第六章.ppt
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1、第六章 同步电机的稳态分析,主要内容:同步电机运行的基本方程式,运行特性。并联运行以及同步 电动机和同步补偿机及同步发电机的不对称运行。,发电机:将机械能变为电能,是主要用途。 按运行方式分 电动机:将电能变为机械能。用于不需调速的大功率机械。 补偿机:用来调节电网无功功率改善功率因数。,汽轮发电机:高速同步发电机,隐极式。 ( 火电) 按原动机类别分 水轮发电机:低速同步发电机,凸极式。(水电) 柴油(汽油)发电机:低速同步发电机,凸极式。(机车、 船舶,油田),旋转电枢式:用于小容量电机。 按结构方式分 旋转磁极式:用于大容量电机,电刷和集电环负荷大 为减轻,广泛采用。,同步电机也视为双边
2、激磁的电机。定子边用交流励磁,产生旋转磁场; 转子用直流励磁,产生恒定磁场。定,转子磁场以磁拉力同步旋转。,6.1 同步电机的基本结构和运行状态,一、基本结构,同步电机分为,旋转电枢式:磁极装在定子上,用于小容量同步电机中。,旋转电枢式,旋转磁极式,旋转磁极式:磁极装在转子上,为大中型同步电机的基本形式。,旋转磁极式同步电机的结构,转子,定子,电刷和集电环,同步电机又分为隐极式和凸极式两种。,有明显的凸出的磁极,气隙不均匀,制作简单。,适合于高速发电机,适合于低速发电机,转子圆柱形,气隙均匀,转子机械强度高,励磁绕组固定容易。,汽轮发电机 由汽轮机驱动的同步发电机,p = 1 n = 3000
3、r/min (50Hz) n = 3600r/min (60Hz),采用隐极结构,转子细而长,转子高速旋转,对铁心的强度要求很高,就目前材料,转子直径不能超过1.1m。,基本采用卧式结构,水轮发电机 由水轮机驱动的同步发电机 n = 几十 几百r/min 极对数多 采用凸极结构 转子粗而短,励磁绕组为集中绕组,立式结构,阻尼绕组,阻尼绕组的结构与笼型感应电机的转子的笼型绕组相似。,阻尼绕组的作用,同步发电机中:抑制转子机械振荡,同步电动机和同步补偿机中:起动绕组,与感应电机一样同步电机定转子极数应相同。,二、同步电机的运行状态,转子磁场 转子通入直流励磁电流产生,与转子同步旋转。,定子磁场 定
4、子三相对称绕组流过三相对称电流产生,以同步速旋转(等于转子转速)。,同步电机有发电机、电动机、补偿机三种运行状态。,运行状态取决于磁场的相对位置,合成磁场 定子磁场和转子磁场的合成,以同步速旋转。,功率角 转子磁场轴线领先合成磁场轴线的夹角。, 0时,Te为制动转矩,原动机的驱动转矩与电磁转矩Te 平衡 。转子吸收机械功率,定子发出电功率。,发电机运行状态, 0 时,Te为驱动转矩,带动负载运行。转子输出机械功率,定子吸收电功率。,电动机运行状态, = 0 时,不进行能量转换,仅发出或吸收无功功率,补偿机。,补偿机运行状态,三、同步电机的励磁方式,1.电励磁,(1)直流励磁机励磁,并励直流发电
5、机(与同步电机同轴),直流电机存在电刷和换向器,可靠性差,受换向限制,容量受限。,并励 + 他励直流发电机励磁,与并励直流发电机励磁相比,可提高励磁系统的反应速度,并使励磁机在较低的电压下也能稳定运行。,(2) 静止整流器励磁,他励式,优点:运行、维护方便,没有直流励磁机,使励磁容量得以提高,因而在大 容量汽轮发电机中得到了广泛的应用。,自励式,主发电机发出的功率经静止整流器整流为直流,然后通过电刷和滑环通入到主发电机的励磁绕组中。,系统的特点是系统简单,便于维护,电压稳定性好,动态性能好,目前在同步发电机中已经采用。,缺点:存在电刷滑环的滑动接触(薄弱环节)。,(3)旋转整流器励磁,副励磁机
6、 主励磁机 主发电机 无刷,适合大容量发电机。 (转极式) (转枢式) (转极式),优点:取消了电刷和集电环,运行比较可靠,尤其适合于要求防爆、防燃的特殊场合。 缺点:发电机励磁回路的灭磁时间常数较大,不利于迅速消除主发电机的内部故障。,无刷励磁多用于大、中容量的汽轮发电机、补偿机以及在特殊环境下的同步发电机。,目前我国新装发电机容量一般为 30万kW 、60万kW、90万kW等。多采用整流器励磁系统。,单机容量越大, 电机效率越高。,2.永磁励磁,永磁励磁采用永磁材料建立同步电机的磁场。,优点:转子上无励磁绕组和励磁电流,取消了电刷和滑环,结构简单,运行可靠,效率高,维护工作量小;转子上永磁
7、材料的形状和尺寸可以灵活多样,尤其适合于低速和高速电机。,目前永磁励磁在小型和微型同步电机中获得了广泛应用。,永磁励磁的缺点是其磁场不能根据电机的运行状态进行方便和有效的调节,磁体容易退磁。,四、额定值,额定电压UN 单位为kV,额定电流IN 单位为A, kA,额定功率因数,额定频率 f N 单位为Hz,额定转速n N 单位为r/min,额定温升N,额定励磁电流和电压 IfN 、UfN,额定容量 SN 或额定功率PN 单位为 kW, kVA,同步发电机是指额定运行时输出的电功率;同步电动机是指额定运行时轴上输出的机械功率;补偿机是指额定运行时输出的无功功率。,注:,他励式由交流主励磁机,交流副
8、励磁机,硅整流装置和电压调整器组成。 主励磁机是一台与同步发电机同轴连接的三相同步发电机(频率通常为100赫兹)。主励磁机交流输出经整流后,由集电环装置接到主发电机励磁绕组,以供给直流励磁。主励磁机的励磁电流由交流副励磁机提供。 交流副励磁机是一台与主发电机同轴连接的中频(一般为400赫)三相同步发电机。副励磁机的励磁可采用永磁式,也可采用励磁式。 自动电压调整器是由电压互感器和电流互感器分别测得电压和电流的变化,(即根据主发电机端电压的偏差)通过自动电压调整器进行比较后,对交流主励磁机的励磁电流进行调节,从而实现对主发电机励磁的自动调节。,由于这种励磁系统没有直流励磁机,不存在换向火花问题。
9、因此运行维护方便,技术性能好,使励磁容量得以提高,用于大容量汽轮发电机。,自励式无旋转励磁机,当空载时,同步发电机的励磁由输出的交流电压经半控整流后供给。 负载后励磁除由半控桥提供外,还由可控整流装置供给,它可实现对发电机随负载而变化得电压进行自动调整。 另外自动电压调整器与他励式作用相同。 该系统便于维护应用在中小型同步发电机中,自励式静止整流器励磁系统,(2)自励式,3、旋转整流器励磁,副励磁机 主励磁机 主发电机 无刷,适合大容量发电机。 (旋转磁极式)(旋转电枢式)(旋转磁极式),静止的交流整流励磁系统,虽然去掉了直流励磁机的换向器,解决了换向 火花问题,但还存在集电 环和电刷,实践表
10、明,当励磁电流超过2000A的时候, 可引起集电环的严重过热。为了解决这个问题,研制出一种取消集电环的旋 转整流器励磁系统。,因交流主励磁机的电枢、硅整流装置、主发电机的励磁绕组均装在同一旋转体上。所以无需集电环和电刷装置。所以这种系统称为无刷励磁系统或无触点励磁系统。,交流主励磁机的励磁,由同轴的交流副励磁机经静止的晶闸管整流后供给。 电压调整器的作用同上。,旋转整流励磁系统,四、额定值,额定电压 UN 单位为KV,额定电流 IN 单位为A, KA,额定功率因数,额定频率 f N 单位为Hz,额定转速 n N单位为r/min,额定温升 N,额定励磁电流和电压 IfN 、UfN,额定容量,注:
11、,6.2 空载和负载时同步发电机的磁场,一、空载运行,将发电机用原动机拖动,使转子达到同步速ns=60f/P ,励磁绕组通入直流励磁电流,电枢绕组开路时的情况,,n s , I f , I = 0 , 称为空载运行,Ff :主极磁势(励磁磁势) E0:激磁电动势,定子以ns的速度切割0 而感应出频率为f的一组对称三相电势。,本节主要研究空载和负载时发电机的磁场及电枢反应,同步电机的空载磁路(2p=4),空载特性,n s = c E0 = f (I f),Ff If E0 0 电机的磁化曲线 0 = f (F f),同步电机的空载特性及气隙线,改变If,即可得到不同的0 以及E0,E0=f(If
12、),即为空载特性曲线,即电机的磁化曲线 。,空载特性曲线反应了电机的磁路特性, 在负载时已知总磁势,由该曲线求取 气隙磁场在电枢绕组中感应的电势。,空载时,同步发电机的气隙中只有一个同步旋转的主磁场Ff(0),负载后,电枢绕组中有对称三相电流,产生旋转磁场称为电枢磁场Fa。因此负载后同步电机气隙同时存在两个磁势。若仅考虑基波,则这两个磁势以相同的转速相同的转向旋转。,二、对称负载运行,接三相对称负载,三、电枢反应,电枢基波磁动势对气隙基波磁场的影响称为电枢反应反应,电枢反应的性质(增磁、去磁或交磁)取决于 两个磁势Ff 和Fa 在空间的相对位置,电枢反应的结果: 1、使气隙磁场产生畸变。 2、
13、去磁或增磁作用。,由于E0滞后0 (即Ff)900。而I与Fa相位相同。 所以研究Ff 和Fa 的相对位置,可归纳为研究I与E0 的相位差 称为内功率因数角,电枢反应的性质取 决于 。即负载的性质。,超前0时的时-空统矢量图,1. o = 00 时 (电枢电流I 与激磁电动势E0同相 ),下面根据不同的 角,分几种情况分析电枢反应的性质。,A相电势最大 A相电流最大 三相旋转磁势的幅值在A相绕组轴线上,空间矢量图,时间相量图,时空矢量图,忽略铁耗时,,三相旋转转磁势的幅值总是与电流为最大值的一相绕组轴线重合 以A相绕组轴线和电枢磁势轴线重合为基准,空间矢量在气隙中按正弦分布,可用一空间相量表示
14、,位置与波形的振幅重合,超前0时的时-空统矢量图,图6-14-c) 时-空统一矢量图,图6-14 d) 气隙合成磁场 与主磁场的相对位置,时间量的参考轴与空间相量图中A相绕组轴线重合,交轴磁动势所产生的电枢反应为交轴电枢反应 由于出现交轴电枢反应,使气隙合成磁场B与主磁场B0之间形成一定的空间相差角,从而产生一定的电磁转矩。对于同步发电机, =0 时,Bo 超前B 角,主极上受到一制动性质的电磁转矩,所以交轴电枢磁动势与电磁转矩的产生及能量转换直接相关,以后将证明同步电机的电磁转矩与sin成正比.,0,2. o =900 时,o=900,产生直轴电枢反应,使气隙磁场减弱,去磁。,o= -900
15、 产生直轴电枢反应助磁,使气隙磁场增强,助磁。,只有直轴电枢反应时,气隙磁场的空间相位不变,转子不受转 矩的作用。,0,3. 0o900时,滞后于0时的空间矢量图,滞后时0的时-空统矢量图,超前0时的时-空统矢量图,结论:(对于同步发电机) 若I滞后Eo,则直轴电枢反应是去磁的。 若I超前Eo,则直轴电枢反应是增磁的。,电机单机运行时 直轴电枢反应将直接影响端电压的大小 并网运行时 直轴电枢反应影响电机输出的无功功率。 (若转子直流励磁不足,为维持气隙磁场为一定值,则同步 电机将向电网输出一超前于Eo的交流容性电流,使直轴 电枢反应为增磁,以补偿转子直流励磁的不足。 反之,若转子直流励磁过大,
16、则同步机将向电网输出一定 的感性电流,直轴电枢反应为去磁。 ),直轴电枢反应对同步电机的运行性能影响很大,负载时隐极同步发电机内的磁场分布图,6.3 隐极同步发电机电压方程、相量图、等效电路,一、磁路不饱和时,线性系统,可使用迭加原理进行分析,转子,定子,本节研究隐极同步发电机电压平衡方程式,相量图和等效电路。(分不饱和及饱和两种情况来分析),1、发电机电压方程式,同步发电机负载运行时的电磁过程如下:,E0:激磁电势 Ea:电枢反应电势 E:合成电势,不计饱和时,同步电抗表征对称稳态运行时电枢反应和电枢漏磁 两个效应的一个综合参数,不计饱和时,Xs为一常数。,2、相量图,相量图如图所示。,已知
17、 、 、COS 及电机参数,画相量图。步骤如下:,隐极同步发电机的相量图,Ra,jX,j Xa, o,a, o,90,a,E0、Ea、E对应 0、a、, 且滞后对应的磁通90,不计饱和时,将励磁磁通与电枢反应磁通叠加(矢量相加),即可得负载时气隙中的基波磁通,直轴电枢反应为去磁, Ra,j Xs, o,o,隐极同步发电机的相量图,3、等效电路,等效电路如图所示。其中:,4、同步电抗,a) 反映了a和的作用,b) 磁路不饱和时为常数,c),二、考虑磁路饱和时,E = f (If)就是电机的空载特性,1、电压方程和磁势方程式,非线性,迭加原理不适用。 首先求出作用在主磁路上的合成磁势F,然后利用电
18、机的磁化曲线(空载特性曲线)求 出 及相应的E,2、电压相量图和磁势矢量图,Ra,jX ,F,Ff,kaFa,考虑磁饱和时隐极同步发电机 磁动势的矢量图和电动势的相量图,3、电枢磁势换算系数是k a,对于汽轮发电机,ka = 0.93 1.03,主要取决于大齿的宽度。,由合成磁动 势F确定气隙电动势E,*考虑饱和特性的另一方法是根据运行点的饱和程度,找出相应的xs(饱和)即把空载特性在工作点线性化。,6.4 凸极同步发电机的基本电磁关系,特点:气隙不均匀,Fa 产生的 a不但与 Fa 有关,还与 位置角有关,解决的办法: 采用双反应理论进行分析。,一. 双反应理论,本节讨论凸极同步发电机的电压
19、方程、相量图和等效电路。,由于凸极电机极靴部分气隙小,两极之间部分气隙大,所以电枢 圆周上的磁导各不相同。的变化与主极轴线对称,并以1800 电角度为一周期。因此 可用仅含偶次谐波的余弦级数表示,单位面积的气隙磁导,同样大小的电枢磁势作用在直轴和交轴上时, 所产生的磁场将有明显差别,当正弦分布的电枢磁势 作用于直轴上时,,当电枢磁势作用于交轴上时,,电枢磁动势分成直轴和交轴磁动势,以上分析可见 Bad1较Baq1大的多,在一般情况下,电枢磁势即不在直轴也不在交轴,而是作用在空间任意位置时,应先将电枢磁势分解为直轴和交轴两个分量,再用直轴磁导和交轴磁导分别考虑直轴和交轴电枢磁势所产生的电枢反应。
20、最后再把他们叠加起来,这种考虑直、交轴气隙磁阻不同,把电枢反应分为直轴和交轴电枢反应的处理方法称为双反应理论。,直轴和交轴电枢反应,电枢磁势换算系数,直轴电枢磁动势Fad换算到励磁磁动势时应乘以直轴换算系数Kad, 交轴电枢磁动势Faq应乘以交轴换算系数Kaq,即:产生同样大小的基波气隙磁场时,1安匝的直轴(交轴)电枢磁动势所等效的主极磁动势,不计饱和时,可利用双反应理论和叠加原理,即主极磁场,直轴电枢反应磁场和交轴电枢反应磁场各自在定子绕组中感应电势,这些电势的总和为一相绕组的合成电动势(即气隙电动势),已知 、 、COS及电机参数,先假定0,画相量图。步骤如下:,凸极同步发电机的相量图,o
21、,d,o,q,Ra,j qXq,j d Xd,o,实际电机中U、I、cos已知(若Ra,、Xd,、Xq已知)可计算出0,Ra,jXq,Q,o,q,d,jd(Xd-Xq),o,o 角的确定,磁路饱和,也可取 x d (饱和值)来考虑。,Xad(饱和)=Xad(未饱和)/Ks Xd(饱和)=Xad(饱和)+X,Xq是未饱和值,为一常数。,考虑饱和影响时,仅直轴磁路受饱和影响,而交轴磁路认为不饱和(因气隙较大),所以对应饱和磁路,可应用双反应理论分别求出直轴和交轴上的合成磁势。再用磁化曲线来计及直轴磁路饱和的影响。另一种考虑饱和效应的方法是,采用适当的饱和参数来计算饱和的影响。,三、直轴和交轴同步电
22、抗,x d = x ad+X (kw1N1)2 d d = ad +,x q = x aq+ X (kw1N1)2 q q = aq +,x d xq,直轴电枢磁导,交轴电枢磁导,隐极同步电机 x d = x q = x s,求: E0*,(1) E0* = U*cos,+Id *xd* = 1cos19.44+0.83211.0 = 1.775,解:,(3),(4),6.5 同步发电机的功率方程和转矩方程,一、功率方程,机械能,损耗,ns ,I f B0 pFe 铁心损耗 (转子铁心中磁场恒定无铁耗),电能,同步发电机是将轴上输入的机械功率,通过电磁感应作用转换成输出电功率,m:定子相数。
23、U、I:定子每相电压和电流,二. 转矩方程,P1(p +pFe) = Pe T1T0 = Te,三. 电磁功率及能量转换,Pe = P2+Pcua = m U I cos +mI2Ra = mI (U cos +I Ra) = m I E cos = m I EQ cos0 = m EQ Iq,隐极同步发电机中 ,EQ = E0,Iq 为电枢电流的有功分量,Iq 决定了(功率角)的大小。,前已分析,当负载后,出现电枢反应,交轴电枢反应产生气隙磁场与主极磁场之间的相角差,从而产生电磁转矩。 在发电机中,主极磁场超前于气隙合成磁场。在旋转过程中原动机的驱动转矩克服制动的电磁转矩,并通过电枢绕组内产
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