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1、优质文本?电机学下?同步电机复习提纲第二十章 同步电机概述1.同步电机的定子称电枢，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，还常装有与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。2.同步电机定子三相对称绕组通进三相对称电流产生的旋转磁场，与转子旋转磁极的转速恒为同步速，定、转子旋转磁场轴线之
2、间的夹角为转矩角，通常认为【P195图20-6】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，相当于转子与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4.同步电机的额定值铭牌数据： 、
3、指电枢定子线电压、线电流；发电机的额定容量，指三相视在功率； 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与电枢电流频率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1.同步发电机空载运行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
4、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，称为电枢磁势，的转速也为同步速；即、均与转子转速、转向相同，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.电枢反响的性质与内功率因数角有关，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轴与直轴正交的轴线；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，原动机克服电磁转矩做功，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，
5、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；5.时-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：与同相、与同相；二同步发电机数学模型1.隐极发电机电磁关系：定子 转子 采用发电机惯例，定子绕组的上述感应电势与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；
6、 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，因此与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轴分量分别进行计算，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与定子端电压平衡忽略：其中：、分别为
7、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；电抗的大小与磁导成正比，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轴与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【P20
8、5图21-14】可见：忽略，过的矢端作的垂线与q轴相交；所组成的直角三角形中，角的邻边长度为、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，凸极机的对边与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，与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
9、源供给：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；2.转矩平衡方程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
10、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.空载特性与磁化曲线形状相似：【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与平衡，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
11、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：【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，与的比值就是、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与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
12、感性忽略，故，电枢反响为直轴去磁；故此时的同步机方程：在空载特性与零功率因数负载特性之间，存在一个特性三角形【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与横坐标重合时，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
13、组开路、定子加三相对称低压其相序应使电枢旋转磁场与转子转向相同、示波器录下电枢电压U和电枢电流I波形，如【P213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
14、增大要保持不变，那么只好减小励磁电流；如【P214图22-12】。10.效率特性据同步发电机功率平衡方程：；其中：总损耗效率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，即发电机与电网的瞬时值必须一直保持相等；因此并联条件：发电机与电网相序、电压波形、频率一致；与大小相等、相位相同；2.并联方法：发电机投入并联所进行的调节和操作过程，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与大小、相位相同、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
15、电网灯光熄灭法【P218图23-3】：合闸条件：三灯全灭；当与大小不等或相位不等时，三灯等亮；当频率不等时，三灯同时出现时亮时暗；灯光旋转法【P219图23-4】：合闸条件：一灯灭、两灯等亮；当与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：
16、根本电磁功率，随作正弦变化，与励磁电势成正比，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，只要凸极效应存在即，就存在，当时，到达最大值；3.隐极同步发电机的功角特性由于隐极机，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，其端电压和频率均与电网一致不能变；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
17、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可见从而；据同步发电机的转矩方程：；驱动转矩与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：3.过载能力对隐极发电机：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
18、，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；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
19、；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：；与之对应的相量图及等效电路如【P225图24-2】；凸极机方程忽略
20、：；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、的计算公式与发电机相同： 凸极机： ； 其中：；4.功率方程和功角特性：电方面的功率平衡：；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与发电机相同：隐极电动机： 凸极电动机：可见：即使没有励磁即，只要有凸
21、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与发电机一样。书上P227例24-11注：采用标幺值进行计算时，公式中没有相数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相同，当可变损耗=不变损耗时，效率到达最大值。2.同步电动机在不同励磁时的曲线如【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与同步发电机一样，调
22、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24-5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
23、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与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
24、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.与同步电动机一样：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；3.电网中大局部负载为感性，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