東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院--電機(jī)學(xué)第六章

1、第六章 同步電機(jī),6.1 同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài),6.2 空載和負(fù)載時(shí)同步發(fā)電機(jī)的磁場,6.3 隱極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程、相量圖和等效電路,6.4 凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程和相量圖,6.5 同步發(fā)電機(jī)的功率方程和轉(zhuǎn)矩方程,6.6 同步電機(jī) 參數(shù)的測定,6.7 同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性,東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院,6.1 同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài),同步電機(jī),一、同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu),旋轉(zhuǎn)電樞式,旋轉(zhuǎn)磁極式,隱極式

2、（Salient-pole）,凸極式（Cylindrical-Rotor）,,,二、同步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài),發(fā)電機(jī)——把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能,電動(dòng)機(jī)——把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,補(bǔ)償機(jī)——沒有有功功率的轉(zhuǎn)換，只發(fā)出或吸 收無功功率,同步電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，主要取決于定子合成磁場與轉(zhuǎn)子主磁場之間的夾角δ，δ稱為功率角,6.1 同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài),三、同步電機(jī)的勵(lì)磁方式,直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁——直流勵(lì)磁機(jī)通常與同步發(fā)電機(jī)

3、 同軸，采用并勵(lì)或他勵(lì)接法。 如圖6—8所示,整流器勵(lì)磁————,靜止式——如圖6-9旋轉(zhuǎn)式,6.1 同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài),,額 定 容 SN —— 指額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的輸輔出功率 額定電壓UN ——指額定運(yùn)行時(shí)定子的線電壓 額定電流IN ——指額定運(yùn)行時(shí)定子的線電流 額定功率因數(shù)——指額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的功率因數(shù) 額定頻率fN —— 指額定運(yùn)行時(shí)

4、電樞的頻率額定轉(zhuǎn)速nN ——指額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即為 同步轉(zhuǎn)速,四、額定值,6.1 同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài),返回,,空載運(yùn)行時(shí)，同步電機(jī)內(nèi)僅有由勵(lì)磁電流所建立的主極磁場。圖6—l0表示一臺(tái)四極電機(jī)空載時(shí)的磁通示意圖。從圖可見，主極磁通分成主磁通Φ0和漏磁通Φfσ兩部分，前者通過氣隙并與定子繞組相交鏈，后者不通過氣隙，僅與勵(lì)磁繞組相交鏈。主磁通所經(jīng)過的主磁路包括空氣

5、隙電樞 齒、電樞軛、磁極極身和轉(zhuǎn)子軛等五部分。,6.2 空載和負(fù)載時(shí)同步發(fā)電機(jī)的磁場,一、空載運(yùn)行,6.2 空載和負(fù)載時(shí)同步發(fā)電機(jī)的磁場,一、空載運(yùn)行,當(dāng)轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，主磁場將在氣隙中形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，在定子繞組內(nèi)感應(yīng)出對(duì)稱三相電動(dòng)勢（激磁電動(dòng)勢）,空載特性是同步電機(jī)的一條基本特性。如圖6—11所示,二、對(duì)稱負(fù)載時(shí)的電樞反應(yīng),電樞磁動(dòng)勢的基波在氣隙中所產(chǎn)生的磁場就稱為電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)的性質(zhì)(增磁、去磁或交磁)取決于電樞

6、磁動(dòng)勢和主磁場在空間的相對(duì)位置。分析表明，此相對(duì)位置取決于激磁電動(dòng)勢E0和扭載電流I之間的相角差Ψ0(Ψ0稱為內(nèi)功率因數(shù)角)。下面分成兩種情況來分析。。。。。,,6.2 空載和負(fù)載時(shí)同步發(fā)電機(jī)的磁場,與 同相時(shí),a) 定子繞組電動(dòng)勢、電流和磁動(dòng)勢的空間矢量圖,與 同相時(shí),b) 時(shí)間矢量圖,與 同相時(shí),c) 時(shí)-空統(tǒng)一矢量圖,與 同相時(shí),d)氣隙合成磁場與主磁場的相對(duì)位置,與 不同相時(shí),a)

7、 滯后于 時(shí)的空間矢量圖,與 不同相時(shí),b) 滯后 時(shí)的時(shí)-空統(tǒng)一矢量圖,與 不同相時(shí),c) 超前 時(shí)得時(shí)-空統(tǒng)一矢量圖,返回,,同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)物理量的關(guān)系：,一、不考慮磁飽和時(shí),6.3 隱極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程、相量圖和等效電路,在時(shí)間相位上， 滯后于 以90°電角度，若不計(jì)定子鐵耗, 與 同相位，則 將滯后于 以90°電角度于是 亦可寫成

8、負(fù)電抗壓降的形式，即,采用發(fā)電機(jī)慣例，以輸出電流作為電樞電流的正方向時(shí)，電樞的電壓方程為,因?yàn)殡姌蟹磻?yīng)電動(dòng)勢Ea正比于電樞反應(yīng)磁通Φa不計(jì)磁飽和時(shí)，Φa又正比于電樞磁動(dòng)勢Fa和電樞電流I，即,,,,(6—5),(6—6),將式(6—6)代人式(6—5)，可得,,(6—7),式中，Xs稱為隱極同步電機(jī)的同步電抗，Xs=Xa+Xσ，它是對(duì)稱穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)表征電樞反應(yīng)和電樞漏磁這兩個(gè)效應(yīng)的一個(gè)綜合參數(shù)。不計(jì)飽和時(shí)，Xs是一個(gè)常值。,圖6—15a和

9、b表示與式(6—5)和式(6—7)相對(duì)應(yīng)的相量圖，圖6—15c表示與式(6—7)相應(yīng)的等效電路。從圖6—15c可以看出，隱極同步發(fā)電機(jī)的等效電路由激磁電動(dòng)勢和同步阻抗Ra+jXs串聯(lián)組成，其中E0表示主磁場的作用，Xs表示電樞反應(yīng)和電樞漏磁場的作用。,考慮磁飽和時(shí)，由于磁路的非線性，疊加原理不再適用。此時(shí)，應(yīng)先求出作用在主磁路上的合成磁動(dòng)勢F，然后利用電機(jī)的磁化曲線 (空載曲線) 求出負(fù)載時(shí)的氣隙磁通 及相應(yīng)的氣隙電動(dòng)勢 。

10、,二、考慮磁飽和時(shí),再從氣隙電動(dòng)勢 減去電樞繞組的電阻和漏抗壓降，使得電樞的端電壓 ，即,,,相應(yīng)的矢量圖、相量圖和F～E間的關(guān)系如圖6—16a和6—16b所示。圖6-16a中既有電動(dòng)勢相量，又有磁動(dòng)勢矢量。故稱為電動(dòng)勢—磁動(dòng)勢圖。,或,返回,,考慮到凸極電機(jī)氣隙的不均勻性，把電樞反應(yīng)分成直軸和交軸電樞反應(yīng)分別來處理的方法，就稱為雙反應(yīng)理論。 凸極同步電機(jī)的氣隙是不均勻的，極面下氣隙較小，兩極之間氣隙較大，故直軸下單位

11、面積的氣隙磁導(dǎo)λd (λd＝μ0／λd) 要比交軸下單位面積的氣隙磁導(dǎo)λq (λq＝μ0／λq) 大很多，如圖6—18a所示。 當(dāng)正弦分布的電樞磁動(dòng)勢作用在直軸上時(shí)，由于λd較大，故在一定大小的磁動(dòng)勢下，直軸基波磁場的幅值Bad1相對(duì)較大。,一、雙反應(yīng)理論,6.4 凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程和相量圖,不考慮磁飽和時(shí)同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)物理量的關(guān)系：,二、凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程和相量圖,6.4 凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程和相量圖

12、,從氣隙電動(dòng)勢云減去電樞繞組的電阻和漏抗壓降，便得電樞的端電壓。采用發(fā)電機(jī)慣例，電樞的電壓方程為：,,,，,6-9,不計(jì)磁飽和時(shí),和 可以用相應(yīng)的負(fù)電抗壓降來表示,,,,,,,,,,,6-10,將式(6-10)代入式(6-9)，并考慮 ，可得,式中，Xd和Xq分別稱為直軸同步電抗和交軸同步電抗，它們是表征對(duì)稱穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)電樞漏磁和直軸或交軸電樞反應(yīng)的一個(gè)綜合參數(shù)。上式就是凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程。圖6-19表示與上式相

13、對(duì)應(yīng)的相量圖。 引入虛擬電動(dòng)勢 ，使 可得,,6-12,由式6-12相量圖如圖6-20所示。由圖6-20不難確定 由式6-12可得凸極同步發(fā)電機(jī)的等效電路，如圖6-21所示。,三、直軸和交軸同步電抗的意義,由于電抗與繞組匝數(shù)的平方和所經(jīng)磁路的磁導(dǎo)成正比，所以 如圖6-22所示。對(duì)于凸極電機(jī)，由于直軸下的氣隙較交軸下小， > ，所以Xad>Xaq，

14、因此在凸極同步電機(jī)中，Xd>Xq。 對(duì)于隱極電機(jī)，由于氣隙是均勻的，故Xd≈Xq≈Xs,,,,,例題,返回,,6.5 同步發(fā)電機(jī)的功率方程和轉(zhuǎn)矩方程,一、功率方程和電磁功率 功率方程 若轉(zhuǎn)子勵(lì)磁損耗由另外的直流電源供給，則發(fā)電機(jī)軸上輸入的機(jī)械功率Pl扣除機(jī)械損耗 和定子鐵耗 后，余下的功率將通過旋轉(zhuǎn)磁場和電磁感應(yīng)的作用，轉(zhuǎn)換成定子的電功率，所以轉(zhuǎn)換功率就是電磁功率Pe，即

15、 (6-14),,,,再從電磁功率Pe中減去電樞銅耗 可得電樞端點(diǎn)輸出的電功率P2；即 (6-15),電磁功率 從式(6—15)可知，電磁功率Pe為,,,,,,,由圖6—23可見,故同步電機(jī)的電磁功率亦可寫成,上式的

16、第一部分與感應(yīng)電機(jī)的電磁功率表達(dá)式相同，第二部分則是同步電機(jī)常用的。對(duì)于隱極同步電機(jī)，由于EQ＝E0，故有,二、轉(zhuǎn)矩方程,把功率方程(6—14)除以同步角速度，可得轉(zhuǎn)矩方程 式中，T1為原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩,Te為電磁轉(zhuǎn)矩,T0為空載轉(zhuǎn)矩，分別為：,,,(6—18),

17、返回,,6.6 同步電機(jī)參數(shù)的測定,一、用空載特性和短路特性確定Xd 空載特性可以用空載試驗(yàn)測出。試驗(yàn)時(shí)，電樞開路 (空載)，用原動(dòng)機(jī)把被試同步電機(jī)拖動(dòng)到同步轉(zhuǎn)速，改變勵(lì)磁電流If，并記取相應(yīng)的電樞端電壓U0 (空載時(shí)即等于E0，直到U0≈1.25UN左右，可得空載特性曲線 。 短路特性可由三相穩(wěn)態(tài)短路試驗(yàn)測得，試驗(yàn)線路如圖6-24a所示。將被試同步電機(jī)的電樞端點(diǎn)三相短路，用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)被試

18、電機(jī)到同步轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流If使電樞電流I從零起一直增加到1.2IN左右，便可得到短路特性曲線，如圖6—24b所示。,,短路時(shí)， ，故 ， ，而 所以

19、 因?yàn)槎搪吩囼?yàn)時(shí)磁路為不飽和，所以這里的E0(每相值)應(yīng)從氣隙線上查出，如圖6—25所示，求出的Xd值為不飽和值。,,,,,,,(6—19),(6—20),Xd的飽和值與主磁路的飽和情況有關(guān)。主磁路的飽和程度取決于實(shí)際運(yùn)行時(shí)作用在主磁路上的合成磁動(dòng)勢，因而取決于相應(yīng)的氣隙電動(dòng)勢；如果不計(jì)漏阻抗壓降，則可

20、近似認(rèn)為取決于電樞的端電壓，所以通常用對(duì)應(yīng)于額定電壓時(shí)的Xd值作為其飽和值。為此，從空載曲線上查出對(duì)應(yīng)于額定端電壓UN時(shí)的勵(lì)磁電流If0，再從短路特性上查出與該勵(lì)磁電流相應(yīng)的短路電流，如圖6—26所示，這樣即可求出 Xd(飽和),,例題,返回,,6.7 同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性,一、同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性 同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性包括外特性、調(diào)整特性和效率特性。 外特性——外特性表示發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速，且勵(lì)磁電流和負(fù)載功

21、率因數(shù)不變時(shí)，發(fā)電機(jī)的端電壓與電樞電流之間的關(guān)系：即n＝nS，If=常值，cosφ=常值時(shí)，U=f(I)。 圖6—30 表示帶有不同功率因數(shù)的負(fù)載時(shí)，同步發(fā)電機(jī)的外特性。,調(diào)整特性——調(diào)整特性表示發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速、端電壓為額定電壓、負(fù)載的功率因數(shù)不變時(shí)，勵(lì)磁電流與電樞電流之間的關(guān)系；即n＝nS，U =UNΦ，cosφ=常值時(shí)，If=f(I)。 圖6—31表示帶有不同功率因數(shù)的負(fù)載時(shí)，同步發(fā)電機(jī)的調(diào)整特性,效率特性—

22、—效率特性是指轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速、端電壓為額定電壓、功率因數(shù)為額定功率因數(shù)時(shí)，發(fā)電機(jī)的效率與輸出功率的關(guān)系；即n＝nS，U =UNΦ，cosφ= cosφN時(shí)，η=f(P2)。,返回,,同步電機(jī)的空載磁路,返回,,同步電機(jī)的空載特性,,,,,,,返回,,雙反應(yīng)理論,圖6—18 雙反應(yīng)理論,雙反應(yīng)理論,,,,,,,,,圖6—18 雙反應(yīng)理論,,,,,,,返回,,雙反應(yīng)理論,隱極同步發(fā)電機(jī)的向量圖,返回,,隱極同步發(fā)電機(jī)的向量（圖b ）,返

23、回,,隱極同步發(fā)電機(jī)的等效電路,,,,,,,,,,,,,,,,返回,,電動(dòng)勢-磁動(dòng)勢圖,返回,,由合成磁動(dòng)勢F確定氣隙電動(dòng)勢E,返回,,凸極同步發(fā)電機(jī)的向量圖,,,,,,,,,,,,,,返回,,角的確定,,,,,,,,,,,,,,返回,,凸極同步發(fā)電機(jī)的等效電路圖,,,,,,,,,,,,,返回,,凸極同步電機(jī)電樞反磁通及所經(jīng)磁路及磁導(dǎo),返回,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

24、,直軸電樞磁導(dǎo),交軸電樞磁導(dǎo),從向量圖導(dǎo)出,,,,,,,,,,,,,,返回,,短路實(shí)驗(yàn)接線圖,返回,,短路特性,返回,,用空載和短路特性來確定,,,,,,,,,返回,,,(飽和)的確定,,,,,,,,,,,,,返回,,同步發(fā)電機(jī)的外特性,,,,,,,cosΦ=0.8滯后,cosΦ=1,cosΦ=0.8超前,,返回,,圖6—31同步發(fā)電機(jī)的調(diào)整特性,,,,,,,cosΦ=0.8滯后,cosΦ=1,cosΦ=0.8超前,返回,,旋轉(zhuǎn)磁極式同

25、步電機(jī)的類型,,,,,,,,,,,,,,,,,N,S,+,,隱極式,,返回,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,N,S,N,S,+,,凸極式,,,返回,,帶副勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,G,G,副勵(lì)磁機(jī),主勵(lì)磁機(jī),同步發(fā)電機(jī),返回,,靜止整流器勵(lì)磁系統(tǒng),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

26、,,,,,,,,,,,,,,,,交流副勵(lì)磁機(jī),交流主勵(lì)磁機(jī),不可控整流起器,電壓調(diào)整器,主發(fā)電機(jī),電壓互感器,電流互感器,可控整流起器,自勵(lì)恒壓器,返回,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,N,No,No,No,N,N,So,So,S,S,S,So,,,,,,主極,主極,,,,同步電機(jī)的三種運(yùn)行狀態(tài),發(fā)電機(jī)

27、,補(bǔ)償機(jī),電動(dòng)機(jī),返回,,例6—2 有一臺(tái)25000kW、10.5kV(星形聯(lián)結(jié))、 (滯后)的汽輪發(fā)電機(jī)，從其空載、短路試驗(yàn)中得到下列數(shù)據(jù)，試求同步電抗。從空載特性上查得：相電壓 kV時(shí)，If0＝155A；從短路特性上查得：I＝IN＝1718A時(shí)，Ifk＝280A；從氣隙線上得查得：If＝280A時(shí)， kV 解 從氣隙線上查出，If＝280A時(shí)，激磁電動(dòng)勢

28、 ；在同一勵(lì)磁電流下，由短路特性查出，短路電流I＝1718A；所以同步電抗為,,,,用標(biāo)幺值計(jì)算時(shí) ， ，故從空載和短路特性可知，于是Xd(飽和)為,,,,,,,例6-1 一臺(tái)凸極同步發(fā)電機(jī)，其直軸和交軸同步電抗的標(biāo)幺值為 ， ，電樞電阻略去不計(jì)，試計(jì)算該