電機(jī)學(xué)及變壓器：28章同步電機(jī)

1、第28章 同步電機(jī),了解： 同步電機(jī)額定值的含義 電樞反應(yīng)的基本概念 電樞反應(yīng)電抗及同步電抗的含義 發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)的條件及方法 發(fā)電機(jī)有功功率及無功功率的調(diào)節(jié)方法 電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性 發(fā)電機(jī)的絕緣系統(tǒng)、溫升要求、冷卻方式 發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng) 發(fā)電機(jī)的運(yùn)行和維護(hù)工作要求,發(fā)電機(jī)：將機(jī)械能變?yōu)殡娔埽侵饕猛尽?按運(yùn)行方式分 電動(dòng)機(jī)：將電能變?yōu)闄C(jī)械能。用于不需調(diào)速的大功率機(jī)械。 補(bǔ)償機(jī)：用來調(diào)節(jié)電網(wǎng)無功功率改善功率因數(shù),汽輪發(fā)電機(jī)：高速同步發(fā)電機(jī)，隱極式。 ( 火電） 按原動(dòng)機(jī)類別分 水輪發(fā)電機(jī)：低速同步發(fā)電機(jī)，凸極式。（水電） 柴油(汽油)發(fā)電機(jī)：低速同步發(fā)電機(jī)，凸極式。（機(jī)車、 船舶，油田,旋轉(zhuǎn)電

2、樞式：用于小容量電機(jī)。 按結(jié)構(gòu)方式分 旋轉(zhuǎn)磁極式：用于大容量電機(jī)，電刷和集電環(huán)負(fù)荷大 為減輕，廣泛采用,同步電機(jī)為雙邊激磁的電機(jī)。定子邊用交流勵(lì)磁，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場； 轉(zhuǎn)子用直流勵(lì)磁，產(chǎn)生恒定磁場。定，轉(zhuǎn)子磁場以磁拉力同步旋轉(zhuǎn),對旋轉(zhuǎn)磁極式按轉(zhuǎn)子主極的形狀同步電機(jī)又可分為隱極式和凸極式兩種基本型式,一、基本結(jié)構(gòu),從轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度和妥善地固定勵(lì)磁繞組考慮，對高速電機(jī)采用隱極式，對低速電機(jī)采用制造簡單的凸極式。 大型發(fā)電機(jī)通常用汽輪機(jī)和水輪機(jī)作為原動(dòng)機(jī)來拖動(dòng)。由于汽輪機(jī)是一種高速原動(dòng)機(jī)，一般采用隱極式而水輪機(jī)是一種低速原動(dòng)機(jī)，一般采用凸極式,28.1同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)工作原理和及額定值,1、隱極式同步電

3、機(jī),同步速為 3000r/min 提高運(yùn)行速度可提高汽輪機(jī)的運(yùn)行效率，減小機(jī)組尺寸和造價(jià)。由于轉(zhuǎn)速高，所以直徑較小，轉(zhuǎn)子本體長度L和直徑D的比L/D=26 。容量越大，比值越大，汽輪發(fā)電機(jī)均為臥式結(jié)構(gòu),定子,轉(zhuǎn)子,定子主要由鐵芯、繞組、機(jī)座組成。鐵心每疊厚約36cm，疊與疊之間留有0.81cm的通風(fēng)槽，整個(gè)鐵芯由非磁性壓板壓緊，固定在定子機(jī)座上,2、凸極同步電機(jī),分臥式和立式兩種結(jié)構(gòu) 凸極同步電機(jī)與隱極同步電機(jī)定子結(jié)構(gòu)基本相同，所不同的是轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，它由磁極鐵芯、勵(lì)磁繞組、阻尼繞組等部件組成。 大型水輪發(fā)電機(jī)通常都是立式結(jié)構(gòu)，凸極式特點(diǎn)是短粗，D/L=57,二、同步發(fā)電機(jī)的工作原理,同步電動(dòng)機(jī)的

4、運(yùn)行狀態(tài)由轉(zhuǎn)子磁場與合成磁場的相對位置決定,同步電機(jī)有三種運(yùn)行狀態(tài)：發(fā)電機(jī)，電動(dòng)機(jī)，補(bǔ)償機(jī)。 分析表明，同步電機(jī)運(yùn)行于哪一種狀態(tài)取決于定，轉(zhuǎn)子磁場的相對位置，即定子合成磁場與轉(zhuǎn)子主極磁場之間的夾角（功率角,1、發(fā)電機(jī) 若轉(zhuǎn)子磁場超前于定子合成磁場0， 則此時(shí)轉(zhuǎn)子將受到一個(gè)與其旋轉(zhuǎn)方向相反的制動(dòng)性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩。 為使轉(zhuǎn)子能以同步速旋轉(zhuǎn)，必須從軸上輸入機(jī)械功率電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行,2、補(bǔ)償機(jī),當(dāng)=0，Te=0 此時(shí)電機(jī)內(nèi)沒有有功功率的轉(zhuǎn)換電機(jī)處于補(bǔ)償機(jī)狀態(tài)，或空載狀態(tài),3、電動(dòng)機(jī),當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場滯后定子磁場，0， 則此時(shí)轉(zhuǎn)子上受到一個(gè)與轉(zhuǎn)向相同的拖動(dòng)性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩。此時(shí)定子從電網(wǎng)吸收電功率，轉(zhuǎn)子可拖動(dòng)負(fù)載而

5、輸出機(jī)械功率，電機(jī)做為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行,三、額定值,額定電壓 UN 單位為KV,額定電流 IN 單位為A, KA,額定功率因數(shù),額定頻率 f N 單位為Hz,額定轉(zhuǎn)速 n N單位為r/min,額定溫升 N,額定勵(lì)磁電流和電壓 IfN 、UfN,額定容量,注,n s , I f , I = 0 , 稱為空載運(yùn)行,Ff ：主極磁勢（勵(lì)磁磁勢） E0：激磁電動(dòng)勢，定子以ns的速度切割0 而感應(yīng)出頻率為f的一組對稱三相電勢,同步電機(jī)的空載磁路（2p=4,空載時(shí)，同步發(fā)電機(jī)的氣隙中只有一個(gè)同步旋轉(zhuǎn)的主磁場Ff（0），負(fù)載后，電樞繞組中有對稱三相電流，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場稱為電樞磁場Fa。因此負(fù)載后同步電機(jī)氣隙同時(shí)存在

6、兩個(gè)磁勢。若僅考慮基波，則這兩個(gè)磁勢以相同的轉(zhuǎn)速相同的轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn),二、負(fù)載運(yùn)行時(shí)同步發(fā)電機(jī)的磁場和電樞反應(yīng),接三相對稱負(fù)載,三、電樞反應(yīng),電樞基波磁動(dòng)勢對氣隙基波磁場的影響稱為電樞反應(yīng)反應(yīng),電樞反應(yīng)的性質(zhì)（增磁、去磁或交磁）取決于兩個(gè)磁勢Ff 和Fa 在空間的相對位置,電樞反應(yīng)的結(jié)果： 1、使氣隙磁場產(chǎn)生畸變； 2、增磁、去磁或交磁作用,由于E0滯后0 （即滯后Ff）900。而I與Fa相位相同。 所以研究Ff 和Fa 的相對位置，可歸納為研究I與E0 的相位差 稱為內(nèi)功率因數(shù)角，電樞反應(yīng)的性質(zhì)取 決于 。即負(fù)載的性質(zhì),1. o = 00 時(shí) (電樞電流I 與激磁電動(dòng)勢E0同相,下面根據(jù)不同的 角

7、，分幾種情況分析電樞反應(yīng)的性質(zhì),A相電勢最大 A相電流最大 三相旋轉(zhuǎn)磁勢的幅值在A相繞組軸線上,產(chǎn)生交軸電樞反應(yīng)，使氣隙磁場的空間相位改變，轉(zhuǎn)子磁極 受到轉(zhuǎn)矩作用，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換,a）氣隙合成磁場與主磁場的相對位置 （b）時(shí)-空矢量圖,由于出現(xiàn)交軸電樞反應(yīng)，使氣隙合成磁場B與主磁場B0之間形成一定的空間相差角，從而產(chǎn)生一定的電磁轉(zhuǎn)矩。對于同步發(fā)電機(jī)， =0 時(shí)，Bo 超前B角，主極上受到一制動(dòng)性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩,所以交軸電樞磁動(dòng)勢與電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生及能量轉(zhuǎn)換直接相關(guān),以后將證明同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與sin成正比,交軸磁動(dòng)勢所產(chǎn)生的電樞反應(yīng)為交軸電樞反應(yīng),2. o =900 時(shí),o=900,產(chǎn)生直

8、軸電樞反應(yīng)，使氣隙磁場減弱，去磁,o= -900 產(chǎn)生直軸電樞反應(yīng)助磁，使氣隙磁場增強(qiáng)，增磁,只有直軸電樞反應(yīng)時(shí)，氣隙磁場的空間相位不變，轉(zhuǎn)子不受轉(zhuǎn) 矩的作用,3. 0o900時(shí),結(jié)論：（對于同步發(fā)電機(jī)） 若I滯后Eo，則直軸電樞反應(yīng)是去磁的。 若I超前Eo，則直軸電樞反應(yīng)是增磁的,28.3隱極同步發(fā)電機(jī)電勢方程、同步電抗和相量圖,一、磁路不飽和時(shí),線性系統(tǒng)，可使用迭加原理進(jìn)行分析,轉(zhuǎn)子,定子,本節(jié)研究隱極同步發(fā)電機(jī)電壓平衡方程式，相量圖和等效電路。（分不飽和及飽和兩種情況來分析,1、電壓方程式,同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)的電磁過程如下,E0：激磁電勢 Ea：電樞反應(yīng)電勢 E：合成電勢,不計(jì)飽和時(shí),

9、同步電抗表征對稱穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)電樞反應(yīng)和電樞漏磁 兩個(gè)效應(yīng)的一個(gè)綜合參數(shù)，不計(jì)飽和時(shí), Xs為一常數(shù),Ra,j Xs,o,o,隱極同步發(fā)電機(jī)的相量圖,2、相量圖,3、等效電路,等效電路如圖所示。其中,隱極同步發(fā)電機(jī)等效電路,28.4凸極同步發(fā)電機(jī)電勢方程、同步電抗和相量圖,特點(diǎn)：氣隙不均勻,Fa 產(chǎn)生的 a不但與 Fa 有關(guān)，還與o有關(guān)， 解決的辦法：采用雙反應(yīng)理論進(jìn)行分析,一. 雙反應(yīng)理論,本節(jié)討論凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程、相量圖和等效電路,由于凸極電機(jī)極靴部分氣隙小，兩極之間部分氣隙大，所以電樞 圓周上的磁導(dǎo)各不相同。的變化與主極軸線對稱，并以1800 電角度為一周期。因此 可用僅含偶次諧波的

10、余弦級(jí)數(shù)表示,當(dāng)正弦分布的電樞磁勢 作用于直軸上時(shí),不計(jì)飽和時(shí)，可利用雙反應(yīng)理論和疊加原理，即主極磁場，直軸電樞反應(yīng)磁場和交軸電樞反應(yīng)磁場各自在定子繞組中感應(yīng)電勢，這些電勢的總和為一相繞組的合成電動(dòng)勢（即氣隙電動(dòng)勢,已知 、 、COS及電機(jī)參數(shù)，先假定0，畫相量圖步驟如下,凸極同步發(fā)電機(jī)的相量圖,o,d,o,q,Ra,j qXq,j d Xd,o,當(dāng)U、I、cos已知（若Ra,、Xd,、Xq已知）可計(jì)算出0,凸極同步發(fā)電機(jī)的等效電路,Ra,jXq,Q,o,q,d,jd(Xd-Xq,o,o 角的確定,求： E0,解,3,4,6.5 同步發(fā)電機(jī)的功率方程和轉(zhuǎn)矩方程,ns,I f B0 pFe 鐵心

11、損耗 （轉(zhuǎn)子鐵心中磁場恒定無鐵耗,m：定子相數(shù)。 U、I：定子每相電壓和電流,二. 轉(zhuǎn)矩方程,P1(p +pFe) = Pe T1T0 = Te,三. 電磁功率及能量轉(zhuǎn)換,28.5 同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性,一、外特性,同步發(fā)電機(jī)的外特性,由外特性求電壓調(diào)整率,二、調(diào)整特性,同步發(fā)電機(jī)的調(diào)整特性,28.6 同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的并聯(lián),本節(jié)主要討論并聯(lián)運(yùn)行的條件，以及并聯(lián)后發(fā)電機(jī)有功，無功功率的調(diào)節(jié),電網(wǎng) 無窮大,1、投入并聯(lián)的條件 同步發(fā)電機(jī)投入并聯(lián)時(shí)，為了避免電機(jī)和電網(wǎng)中產(chǎn)生沖擊電流及由此產(chǎn)生的沖擊轉(zhuǎn)矩，待投入并聯(lián)的發(fā)電機(jī)必須滿足以下條件： （1）發(fā)電機(jī)的相序應(yīng)于電網(wǎng)一致。 （2）發(fā)電機(jī)的頻率應(yīng)

12、與電網(wǎng)相同。 （3）發(fā)電機(jī)的E0應(yīng)與電網(wǎng)電壓U大小相等，相位相同,以上三個(gè)條件中，第一條必須滿足,一、投入并聯(lián)的條件和方法,1）準(zhǔn)整步法,直接接法,同步指示器：最簡單的同步指示器為三個(gè)指示燈,準(zhǔn)整步的優(yōu)點(diǎn)是：投入瞬間電網(wǎng)和電機(jī)沒有沖擊； 缺點(diǎn)是： 整步手續(xù)比較復(fù)雜,符合并網(wǎng)條件后合閘并網(wǎng),2、投入并聯(lián)的方法,二、同步發(fā)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩方程,n1,I f B0 pFe 鐵心損耗 （轉(zhuǎn)子鐵心中磁場恒定無鐵耗,m：定子相數(shù)。 U、I：定子每相電壓和電流,2. 轉(zhuǎn)矩方程,P1(pm +pFe) = PM T1T0 = TM,三、同步發(fā)電機(jī)的功角特性,轉(zhuǎn)子無勵(lì)磁，僅靠Pe2工作時(shí)，稱為磁阻電機(jī),四、有功

13、功率的調(diào)節(jié)和靜態(tài)穩(wěn)定,1、有功功率的調(diào)節(jié) 現(xiàn)代電力系統(tǒng)的容量都很大，其頻率和電壓基本不受負(fù)載變化和其他擾動(dòng)的影響而保持為常值,這種恒頻恒壓的交流電網(wǎng)，稱為無窮大電網(wǎng)。當(dāng)發(fā)電機(jī)并聯(lián)于無窮大電網(wǎng)時(shí)，可向電網(wǎng)輸出功率。 下面以隱極電機(jī)為例說明同步發(fā)電機(jī)與無窮大電網(wǎng)并聯(lián)時(shí)有功功率的調(diào)節(jié)，為簡化分析略去Ra不計(jì)，設(shè)發(fā)電機(jī)已接到一個(gè)無窮大電網(wǎng),從物理模型看，分解出切向力，使轉(zhuǎn)子上受到一制動(dòng)性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩，當(dāng)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩與原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩相平衡時(shí)。功率就不再增大，這時(shí)轉(zhuǎn)子主極磁場拉著氣隙磁場以同步速旋轉(zhuǎn)，將輸入的機(jī)械功率變?yōu)殡姽β瘦敵?，在功角特性上對?yīng)于A點(diǎn)。 由此可見，要調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出的有功功率，必須調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)

14、的輸入功率，使增大，電磁功率和輸出功率便會(huì)相應(yīng)增加。 原動(dòng)機(jī)輸入功率的增加不是無限制的，對于隱極電機(jī)，當(dāng)達(dá)到90時(shí)，電磁功率達(dá)到最大值。即隱極同步發(fā)電機(jī)的功率極限值,2、靜態(tài)穩(wěn)定,090度為穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域,為了使發(fā)電機(jī)能穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，應(yīng)使發(fā)電機(jī)的功率 極限比額定功率大一定的倍數(shù)，這個(gè)倍數(shù)稱為 過載能力,五、無功功率的調(diào)節(jié)和V形曲線,接到電網(wǎng)上的負(fù)載多數(shù)都是電感性的，所以與電網(wǎng)并聯(lián)的發(fā)電機(jī)不僅要向電網(wǎng)輸出有功功率，而且還要輸出無功功率。 下面以隱極同步發(fā)電機(jī)為例來說明同步發(fā)電機(jī)與無窮大電網(wǎng)并聯(lián)時(shí)無功功率的調(diào)節(jié)問題。 原動(dòng)機(jī)的輸入有功功率保持不變,o,o,o,jXs,jXs,jXs,B,A,C,D,Eo

15、sin=常值,Icos=常值,28.7同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài),與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比，同步電動(dòng)機(jī)的主要特點(diǎn)是：轉(zhuǎn)速與負(fù)載大小無關(guān)始終保持為 同步速，且功率因數(shù)可調(diào)。 因此廣泛應(yīng)用于大功率恒轉(zhuǎn)速的機(jī)械負(fù)載，如空氣壓縮機(jī)、粉碎機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、水泵 及電動(dòng)發(fā)電機(jī)組 同步補(bǔ)償機(jī)相當(dāng)于空載運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)，用于補(bǔ)償電網(wǎng)的無功功率和功率因數(shù),一、同步電機(jī)的可逆原理,這時(shí)如在軸上加負(fù)載，即輸出機(jī)械功率變?yōu)殡妱?dòng)機(jī)運(yùn)行,同步發(fā)電機(jī) 空載同步發(fā)電機(jī) 同步電動(dòng)機(jī),二、同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程和相量圖,若仍用發(fā)電機(jī)慣例分析,I超前E0電樞反應(yīng)為增磁 I滯后E0電樞反應(yīng)為去磁,大于900，即此時(shí)發(fā)出負(fù)的電功率， 相當(dāng)于輸入正功率,o,

16、jMXs,oM,M,MRa,M=,隱極同步電動(dòng)機(jī)相量圖,隱極同步電動(dòng)機(jī)等效電路,o,MRa,M=,M,oM,dM,qM,jdMXd,jqMXq,凸極同步電動(dòng)機(jī)相量圖,三、同步電動(dòng)機(jī)的功角特性,1、功角特性 （Ra = 0,整步功率系數(shù) 及過載能力 與發(fā)電機(jī)相同,隱極同步電動(dòng)機(jī)，忽略Ra,四、同步電動(dòng)機(jī)的V型曲線運(yùn)行特性,o,o,o,EosinM=常值,IMcosM =常值,M,M,M,jMXs,jMXs,jMXs,A,B,C,D,電機(jī)學(xué)圖片段.shs,改變勵(lì)磁時(shí)同步電動(dòng)機(jī)相量圖,同步電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié) If 可改變功率因數(shù)，這是同步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)之一,同步電機(jī)機(jī)與感應(yīng)電機(jī)同時(shí)接入電網(wǎng)，并使同步機(jī)處于過勵(lì)

17、狀態(tài),例6-5,過勵(lì)時(shí)功率因數(shù)變?yōu)槌?五、同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法,注：勵(lì)磁繞組切勿開路，且必須串一大電阻 （為限制單轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩,2、 輔助電機(jī)起動(dòng) 同極數(shù)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，容量約為主機(jī)容量的（10 15）% 的感應(yīng)電機(jī)作為輔機(jī)，拖動(dòng)主機(jī)使 n 接近同步速時(shí)，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組加入If ，由同步轉(zhuǎn)矩拖入同步。 缺點(diǎn)：不能帶載起動(dòng)，否則輔機(jī)容量太大,3、變頻起動(dòng) 起動(dòng)時(shí)f1 很低，隨著n逐步增加f1 最后達(dá)到 fN, 改變定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速利用同步轉(zhuǎn)矩起動(dòng)。 缺點(diǎn)：必須具備變頻電源,28.8同步電機(jī)的勵(lì)磁方式,供給同步電機(jī)勵(lì)磁的裝置，稱為勵(lì)磁系統(tǒng)。獲得勵(lì)磁電流的方式稱為勵(lì)磁方式。為保證同步電機(jī)的正常運(yùn)行，勵(lì)磁系統(tǒng)

18、應(yīng)滿足以下要求,1）能穩(wěn)定地提供同步電機(jī)從空載到滿載到過載所需的勵(lì)磁電流 （2）當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障使電網(wǎng)電壓降低時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)能快速強(qiáng) 行勵(lì)磁以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性； （3）當(dāng)同步機(jī)內(nèi)部發(fā)生短路故障時(shí)，應(yīng)能快速滅磁,1、直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁,直流勵(lì)磁機(jī)與同步發(fā)電機(jī)同軸并采用并勵(lì)接法。 Rt接到自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，自動(dòng)調(diào)節(jié)If K的作用是強(qiáng)行勵(lì)磁，（K閉合，切除Rt，使勵(lì)磁機(jī)輸出電壓大大提高,同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng),有時(shí)為了提高勵(lì)磁系統(tǒng)的響應(yīng)速度，直流勵(lì)磁機(jī)本身的勵(lì)磁電流If采用它勵(lì)式，由同軸的副勵(lì)磁機(jī)供給，但由于多了一臺(tái)副勵(lì)磁機(jī)，使設(shè)備復(fù)雜，降低了運(yùn)行的可靠性,直流發(fā)電機(jī)與同步發(fā)電機(jī)同軸 并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)（副勵(lì)磁機(jī)） + 他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)（主勵(lì)磁機(jī)） 采用直流勵(lì)磁機(jī)主要問題是高速、大容量勵(lì)磁機(jī)換向困難。 目前一般容量汽輪機(jī)和低速水輪機(jī)中大部分采用直流勵(lì)磁機(jī),帶勵(lì)磁機(jī)的同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng),1）他勵(lì)式,他勵(lì)式由交流主勵(lì)磁機(jī)，交流副勵(lì)磁機(jī)，硅整流裝置和電壓調(diào)整器組成。 主勵(lì)磁機(jī)是一臺(tái)與同步發(fā)電機(jī)同軸連接的三相同步發(fā)電機(jī)（頻率通常為1