同步电机的基本结构和运行状态.doc

《同步电机的基本结构和运行状态.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《同步电机的基本结构和运行状态.doc（16页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。

1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流6.16.26.36.4 同步电机的基本结构和运行状态.精品文档.6.5 同步电机的基本结构和运行状态一、同步电机的基本结构按照结构型式，同步电机可以分为旋转电枢式和旋转磁极式两类。旋转电枢式电枢装设在转子上，主磁极装设在定子上。这种结构在小容量同步电机中得到一定的应用。旋转磁极式主磁极装设在转子上，电枢装设在定子上。对于高压、大容量的同步电机，通常采用旋转磁极式结构。由于励磁部分的容量和电压常较电枢小得多，电刷和集电环的负载就大为减轻，工作条件得以改善。目前，旋转磁极式结构已成为中、大型同步电机的基本结构型式。在旋转磁极式电机中，按照主极的

2、形状，又可分成隐极式和凸极式，如图6-l所示。隐极式转于做成圆柱形，气隙为均匀；凸极式转子有明显的凸出的磁极，气隙为不均匀。对于高速的同步电机(3000rmin)从转子机械强度和妥善地固定励磁绕组考虑，采用励磁绕组分布于转子表面槽内的隐极式结构较为可靠对于低速电机(1000rmin及以下)，转子的离心力较小，故采用制造简单、励磁绕组集中安放的凸极式结构较为合理。大型同步发电机通常采用汽柁机或水轮机作为原动机来拖动，前者称为汽轮发电机，后者称为水轮发电机。由于汽轮机是一种高速原动机，所以汽轮发电机一般采用隐极式结构。水轮机则是一种低速原动机，所以水轮发电机一般都是凸极式结构。同步电动机、由内燃机

3、拖动的同步发电机以及同步补偿机大多做成凸极式，少数两极的高速同步电动机亦有做成隐极式的。l 隐极同步电机 以汽轮发电机为例来说明隐极同步电机的结构。现代的汽轮发电机一般都是两极的，同步转速为3000rmin(对50Hz的电机)。由于转速高，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，图62表示一台汽轮发电机的外形图。汽轮发电机的定子由定子铁心、定于绕组、机座、端盖等部件组成。定子铁心一般用厚o5mm的DR360硅钢片叠成，每叠厚度为36cm，叠与叠之间留有宽0.8lcm的通风槽。整个铁心用非磁性压板压紧固定在机座上。图63 汽轮发电机的转子图62汽轮发电机的外形图 大容量汽轮发电

4、机的转子周速可达170180m/s。由于周速高，转子受到极大的机械应力，因此转子一般都用整块具有良好导磁性的高强度合金钢锻成沿转子表面约23部分铣有轴向凹槽，励磁绕组就嵌放在这些槽里；不开槽的部分组成一个“大齿”，嵌线部分和大齿一起构成了主磁极(图6-la)。为把励磁绕组可靠地固定在转子上，转子槽楔采用非磁性的金属槽楔，端部套上用高强度非磁性钢段成的护环。图6-3表示一台嵌完线的汽轮发电机的转子。 由于汽轮发电机的机身比较细长，转子和电机中部的通风比较困难所以良好的通风、冷却系统城对汽轮发电机非常重要。l 凸极同步电机 凸极同步电机通常分为卧式(横式)和立式两种结构。绝大部分同步电动机、同步补

5、偿机和用内燃机或冲击式水轮机拖动的同步发电机都采用卧式结构。低速、大容量的水轮发电机和大型水泵电动机则采用立式结构。图64 凸极同步电动机的转子 卧式同步电机的定子结构与感应电机基本相同，定子亦由机座、铁心和定子绕组等部件组成；转子则由主磁极、磁轭、励磁绕组、集电环和转轴等部件组成。图64表示一台已经装配好的凸极同步电动机的转子。 大型水轮发电机通常都是立式结构。由于它的转速低、极数多，要求转动惯量大。故其特点是直径大、长度短。在立式水轮发电机中，整个机组转动部分的重量以及作用在水轮机转子上的水推力均由推力轴承支撑，并通过机架传递到地基上，如图65所示。图66表示一台大型水轮发电机的分瓣定子。

6、除励磁绕组外，同步电机的转子上还常装有阻尼绕组。阻尼绕组与笼型感应电机转子的笼形绕组结构相似，它由插入主极极靴槽中的铜条和两端的端环焊成一个闭合绕组。在同步发电机中，阻尼绕组起抑制转子转速振荡的作用；在同步电动机和补偿 图66大型水轮发电机的分瓣定子图65 立式水轮发电机示意图机中，主要作为起动绕组用。二、同步电机的运行状态当同步电机的定子(电枢)绕组中通过对称的三相电流时定子将产生一个以同步转速推移的旋转磁场。稳态情况下，转子转速亦是同步转速，于是定子旋转磁场恒与直流励磁的转子主极磁场保持相对静止，它们之间相互作用并产生电磁转矩进行能量转换。同步电机有三种运行状态：发电机、电动机和补偿机。发

7、电机把机械能转换为电能，电动机把电能转换为机械能，补偿机中没有有功功率的转换，专门发出或吸收无功功率、调节电网的功率因数。分析表明，同步电机运行于哪一种状态主要取决于定子合成磁场与转子主磁场之间的夹角，称为功率角。 若转子主磁场超前于定子合成磁场，0，此时转于上将受到一个与其旋转方向相反的制动性质的电磁转矩，如图67a所示。为使转子能以同步转速持续旋转转子必须从原动机输入驱动转矩。此时转子输入机械功率，定子绕组向电网或负载输出电功率，电机作发电机运行。 若转子主磁场与定子合成磁场的轴线重合，0，则电磁转矩为零，如图67b所示。此时电机内没有有功功率的转换，电机处于补偿机状态或空载状态。 若转子

8、主磁场滞后于定子合成磁场，00)，则A相电流在经过t01这段时间后才达到其正的最大值；换言之，在t01秒后，电枢磁动势的幅值才与A相绕组轴线重合。所以在图613a所示瞬间，电枢磁动势Fa应在距离A相轴线0电角度处，即Fa滞后于主极磁动势Ff以90+0电角度。由于Fa与Ff同向、同速旋转，所以它们之间的相对位置将始终保持不变。不难看出，此时Fa可以分成两个分量，一为交轴电枢磁动势Faq另一为直轴电枢磁动势Fad，即Fa=Faq+Faq (63)其中Fad=Fasin0， Faq=Facos0 (64)交轴电枢磁动势所产生的交轴电枢反应，其作用已在前面说明。直轴电枢磁动势所产生的直轴电枢反应，对主

9、极而言，其作用可为去磁，亦可为增磁，视0角的正、负而定。从图613b和c不难看出，对于同步发电机，若电枢电流滞后于激磁电动势，则直轴电枢反应是去磁性；若超前于，直轴电枢反应将是增磁性。直轴电枢反应对同步电机的运行性能影响很大。若同步发电机单独供电给一组负载，则负载以后，去磁或增磁性的直轴电枢反应将使气隙内的合成磁通减少或增加，从而使发电机的端电压产生变动。如果发电机接在电网上，从6.8节可知，其无功功率和功率因数是超前还是滞后与直轴电枢反应的性质密切相关。图6-14表示负载时隐极同步发电机内的磁场分布图。6.3 隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路 上面分析了负载时同步发电机内部的磁场。

10、在此基础上，即可导出隐极同步发电机的电压方程，并画出相应的相量图和等效电路。一、不考虑磁饱和时同步发电机负载运行时，除了主极磁动势Ff之外，还有电枢磁动势Fa。如果不计磁饱和(即认为磁路为线性)，则可应用叠加原理，把Ff和Fa的作用分别单独考虑，再把它们的效果叠加起来。设Ff和Fa各自产生主磁通和电枢磁通，并在定子绕组内感应出相应的激磁电动势和电枢反应电动势，把，和相量相加，可得电枢一相绕组的合成电动势(亦称为气隙电动势)。上述关系可表示为：再把气隙电动势减去电枢绕组的电阻压降Ra和漏抗压降jX (X为电枢绕组的漏电抗)，便得电枢绕组的端电压。采用发电机惯例，以输出电流作为电枢电流的正方向时，

11、电枢的电压方程为 (65)因为电枢反应电动势Ea正比于电枢反应磁通a不计磁饱和时，a又正比于电枢磁动势Fa和电枢电流I，即因此Ea正比于I；在时间相位上，滞后于以90电角度，若不计定子铁耗，与同相位，则将滞后于以90电角度。于是亦可写成负电抗压降的形式，即 (66)式中，Xa是与电枢反应磁通相应的电抗，称为电枢反应电抗。将式(66)代人式(65)，经过整理，可得 (67)式中，Xs称为隐极同步电机的同步电抗，Xs=Xa+X，它是对称稳态运行时表征电枢反应和电枢漏磁这两个效应的一个综合参数。不计饱和时，Xs是一个常值。 图615a和b表示与式(65)和式(67)相对应的相量图，图615c表示与式

12、(67)相应的等效电路。从图615c可以看出，隐极同步发电机的等效电路由激磁电动势和同步阻抗Ra+jXs串联组成，其中E0表示主磁场的作用，Xs表示电枢反应和电枢漏磁场的作用。二、考虑磁饱和时考虑磁饱和时，由于磁路的非线性，叠加原理不再适用。此时，应先求出作用在主磁路上的合成磁动势F，然后利用电机的磁化曲线 (空载曲线) 求出负载时的气隙磁通及相应的气隙电动势，即再从气隙电动势减去电枢绕组的电阻和漏抗压降，使得电枢的端电压，即或 (68)相应的矢量图、相量图和FE间的关系如图616a和b所示。图6-16a中既有电动势相量，又有磁动势矢量故称为电动势磁动势图。 这里有一点需要注意，通常的磁化曲线

13、习惯上用励磁磁动势Ff的幅值 (对隐极电机，励磁磁动势为一梯形波，如图617所示) 或励磁电流值作为横坐标，而电枢磁动势Fa的幅值则是基波的幅值，因此在Ff和Fa矢量相加时，需要把基波电枢磁动势Fa乘上换算系数ka以换算为等效梯形波的作用。ka的意义为，产生同样大小的基波气隙磁场时，一安匝的电枢磁动势相当于多少安匝的梯形波主极磁动势。通常ka0.931.03。 考虑饱和效应的另一种方法是，通过运行点将磁化曲线线性化，并找出相应的同步电抗饱和值Xs(饱和)。引，把问题化作线性问题来处理。6.4 凸极同步发电机的电压方程和相量图 凸极同步电机的气隙沿电枢圆周是不均匀的，因此在定量分析电枢反应的作用

14、时，需要应用双反应理论。一、双反应理论凸极同步电机的气隙是不均匀的，极面下气隙较小，两极之间气隙较大，故直轴下单位面积的气隙磁导d (d0d) 要比交轴下单位面积的气隙磁导q (q0q) 大很多，如图618a所示。当正弦分布的电枢磁动势作用在直轴上时，由于d较大，故在一定大小的磁动势下，直轴基波磁场的幅值Bad1相对较大。当同样大小的磁动势作用在交轴上时，由于q较小，在极间区域，交轴电枢磁场出现明显下凹，相对来讲，基波幅值Baq1将显著减小，如图618c中所示。一般情况下，若电枢磁动势既不在直轴、亦不在交轴而是在空间任意位置处，可把电枢磁动势分解成直轴和交轴两个分量(如图618b)，再用对应的

15、直轴磁导和交轴磁导分别算出直轴和交轴电枢反应，最后把它们的效果叠加起来。这种考虑到凸极电机气隙的不均匀性，把电枢反应分成直轴和交轴电枢反应分别来处理的方法，就称为双反应理论。实践证明，不计磁饱和时，这种方法的效果是令人满意的。在凸极电机中，直轴电枢磁动势Fad和交轴电枢磁动势Faq，换算到励磁磁动势时，分别应乘以直轴和交轴换算系数kad和kaq。二、凸极同步发电机的电压方程和相量图不计磁饱和时，根据双反应理论，把电枢磁动势Fa分解成直轴和交轴磁动势Fad、Faq，分别求出其所产生的直轴、交轴电枢磁通、和电枢绕组中相应的电动势、，再与主磁通所产生的激磁电动势相量相加，便得一相绕组的合成电动势(通

16、常称为气隙电动势)。上述关系可表示如下：再从气隙电动势云减去电枢绕组的电阻和漏抗压降，便得电枢的端电压u采用发电机惯例，电枢的电压方程为 (69) 与隐极电机相类似，由于Ead和Eaq分别正比于相应的、，不计磁饱和时，和又分别正比于Fad、Faq，而Fad、Faq又正比于电枢电流的直轴和交轴分量Id、Iq于是可得这里Iad=Isin0，Iaq=Icos0；在时间相位上，不计定于铁耗时，和分别滞后于、以90电角度，所以和可以用相应的负电抗压降来表示， (610)式中，Xad称为直轴电枢反应电抗；Xaq称为交轴电枢反应电抗。将式(610)代入式(69)，并考虑到，可得 (611)式中，Xd和Xq分

17、别称为直轴同步电抗和交轴同步电抗，它们是表征对称稳态运行时电枢漏磁和直轴或交轴电枢反应的一个综合参数。式(611)就是凸极同步发电机的电压方程。图619表示与式(611)相对应的相量图。要画出图619所示相量图，除需给定端电压、负载电流、功率因数角以及电机的参数、和之外，必须先把电枢电流分解成直轴和交轴两个分量，为此须先确定0角。引入虚拟电动势，使，可得 (612)因为相量与相垂直，故必与同相位，因此与亦是同相位，如图6-20所示。将端电压沿着和垂直于的方向分成甲和两个分量，由图6-20不难确定 (613) 引入虚拟电动势后，由式(612)可得凸极同步发电机的等效电路，如图621所示。此电路在

18、计算凸极同步电机的运行问题时常常用到。三、直轴和交轴同步电抗的意义由于电抗与绕组匝数的平方和所经磁路的磁导成正比，所以式中，N1为电枢每相的串联匝数；和为稳态运行时直轴和交轴的电枢等效磁导。，其中和为直轴和交轴电枢反应磁通所经磁路的磁导，为电枢漏磁通所经磁路的磁导；如图6-22所示。对于凸极电机，由于直轴下的气隙较交轴下小，所以XadXaq，因此在凸极同步电机中，XdXq。对于隐极电机，由于气隙是均匀的，故XdXqXs。例6l 一台凸极同步发电机，其直轴和交轴同步电抗的标幺值为，电枢电阻略去不计，试计算该机在额定电压、额定电流、(滞后) 时激磁电动势的标幺值 (不计饱和)。解 以端电压作为参考

19、相量虚拟电动势为即角为1944，于是电枢电流的直轴、交轴分量和激磁电动势分别为6.5 同步发电机的功率方程和转矩方程一、功率方程和电磁功率功率方程 若转子励磁损耗由另外的直流电源供给，则发电机轴上输入的机械功率Pl扣除机械损耗和定子铁耗后，余下的功率将通过旋转磁场和电磁感应的作用，转换成定子的电功率，所以转换功率就是电磁功率Pe，即 (614)再从电磁功率Pe中减去电枢铜耗可得电枢端点输出的电功率P2；即 (615)式中，m为定子相数。式 (614) 和式 (615) 就是同步发电机的功率方程电磁功率 从式(615)可知，电磁功率Pe为 由图623可见，故同步电机的电磁功率亦可写成 (616)

20、式中，是与的夹角。上式的第一部分与感应电机的电磁功率表达式相同，第二部分则是同步电机常用的。对于隐极同步电机，由于EQE0，故有 (617) 式 (616) 表明，要进行能量转换，电枢电流中必须要有交轴分量 Iq 。在6.2节中已经说明，在发电机中，交轴电枢反应使主极磁场超前于气隙合成磁场，使主极上受到一个制动性质的电磁转矩；在旋转过程中，原动机的驱动转矩克服制动的电磁转矩而作功，同时通过电磁感应在电枢绕组内产生电动势并向电网送出有功电流，使机械能转换为电能。 在图619中，激磁电动势与端电压之间的夹角称为功率角。不难看出，Iq愈大，交轴电枢反应愈强，功率角就愈大；愈大，在一定的范围内，电磁转

21、矩和电磁功率亦愈大。二、转矩方程 把功率方程(614)除以同步角速度，可得转矩方程 (618)式中，为原动机的驱动转矩，；为电磁转矩，；为发电机的空载转矩，。6.6 同步电机参数的测定 为了计算同步电机的稳态性能，除需知道电机的工况 (端电压、电枢电流和功率因数等)，还应给出同步电机的参数。下面说明稳态参数的实验确定法。一、用空载特性和短路特性确定Xd 空载特性可以用空载试验测出。试验时，电枢开路 (空载)，用原动机把被试同步电机拖动到同步转速，改变励磁电流If，并记取相应的电枢端电压U0 (空载时即等于EO，直到U01.25UN左右，可得空载特性曲线。 短路特性可由三相稳态短路试验测得，试验

22、线路如图1-24a所示。将被试同步电机的电枢端点三相短路，用原动机拖动被试电机到同步转速，调节励磁电流If使电枢电流I从零起一直增加到1.2IN左右，便可得到短路特性曲线，如图624b所示。 短路时，端电压U0，短路电流仪受电机本身阻抗的限制。通常电枢电阻远小于 同步电抗，因此短路电流可认为是纯感性，此时电枢磁动势接近于纯去磁性的直轴磁 动势，因而电机的磁路处于不饱和状态，故短路特性是一条直线，如图624b所示。 短路时，故，而 (619)所以 (620)因为短路试验时磁路为不饱和，所以这里的E0 (每相值) 应从气隙线上查出，如图625所示，求出的Xd值为不饱和值。 Xd的饱和值与主磁路的饱

23、和情况有关。主磁路的饱和程度取决于实际运行时作用在主磁路上的合成磁动势，因而取决于相应的气隙电动势；如果不计漏阻抗压降，则可近似认为取决于电枢的端电压，所以通常用对应于额定电压时的Xd值作为其饱和值。为此，从空载曲线上查出对应于额定端电压UN时的励磁电流If0，再从短路特性上查出与该励磁电流相应的短路电流，如图626所示，这样即可求出 Xd(饱和)。 (621)式中，为额定相电压。对于隐极同步电机，Xd就是同步电抗XS。 例62 有一台25000kW、10.5kV(星形联结)、(滞后)的汽轮发电机，从其空载、短路试验中得到下列数据，试求同步电抗。 从空载特性上查得：相电压kV时，If0155A

24、； 从短路特性上查得：IIN1718A时，Ifk280A； 从气隙线上得查得：If280A时，kV。解 从气隙线上查出，If280A时，激磁电动势；在同一励磁电流下，由短路特性查出，短路电流I1718A；所以同步电抗为 用标幺值计算时，故从空载和短路特性可知，于是Xd(饱和)为6.7 同步发电机的运行特性一、同步发电机的运行特性同步发电机的稳态运行特性包括外特性、调整特性和效率特性。从这些特性中可以确定发电机的电压调整率、额定励磁电流和额定效率，这些都是标志同步发电机性能的基本数据。 外特性 外特性表示发电机的转速为同步转速，且励磁电流和负载功率因数不变时，发电机的端电压与电枢电流之间的关系：

25、即nnS，If=常值，cos=常值时，U=f(I)。 图630表示带有不同功率因数的负载时，同步发电机的外特性。从图可见，在感性负载和纯电阻负载时，外特性是下降的，这是由于电枢反应的去磁作用和漏阻抗压降所引起。在容性负载且内功率因数角为超前时，由于电枢反应的增磁作用和容性电流的漏抗电压上升，外特性亦可能是上升的。 从外特性可以求出发电机的电压调整率。调节发电机的励磁电流，使电枢电流为额定电流、功率因数为额定功率因数、端电压为额定电压，此励磁电流IfN称为发电机的额定励磁电流。然后保持励磁电流为IfN，转速为同步转速，卸去负载 (I0)，此时端电压升高的百分值即为同步发电机的电压调整率，用u表示

26、，即 (625)凸极同步发电机的u通常在18%30%以内；隐极同步发电机由于电枢反应较强，u通常在3048这一范围内。 调整特性 调整特性表示发电机的转速为同步转速、端电压为额定电压、负载的功率因数不变时，励磁电流与电枢电流之间的关系；即nnS，U =UN，cos=常值时，If=f(I)。 图631表示带有不同功率因数的负载时，同步发电机的调整特性。由图可见，在感性负载和纯电阻负载时，为补偿电枢电流所产生的去磁性电枢反应和漏阻抗压降，随着电枢电流的增加，必须相应地增加励磁电流，此时调整特性是上升的。在容性负载时，调整特性亦可能是下降的。从调整特性可以确定额定励磁电流IfN (图631)。 效率

27、特性 效率特性是指转速为同步转速、端电压为额定电压、功率因数为额定功率因数时，发电机的效率与输出功率的关系；即nnS，U =UN，cos= cosN时，=f(P2)。 同步电机的基本损耗包括电枢的基本铁耗pFe、电枢基本铜耗pCu、励磁损耗 pCuf和机械损耗p。电枢基本铁耗是指主磁通在电枢铁心齿部和轭部中交变所引起的损耗。电枢基本铜耗是换算到基准工作温度时，电枢绕组的直流电阻损耗。励磁损耗包括励磁绕组的基本铜耗、变阻器内的损耗、电刷的电损耗以及励磁设备的全部损耗。机械损耗包括轴承、电刷的摩擦损耗和通风损耗。杂散损耗包括电枢漏磁通在电枢绕组和其它金属结构部件中所引起的涡流损耗，高次谐波磁场掠过主极表面所引起的表面损耗等。 总损耗求出后，效率即可确定， (626)现代空气冷却的大型水轮发电机，额定效率大致在96%一98.5%这一范围内；空冷汽轮发电机的额定效率大致在94978这一范围内；氢冷时，额定效率约可增高0.8。图632是国产300MW双水内冷水轮发电机的效率特性。