第5章同步电机.ppt
,*5.8 同步发电机的三相突然短路,5.7 三相同步电动机与同步补偿机,5.5 三相同步发电机的的运行特性,5.4 三相同步发电机的功率和转矩,5.3 三相同步发电机的稳态分析,5.2 三相同步电机的工作原理,5.1 同步电机的基本结构和额定值,第 5 章 同步电机,第 5 章 同步电机,5.6 同步发电机与电网的并联运行,5.1 三相同步电机的基本结构,电机与拖动,U1,V2,V1,W1,W2,U2,1.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,转子铁心励磁绕组阻尼绕组和转轴等,由整块铸（锻）钢制成。工作时施加直流励磁。,阻尼绕组,电机与拖动,2.励磁方式,(1)直流励磁机励磁 励磁绕组由小型直流发电机供电。(2)静止整流器励磁 交流励磁机整流直流电,(3)旋转整流器励磁 交流励磁机整流直流电励磁绕组。,电机与拖动,(1)按能量转换的方式不同：同步发动机、同步电动机。(2)按相数的不同:三相、单相。(3)按转子结构的不同：,3.主要种类,NS,隐极式、凸极式。,+,+,NS,电机与拖动,励磁机,发电机,水轮机,卧式、立式。(5)按原动机的不同：汽轮发电机、水轮发电机。,(4)按安装方式的不同：,电机与拖动,电机与拖动,320MW水轮发电机吊装,小浪底电站水轮机组安装,电机与拖动,三峡电站首台机组安装,电机与拖动,水力发电,电机与拖动,10000kW水轮发电机转子,凸极式同步电机,N,S,N,S,+,凸极式,隐极式同步电机,N,S,+,隐极式,火力发电厂,电机与拖动,燃烧室,燃料,锅炉的炉膛,循环水,汽轮机,发电机,3000 r/min,升压变压器,超热高压蒸汽,电能输出,汽轮发动机,电机与拖动,三相同步电机,电机与拖动,同步发电机,电机与拖动,小型同步电机,电机与拖动,4.额定值,(1)额定电压 UN：线电压的额定值。(2)额定电流 IN：线电流的额定值。(3)额定功率 PN：输出功率的额定值。三相同步电动机：,三相同步发电机：,(4)额定转速 nN：额定运行时的转速。(5)额定频率 fN：50Hz。,电机与拖动,NS,5.2 三相同步电机的工作原理,定 子,转子,励磁 绕组,一、同步电机基本原理,旋转磁场。直流磁极。,转子转速：n=n1,同步,电机与拖动,励磁机,F0,旋转的 F0 和0,E0,定子：转子：,1、同步发电机,NS,2.同步电动机定子：转子：,旋转磁场。直流磁极。,转子转速：n=n1,同步,电机与拖动,二、三相同步发电机空载运行,电枢(定子)：I1(Fa)=0转子每极磁通：0 空载电动势：E0=4.44 f1 kw1 N10 或,电机与拖动,同步电机的空载特性,返回,If，F0,F0励磁磁动势,E0励磁电动势,0空载主磁通,空载特性,If0,UN,O,气隙线,三、同步电机的负载运行和电枢反应,电机与拖动,三相同步发电机负载运行三相电枢电流,电枢旋转磁动势 Fa转子旋转磁动势 F0,气隙旋转磁动势 F,电枢反应 Fa 对气隙磁场的影响。,电枢反应的性质决定于负载性质，即励磁电动势与电枢电流的相位差,i=Imcos t,t,实际值,时间参考轴,复习1相量,旋转相量在时间参考轴上的分量与实际值一一对应！,复习2旋转磁动势,定子三相对称绕组中对称三相电流产生基波旋转磁动势。,当某相电流达到最大时，三相合成基波旋转磁动势的幅值与该相绕组轴线重合。,NS,U相电流最大时,复习3旋转磁动势产生的旋转磁场，及其通过绕组的主磁通,气隙旋转磁场通过U相绕组的主磁通：,旋转磁动势产生的气隙旋转磁场：,当以U相相轴为其时间参考轴时，主磁通与旋转磁动势同相位；相电流与合成磁动势同相位。,N S,注意：x=0选在U相相轴处,复习4概念引伸,以电角度考察时，旋转磁动势矢量的角速度旋转时间相量的角速度,时间相量：2f,相矢量图：可把某瞬时的时间相量（磁通、电动势、电流）和空间旋转矢量(磁动势)画在一起。,因定、转子磁动势相对静止，某瞬时电枢磁动势与励磁磁动势之间的相对关系，就是其他任何时刻二者间的相对关系。,NS,U相电动势E0最大，0，相电流I1最大(图示)此时，旋转磁动势幅值（轴线）与U相轴重合定转子磁动势相对位置不变,相矢量图作图要点,2、F0与Fa 相对位置固定,0相矢量图,0时，电枢磁动势为纯交轴磁动势，产生交轴电枢反应。,NS,U相电动势E00，90，相电流I1最大旋转磁动势幅值（轴线）与U相轴重合,90相矢量图,90时，电枢磁动势为纯直轴去磁磁动势，产生去磁的直轴电枢反应。,NS,当 0 90时，电枢反应磁动势既有直轴去磁分量，又有交轴分量。,NS,气隙合成磁动势F 与励磁磁动势F0 的关系,对于同步发电机，气隙合成磁动势总是滞后于励磁磁动势一个角度功率角。,四、三相同步电机的可逆运行,电机与拖动,用一对等效磁极表示气隙合成磁场,5.3 三相同步发电机的稳态分析,1.基本方程式,UfIfF00 E0,I1,Fa,a Ea,Ea a Fa I1，,不计磁饱和,不计电枢铁耗，,电机与拖动,一、隐极同步发电机,Xa 电枢反应电抗。X 电枢漏电抗。,Xs=Xa+X 同步电抗。忽略 R1，则,电机与拖动,2.等效电路,R1 jXs,3.相量图 根据负载的功率因数和电路方程作相量图。,电机与拖动,电感性负载相量图,忽略 R1 时：,电机与拖动,忽略：R1 和 X 则 U1=E故有：,=,励磁磁动势F0 在空间滞后气隙合成磁动势 F 角,在时间上滞后 角,功率角？,【例 51】某三相同步发电机，PN=50 kW，UN=400 V，Y 形联结，cosN=0.8（电感性）。R1=0.2，Xs=1.2。求空载电压等于额定电压，电枢电流等于额定电流，内功率因数角=53.1o 时的相电压U1、线电压U1L、功率因数角 和功角。,解：,=231.21 V,=90.32 A,取参考相量：,则,电机与拖动,由此求得 U1=143 V,=32.36o=53.1o 32.36o=20.74o,电机与拖动,二、凸极同步发电机的稳态分析,1.双反应理论,电机与拖动,凸极同步发电机特点：气隙不均匀。同样的 Fa 产生不同的a 对应不同的 Xa。,凸极同步电机电枢反应磁通及其磁路,返回,直轴电枢反应磁路,交轴电枢反应磁路,双反应理论,电机与拖动,如果磁路不饱和，可以应用叠加原理；,直轴分量：Id=I1 sin交轴分量：Iq=I1 cos,气隙合成磁动势产生的电动势直轴电枢反应电动势交轴电枢反应电动势励磁电动势,2.基本方程式,Uf IfF0 0 E0,I1,FadFaq,adaq,Ead Eaq,E,Ead ad Fad Id；Eaq aq Faq Iq；,电机与拖动,发电机惯例,E Fa I1,因此有如下关系：,Xad 直轴电枢反应电抗。Xaq 交轴电枢反应电抗。X 电枢漏电抗。,电机与拖动,Xd=Xad+X 直轴同步电抗。Xq=Xaq+X 交轴同步电抗。忽略 R1，则,电机与拖动,R1 jXs,3.等效电路,设：,忽略 R1，则,3.相量图,根据电路方程和负载性质作相量图。,电感性负载相量图,忽略 R1 时：,电机与拖动,=,由相量图导出：,E0=U1cos Xd Id,【例 52】某三相同步发电机，已知 U1L=11 kV，Y 形联结，I1=460 A，cos=0.8（电感性）。Xd=16，Xq=8，R1 忽略不计。求、E0。,解：,=6 351 V,=1.474=arctan1.474=55.85o=55.85o 36.87o=18.98o E0=U1cosXdId=(6351cos18.98o16460sin 55.85o)V=12 096.63 V,电机与拖动,5.4 三相同步发电机的功率和转矩,一、功率平衡方程(1)输入功率,P1=T11,(2)空载损耗,P0=PFe+Pfw+Pad,(3)电磁功率,Pe=P1P0,(4)铜损耗,PCu=3R1I12,(5)输出功率,P2=PePcu=3U1I1cos,(6)功率关系,P1=P0+Pe=PFe+Pme+Pad+PCu+P2,电机与拖动,N,S,N,S,功率流程图和效率：,P1,Pe,P2,二、电磁功率与功角特性,电机与拖动,1.隐极同步发电机的功角特性,Pe=3(U1cos+R1I1)I1,由相量图可见：U1 cosI1R1=E0cos,故：Pe=3E0 I1 cos,U1sin=Xs I1 cos,当=90o 时:Pe=PeM,电机与拖动,忽略 R1 时：,如果忽略 R1，则有 Xq Iq=U1sin Xd Id=E0U1cos,2.凸极同步发电机的功角特性,电机与拖动,Pe=3(U1cos+R1I1)I1=3EQ I1 cos 3EQ Iq,EQ=E0 Xd Id XqId,Pe=Pe+Pe,电机与拖动,Pe E0,当转子有励磁，即If 0 时存在。,Pe 是由于 Xd Xq 而引起的，,基本分量。,附加分量。,与If 是否存在无关。,结论：Pe 使 PeM；PeM 产生在90o 处；功角特性与矩角特性不再是正弦波。,电机与拖动,三、转矩平衡与矩角特性,(2)空载转矩,(3)电磁转矩,(4)转矩平衡,T1=Te+T0,电机与拖动,(1)输入转矩,5.5 三相同步发电机的运行特性,1.外特性 当 n=nN，If、cos=常数时，U1L=f(I1L)。,额定点：I1L=IN、cos=cosN、U1L=UN 时，If=IfN。电压调整率：保持 nN、cos N、IfN 时，,电机与拖动,2.调节特性,保持 n=nN、U1L=UN、cos=cos N 时，If=f(I1)。,电机与拖动,5.6 同步发电机与电网的并联运行,并联运行的优点(1)提高电力系统的经济指标。(2)减少发电厂的备用机组的容量。(3)提高电能供应的可靠性。(4)提高电能供应的质量。1.并联运行的条件 相序一致、频率相同、电压相等。以避免电网与发电机之间产生大的冲击电流和在发电机轴上产生大的冲击转矩。,电机与拖动,(1)电压相等 如果：,则：,(2)频率相等如果：AB,U=0 2U1,电机与拖动,(3)相序一致 如果相序不一致，则,2.并联运行的方法 调节 If 调节 E0；调节 n 调节 f。(1)理想同步法同步指示器(2)自同步法查相序、短励磁、投入、切电阻、加励磁,电机与拖动,3.有功功率的调节,无穷大电网：容量很大、频率和电压基本不受负载与其他干扰的影响，即恒频恒压的电网。发电机并网运行时：发电机的频率和端电压受电网的约束，而与电网保持一致。并网时，使励磁电动势等于电网端电压，即,E0=U1，=0,=0,电机与拖动,T1,T1T0,n,Te,T1 Te+T0,(1)有功功率的调节方法,=0，T1=T0,(2)静态稳定,电机与拖动,T1=Te+T0,a 点：干扰使 T1Te抑制了 进一步增大 b 点。,b,T1=Te+T0,干扰消失后，较大的 Te，使机组恢复到 a 点运行。,a 点：干扰使 T1n,TenTe失步。干扰消失后，n 不可能恢复到 n1，即工作点不可能再恢复到 a 点运行。,不稳定运行点,电机与拖动,在突加负载、切除负载等正常操作时，或电压突变、突发短路、失去励磁等非正常运行时，同步电机能否保持同步运行的问题。稳定运行条件：,过载能力：,=1.56 2.0,(3)动态稳定,电机与拖动,4.无功功率的调节与V形曲线,发电机并网在无穷大电网上；忽略 R1和 T0，并不计磁路饱和的影响；假设调节 If 时，输入 P1 保持不变。,=3U1I1cos,=常数,即：E0 sin=常数 I1cos=常数(1)正常励磁 当If=If0 时，,cos=1，Q2=0，电机呈电阻性，不输出无功；,电机与拖动,当 IfE0,(2)欠励磁(当If If0 时),电机输出电容性无功；即吸收电感性无功；If Q2。,If减小有无极限？,电机与拖动,E0 sin=常数：E0顶点aa,I1cos=常数：I1顶点bb,=90,E0,(3)过励磁(当If If0 时)当 IfE0,电机输出电感性无功；If Q2。,电机与拖动,调节If 可使同步发电机在任意特定负载下的 cos 达到 1，或改变其负载性质。,结论：,电机与拖动,同步发电机的 V 型曲线,当 U1=UN、f1=f N、一定的P2 下：I1=f(If),【例53】一台 Y 联结水轮发电机，并联在UN=10.5 kV的电网上运行，发电机的 Xd=1.3，Xq=0.7，R1 忽略不计，=18.09o 时，I1=3 990 A，E0=9 970 V。求该发电机输出的有功功率 P2 和无功功率 Q2（电容性的还是电感性的）。,解：,=6 062.36 V,忽略R1，则,=64.77 MW,电机与拖动,=26.63o,=47.63o,由于，,故输出电感性无功功率，,其值为,Q2=3U1I1sin=36 062.363 990 sin26.63o var=32.53 Mvar,电机与拖动,一、同步电动机 同步电动机的主要优点：调节If,调节 cos,90o 90o,电机与拖动,5.7 三相同步电动机和同步补偿机,等效电路（隐极）,电压方程,调节 If 改变 cos 的原理 以隐极同步电动机为例，并忽略 R1 和 T0。调节 If 时，U1、f1、TL都不变，则 Te和 Pe 不变，即 Te 和 P1 不变。根据：,=3U1I1cos,电机与拖动,可得如下关系：,E0 sin=常数 I1cos=常数,可见，改变 If 而使E0 改变时，I1、和 均要改变。当 IfE0。当 IfE0。,电机与拖动,E0 sin=常数：E0顶点aa,I1cos=常数：I1顶点bb,正常励磁:,当 If=If0 时，,cos=1,电机呈电阻性。,欠励磁:当If If0时，,If，感性程度。,过励磁:当 If If0 时，,电机呈电容性，发出感性无功If|，容性程度。,电机与拖动,调节If 可使同步电动机在任意特定负载下的cos 达到 1，或改变其负载性质。同步电动机的 V 型曲线 当 U1=UN、f1=f N、TL 不变时：I1=f(If),结论：,电机与拖动,二、同步电动机的用途,同步电动机：用于拖动恒速运转的大、中型机械负载。,同步补偿机：实为不带负载的同步电动机，用于改善电网的功率因数。,
