电机学 第5章 同步电机

1、第五章同步电机,2,第五章 同 步 电 机,5.2 同步电机的运行原理,5.3 同步发电机的运行特性,5.1 同步电机的基本知识,5.4 同步发电机的并联运行,5.5 同步电动机和同步调相机,3,了解同步电机的用途和主要分类 熟练掌握同步电机的基本工作原理 熟悉同步电机的基本结构，熟练掌握隐极和凸极电机的结构特点 熟练掌握同步电机的额定值 熟练掌握同步发电机标幺值系统,第一节 同步电机的基本知识,学习目标,4,第一节 同步电机的基本知识,定义： 同步电机是指电机转子的转速与磁场转速相同的交流电机。同步电机的转速为 运用范围：,5,同步电机的用途和分类,6,同步电机的用途和分类,7,2. 同步电

2、机的分类,8,同步发电机按原动机分类,2. 同步电机的分类,9,2. 同步电机的分类,10,同步电机基本结构,11,12,13,14,同步电机的基本结构形式,同步电机的定子和异步电机相同，定子铁芯上有齿和槽，槽内设置三相绕组。转子上装有磁极和励磁绕组。同步电机的磁极通常装在转子上，而电枢绕组放在定子上，通常称为旋转磁极式电机。 旋转磁极式电机同步电机的转子有凸极和隐极两种结构形式。 用汽轮机作为原动机来拖动的称为汽轮发电机，一般采用隐极式结构；用水轮机作为原动机来拖动的称为水轮发电机，一般采用凸极式结构。同步电动机、由内燃机拖动的同步发电机以及同步补偿机大多做成凸极式。,15,16,17,18

3、,19,20,21,22,23,同步电机的构造特点,定子 同步电机的定子大体上和异步电机相同，是由铁芯、绕组、机座以及固定这些部分的其他构件组成。 转子 （以同步发电机为例） 1、汽轮发电机转子结构 现代汽轮发电机一般都是二极的，同步转速为3000或3600r/min。这是因为提高转速可以提高汽轮机的运行效率，减小整个机组的尺寸、降低机组的造价。转子不能做得过大，所以汽轮发电机的直径较小，长度较长。汽轮发电机均为卧式结构。 2、水轮发电机转子结构 大型水轮发电机通常都是立式结构，它的转速低、极数多，要求转动惯量大，故其特点是直径大、长度短。,24,同步电机的额定值,25,同步电机的额定值（铭牌

4、值）由以下几种： 额定容量 或额定功率 额定电压 是指同步电机在额定运行时其定子三相的线电压 额定电流 是指同步电机在额定运行时流过其定子绕组的线电流,同步电机的额定值,26,同步电机的额定值,额定功率因数 是指同步电机在额定运行时的功率因数。 额定效率 是指额定运行时的效率。 额定转速 和额定频率 是指同步电机运行时的转速（r/min）和定子绕组中电流与电压的工作频率（Hz）。 额定励磁电压 和额定励磁电流 是指同步电机额定运行时加到励磁绕组上的直流电压和电流。,发电机,电动机,27,同步电机的额定值,28,同步电机的额定值,29,小 结,30,小 结,31,第二节 同步电机的运行原理（基本

5、电磁关系）,32,第二节 同步电机的运行原理（基本电磁关系）,33,同步电机的励磁系统,同步电机运行时，必须在其转子励磁绕组中通入直流电流，以便建立磁场，这个直流称为励磁电流，供给励磁电流的整个系统称为励磁系统。励磁系统是同步电机的重要组成部分，励磁系统和励磁元件的性能对电机的运行性能有重要影响。 分类，励磁系统主要有两大类： 一类是直流发电机作为励磁电源的直流励磁机励磁系统； 另一类是用整流装置将交流变成直流后供给励磁的交流励磁机整流励磁系统。,34,同步发电机的空载运行,35,同步电机的空载运行,空载运行时，电枢电流为零，仅有由励磁电流所建立的主极磁场。 主极磁通分为主磁通和主极漏磁通，主

6、磁通所经过的路径称为 主磁路，包括：空气隙、电枢齿、电枢轭、磁极极身和转子轭五个部分。,36,同步电机的空载运行,当转子以同步转速旋转时，主磁场就在气隙中形成一个旋转磁场，它“切割”对称的三相定子绕组后，就将在定子绕组内感应出频率为 的一组对称三相空载电动势： 忽略高次谐波时，励磁电动势的有效值为 式中： 为每极的主磁通量,37,同步发电机的空载运行,38,同步发电机的空载运行,39,（1）励磁磁动势,40,（1）励磁磁动势,41,（1）励磁磁动势,42,定义磁极磁动势的基波分量振幅 与实际磁动势最大幅值 之比为 ，称为电机的励磁磁动势波形系数，即,隐极式同步电机的空载磁动势,隐极式同步电机的

7、转子绕组为分布绕组，在每极下有一个大齿和若干个小齿，转子磁动势的空间分布波形为阶梯波形，如下图所示，幅值为 （其中 为励磁电流， 为励磁绕组的每极匝数）,43,（1）励磁磁动势,44,凸极式同步电机的空载磁动势,凸极同步电机的绕组式集中 绕组，它所产生的磁动势是矩形 波，幅值为 ， 基波分量的振幅为 励磁磁动势的波形系数,45,2.基波励磁磁动势,46,（2）基波励磁磁动势,47,（2）基波励磁磁动势,48,（2）基波励磁磁动势,49,同步发电机的空载运行,50,3.基波气隙磁通密度,51,3.基波气隙磁通密度,52,同步发电机的空载运行,53,4.电枢绕组的磁链、感应电动势,54,4.电枢绕

8、组的磁链、感应电动势,55,4.电枢绕组的磁链、感应电动势,56,同步发电机的空载运行,57,画在同一坐标平面上的时间相量图和空间矢量图称为时空矢量图。 参考轴的选取是任意的。但一般 把相绕组轴线作为空间矢量参考轴 令时间相量参考轴与空间矢量参考轴重合 相绕组轴线相轴； 转子绕组轴线直轴； 与直轴正交（90度电角度）交轴,时间相量与空间矢量,直轴,58,5.时空相矢量图,59,5.时空相矢量图,60,5.时空相矢量图,61,5.时空相矢量图,62,同步发电机的空载运行,63,6.空载特性,64,对称负载时的电枢反应,65,对称负载时的电枢反应,空载：I0，Fa 0，气隙磁场只由转子电流产生；

9、负载时：I0，Fa 0，Fa对Ff的影响称电枢反应 同步电机电枢磁势与转子磁势间的相对位置取决于负载电流的性质。 同步和空载电势 电机输出电流 之间的相角 定义为内功率因数角。 时，电流 滞后于 ； 端电压 和 之间的相位角 称为外功率因数角 。,66,同步发电机负载时的电枢反应,67,同步发电机负载时的电枢反应,68,同步发电机负载时的电枢反应,69,电枢反应的性质,70,电枢反应的性质,71,电枢反应的性质,72,电枢反应的性质,73,Fa在交轴，所以称交轴电枢反应，因合成磁势 有增磁作用 因为I、E同相，所以不发无功功率,电枢反应的性质（内功率因数角 ）,74,Fa在交轴，所以称交轴电枢

10、反应，因合成磁势 有增磁作用 因为I、E反相，所以不发无功功率,电枢反应的性质（内功率因数角 ）,75,电枢反应的性质,76,电枢反应的性质（内功率因数角 ）,时间相量图 时空矢量图,77,电枢反应的性质,78,时间相量图 时空矢量图,电枢反应的性质（内功率因数角 ）,79,电枢反应的性质,80,电枢反应的性质,81,同步发电机负载时的电枢反应,82,同步发电机负载时的电枢反应,83,隐极同步发电机的时空相矢量图和相量图,84,隐极同步发电机的时空相矢量图和相量图,85,（1）饱和时的电磁关系,86,（1）饱和时的电磁关系,87,1.考虑饱和时的情况,88,（2）饱和时的电压方程式、相量图,8

11、9,（2）饱和时的电压方程式、相量图,90,1.考虑饱和时的情况,91,（3）饱和时的时空相矢量图,92,（3）饱和时的时空相矢量图,93,（3）考虑饱和时的时空相矢量图,94,隐极同步发电机的时空相矢量图和相量图,95,（1）不计饱和时的电磁关系,96,（1）不计饱和时的电磁关系,97,（1）不计饱和时的电磁关系,98,2.不计饱和时的情况,99,（2）不计饱和时的电压方程式、相量图、等效电路,100,（2）不计饱和时的电压方程式、相量图、等效电路,101,（2）不计饱和时的电压方程式、相量图、等效电路,102,（2）不计饱和时的电压方程式、相量图、等效电路,103,（2）不计饱和时的电压方

12、程式、相量图、等效电路,104,（2）不计饱和时的电压方程式、相量图、等效电路,105,凸极同步发电机的双反应理论和相量图,106,凸极同步发电机的双反应理论和相量图,107,1.凸极同步发电机的双反应理论,108,1.凸极同步发电机的双反应理论,109,1.凸极同步发电机的双反应理论,110,凸极同步发电机的双反应理论和相量图,111,2.凸极同步发电机的电动势相量图,112,（2）电压方程式,113,（2）电压方程式,114,2.凸极同步发电机的电动势相量图,115,（3）电动势相量图,116,（3）电动势相量图,117,2.凸极同步发电机的电动势相量图,118,凸极同步发电机的双反应理论

13、和相量图,119,凸极同步发电机的双反应理论和相量图,120,凸极同步发电机的双反应理论和相量图,121,凸极同步发电机的双反应理论和相量图,122,凸极同步发电机的双反应理论和相量图,123,同步发电机的电磁关系和分析方法,124,同步发电机的电磁关系和分析方法,125,同步发电机的电磁关系和分析方法,126,同步发电机的电磁关系和分析方法,127,第三节 同步发电机的运行特性,128,同步发电机的运行特性,129,同步发电机的空载特性、短路特性和同步电抗的测定,130,1.空载特性,131,1.空载特性,132,1、定义 2、用途 说明同步发电机的特性 测定同步电机的参数 3、短路特性 同

14、步发电机在短路时的量相量图。 U0 很小 很小（ 很小） 电机 磁路处于不饱和 又 ，所以，短路特性为一直线 （ ）。,2.短路特性,133,2.短路特性,134,（1）三相稳态短路时的电磁关系,135,2.短路特性,136,3. 同步电抗的测定,137,3.同步电抗的测定,138,3.同步电抗的测定,139,1. 定义： 右图为不同的 和不同的 时的负载特性，其中 (1)空载特性， (2)零功率因数特性， 通过零功率因数曲线和空载 特性曲线可以求取饱和同步电抗及 电枢电抗。,4.负载特性,140,同步发电机的零功率因素负载特性,141,1.零功率因素负载特性,142,1.零功率因素负载特性,

15、143,1.零功率因素负载特性,144,（4）零功率因数负载特性与空载特性的关系,145,（4）零功率因数负载特性与空载特性的关系,146,1.零功率因数负载特性,147,同步发电机的电压调整特性和调整特性,148,1.外特性（电压调整特性）,149,2. 调整特性,150,同步发电机的运行特性,151,同步发电机的运行特性,152,第四节 同步发电机的并联运行,对供电的要求主要是：保证足够的用电量，高的供电质量（电 压和频率为额定值），以及经济、可靠。 电力系统中有许多发电厂并联供电，可以合理地利用动力资源，对国民经济有很大意义。同步发电机并联运行，是同步发电机最基本地运行方式，研究和掌握它

16、地运行性能是有主要意义的。 当单台发电机满足U=const，f=const时，称为无穷大电网或无穷大母线。 同步发电机并联运行与变压器并联运行的区别,153,第四节 同步发电机的并联运行,154,概 述,155,概 述,156,概 述,157,概 述,158,同步发电机并联合闸的条件和方法,159,2.并联合闸的方法,160,2.并联合闸的方法,161,2.并联合闸的方法,162,（1）暗灯法,163,（1）暗灯法,164,（1）暗灯法,165,（1）暗灯法,166,（1）暗灯法,167,2.并联合闸的方法,168,（2）灯光旋转法,169,同步发电机并联运行分析,170,同步发电机并联运行分

17、析,171,1.调节励磁电流,172,同步发电机并联运行分析,173,2.调节原动机转矩,174,2.调节原动机转矩,175,（3）增大原动机的拖动转矩所引起的变化,176,（3）增大原动机的拖动转矩所引起的变化,177,2.调节原动机转矩,178,（4）稳态运行时的功率和转矩平衡方程式,179,（4）稳态运行时的功率和转矩平衡方程式,180,有功功率调节和静态稳定,181,1.同步发电机的功角特性,182,（2）功角特性,183,（2）功角特性,184,（2）功角特性,185,（2）功角特性,186,（2）功角特性,187,有功功率调节和静态稳定,188,（1）有功功率的调节,189,2.有

18、功功率调节和静态稳定,190,（2）并联运行时的静态稳定,191,（2）并联运行时的静态稳定,192,（2）并联运行时的静态稳定,193,无功功率调节和V形曲线,194,1.无功功率的调节,195,（2）如何调节无功功率,196,（2）如何调节无功功率,197,无功功率调节和V形曲线,198,2.同步发电机的V形曲线特性,199,2.同步发电机的V形曲线特性,200,2.同步发电机的V形曲线特性,201,同步发电机的并联运行,202,同步发电机的并联运行,203,同步发电机的并联运行,204,第五节 同步电动机和同步调相机,205,同步电动机的运行分析,206,1.同步电机的可逆原理,207,1.同步电机的可逆原理,208,同步电动机的运行分析,209,2.同步电动机的电压方程式和相量图,210,2.同步电动机的电压方程式和相量图,211,同步电动机的运行分析,212,3.同步电动机的功率和转矩平衡关系,213,同步电动机的运行分析,214,2、其他起动方法 同步电动机也可以用其他的辅助电动机拖动而起动，