第06章同步電機

1、第六章第六章 同步電機同步電機6.1 同步電機的基本結(jié)構(gòu)和運行狀態(tài)同步電機的基本結(jié)構(gòu)和運行狀態(tài)6.2 同步發(fā)電機的空載磁場和電樞反應(yīng)同步發(fā)電機的空載磁場和電樞反應(yīng) 6.3 隱極同步發(fā)電機的電壓方程、相量圖和等效電路隱極同步發(fā)電機的電壓方程、相量圖和等效電路6.4 凸極同步發(fā)電機的電壓方程和相量圖凸極同步發(fā)電機的電壓方程和相量圖 6.5 同步發(fā)電機的功率方程、轉(zhuǎn)矩方程和功角特性同步發(fā)電機的功率方程、轉(zhuǎn)矩方程和功角特性 6.6 同步電機參數(shù)的測定同步電機參數(shù)的測定6.7 同步發(fā)電機的運行特性同步發(fā)電機的運行特性 6.8 同步發(fā)電機與電網(wǎng)的并聯(lián)運行同步發(fā)電機與電網(wǎng)的并聯(lián)運行 6.9 同步電動機與同步

2、補償機同步電動機與同步補償機 6.10 同步發(fā)電機的不對稱運行同步發(fā)電機的不對稱運行 6.11 同步發(fā)電機的三相突然短路同步發(fā)電機的三相突然短路6.12 永磁同步電機永磁同步電機第六章第六章 同步電機同步電機第六章第六章 同步電機同步電機 同步電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速是常值且與同步速相等，與負載的大同步電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速是常值且與同步速相等，與負載的大小無關(guān)。小無關(guān)。min)r/(60pfnns同步電機主要用作同步電機主要用作發(fā)電機發(fā)電機，也可以用作，也可以用作電動機電動機和和補償機補償機。主要內(nèi)容主要內(nèi)容同步發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)對稱運行同步發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)對稱運行同步電動機和調(diào)相機同步電動機和調(diào)相機同步發(fā)電機的不對稱運行

3、和三相突然短路同步發(fā)電機的不對稱運行和三相突然短路 6.1 同步電機的基本結(jié)構(gòu)和運行同步電機的基本結(jié)構(gòu)和運行狀態(tài)狀態(tài)一、基本結(jié)構(gòu)一、基本結(jié)構(gòu) 同步電機分為同步電機分為旋轉(zhuǎn)電樞式：旋轉(zhuǎn)電樞式：磁極裝在定子上，用于小容量同步電機中。磁極裝在定子上，用于小容量同步電機中。旋轉(zhuǎn)電樞式旋轉(zhuǎn)電樞式旋轉(zhuǎn)磁極式旋轉(zhuǎn)磁極式旋轉(zhuǎn)磁極式旋轉(zhuǎn)磁極式：磁極裝在轉(zhuǎn)子上，為大中型同步電機的基：磁極裝在轉(zhuǎn)子上，為大中型同步電機的基本形式。本形式。旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機的結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機的結(jié)構(gòu) : 0.35mm 0.5 三相對稱繞組繞組的冷軋硅鋼片或鐵心:轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子 。同心式繞組或集中繞組直流勵磁繞組整體或低碳鋼片迭成。，氣隙

4、不均勻凸極整塊高強度合金鋼。氣隙均勻，隱極鐵心 : :定子定子 電刷和集電環(huán)電刷和集電環(huán)同步電機又分為同步電機又分為隱極式隱極式和和凸極式凸極式兩種。兩種。有明顯的凸出的磁極，氣有明顯的凸出的磁極，氣隙不均勻，制作簡單。隙不均勻，制作簡單。適合于高速發(fā)電機適合于高速發(fā)電機適合于低速發(fā)電機適合于低速發(fā)電機轉(zhuǎn)子圓柱形，氣隙均勻，轉(zhuǎn)子機轉(zhuǎn)子圓柱形，氣隙均勻，轉(zhuǎn)子機械強度高，勵磁繞組固定容易。械強度高，勵磁繞組固定容易。NS+隱極式隱極式NSNS+凸極式凸極式汽輪發(fā)電機汽輪發(fā)電機 由汽輪機驅(qū)動的同步發(fā)電機由汽輪機驅(qū)動的同步發(fā)電機 p = 1 n = 3000r/min (50Hz) n = 3600r

5、/min (60Hz) 采用隱極結(jié)構(gòu)采用隱極結(jié)構(gòu) 6222D L 轉(zhuǎn)子細而長轉(zhuǎn)子細而長轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，對鐵心的強度要求很高，就目前材料，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，對鐵心的強度要求很高，就目前材料，轉(zhuǎn)子直徑不能超過子直徑不能超過1.1m1.1m。 基本采用臥式結(jié)構(gòu)基本采用臥式結(jié)構(gòu)水輪發(fā)電機水輪發(fā)電機 由水輪機驅(qū)動的同步發(fā)電機由水輪機驅(qū)動的同步發(fā)電機 n = 幾十幾十 幾百幾百r/min 極對數(shù)多極對數(shù)多采用凸極結(jié)構(gòu)采用凸極結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)子粗而短轉(zhuǎn)子粗而短7522LD 勵磁繞組為集中繞組勵磁繞組為集中繞組 立式結(jié)構(gòu)立式結(jié)構(gòu) 阻尼繞組阻尼繞組阻尼繞組的結(jié)構(gòu)與籠型感應(yīng)電機的轉(zhuǎn)子的籠型繞組相似。阻尼繞組的結(jié)構(gòu)與籠型感應(yīng)電

6、機的轉(zhuǎn)子的籠型繞組相似。阻尼繞組的作用作用阻尼繞組的作用作用同步發(fā)電機中同步發(fā)電機中：抑制轉(zhuǎn)子機械振蕩：抑制轉(zhuǎn)子機械振蕩同步電動機和同步補償機中同步電動機和同步補償機中：起動繞組：起動繞組與感應(yīng)電機一樣同步電機定轉(zhuǎn)子極數(shù)應(yīng)相同。與感應(yīng)電機一樣同步電機定轉(zhuǎn)子極數(shù)應(yīng)相同。二、同步電機的運行狀態(tài)二、同步電機的運行狀態(tài) 轉(zhuǎn)子磁場轉(zhuǎn)子磁場 轉(zhuǎn)子磁場通入直流勵磁電流產(chǎn)生，與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子磁場通入直流勵磁電流產(chǎn)生，與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)。定子磁場定子磁場 定子三相對稱繞組流過三相對稱電流產(chǎn)生，以定子三相對稱繞組流過三相對稱電流產(chǎn)生，以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)（等于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速）。同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)（等于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速）。同步電機也有同步電

7、機也有發(fā)電機發(fā)電機、電動機電動機、補償機補償機三種運行狀態(tài)。三種運行狀態(tài)。運行狀態(tài)取決于磁場的相對位置運行狀態(tài)取決于磁場的相對位置合成磁場合成磁場 定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場的合成，以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場的合成，以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。功率角功率角 轉(zhuǎn)子磁場軸線轉(zhuǎn)子磁場軸線領(lǐng)先合成磁場軸線的夾領(lǐng)先合成磁場軸線的夾角。角。 0時時，Te為制動轉(zhuǎn)矩，原動機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩為制動轉(zhuǎn)矩，原動機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩Te 平衡平衡 。轉(zhuǎn)子吸收機械功率，定子發(fā)出電功率。轉(zhuǎn)子吸收機械功率，定子發(fā)出電功率。 發(fā)電機運行狀態(tài)發(fā)電機運行狀態(tài) f若若f fAUBUBUCUCUAUCUAUAUBUBUCUAUBUCUA

8、UBUCU 1號燈滅 3號燈滅 2號燈滅燈光旋轉(zhuǎn)的說明燈光旋轉(zhuǎn)的說明自整步法自整步法準確整步法的優(yōu)點是準確整步法的優(yōu)點是投入瞬間電網(wǎng)和電機沒有 （或很少）沖擊；缺點是整步手續(xù)比較復雜，時間長，不能滿足快速沖擊；缺點是整步手續(xù)比較復雜，時間長，不能滿足快速并網(wǎng)要求。并網(wǎng)要求。 校驗發(fā)電機的相序；校驗發(fā)電機的相序； 勵磁繞組經(jīng)限流電阻短路；勵磁繞組經(jīng)限流電阻短路； 發(fā)電機的轉(zhuǎn)速接近同步速；發(fā)電機的轉(zhuǎn)速接近同步速； 并網(wǎng)；并網(wǎng)； 加勵磁電流。加勵磁電流。二、有功功率的調(diào)節(jié)和靜態(tài)穩(wěn)定二、有功功率的調(diào)節(jié)和靜態(tài)穩(wěn)定1. 有功功率的調(diào)節(jié)有功功率的調(diào)節(jié)以隱極電機為例，說明同步發(fā)電機與無窮大電網(wǎng)并聯(lián)時有以隱極電

9、機為例，說明同步發(fā)電機與無窮大電網(wǎng)并聯(lián)時有功功率的調(diào)節(jié)。為簡化分析，略去電樞電阻和磁飽和的影功功率的調(diào)節(jié)。為簡化分析，略去電樞電阻和磁飽和的影響。響。準確整步法并網(wǎng)時準確整步法并網(wǎng)時，UE0，功率角00sin02seXUEmPP電磁轉(zhuǎn)距電磁轉(zhuǎn)距Te 0，發(fā)電機在電網(wǎng)上處于空載狀態(tài)；原動機的，發(fā)電機在電網(wǎng)上處于空載狀態(tài)；原動機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩僅用于克服發(fā)電機的空載阻轉(zhuǎn)矩。驅(qū)動轉(zhuǎn)矩僅用于克服發(fā)電機的空載阻轉(zhuǎn)矩。欲使發(fā)電機輸出有功功率，根據(jù)能量守恒原理，應(yīng)當增加發(fā)欲使發(fā)電機輸出有功功率，根據(jù)能量守恒原理，應(yīng)當增加發(fā)電機的輸入功率，即調(diào)解原動機，這可以由開大汽輪機的汽電機的輸入功率，即調(diào)解原動機，這可以由開

10、大汽輪機的汽門（或水輪機的水門）來實現(xiàn)。門（或水輪機的水門）來實現(xiàn)。原動機的功率增加時，驅(qū)動轉(zhuǎn)矩原動機的功率增加時，驅(qū)動轉(zhuǎn)矩T1增大，發(fā)電機的轉(zhuǎn)子加速，增大，發(fā)電機的轉(zhuǎn)子加速，于是與轉(zhuǎn)子主磁場相對應(yīng)的電動勢于是與轉(zhuǎn)子主磁場相對應(yīng)的電動勢E0將超前于電網(wǎng)電壓將超前于電網(wǎng)電壓U以以 角。角。根據(jù)功角特性，此時發(fā)電機將向電網(wǎng)輸出一定的有功功率根據(jù)功角特性，此時發(fā)電機將向電網(wǎng)輸出一定的有功功率P2。sin02seXUEmPP同時轉(zhuǎn)子上將受到一個制動的電磁轉(zhuǎn)矩同時轉(zhuǎn)子上將受到一個制動的電磁轉(zhuǎn)矩Te，使驅(qū)動轉(zhuǎn)矩和，使驅(qū)動轉(zhuǎn)矩和制動的電磁轉(zhuǎn)矩重新取得平衡；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速仍然保持為同步制動的電磁轉(zhuǎn)矩重新取得平衡；轉(zhuǎn)

11、子轉(zhuǎn)速仍然保持為同步轉(zhuǎn)速。此時發(fā)電機已處于負載運行狀態(tài)，如圖中的轉(zhuǎn)速。此時發(fā)電機已處于負載運行狀態(tài)，如圖中的A點所示。點所示。由此可見，要增加發(fā)電機的輸出有功功率，必須增加原動由此可見，要增加發(fā)電機的輸出有功功率，必須增加原動機的輸出功率，使功率角機的輸出功率，使功率角 增大，電磁功率和輸出功率便增大，電磁功率和輸出功率便會相應(yīng)的增加；直到會相應(yīng)的增加；直到 90時，電磁功率達到最大值時，電磁功率達到最大值Pe（max）。seXUEmP0(max)在電機的最大功率增大到在電機的最大功率增大到Pe（max）時，不能再增加輸入功率。時，不能再增加輸入功率。否則驅(qū)動轉(zhuǎn)矩與制動轉(zhuǎn)矩不能實現(xiàn)平衡，發(fā)電機

12、會失去同步。否則驅(qū)動轉(zhuǎn)矩與制動轉(zhuǎn)矩不能實現(xiàn)平衡，發(fā)電機會失去同步。2. 靜態(tài)穩(wěn)定靜態(tài)穩(wěn)定穩(wěn)態(tài)運行于某一工作點穩(wěn)態(tài)運行于某一工作點的同步發(fā)電機，當外界的同步發(fā)電機，當外界（電網(wǎng)或原動機）發(fā)生（電網(wǎng)或原動機）發(fā)生微小的擾動時，工作點微小的擾動時，工作點發(fā)生偏移，擾動消失后，發(fā)生偏移，擾動消失后，發(fā)電機能回到原先狀態(tài)發(fā)電機能回到原先狀態(tài)穩(wěn)定運行，稱為穩(wěn)定運行，稱為同步發(fā)同步發(fā)電機靜態(tài)是穩(wěn)定的；電機靜態(tài)是穩(wěn)定的；否否則是則是靜態(tài)不穩(wěn)定的靜態(tài)不穩(wěn)定的。正常工作于正常工作于A點或點或B點，看發(fā)電機的穩(wěn)定運行情況。點，看發(fā)電機的穩(wěn)定運行情況。cos0seXUEmddP當90時，0ddPe發(fā)電機就變?yōu)椴环€(wěn)定。

13、整步功率系數(shù)整步功率系數(shù)三、無功功率的調(diào)節(jié)三、無功功率的調(diào)節(jié)以隱極電機為例，說明同步發(fā)電機與無窮大電網(wǎng)并聯(lián)時無以隱極電機為例，說明同步發(fā)電機與無窮大電網(wǎng)并聯(lián)時無功功率的調(diào)節(jié)。功功率的調(diào)節(jié)。忽略電樞電阻，原動機的輸入功率保持不變。忽略電樞電阻，原動機的輸入功率保持不變。根據(jù)功率平衡關(guān)系可知，在調(diào)節(jié)勵磁前后，發(fā)電機的電磁根據(jù)功率平衡關(guān)系可知，在調(diào)節(jié)勵磁前后，發(fā)電機的電磁功率和輸出的有功功率均應(yīng)近似的保持不變。功率和輸出的有功功率均應(yīng)近似的保持不變。常值sin0seXUEmP常值cos2mUIP常值常值cossin0IE1. 無功功率的調(diào)節(jié)無功功率的調(diào)節(jié)不同勵磁電流是的向量圖不同勵磁電流是的向量圖正

14、常勵磁正常勵磁 cos=1過勵過勵 加大勵磁電流，加大勵磁電流，電樞電流將滯后于電網(wǎng)電壓。電樞電流將滯后于電網(wǎng)電壓。欠勵欠勵 減小勵磁電流，電樞電流將超前于電網(wǎng)電壓。減小勵磁電流，電樞電流將超前于電網(wǎng)電壓。調(diào)節(jié)勵磁電流就可以調(diào)節(jié)無功功率這一現(xiàn)象，還可以用磁調(diào)節(jié)勵磁電流就可以調(diào)節(jié)無功功率這一現(xiàn)象，還可以用磁動勢平衡關(guān)系來解釋。動勢平衡關(guān)系來解釋。 發(fā)電機與無窮大電網(wǎng)并聯(lián)時，其端電壓恒為常值，所以無發(fā)電機與無窮大電網(wǎng)并聯(lián)時，其端電壓恒為常值，所以無論勵磁如何變化，電樞繞組的合成磁通近似不變。論勵磁如何變化，電樞繞組的合成磁通近似不變。 反之，減小勵磁電流而變?yōu)榉粗?，減小勵磁電流而變?yōu)椤扒穭钋穭睢睍r，主磁通減少，為時，主磁通減少，為了維持合成磁通不變，發(fā)電機必須輸出超前電流，以減小了維持合成磁通不變，發(fā)電機必須輸出超前電流，以減小去磁性的電樞反應(yīng)，甚至使電樞反應(yīng)變?yōu)樵龃判?，以補償去磁性的電樞反應(yīng)，甚至使電樞反應(yīng)變?yōu)樵龃判?，以補償主磁通。主磁通。 當增加勵磁電流并達到當增加勵磁電流并達到“過勵過勵