第06章同步电机

1、第六章第六章 同步电机同步电机6.1 同步电机的基本结构和运行状态同步电机的基本结构和运行状态6.2 同步发电机的空载磁场和电枢反应同步发电机的空载磁场和电枢反应 6.3 隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路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、转矩方程和功角特性同步发电机的功率方程、转矩方程和功角特性 6.6 同步电机参数的测定同步电机参数的测定6.7 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性 6.8 同步发电机与电网的并联运行同步发电机与电网的并联运行 6.9 同步电动机与同步

2、补偿机同步电动机与同步补偿机 6.10 同步发电机的不对称运行同步发电机的不对称运行 6.11 同步发电机的三相突然短路同步发电机的三相突然短路6.12 永磁同步电机永磁同步电机第六章第六章 同步电机同步电机第六章第六章 同步电机同步电机 同步电机转子转速是常值且与同步速相等，与负载的大同步电机转子转速是常值且与同步速相等，与负载的大小无关。小无关。min)r/(60pfnns同步电机主要用作同步电机主要用作发电机发电机，也可以用作，也可以用作电动机电动机和和补偿机补偿机。主要内容主要内容同步发电机的稳态对称运行同步发电机的稳态对称运行同步电动机和调相机同步电动机和调相机同步发电机的不对称运行

3、和三相突然短路同步发电机的不对称运行和三相突然短路 6.1 同步电机的基本结构和运行同步电机的基本结构和运行状态状态一、基本结构一、基本结构 同步电机分为同步电机分为旋转电枢式：旋转电枢式：磁极装在定子上，用于小容量同步电机中。磁极装在定子上，用于小容量同步电机中。旋转电枢式旋转电枢式旋转磁极式旋转磁极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：磁极装在转子上，为大中型同步电机的基本形式。本形式。旋转磁极式同步电机的结构旋转磁极式同步电机的结构 : 0.35mm 0.5 三相对称绕组绕组的冷轧硅钢片或铁心:转子转子 。同心式绕组或集中绕组直流励磁绕组整体或低碳钢片迭成。，气隙

4、不均匀凸极整块高强度合金钢。气隙均匀，隐极铁心 : :定子定子 电刷和集电环电刷和集电环同步电机又分为同步电机又分为隐极式隐极式和和凸极式凸极式两种。两种。有明显的凸出的磁极，气有明显的凸出的磁极，气隙不均匀，制作简单。隙不均匀，制作简单。适合于高速发电机适合于高速发电机适合于低速发电机适合于低速发电机转子圆柱形，气隙均匀，转子机转子圆柱形，气隙均匀，转子机械强度高，励磁绕组固定容易。械强度高，励磁绕组固定容易。NS+隐极式隐极式NSNS+凸极式凸极式汽轮发电机汽轮发电机 由汽轮机驱动的同步发电机由汽轮机驱动的同步发电机 p = 1 n = 3000r/min (50Hz) n = 3600r

5、/min (60Hz) 采用隐极结构采用隐极结构 6222D L 转子细而长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，转子直径不能超过子直径不能超过1.1m1.1m。 基本采用卧式结构基本采用卧式结构水轮发电机水轮发电机 由水轮机驱动的同步发电机由水轮机驱动的同步发电机 n = 几十几十 几百几百r/min 极对数多极对数多采用凸极结构采用凸极结构 转子粗而短转子粗而短7522LD 励磁绕组为集中绕组励磁绕组为集中绕组 立式结构立式结构 阻尼绕组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。阻尼绕组的结构与笼型感应电

6、机的转子的笼型绕组相似。阻尼绕组的作用作用阻尼绕组的作用作用同步发电机中同步发电机中：抑制转子机械振荡：抑制转子机械振荡同步电动机和同步补偿机中同步电动机和同步补偿机中：起动绕组：起动绕组与感应电机一样同步电机定转子极数应相同。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二、同步电机的运行状态 转子磁场转子磁场 转子磁场通入直流励磁电流产生，与转子同步旋转。转子磁场通入直流励磁电流产生，与转子同步旋转。定子磁场定子磁场 定子三相对称绕组流过三相对称电流产生，以定子三相对称绕组流过三相对称电流产生，以同步转速旋转（等于转子转速）。同步转速旋转（等于转子转速）。同步电机也有同步电

7、机也有发电机发电机、电动机电动机、补偿机补偿机三种运行状态。三种运行状态。运行状态取决于磁场的相对位置运行状态取决于磁场的相对位置合成磁场合成磁场 定子磁场和转子磁场的合成，以同步转速旋转。定子磁场和转子磁场的合成，以同步转速旋转。功率角功率角 转子磁场轴线转子磁场轴线领先合成磁场轴线的夹领先合成磁场轴线的夹角。角。 0时时，Te为制动转矩，原动机的驱动转矩与电磁转矩为制动转矩，原动机的驱动转矩与电磁转矩Te 平衡平衡 。转子吸收机械功率，定子发出电功率。转子吸收机械功率，定子发出电功率。 发电机运行状态发电机运行状态 f若若f fAUBUBUCUCUAUCUAUAUBUBUCUAUBUCUA

8、UBUCU 1号灯灭 3号灯灭 2号灯灭灯光旋转的说明灯光旋转的说明自整步法自整步法准确整步法的优点是准确整步法的优点是投入瞬间电网和电机没有 （或很少）冲击；缺点是整步手续比较复杂，时间长，不能满足快速冲击；缺点是整步手续比较复杂，时间长，不能满足快速并网要求。并网要求。 校验发电机的相序；校验发电机的相序； 励磁绕组经限流电阻短路；励磁绕组经限流电阻短路； 发电机的转速接近同步速；发电机的转速接近同步速； 并网；并网； 加励磁电流。加励磁电流。二、有功功率的调节和静态稳定二、有功功率的调节和静态稳定1. 有功功率的调节有功功率的调节以隐极电机为例，说明同步发电机与无穷大电网并联时有以隐极电

9、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，略去电枢电阻和磁饱和的影功功率的调节。为简化分析，略去电枢电阻和磁饱和的影响。响。准确整步法并网时准确整步法并网时，UE0，功率角00sin02seXUEmPP电磁转距电磁转距Te 0，发电机在电网上处于空载状态；原动机的，发电机在电网上处于空载状态；原动机的驱动转矩仅用于克服发电机的空载阻转矩。驱动转矩仅用于克服发电机的空载阻转矩。欲使发电机输出有功功率，根据能量守恒原理，应当增加发欲使发电机输出有功功率，根据能量守恒原理，应当增加发电机的输入功率，即调解原动机，这可以由开大汽轮机的汽电机的输入功率，即调解原动机，这可以由开

10、大汽轮机的汽门（或水轮机的水门）来实现。门（或水轮机的水门）来实现。原动机的功率增加时，驱动转矩原动机的功率增加时，驱动转矩T1增大，发电机的转子加速，增大，发电机的转子加速，于是与转子主磁场相对应的电动势于是与转子主磁场相对应的电动势E0将超前于电网电压将超前于电网电压U以以 角。角。根据功角特性，此时发电机将向电网输出一定的有功功率根据功角特性，此时发电机将向电网输出一定的有功功率P2。sin02seXUEmPP同时转子上将受到一个制动的电磁转矩同时转子上将受到一个制动的电磁转矩Te，使驱动转矩和，使驱动转矩和制动的电磁转矩重新取得平衡；转子转速仍然保持为同步制动的电磁转矩重新取得平衡；转

11、子转速仍然保持为同步转速。此时发电机已处于负载运行状态，如图中的转速。此时发电机已处于负载运行状态，如图中的A点所示。点所示。由此可见，要增加发电机的输出有功功率，必须增加原动由此可见，要增加发电机的输出有功功率，必须增加原动机的输出功率，使功率角机的输出功率，使功率角 增大，电磁功率和输出功率便增大，电磁功率和输出功率便会相应的增加；直到会相应的增加；直到 90时，电磁功率达到最大值时，电磁功率达到最大值Pe（max）。seXUEmP0(max)在电机的最大功率增大到在电机的最大功率增大到Pe（max）时，不能再增加输入功率。时，不能再增加输入功率。否则驱动转矩与制动转矩不能实现平衡，发电机

12、会失去同步。否则驱动转矩与制动转矩不能实现平衡，发电机会失去同步。2. 静态稳定静态稳定稳态运行于某一工作点稳态运行于某一工作点的同步发电机，当外界的同步发电机，当外界（电网或原动机）发生（电网或原动机）发生微小的扰动时，工作点微小的扰动时，工作点发生偏移，扰动消失后，发生偏移，扰动消失后，发电机能回到原先状态发电机能回到原先状态稳定运行，称为稳定运行，称为同步发同步发电机静态是稳定的；电机静态是稳定的；否否则是则是静态不稳定的静态不稳定的。正常工作于正常工作于A点或点或B点，看发电机的稳定运行情况。点，看发电机的稳定运行情况。cos0seXUEmddP当90时，0ddPe发电机就变为不稳定。

13、整步功率系数整步功率系数三、无功功率的调节三、无功功率的调节以隐极电机为例，说明同步发电机与无穷大电网并联时无以隐极电机为例，说明同步发电机与无穷大电网并联时无功功率的调节。功功率的调节。忽略电枢电阻，原动机的输入功率保持不变。忽略电枢电阻，原动机的输入功率保持不变。根据功率平衡关系可知，在调节励磁前后，发电机的电磁根据功率平衡关系可知，在调节励磁前后，发电机的电磁功率和输出的有功功率均应近似的保持不变。功率和输出的有功功率均应近似的保持不变。常值sin0seXUEmP常值cos2mUIP常值常值cossin0IE1. 无功功率的调节无功功率的调节不同励磁电流是的向量图不同励磁电流是的向量图正

14、常励磁正常励磁 cos=1过励过励 加大励磁电流，加大励磁电流，电枢电流将滞后于电网电压。电枢电流将滞后于电网电压。欠励欠励 减小励磁电流，电枢电流将超前于电网电压。减小励磁电流，电枢电流将超前于电网电压。调节励磁电流就可以调节无功功率这一现象，还可以用磁调节励磁电流就可以调节无功功率这一现象，还可以用磁动势平衡关系来解释。动势平衡关系来解释。 发电机与无穷大电网并联时，其端电压恒为常值，所以无发电机与无穷大电网并联时，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近似不变。论励磁如何变化，电枢绕组的合成磁通近似不变。 反之，减小励磁电流而变为反之，减小励磁电流而变为“欠励欠励”时，主磁通减少，为时，主磁通减少，为了维持合成磁通不变，发电机必须输出超前电流，以减小了维持合成磁通不变，发电机必须输出超前电流，以减小去磁性的电枢反应，甚至使电枢反应变为增磁性，以补偿去磁性的电枢反应，甚至使电枢反应变为增磁性，以补偿主磁通。主磁通。 当增加励磁电流并达到当增加励磁电流并达到“过励过励