第六章.ppt

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1、第六章 同步电机的稳态分析,主要内容：同步电机运行的基本方程式，运行特性。并联运行以及同步 电动机和同步补偿机及同步发电机的不对称运行。,发电机：将机械能变为电能，是主要用途。 按运行方式分 电动机：将电能变为机械能。用于不需调速的大功率机械。 补偿机：用来调节电网无功功率改善功率因数。,汽轮发电机：高速同步发电机，隐极式。 ( 火电） 按原动机类别分 水轮发电机：低速同步发电机，凸极式。（水电） 柴油(汽油)发电机：低速同步发电机，凸极式。（机车、 船舶，油田）,旋转电枢式：用于小容量电机。 按结构方式分 旋转磁极式：用于大容量电机，电刷和集电环负荷大 为减轻，广泛采用。,同步电机也视为双边

2、激磁的电机。定子边用交流励磁，产生旋转磁场； 转子用直流励磁，产生恒定磁场。定，转子磁场以磁拉力同步旋转。,6.1 同步电机的基本结构和运行状态,一、基本结构,同步电机分为,旋转电枢式：磁极装在定子上，用于小容量同步电机中。,旋转电枢式,旋转磁极式,旋转磁极式：磁极装在转子上，为大中型同步电机的基本形式。,旋转磁极式同步电机的结构,转子,定子,电刷和集电环,同步电机又分为隐极式和凸极式两种。,有明显的凸出的磁极，气隙不均匀，制作简单。,适合于高速发电机,适合于低速发电机,转子圆柱形，气隙均匀，转子机械强度高，励磁绕组固定容易。,汽轮发电机 由汽轮机驱动的同步发电机,p = 1 n = 3000

3、r/min (50Hz) n = 3600r/min (60Hz),采用隐极结构,转子细而长,转子高速旋转，对铁心的强度要求很高，就目前材料，转子直径不能超过1.1m。,基本采用卧式结构,水轮发电机 由水轮机驱动的同步发电机 n = 几十 几百r/min 极对数多 采用凸极结构 转子粗而短,励磁绕组为集中绕组,立式结构,阻尼绕组,阻尼绕组的结构与笼型感应电机的转子的笼型绕组相似。,阻尼绕组的作用,同步发电机中：抑制转子机械振荡,同步电动机和同步补偿机中：起动绕组,与感应电机一样同步电机定转子极数应相同。,二、同步电机的运行状态,转子磁场 转子通入直流励磁电流产生，与转子同步旋转。,定子磁场 定

4、子三相对称绕组流过三相对称电流产生，以同步速旋转（等于转子转速）。,同步电机有发电机、电动机、补偿机三种运行状态。,运行状态取决于磁场的相对位置,合成磁场 定子磁场和转子磁场的合成，以同步速旋转。,功率角 转子磁场轴线领先合成磁场轴线的夹角。, 0时，Te为制动转矩，原动机的驱动转矩与电磁转矩Te 平衡 。转子吸收机械功率，定子发出电功率。,发电机运行状态, 0 时，Te为驱动转矩，带动负载运行。转子输出机械功率，定子吸收电功率。,电动机运行状态, = 0 时，不进行能量转换，仅发出或吸收无功功率，补偿机。,补偿机运行状态,三、同步电机的励磁方式,1.电励磁,（1）直流励磁机励磁,并励直流发电

5、机（与同步电机同轴）,直流电机存在电刷和换向器，可靠性差，受换向限制，容量受限。,并励 + 他励直流发电机励磁,与并励直流发电机励磁相比，可提高励磁系统的反应速度，并使励磁机在较低的电压下也能稳定运行。,(2) 静止整流器励磁,他励式,优点：运行、维护方便，没有直流励磁机，使励磁容量得以提高，因而在大 容量汽轮发电机中得到了广泛的应用。,自励式,主发电机发出的功率经静止整流器整流为直流，然后通过电刷和滑环通入到主发电机的励磁绕组中。,系统的特点是系统简单，便于维护，电压稳定性好，动态性能好，目前在同步发电机中已经采用。,缺点：存在电刷滑环的滑动接触（薄弱环节）。,（3）旋转整流器励磁,副励磁机

6、 主励磁机 主发电机 无刷，适合大容量发电机。 （转极式） （转枢式） （转极式）,优点：取消了电刷和集电环，运行比较可靠，尤其适合于要求防爆、防燃的特殊场合。 缺点：发电机励磁回路的灭磁时间常数较大，不利于迅速消除主发电机的内部故障。,无刷励磁多用于大、中容量的汽轮发电机、补偿机以及在特殊环境下的同步发电机。,目前我国新装发电机容量一般为 30万kW 、60万kW、90万kW等。多采用整流器励磁系统。,单机容量越大， 电机效率越高。,2.永磁励磁,永磁励磁采用永磁材料建立同步电机的磁场。,优点：转子上无励磁绕组和励磁电流，取消了电刷和滑环，结构简单，运行可靠，效率高，维护工作量小；转子上永磁

7、材料的形状和尺寸可以灵活多样，尤其适合于低速和高速电机。,目前永磁励磁在小型和微型同步电机中获得了广泛应用。,永磁励磁的缺点是其磁场不能根据电机的运行状态进行方便和有效的调节，磁体容易退磁。,四、额定值,额定电压UN 单位为kV,额定电流IN 单位为A, kA,额定功率因数,额定频率 f N 单位为Hz,额定转速n N 单位为r/min,额定温升N,额定励磁电流和电压 IfN 、UfN,额定容量 SN 或额定功率PN 单位为 kW, kVA,同步发电机是指额定运行时输出的电功率；同步电动机是指额定运行时轴上输出的机械功率；补偿机是指额定运行时输出的无功功率。,注：,他励式由交流主励磁机，交流副

8、励磁机，硅整流装置和电压调整器组成。 主励磁机是一台与同步发电机同轴连接的三相同步发电机（频率通常为100赫兹）。主励磁机交流输出经整流后，由集电环装置接到主发电机励磁绕组，以供给直流励磁。主励磁机的励磁电流由交流副励磁机提供。 交流副励磁机是一台与主发电机同轴连接的中频（一般为400赫）三相同步发电机。副励磁机的励磁可采用永磁式，也可采用励磁式。 自动电压调整器是由电压互感器和电流互感器分别测得电压和电流的变化，（即根据主发电机端电压的偏差）通过自动电压调整器进行比较后，对交流主励磁机的励磁电流进行调节，从而实现对主发电机励磁的自动调节。,由于这种励磁系统没有直流励磁机，不存在换向火花问题。

9、因此运行维护方便，技术性能好，使励磁容量得以提高，用于大容量汽轮发电机。,自励式无旋转励磁机，当空载时，同步发电机的励磁由输出的交流电压经半控整流后供给。 负载后励磁除由半控桥提供外，还由可控整流装置供给，它可实现对发电机随负载而变化得电压进行自动调整。 另外自动电压调整器与他励式作用相同。 该系统便于维护应用在中小型同步发电机中,自励式静止整流器励磁系统,（2）自励式,3、旋转整流器励磁,副励磁机 主励磁机 主发电机 无刷，适合大容量发电机。 （旋转磁极式）（旋转电枢式）（旋转磁极式）,静止的交流整流励磁系统，虽然去掉了直流励磁机的换向器，解决了换向 火花问题，但还存在集电 环和电刷，实践表

10、明，当励磁电流超过2000A的时候， 可引起集电环的严重过热。为了解决这个问题，研制出一种取消集电环的旋 转整流器励磁系统。,因交流主励磁机的电枢、硅整流装置、主发电机的励磁绕组均装在同一旋转体上。所以无需集电环和电刷装置。所以这种系统称为无刷励磁系统或无触点励磁系统。,交流主励磁机的励磁，由同轴的交流副励磁机经静止的晶闸管整流后供给。 电压调整器的作用同上。,旋转整流励磁系统,四、额定值,额定电压 UN 单位为KV,额定电流 IN 单位为A, KA,额定功率因数,额定频率 f N 单位为Hz,额定转速 n N单位为r/min,额定温升 N,额定励磁电流和电压 IfN 、UfN,额定容量,注：

11、,6.2 空载和负载时同步发电机的磁场,一、空载运行,将发电机用原动机拖动，使转子达到同步速ns=60f/P ，励磁绕组通入直流励磁电流，电枢绕组开路时的情况，,n s , I f , I = 0 , 称为空载运行,Ff ：主极磁势（励磁磁势） E0：激磁电动势，定子以ns的速度切割0 而感应出频率为f的一组对称三相电势。,本节主要研究空载和负载时发电机的磁场及电枢反应,同步电机的空载磁路（2p=4),空载特性,n s = c E0 = f (I f),Ff If E0 0 电机的磁化曲线 0 = f (F f),同步电机的空载特性及气隙线,改变If，即可得到不同的0 以及E0，E0=f(If

12、),即为空载特性曲线，即电机的磁化曲线 。,空载特性曲线反应了电机的磁路特性， 在负载时已知总磁势，由该曲线求取 气隙磁场在电枢绕组中感应的电势。,空载时，同步发电机的气隙中只有一个同步旋转的主磁场Ff（0），负载后，电枢绕组中有对称三相电流，产生旋转磁场称为电枢磁场Fa。因此负载后同步电机气隙同时存在两个磁势。若仅考虑基波，则这两个磁势以相同的转速相同的转向旋转。,二、对称负载运行,接三相对称负载,三、电枢反应,电枢基波磁动势对气隙基波磁场的影响称为电枢反应反应,电枢反应的性质（增磁、去磁或交磁）取决于 两个磁势Ff 和Fa 在空间的相对位置,电枢反应的结果： 1、使气隙磁场产生畸变。 2、

13、去磁或增磁作用。,由于E0滞后0 （即Ff）900。而I与Fa相位相同。 所以研究Ff 和Fa 的相对位置，可归纳为研究I与E0 的相位差 称为内功率因数角，电枢反应的性质取 决于 。即负载的性质。,超前0时的时-空统矢量图,1. o = 00 时 (电枢电流I 与激磁电动势E0同相 ）,下面根据不同的 角，分几种情况分析电枢反应的性质。,A相电势最大 A相电流最大 三相旋转磁势的幅值在A相绕组轴线上,空间矢量图,时间相量图,时空矢量图,忽略铁耗时，,三相旋转转磁势的幅值总是与电流为最大值的一相绕组轴线重合 以A相绕组轴线和电枢磁势轴线重合为基准,空间矢量在气隙中按正弦分布，可用一空间相量表示

14、，位置与波形的振幅重合,超前0时的时-空统矢量图,图6-14-c) 时-空统一矢量图,图6-14 d) 气隙合成磁场 与主磁场的相对位置,时间量的参考轴与空间相量图中A相绕组轴线重合,交轴磁动势所产生的电枢反应为交轴电枢反应 由于出现交轴电枢反应，使气隙合成磁场B与主磁场B0之间形成一定的空间相差角，从而产生一定的电磁转矩。对于同步发电机， =0 时，Bo 超前B 角，主极上受到一制动性质的电磁转矩,所以交轴电枢磁动势与电磁转矩的产生及能量转换直接相关,以后将证明同步电机的电磁转矩与sin成正比.,0,2. o =900 时,o=900,产生直轴电枢反应，使气隙磁场减弱，去磁。,o= -900

15、 产生直轴电枢反应助磁，使气隙磁场增强，助磁。,只有直轴电枢反应时，气隙磁场的空间相位不变，转子不受转 矩的作用。,0,3. 0o900时,滞后于0时的空间矢量图,滞后时0的时-空统矢量图,超前0时的时-空统矢量图,结论：（对于同步发电机） 若I滞后Eo，则直轴电枢反应是去磁的。 若I超前Eo，则直轴电枢反应是增磁的。,电机单机运行时 直轴电枢反应将直接影响端电压的大小 并网运行时 直轴电枢反应影响电机输出的无功功率。 （若转子直流励磁不足，为维持气隙磁场为一定值，则同步 电机将向电网输出一超前于Eo的交流容性电流，使直轴 电枢反应为增磁，以补偿转子直流励磁的不足。 反之，若转子直流励磁过大，

16、则同步机将向电网输出一定 的感性电流，直轴电枢反应为去磁。 ）,直轴电枢反应对同步电机的运行性能影响很大,负载时隐极同步发电机内的磁场分布图,6.3 隐极同步发电机电压方程、相量图、等效电路,一、磁路不饱和时,线性系统，可使用迭加原理进行分析,转子,定子,本节研究隐极同步发电机电压平衡方程式，相量图和等效电路。（分不饱和及饱和两种情况来分析）,1、发电机电压方程式,同步发电机负载运行时的电磁过程如下：,E0：激磁电势 Ea：电枢反应电势 E：合成电势,不计饱和时,同步电抗表征对称稳态运行时电枢反应和电枢漏磁 两个效应的一个综合参数，不计饱和时,Xs为一常数。,2、相量图,相量图如图所示。,已知

17、 、 、COS 及电机参数，画相量图。步骤如下：,隐极同步发电机的相量图,Ra,jX,j Xa, o,a, o,90,a,E0、Ea、E对应 0、a、， 且滞后对应的磁通90,不计饱和时，将励磁磁通与电枢反应磁通叠加（矢量相加），即可得负载时气隙中的基波磁通,直轴电枢反应为去磁, Ra,j Xs, o,o,隐极同步发电机的相量图,3、等效电路,等效电路如图所示。其中：,4、同步电抗,a) 反映了a和的作用,b) 磁路不饱和时为常数,c),二、考虑磁路饱和时,E = f (If)就是电机的空载特性,1、电压方程和磁势方程式,非线性，迭加原理不适用。 首先求出作用在主磁路上的合成磁势F，然后利用电

18、机的磁化曲线（空载特性曲线）求 出 及相应的E,2、电压相量图和磁势矢量图,Ra,jX ,F,Ff,kaFa,考虑磁饱和时隐极同步发电机 磁动势的矢量图和电动势的相量图,3、电枢磁势换算系数是k a,对于汽轮发电机，ka = 0.93 1.03，主要取决于大齿的宽度。,由合成磁动 势F确定气隙电动势E,*考虑饱和特性的另一方法是根据运行点的饱和程度，找出相应的xs(饱和)即把空载特性在工作点线性化。,6.4 凸极同步发电机的基本电磁关系,特点：气隙不均匀,Fa 产生的 a不但与 Fa 有关，还与 位置角有关，解决的办法： 采用双反应理论进行分析。,一. 双反应理论,本节讨论凸极同步发电机的电压

19、方程、相量图和等效电路。,由于凸极电机极靴部分气隙小，两极之间部分气隙大，所以电枢 圆周上的磁导各不相同。的变化与主极轴线对称，并以1800 电角度为一周期。因此 可用仅含偶次谐波的余弦级数表示,单位面积的气隙磁导,同样大小的电枢磁势作用在直轴和交轴上时， 所产生的磁场将有明显差别,当正弦分布的电枢磁势 作用于直轴上时，,当电枢磁势作用于交轴上时，,电枢磁动势分成直轴和交轴磁动势,以上分析可见 Bad1较Baq1大的多，在一般情况下，电枢磁势即不在直轴也不在交轴，而是作用在空间任意位置时，应先将电枢磁势分解为直轴和交轴两个分量，再用直轴磁导和交轴磁导分别考虑直轴和交轴电枢磁势所产生的电枢反应。

20、最后再把他们叠加起来，这种考虑直、交轴气隙磁阻不同，把电枢反应分为直轴和交轴电枢反应的处理方法称为双反应理论。,直轴和交轴电枢反应,电枢磁势换算系数,直轴电枢磁动势Fad换算到励磁磁动势时应乘以直轴换算系数Kad， 交轴电枢磁动势Faq应乘以交轴换算系数Kaq,即：产生同样大小的基波气隙磁场时，1安匝的直轴（交轴）电枢磁动势所等效的主极磁动势,不计饱和时，可利用双反应理论和叠加原理，即主极磁场，直轴电枢反应磁场和交轴电枢反应磁场各自在定子绕组中感应电势，这些电势的总和为一相绕组的合成电动势（即气隙电动势）,已知 、 、COS及电机参数，先假定0，画相量图。步骤如下：,凸极同步发电机的相量图,o

21、,d,o,q,Ra,j qXq,j d Xd,o,实际电机中U、I、cos已知（若Ra,、Xd,、Xq已知）可计算出0,Ra,jXq,Q,o,q,d,jd(Xd-Xq),o,o 角的确定,磁路饱和,也可取 x d (饱和值)来考虑。,Xad（饱和）=Xad（未饱和）/Ks Xd（饱和）=Xad（饱和）+X,Xq是未饱和值，为一常数。,考虑饱和影响时，仅直轴磁路受饱和影响，而交轴磁路认为不饱和（因气隙较大），所以对应饱和磁路，可应用双反应理论分别求出直轴和交轴上的合成磁势。再用磁化曲线来计及直轴磁路饱和的影响。另一种考虑饱和效应的方法是，采用适当的饱和参数来计算饱和的影响。,三、直轴和交轴同步电

22、抗,x d = x ad+X (kw1N1)2 d d = ad +,x q = x aq+ X (kw1N1)2 q q = aq +,x d xq,直轴电枢磁导,交轴电枢磁导,隐极同步电机 x d = x q = x s,求： E0*,（1） E0* = U*cos,+Id *xd* = 1cos19.44+0.83211.0 = 1.775,解：,(3),(4),6.5 同步发电机的功率方程和转矩方程,一、功率方程,机械能,损耗,ns ,I f B0 pFe 铁心损耗 （转子铁心中磁场恒定无铁耗）,电能,同步发电机是将轴上输入的机械功率，通过电磁感应作用转换成输出电功率,m：定子相数。

23、U、I：定子每相电压和电流,二. 转矩方程,P1(p +pFe) = Pe T1T0 = Te,三. 电磁功率及能量转换,Pe = P2+Pcua = m U I cos +mI2Ra = mI (U cos +I Ra) = m I E cos = m I EQ cos0 = m EQ Iq,隐极同步发电机中 ，EQ = E0,Iq 为电枢电流的有功分量，Iq 决定了（功率角）的大小。,前已分析，当负载后，出现电枢反应，交轴电枢反应产生气隙磁场与主极磁场之间的相角差，从而产生电磁转矩。 在发电机中，主极磁场超前于气隙合成磁场。在旋转过程中原动机的驱动转矩克服制动的电磁转矩，并通过电枢绕组内产

24、生运动电势向电网送出有功电流，使机械能变电能 功率角（Eo与U之间的夹角）随Iq的增加而增大，后将证明越大，电磁功率和电磁转矩越大。所以交轴电枢反应对产生电磁转矩进行能量转换具有重要的意义。,四、功角特性,当E0和U保持不变时，发电机发出的电磁功率与功率角之间的关系Pef()称为功角特性。,设法消去Id和Iq,功角特性,为基本电磁功率,基本电磁功率与励磁电动势成正比，与端电压成正比，与功角的正弦成正比，与直轴同步电抗成反比。,当时，达到最大值。,附加电磁功率与励磁电动势（电流）的大小无关，且仅当 时 才存在，它是由凸极效应（即交、直轴磁阻不相等）所引起，故亦称为磁阻功率。在隐极同步电机中附加电

25、磁功率等于零。,当时达到最大值。,称为附加电磁功率,总的电磁功率，发电机运行时，在为4590之间达到最大值Pe(max),其具体位置和数值视Pe1(max) 和 Pe2(max)的相对大小而定。,对于隐极电机，由于XdXqXs，附加电磁功率为零，故Pe就等于基本电磁功率,对于凸极电机，电磁功率Pe亦可以写成（忽略绕组电阻时）,要注意，式中的EQ为虚拟电动势，EQ本身也是功角的函数。,功率角的空间含意,功率角 亦可近似的看作是合成磁场滞后空载磁场的角度。,例6-2有一台70000kVA、13.8kV（Y接）、cos=0.85 （滞后）的三相水轮发电机直接与电网相接，已知电机参数为：Xd2.272

26、，Xq=1.90, 电枢电阻忽略不计。试求额定负载时发电机的功率角和激磁电动势(不计磁饱和)。,额定相电压,额定相电流,解 ：先按算出额定负载时的0角,6.6同步电机参数的测定,为了定量进行计算，除了需要知道电机的工况外（端电压，电流功率因数），还应知道同步电动机的参数。 下面说明同步电抗，电枢漏抗和电枢反应等效磁动势的实验确定方法。,一、用空载特性和短路特性确定Xd,1空载特性,空载特性由空载实验测出，试验时，电枢开路，用原动机把被试同步电机拖动到同步速，改变If，测取电枢端电压Uo,直到Uo=1.25UN ，再减小If直至0，其间测取7-9点，得到特性曲线。,2短路特性,将被试同步电机端点

27、三相短路，用原动机拖动被测电机到同步转速调节励磁电流I从零一直增加到1.2IN左右，便可以得到短路特性曲线,短路特性是一条直线，原因如下： 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，因此可以认为短路电流是纯感性的，即0=90；于是İq=0， İ=İd，而,I* = 1 时，E*=0.15左右，磁路不饱和， 因电枢反应为纯去磁。,E0 If,即短路特性是一条直线,I If，,3. Xd 的不饱和值,4. Xd 的饱和值,饱和程度由E决定,电机正常运行时,UNIf0I,二. 短路比kc,对于隐机同步电机,例6-2 有一台25000KW、10.5KV（星形联

28、结）、cos=0.85（滞后）的汽轮发电机，从其空载、短路实验中得到下列数据： 从空载特性上查得：线电压UL=10.5KV时，If0=155A 从短路特性上查得：I=IN=1718A时，Ifk=280A； 从气隙线上查得：If=280A时，UL=22.4KV； 试求同步电抗和短路比。,解 从气隙线上查出，If=280A时，激磁电动势,用标幺值计算,常数， 时的,三、定子漏抗和直轴电枢等效磁动势的确定,1. 零功率因数特性,，,在零功率因数条件下,表示空载时产生额定电压所需的励磁磁动势，在零功率因数负载时，为保持端电压为额定值，所需励磁磁动势 应大于 。增加的励磁磁动势有两部分：其中一部分 用以

29、克服电枢漏抗压降 的作用；另一部分 用以抵消电枢等效磁动势 的去磁作用。,由于电枢电流的大小和相位不变，三角形AEF也不变，称为特性三角形。,由空载特性和零功率因数特性可求得特性三角形，即可 得到电枢漏抗压降 和电枢反应等效磁动势 。,过 点作气隙线的平行线，与空载特性交于E点。从E点作铅垂线，并交 于A点，得特性三角形 。,在零功率因数特性上取 F点和K点。通过F点作平行于横坐标的水平线，并截取线段 。,2. 定子漏抗和电枢等效磁动势的确定,由零功率因数特性所确定的漏抗称为波梯电抗，并用 表示。,对于隐极电机,对于凸极电机,原因是零功率因数时，转子磁路的饱和程度高，导致特性三角形右移。,波梯

30、电抗 尽管不是电枢漏抗 ，但在利用磁动势-电动势统一矢量图计算同步发电机的负载运行时，由于一般负载都是感性的居多，主磁极铁心都有额外的饱和现象发生，与零功率因数负载试验时类似，因此在这种情况下用波梯电抗 代替电枢漏抗 ，反而会得到更精确的结果。,四、 转差法测定Xd和Xq,采用转差法可同时测得Xd和Xq。,（1）将被测同步电机用原动机驱动到接近同步转速;,（3）再在定子绕组上施加约为（25）UN的三相对称低电压，这一电压 满足两个条件：,（2）励磁绕组开路；,磁场旋转方向与转子转向一致,磁场不太强，该磁场不会将转子拉入到同步速,因为没有励磁电流，E0=0,电枢磁场同转子转动速度不同,电枢磁动势

31、交替与直、交轴重合,定子电流最小，I=Imin,电枢电抗最大，Xd，Iq=0,电枢磁场同转子直轴重合时,线路压降最小，端电压最大，U=Umax,定子电流最大，I=Imax,电枢电抗最小，Xq，Id=0,电枢磁场同转子交轴重合时,线路压降最大，端电压最小，U=Umin,试验是在低电压下进行的，测出的 Xd和Xq均不是饱和值。,现代同步电机电抗参数的典型值,（不饱和值）,6.7 同步发电机的运行特性,、运行特性,1 、外特性,2、调整特性,3、效率特性,额定效率,二、作电动势磁动势图求 IfN 和u,电机学图6-381.FLA.swf,发电机的短路特性为一直线，当短路电流等于额定电流时励磁电流If

32、k178A。,空载特性数据为:,例 6-5 有一台水轮发电机SN=16667kVA，UN13.8kV（星形联结），cosN=0.8 (滞后），nN=100r/min，X*p=0.24，电枢电阻忽略不计。,试用波梯图法确定该发电机的额定励磁电流和电压调整率。,1） 先画出空载特性曲线、相量图,3）取,得 OT43A,2）Ik=IN时 OK=178A,4）kadFa,OK-OT=178A-43A =135A,5）作电动势-磁动势图得E=1.16时的合成磁动势F=267A,6）FfN=384A,7）E0=1.274,8）u=27.4,6.8同步发电机与电网的并联,本节主要讨论并联运行的条件，以及并联

33、后发电机有功，无功功率的调节,电网 无穷大,一、投入并联运行的条件和方法,1、投入并联的条件 同步发电机投入并联时，为了避免电机和电网中产生冲击电流及由此产生的冲击转矩，待投入并联的发电机必须满足以下条件： （1）发电机的相序应与电网一致。 （2）发电机的频率应与电网相同。 （3）发电机的E0应与电网电压U大小相等，相位相同。,以上三个条件中，第一条必须满足,其他两个条件允许略有差别。,分析：1）相序不同；2）频率不同；3）电压不同。,1. 相序不同时,2、频率不同时,则相当于发电机端点加上一组负序电压，使发电机和电网之间存在巨大的电位差，产生巨大的环流和冲击转矩，属于严重的故障情况，必须避免

34、。,3、E0与U的大小不等或相位不同时,若发电机频率和电网频率不同，可将U与E0设想为大小相等但转速不同的旋转相量。E0与U之间便有相对运行，将产生一大小和相位随时变化的环流，从而引起电机内功率振荡，一会儿发出有功功率，一会儿吸收有功功率。,若E0与U的大小不等或者相位不同时，当将发电机投入并联时，存在差值电压，产生冲击电流，严重情况下，该电磁力的冲击将损坏绕组端部和转轴,关于相序问题，一般大型同步发电机的转向和相序在出厂前都已注明。对于 没有标定的，可利用相序指示器来确定。,关于频率问题，,2.投入并联的方法,为了投入并联所进行的调整和操作过程，称为整步过程，整步方法有两种： 准整步法，自整

35、步法,全部满足投入并联的条件，准整步法； 部分满足投入并联的条件，自整步法。,1、准整步法,电压表,灯光闪烁三个灯将同时出现时暗时亮的现象,灯光闪烁三个灯将同时出现时暗时亮的现象,在灯光全部熄灭时，合闸投入并联，称为灯光熄灭法（直接接法）,条件检查 相序： 灯光同时明暗，说明相序正确。,频率：调节发电机的转速，到三个灯的亮度不再闪烁或闪烁频率很低时，就表示f f。,电压的大小：调节发电机的励磁电流，使发电机电压与电网电压相等。,电压的相位：灯灭且UAA=0时即可合闸投入并联。,2、 交叉接法,交叉接法是把三个同步指示灯分别跨接在电网和发电机的 之间。,1号灯灭 2号灯灭 3号灯灭,若f f,若

36、f f,1号灯灭 3号灯灭 2号灯灭,灯光旋转的说明,灯光顺时针旋转,灯光逆时针旋转,交叉接法,相序：灯光旋转，则相序正确。,并网：灯光旋转很慢,相序相同， n ns ， 励磁绕组通过电阻短路,2、自整步法,为了将发电机迅速投入电网，可采用自整步法。,准整步的优点是：投入瞬间电网和电机没有冲击； 缺点是： 整步手续比较复杂。,优点：投入迅速，装置简单。 缺点：投入时定子电流冲击大,然后先合闸投入电网，（此时相当于一台异步电机） （3）并立即加励磁电流（有冲击电流）牵入同步。,二、有功功率的调节和静态稳定,1、有功功率的调节 现代电力系统的容量都很大，其频率和电压基本不受负载变化和其他扰动的影响

37、而保持为常值,这种恒定频率恒压的交流电网，称为无穷大电网。当发电机并联于无穷大电网时，可向电网输出功率。 下面以隐极电机为例说明同步发电机与无穷大电网并联时有功功率的调节，为简化分析略去Ra不计，设发电机已接到一个无穷大电网。,从物理模型看，分解出切向力，使转子上受到一制动性质的电磁转矩，当制动转矩与原动机驱动转矩相平衡时。功率就不再增大，这时转子主极磁场拉着气隙磁场以同步速旋转，将输入的机械功率变为电功率输出，在功角特性上对应于A点。 由此可见，要调节发电机输出的有功功率，必须调节原动机的输入功率，使增大，电磁功率和输出功率便会相应增加。 原动机输入功率的增加不是无限制的，对于隐极电机，当达

38、到90时，电磁功率达到最大值。即隐极同步发电机的功率极限值,2、静态稳定,静态稳定指电网上并联运行的同步发电机，在受到电网或原动机方面的微小扰动后，能够自动的恢复到原先的平衡状态的能力。如能复原，则发电机是 稳定的，反之，则为不稳定。,为了使发电机能稳态运行，应使发电机的功率 极限比额定功率大一定的倍数，这个倍数称为 过载能力,三、无功功率的调节,接到电网上的负载多数都是电感性的，所以与电网并联的发电机不仅要向电网输出有功功率，而且还要输出无功功率。 下面以隐极同步发电机为例来说明同步发电机与无穷大电网并联时无功功率的调节问题。 为简单计，忽略电枢电阻和磁饱和影响，并假定调节励磁时，原动机的输

39、入有功功率保持不变。,o,o,o“,“,jXs,jXs,j“Xs,“,B,A,C,D,Eosin=常值,Icos=常值,为“V形曲线”, 曲线最低点为正常励磁点,调节励磁电流可以调节无功功率这一现象，还可以用磁动势平衡关系解释,对同步电机进行励磁电流的调节，可改变无功电流，即改变无功功率和功率因数,6.9 同步电动机与同步补偿机,与感应电动机相比，同步电动机的主要特点是：转速与负载大小无关始终保持为 同步速，且功率因数可调。 因此广泛应用于大功率恒转速的机械负载，如空气压缩机、粉碎机、鼓风机、水泵 及电动发电机组 同步补偿机相当于空载运行的同步电动机，用于补偿电网的无功功率和功率因数,一、同步

40、电机的可逆原理,这时如在轴上加负载，即输出机械功率变为电动机运行,同步发电机 空载同步发电机 同步电动机,二、同步电动机的电压方程和相量图,若仍用发电机惯例分析,大于900，即此时发出负的电功率， 相当于输入正功率,I超前E0电枢反应为增磁 I滞后E0电枢反应为去磁,o,jMXs,oM,M,MRa,M= -,隐极同步发动机相量图,三、同步电动机的功角特性，功率方程和转矩方程,1、功角特性 （Ra = 0）,整步功率系数 及过载能力 与发电机相同,2、功率和转矩方程,四、同步电动机的运行特性,1、工作特性,转矩特性,电流特性,效率特性,功率因数特性,与其他电机相同,不同励磁时的功率因数特性,2、

41、V型曲线,隐极同步电动机，忽略Ra,从图可见，改变励磁电流， 可使电动机在任意特定负 载下的功率因数达到1， 甚至变成超前。,o,o“,o,EosinM=常值,IMcosM =常值,M,M,“M,jMXs,jMXs,j“MXs,A,B,C,D,电机学图片段.shs,改变励磁时同步电动机相量图,同步电动机调节 If 可改变功率因数，这是同步电动机的优点之一,同步电机与感应电机同时接入电网，并使同步机处于过励状态,例6-7,过励时功率因数变为超前,五、同步电动机的起动方法,1、异步起动法 在转子上装笼型起动绕组。 定子加三相对称电压，转子励磁绕组 通过电阻短路 R = (5 10)Rf,异步转矩：

42、与感应电动机相同 单轴转矩：,励磁绕组电流频率为sf1，产生相对于转子静止的脉动磁势，可分解为两个旋转磁势： 正转磁势： n+sns=ns 与定子磁势相对静止，产生平均转矩； 反转磁势： n-sns=(1-2s)ns, 在定子绕组中感应电流，产生异步转矩，当s=0.5时， （1-2s）ns=0, 与定子绕组相对静止，电磁转矩为0。,异步起动阶段,异步转矩与单轴转矩的合成曲线构成异步启动阶段合成转矩,异步启动阶段性能的好坏取决于Tst和Tpi Tpi指转速达到95%ns时的转矩。,注：励磁绕组切勿开路，且必须串一大电阻 （为限制单转转矩）,磁阻转矩： 同步转矩：,这两种转矩对牵入同步起决定作用,

43、当通入直流后，在同步转矩作用下即可牵入同步,牵入同步阶段,Tst和Tpi与启动绕组的电阻有关,2、 辅助电机起动 同极数感应电动机，容量约为主机容量的（10 15）% 的感应电机作为辅机，拖动主机使 n 接近同步速时，转子励磁绕组加入If ，由同步转矩拖入同步。 缺点：不能带载起动，否则辅机容量太大。,3、变频起动 起动时f1 很低，随着n逐步增加f1 最后达到 fN, 改变定子旋转磁场的转速利用同步转矩起动。 缺点：必须具备变频电源,六. 同步电动机的调速和控制方式 (1)调速原理,由,改变供电电源的频率，可以方便地控制同步电动机的转速。,对于隐极同步电机,当转子励磁电流不变时，若采用恒电压

44、/频率比控制同步电机的最大转矩保持不变。,(2)控制方式,同步电动机变频调速系统可分为它控式和自控式两种。,它控式 是从外部控制变频器频率来准确地控制转速。这种控制方式简单，但有失步和振荡问题，对急剧升、降速必须加以限制，否则易导致电机失步。,自控式 是频率的闭环控制，采用转子位置传感器随时检测定、转子磁极相对位置和转子的转速，由位置传感器发出的位置信号去控制变频器中主开关元件的导通顺序和频率。电机的转速在任何时候都与变频器的供电频率保持严格的同步，故不存在失步和振荡现象，,七、同步补偿机 （同步调相机）,同步补偿机就是空载运行的同步电动机 Pe = 0 I = f (If),1、同步补偿机的

45、原理,2、 同步补偿机的额定容量和结构特点 额定容量是指过励时所能补偿的无功功率,感应电动机所需的滞后无功电流由过励的同步补偿机提供，从而避免了无功 电流的远程输送，改善电网的功率因数。,6.10 同步发电机的不对称运行,分析方法： 对称分量法,一组不对称的三相电压（电流），可以分解为正序、负序和零序三组对称电压（电流），后者称为原不对称电压（电流）的对称分量。,一、对称分量法,电机不饱和时，可采用迭加原理进行分析 对正序、负序、零序来说都是三相对称系统，只分析一相即可,（1）发电机气隙磁场为椭圆形旋转磁场 （2）负序转矩引起振动力矩,把一个不对称问题分解成正序、负序和零序 三个彼此独立的对称

46、问题，再把结果叠加,由于发电机电枢绕组为三相对称绕组 所以三相激磁电动势为对称,二、各相序阻抗和等效电路,正序、负序和零序电流分别建立各自的气隙磁场，由于定子不同相序的电流所建立 的磁场不同且与转子回路相交链的情况不同所以发电机对应于不同相序的阻抗是不同的。 其各相序对应的阻抗分别为正序阻抗、负序阻抗和零序阻抗。,三相负载阻抗不对称应用对称分量法将负载端的不对称电压和电流分解成三组对称分量,1、正序阻抗和正序等效电路,电枢磁势与转子同步旋转，励磁绕组接通，电枢绕组流过对称正序电流时，同步发电机所表现的阻抗为正序阻抗。（与三相对称运行时相同）,等效电路与前述隐极同步发电机相同 对于不对称短路时，

47、正序电流滞后E0900 凸极电机x+=xd,对于凸极电机,2、负序电抗和负序等效电路,转子正方向同步速旋转，电枢磁势逆向同步速旋转。励磁绕组短接， 电枢绕组流过对称负序电流时，同步发电机所表现的阻抗为负序阻抗。 Z= R + jx,无阻尼绕组时 转子上只有励磁绕组时 （相当于感应电机转子绕组）,负序磁场与直轴重合时 直轴负序阻抗为Z-d,由于负序磁场时而与直轴重合、时而与交轴重合因此负序 阻抗值是变化的取上述两个典型位置平均值作为负序阻抗值,当负序磁场与交轴重合时，交轴负序阻抗为Z-q,注：交轴上通常无励磁绕组，所以无转子励磁支路参数,负序阻抗Z-介于直轴与交轴之间,转子有阻尼绕组时,直轴超瞬变电抗,交轴超瞬变电抗,参照双笼转子