第六章 同步电机

第六章同步电机第一页，共九十四页，编辑于2023年，星期五6.1概述6.2同步电机的运行原理6.3同步电机的运行特性6.4同步发电机的并联运行6.6同步发电机的不对称运行6.7同步电机的突然短路第二页，共九十四页，编辑于2023年，星期五6.1概述一、同步电机的工作原理同步发电机的工作原理

为三相对称空载电动势，如果转子的转速为，则频率为三相电动势波形如下图所示。同步电机：转子的转速与电源的频率、电机的极对数之间保持严格的关系：第三页，共九十四页，编辑于2023年，星期五第四页，共九十四页，编辑于2023年，星期五如果电机带三相对称负载，则电枢绕组中有三相对称电流流过

为园形旋转磁动势，其转向与转子的转向相同，转速为也即同步发电机的定、转子磁动势相对静止。第五页，共九十四页，编辑于2023年，星期五2.同步电动机的工作原理

只有在和相对静止时，电动机才能产生一个方向、大小均恒定的电磁转矩，因此，同步电动机在稳定工作时，其转子的转速必须等于磁场的转速。第六页，共九十四页，编辑于2023年，星期五二、同步电机的结构形式同步电机从旋转形式上可分为旋转电枢式和旋转磁极式。第七页，共九十四页，编辑于2023年，星期五凸极同步电机气隙不均匀，适合于中速或低速旋转场合隐极同步电机在不考虑齿槽效应时，气隙均匀，适合高速旋转旋转磁极式第八页，共九十四页，编辑于2023年，星期五1.隐极同步电机隐极同步电机用于汽轮发电机，极数为2。第九页，共九十四页，编辑于2023年，星期五第十页，共九十四页，编辑于2023年，星期五第十一页，共九十四页，编辑于2023年，星期五第十二页，共九十四页，编辑于2023年，星期五1）定子定子铁心：0.5mm的硅钢片。定子绕组：双层短距叠绕组。大型汽轮发电机定子铁心槽汽轮发电机完工后的定子第十三页，共九十四页，编辑于2023年，星期五第十四页，共九十四页，编辑于2023年，星期五转子铁心采用铬镍钼合金钢锻制而成。励磁绕组：同心式绕组3）端盖和轴承转子铁心汽轮发电机转子加工2）转子第十五页，共九十四页，编辑于2023年，星期五第十六页，共九十四页，编辑于2023年，星期五2.凸极同步电机定子与异步电动机的定子基本相同。水轮发电机定子分段铁心第十七页，共九十四页，编辑于2023年，星期五转子磁极一般用1mm－3mm的钢板叠压而成凸极同步电机转子由磁极、励磁线圈、磁轭和阻尼绕组等部分构成。1)卧式凸极同步电机的结构特点第十八页，共九十四页，编辑于2023年，星期五带阻尼绕组的凸极同步电机转子第十九页，共九十四页，编辑于2023年，星期五2)立式同步电机的结构特点水轮发电机采用立式结构。水机转速低，因此水轮发电机的极对数多，直径大，轴向短，外形短粗。立式水轮发电机视推力轴承的不同安放位置分为悬式和伞式。

第二十页，共九十四页，编辑于2023年，星期五组装中的水轮发电机第二十一页，共九十四页，编辑于2023年，星期五左岸电站，装机14台，单机容量70万千瓦第二十二页，共九十四页，编辑于2023年，星期五二、同步电机的励磁方式1.直流发电机励磁系统

同步电机运行时，必须在励磁绕组中通入直流电流，建立励磁磁场。将供给励磁电流的整个装置称为励磁系统第二十三页，共九十四页，编辑于2023年，星期五2.静止式交流整流励磁系统第二十四页，共九十四页，编辑于2023年，星期五3.旋转式交流整流励磁系统旋转部分第二十五页，共九十四页，编辑于2023年，星期五额定电流四、同步电机的额定值额定电压额定功率因数V或KVA额定容量对发电机单位为VA、KVA或MVA；对调相机来说单位为Var、kVar或Mvar；1.空气冷却2.氢气冷却3.水冷却4.超导发电机三、同步电机的冷却方式第二十六页，共九十四页，编辑于2023年，星期五额定转速r/min额定励磁电压V额定励磁电流A额定功率单位为W或kW对于发电机来说对于电动机来说额定频率HZ第二十七页，共九十四页，编辑于2023年，星期五6.2同步电机的运行原理、同步发电机的空载运行同步电机的空载磁场第二十八页，共九十四页，编辑于2023年，星期五2.空载运行时的电磁物理过程

为空载时的励磁磁场一个极距下的最大磁通，也即空载磁场。为励磁电动势，也叫空载电动势。

频率为3.空载特性，由于，所以，空载特性实际上是第二十九页，共九十四页，编辑于2023年，星期五1为空载特性，2为气隙线4.电机磁路的饱和系数为空载电压等于额定电压时的励磁电流第三十页，共九十四页，编辑于2023年，星期五0111231－典型空载特性2－不饱和空载特性3－饱和空载特性用标幺值表示的空载特性第三十一页，共九十四页，编辑于2023年，星期五5.空载时的时－空矢量图时－空矢量图相轴时轴令时轴和相轴重合，得时－空矢量图。时间相量图空间矢量图时－空矢量图第三十二页，共九十四页，编辑于2023年，星期五时－空矢量图有如下特点：1）电枢电流（时间相量）和电枢电流产生的合成磁动势（空间矢量）重合。2）不考虑磁滞现象，由磁动势产生的磁密（空间矢量）与磁动势（空间矢量）在时－空矢量图上也重合。3）磁密（空间矢量）与磁通（时间相量）在时－空矢量图上也重合。第三十三页，共九十四页，编辑于2023年，星期五交轴转子磁极的轴线称为直轴（d轴），与转子轴线相差90º电角度的轴线称为交轴（q轴）。空载电动势与交轴重合。第三十四页，共九十四页，编辑于2023年，星期五在实际电机中，空载磁场中除了基波磁场外还有一系列的谐波磁场，谐波电动势的计算公式为：6.谐波磁场在电枢绕组中感应的电动势电压波形正弦形畸变率电话谐波系数第三十五页，共九十四页，编辑于2023年，星期五二、同步电机的电枢反应1.电枢反应的定义电枢电流产生的磁场对励磁磁场的影响叫电枢反应。2．内功率因数角空载电动势与电枢电流之间的时间相位角第三十六页，共九十四页，编辑于2023年，星期五3．电枢反应的性质与内功率因数角的关系(与同相位）1）当a）电枢反应为交轴电枢反应。b)负载的性质为纯电阻性负载（包括电枢绕组的同步阻抗）。c)电机处于发电机运行状态。相轴时轴q轴d轴第三十七页，共九十四页，编辑于2023年，星期五(滞后于90°电角度）2）a）电枢反应为直轴去磁电枢反应。b)负载的性质为纯电感性负载（包括电枢绕组的同步阻抗）。c)电机处于过激状态。相轴时轴q轴d轴第三十八页，共九十四页，编辑于2023年，星期五3）当＝180°（与反相位）a）电枢反应为交轴电枢反应。b)负载的性质为机械负载（包括电枢绕组的同步阻抗）。c)电机处于电动机运行状态。相轴时轴q轴d轴第三十九页，共九十四页，编辑于2023年，星期五a）电枢反应为直轴助磁电枢反应。b)负载的性质为纯电容性负载（包括电枢绕组的同步阻抗）。c)电机处于欠激状态。相轴时轴q轴d轴(超前于90°电角度）4）第四十页，共九十四页，编辑于2023年，星期五5）一般情况0°＜＜90°相轴时轴q轴d轴第四十一页，共九十四页，编辑于2023年，星期五1)0°<<90°过激发电机2)－90°<<0°欠激发电机3)－180°<<－90°欠激电动机4)90°<<180°过激电动机一般情况下，电枢反应既有交轴电枢反应又有直轴电枢反应。第四十二页，共九十四页，编辑于2023年，星期五三、隐极同步发电机的负载运行1．各物理量正方向的规定第四十三页，共九十四页，编辑于2023年，星期五2．不考虑饱和时电磁物理过程、电动势平衡方程式和相量图（电势法）电磁物理过程第四十四页，共九十四页，编辑于2023年，星期五电动势平衡方程式相量图和等效电路第四十五页，共九十四页，编辑于2023年，星期五：电枢反应电抗：定子漏抗第四十六页，共九十四页，编辑于2023年，星期五：隐极同步电机的同步电抗电动势平衡方程式又可写成：等值电路如下图所示：第四十七页，共九十四页，编辑于2023年，星期五对应的相量图和等效电路第四十八页，共九十四页，编辑于2023年，星期五1．双反应理论凸极同步电机由于气隙不均匀，同一个磁动势作用的位置不同时电枢反应也不同。四、凸极同步发电机的负载运行第四十九页，共九十四页，编辑于2023年，星期五双反应理论：当电枢磁动势作用于交、直轴的任意位置时，可将电枢磁动势分解成交轴分量和直轴分量，先分别求出交、直轴电枢反应，最后再把它们的效果叠加起来。第五十页，共九十四页，编辑于2023年，星期五不考虑饱和时1、电磁物理过程第五十一页，共九十四页，编辑于2023年，星期五2、电动势平衡方程式当磁路不饱和时有电枢反应电动势可用电枢反应电抗压降来代替，即：为凸极同步电机的直轴和交轴电枢反应电抗。、由于d轴气隙小于q轴气隙，故，＞第五十二页，共九十四页，编辑于2023年，星期五电动势平衡方程式又可写成：其中：分别为d轴和q轴同步电抗。用同步电抗表示的凸极同步发电机的电动势平衡方程式为：第五十三页，共九十四页，编辑于2023年，星期五（3）相量图如果已知凸极同步发电机的电枢电压U和电枢电流I以及功率因数，则根据上面的凸极同步发电机的电动势平衡方程式不能作出它的相量图，必须首先找出其直轴和交轴的方向。将上式作如下变化：由于的方向即为交轴的方向，为电流的直轴分量，在直轴上，则也在交轴上，上式左边为交轴的方向，而右边的相量根据已知条件可以作出。第五十四页，共九十四页，编辑于2023年，星期五为功率因数角为内功率因数角为功角第五十五页，共九十四页，编辑于2023年，星期五同步电机各物理量的基值1.容量的基值（VA）2.电压的基值（V）3.电流的基值（A）4.阻抗的基值（Ω）5.励磁电流的基值（A）6.3同步发电机的运行特性第五十六页，共九十四页，编辑于2023年，星期五一、同步发电机的运行特性1．同步发电机的空载特性第五十七页，共九十四页，编辑于2023年，星期五2.短路特性由于电枢电阻远小于电枢的同步电抗，忽略电枢电阻后短路时的电动势平衡方程式为：因此短路时，同步电机的电枢反应为直轴去磁电枢反应。时－空矢量图如下：第五十八页，共九十四页，编辑于2023年，星期五电枢中的合成电动势仅与漏抗压降相平衡，因此磁路远未饱和。，由磁动势平衡方程式可得：即短路特性为一条直线。第五十九页，共九十四页，编辑于2023年，星期五3．零功率因数负载特性负载特性的定义：的条件下端电压与励磁电流之间的关系其中，当时U=f(If)的关系称为零功率因数负载特性第六十页，共九十四页，编辑于2023年，星期五由于、和同相位当同步发电机带纯电感性负载时，电动势平衡方程式为：其时－空矢量图如下：因此电动势和磁动势平衡方程式可简化为代数相加减为电枢反应的去磁作用，为电枢绕组的漏抗压降。忽略电枢电阻时，其电枢反应为直轴去磁电枢反应、和也是同相位，第六十一页，共九十四页，编辑于2023年，星期五

由于电枢电流保持不变，因此电枢绕组的漏抗压降和电枢磁动势也不变。空载特性和零功率因数负载特性之间相差一个特性三角形EAF。EA为电枢漏抗压降，AF为与电枢反应的去磁作用相等效的励磁电流（磁动势）。第六十二页，共九十四页，编辑于2023年，星期五4.外特性(1)定义：的条件下，端电压和负载电流之间的关系第六十三页，共九十四页，编辑于2023年，星期五2)电压调整率若保持发电机从额定负载到空载，电枢端电压的变化与额定电压的比值叫电压变化率。第六十四页，共九十四页，编辑于2023年，星期五二、特性曲线在参数计算中的应用由空载特性和零功率因数负载特性确定电枢绕组的漏电抗和电枢反应的等效励磁磁动势BUN已知空载特性和零功率因数负载特性曲线求特性三角形的步骤：(2)过O’作气隙线的平行线，交空载特性曲线于B’点；(3)过B’作O’A’的垂直线且交O’A’于B’点，则ΔA’B’C’则为特性三角形。(1)过零功率因数负载特性曲线上的额定电压点A’作水平线，截取O’A’＝OA；为与电枢反应的去磁作用相对应的等效励磁电流。第六十五页，共九十四页，编辑于2023年，星期五2.利用空载特性和短路特性确定的不饱和值短路时电动势平衡方程式为：由于短路时磁路不饱和，对应于励磁电流的空载电动势应从空载特性的气隙线上找，对应的同步电抗为不饱和值。当短路电流为时的励磁电流为，对应此励磁电流，磁路不饱和时空载电动势为，则第六十六页，共九十四页，编辑于2023年，星期五同步电抗的标么值为：3.短路比定义：同步发电机建立空载额定电压所对应的励磁电流与当三相稳态短路电流等于额定电流时所对应的励磁电流的比值。为对应于空载额定电压所对应的励磁电流下三相对称短路时的三相稳态短路电流。

第六十七页，共九十四页，编辑于2023年，星期五短路比又可以用同步电抗表示。为产生气隙线上额定电压所需要的励磁电流。为饱和系数。短路比的大小反应了同步发电机建压稳压的能力。短路比大，同步发电机建压稳压的能力强，电压的稳定性好，但电机的成本大。汽轮发电机，水轮发电机第六十八页，共九十四页，编辑于2023年，星期五4.利用空载特性和零功率因数负载特性曲线求的饱和值当同步发电机带纯电感性负载时的电动势平衡方程式为：由时－空矢量图可知，、和三者同相位。电动势平衡方程式又可写成：同步电抗的饱和值为：第六十九页，共九十四页，编辑于2023年，星期五6．同步发电机稳态参数的测定利用转差法测同步电机的电抗时，励磁绕组开路，转子在原动机的带动下以接近于同步转速的转速稳定运行。因此，电动势平衡方程式为：电压和电流波形如下图所示：利用转差法测同步电机的直轴和交轴同步电抗。第七十页，共九十四页，编辑于2023年，星期五由于实验时所加的电压很低，故所测得的同步电抗为不饱和值。第七十一页，共九十四页，编辑于2023年，星期五一、并联运行的条件和方法1.并联运行的条件（1）波形相同（2）频率相同（3）幅值相同（4）相位相同（5）相序相同6.4同步发电机的并联运行第七十二页，共九十四页，编辑于2023年，星期五2、投入并联的方法1）准确同步法将同步发电机调整到完全符合并联条件后再并联的方法叫准确同步法，又叫准整步法。a）直接接法直接接法时的接线图第七十三页，共九十四页，编辑于2023年，星期五直接接法时的相量图如果发电机的相序与电网的相序相同，电压也与电网的电压相同，但频率不同时，则三相相灯同时明暗。明暗的频率决定于频率之间的差值。并网后，由于自整步作用，发电机最终被拉入同步。第七十四页，共九十四页，编辑于2023年，星期五发电机投入并联后的自整步作用第七十五页，共九十四页，编辑于2023年，星期五黄灯最亮时当发电机的相序与电网的不同时的相量图如下所示：从相量图可看出，当相序不同时，三相相灯轮流明灭，因此观察到的现象为三相灯光旋转。红灯最亮时绿灯最亮时第七十六页，共九十四页，编辑于2023年，星期五b)交叉接线法交叉接线法的接线图以及相量图如下图所示：如果三相相序相同，电压相等，而频率不同时，灯光变化的规律可用相量图分析。第七十七页，共九十四页，编辑于2023年，星期五若发电机的相序与电网相序相同时，三相的相灯将旋转明灭，旋转速度决定于电机的频率与电网的频率的差值。当灯光旋转的速度很慢，直接联接的一相的相灯最暗时，另外两相半明半暗时，这时，并联条件全部满足。如果看到的是三相灯光同明灭，则说明相序不对。第七十八页，共九十四页，编辑于2023年，星期五2）自（同）整步法将待并同步发电机的励磁电流调至空载电压为额定电压时的励磁电流停机待并。当需要同步发电机迅速并网时，将励磁绕组通过限流电阻短路，原动机迅速将同步发电机起动至接近同步转速，不再检测并网条件，合上并网开关，并立即加入励磁电流，利用自整步作用将电机拉入同步。第七十九页，共九十四页，编辑于2023年，星期五二、功率和转矩平衡方程将上面第一式两边同时除以角速度可得：其中第八十页，共九十四页，编辑于2023年，星期五三、功角特性1、凸极同步电机的功角特性忽略电枢电阻，则凸极发电机的相量图：根据相量图的几何关系可得：第八十一页，共九十四页，编辑于2023年，星期五功角特性可写成：凸极同步电机的电磁功率分为两部分：（1）这部分电磁功率是由于定转子磁场相互作用而产生。这部分电磁功率是由于凸极同步电机交、直轴气隙不等，磁阻不等产生的。对凸极同步电机来说，当电磁功率达到最大。第八十二页，共九十四页，编辑于2023年，星期五2、隐极同步电机的功角特性隐极同步电机的气隙均匀，气隙各处相等，因此：隐极同步电机的功角特性可写成：功角特性曲线如左图所示：隐极同步电机的电磁功率仅有定、转子磁场相互作用产生的。对隐极同步电机来说，当电磁功率达到最大。标幺值表示的功角特性第八十三页，共九十四页，编辑于2023年，星期五四、有功功率的调节和静态稳定1、同步电机中的几个角度为电枢端电压与电枢电流之间的相位角2）内功率因数角空载电动势与电枢电流之间的时间相位角1）功率因数角第八十四页，共九十四页，编辑于2023年，星期五3）功角时间上为空载电动势与电枢端电压之间的时间相位角空间上为转子磁场与定子磁场之间的相位角当转子磁场超前于定子磁场时为同步发电机当定子磁场超前于转子磁场时为同步电动机第八十五页，共九十四页，编辑于2023年，星期五

a)发电机

b)电动机2、磁阻功率和磁阻转矩隐极同步电机第八十六页，共九十四页，编辑于2023年，星期五3、有功功率的调节要想改变同步发电机的有功输出，必须改变原动机的输入当原动机输入增加时，同步发电机的输出输出增加，功角增大。增大励磁电流时，输出有功功率不变，功角减小。第八十七页，共九十四页，编辑于2023年，星期五4、静态稳定当电网或原动机发生微小扰动时，如果扰动消失后发电机能回到原来的运行状态，则称发电机为静态稳定。第八十八页，共九十四页，编辑于2023年，星期五同步发电机稳态运行的条件为对隐极同步电机来讲，稳定运行的区域为发电机处于稳定与不稳定的临界点，称之为静态稳定极限。