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1、注册电气工程师执业资格考试 专业基础部分,第四章 电气工程基础,第九讲 同步电机,考试大纲要求,第九讲 同步电机,第九讲 同步电机,以汽轮发电机为例:,汽轮同步电机的基本结构,汽轮发电机结构 （1）定子铁心,汽轮发电机结构 （2）定子绕组,汽轮发电机结构,水轮发电机结构,(1)立式水轮发电机,(2)卧式水轮发电机,水轮发电机结构,(3)灯泡贯流式水轮发电机,水轮发电机结构,(4)转子结构,10000kW水轮机转子,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,同步电机的基本工作原理及其
2、分类,一、三相同步发电机的基本工作原理,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。,三相同步发电机的物理过程可用图示表示,同步电机的分类,按运行方式，同步电机分发电机、电动机和调相机。,按结构型式，同步电机分旋转电枢式和旋转磁极式。,旋转磁极式同步电机按磁极形状，又分隐极式和凸极式两种。,按原动机类别,同步电机分为汽轮发电机、水轮发电机和柴油发电机等。,汽轮发电机一般作成隐极式，现代汽轮发电机均为2极，转速为3000转/分钟，水轮发电机采用凸极式，极数多
3、，转速低。,同步电动机、柴油发电机和调相机一般作成凸极式。,按冷却介质和冷却方式分，有空外冷、氢冷、水内冷,同步电机的型号和额定值,一、型号,发电机型号表示该发电机的类型和特点,QFQS-200-2表示定子绕组水内冷、转子绕组氢内冷、铁心氢冷的二极汽轮发电机，容量为200MW。,854/210-40表示立式同步水轮发电机，定子铁心外径为854cm，定子铁心长度为210cm，有40个磁极。,对同步发电机额定值之间关系为：,额定运行时加在三相定子绕组上的线电压。,指电机额定运行时，输出功率的保证值。同步发电机是指输出的额定视在功率或有功功率，单位是KVA或KW。电动机额定容量是指额定条件下转轴上输
4、出的机械功率，单位是KW。调相机用KVA或Kvar表示。,在额定运行状态下三相定子绕组的线电流.,二、额定值,同步发电机的电枢反应,同步发电机转子由原动机拖动到同步转速，转子绕组通以恒定的直流励磁电流，定子电枢绕组开路，这种运行状态，称为同步发电机的空载运行。,一、同步发电机的空载特性,励磁电流If单独建立的励磁磁动势Ff产生的主、漏磁通。,主、漏磁通均随转子旋转，在气隙中形成旋转磁场。主磁通交链电枢绕组，在电枢绕组中感应电动势；,漏磁通不交链电枢绕组，不在电枢绕组中感应电动势，不参与定、转子之间的能量转换.,空载时电磁关系：,空载特性：,空载电动势 大小：,空载特性曲线：,电枢反应,电枢反应
5、:电机带上负载后，电枢磁动势的基波在气隙中使气隙 磁通的大小及位置均发生变化, 这种影响称为电枢反应.,电枢反应的性质，取决于电枢磁动势基波 和励磁磁动势基波 之间的相对位置， 即与空载电动势 和电枢电流 之间的夹角 有关.,励磁磁势和电枢磁势的区别,准备工作,1.三个角,1)内功率因数角,是 与 之间的时间相位角,与电机参数及负载有关.,2)外功率因数角,是 与 之间的时间相位角,与负载有关.,3)功率角(功角),是 与 之间的时间相位角.,三个角之间的关系为,2.四个轴,直轴(纵轴、d轴）：主磁极轴线位置。,交轴（横轴、q轴）： 与直轴成900电角度的位置。,相轴： 每相绕组的轴线位置。,
6、时轴： 时间相量在其上投影可得到时间量的瞬时值。,1. 时的电枢反应,电枢反应性质： 交轴电枢反应,空载电动势 和电枢电流 同相位.,2. 时的电枢反应,空载电动势 超前电枢电流,3. 时的电枢反应,空载电动势 滞后电枢电流,空载电动势 超前电枢电流 角,4. 的电枢反应,此种情况下,-直轴分量 -交轴分量,-直轴分量电流产生的合成磁动势 -交轴分量电流产生的合成磁动势,一般情况下的电枢反应（总结）,三、电磁转矩,同步发电机带上负载后，电枢电流建立电枢反应磁场，它与励磁电流作用产生电磁力，在某些情况下形成电磁转矩，实现机电能量转换。,输出的有功功率越大，有功分量电流就越大，交轴电枢反应越强，电
7、磁转矩越大，为了保持电机的转速不变，要求原动机输入更大的驱动转矩调节有功功率。,1.有功电流产生电磁力,形成电磁转矩,当发电机带有功负载(阻性负载)时,可以近似认为,即，电枢绕组流过有功电流时,产生交轴电枢反应磁场。励磁绕组载流体在该磁场作用产生电磁力，并形成制动性质的电磁转矩。,2.无功电流产生电磁力但不形成转矩,说明发电机带感性(或容性)无功负载时,不需要原动机增加能量。,但是直轴去磁（或助磁）电枢反应对气隙磁场有去磁（或助磁）作用，致使发电机端电压下降（或上升）。为维持电压恒定，励磁电流需要相应增加（或减小）调节无功功率。,发电机带电感或电容负载(无功负载)时,可以认为,产生直轴去磁(或
8、助磁)电枢反应磁场。励磁绕组载流体在该磁场作用产生电磁力，但不形成电磁转矩。,同步发电机的电动势方程和相量图,一、同步电抗,由于定子漏磁通的路径主要是气隙，磁路不饱和，所以漏抗为常数。,不考虑磁路饱和时,各电动势与其对应的电流成正比,即有,对应 的直轴电枢反应电抗,对应 的交轴电枢反应电抗,对应 的漏电抗,对于凸极同步电机,由于直轴气隙比交轴气隙小，直轴磁阻比交轴磁阻小，所以有,对隐极同步电机，由于气隙均匀，交、直轴的磁阻大小相等，即认为,电枢反应电抗为三相对称电枢电流产生合成的电枢反应磁场感应于一相的电枢电动势与其对应的相电流的比值，它综合反映三相对称电流产生的合成电枢反应磁场对定子一相的影
9、响。,隐极发电机对应 的电枢反应电抗,当三相对称电流流过电枢绕组时，产生电枢反应磁通和漏磁通，分别在电枢绕组中感应电枢反应电动势和漏感电动势。,对隐极电机，全部电动势为,称为隐极电机的同步电抗，是电枢反应电抗和漏抗之和。同步发电机正常运行时，磁路略呈饱和，磁路越饱和，所对应的电抗越小。,对凸极电机,分别称为直轴和交轴同步电抗。,直轴磁路的气隙较小，应当考虑铁心饱和的影响，因而 具有饱和值和不饱和值之分；而交轴磁路气隙较大，可认为 只有非饱和值，为常量。,同步电抗是同步电机的一个重要参数，它是表征同步发电机稳定运行时电枢反应磁场和电枢漏磁场对电枢电路作用的一个综合参数。同步电抗的大小直接影响同步
10、发电机端电压随负载波动的程度和在大电网运行时的稳定性，也影响同步发电机短路电流大小。,一、凸极同步发电机的电动势方程和相量图,若正方向按图规定，则有,代入,得到凸极发电机的电动势方程,或,注意：方程式中的电压、电动势和电流均为相值。,凸极同步发电机的相量图作图步骤,若内功率因数角不知，可从以下公式求取,二、隐极同步发电机的电动势方程、等效电路和相量图,电磁关系：,电动势平衡方程,或,代入,可得到隐极发电机的电动势方程,根据电动势方程，可以作出隐极发电机的等效电路和相量图,等效电路,根据相量图可求出,相量图,由相量图可知,同步发电机的运行特性,一、空载特性,定义：,空载特性是发电机的基本特性之一
11、。它一方面表征了磁路的饱和情况，另一方面把它和短路特性、零功率因数负载特性配合，可确定电机的基本参数、额定励磁电流和电压变化率等。,实际生产中，它还可以检查三相电枢绕组的对称性、匝间短路、判断励磁绕组有无故障等。,二、短路特性,定义：,短路时的等效电路,1.短路特性,2.同步电抗的求取,根据公式,求xd不饱和值时,首先给定一励磁电流If，在空载特性的不饱和段或气隙线上确定对应If的E0值，然后在短路特性曲线上确定对应If的短路电流Ik的值,则,求取xd饱和值时，首先在空载特性上取对应额定电压UN的励磁电流If0，再从短路特性上取出对应If0的短路电流Ik，则,交轴同步电抗,三、外特性,定义：,
12、外特性曲线,当发电机带阻性和感性负载时，外特性是下降的，原因是电枢反应的去磁作用和电枢漏阻抗产生了电压降；带容性负载时且（发电机负载的容抗大于同步电抗）时，外特性是上升的，原因是电枢反应的助磁作用和容性电流在漏抗上的压降。,为了在不同功率因数下时能得到额定电压，感性负载时要增大励磁电流，容性负载时应减小励磁电流。,四、调节特性,定义：,调整特性曲线,在感性和阻性负载时，随着负载电流的增加，必须增加励磁电流，补偿电枢反应的去磁作用和漏阻抗压降，保持端电压恒定；对容性负载，随着负载电流的增加，必须减小励磁电流。,在功率因数一定情况下,根据调整特性曲线,可确定在负载变化范围内,维持电压不变所需的励磁
13、电流的变化范围。运行人员可利用调整特性曲线,使系统中无功功率的分配更合理一些。,同步电机的额定值,教材384页,例题讲解,教材385-386页 同步电机作为发电机运行时，转子空载电动势E0与电枢电流I之间不同相位差（内功率因数角）情况下，励磁磁动势、电枢磁动势、合成磁动势的关系,同步电机的电枢反应,同步电机的电枢反应,内功率因数角为0度时 空载电动势E0与电枢电流I同相位 空载磁动势（励磁磁动势）Ff相位超前 电枢磁动势Fa90度 合成磁动势,同步电机的电枢反应,内功率角为90度电枢电流滞后空载电动势E0 合成磁动势 数值关系,同步电机的电枢反应,内功率角为-90度电枢电流超前空载电动势E0
14、合成磁动势,同步电机的电枢反应,内功率角在0度与90度之间 电枢电流I滞后空载电动势E0任意一个角度 合成磁动势,同步电机的电枢反应,对于隐极同步电机 电枢磁动势Fa产生电枢反应磁通 在定子各绕组中感应出电枢反应电动势Ea，在不考虑磁路饱和的情况下，Ea与电枢电流I成正比，相位Ea滞后I 90度 电枢反应电抗越大，电枢反应电动势就越大，电枢反应电抗大小体现了电枢反应的强弱 教材386页,同步电机的电枢反应电抗和同步电抗,对于凸极同步电机气隙不均匀，极弧下气隙小，两极之间气隙大，同一电枢磁动势作用在不同位置时电枢反应便不一样，电枢反应磁场波形复杂，给计算带来很大困难 布朗戴尔双反应法磁路不饱和采
15、用的叠加原理：先把电枢基波磁动势Fa分解为两个磁动势，一个作用于直轴上，叫直轴电枢反应磁动势（Fad）,一个作用于交轴上，叫交轴电枢反应磁动势（Faq）,同步电机的电枢反应电抗和同步电抗,同时把电枢电流I沿直轴（d）和交轴（q）分解为直轴分量Id和交轴分量Iq，由直轴分量Id建立直轴电枢磁动势Fad，产生直轴电枢反应磁通，在定子每相绕组中感应直轴电枢反应电动势Ead，Ead与Id成正比，相位上滞后Id 90度 同理，对于交轴,同步电机的电枢反应电抗和同步电抗,漏电抗同步电机定子绕组流过电流I时产生的磁通有一部分只交链定子绕组本身而不进入转子,同步电机的电枢反应电抗和同步电抗,同步电抗,同步电机
16、的电枢反应电抗和同步电抗,对于隐极同步发电机 Xc为同步电抗,同步电机的等值电路与电动势平衡式,隐极同步发电机电动势向量,对于隐极电动机,同步电机的等值电路与电动势平衡式,凸极同步发电机,同步电机的等值电路与电动势平衡式,凸极同步发电机电动势相量图,凸极同步电动机,同步电机的等值电路与电动势平衡式,同步发电机并入电网的条件和方法,同步发电机及其转子,发电机组值班室仪表监测盘,教材391页,例题,教材390-391页,同步发电机并入电网的条件和方法,教材391页,例题,调节同步发电机的有功功率是通过调节原动机的输入功率实现调节汽轮机汽门的开度、调节水轮机水门的开度 对于并入电网的发电机，根据电网
17、的调度进行调节，发电机的有功功率的变化按照发电机的功角特性变化输出功率变大，功角增大；输出功率变小，功角减小 由于功角的变化不能超过允许的数值，为了保证发电机运行可靠性，提出了发电机静态过载倍数（静态过载能力）的要求,同步电机有功功率与无功功率调节,凸极同步发电机教材391-392页,同步发电机有功功率调节,隐极同步发电机教材392页,同步发电机有功功率调节,教材394页,例题,是静态稳定极限， 称为静态过载倍数或静态过载能力,同步发电机有功功率调节,同步发电机的无功功率的调节，是通过调节发电机的励磁电流来实现的 调解励磁电流过程中，发电机有功功率保持不变，电枢电流I和功率因素都改变 教材39
18、2页,同步发电机无功功率调节,往往把电枢电流I与励磁电流If之间的关系描绘成曲线并研究其相依关系，因曲线形状像英文字母的V，故称V形曲线教材392页,同步发电机无功功率调节,1.V形曲线的最低点表示正常励磁功率因数等于1； 2.低于正常励磁电流（欠励）状况下发出有功功率与超前的无功功率；高于正常励磁电流（过励）状况下发出有功功率与滞后的无功功率；有功功率始终保持不变； 3.同一个励磁电流情况下，有功功率越大，电枢电流就越大，V形曲线就越高； 4.越过励或越欠励，电枢电流都越大；过励受发热条件限制，欠励即受发热条件限制又受不稳定条件限制 教材392-393页,同步发电机无功功率调节,教材393页
19、,例题,同步电动机运行中的有功功率调节 1.有功功率功角特性同步电动机在电压一定、励磁电流一定、不计磁路饱和和忽略电枢绕组电阻的情况下，当负载变化时，电动机的电磁功率PM与功角之间的变化关系 教材394页,同步电动机的运行特性,对于隐极式同步电动机 功角为90度时出现最大电磁功率 教材394-395页,同步电动机的运行特性,对于凸极式同步电动机，功角特性表达式 凸极式同步电动机的功角特性曲线 教材394-395页,同步电动机的运行特性,过载倍数或称为过载能力 一般取为2至3 功角的物理含义：时间相位上是电压向量与空载电动势之间的夹角；空间相位上是定子等效磁极轴线与转子磁极轴线之间的夹角；作为电动机运行一定是定子等效磁极在前拖动转子磁极同步旋转，输出的功率大小反映在功角之上 教材395页,同步电动机的运行特性,V形曲线与同步发电机V形曲线的不同之处在于其欠励与过励时所对应的功率相位关系 问题：超前？滞后？,同步电动机的运行特性,转速特性同步电动机的转速时恒定的同步转速，不可调节 启动方法不能自启动、异步启动法,同步电动机的运行特性,真题测试,真题答案及解析,真题,真题答案及解析,真题,真题答案及解析,历年真题,2014年真题,答案及解析,习题解析,习题解析,历年真题,2014年真题,答案及解析,