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1、34138-06a,主编,BJ4.TIF,第6章,6.1同步电机的基本结构和运行状态6.2空载和负载时同步发电机的磁场6.3隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路6.4凸极同步发电机的电压方程和相量图6.5同步发电机的功率方程和转矩方程6.6同步电抗的测定6.7定子漏抗和电枢等效磁动势的测定6.8同步发电机的运行特性6.9同步发电机与电网的并联运行6.10同步电动机与同步补偿机6.11同步发电机的不对称运行6.12同步发电机的三相突然短路6.13磁阻电动机,6.1同步电机的基本结构和运行状态,1.同步电机的基本结构2.同步电机的运行状态3.同步电机的励磁方式4.额定值,1.同步电机的基本结
2、构,图6-1旋转磁极式同步电机的两种基本型式a) 隐极式b) 凸极式,图6-2汽轮发电机的剖面图,图6-3大型汽轮发电机的转子,图6-4凸极同步电动机的转子,图6-5立式水轮发电机示意图,图6-6大型水轮发电机的分瓣定子,图6-7大型水轮发电机的转子吊装,2.同步电机的运行状态,图6-8同步电机的三种运行状态a)发电机(0)b)补偿机(=0)c)电动机(0),3.同步电机的励磁方式,图6-9带副励磁机的励磁系统,图6-10静止整流器励磁系统,4.额定值,(1)额定容量SN(或额定功率PN)指额定状态下运行时电机的输出功率。(2)额定电压UN指额定运行时电枢的线电压。(3)额定电流IN指额定运行
3、时电枢的线电流。(4)额定功率因数cosN指额定运行时电机的功率因数。(5)额定频率fN指额定运行时电枢的频率。(6)额定转速nN指额定运行时电机的转速，即同步转速。,6.2空载和负载时同步发电机的磁场,1.空载运行2.对称负载时的电枢反应,1.空载运行,图6-11同步电机的空载磁路(2p=4),图6-12同步电机的空载特性,2.对称负载时的电枢反应,图6-13=0时同步发电机的电枢反应a) 定子绕组内电动势、电流和磁动势的空间矢量图b) 与定子绕组交链的主磁通、激磁电动势和定子电流的时间相量图c) 时-空统一矢量图d) 气隙合成磁场与主磁场的相对位置,图6-140时同步发电机的电枢反应a)滞
4、后于时定、转子磁动势的空间矢量图b)滞后于时的时-空统一矢量图c)超前于时的时-空统一矢量图,图6-15隐极同步发电机负载时的磁场分布图,6.3隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路,1.不考虑磁饱和2.考虑磁饱和,1.不考虑磁饱和,图6-16隐极同步发电机的相量图和等效电路a)、b)相量图c) 等效电路,2.考虑磁饱和,图6-17考虑磁饱和时隐极同步发电机的相量图a) 电动势-磁动势图b) 由合成磁动势F确定气隙电动势E,图6-18汽轮发电机主极磁动势的分布,6.4凸极同步发电机的电压方程和相量图,1.双反应理论2.不考虑磁饱和时凸极同步发电机的电压方程和相量图3.直轴和交轴同步电抗的意
5、义4.考虑磁饱和时,1.双反应理论,图6-19凸极同步电机的气隙比磁导和直轴、交轴电枢反应a)电枢表面不同位置处的气隙比磁导b)直轴电枢磁动势所产生的直轴电枢反应c)交轴电枢磁动势所产生的交轴电枢反应,2.不考虑磁饱和时凸极同步发电机的电压方程和相量图,26B.TIF,图6-20凸极同步发电机的相量图,图6-21角的确定,图6-22用虚拟电动势表示时,凸极同步发电机的等效电路,3.直轴和交轴同步电抗的意义,图6-23凸极同步电机电枢反应磁通和漏磁通所经磁路及其磁导a)直轴电枢磁导b)交轴电枢磁导,4.考虑磁饱和时,j1.tif,图6-24凸极同步发电机主极的励磁磁动势,图6-25考虑饱和时凸极
6、同步发电机的相量图a)相量图b)发电机的磁化曲线(空载曲线),图6-26一台凸极同步发电机在额定负载时的磁场分布a)定、转子内的磁场分布b)气隙磁场分布,6.5同步发电机的功率方程和转矩方程,1.功率方程和电磁功率2.转矩方程,1.功率方程和电磁功率,图6-27从相量图导出Ecos=Ucos+I,2.转矩方程,6.6同步电抗的测定,1.用空载特性和短路特性确定Xd2.用转差法测定Xd和Xq,1.用空载特性和短路特性确定Xd,图6-28三相短路试验和短路特性a) 短路试验接线图b) 短路特性,图6-29用空载和短路特性来确定,图6-30的确定,2.用转差法测定Xd和Xq,图6-31转差试验时定子
7、端电压和定子电流的波形,6.7定子漏抗和电枢等效磁动势的测定,1.零功率因数负载特性2.由空载特性和零功率因数负载特性求X和kadFa,1.零功率因数负载特性,图6-32零功率因数负载特性的构成a)零功率因数负载时的相量图b)由空载特性和特性三角形得到理想的零功率因数特性,2.由空载特性和零功率因数负载特性求X和kadFa,图6-33电枢漏抗和电枢等效磁动势的确定,图6-34由实测的零功率因数特性来确定特性三角形和波梯电抗,6.8同步发电机的运行特性,1.同步发电机的运行特性2.用电动势-磁动势图求取额定励磁电流和电压调整率,1.同步发电机的运行特性,图6-35同步发电机的外特性,图6-36同
8、步发电机的调整特性,图6-37700MW全空冷水轮发电机的效率特性,2.用电动势-磁动势图求取额定励磁电流和电压调整率,图6-38用电动势-磁动势图(波梯图)确定隐极同步发电机的和u,6.9同步发电机与电网的并联运行,1.同步发电机投入并联的条件和方法2.与电网并联时同步发电机的功角特性3.有功功率的调节和静态稳定4.无功功率的调节5.功率因数变化时发电机的输出能力,1.同步发电机投入并联的条件和方法,投入并联的条件为避免电机和电网中产生冲击电流，投入并联的同步发电机应当满足下列条件： (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) 发电机的激磁电动势应与电网电压大
9、小相等、相位相同，即=。,图6-39发电机投入并联时的情况a) 投入并联的示意图(单相图)b) 和大小不等c) 和相位不同,图6-40直接接法的接线和相量图a)接线图b)相量图,图6-41自整步法的接线示意图,2.与电网并联时同步发电机的功角特性,图6-42由凸极同步发电机的相量图解出和,图6-43凸极同步电机的功角特性,图6-44由比值 确定凸极机的最大电磁功率和相应的功率角,图6-45功率角的近似空间含义a)时-空统一矢量图b)功率角的近似空间表达,图6-46计及电枢电阻时隐极同步发电机的相量图和功角特性a)相量图b)功角特性,3.有功功率的调节和静态稳定,图6-47同步发电机与电网并联时
10、有功功率的调节a) 发电机与无穷大电网并联b) 功率角=0时的相量图c) 功率角为时的相量图d) 功率角为时的电磁功率,图6-48与无穷大电网并联时同步发电机的静态稳定性,4.无功功率的调节,图6-49同步发电机与电网并联时无功功率的调节,5.功率因数变化时发电机的输出能力,图6-50同步发电机的输出能力曲线,6.10同步电动机与同步补偿机,1.同步电动机的电压方程和相量图2.同步电动机的功角特性，功率方程和转矩方程3.同步电动机的运行特性4.同步电动机的起动5.同步补偿机,1.同步电动机的电压方程和相量图,图6-51隐极同步电动机的相量图(发电机惯例),图6-52隐极同步电动机的相量图和等效
11、电路(电动机惯例)a)相量图b)等效电路,图6-53凸极同步电动机的相量图(电动机惯例),2.同步电动机的功角特性，功率方程和转矩方程,3.同步电动机的运行特性,同步电动机的运行特性包括工作特性和V形曲线。 工作特性工作特性是指，定子电压UUN、励磁电流If=IfN时，电磁转矩、电枢电流、效率、功率因数与输出功率之间的关系，即Te，IM，cosM=f(P2)。,图6-54同步电动机的工作特性,图6-55不同励磁时同步电动机的功率因数特性cos=f(),图6-56恒功率、变励磁时隐极同步电动机的相量图,图6-57同步电动机的V形曲线(PPP),4.同步电动机的起动,图6-58同步电动机异步起动时
12、的线路图,图6-59同步电动机异步起动时的转矩曲线,5.同步补偿机,图6-60用同步补偿机来改善电网的功率因数a) 在受电端装设补偿机b) 相量图,6.11同步发电机的不对称运行,1.对称分量法2.同步发电机的各序阻抗和等效电路3.同步发电机的单相短路4.同步发电机的线间短路5.不对称运行对发电机的影响,1.对称分量法,2.同步发电机的各序阻抗和等效电路,图6-61同步发电机的正序等效电路a) 线路示意图b) 正序等效电路,图6-62直轴和交轴的负序等效电路a) 直轴电路b) 交轴电路,图6-63不同转子位置时的负序电抗值曲线1装有阻尼绕组的凸极同步发电机；曲线2汽轮发电机,图6-64同步发电
13、机的负序等效电路a) 接线示意图b) 负序等效电路,图6-65同步发电机的零序等效电路a) 零序电流的基波合成磁动势等于0b) 零序等效电路,表6-2现代同步电机的负序和零序参数,3.同步发电机的单相短路,图6-66同步发电机的单相短路,图6-67单相短路时各序的等效电路及其连接a)把故障处的不对称电压、电流分解为正序、负序和零序系统b)把三相不对称系统分解为三个对称系统c)根据故障的约束条件把正序、负序和零序电路连接起来,4.同步发电机的线间短路,图6-68同步发电机的线间短路,图6-69线间短路时正序和负序电路的连接,5.不对称运行对发电机的影响,不对称运行时，除正序电流和电压外，发电机内
14、还有负序、零序电流和电压。此外，除基波外，常常还有一系列高次谐波。负序电流所产生的反向旋转磁场，可以在励磁绕组和汽轮发电机的实心转子内感生100Hz的感应电流，引起杂散铜耗和铁耗，使运行效率降低、转子过热，从而影响发电机的出力，严重的甚至会造成事故。,6.12同步发电机的三相突然短路,1.三相突然短路的瞬态电磁过程2.无阻尼绕组时突然短路电流的表达式3.阻尼绕组对三相突然短路过程的影响,1.三相突然短路的瞬态电磁过程,图6-70A相磁链(0)=0时发生三相突然短路,图6-71A(0)=0时三相突然短路电流的波形图a) A相电流b) B相电流c) C相电流,图6-72三相突然短路时，电枢绕组与励
15、磁绕组间的电磁感应关系,图6-73突然短路时励磁电流的非周期分量,图6-74突然短路后转子转过90时，电机内的磁场示意图(仅画出右半边),图6-75三相突然短路时电机内的瞬态磁场图(仅画出右半边),图6-76的等效电路,图6-77三相突然短路时励磁电流的波形,2.无阻尼绕组时突然短路电流的表达式,(1)周期分量包括稳态分量和以直轴瞬态时间常数Td衰减的瞬态分量，稳态分量的幅值为 ，瞬态分量的初始幅值为E0，在短路最初瞬间，这两部分幅值之和为2E0Xd 。(2)非周期自由分量非周期分量是否存在，取决于突然短路时转子的初相角0。,3.阻尼绕组对三相突然短路过程的影响,图6-78装有阻尼绕组时,三相
16、突然短路的超瞬态磁场图(仅画出右半边),图6-79直轴超瞬态电抗的等效电路,图6-80装有阻尼绕组，在(0)=0的瞬间发生三相突然短路时,A相电流的波形,图6-81三相突然短路时励磁电流的波形(虚线表示非周期分量，其中1表示不装阻尼绕组时，2表示装有阻尼绕组时),表6-3近代三相同步电机的瞬态参数值(不饱和值),6.13磁阻电动机,1.磁阻电动机的原理和矩角特性2.电压方程3.功角变化时电枢电流的轨迹4.磁阻电动机的起动和应用场合,1.磁阻电动机的原理和矩角特性,图6-82磁阻电动机的转子a)2p=2b)2p=4,2.电压方程,3.功角变化时电枢电流的轨迹,图6-83磁阻电动机的相量图,图6-84功角变化时电枢电流的轨迹,4.磁阻电动机的起动和应用场合,表格,表格,表格,表格,