第四篇同步电机.pps
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1、第四篇 同步电机,第12章 同步电机的基本工作原理和主要结构 第13章 同步发电机的运行原理 第14章 同步发电机的并联运行 第15章 三相同步电动机 第16章 同步发电机的不对称运行和突然短路,下一页,退 出,第12章 同步电机的基本工作原理 和主要结构,12.1 同步电机的基本工作原理 12.2 同步电机的主要结构 12.3 同步电机的额定值,返 回,退 出,第12章 同步电机的基本工作原理和主要 结构,12.1 同步电机的基本工作原理 如图12-1,同步电机的定子装有三相对称绕组。旋转的部分称为转子,转子绕组通直流电。转子旋转时,定子导体交替地为N极和S极磁场所切割,因此每根导体中的感应
2、电势方向是交变的。(动画1) 磁通首先切割A相导体,当转子转过120 及240 后,磁通再依次切割B相导体和C相导体。三相电势为大小相等,相位互差120 的对称电动势。,下一页,返 回,退 出,300MW水氢冷发电机结构,12.2 同步电机的主要结构 同步电机也是由定子及转子两大部分所组成.,12.2.1 定子 同步电机的定子有时也称为电枢,由定子铁芯、电枢三相绕组、机座和端盖等部件所组成。 同步电机的定子铁芯是由硅钢片冲制后叠装而成。 当大型同步电机冲片外圆的直径大于1m时,由于材料标准尺寸的限制,必须做成扇形冲片(图12-2 )。,上一页,下一页,退 出,返 回,12.2.2 转子 同步电
3、机的转子有两种结构型式,即凸极式和隐极式。,图12-3 同步电机的转子结构,上一页,下一页,返 回,退 出,转子的磁极铁芯是由普通的薄钢片冲制成。 磁极铁芯上放置集中的励磁绕组。整个磁极利用T形尾部固定在磁轭上。 磁极的表面常装设类似笼型感应电机转子上的短路绕组,在发电机中称为阻尼绕组,在电动机中称为起动绕组。,上一页,下一页,退 出,返 回,图12-4磁极冲片 图12-5 凸极同步电机磁极装配 1阻尼绕祖;2磁极铁心; 3励磁绕组;4磁轭; 5磁极T形尾固定部分。,上一页,下一页,退 出,返 回,凸极结构转子的优点是制造方便,缺点是机械强度较差,因此多用在离心力较小,转速较低的中小型电机中或
4、用在水轮发电机中。隐极转子的优点是机械强度好,但是制造工艺较复杂,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。,上一页,退 出,下一页,返 回,图12-6 同步电机转子上 图12-7 空心导线 的阻尼绕阻 1导线绝缘; 2铜线; 3空心,上一页,下一页,退 出,返 回,汽轮发电机和水轮发电机在结构上有较大的差别,下面再分别介绍。,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?,(2)定子绕组,2、水轮发电机结构,(1)立式水轮发电机,(2)卧式水轮发电机,上一页,下一页,返 回,(3)灯泡贯流式水轮发电机,上一页,下一页,返 回,
5、(4)转子结构,10000kw水轮机转子,上一页,下一页,返 回,12.2.3 冷却问题简述:,在大型汽轮发电机中,为了提高其冷却效率,往往用氢气冷却,因氢气的比重比空气小,在旋转时产风的摩擦损耗减小;同时氢气的导热率比空气大,散热也良好。氢气与空气混合后,有爆炸危险,必须有一套控制设备来保证外界空气不会渗入到电机内部。 在更大容量的发电机中,可以采用导线内部直接冷却。例如采用空心导体,冷却介质直接在导体中流通把热量带走。所采用的冷却介质一般有氢气及水等。,上一页,下一页,返 回,12.3 同步电机的额定值:,1)额定电压 :正常运行时,按照制造厂的规定,定子三相绕组上的线电压。电压的单位用V
6、或kV表示。 2)额定电流 :在正常运行时,按制造厂的规定,流过定子绕组的线电流。电流的单位用A表示。,退 出,上一页,下一页,3)额定功率 :在正常运行时,电机的输出功率。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。 额定功率与额定电压、额定电流之间的关系: 发电机 电动机 额定功率的单位为kW。,退 出,上一页,下一页,4)相数m:一般m=3。 5)额定频率 :我国额定工业频率规定50Hz. 6)额定转速: 额定转速即为电机的同步速,在一定极数及频率时,它的转速是定值,退 出,上一页,第13章 同步发电机的运行原理,13.1 电枢反应 13.2 同步电抗概念 13.3 隐极同
7、步发电机的负载运行 13.4 凸极同步发电机的负载运行 13.5 同步发电机的运行特性 13.6 同步发电机的外特性和电压调整率,返 回,退 出,第13章 同步发电机的运行原理,13.1 电枢反应: 负载以后,除转子磁势外,定子三相电流也产生电枢磁势。电枢磁势的存在,将使气隙中磁场的大小及位置发生变化。电枢磁动势对励磁磁动势的影响称之为电枢反应。电枢反应的性质主要决定于空载电势和负载电流之间的夹角,即决定于负载的性质。,下一页,返 回,退 出,下面从三种极限情况出发进行研究,即 (1) 和 同相位,即=0; (2) 滞后 90电角度,即 =90; (3) 超前 90电角度, 即=-90。,退
8、出,下一页,13.1.1 和 同相位(=0)时的电枢反应,上一页,下一页,返 回,退 出,=0 时的电枢反应,当转子转到图所示位置时,感应电势最大。 =0时的情况,电流也在此瞬间到达最大值。 电枢磁势就与A相绕组中心线相重合。 电枢磁势滞后于转子磁势900。从图可以看出,由于交轴电枢磁势的存在,将使合成磁势的轴线位置产生一定的位移,幅值发生一定的变化,称为交轴电枢反应。,退 出,上一页,下一页,13.1.2 滞后 90电角度(=90 )时的电枢反应 =90 时的电枢反应,退 出,上一页,下一页,此时的电枢磁势产生去磁作用,称为直轴去磁 电枢磁势。 13.1.3 超前 90电角度(=-90 )时
9、的电枢反应: 当=90 时,电枢磁势也与主磁极轴线相重合.此时的电枢磁势产生增磁作用,称为直轴增磁电枢磁势。如下图所示。,退 出,上一页,下一页,=-90 时的电枢反应,退 出,上一页,下一页,13.1.4 一般情况下(=任意角度时)的电枢反应 滞后时的情况,即900。 将 分解成两个分量,即与 同相分量 ;滞后于 900分量 。 产生直轴电枢磁势,对主磁极起去磁作用, 起交磁作用。,退 出,上一页,下一页,返 回,也可以理解为电枢磁势按角分解成作用在直轴磁路的磁势及作用在交轴磁路的磁势。,退 出,上一页,下一页,图13-4 图13-5 时的相量图 时的相量图,退 出,上一页,下一页,同理可以
10、分析当电流超前于电动势的情况(即0-90): 由上图可以看出:此时直轴分量电流产生的直轴磁势对主极磁势起增磁作用。交轴分量电流产生的交轴磁势对主极磁势起交磁作用。,退 出,上一页,下一页,13.2 同步电抗概念:,13.2.1 隐极同步电机: 同步发电机在空载时,转子励磁后,在气隙中 仅存在磁极磁通 ,并在定子绕组中感应空载电 势 。 当接上负载以后,三相电枢电流产生旋转磁势 及磁通 。 这一磁场以同步速切割定子绕组,在其中感应 出电势 , 被称为电枢反应电势。,退 出,上一页,下一页,返 回,由于电枢反应电势正比于电枢反应磁通, 在不考虑饱和时,电枢反应磁通又正比于电枢 反应磁势及电流。因此
11、,电枢反应电势和电枢 电流之间成正比关系。 由于电势滞后于磁通90电角度,亦即滞后 于电流90电角度,所以电势就可以写成电抗压 降的形式: 称为电枢反应电抗。,退 出,上一页,下一页,电枢电流除产生电枢反应磁通 外,还 在定子槽的周围、绕组端部等处产生漏磁 通 ,在电枢绕组中产生感应电势 ,并且和 或 成正比。,退 出,上一页,下一页,隐 极 发 电 机 的 电 磁 过 程,三相电所产生的定子绕组总磁通为( + ),两者在电枢绕组中所产生的全部电势为: 称为隐极同步电机的同步电抗。,退 出,上一页,下一页,同步电机在正常状态下工作,磁路略呈 饱和。磁路的饱和程度越高,它的磁阻便越 大,所对应的
12、电抗便越小。故 或 的大小是随着磁路饱和程度的改变而改变 的。,退 出,上一页,下一页,13.2.2 凸极同步电机: 凸极电机中,直轴及交轴上气隙是不相等的。同样大小电枢磁势作用在直轴磁路上和作用在交轴磁路上,所产生电枢反应磁通的大小并不一样,如图13-7 。 随着着负载性质的不同,电枢磁势作用在不同的位置,对应着不同的磁阻而不同的磁阻将对应着不同的电抗。如果也采用上面分析隐极电机的方法,所得到的同步电抗将是一个变数,这将给研究计算工作带来困难。,退 出,上一页,下一页,将 分解成 及 两个分量来分别研究。 直轴电枢磁势 固定地作用在直轴磁 路上,对应于一个恒定不变的磁阻,产生磁 通 。 交轴
13、电枢磁势 固定地作用在交轴 磁路,也对应于一个恒定不变的磁阻,产生 磁通 。,退 出,上一页,下一页,磁通 与 分别切割定子组而在其 中感应出电势 及 。 由于交轴及直轴的磁阻都恒定不变,所以 正比于 正比于 正比于 ; 正比于 正比于 正比于 。 因此,.,.,.,.,退 出,上一页,下一页,直轴、交轴电枢反应电抗各和定子漏抗相 加,便可以得到直轴同步电抗 和交轴同步 抗 。 在直轴磁路上,由于气隙小,磁阻小,所 以较大。在交轴磁路上,由于气隙很大,磁阻 大,所以 较小。,退 出,上一页,下一页,凸 极 发 电 机 的 电 磁 过 程,上一页,下一页,返 回,13.3 隐极同步发电机的负载运
14、行:,13.3.1 负载电流对端电压的影响: 一台同步发电机,保持励磁电流和电机的 转速不变,给发电机带上负载,则发电机的端 电压将随着负载电流的变化而变化。 发电机端电压的变化,不但与负载电流的 大小有关,还与负载电流的性质有关。,退 出,上一页,下一页,返 回,13.3.2 隐极同步发电机的电势方程式 同步发电机在对称负载下运行,气隙中存 在着两种磁势,即定子上的电枢磁势和转子的 磁极磁势。 在不考虑磁路的饱和现象时,应用迭加原 理,认为它们各自独立地产生相应磁通,并在 电枢绕组内产生感应电势。,退 出,上一页,下一页,上一页,下一页,返 回,负载以后,电枢绕组的感应电势计有: (1)由磁
15、极磁通产生的电势; (2)由电枢反应磁通产生的电势; (3)由定子绕组漏磁通产生的电势。 忽略电阻压降,则每相感应电势的总和即为发电机的端电压:,退 出,上一页,下一页,上一页,下一页,返 回,隐极同步发电机的等值电路,上一页,下一页,返 回,忽略电阻压降,电势平衡方程式为: 隐极同步发电机的相量图为:,退 出,上一页,下一页,作图步骤如下:已知发电机的端电压、负载电流和功率因数cos及参数。 1)根据给定的功率因数,作出端电压及电流相量; 2)在电压相量的末端,加上同步电抗压降,它超前于电流90电角度;便得感应电势。 与 的夹角用表示; 与 的夹角用 表示; 与 的夹角用 表示。在 以上三个
16、角度间存在有下列关系:,退 出,上一页,下一页,由相量图可以得到 和 的计算公式,退 出,上一页,下一页,上一页,下一页,返 回,13.4 凸极同步发电机的负载运行,凸极同步发电机在对称负载下运行时,气隙 中也存在着两种旋转磁势,即转子上磁极磁势和 定子上电枢磁势。 分析时将电枢磁势分解成 和 两个分 量,然后和处理隐极电机一样,不计及磁路的饱 和现象,应用迭加原理认为它们各自独立地产生 相应的磁通,并在电枢绕组内产生感应电势。,退 出,上一页,下一页,返 回,负载以后,电枢绕组内的感应电势计有: (1)由主极磁通产生的电势; (2)由电枢反应交轴磁通分量产生的电势; (3)由电枢反应直轴磁通
17、分量产生的电势; (4)由定子绕组漏磁通产生的电势。 忽略电阻压降,则每相感应电势的总和即为 发电机的端电压。可得:,退 出,上一页,下一页,上一页,下一页,返 回,把漏抗压降分解成两个分量 得到:,退 出,上一页,下一页,上一页,下一页,返 回,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。 进行变换:,退 出,上一页,下一页,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,即确定角;,退 出,上一页,下一页,上一页,下一页,返 回,凸极同
18、步发电机的相量图,退 出,上一页,下一页,4)按角将电流分解成 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,退 出,上一页,下一页,上一页,下一页,返 回,13.5同步发电机的运行特性,13.5.1同步发电机的空载特性和短路特性: 1.空载特性 当同步发电机运行于 、 时,即称为空载运行。 空载特性或开路特性就是空载时不同励磁电流和产生空载电势之间的关系,即 曲线。,退 出,上一页,下一页,返 回,因 正比于 ,而励磁电流 又正比于励 磁磁势 ,所以开路特性曲线 与 电机的磁化曲线 在形状上完全相 同,如图13-10所示 。 开路特性主要有两
19、个用处: (1)开路特性可以反映出电机设计是否合理。 额定电压应位于开路特性开始弯曲的部分,例如 A点,才比较经济。,退 出,上一页,下一页,上一页,下一页,返 回,电机产生额定磁通所需的空载 励磁电流与气隙线相应的励磁电流之比 ,称为饱和系数。一般 。 (2)同步电抗是同步电机中一个极为重要的参 数,开路特性配合短路特性可以求出同步 电抗。,上一页,下一页,返 回,2.短路特性 当同步发电机运行于 、电枢三相绕 组持续稳态短路(即U=0)时,称为短路运 行。如改变它的励磁电流 ,三相短路 电流 也随之而改变。短路特性就是研究这 两个量之间的变化关系,即 曲 线,如图13-10所示 。 如果略
20、去电枢电阻,并将 、 代 入电势平衡方程式,可以得到 (13-18),退 出,上一页,下一页,可以画出短路运行时的相量图,如图13- 11所示 。 因为忽略了电阻效应,电枢是纯电感电 路,短路电流滞后于电势90电角度,所以产 生的电枢反应是直轴去磁效应。此时电机内 的磁通很弱,磁路是不饱和的,所以同步电 抗为一个常数。,退 出,上一页,下一页,上一页,下一页,返 回,式(13-18)表示着 正比于 ,而 又正比于 ,所以 正比于 ,因此短路 特性是一条通过原点的直线. 三相短路时,由于 滞后于 90电角 度,即=90,因此在凸极电机中,短路电流 全是直轴分量,而交轴分量为零。所以 (13-19
21、),退 出,上一页,下一页,和隐极电机一样,凸极同步电机在三相短 路时,由于电枢磁势的直轴去磁作用,使电机 中磁通小,磁路也不饱和,所以式(13-19) 中 也是一个常数。 同步发电机在三相稳态短路时,由于短路 电流所产生的电枢磁势对主磁极去磁,减少了 电机中的磁通及感应电势,使短路电流不致过 大,所以稳态的三相短路是没有危险的。,退 出,上一页,下一页,上一页,下一页,返 回,3.由开路及短路特性求取同步电抗 由式(13-18)和式(13-19)得: 注意:开路特性时存在着饱和的问题。而短路 时磁路是不饱和的,所以短路特性总是一根直 线。如图所示,当 很小时,运行于开路 特性不饱和部分(直线
22、部分),那么 与 之比求得的是同步电抗的不饱和值。,退 出,上一页,下一页,上一页,下一页,返 回,求同步电抗的饱和值方法:首先从空载特性上 找到对应于额定电压时的励磁电流值,如图中 的 ,再从短路特性上找到对应于此励磁电 流所产生的短路电流 ,这样饱和同步电抗 的近似值为 根据经验公式,可以得到交轴同步电抗为,退 出,上一页,下一页,上一页,下一页,返 回,同步发电机的短路比是指在空载额定电压下的短路电流与额定电流之比,即 (13-22),上一页,下一页,返 回,kc的大小影响电机的性能和成本。kc小,则Xd大,短路电流小,电机的成本和尺寸降低,但负载运行时电压变化大,过载能力下降。 kc大
23、,则情况相反。一般汽轮发电机取kc=0.4-1.0 水轮发电机取 kc=0.8-1.8 。,上一页,下一页,返 回,13.5.2 同步发电机的零功率因数特性,零功率因数特性是指:在 、 =恒定值(一般取 )、 =0 的条件下,所得到的 特性。 同步电机是在电感负载下运行,而电 机本身的阻抗也是电感性的,电枢反应是 纯粹的直轴去磁效应。,退 出,上一页,下一页,上一页,下一页,返 回,同步发电机在电感负载下运行,磁极磁势补 偿了电枢反应去磁磁势后,剩余部分在电机气隙 内产生磁通。所以励磁电流增加时,磁路能逐渐 饱和,电压上升逐渐缓慢,使曲线弯曲,如图 13-12 所示。 研究零功率因数特性与开路
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