正比,所以 如图102所示。对于凸极电机,由于直轴下的气隙较交轴下小, ,所以XadXaq,因此在凸极同步电机中,XdXq。 对于隐极电机,由于气隙是均匀的,故XdXqXs,例题,返回,思考: 判断下列变化对凸极同步发电机的直轴同步电抗有什么影响: (1)电枢绕组匝数增加; (2)磁路饱和度增加; (3)气隙变大; (4)励磁绕组匝数增加。,例题,四、电枢绕组的漏抗,当电枢绕组中通过电流时,电流所产生的大部分磁通经过气隙闭合,这部分磁通称为电枢绕组的主磁通(见图33),主磁通交变在电枢绕组中感应的电势称为电枢反应电势。还有一小部分不经过气隙,只与自己或邻近的导体交链,这部分磁通称为漏磁通,
23、漏磁通交变在电枢绕组中感应的电势称为漏电势。漏电势与电枢电流的比值称为漏抗。漏抗与那些因素有关? 漏磁通主要分为槽漏磁通和端部漏磁通。 漏磁通的影响:趋肤效应;附加铜耗和附加铁耗;电压降低。,6.5 同步发电机的功率方程和转矩方程,一、功率方程和电磁功率 功率方程 若转子励磁损耗由另外的直流电源供给,则发电机轴上输入的机械功率Pl扣除机械损耗 和定子铁耗 后,余下的功率将通过旋转磁场和电磁感应的作用,转换成定子的电功率,所以转换功率就是电磁功率Pe,即 (6-14),再从电磁功率Pe中减去电枢铜耗 可得电枢端点输出的电功率P2;即 (6-15),P2、Pe等物理量的表达式。 机械损耗和铁耗可以
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