电机学--第四篇-同步电机课件

1、第四篇 同步电机第一节 同步电机的基本知识第十章 同步发电机的运行原理一、同步电机的特点 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 。 频率：大小：波形：由 可知，波形取决于 的空间分布。相序：由转子的转向决定。可见，当电机的极对数、转速一定时，电机发出的交流电动势的频率也是一定的。 作为同步电动机运行时，需要在定子绕组上施以三相交流电压，电机内部便产生一个旋转磁场。这时转子绕组上加上直流励磁，则转子将在定子旋转磁场的带动下，沿定子磁场的旋转方向以相同的转速旋转。转子转速为 n=n1=60f/p 由此可见，同步电机的特点是转子的转速n

2、与电网频率f之间具有固定不变的关系，转速n称为同步转速。若电网的频率不变，则同步电机的转速恒为常值而与负载的大小无关。二、同步电机的基本类型按运行方式，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，转速低。同步电动机、柴油发电机和调相机一般作成凸极式。（一）、隐极同步电机的基本结构定子铁心：硅钢片叠成。机座：钢板焊接面成，有足够的强度和钢度。

3、电枢绕组：三相对称绕组铜线制成定子(电枢)转子铁心：采用整块的含铬、镍和钼的合金钢锻成护环：保护励磁绕组受离心力时不甩出励磁绕组：铜线制成滑环：引励磁电流经电刷、滑环进入励磁绕组中心环：支持护环，阻止励磁绕组轴向移动转子 隐极同步电机都采用卧式结构，有定子和转子两大部分。三、同步电机的结构型式各种电机 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1、定子铁心2、定子绕组3、转子铁心4、励磁绕组机械端口电端口ABC转子定子绕组定子铁心（二）、凸极同步电机的基本结构1、立式水轮发电机2、卧式水轮发电机阻尼绕组在同步发电机中，起抑制转子

4、转速振荡的作用，在同步电动机和补偿机中，主要作为起动绕组用。水轮发电机转子结构10000kW水轮机转子现场运行的水轮发电机四、同步电机的励磁方式 同步电机运行时，必须在励磁绕组中通人直流电流，通常称之为励磁电流。所谓励磁方式是指同步电机获得直流励磁电流的方式，而供给励磁电流的整个系统称为励磁系统。（一）直流励磁机励磁同步电机的励磁方式有以下几种：（二）静止的交流整流励磁系统 同一轴上有三台交流发电机，即主发电机、交流主励磁机和交流副励磁机。副励磁机的励磁电流开始时由外部直流电源提供，待电压建立起来后再转为自励(有时采用永磁发电机)。副励磁机的输出电流经过静止晶闸管整流器整流后供给主励磁机，而主

5、励磁机的交流输出电流经过静止的三相桥式硅整流器整流后供给主发电机的励磁绕组。 1、他励式静止半导体励磁系统2、自励式静止半导体励磁系统静止整流器的直流输出必须经过电刷和集电环才能输送到旋转的励磁绕组，对于大容量的同步发电机，其励磁电流达到数千安培，使得集电环严重过热。因此，在大容量的同步发电机中，常采用不需要电刷和集电环的旋转整流器励磁系统，如图所示。主励磁机是旋转电枢式三相同步发电机，旋转电枢的交流电流经与主轴一起旋转的硅整流器整流后，直接送到主发电机的转子励磁绕组。交流主励磁机的励磁电流由同轴的交流副励磁机经静止的晶闸管整流器整流后供给。由于这种励磁系统取消了集电环和电刷装置，故又称为无刷

6、励磁系统。 （三）旋转的交流整流励磁系统五、冷却方式 ：在中、小型电机中，都采用空气作为冷却介质。当电机的容量很大时，电机内部的损耗及发热量迅速增加，冷却问题显得格外重要，此时必须加强通风或采用其他的冷却方式。1）在大型汽轮发电机中，为了提高其冷却效率，往往用氢气冷却，是氢气与空气混合后，有爆炸危险，必须有一套控制设备来保证外界空气不会渗入到电机内部。2）目前在更大容量的发电机中，可以采用导线内部直接冷却。例如采用空心导体，冷却介质直接在导体中流通而把热量带走，这样能更有效地降低电机的温升。所采用的冷却介质一般有氢气及水等。 六、 同步电机的额定值同步电机的额定值有：1）额定电压：是指在正常运

7、行时，按照制造厂的规定，定子三相绕组上的线电压。电压的单位用V或kV表示。2）额定电流：流过定子绕组的线电流 。3）额定功率：是指在正常运行时，电机的输出功率 。A：对于发电机而言：输出的是电功率。B：对于电动机而言：输出的是机械功率。单位是KW。4. 相数m ：一般m=3。5. 额定频率:我国额定工业频率规定 =50Hz.6）额定转速：额定转速即为电机的同步速，在一定极数及频率时，它的转速是定值。第二节 空载和负载时同步电机的磁场一、同步电机的空载运行一 空载磁场1 空载运行：同步发电机空载运行是指同步发电机被原动机拖动到同步转速，转子励磁绕组通入直流励磁电流而定子绕组开路时的运行工况。 2

8、 空载磁场空载时气隙中的磁场仅有直流励磁电流产生的励磁磁场， 称为空载磁场或主磁场。3 主磁路(0的路径)主极铁心气隙电枢齿电枢磁轭电枢齿气隙另一主极铁心转子磁轭。凸极同步电机的空载磁势励磁绕组为集中绕组，磁势波为矩形波对于凸极发电机来说，由于定转子间的气隙沿整个电枢圆周分布不均匀，极面下气隙较小，磁阻较小；极间气隙较大，极间磁阻很大。同一个极面下，气隙径向磁通密度的分布近似于平顶的帽形。极靴以外的气隙磁通密度减少很快，相邻两极中线上的磁通密度为零。气隙磁密用付立叶谐波分析分解出空间基波和一系列谐波。 AXBCYz+A+A0感应电势的波形和大小与气隙磁密的分布形状及幅值大小紧密相关。在设计和制

9、造电机时，应采取适当的措施，以获得尽可能接近正弦分布的气隙磁密，从而得到较高品质的感应电势。 二空载特性1. 空载感应电势的大小与频率n基波电动势：E0=4.44fWkW100 ：磁极的基波每极磁通。W：每相定子绕组串联匝数。2空载特性：当转子以恒定转速n旋转时，为磁路的磁化特性与曲线相似(成比例)( )c1d0If(Ff)一般将发电机的空载额定电压设计于弯曲部分C点3.电机磁路的饱和系数气隙线:将空载特性的直线部分延长得线段2，称为气隙线。( )abc12ngd0Ff0F设oa代表额定电压， 则ac为产生额定电压所需磁势:( )abc12ngd0Ff0Fab=F：不计饱和时产生oa电压所需磁

10、势，称为气隙磁势。bc=FFe：由于饱和，使得产生oa电压的磁势增大的部分， FFe用以克服铁心磁阻所需磁势。且FFe铁心越饱和越大。c当E0=UN 时：abc1ngd0If(Ff)Ff0F电机运行于曲线刚好弯曲处：1、充分利用材料；2、不会过分饱和;空载特性的工程应用 将设计好的电机的空载特性与常规空载特性相比较，如果两者接近，说明电机设计合理，反之，则说明该电机的磁路过于饱和或者材料没有充分利用。如太饱和，将使励磁绕组用铜过多，且电压调节困难如饱和度太低，则负载变化时电压变化较大，且铁心利用率较低，铁心耗材较多结合短路特性可以求取同步电机的参数。发电厂通过测取空载特性来判断三相绕组的对称性

11、以及励磁系统的故障。 必须掌握（*）三、对空载电势的要求三相对称。频率恒定。波形接近正弦。有一定幅值。电枢反应: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基波波形大小位置转速转向励磁磁动势正弦波恒定，由励磁电流决定由转子位置决定由原动机的转速决定由原动机决定电枢反应磁动势正弦波恒定，由电枢电流决定由电流瞬时值决定由磁极对数和电流频率决定由电流相序决定2.2同步电机的电枢反应 一、 时的电枢反应空载电

12、动势 和电枢电流 同相位.d轴q轴 U轴U1U2 W2V1W1V2NSW轴V轴电枢反应性质：交轴电枢反应 二、 时的电枢反应空载电动势 超前电枢电流 d轴q轴 U轴U1U2 W2V1W1V2NSW轴V轴电枢反应性质：直轴去磁电枢反应 三、 时的电枢反应空载电动势 滞后电枢电流 d轴q轴 U轴U1U2 W2V1W1V2NSW轴V轴电枢反应性质：直轴助磁电枢反应四、一般情况下的电枢反应空载电动势 超前电枢电流 角, d轴q轴 U轴U1U2 W2V1W1V2NSW轴V轴电枢反应性质：既有交轴,还有直轴去磁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

13、势上升下降 上升下降下降下降不变不变下降R、C增强交轴直轴助磁d、q轴R、L削弱交轴直轴去磁d、q轴C增强直轴助磁d轴L削弱直轴去磁d轴R波形畸变交轴q轴 负载性质对电机的影响电枢反应性质记作夹角 位置综合以下分析可以看出：当同步发电机供给滞后电流时，电枢磁势除了一部分产生交轴电枢反应外，还有一部分产生直轴去磁电枢反应；当电机供给超前电流时，电枢磁势除了一部分产生交轴电枢反应外，还有一部分产生直轴增磁电枢反应。这个结论十分重要，它对发电机性能的影响将在后面内容提到。1 隐极同步电机的电枢反应：隐极同步电机有一个特点就是定转子之间的气隙是均匀分布的。电枢磁动势作用在任一位置，其效果是一样的已知：

14、其中的 称为电枢反应电抗。在同样大小电流情况下,如果 越大，电枢反应电势也越大，表示着电枢磁势所产生的电枢磁通很强。因此 的大小可以说明电枢反应的强弱。当然，电枢电流除了产生主磁通外，还要产生一定的漏磁通，由于漏磁通也会交链电枢绕组，所以对应产生电动势所以在三相对称电流通过电枢绕组后，所产生的匝链定子绕组的磁通为（ ），两者在电枢绕组中所产生的全部电势为式中 称为隐极同步电机的同步电抗。这样同步发电机在负载下，电枢反应磁通及漏磁通所产生的作用，可以通过同步电抗压降的形式来表示了。同步电机在正常状态下工作，磁路略呈饱和。磁路的饱和程度越高，它的磁阻便越大，所对应的电抗便函越小。所以 或 的大小是

15、随着磁路饱和程度的改变而改变的。2、凸极同步电机： 凸极同步电机的特点就是气隙分布不均匀。这样我们就不能用分析隐极式同样的方法来分析凸极同步电机的电抗。在凸极电机中，极面下气隙较小，两极之间气隙较大。 很显然，由于直轴处的气隙比交轴处小，故直轴磁导比交轴磁导大。这样，同样大小的电枢磁动势作用在直轴和交轴上时，所产生的电枢磁场将有明显的差别。而不同的磁阻将对应着不同的电抗。 所以，在这里，我们将磁动势 分解成沿直轴和交轴方向的两个分量。直轴电枢磁势固定地作用在直轴磁路上，对应于一个恒定不变的磁阻，产生磁通 。交轴电枢磁势固定地作用在交轴磁路，也对应于一个恒定不变的磁阻，产生磁通 。磁通 与 分别

16、切割定子绕组而在其中感应出电势 及 。由于交轴及直轴的磁阻都恒定不变，所以 正比于 ， 正比于 ，因此，和隐极电机一样，直轴和交轴电枢反应电抗各和定子漏抗相加，便可以得到直轴同步电抗和交轴同步电抗，即注意：在直轴磁路上，由于气隙小，磁阻小，所以 较大。在交轴磁路上，由于气隙很大，磁阻大，所以 较小。当直轴及交轴的同步电抗相等时，就是隐极电机。(1) 隐极发电机的电磁过程第三节 隐极同步发电机的电动势方程及同步电抗一、不计饱和时的分析叠加原理（电动势合成）(2) 隐极同步发电机的电势方程式：同步发电机在对称负载下运行，气隙中存在着两种磁势，即定子上的电枢磁势和转子的磁极磁势。在不考虑磁路的饱和现

17、象时，应用迭加原理，认为它们各自独立地产生相应磁通，并在电枢绕组内产生感应电势。 (3) 隐极发电机的相量图已知发电机的端电压、负载电流和功率因数cos及参数ra 、xt当功率因数cos 滞后时的相量图 在图中， 与 的夹角用表示； 与的 夹角用表示； 与 的夹角用 表示。在以上三个角度间存在有下列关系：根据图的相量关系，将电压按 角分解成 及 后，可以得到的计算公式：(4) 隐极发电机的等效电路：raxt只要去掉 ra 即可得到简化等效电路当凸极同步发电机在对称负载下运行时，气隙中也存在着两种旋转磁势，即转子上磁极磁势和定子上电枢磁势。由于凸极电机中，转子直轴和交轴上的气隙不等，在分析电枢磁

18、势影响时，必须按照式前面我们所分析的将磁动势分解成直轴和交轴两个分量，然后和处理隐极电机一样，不计及磁路的饱和现象，应用迭加原理认为它们各自独立地产生相应的磁通，并在电枢绕组内产生感应电势。 第四节 凸极同步发电机的电动势方程及同步电抗一、不考虑饱和凸极发电机的电磁过程这样，产生的端电压为：整理得：可以把漏抗压降分解成两个分量，即：这就是凸极发电机的电动势平衡方程式，这样我们就可以作出相应的相量图。但是很明显，要做出向量图还缺 和 两个分量。也就是要知道 与 之间的夹角。凸极发电机的相量图的作法已知发电机的端电压、负载电流和功率因数及参数ra 、xd、xq 。1、已知内功率因数角按照电势方程式

19、的关系作出相量图2、未知内功率因数角1）利用方程式求出：2）利用公式求出：第五节 同步发电机功率及转矩方程一、同步发电机的功率平衡方程二、同步发电机的转矩平衡方程本章小结同步电机按其工作状态可分为同步发电机、同步电动机和同步调相机，同步发电机有可分为隐极式和凸极式，其同步转速为 （r/min）；同步发电机的电枢反应取决于电枢电流与感应电动势之间的夹角。通常情况下，起交磁兼去磁作用；隐极同步发电机不饱和时的电动势平衡方程为: 其中的同步电抗，是表征对称稳态运行时电枢反应基波磁场和漏磁场综合效应的电磁参数，其大小对同步电机的性能有很大影响。凸极同步发电机不饱和时的电动势平衡方程为: 其中的直轴同步

20、电抗和交轴同步电抗，意义与隐极电机的相同。只是由于凸极电机气隙不均匀，由双反应理论导出了两个同步电抗，且有 。习题：10-17，10-18，10-19第十一章 同步发电机的特性及参数测定 同步发电机在转速保持恒定、负载功率因数不变的运行条件下，有三个主要变量，即端压U、负载电流及励磁电流三个量中确定一个量不变，其他两个量相随变化的函数关系，称为同步发电机的特性。 同步发电机特性分成基本特性和运行特性两类。基本特性包括空载特性、短路特性及零功率因数的负载特性，可通过实验求得，用来测定参数及判断电机性能；运行特性包括外特性和调节特性，是操作、运行发电机时的依据。（一）、空载特性和短路特性、零功率因

21、数负载特性1、空载特性定义： 空载特性是发电机的基本特性之一。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、判断励磁绕组和定子铁心有无故障等。 第一节 同步发电机的空载特性和短路特性因 正比于 ，而励磁电流又正比于励磁磁势，所以开路特性曲线与电机的磁化曲线在形状上完全相同。开路特性主要有两个用处： （1）开路特性可以反映出电机设计是否合理。如同前面所分析的情况一样，额定电压应位于开路特性开始弯曲的部分，这样才比较经济合理。（2）同步电抗是同步电机中一个极为

22、重要的参数，同步电机的许多性能由它所决定。开路特性配合短路特性可以求出同步电抗。2、短路特性定义：短路时的等效电路短路特性曲线 短路特性与空载特性配合可以求出电机的同步电抗。（二）、外特性和调整特性1、外特性定义：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。2、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

23、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。 同步发电机单机运行时，其频率和端电压会随着负载的变化而变化，供电的质量和可靠性较差，所以在电力系统中，一般由多个发电厂并联组成电力系统，且每个发电厂的多台发电机在一起并联运行。这样即使单机负荷发生变化，对发电机的频率和端电压的影响甚微，而且并联运行可以合理利用动力资源、便于发电设备轮流检修，提高供电的质量和可靠性。 电网对单台发电机来说可看作无穷大电网，同步发电机并联到电网后，其运行情况要受到电网的

24、制约，即发电机的电压、频率必须和电网的电压、频率一致而不能单独变化。可见发电机并联运行与单机运行时的分析方法将会有所不同，本章主要介绍发电机与电网并联的条件和方法及并网运行时调节电机向电网输送功率的方法。第十二章、同步发电机的并联运行及同步电动机第一节 投入并联运行的条件和方法一、投入并联的条件（1）发电机和电网的电压波形要相同；（2）发电机的频率和电网频率相同；（3）发电机和电网电压幅值相同（4）发电机和电网相位相同；（5）发电机和电网的相序要相同。二、投入并联的方法（一）准同步法将发电机调整到完全符合投入并联的条件，然后投入电网的操作过程称为准确同步法。在调整过程中为了判断发电机是否满足并

25、联条件，常常采用同步指示器。最简单的同步指示器由三个同步指示灯组成，它们有两种接法即直接接法和交叉接法。 直接接法交叉接法 （二）自同步法投入的步骤是：首先校验发电机的相序，并按照规定的转向（和定子旋转磁场的转向一致）把发电机拖动到接近于同步转速，励磁绕组经限流电阻短路；然后把发电机拖入电网，再立即加上直流励磁，此时依靠定、转子磁场间所形成的电磁转矩，即可把转子自动牵入同步。自同步法的优点是投入迅速，不需要复杂的设备，缺点是投人时定子电流冲击较大。凸极同步发电机第二节 同步发电机的功角特性隐极同步发电机由此，我们得到了隐极同步电机的功角特性表达式 ，即当e0和u为常数时，电磁功率和功角之间的函

26、数关系。显然，当功角=900 时，电磁功率达到最大值。第三节 有功功率调节与静态稳定和振荡一、有功功率的调节：已知，在忽略铜耗的前提下，Pem=P2=而Pem和P1从功角特性可以看出是成正比关系的，所以，想要增加电机输出的有功功率，从功率平衡的观点来看，只有增加原动机的输入功率P1。二、静态稳定静态稳定：电机在运行时，受到外界的干扰，从而导致运行偏离原先的运行点，而当干扰撤去后，电机又能自行回到原先的点继续工作，就叫做电机的静态稳定。这样一来，如图所示：作如下分析： 1）在a点， P1=Pem，即输入P1和输出Pem相等，电机稳态运行； 2）来一个干扰，假定使得P1增加到P1，显然电机的转速将

27、增大，因为功角和转速 成正比关系变化，所以，功角也将增大，推出Pem也增大 ，这样一来，我们可以看出 在b点电机将达到一个新的平衡点，从而继续稳定运行。3）由此可以推出，当功角在00-900之间变化时，发电机有自动保持同步的能力，是发电机稳定运行区域。在稳定运行范围内，电磁功率的改变只会改变功角的大小，而转子的稳定转速是不会改变的，永远以同步速旋转。 4）而在9001800之间，电机是不稳定运行的，在功角=900时，输入的机械功率到达与最大电磁功率相等，即 当功角大于900时将失去同步，失去同步后，装在电网与间的保护开关产生动作，将发电机从电网上拉开。第四节 无功功率调节和V形曲线一、同步电机的可逆原理 同步电机的运行是可逆的，既可以用作发电机，还可以用作电动机。 同步电机运行于发电机状态时，如图所示。 转子磁极轴线超前定子合成磁极轴线，0，电机把机械能转变成电能。第五节、同步电动机和调相机 逐步减少发电机的输入功率，转子将瞬时减速，角减小，相应的电磁功率也减少。 当发电机的输入功率只能满足空载损耗时，发电机处于空载运行状态。 继续减少发电机的输入功率，则和 Pem变为负值。卸动原动机，电机从电网吸收功率满足空载损耗，成为空转的电动机。 电机轴上加上机械负载，负值的增大，由电网向电机输入的电功率和相应的电磁功率增大，转子磁极轴线落后定子合成磁极轴线，转子受到驱动性质的电磁转