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1、?电机学下?同步电机复习提纲第二十章 同步电机概述称电枢，电枢铁心嵌放三相对称绕组； 转子称主磁极，由直流电励磁，分为隐极式和凸极式【P193图20-2】； 隐极转子：气隙均匀，多用于高速电机，如：汽轮发电机，通常极对数1，由于转速高，汽轮发电机直径较小、长度较长；凸极转子：气隙不均匀，多用于低速电机，如：水轮发电机均采用凸极式，特点是直径大、长度短； 转子除励磁绕组外，还常装有及感应电机笼型绕组相似的闭合绕组，在发电机称为阻尼绕组，在电动机称为起动绕组。子三相对称绕组通进三相对称电流产生的旋转磁场，及转子旋转磁极的转速恒为同步速，定、转子旋转磁场轴线之间的夹角为转矩角，通常认为【P195图2
2、0-6】称为功率角，是转子磁场轴线超前于定、转子合成磁场轴线的夹角；当，相当于转子磁极拖着定、转子合成旋转磁场转，转子输入的机械功率转变为定子输出的电功率发电机运行状态；此时机械转矩为驱动转矩、电磁转矩为制动转矩；当，相当于定、转子合成旋转磁场拖着转子磁极转，定子输入的电功率转变为转子输出的机械功率电动机运行状态；此时电磁转矩为驱动转矩、机械转矩为制动转矩；当，相当于转子及合成旋转磁场轴线重合，电机内没有有功功率转换空载运行状态；电磁转矩为零。 3.同步电机的励磁系统有：直流励磁机励磁、交流整流励磁、晶闸管自励恒压励磁等的额定值铭牌数据： 、指电枢定子线电压、线电流；发电机的额定容量，指三相视
3、在功率； 指额定运行时的输出三相有功功率，故对发电机是电功率、对电动机是机械功率； 单位：、发电机： 电动机： 单位： 同步电机的转子转速n及电枢电流频率f、电机极对数p存在严格不变的关系：称为同步速，单位：转/分钟； 我国电网频率 ，故：1，3000；2，1500；3，1000 . 第二十一章 同步发电机运行原理一同步发电机空载运行和负载时的电枢反响励磁绕组通入直流励磁电流，原动机拖动转子磁极以同步速旋转，定子电枢绕组开路。空载时只有建立的励磁磁势，产生空载磁通，以速度切割定子三相对称绕组感生三相空载电势；2.同步发电机接上三相对称负载后，电枢三相对称绕组通过三相对称电流，产生一个旋转磁势，
4、称为电枢磁势，的转速也为同步速；即、均及转子转速、转向一样，故不会在转子绕组感应电势。3.空载时气隙磁场中只有，负载时多了；因此：负载时电枢磁势对气隙磁场的影响称为电枢反响4.电枢反响的性质及内功率因数角有关，定义：电枢电流落后于的夹角。直轴d轴转子主磁极轴线，即的轴线；交轴q轴及直轴正交的轴线；时为交轴磁势，产生交轴电枢反响；交轴电枢反响的作用：使气隙磁场发生畸变，主极磁场超前于气隙合成磁场，电磁转矩为制动性质，原动机克制电磁转矩做功，机械能转变为电能。时为直轴磁势，产生直轴去磁电枢反响； 作用：纯去磁。时为直轴磁势，产生直轴增磁电枢反响； 作用：纯增磁。当为任意角时，可把分解为一个交轴分量
5、和一个直轴分量，其中产生交轴电枢反响，产生直轴电枢反响；因此：时电枢反响性质：交轴+直轴去磁；时电枢反响性质：交轴+直轴增磁；-空统一相量图把时间相量和空间相量合并在一起【P199图21-2】；时间相量：、；空间相量：、 在时-空统一相量图中：及同相、及同相；二同步发电机数学模型电磁关系：定子 转子 采用发电机惯例，定子绕组的上述感应电势及定子端电压平衡忽略电枢绕组电阻：其中： 隐极机电枢反响电势；隐极机电枢反响电抗，对应于电枢反响的作用； 漏磁通感生的漏电势；定子绕组漏电抗，对应于电枢漏磁场的作用； 转子主磁通在定子感生的励磁电势，对应于主磁场的作用； 电势方程注：公式中所有电量均是相值：其
6、中：隐极同步电机的同步电抗 相量图和等效电路如【p202图21-9】：其中：由于是转子磁场感生的；可看成是定、转子合成磁场感生的，因此及之间的夹角就是功率角【P208图21-18】；功率角超前于的角度内功率因数角落后于的角度；功率因数角落后于的角度；2.凸极发电机由于气隙不均匀，需采用“双反响理论的分析方法；双反响理论把电枢电流、电枢磁势、电枢反响电抗、同步电抗都分解为直轴d轴和交轴q轴分量分别进展计算，再把结果叠加起来。电磁关系：定子 转子 定子绕组的上述感应电势及定子端电压平衡忽略：其中：、分别为直轴电流、直轴电枢磁势、直轴电枢反响电势、直轴电枢反响电抗；、分别为交轴电流、交轴电枢磁势、交
7、轴电枢反响电势、交轴电枢反响电抗； 凸极发电机电势方程注：公式中所有电量均是相值： 其中：凸极同步电机的直轴同步电抗； 凸极同步电机的交轴同步电抗；电抗的大小及磁导成正比，由于直轴气隙比交轴小故磁导比交轴大，所以；隐极机由于气隙均匀，相当于。上式变为：隐极机电势方程；可见，隐极机可看成是凸极机当时的特例。 凸极机相量图如【P205图21-13、图21-14】： 由于d轴就是励磁磁通的方向， 比落后，q轴及d轴垂直(正交)，一定在q轴方向； 相量，大小、； 利用凸极机相量图可采用几何方法求、：由【P205图21-14】可见：忽略，过的矢端作的垂线及q轴相交；所组成的直角三角形中，角的邻边长度为、
8、对边长度为；因此： ； 由【P205图21-13】可见：忽略， 其中：；此外由图21-14可见，凸极机的对边及q轴相交所组成的直角三角形，其斜边并不是而是，称为虚拟电动势，及此方程对应的等效电路如【P206图21-15】；由图21-14：；由于、同相，故大小为:；且由该直角三角形可知，忽略：对于隐极机：，；书上例题：p206例21-1；例1： 一台凸极同步发电机，,，Y接法，滞后， ，忽略。试求额定负载下运行时发电机的、及。解： ，；三同步发电机功率方程和转矩方程1. 功率平衡方程假设励磁损耗由另外电源供应：机械方面的功率平衡：；其中：由原动机输入的机械功率；机械转变为电的那局部功率，称为电磁
9、功率； 空载损耗，它包括机械损耗、铁耗，有时还需考虑杂散损耗；电方面的功率平衡：；其中：定子绕组铜耗；发出的电功率； 常忽略，那么：因此：隐极机 注：凡功率符号为大写P，凡损耗符号为小写p；把机械方面的功率平衡方程两边除以同步角速度，可得同步发电机的转矩平衡方程：其中：原动机输入的驱动机械转矩；电机的空载损耗转矩；制动性质的电磁转矩； 其中： ； 单位：弧度/秒；转矩单位：牛顿.米；第二十二章 同步发电机的特性同步发电机在对称负载下运行时，=常数、常数。在可测量的、三个量中，保持其中一个不变，另两者之间的关系即表示一种特性：不变、空载特性；不变、短路特性；为常数不变、负载特性；其中的负载特性称
10、为零功率因数负载特性； 不变、外特性；不变、调整特性；此外还有效率特性1.空载特性及磁化曲线形状相似：【P209图22-1】当较小时磁路未饱和，空载特性是直线，饱和后成为曲线；直线局部的延长线称为气隙线。通常额定相电压点设计在空载特性的拐弯点；2.短路特性短路时，忽略发电机只剩内部同步电抗压降及平衡，故是纯感性的，对隐极机：；对凸极机：由于，那么，；可见无论隐极、凸极机：又由于时的电枢反响是直轴去磁的，即磁通较小电机不饱和，因此：短路特性是一条直线，【P209图22-2b】。且由于磁通较小、感应电势较小，故不大， 所以同步发电机三相稳态短路没有危险。3.利用空载特性和短路特性可求、的不饱和值：
11、【P211图226】由于短路时磁路不饱和，空载特性是直线即气隙线，短路特性也是一条直线；因此，在图中对应同一励磁电流，从空载特性气隙线上查、从短路特性上查；据及可知，及的比值就是、的不饱和值：； 4. 、 饱和值的近似求法【P212图227】：在空载特性饱和段取点，对应于该点找同一励磁电流下的短路电流；那么：5.短路比定义产生空载额定电压及额定短路电流所需的励磁电流之比；由【P212图227】：可见：书上P212例22-16.零功率因数负载特性：由于，负载为纯感性，电机本身的阻抗也是纯感性忽略，故，电枢反响为直轴去磁；故此时的同步机方程：在空载特性及零功率因数负载特性之间，存在一个特性三角形【
12、P210图22-5】据上述同步机方程：在空载特性上，当时，励磁电流对应图中段，即段用于建立空载相电压；在负载特性上，当时，励磁电流对应图中段； 其中：段仍用于建立空载相电压，段用于建立漏电抗压降，段用于补偿直轴电枢反响的去磁作用；由此可得：比实际的电枢漏抗略大，称为坡梯电抗由于不变，故特性的大小不变，当三角形的E点在空载特性上移动时，F点的轨迹就是零功率因数负载特性；当三角形的水平边移到及横坐标重合时，F点点对应短路点。7.用转差法求、的不饱和值原动机把同步机拖到接近同步速、转子励磁绕组开路、定子加三相对称低压其相序应使电枢旋转磁场及转子转向一样、示波器录下电枢电压U和电枢电流I波形，如【P2
13、13图22-8】；那么：；8.外特性：实验测得各种负载下的外特性如【P214图22-10】：令电机工作在、点，然后减少发电机的负载，可见：随着负载电流的减少，纯阻负载端电压上升；感性负载上升得更多；容性负载那么下降；当减为零时，。 定义同步发电机的电压调整率：9.调整特性：调整特性是不变、的曲线；由外特性可知：当负载为纯阻或感性时，随着增大是要下降的，且感性比纯阻负载下降更多；现随着增大要保持不变，那么只好加大励磁电流，且感性比纯阻负载加大更多；同理，容性负载随着增大是要上升的，现随着增大要保持不变，那么只好减小励磁电流；如【P214图22-12】。据同步发电机功率平衡方程：；其中：总损耗效率
14、第二十三章一同步发电机投入电网并联运行1.并联条件为了防止投入电网时产生冲击电流以及产生冲击转矩，并联时应使【P217图23-1】中开关Q两端的电压差为零，即发电机及电网的瞬时值必须一直保持相等；因此并联条件：发电机及电网相序、电压波形、频率一致；及大小相等、相位一样；2.并联方法：发电机投入并联所进展的调节和操作过程，称为整步过程由于电压波形设计时已保证，电机转向和相序已标明；故整步过程只需实现及大小、相位一样、频率相等；准确整步法：把发电机调整到完全符合并联条件再投入电网灯光熄灭法【P218图23-3】：合闸条件：三灯全灭；当及大小不等或相位不等时，三灯等亮；当频率不等时，三灯同时出现时亮
15、时暗；灯光旋转法【P219图23-4】：合闸条件：一灯灭、两灯等亮；当及大小不等或相位不等时，三灯均亮但亮度不等；当频率不等时，灯光旋转；自整步法：操作简单，但有一定冲击电流励磁绕组先经限流电阻短路，把发电机拖到接近同步速，发电机投入电网，立即加上直流励磁，依靠电磁转矩把转子牵入同步；二同步发电机的功角特性1.凸极同步发电机的功角特性忽略，凸极机相量图如【P220图23-6】： 其中： 其中： 其中：、 其中：、 其中：凸极同步发电机的功角特性【P220图23-7】其中：根本电磁功率，随作正弦变化，及励磁电势成正比，当时，到达最大值；附加电磁功率，随作正弦变化；即使电机没有励磁即，只要凸极效应
16、存在即，就存在，当时，到达最大值；由于隐极机，故附加分量，只有根本分量；隐极同步发电机的功角特性；可见：当时，隐极机的电磁功率出现最大值，而凸极机的最大电磁功率出现在之间。书上P221例23-1三有功功率调节和静态稳定同步发电机投入并联的目的，就是要向电网输出功率，电机并联到无穷大电网上运行后，其端电压和频率均及电网一致不能变；1.同步发电机有功功率的调节增加原动机的输入功率P1如调节汽轮机的汽门或水轮机的水门，可使同步发电机的功率角增大，从而输出的电磁功率增大。2.静态稳定【P223图23-11】以隐极机为例：当工作点在即范围，如A点：当有扰动使输入功率从而时，引起功率角，由图23-11可见
17、从而；据同步发电机的转矩方程：；驱动转矩及制动转矩均同时增大，可达新的平衡；故当扰动消失时机组能回到原工作点A；当工作点在即范围，如B点：当有扰动使输入功率从而时，由图23-11可见反而从而；使驱动转矩大于制动转矩，机组不能到达平衡；故当扰动消失时机组也不能回到原工作点B，甚至引起失步；可见：机组静态稳定的条件是：对隐极发电机：时到达；四无功功率的调节1.在调节无功功率时，假定输出的有功功率不变，即不变；以隐极机为例，由于、均是定值，故： 不变常数不变常数2.据隐极机相量图【P224图23-12】，当调节，变化时：为了保持常数，相量的矢端必须在线上移动；为了保持常数，相量的矢端必须在线上移动；
18、3.设时的称为正常励磁，对应图中、； 当增大大于正常励磁时，称为过励，对应图中、； 当减少小于正常励磁时，称为欠励，对应图中、；由图23-12可见：调节发电机的励磁，可调节其无功；正常励磁时，发电机不输出无功；过励时，是落后的电流，即发电机向电网输出落后的无功； 欠励时，是超前的电流，即发电机向电网输出超前的无功；4.同步发电机的V型曲线：一定时 曲线由图23-12可见：时，电枢电流是最小的，无论发电机过励或欠励，都比正常励磁时要大；因此是一条V型曲线【P224图23-13】，其中：最低点对应正常励磁；每一条V型曲线对应不同的，把各曲线最低点连接起来得到一条的曲线，曲线的右侧为过励状态，发电机
19、输出滞后的无功；曲线的左侧为欠励状态，发电机输出超前的无功；第二十四章一同步电动机的方程 1.由于电动机相当于定、转子合成磁场拖着转子磁极转，即超前于，假设采用发电机惯例和方程讨论电动机，那么， ，、；如【P225图24-1】：2.为应用方便，采用电动机惯例：定义功率角超前于的角度；设输入电流为正方向，即以代入原发电机方程；有关物理量下标加M；那么隐极机方程式忽略：；及之对应的相量图及等效电路如【P225图24-2】；凸极机方程忽略：；相量图如【P226图24-3】；3.采用电动机惯例后，用几何方法求电动机、的计算公式及发电机一样： 凸极机： ； 其中：；4.功率方程和功角特性：电方面的功率平
20、衡：；其中：由电网输入的电功率；电能转变为机械能的那局部功率，称为电磁功率； 定子绕组铜耗； 常忽略，那么：机械方面的功率平衡：；其中：输出的机械功率；空载损耗，它包括了机械损耗、铁耗和杂散损耗； 把机械方面的功率平衡方程两边除以同步角速度，可得同步电动机的转矩平衡方程： 其中： 驱动性质的电磁转矩； 电动机轴上输出的机械转矩；采用电动机惯例后，功角矩角特性方程也及发电机一样：隐极电动机： 凸极电动机：可见：即使没有励磁即，只要有凸极效应存在即，同步电动机就有驱动电磁转矩，就能转动；同步电动机过载能力的定义和计算公式也及发电机一样。书上P227例24-11注：采用标幺值进展计算时，公式中没有相
21、数m二同步电动机的运行特性1.同步电动机的工作特性：、曲线，如【P227图24-4】；其中：； 、不变； ； 各机种的曲线形状根本一样，当可变损耗=不变损耗时，效率到达最大值。曲线如【P227图24-6】；从三条曲线的变化规律可见：当励磁一定时同一条曲线上，随着增大，电动机从超前滞后；在满载时到达比半载时到达所需的励磁电流要大、比空载时到达所需的励磁电流更大；三同步电动机的无功功率调节及同步发电机一样，调节励磁，可调节电动机的无功；以隐极机为例，相量图如【P227图24-5】；1. 调无功时为保证输入有功功率不变，当调节，变化时，相量的矢端必须在线上移动、相量的矢端必须在线上移动；2.由图24
22、-5可见：正常励磁时，对应图中、；电动机不吸取无功；过励时，对应图中、；是超前的电流，即电动机从电网吸取超前的无功； 欠励时，对应图中、；是滞后的电流，即电动机从电网吸取滞后的无功；注：过励时，同步发电机向电网输出落后的无功、电动机从电网吸取超前的无功；由于吸取超前输出落后，故为了改善电网落后的功率因数，无论同步发电机还是同步电动机均应调节为过励状态。四同步电动机的起动同步电动机直接起动时，定子旋转磁场以同步速旋转，转子静止不动，作用在转子上的同步电磁转矩正、反交变，平均转矩为零，电动机不能自行起动；1.异步起动法：主极极靴上装设自行闭合的起动绕组，类似于感应电动机的笼型绕组，起动过程包括两个
23、阶段； 异步起动阶段：励磁绕组串接限流电阻后短路，定子旋转磁场在起动绕组中感应电流，产生异步电磁转矩使电机起动起来； 其中：励磁绕组不能开路，因为励磁绕组匝数较多，起动时定子旋转磁场会在其感应高电压； 励磁绕组也不能直接短路，因为励磁绕组中的感应电流会产生脉振磁场，其分解的反向旋转磁场及定子绕组相互作用会产生一个“单轴转矩，使合成转矩在2附近产生明显下凹【P229图24-7】，以致电动机的转速停滞在2处不能继续上升；牵入同步阶段：当转子接近同步速时，参加直流励磁，可牵入同步；2.同步电动机还可采用其他辅助动力机来起动，或采用变频起动。五同步补偿机1. 同步补偿机相当一台空载运行的同步电动机，不实现有功功率的传递；正常励磁时电枢电流接近于零；2.及同步电动机一样：正常励磁时，补偿机不吸取无功；过励时，从电网吸取超前的无功； 欠励时，从电网吸取落后的无功；负载为感性，需从电网吸取落后的无功，电网上装设同步补偿机并调为过励，那么可从电网吸取超前的无功，以补偿感性负载所需的无功，相当于向电网发出了滞后的无功，从而提高电网的功率因数。注意：1. 所有计算要先写公式再代数据最后写答案。2. 所有物理量最后答案要写单位。作业：P233题5-23123P234题5-2612改求P234题5-30