电机学52同步电机的运行原理.pptx

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1、1目 录 第二章第二章 变变 压压 器器 第一章第一章 绪绪 论论 第五章第五章 同同 步步 电电 机机 第四章第四章 异异 步步 电电 机机 第三章第三章 交流电机的基本理论交流电机的基本理论第1页/共136页2 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第2页/共136页3 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： n同步电机主要用来作为发电机运行；n同

2、步电机也可作为电动机应用，用于拖动生产机械，一般使用在不需要调速的低速大功率机械中；n此外，同步电机还可以作为同步补偿机，他能够专门用来向电网输送感性和容性无功功率。pfnn1060第3页/共136页4同步电机的用途和分类第4页/共136页5同步电机的用途和分类第5页/共136页62. 同步电机的分类第6页/共136页7l同步发电机按原动机分类2. 同步电机的分类第7页/共136页82. 同步电机的分类第8页/共136页9同步电机基本结构第9页/共136页10第10页/共136页11第11页/共136页12第12页/共136页13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

3、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。第13页/共136页14同步电机的构造特点l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。l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，

4、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。第14页/共136页15同步电机的额定值第15页/共136页16同步电机的额定值（铭牌值）由以下几种：l 额定容量 或额定功率l 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l 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发电机同步电动机同步调相机额定容量发电

5、机出线端的额定视在功率（VA）额定功率发电机输出的额定有功功率（电功率）（W）转轴上输出的有效机械功率（W）发电机出线端输出的无功功率（Var）NSNPNUNI第16页/共136页17同步电机的额定值l 额定功率因数 是指同步电机在额定运行时的功率因数。l 额定效率 是指额定运行时的效率。l 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）。l 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。NnNcosNNNNNNNIUSPcos3cos13cosNNNNNNNPPU I n发电机n电动机NffNUfNI

6、1(NP -额定输入功率）第17页/共136页18同步电机的额定值第18页/共136页19同步电机的额定值第19页/共136页20小 结第20页/共136页21小 结第21页/共136页22第二节 同步电机的运行原理（基本电磁关系）第22页/共136页23第二节 同步电机的运行原理（基本电磁关系）第23页/共136页24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

7、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。第24页/共136页25同步发电机的空载运行第25页/共136页26 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。 主极磁通是否通过气隙 交链主磁通通过于定子绕住相交链主极漏磁通不通过仅与励磁绕组相交链0f第26页/共136页27 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

8、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12000EEC00120BEE011044. 4wkfNE000AEE f0第27页/共136页28同步发电机的空载运行第28页/共136页29同步发电机的空载运行第29页/共136页30（1）励磁磁动势第30页/共136页31（1）励磁磁动势第31页/共136页32（1）励磁磁动势第32页/共136页33定义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励磁磁动势波形系数形系数，即隐极式同步电机的空载磁动势 隐极式同步电机的转子绕组为分布绕

9、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） fffNIF fIfNfffFFk11fFfFfkfx1fFfFff1ff大齿0第33页/共136页34（1）励磁磁动势第34页/共136页35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2sin41ffFF2sin4fkfF第35页/共136页362.基波励磁磁动势第36页/共136页37（2）基波励磁磁动势第37页/共136页38（2）基波励磁磁动势第38页/共136页

10、39（2）基波励磁磁动势第39页/共136页40同步发电机的空载运行第40页/共136页413.基波气隙磁通密度第41页/共136页423.基波气隙磁通密度第42页/共136页43同步发电机的空载运行第43页/共136页444.电枢绕组的磁链、感应电动势第44页/共136页454.电枢绕组的磁链、感应电动势第45页/共136页464.电枢绕组的磁链、感应电动势第46页/共136页47同步发电机的空载运行第47页/共136页48 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

11、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相轴，交轴时轴, ,EI UF B 时间相量：空间矢量：112 f第48页/共136页495.时空相矢量图第49页/共136页505.时空相矢量图第50页/共136页515.时空相矢量图第51页/共136页525.时空相矢量图第52页/共136页53同步发电机的空载运行第53页/共136页546.空载特性第54页/共136页55对称负载时的电枢反应第55页/共136页56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； 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

12、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 。 0EII0EIU0第56页/共136页57同步发电机负载时的电枢反应第57页/共136页58同步发电机负载时的电枢反应第58页/共136页59同步发电机负载时的电枢反应第59页/共136页60电枢反应的性质第60页/共136页61电枢反应的性质（内功率因数角内功率因数角 ） 0第61页/共136页62电枢反应的性质第62页/共136页63电枢反应的性质第63页/共136页64电枢反应的性质第64页/共136页65Fa在交

13、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 90,000afaaaffFFEFIEFI同方向与同方向，与定，有：相矢图中，按参考轴设aafFF0fFF0第65页/共136页66 同步发电机的剖面简图 磁势的空间展开图直轴相轴，交轴1fF1ABCXYZaFNSf01ABCXYZxNS1fFaF直轴交轴180第66页/共136页67 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反相，所以不发无功功率fFF180第67页/共136页68电枢反应的性质（内功率因数角 ） 同步发电机的剖面简图 磁势的空间展开图直轴相轴，交轴1fF1ABCXYZaF

14、NSf01ABCXYZxNS1fFaF直轴交轴A相轴90第68页/共136页69电枢反应的性质第69页/共136页70电枢反应的性质（内功率因数角 ） 时间相量图 时空矢量图112 f时轴AE0AIBIBE0CE0CI相轴交轴时轴直轴112 f0EEaE01fFaIaF90第70页/共136页71电枢反应的性质第71页/共136页72 同步发电机的剖面简图 磁势的空间展开图直轴相轴，交轴1fF1ABCXYZaFNSf01ABCXYZxNS1fFaF直轴交轴电枢反应的性质（内功率因数角 ）90第72页/共136页73 时间相量图 时空矢量图时轴112 fAE0AIBE0BICE0CI相轴，交轴时

15、轴直轴112 f0EEaEaF1fFF0aI电枢反应的性质（内功率因数角 ）90第73页/共136页74电枢反应的性质第74页/共136页75小结小结 ）性无功（吸收感性无功欠励状态发电机发出容发出容性无功，即：，超前电机运行于欠励状态基本为变，必须减小为保持为增磁电枢反应同相，合成磁势与称：直轴电枢反应在直轴，EIIFFFFFFfffaa. 4,. 3. 2. 1结论： 同步电机的运行方式可以由内功率因数角 来判断。 同步电机作为发电机运行时，转子磁场将较定子磁场超前 同步电机作为电动机运行时，定子磁场将较转子磁场超前第75页/共136页76电枢反应的性质第76页/共136页77同步发电机负

16、载时的电枢反应第77页/共136页78同步发电机负载时的电枢反应第78页/共136页79隐极同步发电机的时空相矢量图和相量图第79页/共136页80隐极同步发电机的时空相矢量图和相量图第80页/共136页81（1）饱和时的电磁关系第81页/共136页82（1）饱和时的电磁关系第82页/共136页831.考虑饱和时的情况第83页/共136页84（2）饱和时的电压方程式、相量图第84页/共136页85（2）饱和时的电压方程式、相量图第85页/共136页861.考虑饱和时的情况第86页/共136页87（3）饱和时的时空相矢量图第87页/共136页88（3）饱和时的时空相矢量图第88页/共136页89

17、（3）考虑饱和时的时空相矢量图第89页/共136页90隐极同步发电机的时空相矢量图和相量图第90页/共136页91（1）不计饱和时的电磁关系第91页/共136页92（1）不计饱和时的电磁关系第92页/共136页93（1）不计饱和时的电磁关系第93页/共136页942.不计饱和时的情况第94页/共136页95（2）不计饱和时的电压方程式、相量图、等效电路第95页/共136页96第96页/共136页97（2）不计饱和时的电压方程式、相量图、等效电路第97页/共136页98（2）不计饱和时的电压方程式、相量图、等效电路第98页/共136页99（2）不计饱和时的电压方程式、相量图、等效电路第99页/共

18、136页100（2）不计饱和时的电压方程式、相量图、等效电路第100页/共136页101 小 结（电磁关系）电磁关系） 当不考虑磁路饱和现象时，认为转子磁场与电枢磁场分别在定子绕组中感应电势。转子感应的电势称为空载电势，用 表示；电枢磁场感应的电势称为电枢反应电势，用 表示。电磁关系如下：0EaEaaaafffr IEEEFIUStatorEFIURotor:00第101页/共136页102小小 结（电路方程与等效电路）结（电路方程与等效电路）二、电路方程 三、等效电路 等效电路，如右图所示。隐极同步发电机在稳态运行时的等效电路是简单的独立回路，没有次级侧回路和其它耦合回路。arIUaE0Ex

19、x I jr IUEEx I jEr IUEEEaaaa00EE0或称合成电势：aEE 第102页/共136页103小小 结（电枢反应电抗）结（电枢反应电抗） 四、电枢反应电抗 比例系数是与电机结构有关的常数，称为电枢反应电抗 。写成相量形式：上式说明了电枢反应电抗的物理意义：可以把电枢反应磁场在定子每相绕组中所感应的电枢反应电势 看成相电流所产生的一个电抗电压降，这个电抗就是电枢反应电抗 。IpklkmfNEwa21204axIjxEaaaEaxIEEFIaaaa第103页/共136页104五、 同步电抗定子回路电压平衡式改写为 其中 为同步电抗 为同步阻抗实际应用中主要关心同步电抗： 在计

20、算同步电机的各种性能时， 一般仅需应用同步电抗； 测量同步电抗较为方便。 等效电路变化xxxassasjxrZUUararxax0E0EsxII隐极同步发电机 的等效电路saaajxrIUx I jx I jr IUE0小 结（同步电抗）第104页/共136页105六、隐极发电机的相量图 同步电机的三个角：外功率因数角 内功率因数角 功角UEIEIU,第105页/共136页106凸极同步发电机的双反应理论和相量图第106页/共136页107凸极同步发电机的双反应理论和相量图第107页/共136页1081.凸极同步发电机的双反应理论第108页/共136页1091.凸极同步发电机的双反应理论第10

21、9页/共136页1101.凸极同步发电机的双反应理论第110页/共136页111凸极同步发电机的双反应理论和相量图第111页/共136页1122.凸极同步发电机的电动势相量图第112页/共136页113（2）电压方程式第113页/共136页114（2）电压方程式第114页/共136页1152.凸极同步发电机的电动势相量图第115页/共136页116（3）电动势相量图第116页/共136页117（3）电动势相量图第117页/共136页1182.凸极同步发电机的电动势相量图第118页/共136页119凸极同步发电机的双反应理论和相量图第119页/共136页120凸极同步发电机的双反应理论和相量图第

22、120页/共136页121凸极同步发电机的双反应理论和相量图第121页/共136页122凸极同步发电机的双反应理论和相量图第122页/共136页123凸极同步发电机的双反应理论和相量图第123页/共136页124同步发电机的电磁关系和分析方法第124页/共136页125同步发电机的电磁关系和分析方法第125页/共136页126同步发电机的电磁关系和分析方法第126页/共136页127同步发电机的电磁关系和分析方法第127页/共136页128小结（双反应理论）一、凸极同步电机的电枢反应双反应理论 由于凸极同步机的气隙不均匀，气隙各处的磁阻不同，在极面下的磁导大，两极之间的磁导小，所以在分析电枢反

23、应时，采用双反应法，即把电枢基波磁动势 分解为作用在直轴上的 和作用在交轴上的 ，还可以将电枢电流 分解为 和 ，即aFadFaqFcossinaaqaadFFFFIdIqIcossinIIIIqd第128页/共136页129小结（电磁关系） 二、电磁关系当不计磁路饱和现象时，在定子绕组中分别成立直轴电枢反应电势和交轴电枢反应电势。其基波分量不别记作 和 。aaqaqaqadadadfffr IEEEFEFIUStatorEFIURotor:00adEaqE第129页/共136页130小结（电路方程和等效电路）二、电路方程和等效电路则凸极同步发电机的定子绕组的电压平衡式为)(0jxrIUEEE

24、Eaaqadarx0EUadEaqEI第130页/共136页131小结（直、交轴电枢反应电抗）三、直轴与交轴电枢反应电抗和同步电抗 （1）直轴电枢反应电抗、交轴电枢反应电抗比例系数是与电机结构有关的常数。 其中：xad、xaq分别称直轴电枢反应电抗，交轴电枢反应电抗qaqaqaqaqqdadadadaddIEEFIIEEFI,dadddwadIxIpkklkmfNE21204qaqqqwaqIxIpkklkmfNE21204第131页/共136页132小结（直、交轴同步电抗）写成相量形式：(2)直轴同步电抗和交轴同步电抗 设为定子每相漏抗，则可把漏抗与电枢反应电抗合并，即 式中： 称之为直轴同

25、步电抗， 称之为交轴同步电抗。addxxxaqqxxxdxqxdadadIjxEqaqaqIjxE第132页/共136页133小结（相量图）四、凸极发电机的相量图1. 定子绕组的电压平衡式若把电枢反应电势看作是电抗压降，则定子绕组的电压平衡式为 或 另：隐极同步电机可看作凸极同步电机的特例来看。因为隐极机 的气隙均匀，气隙磁场波的波形系数 。 ， 只需要用一个参数 来表示同步电抗。)(0jxrIUxI jxI jEaaqdadd)()(0aqqaddaxxI jxxI jr IUEqqddaxI jxI jr IU1qdkkaaqadxxxsqdxxxsx第133页/共136页1342. 的方

26、向平衡方程中加 、减0E 的方向可求得方向已知，同方向与在一直线与垂直，与000000Ex I jr IUEx I jr IUExxI jEIx I jr IUxxI jEx I jxxI jr IUxI jxI jxI jxI jr IUxI jxI jr IUEqaqaqdddqaqddqqddaqdqqqdddaqqddaddxI jddxI j小结（相量图）第134页/共136页1352. 画向量图的步骤： 凸极同步发电机的相量图（过激时）0addIqIIUar Iqx I j0EaqqqxI jddxI j方向0E00,ErI jrI jr IUIIqdEx I jr IIUqqddaqdqa坐标的方向小结（相量图）第135页/共136页136感谢您的观看！第136页/共136页