电机分析学习.pptx

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1、6.1 同步电机的基本结构和运行状态同步电机的基本结构和运行状态 同步电机一、同步电机的基本结构一、同步电机的基本结构 旋转电枢式 旋转磁极式 隐极式（Salient-pole）凸极式（Cylindrical-Rotor）第1页/共85页二、同步电机的运行状态二、同步电机的运行状态发电机把机械能转换为电能把机械能转换为电能 电动机把电能转换为机械能把电能转换为机械能补偿机没有有功功率的转换，只发出或吸 收无功功率 同步电机运行状态，主要取决于定子合成磁场同步电机运行状态，主要取决于定子合成磁场与转子主磁场之间的夹角与转子主磁场之间的夹角，称为功率角称为功率角 6.1 同步电机的基本结构和运行状

2、态同步电机的基本结构和运行状态 第2页/共85页三、同步电机的励磁方式三、同步电机的励磁方式直流励磁机励磁直流励磁机通常与同步发电机直流励磁机通常与同步发电机 同轴，采用并励或他励接法。同轴，采用并励或他励接法。如图如图6 68 8所示所示 整流器励磁静止式静止式如图如图6-96-9旋转式旋转式6.1 同步电机的基本结构和运行状态同步电机的基本结构和运行状态 第3页/共85页额定容量 SN 指额定运行时电机的输出功指额定运行时电机的输出功率率 额定电压UN 指额定运行时定子的线电压指额定运行时定子的线电压 额定电流IN 指额定运行时定子的线电流指额定运行时定子的线电流 额定功率因数指额定运行时

3、电机的功率因数指额定运行时电机的功率因数 额定频率fN 指额定运行时电枢的频率指额定运行时电枢的频率额定转速nN 指额定运行时电机的转速，即指额定运行时电机的转速，即为为 同步转速同步转速 四、额定值四、额定值 6.1 同步电机的基本结构和运行状态同步电机的基本结构和运行状态 第4页/共85页 空载运行时，同步电机内仅有由励磁电流所空载运行时，同步电机内仅有由励磁电流所建立的主极磁场。建立的主极磁场。图图6 68 8表示一台四极电机空表示一台四极电机空载时的磁通示意图。从图可见，主极磁通分成载时的磁通示意图。从图可见，主极磁通分成主磁通主磁通0 0和漏磁通和漏磁通ff两部分，前者通过气隙两部分

4、，前者通过气隙并与定子绕组相交链，后者不通过气隙，仅与并与定子绕组相交链，后者不通过气隙，仅与励磁绕组相交链。主磁通所经过的主磁路包括励磁绕组相交链。主磁通所经过的主磁路包括空气隙、电枢齿、电枢轭、磁极极身和转子轭空气隙、电枢齿、电枢轭、磁极极身和转子轭等五部分。等五部分。6.2 同步发电机的空载磁场和电枢反应同步发电机的空载磁场和电枢反应一、空载运行一、空载运行第5页/共85页6.2 空载和负载时同步发电机的磁场空载和负载时同步发电机的磁场一、空载运行一、空载运行 当转子以同步转速旋转时，主磁场将在气隙中形成一个旋当转子以同步转速旋转时，主磁场将在气隙中形成一个旋转磁场，在定子绕组内感应出对

5、称三相电动势（激磁电动势）转磁场，在定子绕组内感应出对称三相电动势（激磁电动势）空载特性是同步电机的一条基本特性。如空载特性是同步电机的一条基本特性。如图图6 69 9所示所示第6页/共85页二、对称负载时的电枢反应二、对称负载时的电枢反应 电枢磁动势的基波在气隙中所产生的磁场就称为电枢反应。电枢反应电枢磁动势的基波在气隙中所产生的磁场就称为电枢反应。电枢反应的性质的性质(增磁、去磁或交磁增磁、去磁或交磁)取决于电枢磁动势和主磁场在空间的相对位置。分取决于电枢磁动势和主磁场在空间的相对位置。分析表明，此相对位置取决于激磁电动势析表明，此相对位置取决于激磁电动势 和负载电流和负载电流 之间的相角

6、差之间的相角差0 0(0 0称为内功率因数角称为内功率因数角)。下面分成两种情况来分析。下面分成两种情况来分析。6.2 空载和负载时同步发电机的磁场空载和负载时同步发电机的磁场第7页/共85页 与 同相时a)a)定子绕组电动势、电流和磁动势的空间矢量图定子绕组电动势、电流和磁动势的空间矢量图第8页/共85页 与 同相时b)b)时间矢量图时间矢量图第9页/共85页 与 同相时c)c)时时-空统一矢量图空统一矢量图第10页/共85页 与 同相时d)d)气隙合成磁场与主磁场的相对位置气隙合成磁场与主磁场的相对位置第11页/共85页 与 不同相时 a)a)滞后于滞后于 时的空间矢量图时的空间矢量图第1

7、2页/共85页 与 不同相时 b)b)滞后滞后 时的时时的时-空统一矢量图空统一矢量图第13页/共85页 与 不同相时 c)c)超前超前 时得时时得时-空统一矢量图空统一矢量图第14页/共85页同步发电机负载运行时物理量的关系：同步发电机负载运行时物理量的关系：一、不考虑磁饱和时一、不考虑磁饱和时6.3 隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路第15页/共85页 在时间相位上，在时间相位上，滞后于滞后于 以以9090电角度，若不计电角度，若不计定子铁耗定子铁耗,与与 同相位，则同相位，则 将滞后于将滞后于 以以9090电电角度于是角度于是 亦可写成负电抗压降的形式，即亦可写成负电抗压降的形式

8、，即 采用发电机惯例，以输出电流作为电枢电流的正方向时，采用发电机惯例，以输出电流作为电枢电流的正方向时，电枢的电压方程为电枢的电压方程为 因为电枢反应电动势因为电枢反应电动势EaEa正比于电枢反应磁通正比于电枢反应磁通aa，不计磁，不计磁路饱和时，路饱和时，aa又正比于电枢磁动势又正比于电枢磁动势FaFa和电枢电流和电枢电流I I，即，即 (6 (65)5)(6 (66)6)第16页/共85页将式将式(6(66)6)代人式代人式(6(65)5)，可，可得得 (6 (67)7)式中，式中，XsXs称为隐极同步电机的同步电抗，称为隐极同步电机的同步电抗，Xs=Xa+XXs=Xa+X，它，它是对称

9、稳态运行时表征电枢反应和电枢漏磁这两个效应的一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，个综合参数。不计饱和时，XsXs是一个常值。是一个常值。图图6 615a15a和和b b表示与式表示与式(6(65)5)和式和式(6(67)7)相对应的相量图，相对应的相量图，图图6 615c15c表示与式表示与式(6(67)7)相应的等效电路。从相应的等效电路。从图图6 615c15c可以可以看出，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+jXsRa+jXs串联组成，其中串联组成，其中E E0 0表示主磁场的作

10、用，表示主磁场的作用，XsXs表示电枢反表示电枢反应和电枢漏磁场的作用。应和电枢漏磁场的作用。第17页/共85页 考虑磁饱和时，由于磁路的非线性，叠加原理不再适用。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此时，应先求出作用在主磁路上的合成磁动势F F，然后利用电，然后利用电机的磁化曲线机的磁化曲线 (空载曲线空载曲线)求出负载时的气隙磁通求出负载时的气隙磁通 及相应及相应的气隙电动势的气隙电动势 。二、考虑磁饱和时二、考虑磁饱和时第18页/共85页 再从气隙电动势再从气隙电动势 减去电枢绕组的电阻和漏抗压降，减去电枢绕组的电阻和漏抗压降，便得电

11、枢的端电压便得电枢的端电压 ，即，即 相应的矢量图、相量图和相应的矢量图、相量图和F FE E间的关系如图间的关系如图6 616a16a和和6 616b16b所示。图所示。图6-16a6-16a中既有电动势相量，又有磁动势矢量。故称中既有电动势相量，又有磁动势矢量。故称为电动势为电动势磁动势图。磁动势图。或或第19页/共85页一、双反应理论一、双反应理论 考虑到凸极电机气隙的不均匀性，把电枢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，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。就称为双反应理论。凸极同步电机的气隙是不均匀的，极面下凸极同步电

12、机的气隙是不均匀的，极面下气隙较小，两极之间气隙较大，故直轴下单位面气隙较小，两极之间气隙较大，故直轴下单位面积的气隙比磁导积的气隙比磁导 ()()要比交轴要比交轴下单位面积的气隙比磁导下单位面积的气隙比磁导 ()()大大很多，很多，如图如图6 618a18a所示。当正弦分布的电枢磁动所示。当正弦分布的电枢磁动势作用在直轴上时，由于势作用在直轴上时，由于dd较大，故在一定大较大，故在一定大小的磁动势下，直轴基波磁场的幅值小的磁动势下，直轴基波磁场的幅值B Bad1ad1相对较相对较大。大。6.4 凸极同步发电机的电压方程和相量图第20页/共85页 不考虑磁饱和时不考虑磁饱和时同步发电机负载运行

13、时物理量的关同步发电机负载运行时物理量的关系：系：二、凸极同步发电机的电压方程和相量图二、凸极同步发电机的电压方程和相量图6.4 凸极同步发电机的电压方程和相量图第21页/共85页 从气隙电动势中减去电枢绕组的电阻和漏抗压降，便从气隙电动势中减去电枢绕组的电阻和漏抗压降，便得电枢的端电压。采用发电机惯例，电枢的电压方程为：得电枢的端电压。采用发电机惯例，电枢的电压方程为：，6-9l不计磁饱和时不计磁饱和时第22页/共85页 和和 可以用相应的负电抗压降来表示可以用相应的负电抗压降来表示6-10将式将式(6-10)(6-10)代入式代入式(6-9)(6-9)，并考虑，并考虑 ，可得可得 第23页

14、/共85页 式式中中，XdXd和和XqXq分分别别称称为为直直轴轴同同步步电电抗抗和和交交轴轴同同步步电电抗抗，它它们们是是表表征征对对称称稳稳态态运运行行时时电电枢枢漏漏磁磁和和直直轴轴或或交交轴轴电电枢枢反反应应的的一一个个综综合合参参数数。上上式式就就是是凸凸极极同同步步发发电电机机的的电压方程。电压方程。图图6-196-19表示与上式相对应的相量图。表示与上式相对应的相量图。引入虚拟电动势引入虚拟电动势 ，使，使 可可得得6-126-12 由式由式6-126-12相量图如图相量图如图6-206-20所示。由所示。由图图6-206-20不难确定不难确定 由式由式6-126-12可得凸极同

15、步发电机的等效电路，如可得凸极同步发电机的等效电路，如图图6-216-21所所示。示。第24页/共85页 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 如如图图6-226-22所示。对于凸极电机，由于直轴下的气隙较交轴下小，所示。对于凸极电机，由于直轴下的气隙较交轴下小，所以所以X XadadXXaqaq，因此在凸极同步电机中，因此在凸极同步电机中，X Xd dXXq q。对于隐极电机，由于气隙是均匀的，故对于隐极电机，由于气隙是均匀的，故X Xd dXXq qXXs s 三、直轴和交轴同步电抗的意义三、直轴和交轴同步电抗的意义例题第

16、25页/共85页6.5 6.5 同步发电机的功率方程和转矩方程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一、功率方程和电磁功率 功率方程 若若转转子子励励磁磁损损耗耗由由另另外外的的直直流流电电源源供供给给，则则发发电电机机轴轴上上输输入入的的机机械械功功率率PlPl扣扣除除机机械械损损耗耗 和和定定子子铁铁耗耗 后后，余余下下的的功功率率将将通通过过旋旋转转磁磁场场和和电电磁磁感感应应的的作作用用，转转换换成成定定子子的的电电功功率率，所所以以转转换换功功率率就就是是电电磁磁功率功率PePe，即，即 (6-14)(6-14)再从电磁功率再从电磁功率PePe中减去电枢铜耗中减去电枢铜

17、耗 可得电枢端点输出可得电枢端点输出的电功率的电功率P P2 2；即；即 (6-15)第26页/共85页 电磁功率 从式从式(6-15)(6-15)可知，电磁功率可知，电磁功率P Pe e为为 由由图图6 62323可见可见 故同步电机的电磁功率亦可写成 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E EQ QE E0 0，故有 第27页/共85页 把功率方程把功率方程(6-14)(6-14)除以同步角速度，可得转矩方程除以同步角速度，可得转矩方程 式中，式中，T1T1为原动机的驱动转矩为原动机的驱动转矩,Te,Te为电磁转矩为电磁转矩,T0

18、,T0为空载转矩，分别为：为空载转矩，分别为：二、转矩方程二、转矩方程(6-18)第28页/共85页6.6 6.6 同步电机参数的测定同步电机参数的测定一、用空载特性和短路特性确定一、用空载特性和短路特性确定X Xd d 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I If f，并记取相应的电枢端电压U U0 0(空载时即等于 E E0 0，直 到 U U0 01.25U1.25UN N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，试验线路如图6-24a6-24a所示。将被试同步电机的电枢端点三相短路，

19、用原动机拖动被试电机到同步转速，调节励磁电流I If f使电枢电流I I从零起一直增加到1.2I1.2IN N左右，便可得到短路特性曲线，如图624b624b所示。第29页/共85页 短路时，短路时，故，故 ，而，而 所以所以 因为短路试验时磁路为不饱和，所以这里的因为短路试验时磁路为不饱和，所以这里的E E0 0(每相值每相值)应从气隙线上查出，如应从气隙线上查出，如图图6 62525所示，所示，求出的求出的X Xd d值为不饱和值。值为不饱和值。(619)(620)第30页/共85页2 2、用转差法测定 和第31页/共85页 X Xd d的的饱饱和和值值与与主主磁磁路路的的饱饱和和情情况况

20、有有关关。主主磁磁路路的的饱饱和和程程度度取取决决于于实实际际运运行行时时作作用用在在主主磁磁路路上上的的合合成成磁磁动动势势，因因而而取取决决于于相相应应的的气气隙隙电电动动势势；如如果果不不计计漏漏阻阻抗抗压压降降，则则可可近近似似认认为为取取决决于于电电枢枢的的端端电电压压，所所以以通通常常用用对对应应于于额额定定电电压压时时的的X Xd d值值作作为为其其饱饱和和值值。为为此此，从从空空载载曲曲线线上上查查出出对对应应于于额额定定端端电电压压U UN N时时的的励励磁磁电电流流I If0f0，再再从从短短路路特特性性上上查查出出与与该该励励磁磁电电流流相相应应的的短短路路电电流流，如如

21、图图6 62626所示，这样即可求出所示，这样即可求出 X Xd(d(饱和饱和)例题第32页/共85页6.7 6.7 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性一、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同步发电机的稳态运行特性包括外特性、调外特性、调整特性和效率特性。整特性和效率特性。外特性外特性表示发电机的转速为同步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：即机的端电压与电枢电流之间的关系：即n nn nS S，I If f=常值，常值，cos=cos=常值

22、时，常值时，U=f(I)U=f(I)。图图6 63030 表示带有不同功率因数的负载时，表示带有不同功率因数的负载时，同步发电机的外特性。同步发电机的外特性。第33页/共85页 调调整整特特性性调调整整特特性性表表示示发发电电机机的的转转速速为为同同步步转转速速、端端电电压压为为额额定定电电压压、负负载载的的功功率率因因数数不不变变时时，励励磁磁电电流流与与电电枢枢电电流流之之间间的的关关系系；即即n nn nS S，U=UU=UNN，cos=cos=常值时，常值时，I If f=f(I)=f(I)。图图6 63131表表示示带带有有不不同同功功率率因因数数的的负负载载时时，同步发电机的调整特

23、性同步发电机的调整特性 效效率率特特性性效效率率特特性性是是指指转转速速为为同同步步转转速速、端端电电压压为为额额定定电电压压、功功率率因因数数为为额额定定功功率率因因数数时时，发发电电机机的的效效率率与与输输出出功功率率的的关关系系；即即n nn nS S，U U=U=UNN，cos=coscos=cosN N时，时，=f(P=f(P2 2)。第34页/共85页同步电机的空载磁路第35页/共85页同步电机的空载特性第36页/共85页双反应理论第37页/共85页双反应理论第38页/共85页双反应理论轴轴轴第39页/共85页隐极同步发电机的向量图第40页/共85页隐极同步发电机的相量（图b）第4

24、1页/共85页隐极同步发电机的等效电路第42页/共85页电动势-磁动势图第43页/共85页由合成磁动势F确定气隙电动势E空载曲线第44页/共85页凸极同步发电机的向量图第45页/共85页 角的确定第46页/共85页凸极同步发电机的等效电路图第47页/共85页凸极同步电机电枢反磁通及所经磁路及磁导直轴电枢磁导交轴电枢磁导第48页/共85页从相量图导出第49页/共85页短路实验接线图第50页/共85页短路特性第51页/共85页用空载和短路特性来确定第52页/共85页 (饱和)的确定返回第53页/共85页同步发电机的外特性cos=0.8滞后cos=1cos=0.8超前第54页/共85页图631同步发

25、电机的调整特性cos=0.8滞后cos=1cos=0.8超前第55页/共85页旋转磁极式同步电机的类型旋转磁极式同步电机的类型NS+隐极式第56页/共85页NSNS+凸极式第57页/共85页带副励磁机的励磁系统GG副励磁机主励磁机同步发电机第58页/共85页静止整流器励磁系统交流副励磁机交流主励磁机不可控整流起器电压调整器主发电机电压互感器电流互感器可控整流起器自励恒压器第59页/共85页NNoNoNoNNSoSoSSSSo主极主极同同步步电电机机的的三三种种运运行行状状态态发电机补偿机电动机返回第60页/共85页例62 有一台25000kW、10.5kV(星形联结)、cos=0.8(滞后)的

26、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；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 第61页/共85页用标幺值计算时，故从空载和短路特性可知，于是Xd(饱和)为 第62页/共85页例6-1 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 以端电压作为参考相

27、量 虚拟电动势为第63页/共85页即角为19.44，于是电枢电流的直轴、交轴分量和激磁电动势分别为第64页/共85页6.8 同步发电机与电网的并联运行同步发电机并联的目的：保持电压稳定。1、同步发电机投入并联的条件与方法投入并联的条件（1）发电机的相序应与电网一致；（2）发电机的频率应与电网相同；（3）发电机的激磁电动势 应与电网电压 大小相等、相位相同，即 。投入并联的方法：整步过程：准确整步法、自整步法。具体办法：直接接法（灯光熄灭法）、交叉接法（亮灯法）第65页/共85页2.与电网并联时同步发电机的功角特性无穷大电网功角特性：忽略 ，则有因 故第66页/共85页对于隐极同步发电机，因第6

28、7页/共85页3.有功率的调节和静态稳定有功率的调节要增加发电机的输出功率，必须增加原动机的输入功率，使功率角 增大，对于隐极发电机，使 达到 时，电磁功率将达到最大值第68页/共85页静态稳定与电网并联的、在某一工作点运行的同步发电机，当外界发生微小的扰动，在扰动消失后，发电机能否回复到原先的状态下稳定地运行，此问题称为同步发电机的静态稳定问题。过载能力第69页/共85页4.无功功率的调节发电机接在无穷大电网，若发电机的输出功率不变，则有，图642第70页/共85页6.9同步电动机与同步补偿机1同步电动机的电压方程和相量图按电动机惯例对于隐极电动机隐极同步电动机的相量图（发电机惯例）隐极同步

29、电动机的相量图（电动机惯例）（参见等效电路）第71页/共85页凸极同步电动机电压方程第72页/共85页2同步电动机的功角特性，功率方程和转矩方程功角特性电磁功率电磁转矩第73页/共85页功率方程和转矩方程总功率电磁功率 转矩方程第74页/共85页3同步电动机的运行特性工作特性 条件V形曲线V形曲线是指，定子电压 ，电磁功率 时，电枢电流与励磁电流的关系 。（图650、651）第75页/共85页4同步电动机的起动异步起动法：转子上有笼型起动绕组 辅助电动机法：用辅助电动机拖动变频起动法：采用变频电源第76页/共85页5同步补偿机 同步补偿机实质上是一台不带机械负载、专门用以改善电网功率因数的同步电动机。在正常励磁时，补偿机的电枢电流极小，接近于零；过励时，补偿机能从电网吸取超前的无功电流，欠励时，则从电网吸取滞后的无功电流。第77页/共85页6.10 同步发电机的不对称运行第78页/共85页第79页/共85页第80页/共85页2同步发电机的各序阻抗和等效电路正序阻抗和正序等效电路 负序阻抗和负序等效电路 零序阻抗和零序等效电路 第81页/共85页第82页/共85页隐极同步电动机等效电路第83页/共85页因电磁功率为常值，则电枢的输入功率近似为常值，故有第84页/共85页感谢您的观看！第85页/共85页