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第六章 同步电机稳态分析.ppt

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第六章 同步电机Synchronous machines,※同步电机的工作原理及结构特点 ※同步电机的运行原理 ※同步电机的基本运行特性 ※同步发电机的并联运行 ※同步电动机和同步补偿机 同步发电机的不对称运行 同步发电机的突然短路,主要内容,6.1 同步电机的基本结构和运行状态,同步电机结构模型 同步电机工作原理 同步电机运行方式 同步电机结构(主要部件、励磁方式、分类) 同步电机额定值,同步电机,旋转电枢式,旋转磁极式,隐极式 (Non-salient pole),凸极式 ( Salient-pole ),,,最基本形式,很少使用,一、同步电机的结构模型,,N S,定子 (电枢),转子,励磁 绕组,旋转磁极式电机,,主磁场,气隙,◆载流导体:三相对称的电枢绕组充当功率绕组,成为感应电势或者感应电流的载体。,◆切割运动:原动机拖动转子旋转(给电机输入机械能),极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组。 ◆ 交变电势的产生:由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动,电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线,即可提供交流电源。 动画,◆主磁场的建立:转子上励磁绕组通以直流励磁电流,建立极性相间的励磁磁场,即建立起主磁场。,二、 同步电机的工作原理,(三相同步发电机为例 ),,二极机械旋转磁势,,四极机械旋转磁势,励磁机,→F0,旋转的 F0 和Φ0,E0,,,发电机运行,交变感应电势的产生,感应电势有效值,感应电势频率,交变性和对称性,同步转速,E相 = 4.44 f1 kw1 N1Φ,三、 三相同步电机的可逆运行,,,,,三相同步电机的工作原理,发电机,电动机,无有功功率转换发出无功功率,同步补偿机,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δ,δ称为功率角,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,N,No,No,No,N,N,So,So,S,S,S,So,,,,,,主极,主极,,,,同步电机的三种运行状态,发电机,补偿机,电动机,四、三相同步电机的基本结构,1. 主要部件 (1) 定子(电枢)(2) 转子,由硅钢片叠成。 对称三相绕组。,①定子铁心: ②定子绕组: ③机座和端盖等。,,,①转子铁心:由整块铸(锻)钢制成。 ②励磁绕组:工作时施加直流励磁。 ③阻尼绕组和转轴等。,阻尼绕组,第9章 同步电动机,按转子结构的不同:隐极式、凸极式。,凸极式,隐极式,优点:机械强度好 缺点:制造工艺较复杂; 应用:因此多用在离心力较大、转速较高的电机中。例如汽轮发电机多采用隐极结构。,优点:制造方便; 缺点:机械强度较差。 应用:在离心力较小、转速较低的中小型电机中或用在水轮发电机中。,,励磁机,发电机,水轮机,,水轮发电机原理,水轮发电机结构,(2)卧式水轮发电机,(3)转子结构,10000kw水轮机转子,三相同步电机的基本结构,小浪底电站水轮机组安装,三相同步电机的基本结构,三峡电站首台机组安装,三相同步电机的基本结构,水力发电,三相同步电机的基本结构,三相同步电机的基本结构,汽轮发电机原理,汽轮发电机结构 (均为卧式) (1)定子铁心,(2)定子绕组,燃烧室,燃料,锅炉的炉膛,循环水,汽轮机,发电机,3 600 r/min,升压变压器,超热高压蒸汽,电能输出,电能的产生,热电厂 1 煤传送带 2 加煤机 3 粉碎机 4 锅炉 5 煤渣 6 空气预热器 7 静电除尘 8 烟囱 9 汽轮机 10 冷凝器 11变压器 12 冷却塔 13 发电机 14 输电线,,励磁方式——同步电机获取直流励磁电流的方式 励磁系统——供结励磁电流的整个系统,包括装置和线路励磁机励磁调节器(手动、自动)灭磁装置,2. 励磁方式,对励磁系统的要求,正常运行时,供结励磁电流 为维持端电压或电网电压值,随负载情况变化,励磁电流能相应调节 当系统电压严重下降时(如发生短路故障等),能强行励磁提高电势,保持电压稳定 突然丢负荷时,如水轮机组转速明显升高,能强行减磁,限制端电压过度增高。,对励磁系统的要求,当电机内部发生短路故障时, 能快速灭磁和减磁,以减小故障的损坏程度。 对两台以上并列运行发电机, 能成组调节无功功率,使无功合理分配。 其他:反映迅速,运行可靠,结构简单,损耗小,成本低,体积小等,直流励磁机励磁,直流励磁机通常与同步发电机同轴,采用并励或者他励接法,或采用负载电流反馈的复式励磁。 采用他励接法时,励磁机的励磁电流由另一台被称为副励磁机的同轴的直流发电机供给。,,交流励磁机静止整流励磁,同一轴上有三台交流发电机,即主发电机、交流主励磁机和交流副励磁机。,副励磁机的励磁电流开始时由外部直流电源提供,待电压建立起来后再转为自励(有时采用永磁发电机)。,副励磁机的输出电流经过静止晶闸管整流器整流后供给主励磁机,主励磁机的交流输出电流经过静止的三相桥式硅整流器整流后供给主发电机的励磁绕组。,它励式,交流励磁机旋转整流系统,静止整流器的直流输出必须经过电刷和集电环才能输送到旋转的励磁绕组,对于大容量的同步发电机,其励磁电流达到数千安培,使得集电环严重过热。 在大容量的同步发电机中,常采用不需要电刷和集电环的旋转整流器励磁系统。 主励磁机是旋转电枢式三相同步发电机,旋转电枢的交流电流经与主轴一起旋转的硅整流器整流后,直接送到主发电机的转子励磁绕组。交流主励磁机的励磁电流由同轴的交流副励磁机经静止的晶闸管整流器整流后供给。由于这种励磁系统取消了集电环和电刷装置——无刷励磁系统。,三相同步电机,三相同步电机的基本结构,三相同步电机,三相同步电机的基本结构,同步发电机,三相同步电机的基本结构,小型同步电机,三相同步电机的基本结构,五、三相同步电机的额定值,(1) 额定电压 UN :额定运行时定子侧线电压的额定值。 (2) 额定电流 IN :额定运行时定子侧线电流的额定值。 (3) 额定功率 PN :在正常运行时,电机的输出功率。对于发电机是指输出的电功率;对于电动机是指输出的机械功率。,三相同步电机的基本结构,五、三相同步电机的额定值,额定功率与额定电压、额定电流之间的关系: 发电机 电动机 额定容量:,(4) 额定转速 nN :额定运行时的转速。 (5) 额定频率 fN : 50Hz。,6.2 空载和负载时同步发电机的磁场,一、同步电机的空载运行,空载磁势 空载电势 时空矢量,1、空载与空载磁势,空载运行:原动机带动发电机在同步转速下运行,励磁绕组通过适当的励磁电流,电枢绕组不带任何负载的运行情况。空载运行是同步发电机最简单的运行方式,其气隙磁场由转子磁势单独建立,分析较为简单。图6-11表示一台四极电机空载时的磁通示意图。,同步电机的空载磁路,1.1 隐极同步电机的空载磁势,励磁绕组(分布绕组)埋于转子槽内,沿转子圆周气隙近似均匀。励磁磁势在空间的分布为一个阶梯形,受齿槽的影响,气隙磁密呈现出波动变化。 用谐波分析法可求出其基波分量 合理地选择大齿的宽度可以使气隙磁密的分布接近正弦波。如无特殊说明,以后仅考虑磁通密度的基波分量,,1.2 凸极同步电机的空载磁势,励磁绕组为集中绕组,磁势波为矩形波,对于凸极发电机来说,由于定转子间的气隙沿整个电枢圆周分布不均匀,极面下气隙较小,磁阻较小;极间气隙较大,极间磁阻很大。同一个极面下,气隙径向磁通密度的分布近似于平顶的帽形。极靴以外的气隙磁通密度减少很快,相邻两极中线上的磁通密度为零。 气隙磁密用付立叶谐波分析分解出空间基波和一系列谐波。,凸极同步电机通常选用 极弧系数为0.68--0.72, 气隙比值为1.3--1.8,感应电势的波形和大小与气隙磁密的分布形状及幅值大小紧密相关。 在设计和制造电机时,应采取适当的措施,以获得尽可能接近正弦分布的气隙磁密,从而得到较高品质的感应电势。,2 空载电势,三相电势对称,只有主磁通才在定子绕组中产生感应电势,励磁电势大小取决于?,当空载运行时,励磁电势随励磁电流变化的关系,称为空载特性,其为同步电机的一条基本特性。 如图6—12所示,空载特性可通过计算或试验得到。 ①说明电机设计合理性。 ②空载特性结合短路特性(在 后面介绍)可以求取同步电 机的参数。 ③发电厂通过测取空载特性 来判断励磁系统的故障。,3 同步电机中的时-空矢量图,空间矢量:,——磁势和磁通密度(随时间变化),——绕组的感应电势、电压和电流,匝链的磁通,时间相量:,分析:,空间矢量:,——磁势和磁通密度(随时间变化),——绕组的感应电势、电压和电流,匝链的磁通,时间相量:,励磁磁势的基波Ff1和由它产生的气隙磁密波Bf1为空间 分布波,两者同相位,其正波幅处于转子直轴正方向,且与转子一起以同步速旋转;,磁密波Bf1与定子任一相交链的磁通量Φ0是时间变量,由 感应产生的该相电势用 表示,当定子各相的时间参考轴都取在各自的相绕组轴线时, 与 重合。,将相绕组轴线作为空间矢量参考轴(相轴),令时间相量参考轴(时轴)与空间矢量参考轴(相轴)重合,二、对称负载时的电枢反应,,负载后磁势分析(电枢反应) 概念:内功率因数角 不同情况电枢反应分析,1、负载后(气隙)磁势分析,★空载时,只有一个以同步转速旋转的励磁磁势Ff——随轴同转的转子磁势 (称为机械旋转磁势) ,在电枢绕组中感应出三相对称交流电势,励磁电势,即空载电势E0。★当电枢绕组接上三相对称负载后,电枢绕组中流过三相对称的交流电流 ,将形成一个以同步速度旋转的旋转磁势——电枢磁势Fa——电枢旋转磁势 (称为电气旋转磁势)。★两个旋转磁势的转速均为同步转速,且转向一致,二者在空间处于相对静止状态,矢量合成为一个合成磁势 。★ 气隙磁场 ——由合成磁势 在电机的气隙中建立起来的磁场。,负载后同步电机的磁场建立,负载后,电枢磁动势的基波对励磁磁动势的影响称之为电枢反应,思考:反映电枢反应有关系的量有哪些?,,反映电枢反应有关系的量,主磁路的饱和程度,转子的结构形式,励磁磁动势和电枢磁动势之间的相位关系,,假设:磁路不饱和隐极式转子,电枢磁势基波与励磁磁势均为同步转速,同转向,在空间相对静止,,电枢反应性质,取决于励磁磁动势和电枢磁动势在空间的相对位置,即决定于电枢电流和励磁电动势之间的相位角,即取决于负载的性质。,(助磁、去磁、交磁):,内功率因数角ψ0,注意:时间相量Ia与空间矢量Fa 电枢磁势Fa——三相电流产生的合成磁势,哪一相电流达最大值,则位置在其绕组的轴线上; A相电流Ia——如Ia最大,则Ia在相轴上,此时Fa正好在交轴上,与 同相时(内功率因数角等于0),a) 定子绕组电动势、电流和磁动势的空间矢量图,2、不同情况电枢反应分析,与 同相时,b) 时间矢量图,与 同相时,c) 时-空统一矢量图,与 同相时,d)气隙合成磁场与主磁场的相对位置,交轴电枢反应: 使气隙合成磁动势的轴线从主磁极轴逆向后移一个电角度,从而产生一定的电磁转矩; 合成磁场的幅值较转子励磁磁场有所增加(增磁),与 不同相时,a) 滞后于 时的空间矢量图,与 不同相时,b) 滞后 时的时-空统一矢量图,与 不同相时,c) 超前 时得时-空统一矢量图,返回,,电枢反应分析,同步发电机运行情况:(-90o,90o) 同步电动机运行情况:(90o,270o),电枢反应总结,交轴的电枢反应使转子产生电磁转矩,实现能量转换; 直轴电枢反应对气隙磁场起助磁或去磁的作用,不产生转矩; 电枢磁动势和励磁磁动势的夹角(内功率因数角)会随着电机的运行情况改变。电枢反应的性质也随负载的变化而变化。,同步发电机负载运行时物理量的关系:,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,不计磁路饱和,磁路线性, 把主极磁势和电枢磁势的作用分别考虑,再利用叠加原理,采用发电机惯例,以输出 电流作为电枢电流的正方 向时规定的参考正方向, 电枢绕组一相的电动势平 衡方程:漏抗电动势写成漏抗压降 形式:,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,电枢绕组一相的电动势平衡方程的电压方程为,因为电枢反应电动势Ea正比于电枢反应磁通Φa不计磁饱和时,Φa又正比于电枢磁动势Fa和电枢电流I,即,,,,(6—6),(6—7),将式(6—7)代人式(6—6),可得,,Xs称为隐极同步电机的同步电抗,Xs=Xa+Xσ; 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。,隐极同步发电机的等效电路,,,,,,,,,,,,,,,,作相量图时,我们认为发电机的端电压,电枢电流,负 载功率因数角以及同步电抗为已知量,最终可以根据方程式 求得励磁电势。,隐极电机相量图可按以下步骤作出: ①在水平方向作出相量 ; ②根据 角找出 的方向并作出相量; ③在 的尾端,加上相量 ; ④作出由 的首端指向 尾端的相量,该相量便是,隐极同步发电机的相量图,隐极同步发电机的向量(图b ),,,,,,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。 先求出作用在主磁路上的合成磁动势F;,,,因为电枢磁势的波形和励磁磁势波形不太一样,所以要换算.换算系数Ka:表示1安匝的电枢磁势相当于多少安匝的主极磁势。Ka=0.93-1.03,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,最后求出相应的气隙电动势 。,,,相应的矢量图、相量图和F~E间的关系如图6—17a和6—17b所示。图6-17a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。,或,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,电动势-磁动势图,由合成磁动势F确定气隙电动势E,例题,凸极同步电机的气隙沿圆周不均匀:极面下的气隙较小,两极之间气隙较大。 气隙磁导λ=μ0/ δ,直轴磁导比交轴磁导大,以1800由角度为一个周期。 同样大小的电枢磁动势作用在直轴和交轴上时,所产生的电枢磁场有明显变化;,一般情况:电枢磁动势在空间的任意位置。 分析方法:把电枢磁势分解成直轴和交轴两个分量; 用对应的直轴磁导和交轴磁导分别算出直轴和交轴电 枢反应;最后把他们的效果叠加起来。,6.4 凸极同步发电机的电压方程和相量图,一、双反应理论,凸极同步电机电枢反磁通及所经磁路及磁导,返回,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,直轴电枢磁导,交轴电枢磁导,双反应理论:对于在空间任意的电枢磁动势Fa,将其分解成直轴和交轴两个分量Fad和Faq,用对应的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。,不考虑磁饱和时同步发电机负载运行时物理量的关系:,二、凸极同步发电机的电压方程和相量图,,定子,凸极机的电压方程,按规定的参考正方向,电压方程为:,,,,,,直轴电枢反应电抗,交轴电枢反应电抗,直轴同步电抗,交轴同步电抗,凸极同步发电机的向量图,,,,,,,,,,,,,,画出凸极同步发电机的相量图:首先必须知道及两个电流分量,也就是 要知道 与 之间的夹角ψ0。 进行变换:,,引入虚拟电动势 ,使,依上式作图步骤如下: 1)以电压作参考量,在水平方向作出相量 ; 2)当已知功率因数角 后,画出电流相 量 ; 3)根据上式可知,相量 和 相 加可以确定 的位置,即确定ψ0角;,4)按ψ0角将电流I分解成 及 ;5)根据上式,在电压相量 上加上及 ,最后求得 。由图中,可以求得ψ角及E0的计算式,角的确定,,,,,,,,,,,,,,,凸极同步发电机的等效电路图,,,,,,,,,,,,,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,所以如图102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Xd≈Xq≈Xs,,,,,例题,返回,,思考: 判断下列变化对凸极同步发电机的直轴同步电抗有什么影响: (1)电枢绕组匝数增加; (2)磁路饱和度增加; (3)气隙变大; (4)励磁绕组匝数增加。,例题,四、电枢绕组的漏抗,当电枢绕组中通过电流时,电流所产生的大部分磁通经过气隙闭合,这部分磁通称为电枢绕组的主磁通(见图33),主磁通交变在电枢绕组中感应的电势称为电枢反应电势。还有一小部分不经过气隙,只与自己或邻近的导体交链,这部分磁通称为漏磁通,漏磁通交变在电枢绕组中感应的电势称为漏电势。漏电势与电枢电流的比值称为漏抗。漏抗与那些因素有关?漏磁通主要分为槽漏磁通和端部漏磁通。漏磁通的影响:趋肤效应;附加铜耗和附加铁耗;电压降低。,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 (6-14),,,,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 (6-15),P2、Pe等物理量的表达式。 机械损耗和铁耗可以看成是不变损耗,电枢铜耗是可变损耗。这些损耗最后都转化为热能,使电机温度升高。 【补】通过改善散热条件,可以使同步发电机的额定功率得到适当提高。,电磁功率 从式(6—15)可知,电磁功率Pe为,,,,,,,由图105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EQ=E0,故有,二、转矩方程,把功率方程(6—14)除以同步角速度,可得转矩方程式中,T1为原动机的驱动转矩,Te为电磁转矩,T0为空载转矩,分别为:,,,(6—18),返回,,例6-2,6.6 同步电机参数的测定,一、用空载特性和短路特性确定直轴同步电抗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E0,直到U0≈1.25UN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,试验线路如图6-24a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6—24b所示。,,短路时, ,故 , ,而 所以 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6—25所示,求出的Xd值为不饱和值。画短路时的相量图。,,,,,,,(6—19),(6—20),【补】是否可以通过空载和短路试验测定同步电机的交轴同步电抗?,Xd的饱和值与主磁路的饱和情况有关。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6—26所示,这样即可求出 Xd(饱和),,例6-3,二、用转差法测定同步电机的直轴同步电抗和交轴同步电抗把同步电机的励磁绕组开路,用原动机把电机拖动到接近同步转速,在电枢绕组上施加2%-5%的额定电压,测电枢电压和电枢电流的最大值和最小值。Xd=Umax/Imin Xq=Umin/Imax,如何测电枢电压和电枢电流的最大值和最小值?,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。 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:即n=nS,If=常值,cosφ=常值时,U=f(I)。图113 表示带有不同功率因数的负载时,同步发电机的外特性。,从同步发电机的外特性曲线可以看出: (1)当负载为感性负载时,外特性是下降的曲线; (2)当负载为纯电阻负载时,外特性也是下降的曲线; (3)当负载为容性负载时,外特性可能是上升的曲线。 以纯电阻负载为例,画图说明。再从电枢反应的角度谈。电压调整率。从同步发电机的调整特性曲线可以看出:调整特性曲线的变化趋势与外特性恰好 相反。效率特性:开口向下的曲线,有极大值点。,72.5MW水轮发电机 200MW汽轮发电机(n=150r/min) (n=3000r/min) 铁耗(包括空载杂散铁耗) 25.8% 12.78% 电枢基本铜耗 14.8% 14.28% 励磁损耗 22.2% 19.39% 机械损耗 28.3% 39.14% 短路杂散损耗 8.9% 14.41% 总损耗 100% 100% 额定效率 97.81% 98.32%,,,,,,,,,,,本节第2部分内容:用电动势-磁动势图求取额定励磁电流和电压调整率,与前面 的补充题相似。,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n=nS,U =UNΦ,cosφ=常值时,If=f(I)。图6—31表示带有不同功率因数的负载时,同步发电机的调整特性,效率特性——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n=nS,U =UNΦ,cosφ= cosφN时,η=f(P2)。,返回,,6.8同步发电机与电网的并联运行 为减少负载变动的影响,提高供电可靠性和质量,电网中多台发电机并联运行. 一 、投入并联的条件和方法.,条件: (1)同步发电机的相序与电网的相序一致; (2)同步发电机的频率与电网的相同; (3)同步发电机空载电压的大小,相位与电网的相同. 这三个条件其实是要求要 并网的发电机与电网上其 它正在运行的发电机严格 保持同步.,这三个条件中,第一个条件必须满足,第二个和第三个允许稍有出入. 方法: (1)准确整步法 定义:使三个条件全部满足后再并网的方法,称为准确整步法. 如何判断三个条件全部满足?采用同步指示器,最简便的一种判断方法称为灯光法. 灯光法包括直接接法(灯光熄灭法)和交叉接法(灯光旋转法).,,直接接法(灯光熄灭法): 如图,指示灯的接法和并网开关的接法一致. 若相序一致,其它不一致,则三盏灯同时变化亮度; 若相序一致,频率也一致,但发电机的电压的大小或相位与电网的不同,则三盏灯的亮 度保持不变. 若三个条件全部满足,则三盏灯全部熄灭. 趁三盏灯全部熄灭时合闸.,直接接法的同步指示器,交叉接法(灯光旋转法): 指示灯的接法和并网开关的接法不一致,如图. 若相序一致,其它条件不满足,则三盏灯的亮度出现旋转现象; 若相序一致,频率也一致,但发电机空载电压的大小或相位与电网的不同,则三盏灯保 持各自的亮度不变; 若三个条件全部满足,则一盏灯熄灭,其余两盏灯一样亮. 趁一盏灯灭,其余两盏灯一样亮时合闸.【补】在做同步发电机并网实验时发现,把一台4极的同步发电机拖动到1500r/min并网,并网后电机转速变为1497r/min,这是为什么?,交叉接法的同步指示器,(2)自整步法 先将发电机的励磁绕组通过一个电阻短接,用原动机把发电机按正确相序拖动到 接近同步转速后并网,最后把励磁电源接入,依靠同步转矩把电机牵入同步. 紧急情况下使用自整步法. 总结:熟记同步发电机并网的三个条件,准确整步法,自整步法.,【补】同步发电机与电网并联运行的条件是什么?当四个并联条件中的某一个不符合时,会产生什么后果?应采取什么措施使之满足并联条件?解:同步发电机与电网并联运行的条件是相序相同;频率相同;电压幅值相同;电压初相角相同。当四个条件中的某一个条件不符合时,并网时会产生很大的电流冲击。相序不同时,应将发电机接至并网开关的任意两根线对调;频率不同时,应调整发电机的转速;电压幅值不同时,应调节发电机的励磁;电压初相角不同时,应通过调节发电机的瞬时转速使转子的相对位置有所变化。【补】一台直流电动机拖动一台同步发电机并联在大电网上运行,适当减少直流电动机的励磁电流,整个机组的转速是否会有变化?为什么?此时发电机输 出的有功功率有什么变化?【补】同步电机的习题集中的第30题。,二 、与电网并联时同步电机的功角特性 当同步电机并联在大电网上运行,可以 假定电网电压U的大小,频率和相位不 变. 功角特性:U,E0一定时,同步电机的电 磁功率与功角的函数关系: Pe=f(δ),(1)隐极同步电机的功角特性 忽略电枢绕组铜耗,有,经过推导,代换,得,功角特性曲线如图,当δ=90度电角 度,电磁功率达到最大.,(2)凸极同步电机的功角特性 忽略电枢绕组铜耗,有,经过推导,代换,得,当δ约等于70度电角度时,电磁功率达到最大.总结:当同步电机并联在大电网上运行时,在稳定运行的范围内,同步电机的电磁功率的大小与功率角的大小正相关.,三 与电网并联时有功功率的调节和静态稳定 当同步发电机并联在大电网上运行时,可以认为电压的大小,频率和相位保持不变. 刚并上电网时,,功率角为0,有功功率为0,见下图左边. 欲增大有功功率,应该增大原动机的机械功率,这样主极就有了加速的趋势,功率角 增大,电机的有功功率增大.反之,应该减少原动机的机械功率… 从能量转化和守恒的角度看也是这样.,静态稳定:同步发电机与电网并联运行,假 定外界发生扰动,当扰动消失后,如果电机 仍然能够回到原来的运行点运行,则该发 电机是静态稳定的.,如图,假定开始时电机运行在A点… 如果开始时电机运行在B点… 由此可见,可以根据功角特性曲线的斜 率来判断电机的静态稳定性.,整步功率系数,当整步功率系数大于0,电机才是静态 稳定的.同步发电机的过载能力,增大励磁电流可以增大整步功率系数,也就是增加了同步发电机的静态稳定性和过 载能力.,[补]一台同步发电机并联在大电网上运行,增大原动机的功率,电机的功率角将——;增大励磁电流(原动机功率保持不变),电机的功率角将——。总结:要想改变并网运行的同步发电机的有功功率,必须改变原动机的机械功率. 四 、与电网并联运行时无功功率的调节,有功功率 无功功率,假定有功功率不变,调节励磁电流, 看无功功率如何变化.如图.,正常励磁:Q=0, 功率因数等于=1,发电机不输出无功功率; 过励:Q大于0, 功率因数小于1(滞后),发电机输出滞后的无功功率; 欠励:Q小于0, 功率因数小于1(超前),发电机输出超前的无功功率. 因此,并网运行时,发电机的功率因数的性质和大小是由励磁电流决定的.总结:对于并网运行的同步发电机,通过调节励磁来调节它的无功功率.[补]一台汽轮发电机并联于电压为U的大电网,额定负载时功率角为20度。现在因 为故障,电网电压降为60%U,假定负载大小不变,为使功率角不超过25度,应加 大励磁使至少变为原先的多少倍?(1.35),五、功率因数变化时发电机的输出能力输出能力曲线Q=f(P):当发电机的端电压为额定值,励磁电流和电枢电流都不超过额定值时的无功功率Q和有功功率P的关系曲线。,设发电机的输出能力主 要受温升限制。如何让发 电机始终在输出能力曲线 上运行? 再谈电机的温升与散热。,6.9同步电动机与同步补偿机 一 同步电动机的电压方程和相量图 画图说明同步发电机向电动机的转变. 1.隐极同步电动机 按照电动机惯例重新规定同步电机各物理量的正方向如图.得,画相量图如图:先画U,I. 2.凸极同步电动机 如图,按照电动机惯例重新规定电机各物理量的正方向,得,画相量图,先画U,I,再画Eq.,总结:按照电动机惯例重新规定各物理量正方向.二 同步电动机的功角特性,功率方程和转矩方程,1.功角特性 隐极同步电动机凸极同步电动机形式与发电机一样,注 意δ小于0.2.功率方程,3.转矩方程其中,三 同步电动机的运行特性 1.功率因数特性,保持励磁电流不变,当同步电动机的负载由小变大,功率因数由超前变为滞后. 保持负载不变,调节励磁电流,同步电动机的功率因数也会变化.如图. 功率因数可调,这是同步电动机相比于异步电动机的一大优点.,,2.其它工作特性 电磁转矩特性,电流特性,效率特性,如图.,3.V形曲线 定义如右边公式: 正常励磁时,I 最小;过励或欠励,I 都将增大. 自己看[例6-6],作业6-26四 同步电动机的起动 直接起动很难. 1.异步起动法 利用阻尼绕组产生异步转矩帮助起动. 如图,先把励磁绕组通过电阻短接… 为什么要这样做?如果直接开路 或直接短路,会产生过电压或较 大的单轴转矩,如图.,2.辅助电动机起动 类似于同步发电机的自整步法投入电网. 3.变频起动 需要变频电源. 转子加励磁,定子慢升频. 同步电动机的缺点: 需要电刷,集电环.如果没有变频电源,起动和调速都比较困难. 【补】感应电动机的功率因数总是滞后的,同步电动机的功率因数总是超前的。,五 同步补偿机 当同步电机的电压相量与电流相量垂直时,为补偿机状态,如图. 同步电机处于补偿机状态时,向外不输出有功功率,但输出无功功率.因此,补偿机一 般接在负载附近,专门向负载提供无功功率,以提高电网的功率因数,如图.,没有补偿机时,电网电流为Ia;有补偿机时,电网电流为I,由于 I 小于Ia,因此,电网的无功电流减少,功率因数得以提高. 作业:6-28 总结:同步补偿机一般向电网输出滞后的无功电流,并联在负荷中心,就近提供无功电流。,同步补偿机相量图(电流方向按发电机惯例),6.10 同步发电机的不对称运行 由于种种原因,如三相负载不对称,单相对中点短路等,同步发电机有可能在不对称状态 下运行.研究方法:化不对称为对称. [例]单相对中点短路:,一 对称分量法 定义:设电机结构对称,磁路线性,若三相电压或电流不对称,可以把它们分解成三组对称的电压或电流,分别称之为正序分量,负序分量和零序分量.分别求出三组分量单独作用时电机的响应,然后把结果叠加.,[例] 设,为不对称三相电压,则有,其中,由于系数行列式不为零,因此方程组 有且仅有唯一一组解. 对称分量法的理论根据一是线性系统 的叠加原理,二是线性方程组理论.总结: 对称分量法.,二 同步发电机的各相序阻抗和电压方程,1.正序阻抗和正序电压方程 正序阻抗:主极正向旋转,励磁绕组接 励磁电源,电枢绕组流过正序三相电 流,此时同步电机所表现的阻抗称为 正序阻抗.,隐极 凸极 电压方程式,2.负序阻抗和负序电压方程 负序阻抗:主极正向旋转,励磁绕组短路,电枢绕组流过负序三相电流,此时同步电机 所表现的阻抗称为负序阻抗.,从负序旋转磁场来观察,电机的转差 不为零(s=2),负序旋转磁场切割励磁 绕组和阻尼绕组,这两个绕组中会感 应去磁性质的电流.因此负序阻抗要 比正序阻抗小.,设电机主极上有阻尼绕组,则电压方程式,3.零序阻抗和零序电压方程 零序阻抗:主极正向同步旋转,励磁绕 组短接,流过三相零序电流,此时同步 电机表现的阻抗称为零序阻抗. 由于三相零序电流在气隙中的合成磁 势为零,因此只剩下漏磁通,零序阻抗 基本上是漏阻抗.,电压方程式:,总结:正序阻抗约等于同步电抗,负序阻抗要小于正序阻抗,零序阻抗最小.熟悉各序的电压方程。,三 同步发电机的单相短路 设A相对中点短路,B,C两相空载,有约束条件: 根据对称分量法,有,即,解得,又根据各序的电压方程:,三式相加,得所以再对比三相对称短路电流 又,B,C两相电压如下 式:,以上讨论的是基波. 实际上,由于电枢负序旋转磁场以两倍于同步转速的速度相对励磁绕组运动,励磁绕组 中会感应两倍基波频率的电流,产生脉振磁场.把这个脉振磁场分解成两个旋转磁场, 其中的负向旋转磁场相对于电枢绕组以同步转速运动,在电枢绕组中感应的正是基波 负序电流;而正向旋转磁场以三倍于同步转速的速度相对于电枢绕组运动,因此电枢绕 组中还有三次谐波电流.总结:运用对称分量法可得,同步发电机单相对中点短路基波电流明显大于三相对中点短路基波电流;另外,电枢绕组中还有三次谐波电流,励磁绕组中还有二次谐波电流.,四 同步发电机的线间短路 如图,在没有中线的情况下,B,C 两相发生短路,A相开路.电流约 束条件:,根据对称分量法,有,解得 又,根据电压方 程式,可得,,右图为各序等效电路的电压方程式,把 第(1)式减去第(2)式,得,所以,B,C两相电流为又以上是基波电流,还有 三次谐波电流.,总结:同步发电机线间短路电流小于单相短路电流,但是大于三相对称短路电流.,五 不对称运行对同步发电机的影响 同步发电机在不对称运行的情况下,电枢绕组里有三次和更高次数的谐波电流,励 磁绕组,阻尼绕组和实心转子中有频率100Hz和更高频率的电流.所有这些电流会 增大电机的附加铜耗,这些电流所产生的磁场又会增大电机的附加铁耗,使转子温 度上升,电机效率下降.负序电流还会引起转矩脉动和定子振动.总结:从保护发电机的角度来看,希望避免不对称运行,但是为了电网的安全,有时又需要发电机运行于不对称的情况.【补】同步电机习题集中关于负序电抗的习题。[补]一台同步发电机做不对称运行,运用对称分量法分解三相电流,得A相各序电流如下图.请你在原图上画出B,C相各相序电流,并指出电机处于何种不对称运行情况.,作业:6-30,6.11 同步发电机的三相突然短路 先谈稳态短路电流的大小和相位. 分析三相突然短路基于以下原则: (1)电枢周期电流的相位落后励磁电动势相位90度; (2)电枢电流和励磁电流的瞬时值在突然短路前后不能突变.,三相突然短路的瞬态电磁过程 假定短路发生前,电机空载,短路 发生时,主极运行到d轴与A相相 轴垂直的位置上,如图. 此时,A相的励磁电动势的瞬时 值为最大,根据第(1)条原则,A 相的周期电流的瞬时值为零, 因此A相周期电流的波形如图.,,由于突然短路前后,A相周期 电流没有突变,因此A相电流 中没有非周期分量. 对于B,C两相来说,由于其周 期电流的瞬时值在突然短路 发生时不为零,因此其电流中 还有非周期分量,两者叠加, 使得突然短路发生时,电流 瞬时值仍然为零,如图.,以上说明,突然短路发生时,各 相的情况不一定相同,是否存 在非周期分量,要看短路发生 时主极运行到什么位置. 假定突然短路发生时,d轴与 A相相轴重合,情况怎样?,又,突然短路发生时,周期电流的幅值是稳态电流幅值的4-7倍,这是为什么?,突然短路时,电枢电流的瞬时值为 零,但是其变化率不为零,则励磁绕 组会感应电流,该电流以时间常 数Td’衰减,Td’主要与励磁绕组参 数有关. 对于电枢绕组来说,由于励磁电流 增加了,因此励磁电动势也增加了 从E0变成了E0’ ,这样,电枢电流的 周期分量的幅值自然也增大了. 对 于凸极同步电机来说,有,或写为,Xd’称为直轴瞬态电抗,比Xd小.,
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