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1、第六章 同步电机的稳态分析,同步发电机，视为一个有内阻抗的电源！,6.1 同步电机的基本结构和运行状态,同步电机,一、同步电机的基本结构,旋转电枢式,旋转磁极式,隐极式（Salient-pole）,凸极式（Cylindrical-Rotor）,基本结构形式,N,S,+,隐极式,结构特点：转子是长圆柱形，气隙较为均匀，转子表面有大齿和小齿之分。一对极，由汽轮机拖动，称汽轮发电机,高速,N,S,隐极式,直轴，大齿中心,交轴,联想到直流电机的交轴电枢反应和直轴电枢反应！,N,S,N,S,+,凸极式,结构特点：转子是扁盘状，转子表面有明显凸出的磁极，气隙为不均匀。多对极，通常由水轮机拖动，称水轮发电机
2、,低速,N,S,N,S,凸极式,直轴，磁极中心,交轴,直轴和交轴的气隙不均匀,联想到直流电机的交轴电枢反应和直轴电枢反应！,1、汽轮发电机结构 （1）定子铁心,返回,返回,1、汽轮发电机结构,返回,2、水轮发电机结构,(1)立式水轮发电机,(2)卧式水轮发电机,2、水轮发电机结构转子结构,10000kW水轮机转子,1.发电环节各种电机,引进600MW汽轮发电机,国产300MW汽轮发电机,国产200MW汽轮发电机定子,国产200MW汽轮发电机定子铁心,现场运行的水轮发电机,.1同步电机的基本工作原理与结构,发电机的物理过程可用图示表示,.1.2 同步电机的基本工作原理与分类,一、同步发电机的基本
3、工作原理,大小：,频率：,励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁场，原动机拖动转子以转速 旋转时，其磁场切割定子绕组而感应交流电动势 .,相序：由转子的转向决定。,波形：由 可知，波形取决于 的空间分布。,二、同步电机的运行状态,发电机把机械能转换为电能,电动机把电能转换为机械能,补偿机中没有有功功率的转换，专门发出或吸收无功功率，调节电网的功率因数,同步电机运行于哪一种状态，主要取决于定子合成磁场与转子主磁场之间的夹角，称为功率角,定子合成磁场等效磁极(电气旋转磁场）,转子主磁极(机械旋转磁场),直轴,作功和电枢反应的性质，取决于电气旋转磁场（定子合成磁场）轴线和直轴之间的电角度。,N,No,No
4、,No,N,N,So,So,S,S,S,So,主极,主极,同步电机的三种运行状态,发电机,补偿机,电动机,三、同步电机的励磁方式,直流励磁机励磁,整流器励磁静止式和旋转式,整流器励磁又分为静止式和旋转式两种。图6-9表示静止整流器励磁系统的原理图,直流励磁机通常与同步发电机同轴，采用并励或他励接法。如图68所示,四、额定值,额定容量SN(或额定功率PN) 指额定运行时电机的输出功率。单位kVA表示容量，单位kW表示有功功率 额定电压UN 指额定运行时定子的线电压 额定电流IN 指额定运行时定子的线电流 额定功率因数cos 指额定运行时电机的功率因数 额定频率fN 指额定运行时电枢的频率。我国标
5、准工频规定为50Hz 额定转速nN 指额定运行时电机的转速，对同步电机而言，即为同步转速,6.2 空载和负载时同步发电机的磁场,一、空载运行空载运行时，同步电机内仅有由励磁电流所建立的主极磁场。,主磁通0通过气隙并与定子绕组相交链，主磁通所经过的主磁路包括空气隙、电枢齿、电枢轭、磁极极身和转子轭等五部分,漏磁通f不通过气隙，仅与励磁绕组相交链,当转子以同步转速旋转时，主磁场将在气隙中形成一个旋转磁场，它“切割”对称的三相定子绕组后，就会在定子绕组内感应出一组频率为f的对称三相电动势，称为激磁电动势,空载特性是同步电机的一条基本特性,气隙线,空载特性,二 、对称负载时的电枢反应,当定子接上负载后
6、，电枢绕组将流过对称三相电流，定子电枢电流将产生电枢磁动势,电枢磁动势与励磁磁动势相互作用形成负载时气隙中的合成磁动势，并建立负载时的气隙磁场。这时尽管励磁电流没有改变，但气隙磁场已经不同于原来的励磁磁场。,对称负载时电枢磁动势的基波对主极磁动势基波的影响称为电枢反应。,电枢反应的性质取决于电枢磁动势与励磁磁动势的空间相对位置,二、对称负载时的电枢反应,电枢磁动势的基波在气隙中所产生的磁场就称为电枢反应。 电枢反应的性质(增磁、去磁或交磁)取决于电枢磁动势和主磁场在空间的相对位置。,使合成磁场轴线位置从空载时的直轴处，逆转向后移了一个锐角，而幅值也有所增加,a) 滞后于 时的空间矢量图,a)
7、滞后于 时的空间矢量图,从电流角度分析,b) 超前于 时的空间矢量图,电枢磁动势,1. 若同步发电机单独供电给一组负载，则负载后，去磁或者增磁性的直轴电枢反应将使气隙内的合成磁通减少或者增加，从而使发电机的端电压产生变动。,2. 若同步发电机接在电网上，由于电压受到电网控制而不可撼动，将影响无功功率和功率因数。,电枢反应后的同步电机磁场,负载后励磁磁动势和电枢磁动势形成了一个合成磁场,交轴电枢反应使气隙磁场发生畸变. 实际磁场分布和直流电机相似. 气隙合成磁场扭斜的程度越大，使在磁场间所产生的切向力及电磁转矩和电磁功率就越大。 功率角正是来刻划这种扭斜的程度。,6.3 隐极同步发电机的电压方程
8、、相量图和等效电路,一、不考虑磁饱和，同步发电机负载运行时,相值,电枢反应电势,气隙电势,同步电抗,隐极同步发电机的等效电路,带有内阻抗的电源,隐极同步发电机的向量图,隐极同步发电机的向量图,隐极同步发电机的向量图绘制步骤,隐极同步发电机的向量图的分析,隐极同步发电机的向量图的分析,6.4 凸极同步发电机的电压方程和相量图,一、双反应理论 考虑到凸极电机气隙的不均匀性，把电枢反应分成直轴和交轴电枢反应分别来处理的方法，就称为双反应理论。,凸极电机气隙是不均匀的，但是围绕直轴和交轴是对称的,!,直轴和交轴是对称分解后，采用叠加原理,当同样大小的磁动势作用在交轴上时，由于q较小，在极间区域，交轴电
9、枢磁场出现明显下凹，相对来讲，基波幅值Baq1将显著减小,当正弦分布的电枢磁动势作用在直轴上时，由于d较大，故在一定大小的磁动势下，直轴基波磁场的幅值Bad1相对较大。,直轴下单位面积的气隙 磁导d (d0d),交轴下单位面积的气隙 磁导q (q0q),一般情况下，若电枢磁动势既不在直轴、亦不在交轴而是在空间任意位置处，可把电枢磁动势分解成直轴和交轴两个分量(如图618b)，再用对应的直轴磁导和交轴磁导分别算出直轴和交轴电枢反应，最后把它们的效果叠加起来,二、凸极同步发电机的电压方程和相量图,相值,气隙电动势,激磁电动势,再从气隙电动势减去电枢绕组的电阻和漏抗压降，便得电枢的端电压U采用发电机
10、惯例，电枢的电压方程为,凸极同步发电机的向量图,角的确定,向量图绘制步骤,凸极机和隐极机的一致性.,凸极同步发电机的等效电路图,凸极同步电机电枢反应磁通及所经磁路及磁导,直轴电枢磁导,交轴电枢磁导,三、直轴和交轴同步电抗的意义,由于电抗与绕组匝数的平方和所经磁路的磁导成正比，所以 如图6-22所示。对于凸极电机，由于直轴下的气隙较交轴下小， ，所以XadXaq，因此在凸极同步电机中，XdXq。对于隐极电机，由于气隙是均匀的，故XdXqXs,例题,转换功率电磁功率,6.5 同步发电机的功率方程和转矩方程,一、功率方程和电磁功率 功率方程,发电机轴上输入的机械功率Pl,若转子励磁损耗由另外的直流电
11、源供给,机械损耗,定子铁耗,凸极发电机向量图,Iq=0 Pe=0,隐极发电机向量图,Iq=0 Pe=0,结论,要进行能量转换，电枢电流中必须要有交轴电流分量Iq。,在发电机中，交轴电枢反应使主极磁场超前于气隙合成磁场，使主极受到一个制动性质的电磁转矩；,在旋转过程中，原动机的驱动转矩克服制动的电磁转矩而做功，同时通过电磁感应在电枢绕组内产生电动势并向电网送出有功电流，使机械能转换为电能。,二、转矩方程,原动机的驱动转矩,电磁转矩,发电机的空载转矩,6.6 同步电机参数的测定,一、用空载特性和短路特性确定Xd 空载特性可以用空载试验测出。试验时，电枢开路 (空载)，用原动机把被试同步电机拖动到同
12、步转速，改变励磁电流If，并记取相应的电枢端电压U0 (空载时即等于E0，直到U01.25UN左右，可得空载特性曲线。,气隙线,将被试同步电机的电枢端点三相短路，用原动机拖动被试电机到同步转速，调节励磁电流If使电枢电流I从零起一直增加到1.2IN左右，便可得到短路特性曲线，如图624b所示.,短路时，端电压U=0,短路时，端电压U=0，短路电流仅受电机本身阻抗的限制。 通常电枢电阻远小于 同步电抗，因此短路电流可认为是纯感性，此时电枢磁动势接近于纯去磁性的直轴磁动势，因而电机的磁路处于不饱和状态，故短路特性是一条直线。,因为短路试验时磁路为不饱和，E0 (每相值) 应从气隙线上查出，求出的X
13、d值为不饱和值,由于短路特性和气隙线都是直线，因此在任一非零励磁点，E0和I的比值均相等。表明Xd的不饱和值与工作点无关,气隙线,短路特性,Xd的饱和值与主磁路的饱和情况有关。主磁路的饱和程度取决于实际运行时作用在主磁路上的合成磁动势，因而取决于相应的气隙电动势；如果不计漏阻抗压降，则可近似认为取决于电枢的端电压，所以通常用对应于额定电压时的Xd值作为其饱和值。为此，从空载曲线上查出对应于额定端电压UN时的励磁电流If0，再从短路特性上查出与该励磁电流相应的短路电流，如图626所示，这样即可求出 Xd(饱和),来自于空载特性曲线,来自于短路特性曲线,共同点在于相同的励磁,Xd (饱和)的确定,
14、气隙线,空载特性,短路特性,例题,气隙线,空载特性,短路特性,6.7 同步发电机的运行特性,同步发电机的稳态运行特性包括外特性、调整特性和效率特性 1。外特性：即nnS，If=常值，cos=常值时，U=f(I)。,cos=0.8滞后,cos=1,cos=0.8超前,电压调整率：,凸极机：18-30； 隐极机：30-48,2。调整特性 ：nnS，U =UN，cos=常值时，If=f(I)。,cos=0.8滞后,cos=1,cos=0.8超前,效率特性：n=nS，U =UN，cos= cosN时，=f(P2)。,6.8 同步发电机与电网的并联运行,把同步发电机并联至电网的过程称为投入并联，或称为并
15、列、并车、整步。在并车时必须避免产生巨大的冲击电流，以防止同步发电机受到损坏、电网遭受干扰,并车前必须检查发电机和电网是否适合以下条件： 相序一致频率相同发电机激磁电势与电网电压大小、相位相同,投入并网的方法一：准确整步法,自整步法,在相序一致的情况下将励磁绕组通过适当的电阻短接，再用原动机把发电机拖动到接近同步转速(相差25)，在没有接通励磁电流的情况下将发电机接入电网，再接通励磁，依靠定子磁场和转子磁场之间的电磁转矩将转子拉入同步转速，并车过程即告结束。,二、与电网并联运行时的功角特性,强调：要区分同步发电机是单机运行还是并网运行,若为单机运行，其电压和频率有可能发生变化，并且功率因数是由
16、负载决定的。,若为并网运行，因受电网的制约，所以电压的大小与频率同电网严格保持一致，理论上认为不变，即电压和频率为常量。并网时同步发电机的功率因数是可以调节的,功角特性,功角特性推导,隐极机,凸极机,E0激磁电势,U电网电压,功角特性,凸极机,隐极机,静态稳定,扰动发电机输入功率的微动 静态稳定瞬时扰动消除后继续保持原来的平衡运行状态,结论：处于功角特性的曲线上升部分的工作点，是静态稳定的，即,过载能力：,增强系统的静态稳定性：,900,Pe,Pe max,1800,Pe1,有功功率的调节,输出超前无功功率 吸收滞后无功功率,增大有功，保持励磁不变的相量图,四、无功功率的调节,调节励磁时原动机
17、的输入有功功率保持不变。,四、无功功率的调节,A,B,C,D,四、无功功率的调节,A,B,C,D,欠励 掌握结论!,四、无功功率的调节,A,B,C,D,随着励磁的增大，功角在减小；,同步发电机V型曲线,对于每一个Pe都可以测出一条V型曲线，Pe愈大，则曲线愈上移,同步发电机V型曲线 P2=0,有功为0 无功为0,过励,欠励,正常励磁,有功为0 输出滞后无功,有功为0 输出超前无功吸收滞后无功,现象解释,调节励磁就可以调节无功功率这一现象，可用磁动势平衡关系来解释。 发电机和无穷大电网并联时，其端电压恒为常值，所以无论励磁如何变化，电枢绕组的合成磁通不变。 当增加励磁电流并达到“过励”时，主磁通
18、增多，为维持电枢绕组的合成磁通不变，电机应输出滞后电流，使去磁性的电枢反应增加，以补偿过多的主磁通。 反之，减少励磁电流而变为“欠励”时，主磁通减少，发电机必须输出超前(吸收滞后)电流，以减少去磁性的电枢反应，甚至使电枢反应变为增磁性以补偿主磁通的不足。,增大有功，调节励磁保持无功不变,结论：有功增大，无功不变时，功角增大,6.9 同步电动机与同步补偿机,同步电动机的特点是，稳态运行时，转速与负载大小无关始终保持为同步转速，且其功率因数可以调节。,在恒转速负载及需要改善功率因数的场合，常常优先选用同步电动机。,同步补偿机则是一种专门用来补偿电网无功功率和功率因数的同步电机,1.隐极同步电动机的
19、电压方程和向量图,1.隐极同步电动机的电压方程和向量图,2.凸极同步电动机的电压方程和向量图,2.凸极同步电动机的电压方程和向量图,发电机 惯 例,电动机 惯 例,二、同步电动机的功角特性、功率方程和转矩方程,驱动转矩,注意：电动机从电功率角度是讲吸收！,三、同步电动机的运行特性,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,0.8,0.6,0,0.25,0.50,0.75,1.00,滞后,超前,1,2,3,调有功,调无功,电动机惯例是吸收,感应电机需从电网吸取滞后的无功功率用于励磁,致使电网的功率因数降低. 而同步电机运行时,可以调节其励磁电流来改善电网的功率因数.,A,B,C,D,同步电动机V型曲线,过励,欠励,发：输出滞后无功,发：输出超前无功,正常励磁,吸收滞后无功,吸收超前无功,注意站在电动机的角度是吸收,带副励磁机的励磁系统,G,G,副励磁机,主励磁机,同步发电机,静止整流器励磁系统,交流副励磁机,交流主励磁机,不可控整流起器,电压调整器,主发电机,电压互感器,电流互感器,可控整流起器,自励恒压器,功率角的时、空间含义,