東北電力大學電氣工程學院--電機學第六章

1、第六章 同步電機,6.1 同步電機的基本結構和運行狀態(tài),6.2 空載和負載時同步發(fā)電機的磁場,6.3 隱極同步發(fā)電機的電壓方程、相量圖和等效電路,6.4 凸極同步發(fā)電機的電壓方程和相量圖,6.5 同步發(fā)電機的功率方程和轉矩方程,6.6 同步電機 參數(shù)的測定,6.7 同步發(fā)電機的運行特性,東北電力大學電氣工程學院,6.1 同步電機的基本結構和運行狀態(tài),同步電機,一、同步電機的基本結構,旋轉電樞式,旋轉磁極式,隱極式

2、（Salient-pole）,凸極式（Cylindrical-Rotor）,,,二、同步電機的運行狀態(tài),發(fā)電機——把機械能轉換為電能,電動機——把電能轉換為機械能,補償機——沒有有功功率的轉換，只發(fā)出或吸 收無功功率,同步電機運行狀態(tài)，主要取決于定子合成磁場與轉子主磁場之間的夾角δ，δ稱為功率角,6.1 同步電機的基本結構和運行狀態(tài),三、同步電機的勵磁方式,直流勵磁機勵磁——直流勵磁機通常與同步發(fā)電機

3、 同軸，采用并勵或他勵接法。 如圖6—8所示,整流器勵磁————,靜止式——如圖6-9旋轉式,6.1 同步電機的基本結構和運行狀態(tài),,額 定 容 SN —— 指額定運行時電機的輸輔出功率 額定電壓UN ——指額定運行時定子的線電壓 額定電流IN ——指額定運行時定子的線電流 額定功率因數(shù)——指額定運行時電機的功率因數(shù) 額定頻率fN —— 指額定運行時

4、電樞的頻率額定轉速nN ——指額定運行時電機的轉速，即為 同步轉速,四、額定值,6.1 同步電機的基本結構和運行狀態(tài),返回,,空載運行時，同步電機內僅有由勵磁電流所建立的主極磁場。圖6—l0表示一臺四極電機空載時的磁通示意圖。從圖可見，主極磁通分成主磁通Φ0和漏磁通Φfσ兩部分，前者通過氣隙并與定子繞組相交鏈，后者不通過氣隙，僅與勵磁繞組相交鏈。主磁通所經過的主磁路包括空氣

5、隙電樞 齒、電樞軛、磁極極身和轉子軛等五部分。,6.2 空載和負載時同步發(fā)電機的磁場,一、空載運行,6.2 空載和負載時同步發(fā)電機的磁場,一、空載運行,當轉子以同步轉速旋轉時，主磁場將在氣隙中形成一個旋轉磁場，在定子繞組內感應出對稱三相電動勢（激磁電動勢）,空載特性是同步電機的一條基本特性。如圖6—11所示,二、對稱負載時的電樞反應,電樞磁動勢的基波在氣隙中所產生的磁場就稱為電樞反應。電樞反應的性質(增磁、去磁或交磁)取決于電樞

6、磁動勢和主磁場在空間的相對位置。分析表明，此相對位置取決于激磁電動勢E0和扭載電流I之間的相角差Ψ0(Ψ0稱為內功率因數(shù)角)。下面分成兩種情況來分析。。。。。,,6.2 空載和負載時同步發(fā)電機的磁場,與 同相時,a) 定子繞組電動勢、電流和磁動勢的空間矢量圖,與 同相時,b) 時間矢量圖,與 同相時,c) 時-空統(tǒng)一矢量圖,與 同相時,d)氣隙合成磁場與主磁場的相對位置,與 不同相時,a)

7、 滯后于 時的空間矢量圖,與 不同相時,b) 滯后 時的時-空統(tǒng)一矢量圖,與 不同相時,c) 超前 時得時-空統(tǒng)一矢量圖,返回,,同步發(fā)電機負載運行時物理量的關系：,一、不考慮磁飽和時,6.3 隱極同步發(fā)電機的電壓方程、相量圖和等效電路,在時間相位上， 滯后于 以90°電角度，若不計定子鐵耗, 與 同相位，則 將滯后于 以90°電角度于是 亦可寫成

8、負電抗壓降的形式，即,采用發(fā)電機慣例，以輸出電流作為電樞電流的正方向時，電樞的電壓方程為,因為電樞反應電動勢Ea正比于電樞反應磁通Φa不計磁飽和時，Φa又正比于電樞磁動勢Fa和電樞電流I，即,,,,(6—5),(6—6),將式(6—6)代人式(6—5)，可得,,(6—7),式中，Xs稱為隱極同步電機的同步電抗，Xs=Xa+Xσ，它是對稱穩(wěn)態(tài)運行時表征電樞反應和電樞漏磁這兩個效應的一個綜合參數(shù)。不計飽和時，Xs是一個常值。,圖6—15a和

9、b表示與式(6—5)和式(6—7)相對應的相量圖，圖6—15c表示與式(6—7)相應的等效電路。從圖6—15c可以看出，隱極同步發(fā)電機的等效電路由激磁電動勢和同步阻抗Ra+jXs串聯(lián)組成，其中E0表示主磁場的作用，Xs表示電樞反應和電樞漏磁場的作用。,考慮磁飽和時，由于磁路的非線性，疊加原理不再適用。此時，應先求出作用在主磁路上的合成磁動勢F，然后利用電機的磁化曲線 (空載曲線) 求出負載時的氣隙磁通 及相應的氣隙電動勢 。

10、,二、考慮磁飽和時,再從氣隙電動勢 減去電樞繞組的電阻和漏抗壓降，使得電樞的端電壓 ，即,,,相應的矢量圖、相量圖和F～E間的關系如圖6—16a和6—16b所示。圖6-16a中既有電動勢相量，又有磁動勢矢量。故稱為電動勢—磁動勢圖。,或,返回,,考慮到凸極電機氣隙的不均勻性，把電樞反應分成直軸和交軸電樞反應分別來處理的方法，就稱為雙反應理論。 凸極同步電機的氣隙是不均勻的，極面下氣隙較小，兩極之間氣隙較大，故直軸下單位

11、面積的氣隙磁導λd (λd＝μ0／λd) 要比交軸下單位面積的氣隙磁導λq (λq＝μ0／λq) 大很多，如圖6—18a所示。 當正弦分布的電樞磁動勢作用在直軸上時，由于λd較大，故在一定大小的磁動勢下，直軸基波磁場的幅值Bad1相對較大。,一、雙反應理論,6.4 凸極同步發(fā)電機的電壓方程和相量圖,不考慮磁飽和時同步發(fā)電機負載運行時物理量的關系：,二、凸極同步發(fā)電機的電壓方程和相量圖,6.4 凸極同步發(fā)電機的電壓方程和相量圖

12、,從氣隙電動勢云減去電樞繞組的電阻和漏抗壓降，便得電樞的端電壓。采用發(fā)電機慣例，電樞的電壓方程為：,,,，,6-9,不計磁飽和時,和 可以用相應的負電抗壓降來表示,,,,,,,,,,,6-10,將式(6-10)代入式(6-9)，并考慮 ，可得,式中，Xd和Xq分別稱為直軸同步電抗和交軸同步電抗，它們是表征對稱穩(wěn)態(tài)運行時電樞漏磁和直軸或交軸電樞反應的一個綜合參數(shù)。上式就是凸極同步發(fā)電機的電壓方程。圖6-19表示與上式相

13、對應的相量圖。 引入虛擬電動勢 ，使 可得,,6-12,由式6-12相量圖如圖6-20所示。由圖6-20不難確定 由式6-12可得凸極同步發(fā)電機的等效電路，如圖6-21所示。,三、直軸和交軸同步電抗的意義,由于電抗與繞組匝數(shù)的平方和所經磁路的磁導成正比，所以 如圖6-22所示。對于凸極電機，由于直軸下的氣隙較交軸下小， > ，所以Xad>Xaq，

14、因此在凸極同步電機中，Xd>Xq。 對于隱極電機，由于氣隙是均勻的，故Xd≈Xq≈Xs,,,,,例題,返回,,6.5 同步發(fā)電機的功率方程和轉矩方程,一、功率方程和電磁功率 功率方程 若轉子勵磁損耗由另外的直流電源供給，則發(fā)電機軸上輸入的機械功率Pl扣除機械損耗 和定子鐵耗 后，余下的功率將通過旋轉磁場和電磁感應的作用，轉換成定子的電功率，所以轉換功率就是電磁功率Pe，即

15、 (6-14),,,,再從電磁功率Pe中減去電樞銅耗 可得電樞端點輸出的電功率P2；即 (6-15),電磁功率 從式(6—15)可知，電磁功率Pe為,,,,,,,由圖6—23可見,故同步電機的電磁功率亦可寫成,上式的

16、第一部分與感應電機的電磁功率表達式相同，第二部分則是同步電機常用的。對于隱極同步電機，由于EQ＝E0，故有,二、轉矩方程,把功率方程(6—14)除以同步角速度，可得轉矩方程 式中，T1為原動機的驅動轉矩,Te為電磁轉矩,T0為空載轉矩，分別為：,,,(6—18),

17、返回,,6.6 同步電機參數(shù)的測定,一、用空載特性和短路特性確定Xd 空載特性可以用空載試驗測出。試驗時，電樞開路 (空載)，用原動機把被試同步電機拖動到同步轉速，改變勵磁電流If，并記取相應的電樞端電壓U0 (空載時即等于E0，直到U0≈1.25UN左右，可得空載特性曲線 。 短路特性可由三相穩(wěn)態(tài)短路試驗測得，試驗線路如圖6-24a所示。將被試同步電機的電樞端點三相短路，用原動機拖動被試

18、電機到同步轉速，調節(jié)勵磁電流If使電樞電流I從零起一直增加到1.2IN左右，便可得到短路特性曲線，如圖6—24b所示。,,短路時， ，故 ， ，而 所以

19、 因為短路試驗時磁路為不飽和，所以這里的E0(每相值)應從氣隙線上查出，如圖6—25所示，求出的Xd值為不飽和值。,,,,,,,(6—19),(6—20),Xd的飽和值與主磁路的飽和情況有關。主磁路的飽和程度取決于實際運行時作用在主磁路上的合成磁動勢，因而取決于相應的氣隙電動勢；如果不計漏阻抗壓降，則可

20、近似認為取決于電樞的端電壓，所以通常用對應于額定電壓時的Xd值作為其飽和值。為此，從空載曲線上查出對應于額定端電壓UN時的勵磁電流If0，再從短路特性上查出與該勵磁電流相應的短路電流，如圖6—26所示，這樣即可求出 Xd(飽和),,例題,返回,,6.7 同步發(fā)電機的運行特性,一、同步發(fā)電機的運行特性 同步發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)運行特性包括外特性、調整特性和效率特性。 外特性——外特性表示發(fā)電機的轉速為同步轉速，且勵磁電流和負載功

21、率因數(shù)不變時，發(fā)電機的端電壓與電樞電流之間的關系：即n＝nS，If=常值，cosφ=常值時，U=f(I)。 圖6—30 表示帶有不同功率因數(shù)的負載時，同步發(fā)電機的外特性。,調整特性——調整特性表示發(fā)電機的轉速為同步轉速、端電壓為額定電壓、負載的功率因數(shù)不變時，勵磁電流與電樞電流之間的關系；即n＝nS，U =UNΦ，cosφ=常值時，If=f(I)。 圖6—31表示帶有不同功率因數(shù)的負載時，同步發(fā)電機的調整特性,效率特性—

22、—效率特性是指轉速為同步轉速、端電壓為額定電壓、功率因數(shù)為額定功率因數(shù)時，發(fā)電機的效率與輸出功率的關系；即n＝nS，U =UNΦ，cosφ= cosφN時，η=f(P2)。,返回,,同步電機的空載磁路,返回,,同步電機的空載特性,,,,,,,返回,,雙反應理論,圖6—18 雙反應理論,雙反應理論,,,,,,,,,圖6—18 雙反應理論,,,,,,,返回,,雙反應理論,隱極同步發(fā)電機的向量圖,返回,,隱極同步發(fā)電機的向量（圖b ）,返

23、回,,隱極同步發(fā)電機的等效電路,,,,,,,,,,,,,,,,返回,,電動勢-磁動勢圖,返回,,由合成磁動勢F確定氣隙電動勢E,返回,,凸極同步發(fā)電機的向量圖,,,,,,,,,,,,,,返回,,角的確定,,,,,,,,,,,,,,返回,,凸極同步發(fā)電機的等效電路圖,,,,,,,,,,,,,返回,,凸極同步電機電樞反磁通及所經磁路及磁導,返回,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

24、,直軸電樞磁導,交軸電樞磁導,從向量圖導出,,,,,,,,,,,,,,返回,,短路實驗接線圖,返回,,短路特性,返回,,用空載和短路特性來確定,,,,,,,,,返回,,,(飽和)的確定,,,,,,,,,,,,,返回,,同步發(fā)電機的外特性,,,,,,,cosΦ=0.8滯后,cosΦ=1,cosΦ=0.8超前,,返回,,圖6—31同步發(fā)電機的調整特性,,,,,,,cosΦ=0.8滯后,cosΦ=1,cosΦ=0.8超前,返回,,旋轉磁極式同

25、步電機的類型,,,,,,,,,,,,,,,,,N,S,+,,隱極式,,返回,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,N,S,N,S,+,,凸極式,,,返回,,帶副勵磁機的勵磁系統(tǒng),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,G,G,副勵磁機,主勵磁機,同步發(fā)電機,返回,,靜止整流器勵磁系統(tǒng),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

26、,,,,,,,,,,,,,,,,交流副勵磁機,交流主勵磁機,不可控整流起器,電壓調整器,主發(fā)電機,電壓互感器,電流互感器,可控整流起器,自勵恒壓器,返回,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,N,No,No,No,N,N,So,So,S,S,S,So,,,,,,主極,主極,,,,同步電機的三種運行狀態(tài),發(fā)電機

27、,補償機,電動機,返回,,例6—2 有一臺25000kW、10.5kV(星形聯(lián)結)、 (滯后)的汽輪發(fā)電機，從其空載、短路試驗中得到下列數(shù)據(jù)，試求同步電抗。從空載特性上查得：相電壓 kV時，If0＝155A；從短路特性上查得：I＝IN＝1718A時，Ifk＝280A；從氣隙線上得查得：If＝280A時， kV 解 從氣隙線上查出，If＝280A時，激磁電動勢

28、 ；在同一勵磁電流下，由短路特性查出，短路電流I＝1718A；所以同步電抗為,,,,用標幺值計算時 ， ，故從空載和短路特性可知，于是Xd(飽和)為,,,,,,,例6-1 一臺凸極同步發(fā)電機，其直軸和交軸同步電抗的標幺值為 ， ，電樞電阻略去不計，試計算該