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  4.3同步电动机 4.3.5同步电动机的励磁调节和V形曲线.V形曲线 同步电动机的V形曲线指: 在保持电压U和负载TL不变的条 件下,电枢电流I1与励磁电流If之 间的关系曲线=?(If)。 V形曲线 同步电动机的V形曲线同步电动机的励磁调节和V形曲线.V形曲线 由图可见,不同的负载对应一条V形曲线,对于每条V形曲线都有一最小值,曲线最低点的功率因数cos j =1,是正常励磁点,以此点为界,左边是欠励,右边是过励;V形曲线的左上半部分,其功率因数已超出对应于稳定极限的数值,所以为不稳定区。 图4-42 同步电动机的V形曲线同步电动机的励磁调节和V形曲线.V形曲线 同步电动机的励磁电流应如何调节则要视电动机运行时电网的实际情况而定,若电网功率因数未达到要求,需要同步电动机提供无功,则电动机应工作在过励状态(但应以电枢电流不超过额定值为极限),以提电网的功率因数。 图4-42 同步电动机的V形曲线 Page * 若电网功率因数已达到要求,则同步电动机应工作在正常励磁状态,电动机功率因数为1、电枢电流I1最小、铜损最小、效率最高。 【例题4-2】 某工厂进线kV,所需消耗电功率P1=1200kW,总功率因数为cosj1=0.66(滞后)。现扩大生产,需增设P2s=300kW的电动机拖动生产机械。为了提高全厂的功率因数,拟采用同步电动机拖动并使总功率因数提高到cosj2=0.80(滞后),设同步电动机效率为h=93.75%,试求新增同步电动机的容量和功率因数。 Page * 解:(1)扩大生产前 负载电流为 无功电流为 同步电动机所需输入功率为 4.3三相同步电动机 4.3.5同步电动机的励磁调节和V形曲线)增加同步电动机后 工厂总消耗功率为 若使功率因数提高到cosj2=0.80(滞后),则 增加同步电动机后负载总电流为 此时无功电流为 同步机实际应吸取的无功电流(超前)为 【例题4-2】 4.3三相同步电动机 4.3.5同步电动机的励磁调节和V形曲线 Page * 同步机有功功率为 同步机无功功率为 同步机容量为 同步机的功率因数为 (超前) 【例题4-2】 4.3三相同步电动机 4.3.5同步电动机的励磁调节和V形曲线 Page * 注:同步电动机若工作在过励状态,从电网吸取超前的无功电流,此时同步电动机相当于电网的一个容性负载。现代工业生产中应用的电动机大多为异步电动机,对电网而言属感性负载,利用同步电动机在过励下呈容性这一特点,可以改善供电系统的功率因数,这也是同步电动机的最大优点,现代同步电动机的额定功率因数一般均定为1~0.8(超前)。 某工厂进线kV,所需消耗电功率P1=1200kW,总功率因数为cosj1=0.66(滞后)。现扩大生产,需增设P2s=300kW的电动机拖动生产机械。为了提高全厂的功率因数,拟采用同步电动机拖动并使总功率因数提高到cosj2=0.80(滞后),设同步电动机效率为h=93.75%,试求新增同步电动机的容量和功率因数。 【例题4-2】 4.3三相同步电动机 4.3.5同步电动机的励磁调节和V形曲线同步电动机 由同步电动机基本工作原理可知,若将同步电动机同时双边励磁,由于定子旋转磁场转速为同步转速n1,而起动瞬间转子处于静止,气隙磁场与转子磁极之间存在相对运动,不能产生平均的同步电磁转矩,即同步电动机本身没有起动转矩,使电动机自行起动。 为了解决起动问题,必须采取其它方法,常用的方法有:辅助电动机起动法,变频起动法,异步起动法。 Page * 4.3.6同步电动机的起动 4.3同步电动机 1.辅助电动机起动法 辅助电动机起动法,是选用一台与同步电动机极数相同的小型异步电动机作为辅助电动机,起动时,先起动辅助电动机将同步电动机拖动到异步转速,然后将同步电动机投入电网,加入励磁,利用同步转矩把同步电动机转子牵入同步,同时切除辅助电动机电源,该方法适用于同步电动机的空载起动。 变频起动法是在起动前将转子加入直流,利用变频电源使频率从零缓慢升高,旋转磁场牵引转子缓慢同步加速,直至达到额定转速,该方法多用于大型同步电动机的起动。 2.变频起动法 Page * 4.3.6同步电动机的起动 4.3同步电动机 3.异步起动法 异步起动法是在转子上加装起动绕组,其结构如同异步电动机的笼型绕组。如图4-43所示。 起动时先不给励磁,同步电动机定子绕组接电源,通过起动绕组作用,产生起动转矩,使同步电动机自行起动,当转速达95%同步转速左右后,给同步电动机的励磁绕组通入直流,转子自动牵入同步。 图4-43 同步电动机异步起动示意图 起动过程中励磁绕组既不能开路,也不能直接短接。因为,若励磁绕组开路,在高转差率情况下,旋转磁场会在励磁绕组中产生较高的感应电动势,易损坏绕组绝缘;若励磁绕组直接短路,将产生单轴转矩,有可能使电动机起动不到接近同步转速。 Page * 4.3.6同步电动机的起动 4.3同步电动机 3.异步起动法 图4-43 同步电动机异步起动示意图 实际解决的办法: 起动过程中在励磁绕组回路串接5~10倍励磁绕组电阻的附加 电阻,电动机起动到接近同步转速时,再切除附加电阻,同时给 励磁绕组通入直流,牵入同步,完成起动。 Page * 4.4.1永磁同步电机 4.4其他同步电机 Page * 4.4.2同步补偿机 略 略 本章小结 本章介绍了同步发电机和同步电动机。两者结构相同,均由定子和转子组成,定子结构与异步电机类似,但转子不同,通常分为凸极式和隐极式两种类型。同步电机中设有复杂的励磁系统,用以产生直流电流,通入转子上的励磁绕组中,从而在气隙中产生恒定磁场。也有一种比较特殊的励磁方式是采用永磁体代替电励磁方式,基于这一原理研制的同步电机称为永磁同步电机。 同步发电机中,原动机拖动转子以同步转速旋转,使得转子磁场也随之转动,这样定子绕组相对于磁场运动,将会感应出交变电动势,可以作为电源向负载提供电能,从而将原动机输入的机械能转换为交流电能。 同步发电机空载运行时,气隙磁场由励磁磁动势产生,在该磁场作用下电枢绕组上感应的电动势称为空载电动势,其大小由励磁电流决定,两者之间的关系称为空载特性。 Page * 本章小结 同步发电机负载运行时,电枢电流也会产生磁动势,称为电枢反应磁动势,而它对励磁磁动势产生的影响作用称为电枢反应。电枢反应磁动势与励磁磁动势共同作用产生气隙磁场,并在电枢绕组上感应出电动势。 在不考虑饱和情况下,可以认为各个磁动势各自产生相应的磁场,并在电枢绕组中分别产生感应电动势,其中电枢反应磁动势产生的感应电动势称为电枢反应电动势,励磁磁动势产生的感应电动势仍称为空载电动势。 为分析研究方便,将这种电流产生磁动势,继而产生磁场,再在电枢绕组中感应出电动势的过程用等效电路和电压平衡方程式来描述,进而利用时空图来分析。等效电路中关键参数同步电抗值可利用同步电机的空载试验、短路试验和零功率因数负载特性来求取。 Page * 本章小结 通常情况下,同步发电机采用并联电网的运行方式。发电机并联至电网的过程称为并车,发电机并车时必须满足四个并联条件,每个都得满足,才能在合适的时刻合闸并车。 同步发电机一旦并网运行,则其电压和频率都可以认为是恒定不变。要想调节发电机输出的功率只能通过调节原动机的输入转矩和发电机的励磁电流来实现。 功角特性和V形曲线则分别 描述了发电机有功功率和无功功率调节状况。 Page * 调节原动机的输入功率,发电机的功角随之改变,从而调节发电机输出的有功功率,但功角必须控制在一定范围内,否则会影响系统稳定运行,使同步发电机失去同步。 调节励磁电流可以改变发电机输出的无功功率。 本章小结 当发电机处于过励时,发电机输出滞后的无功功率;处于欠励时,发电机输出超前的无功功率。 同步电动机中,定子绕组通入三相交流电,产生旋转磁场,转子输入直流励磁电流,产生固定磁场,在磁场吸引作用下,旋转磁场将带动固定磁场同步旋转,也即拖动转子以同步速旋转,从而将定子中输入的交流电能转换为转子的机械能。 分析同步电动机时可以沿用发电机中的等效电路、电压平衡方程式、时空图等,只是部分物理量的符号发生了改变。 Page * 与同步发电机一样,同步电动机也可以通过调节励磁电流来改变其无功功率,这也是同步补偿机的基本工作原理,即空载运行下的同步电动机,在过励时,可从电网中吸收超前的无功功率;在欠励时,可从电网中吸收滞后的无功功率,以此来达到改善电网功率因数的目的。 本章小结 同步电动机不能自行起动,通常需要采用安装起动绕组、借助辅助电机等方式完成其起动过程。 Page * Page * 思考题与习题 4-1同步电机与异步电机在工作原理上有哪些异同? 4-2 同步发电机有哪些常用的励磁方式? 4-4 一台三相同步发电机,额定电压UN=6300V,额定电流IN=572A,额定功率因数cosjN=0.8(滞后),试求该发电机的额定运行时的额定容量SN和发出的有功功率PN。 4-5 有一台三相两极隐极同步发电机额定频率fN=50Hz,定子Y联结,额定功率PN=25000kW,额定电压UN=10500V,额定电流IN=1720A,同步电抗xc=2.3W,试求电枢电流为额定值,功率因数cosj=0.8(滞后)时的空载电动势E0。 4-6 试分析同步电动机的机械特性曲线有什么特点?它是否能反应负载变化情况? Page * 思考题与习题 4-8 同步发电机并车时应满足哪些条件?如果这些条件中的某一个不满足时强行并网将会怎样? 4-9 一台三相六极同步电动机数据:额定电压UN=3000V,额定频率f1N=50Hz,额定功率PN=2000kW,定子Y联结,额定功率因数cosjN=0.9,额定效率hN=0.80%,忽略定子电阻。试求电动机满载运行时:(1)输入功率P1;(2)定子电流I1;(3)电磁功率Pem;(4)电磁转矩T;(5)输出转矩T2;(6)空载转矩T0。 4-7 三相隐极同步电动机定子Y结,额定电压UN=6000V,额定视在功率SN=1550kVA,每相同步电抗xc=0.9W,如忽略定子绕组内阻,电动机额定运行。试求cos(-j)=0.8(电流超前)、cosj=1、cosj=0.8(电流滞后)时,空载电动势E0分别为多少? Page * 思考题与习题 4-10 某变电所进线kV,高压侧为感性负载,功率因数cosj1=0.65,有功功率P=3000kW。为了提高功率因数,欲增设一台同步补偿机,使得补偿后功率因数达到cosj2=1,试计算该同步补偿机的最小容量、电压和电流值。 Page * 结 束 在本课件的制作过程中,参考了大量文献资料,在此谨对所有参考文献资料的作者致以衷心的感谢。 致谢 * 4.3同步电动机 2.5.2同步电动机的基本方程和相量图 1.隐极同步电动机的电压方程和相量图 Page * 电枢一相绕组的电压方程式: 4.3同步电动机 4.3.2同步电动机的基本方程和相量图 1.隐极同步电动机的电压方程和相量图 式中r1为电枢绕组电阻,一般同步电动机容量都较大,电阻r1很小,常忽略;x1为电枢漏电抗。 仿异步电动机中使用的将漏电抗电动势写成漏阻抗压降的方法,也可将电枢磁动势Fa产生的电枢电动势Ea写成电抗压降的形式,则有 式中xa为电枢电抗,或称电枢反应电抗,它对应于主磁路,故xax1,一般有xa=(5~8)x1,这样上式可改写成: Page * (4-39) 4.3同步电动机 4.3.2同步电动机的基本方程和相量图 1.隐极同步电动机的电压方程和相量图 式中xc=x1+xa 为隐极同步电动机的同步电抗。 对应式(4-40),隐极同步电动机定子等效电路和相量图如图4-34所示。 (4-40) a)定子等效电路 b)相量图 图4-34 隐极同步电动机定子等效电路和相量图 可见,定子电流I1超前电源电压U1,可通过调节直流励磁电流使同步电动机工作在该状态,目的是使同步电动机在拖动负载的同时,对电网呈容性,起电容补偿作用,以提高电网的功率因数。混凝土泵车长年出租 Page * 4.3同步电动机 4.3.2同步电动机的基本方程和相量图 2.凸极同步电动机的电压方程和相量图 a)电枢磁动势位于直轴 b)电枢磁动势位于交轴 图4-35凸极同步电动机电枢反应磁动势 凸极同步电动机转子有明显的磁极,气隙不均匀,转子磁极中心线附近气隙最小,磁阻最小,混凝土泵车长年出租磁导最大;而在转子磁极几何中心线处气隙最大,磁阻最大,磁导最小,所以磁通所走的路径不同,所遇的磁阻不同,对应的电抗参数也就不同。 Page * 4.3同步电动机 4.3.2同步电动机的基本方程和相量图 2.凸极同步电动机的电压方程和相量图 当定子电流I1产生的电枢磁动势Fa与主磁极轴线重合,气隙最小,磁阻最小,磁导最大,相应的电抗为最大;这时所对应的电枢电抗称为电枢反应直轴电抗,用xad表示; 当定子电流I1产生的电枢磁动势Fa与主磁极轴线正交时,气隙最大,磁阻最大,磁导最小,相应的电抗为最小;这时所对应的电枢电抗称为电枢反应交轴电抗,用xaq表示; 当电枢磁动势位于直轴与交轴之间时,相应的气隙、磁阻、和电枢反应电抗处于上面两种情况之间,且随位置不同而变化。 Page * 4.3同步电动机 4.3.2同步电动机的基本方程和相量图 2.凸极同步电动机的电压方程和相量图 为了解决电枢磁动势Fa在不同位置时遇到不同气隙,其磁阻计算困难的问题,可将电枢磁动势分解成两个分量:一个分量是直轴电枢磁动势,用Fad表示,它作用在直轴方向;另一个分量是交轴电枢磁动势,用Faq表示,它作用在交轴方向,则: Page * (4-41) 4.3同步电动机 4.3.2同步电动机的基本方程和相量图 2.凸极同步电动机的电压方程和相量图 同理,对应产生电枢磁动势Fa的电枢电流I1也可分解成两个分量,即: 这种分析问题的方法是以叠加理论为基础的“双反应法”。 Page * (4-42) 根据“双反应法”,凸极同步电动机电磁关系如下: 4.3同步电动机 4.3.2同步电动机的基本方程和相量图 2.凸极同步电动机的电压方程和相量图 Page * 4.3同步电动机 4.3.2同步电动机的基本方程和相量图 2.凸极同步电动机的电压方程和相量图 直轴电枢磁动势Fad和交轴电枢磁动势Faq在气隙圆周上同样以同步转速n1旋转,它们切割定子绕组在其上产生的感应电动势Ead和Eaq,正是电枢磁动势Fa在定子绕组上产生的感应电动势Ea的两个分量,所以有: 式中,Ead称为直轴电枢反应电动势,其对应的电抗是xad;Eaq称为交轴电枢反应电动势;其对应的电抗是xaq。这里xad和xaq分别是直轴电枢反应电抗和交轴电枢反应电抗,若不考虑磁路饱和的影响,xad和xaq都是常数。 Page * (4-43) 4.3同步电动机 4.3.2同步电动机的基本方程和相量图 2.凸极同步电动机的电压方程和相量图 通过上面分析,可写出凸极同步电动机的电压方程式: 式中,Ead称为直轴电枢反应电动势,对应的电抗为xad;Eaq称为交轴电枢反应电动势;对应的电抗为xaq;xad和xaq分别是直轴电枢反应电抗和交轴电枢反应电抗,若不考虑磁路饱和的影响,xad和xaq均为常数。 (4-44) Page * 4.3同步电动机 4.3.2同步电动机的基本方程和相量图 2.凸极同步电动机的电压方程和相量图 根据式(4-44)绘制相量图如图4-37a所示。 a)根据式(4-44) b)根据式(4-46) 图4-37 凸极同步电动机相量图 (4-44) Page * 从相量图中可得直轴和交轴电流分量为 (4-45) (4-46) 式中,xd为直轴同步电抗,xd=xad+x1;xq为交轴同步电抗,xq=xaq+x1。 4.3同步电动机 4.3.2同步电动机的基本方程和相量图 2.凸极同步电动机的电压方程和相量图 根据式(4-46)绘制相量图如图4-37b所示。 (4-46) 图中相量ì1与ù1的夹角为j,称功率因数角;相量ì1与–è0的夹角为y,称内功率因数角;相量ù1与–è0的夹角为θ,称功角,三者之间有下列关系: Page * a)根据式(4-44) b)根据式(4-46) 图4-37 凸极同步电动机相量图 4.3同步电动机 4.3.3同步电动机的功率和转矩方程 1.功率平衡方程 同步电动机的功率平衡方程为 (4-47) 式中,P1为同步电动机从电网吸收的有功功率;pCu为定子铜损;Pem为同步电动机的电磁功率;P2为电动机的输出功率,p0为同步电动机的空载损耗,pm为机械损耗;pFe为铁损耗;pad为附加损耗。 Page * 4.3同步电动机 4.3.3同步电动机的功率和转矩方程 1.功率平衡方程 同步电动机的功率关系也可用功率流程图表示,如图4-38所示。 图4-38 同步电动机功率流程图 Page * 4.3同步电动机 4.3.3同步电动机的功率和转矩方程 2.转矩平衡方程 由式(4-47)功率平衡方程可推出同步电动机的转矩平衡方程为 式中,T为电磁转矩;T2为输出转矩;T0为空载转矩,其中各转矩计算公式为 Page * (4-48) 【例题4-1】 注意:变压器的电压比是指一、二次侧相电压之比。 一台三相六极同步电动机数据:额定电压U1=380V,额定频率f1N=50Hz,额定功率PN=250kW,定子Y联结,额定功率因数cosjN=0.83,额定效率hN=0.89%,定子每相电阻r1=0.029W。试求电动机满载运行时:(1)输入功率P1;(2)定子电流I1;(3)电磁功率Pem;(4)电磁转矩T;(5)输出转矩T2;(6)空载转矩T0。 解:(1)输入功率P1 (2)定子电流I1 4.3同步电动机 4.3.3同步电动机的功率和转矩方程 Page * 【例题4-1】 注意:变压器的电压比是指一、二次侧相电压之比。 (3)电磁功率Pem (4)电磁转矩T (5)输出转矩T2 (6)空载转矩T0 4.3同步电动机 4.3.3同步电动机的功率和转矩方程 Page * 4.3同步电动机 4.3.4同步电动机的功角特性率和矩角特性 1.功角特性 同步电动机的功角特性是指在外加电源电压和励磁电流不变的条件下电磁功率Pem和功角q之间的关系曲线,即Pem=?(q)。 凸极同步电动机功角特性表达式为 可见,电磁功率包含两部分:一部分与励磁电流If产生的电动势E0成正比,称为励磁电磁功率(或称基本电磁功率),可表示为 Page * (4-51) (4-52) 4.3同步电动机 4.3.4同步电动机的功角特性率和矩角特性 1.功角特性 上式中,当U1为常数时,改变励磁电流If可改变E0的大小,即可改变Pem1的大小,Pem1与功角之间的关系如图4-39曲线所示;另一部分与励磁电流大小无关,称为凸极电磁功率(或称附加电磁功率),可表示为 对于气隙均匀的隐极转子同步电抗为xc=xd=xq,所以Pem2=0。凸极电磁功率Pem2与功角之间的关系如图4-39曲线功角特性和矩角特性 Page * (4-52) (4-53) 4.3同步电动机 4.3.4同步电动机的功角特性率和矩角特性 1.功角特性 图中曲线是凸极同步电动机的功角特性,为曲线的合成,隐极同步电动机功角特性表达式为 隐极同步电动机的功角特性曲线功角特性和矩角特性 Page * (4-54) 4.3同步电动机 4.3.4同步电动机的功角特性率和矩角特性 2.矩角特性 将功角特性表达式两边同除同步角速度W1可得凸极同步电动机矩角特性为 同理隐极同步电动机的矩角特性为 图4-39功角特性和矩角特性 矩角特性曲线所示。 Page * (4-55) (4-56) 隐极同步电动机功角特性 凸极同步电动机功角特性 凸极Pem2与功角的关系 4.3同步电动机 4.3.4同步电动机的功角特性率和矩角特性 2.矩角特性 图4-39功角特性和矩角特性 Page * 4.3同步电动机 4.3.4同步电动机的功角特性率和矩角特性 3.同步电动机的稳定运行(隐极 为例) 将功角特性表达式两边同除同步角速度W1可得凸极同步电动机矩角特性为 同理隐极同步电动机的矩角特性为 图4-39功角特性和矩角特性 矩角特性曲线所示。 Page * (4-55) (4-56) 4.3同步电动机 4.3.4同步电动机的功角特性率和矩角特性 3.同步电动机的稳定运行(隐极 为例) 图4-40 隐极同步电动机稳定运行分析 现电动机所带负载出现扰动,假设负载增大到TL′,这时转子减速使功角增大至q2,产生新的电磁转矩T′与负载转矩平衡,即T′=TL′,使电动机继续同步运行,同理,如果负载扰动消失,电动机要加速使功角恢复至q1,所以电动机能稳定运行。 在0q≤90°范围内,同步电动机原运行在A点,对应功角为q1,T=TL。 Page * 4.3同步电动机 4.3.4同步电动机的功角特性率和矩角特性 3.同步电动机的稳定运行(隐极 为例) 图4-40 隐极同步电动机稳定运行分析 现电动机出现扰动,假设负载增大到TL′,这时转子减速使功角增大至q4,此时对应的转矩为T″,T″TL′,则功角继续增大,随着功角的增大,对应的电磁转矩更小,这样下去,无法达到新的平衡,电动机会出现失步。 在90°q≤180°范围内,同步电动机运行在B点,对应的功角为q3,T=TL。 Page * 4.3同步电动机 4.3.4同步电动机的功角特性率和矩角特性 3.同步电动机的稳定运行(隐极 为例) 图4-40 隐极同步电动机稳定运行分析 实际产生中要考虑同步电动机应具有一定的过载能力,过载能力为: 一般过载系数lm=2~3,隐极同步电动机的额定功角 qN=20°~30°,凸极同步电动机的额定功角则更小一些。 可见,在0q≤90°范围内,同步电动机能稳定运行;在90°q≤180°范围内,不能稳定运行,q=90°是稳定运行和非稳定之间的转折点。 Page * (4-57) 4.3同步电动机 4.3.5同步电动机的励磁调节和V形曲线.励磁调节 而由于同步电动机是双边励磁机,它可通过调节励磁电流,来调节同步电动机的无功电流和功率因数,从而提高电网的功率因数。 电力网的主要负载是变压器和三相异步电动机,它们都是感性负载,不仅要消耗有功功率,还要从电网中吸取滞后的无功功率,使电网功率因数下降。 Page * 4.3同步电动机 4.3.5同步电动机的励磁调节和V形曲线.励磁调节 仍以隐极同步电动机为例,设忽略定子绕组损耗,在拖动恒转矩负载运行时有: 根据这些条件可绘制同步电动机的励磁调节相量图。 在磁路不饱和情况下有:E0∝Ff∝If,电网电压=U1常数,同步电抗xc=常数,则:E0sinq=常数、I1cosj=常数。 Page * 4.3同步电动机 4.3.5同步电动机的励磁调节和V形曲线.励磁调节 同步电动机的励磁调节相量图如图4-41所示,由图可见,改变励磁电流,可改变功率因数。 图4-41 同步电动机的励磁调节相量图 Page * 4.3同步电动机 4.3.5同步电动机的励磁调节和V形曲线)当正常励磁时励磁电流为If,对应的感应电动势为E0,电枢相电流I1和定子相电压U1同相位,电动机的功率因数cosj =1,无功功率为零,说明电动机只消耗有功功率,不消耗无功功率,电动机对电网呈纯电阻性负载。 图4-41 同步电动机的励磁调节相量图 Page * 4.3同步电动机 4.3.5同步电动机的励磁调节和V形曲线)当减小励磁电流为If′(If′If)时,对应的感应电动势为E0′,电枢相电流I1′滞后定子相电压U1-j′相位角,电动机的功率因数cosj1,此时电动机不仅消耗有功功率,还要从电网吸收滞后的无功功率,电动机对电网呈感性负载,该励磁方式称欠励,加重了电网的负担,一般不采用这种运行方式。 图4-41 同步电动机的励磁调节相量图 Page * 4.3同步电动机 4.3.5同步电动机的励磁调节和V形曲线)当增大励磁电流为If″(If″If)时,对应的感应电动势为E0″,电枢相电流I1″超前定子相电压U1-j″相位角,电动机的功率因数cos j1,此时电动机除从电网吸收有功功率,同时也从电网吸收超前的无功功率,电动机对电网呈容性负载,该励磁方式称过励,能提高电网的功率因数。 图4-41 同步电动机的励磁调节相量图 Page * Page * 可以看出,发电机带纯电阻负载或感性负载时,随着负载电流的增大,如要维持端电压不变,则必须增大励磁电流;发电机带容性负载时,随着负载电流的增大,如要维持端电压不变,可能须要减小励磁电流。 4.2同步发电机 4.2.5同步发电机的运行特性和电抗测试 4.调整特性 图 4-22 同步发电机的调整特性 Page * 同步发电机是用作发电机的同步电机,它由汽轮机、水轮机、柴油机等原动机拖动,将原动机输入的机械能转换成电能输出。但输入的机械功率不会全部转换成电功率,必然存在一定的损耗,包括机械损耗、铁心损耗和杂散损耗等。 4.2同步发电机 4.2.6同步发电机的功率与转矩 图 4-23 同步发电机功率流程图 Page * 功率之间存在如下关系,即 4.2同步发电机 4.2.6同步发电机的功率与转矩 (4-18) 通常,定子绕组的内阻较小,其铜耗可以忽略,则有 (4-19) 定义励磁电动势与电枢端电压之间的夹角为q,称为同步发电机的功角,则j=y -q,代入式(4-19)中可得 (4-20) Page * 4.2同步发电机 4.2.6同步发电机的功率与转矩 图 4-24 功角的空间概念 功角的空间概念,见图4-24。 Page * 4.2同步发电机 4.2.6同步发电机的功率与转矩 1.凸极同步发电机功角特性 公式为 (4-23) 式中,电磁功率包含两部分:一部分与励磁电流If产生的电动势E0成正比,称为励磁电磁功率(或称基本电磁功率)Pem1;另一部分与励磁电流大小无关,称为凸极电磁功率(或称附加电磁功率) Pem2 。 Page * 4.2同步发电机 4.2.6同步发电机的功率与转矩 1.凸极同步发电机功角特性 图4-25b给示了凸极电机的功角特性曲线。 b)凸极电机 图 4-25 同步电机的功角特性 Page * 4.2同步发电机 4.2.6同步发电机的功率与转矩 2.隐极同步发电机功角特性 在xd= xq= xc情况下,公式为 a)隐极电机 图 4-25 同步电机的功角特性 (4-24) 隐极同步电机的功角特性曲线a所示。 Page * 4.2同步发电机 4.2.6同步发电机的功率与转矩 2.隐极同步发电机功角特性 可见其最大电磁功率将在功角为90°,即sinq=1时取得。活塞式减压阀其中最大功率与额定功率的比值称为同步发电机的过载能力,即 (4-26) (4-27) Page * 4.2同步发电机 4.2.6同步发电机的功率与转矩 2.隐极同步发电机功角特性 凸极同步发电机的电磁转矩为 (4-29) (4-30) 隐极同步发电机的电磁转矩为 结合式(4-18)可得 式中,T1为原动机拖动发电机的动力转矩,T0为由摩擦、风阻等引起的阻力转矩,通常可认为大小不变。 (4-31) Page * 4.2同步发电机 4.2.6同步发电机的功率与转矩 2.隐极同步发电机功角特性 除有功功率外,同步发电机还会产生无功功率,同样与功角有关。以隐极同步发电机为例,可得发电机的无功功率为凸极同步发电机的电磁转矩为 (4-32) Page * 4.2同步发电机 4.2.7同步发电机的并联运行 在实际电力系统中,为确保系统供电质量,往往采用多台发电机并联运行,即每个发电厂由几台或几十台发电机并联起来接在共同的汇流排上,如图4-26所示。 图 4-26 同步发电机并联成大电网 而发电厂与发电厂之间再通过升压变压器和高压输电线并联起来,最终形成强大的电力系统(也称电网)。 Page * 4.2同步发电机 4.2.7同步发电机的并联运行 并联运行的优点 ①提高了供电质量。 虽然并联运行带来了诸多优势,但单台发电机并联到电网后的运行情况也会受到电网的限制,其运行条件和分析方法均与单机运行时不同。 ②提高了供电的可靠性。 ③提高了供电的经济性。 ④提高了供电的灵活性。 Page * 4.2同步发电机 4.2.7同步发电机的并联运行 1.并联条件和方法 同步发电机并联至电网的过程称为并车,也称整步。 a)灯光明暗法 b)灯光旋转法 图 4-27 三相同步发电机整步 Page * 4.2同步发电机 4.2.7同步发电机的并联运行 1.并联条件和方法 理想的并车条件: ①发电机与电网的频率相等; ②发电机与电网的电压相序相同; ③发电机与电网的电压幅值相等,波形也相同; ④发电机与电网的电压相位相同。 四个条件必须同时满足,缺一不可,否则将会在并车时出现电流冲击。并车过程可以采用灯光明暗法和灯光旋转法两种方法来实现。 Page * 4.2同步发电机 4.2.7同步发电机的并联运行 1.并联条件和方法 (2) 灯光明暗法 图 4-28 灯光明暗法电压相量图 Page * 4.2同步发电机 4.2.7同步发电机的并联运行 1.并联条件和方法 (2) 灯光旋转法 图 4-29 灯光旋转法电压相量图 Page * 条件不满足时对电机的影响 ①电机和电网之间有环流,定子绕组端部受力变形。 4.2同步发电机 4.2.7同步发电机的并联运行 ②产生拍振电流和电压,引起电机内功率振荡。 ③电机和电网之间有高次谐波环流,增加损耗,温度升高,效率降低。 ④电网和电机之间存在巨大的电位差而产生无法消除的环流,危害电机安全运行。 Page * 通常稳定运行时,同步发电机的转速保持同步转速不变,以此保证产生的交流电与电网频率相等。 4.2同步发电机 4.2.7同步发电机的并联运行 发电机的有功功率Pem与电磁转矩T成正比,而在式(4-29)中空载转矩T0不变,可以看出Pem与拖动转矩T1呈线.有功功率调节 要想调节发电机输出给电网的有功功率大小,必须相应改变原动机的拖动转矩,生产中往往通过改变汽轮机的气门、水轮机的进水量或内燃机的油门等方式实现。 Page * 发电机发出的电能并不是无限度的。 4.2同步发电机 4.2.7同步发电机的并联运行 2.有功功率调节 根据同步发电机的功角特性(如图4-25所示),在原动机输入的动力矩不受限情况下,每台发电机输出的有功功率均有上限Pemmax,一旦超过这一限定,发电机将会与电网失去同步,无法正常并联运行。 因此,发电机应尽可能工作在稳定运行区间。 Page * 4.2同步发电机 4.2.7同步发电机的并联运行 3.无功功率调节 电力网的主要负载是变压器和三相异步电动机,均是感性负载,不仅要消耗有功功率,还要从电网中吸取滞后的无功功率,使电网功率因数下降。 电网除提供有功功率外,还要提供大量滞后性的无功功率,也即组成电网的各台同步发电机需要按照负载的需求提供相应的无功功率,使得整个电网的无功功率达到平衡。 在实际操作中,往往是保持有功功率不变,通过调节励磁电流,来调节同步电动机的无功功率。下面以隐极同步发电机为例详细分析发电机的励磁调节问题。 Page * 4.2同步发电机 4.2.7同步发电机的并联运行 3.无功功率调节 设忽略定子绕组损耗,保持发电机的有功功率不变,则 式中,U1、xc均不变,因此有 (4-32) (4-31) (4-33) (4-34 ) 根据上述这些条件可绘制同步发电机的励磁调节相量图如图4-30所示。 Page * 4.2同步发电机 4.2.7同步发电机的并联运行 3.无功功率调节 图 4-30 同步发电机无功功率的调节 Page * 4.2同步发电机 4.2.7同步发电机的并联运行 3.无功功率调节 图 4-30 同步发电机无功功率的调节 (1)正常励磁 正常励磁情况下,励磁电流为If,对应的感应电动势为E0,电枢相电流I1和定子相电压U1同相位,电动机的功率因数cosj =1,无功功率为零,说明发电机机只输出有功功率,不输出无功功率。 Page * 4.2同步发电机 4.2.7同步发电机的并联运行 3.无功功率调节 图 4-30 同步发电机无功功率的调节 (2)欠励磁 欠励磁情况下,减小励磁电流为If2(If2If),即励磁电流小于正常励磁电流值时,对应的感应电动势为E02,电枢相电流I12超前于定子相电压U1,电枢反应表现为增磁效应,发电机从电网吸收滞后的无功功率。 Page * 4.2同步发电机 4.2.7同步发电机的并联运行 3.无功功率调节 图 4-30 同步发电机无功功率的调节 (3)过励磁 过励磁情况下,增大励磁电流为If1(If1If),即励磁电流大于正常励磁电流值时,对应的感应电动势为E01,电枢相电流I11滞后于定子相电压U1,电枢反应表现为去磁效应,发电机向电网发出滞后的无功功率。 Page * 4.2同步发电机 4.2.7同步发电机的并联运行 3.无功功率调节 在保持电压U1和输出有功功率Pem不变的条件下,改变励磁电流,将会得到电枢电流I1与励磁电流If之间的关系曲线=?(If),称为同步发电机的V形曲线 同步发电机的V形曲线同步发电机的并联运行 3.无功功率调节 每一个的输出有功功率对应一条V形曲线,对于每条V形曲线都有一最小值,曲线最低点的功率因数cos j =1,为正常励磁点,以此点为界,左边是欠励,右边是过励;V形曲线的左上半部分,其功率因数已超出对应于稳定极限的数值,所以为不稳定区。 图 4-31 同步发电机的V形曲线 根据V形曲线可以知道发电机的运行工况,以便对发电机进行控制。 4.3同步电动机 4.3.1同步电动机的基本工作原理 同步电动机与同步发电机组成结构完全相同,但两者工作条件和基本原理却不尽相同,因此又称同步电动机和同步发电机为同步电机的电动和发电两种运行状态。 相比于异步电动机而言,同步电动机具有转速恒定、不受负载变化的影响,功率因数可以调节,功率密度较大等优点,但其调速性能不佳,因此往往应用于诸如大型空气压缩机、轧钢系统等功率较大而调速性能要求不高的场合。 Page * 同步电动机由定子和转子组成,其工作原理示意图如图2-1所示,定、转子之间有气隙,定子内嵌互差120°的三相对称绕组AX、BY、CZ,将定子三相对称绕组接入三相对称交流电,会产生圆形旋转磁场,转子上装有励磁绕组,通入直流电后,能建立恒定磁场。 Page * 工作时定子输入三相交流电,产生旋转磁场,设为逆时针方向旋转,如图所示,转子输入直流励磁电流,产生固定磁极,则旋转磁场的磁极将转子的异性磁极吸引,使转子与旋转磁场同速旋转,这就是同步电动机的基本工作原理。 三相同步电动机工作原理示意图 4.3同步电动机 4.3.1同步电动机的基本工作原理 4.3同步电动机 4.3.2同步电动机的基本方程和相量图 由于同步电动机能量交换是在定子侧,所以将定子称为 电枢,定子绕组称为电枢绕组。 为了分析方便,假设电动机主磁路未饱和,认为磁路是线性的,且只考虑定、转子的基波磁动势。 Page * 4.3同步电动机 4.3.2同步电动机的基本方程和相量图 当同步电动机稳定运行时,转子也以同步转速n1旋转, 在励磁绕组中通入直流励磁电流If,使转子形成固定磁极,励 磁电流产生励磁磁动势F0,励磁磁动势F0与电枢磁动势Fa同 速同方向旋转,彼此在空间是相对静止的,这样在电机的主 磁路上有两个磁动势,它们相互叠加,形成了合成磁场。 当同步电动机的电枢绕组通入三相对称交流电后,就会 产生以同步转速n1旋转的三相合成基波电枢磁动势Fa。 电枢磁场(Fa)对主磁场(F0)的影响即为电枢反应。 Page * 4.3同步电动机 4.3.2同步电动机的基本方程和相量图 1.隐极同步电动机的电压方程和相量图 气隙中的合成磁动势为: 合成磁动势、主磁动势和电枢磁动势分别切割电枢绕 组,则在电枢绕组上分别产生感应电动势为: 隐极同步电动机的电磁关系如图4-33所示。 Page * (4-35) 图4-33 隐极同步电动机的电磁关系 Page * 定义:电枢磁动势对励磁磁动势的影响叫电枢反应。 4.2同步发电机 4.2.3同步发电机的负载运行和电枢反应 图4-9 负载后电机中的旋转磁动势 同步发电机空载运行时,电机磁路中只存在励磁磁动势Ff,在气隙中以同步转速n1旋转。 当发电机与外部电路接通,带三相对称负载后,将构成闭合通路,使得三相对称电枢绕组中流过三相对称交流电流。 Page * 励磁磁动势和电枢磁动势的区别 4.2同步发电机 4.2.3同步发电机的负载运行和电枢反应 基 波波 形 大 小 位 置 转 速 励 磁 磁 动 势 正 弦 波 恒定,由励磁电流决定 由转子决定 由原动机的转速决定 电 枢 磁 动 势 正 弦 波 恒定,由电枢电流决定 由电枢电流瞬时值决定 由电流的频率和极对数决定 Page * 4.2同步发电机 4.2.3同步发电机的负载运行和电枢反应 图 4-10 同步发电机时空图 电枢反应情况取决于空间矢量Fa和Ff之间的夹角,这一夹角的大小与定子A相绕组空载运行时的感应电动势E0 和A相绕组负载运行时的电流I1之间的相位差y有关。 y 称为内功率因数角,它与电机的内阻抗和外部负载的性质有关。 Page * 4.2同步发电机 4.2.3同步发电机的负载运行和电枢反应 图 4-10 同步发电机时空图 为了便于分析,将转子磁极的轴线确立为直轴,用d表示;将通过两个磁极之间,与直轴正交的轴线确立为交轴,用q表示。 Page * 4.2同步发电机 4.2.3同步发电机的负载运行和电枢反应 a)y =0o 图 4-11 用时空图分析同步发电机的电枢反应 c) y =90o b)0oy 90o f)y =180o e)y =-90o d)-90oy 0o Page * 当y角为不同值的电枢反应 位置 电枢反应性质 对电机的影响 负载性质 n(f) U y=0° q轴 交轴 波形畸变 下降 不变 R y=90° d轴 直、去 削弱 不变 下降 L y= -90° d轴 直、助 增强 不变 上升 C 0°y90° d、q轴 交、直去 削弱 下降 下降 R、L -90°y0° d、q轴 交、直助 增强 下降 上升 R、C 4.2同步发电机 4.2.3同步发电机的负载运行和电枢反应 Page * 同步发电机加负载后,定子中有三相对称的电枢电流流过,产生电枢磁动势,与励磁磁动势合成气隙磁动势,将在气隙中产生磁密波 ,以同步速旋转,切割定子绕组,在定子每相绕组中感应电动势。 4.2同步发电机 4.2.4同步发电机的基本方程和相量图 1.隐极同步发电机 在同步发电机的电枢绕组中, 除电枢磁动势Fa产生的感应电动势 Ea和Es外,还存在励磁磁动势产生的感应电动势E0,其内部的电磁关系如图4-12所示。 图4-12 同步发电机的电磁关系 Page * 采用变压器中的方法,引入电抗参数来表达电动势与电流之间的关系,即 4.2同步发电机 4.2.4同步发电机的基本方程和相量图 1.隐极同步发电机 式中,x1为电枢绕组的漏电抗,xa为电枢反应电抗。xa的大小和电枢反应气隙磁通所经过磁路的磁阻成反比,由于隐极同步发电机气隙均匀,因此xa大小不变为常数。 (4-4) (4-5) Page * 由于电枢绕组的内阻很小,往往忽略内阻上的压降,认为每相绕组的感应电动势之和即为发电机的输出端电压,用方程表示为 4.2同步发电机 4.2.4同步发电机的基本方程和相量图 1.隐极同步发电机 将式(4-4)和(4-5)代入式(4-6),可得 (4-6) (4-7) 式中,xc=xa+x1,称为隐极电机的同步电抗。同步电抗代表由电枢电流引起的总电抗,包括电枢反应电抗和电枢绕组的漏电抗两部分。为简便起见,在实际应用中,通常将这两者作为一个整体进行处理。 Page * 根据式(4-7),可得到隐极同步发电机的等效电路和相量图,如图4-13所示。 4.2同步发电机 4.2.4同步发电机的基本方程和相量图 1.隐极同步发电机 a)相量图 b)等效电路 图 4-13 隐极同步发电机的电动势相量图和等效电路 Page * 隐极电机的分析方法和结论不能直接应用于凸极电机,对此人们总结出了另一种分析方法——双反应理论。 4.2同步发电机 4.2.4同步发电机的基本方程和相量图 2.凸极同步发电机 双反应理论仍然基于磁路不饱和的前提,采用正交分解法和叠加原理,将电枢磁动势Fa分解为两个磁动势Fad和Faq。 其中Fad称为直轴电枢反应磁动势,由电枢电流的直轴分量产生,作用于直轴上,单独产生直轴电枢反应气隙磁通,并在电枢绕组中产生直轴电枢反应电动势;Faq称为交轴电枢反应磁动势,由电枢电流的交轴分量产生,作用于交轴上,单独产生交轴电枢反应气隙磁通,并在电枢绕组中产生交轴电枢反应电动势。 Page * 根据定义,同样可以用电抗参数分别表示电枢电流两个分量、与电枢反应电动势、之间的大小关系,即 4.2同步发电机 4.2.4同步发电机的基本方程和相量图 2.凸极同步发电机 式中,xad称为直轴电枢反应电抗,xaq称为交轴电枢反应电抗。 (4-8) Page * 由于直轴电枢反应气隙磁通和交轴电枢反应气隙磁通的流通路径不同,如图4-14所示。 4.2同步发电机 4.2.4同步发电机的基本方程和相量图 2.凸极同步发电机 a)直轴磁路 b)交轴磁路 图 4-14 凸极电机中电枢磁通的流通路径 Page * 总的电枢反应电动势可以表示为 4.2同步发电机 4.2.4同步发电机的基本方程和相量图 2.凸极同步发电机 (4-9) 图4-15 凸极同步发电机的电磁关系 Page * 由于电枢绕组的内阻很小,往往忽略内阻上的压降,认为每相绕组感应电动势之和即为发电机的输出端电压,用方程式(4-6)表示为 4.2同步发电机 4.2.4同步发电机的基本方程和相量图 2.凸极同步发电机 (4-10) 式中,xd=xad+x1,称为凸极电机的直轴同步电抗;xq=xaq+x1,称为凸极电机的交轴同步电抗。通常xdxq。 Page * 根据式(4-10),可得凸极同步发电机的等效电路和相量图,如图4-16所示。 4.2同步发电机 4.2.4同步发电机的基本方程和相量图 2.凸极同步发电机 a)相量图 b)等效电路 图 4-16 凸极同步发电机的电动势相量图和等效电路 Page * 同步发电机在实际单机运行条件下外部物理量之间的关系称为运行特性。 4.2同步发电机 4.2.5同步发电机的运行特性和电抗测试 主要是指同步发电机在转速保持为同步转速n1、负载功率因数cosj不变时,定子端电压U1,负载电流(也即电枢电流)I1和励磁电流If三个物理量之中保持一个恒定,其他两者之间的关系。 通常包括空载特性、短路特性、负载特性、外特性和调整特性五种基本特性。 Page * 短路特性是指发电机短路,即端电压U1=0时,电枢短路电流Ik与励磁电流If之间的关系Ik =f(If)。 4.2同步发电机 4.2.5同步发电机的运行特性和电抗测试 1.短路特性 a)短路特性 b)时空图 图 4-17 同步发电机短路运行 Page * 利用空载特性和短路特性可以求取发电机同步电抗的不饱和值。 4.2同步发电机 4.2.5同步发电机的运行特性和电抗测试 1.短路特性 对于隐极同步发电机,根据其基本方程式(4-7)可知,当负载短路时电枢绕组端电压U1=0,故存在如下电压方程式 (4-11) (4-12) 即同步电抗上的压降xcIk与空载感应电动势E0大小相等,因此同步电抗为 Page * 图4-18表示了同步电抗的简单求取方法:从短路特性中选取一个固定点,此时励磁电流为If1,对应的短路电流为Ik,再从空载特性的气隙线所对应的不饱和空载电动势E0,则同步电抗可以根据式(4-12)求得。 4.2同步发电机 4.2.5同步发电机的运行特性和电抗测试 1.短路特性 图4-18 同步电抗的求取 Page * 采用的是空载特性的气隙线,也即磁路不饱和情况下的空载特性,因此求得的是不饱和同步电抗。在实际运行中如果要求取饱和同步电抗可以采用近似处理的方法,即选取额定励磁电流IfN,求取饱和空载特性下对应的额定电压UN和短路特性下对应的短路电流IkN,则同步电抗的饱和值为UN / IkN 。 4.2同步发电机 4.2.5同步发电机的运行特性和电抗测试 1.短路特性 图4-18 同步电抗的求取 Page * 对于凸极同步发电机,短路时根据其基本方程式(4-10)可知存在如下电压方程式 4.2同步发电机 4.2.5同步发电机的运行特性和电抗测试 1.短路特性 (4-13) 则可得直轴同步电抗的不饱和值为 (4-14) 同样利用隐极电机的测试计算方法可得到凸极电机的不饱和直轴同步电抗和饱和直轴同步电抗。而其交轴同步电抗则可以利用经验求得,通常xq≈0.65xd。 Page * 负载特性是指发电机负载电流恒定,即I1=常数时,端电压U1与励磁电流If之间的关系U1=f(If)。其中,当负载功率因数为零,活塞式减压阀即cosj=0时的负载特性称为零功率因数负载特性。 4.2同步发电机 4.2.5同步发电机的运行特性和电抗测试 2.负载特性 若负载为纯电感负载,即y=90°,则Id= I1,Iq=0。电枢反应产生的只有直轴电枢反应磁动势Fad,而不存在交轴电枢反应磁动势Faq,电机的时空图如图4-19所示。 图4-19 cosj=0时同步电机时空图 Page * 可以看出,其相量的运算可以简化为代数运算,即 4.2同步发电机 4.2.5同步发电机的运行特性和电抗测试 2.负载特性 由此可知,根据电机的空载特性E0=f(If)和同步电抗值xd,可以得到同步发电机的零功率因数负载特性曲线 零功率因数特性与空载特性 Page * 取电枢电流Id=I1=IN得到此时的零功率因数负载特性曲线所示,在该曲线上取额定励磁电流IfN所对应的点C,电枢绕组端电压为UN,再从空载特性上求取IfN所对应的空载电动势E0N,根据式(4-15)即可求得同步电抗为 4.2同步发电机 4.2.5同步发电机的运行特性和电抗测试 2.负载特性 上述方法求得的是饱和同步电抗。 图 4-20 零功率因数特性与空载特性 (4-16) Page * 如要进一步求取电枢绕组的漏电抗,须如图4-20将零功率因数负载特性与横轴的交点C处的励磁电流If分为两部分:一部分对应于图中的OB段,它产生漏磁电动势,用以平衡电枢绕组漏电抗上的压降x1Id(对应于图中的AB段);另一部分对应于图中的BC段,它产生直轴电枢反应电动势,用以平衡直轴电枢反应电抗上的压降xadId。 4.2同步发电机 4.2.5同步发电机的运行特性和电抗测试 2.负载特性 图 4-20 零功率因数特性与空载特性 Page * 根据这一定义可见,△ABC中的BC边和AB边的长度均与电枢电流Id成正比,如果Id一定,则△ABC固定,称为同步发电机的特性三角形。显然如果知道AB段长度,则可以求得漏电抗x1。 4.2同步发电机 4.2.5同步发电机的运行特性和电抗测试 2.负载特性 图 4-20 零功率因数特性与空载特性 Page * 在额定电压UN处作一条水平线与零功率因数负载特性曲线相交于C,截取线段O C=OC,过O作OA的平行线与空载特性曲线相交于A,过A作A B垂直于O C,并相交于B,则△A B C与△ABC完全相同,即为特性三角形,测量线段A B的长度求取电枢绕组的漏电抗为 4.2同步发电机 4.2.5同步发电机的运行特性和电抗测试 2.负载特性 图 4-20 零功率因数特性与空载特性 (4-16) Page * 外特性又称电压调整特性,是指发电机励磁电流恒定,即If=常数时,端电压U1与负载电流I1之间的关系U1=f(I1)。 4.2同步发电机 4.2.5同步发电机的运行特性和电抗测试 3.外特性 负载性质不同,则外特性曲线也将不同。 发电机带纯电阻负载时,负载电流I1与端电压U1同相,但由于电机自身为感性,y为滞后,即电枢反应起去磁作用,使得端电压随电枢电流的增大而下降。 发电机带纯电感负载时,I1滞后U1于90°,电枢反应几乎完全起去磁作用,使得端电压随电枢电流的增大大幅下降,另外电枢电流增大时,漏电抗上的压降增大,将导致端电压进一步下降。 Page * 发电机带纯电容负载时,I1超前U1于90°,电枢反应几乎完全起增磁作用,使得端电压随电枢电流的增大上升。 4.2同步发电机 4.2.5同步发电机的运行特性和电抗测试 3.外特性 图4-21给出了不同负载情况下的外特性曲线 同步发电机外特性曲线 Page * 在外特性中,如果保持电机额定运行时的励磁电流和转速不变,即U1=UN,I1=IN,n=n1,If=IfN,cosj=cosjN,将发电机完全卸载,发电机的端电压将变为空载下的感应电动势E0,此时电压的变化值与额定电压的比值称为电压调整率,通常用百分比表示为 4.2同步发电机 4.2.5同步发电机的运行特性和电抗测试 3.外特性 (4-17) Page * 调整特性是指发电机端电压恒定,即U1=常数时,励磁电流If与负载电流I1之间的关系If=f(I1)。 4.2同步发电机 4.2.5同步发电机的运行特性和电抗测试 4.调整特性 负载性质不同,则调整特性曲线给出了不同负载情况下的调整特性曲线 同步发电机的调整特性 尚辅网 / 电机学 陈亚爱 周京华主编 梅 杨 温春雪参编 李正熙主审 Page * 本课程的章节和内容 绪 论 第1章 变压器 第2章 交流电机基础 第3章 异步电动机 第4章 同步电机 第5章 直流电机 第6章 风力发电机 Page * 第 4 章 同步电机 Page * 本章内容 4.1 同步电机的分类、 结构、励磁和铭牌数据 4.2 同步发电机 4.3 同步电动机 4.4 其他同步电机 本章教学基本要求 1.了解同步发电机和同步电动机的基本工作原理、主要结构、励磁方式和铭牌数据。 2.通过同步发电机的空载和负载运行分析,掌握负载运行下三相同步发电 机的基本方程、等效电路和相量图。深入理解不同运行状态下同步发电 机内部的电磁关系和运行特性,掌握同步电机电抗参数的测定方法。 3.了解同步发电机的并联运行条件和方法 4.掌握三相同步电动机的基本方程、等效电路和相量图。熟悉同步电动机 的功角特性和励磁调节,活塞式减压阀了解同步电动机的起动方法。 Page * 5.了解永磁同步电机、同步补偿机的基本原理和用途。 本章教学基本要求 1.掌握三相同步电机的基本方程、等效电路和相量图。 2.熟悉同步发电机的空载特性、短路特性和外特性。 3.掌握同步电动机的功角特性和励磁调节。 重点: Page * Page * 提问 同步电机做发电机运行时,其作用是将机械能 转换为电能输送到电网。 同步电机也是一种实现机械能与电能相互转换的旋转电气设备。 同步电机做电动机运行时,其作用是将电能转 换为机械能拖动负载运行。 Page * 同步电机的分类 4.1同步电机的分类、 结构、励磁和铭牌 Page * 4.1同步电机的分类、 结构、励磁和铭牌 同步电机用途 同步电机主要用作发电机运行,把机械能转化成电 能。向电网发出交流电,是同步电机最主要的运行方式 同步电动机可以通过调节励磁电流来改善电网的功率 因数。在不要求调速的场合,应用大型同步电动机可以提 高运行效率。近年来,小型同步电动机在变频调速系统中 开始得到较多地应用。 同步补偿机实际是一台接在交流电网上空载的同步电动 机,电机不带任何机械负载,靠调节转子中的励磁电流向电 网发出所需的感性或者容性无功功率,以达到改善电网功率 因数或者调节电网电压的目。 Page * 4.1.1同步电机的基本结构和铭牌数据 4.1同步电机的分类、 结构、励磁和铭牌 1.基本结构 Page * 4.1.1同步电机的基本结构和铭牌数据 4.1同步电机的分类、 结构、励磁和铭牌 1.基本结构 Page * 4.1.1同步电机的基本结构和铭牌数据 4.1同步电机的分类、 结构、励磁和铭牌 1.基本结构 a)凸极式 b)隐极式 图4-1同步电机转子结构 Page * 4.1.1同步电机的基本结构和铭牌数据 4.1同步电机的分类、 结构、励磁和铭牌 1.基本结构 4-2凸极式转子 Page * 4.1.1同步电机的基本结构和铭牌数据 4.1同步电机的分类、 结构、励磁和铭牌 1.基本结构 凸极式特点: 有明显凸出的成对磁极,故称凸极。由于转子表面凹凸不一,因此气隙不均匀。转子铁心短粗,适用于转速低于1000r/min,极对数p≥3的电机。 Page * 4.1.1同步电机的基本结构和铭牌数据 4.1同步电机的分类、 结构、励磁和铭牌 1.基本结构 凸极式特点: 在有些电机磁极的极靴表面上开有多个槽,槽内放入铜条,并用端环将所有铜条连接在一起,形成短路的绕组,称为阻尼绕组,如图4-2所示,用以抑制短路电流和减弱电机振荡,并作为电动机运行状态下的起动绕组。 4-2凸极式转子 Page * 4.1.1同步电机的基本结构和铭牌数据 4.1同步电机的分类、 结构、励磁和铭牌 1.基本结构 隐极式特点: 无明显凸出的磁极,故称隐极。由图可见,沿转子铁心圆周外表面开有许多槽,称为小齿,槽内嵌放励磁绕组;而在磁极的中心部分约1/3表面不开槽,称为大齿。 由于转子表面成光滑的圆柱体,因此气隙均匀。转子铁心长细,适用于转速高于1500r/min,极对数p≤2的电机。 Page * ①额定功率PN:在额定运行时电机输出的有功功率。对于发电机而言,是指其电枢输出端的有功功率。对于电动机而言,是指其轴上输出的机械功率,单位为kW; 4.1同步电机的分类、 结构、励磁和铭牌 4.1.1同步电机的基本结构和铭牌数据 2.名牌数据 ②额定容量SN:主要是针对同步发电机。在额定运行时发电机电枢输出端的视在功率,单位为kVA。同步补偿机单位则用kvar表示; ③额定电压UN:额定运行时电枢绕组输出端的线电压的有效值,单位为V; ⑤额定功率因数cosjN:额定运行时电枢绕组侧的功率因数; ④额定电流IN:额定运行时流过电枢绕组的线电流的有效值,单位为A; Page * ⑥额定频率fN:额定运行时电枢绕组输出端电能的频率,单位为Hz,我国规定的标准工频为50Hz; 4.1同步电机的分类、 结构、励磁和铭牌 4.1.1同步电机的基本结构和铭牌数据 2.名牌数据 ⑦额定效率hN:额定运行时的效率,即额定功率与额定输入功率的比值。对于发电机而言,是指其电枢输出端的有功功率与轴上输入的机械功率的比值。对于电动机而言,是指其轴上输出的机械功率与电枢输入端的有功功率的比值; ⑧额定转速nN:额定运行时的电机转速,也是与额定频率相对应的同步转速,单位为r/min; ⑨额定励磁电压UfN:额定运行时励磁绕组上的直流电压,单位为V; ⑩额定励磁电流IfN:额定运行时励磁绕组上的直流电流,单位为A。 Page * 4.1同步电机的分类、 结构、励磁和铭牌 4.1.1同步电机的基本结构和铭牌数据 2.名牌数据 同步发电机: (4-1) 同步电动机: (4-2) Page * 4.1同步电机的分类、 结构、励磁和铭牌 4.1.2同步电机的励磁方式 1.电励磁方式的他励 图 4-3 直流励磁机励磁系统 (1)直流发电机供电的励磁方式 Page * 图4-4 无副励磁机的无刷励磁机电路 4.1同步电机的分类、 结构、励磁和铭牌 4.1.2同步电机的励磁方式 1.电励磁方式的他励 (2)交流发电机供电的励磁方式 Page * 图4-5 有副励磁机的无刷励磁系统电路图 4.1同步电机的分类、 结构、励磁和铭牌 4.1.2同步电机的励磁方式 1.电励磁方式的他励 (2)交流发电机供电的励磁方式 Page * 自复励磁方式除设有变压整流环节外,还在发电机定子回路上串联大功率电流互感器,以补偿发生短路故障时,变压器整流输出的不足。 4.1同步电机的分类、 结构、励磁和铭牌 4.1.2同步电机的励磁方式 2.电励磁方式的自励 (1)自并励方式 自并励方式是将发电机的输出电压经过励磁变压器和整流器两个环节变换成直流电后输送给发电机的励磁绕组,该方式结构简单,设备少,维护简单。 (2)自复励方式 Page * 面装式转子 插入式转子 径向充磁 横向充磁 4.1同步电机的分类、 结构、励磁和铭牌 4.1.2同步电机的励磁方式 3.永磁励磁方式 Page * 4.2同步发电机 4.2.1同步发电机的基本工作原理 图4-6 同步电机结构模型 图4-6所示为一简化的同步发电机模型示意图,电机转子上装有励磁绕组,通入直流电后将产生恒定磁场,电流和磁场方向满足右手螺旋定则,如图中所示。 原动机拖动转子沿逆时针方向匀速旋转,磁场也随之一同旋转,定子上嵌放互差120°的三相对称绕组AX、BY、CZ保持静止,而相对磁场运动。根据电磁感应原理,三相绕组中将产生感应电动势。 Page * 4.2同步发电机 4.2.1同步发电机的基本工作原理 a)0° b)180° 图4-6 同步电机结构模型 电动势方向可以用右手定则确定,例如图4-6a所示绕组AX中的感应电动势瞬时方向为X入A出; 当转子转过180°之后,由于磁场方向发生变化,定子绕组上的感应电动势方向相应改变,如图4-6b所示,绕组AX中的感应电动势瞬时方向为A入X出; 如果转子继续旋转至360°则又恢复最初的状态,即图4-6a所示。 Page * 4.2同步发电机 4.2.1同步发电机的基本工作原理 由于电机的转子磁极总是成对交替出现,因此绕组每经过一对磁极,感应电动势的方向将交变一次。 如果电机转子有p对磁极,则转子每旋转一周,定子绕组中的感应电动势方向将变化p次,也即对应交流输出了p个周期。 可以得到同步发电机的转速n1与其感应电动势频率f之间严格满足如下关系,即 (4-3) 同步发电机大多用来并联运行构成交流电网,而电网频率固定,故发电机产生感应电动势的频率应等于电网频率。在我国电网频率规定为50Hz。 Page * (1)隐极机 气隙均匀,当铁心不饱和时,气隙磁密与磁动势成正比,基波磁动势产生正弦波磁密,再不考虑磁铁的磁滞涡流效应下,磁密波的相位和磁动势波的相位相同。 (2)凸极机 气隙不均匀,即使铁心不饱和,气隙中产生的磁密大小与磁动势大小不成正比,正弦的基波励磁磁动势产生的磁密波是非正弦分布的,磁密波还要分解基波和一系列谐波,基波磁密和基波磁动势仍然同相位。 4.2同步发电机 4.2.2同步发电机的空载运行 1.气隙磁通密度分布 Page * 4.2同步发电机 4.2.2同步发电机的空载运行 1.气隙磁通密度分布 a)凸极电机 b)隐极电机 图4-7 同步电机的空载气隙磁场 Page * 同步发电机的空载特性是指原动机的转速n=n1,电枢端开路,即I1=0时,电枢回路的感应电动势与励磁电流之间的关系,即E0=f(If)。 4.2同步发电机 4.2.2同步发电机的空载运行 2.空载特性 由于电枢感应电动势E0的大小与转子每极磁通Ff成正比(在单位面积下也正比于磁通密度Bf),而励磁电流If的大小与励磁磁动势Ff成正比,因此空载特性与电机磁路上的磁化曲线具有类似的变化规律,如图4-8所示。 图4-8 同步发电机的空载特性 Page * 当励磁电流较小时,磁通较小,感应电动势正比于励磁电流,即图4-8中所示的直线段,其延长后的射线=f(If)。 通常,设计电机时为了合理利用材料,往往将空载额定电压设计在空载特性的弯曲处,即图4-8中所示的c点。 4.2同步发电机 4.2.2同步发电机的空载运行 2.空载特性 由于电机的铁心磁路具有饱和性,因此随着励磁电流的增大,磁路逐渐饱和,磁化曲线进入饱和段,因此空载特性从直线段发生了弯曲,不再呈线 同步发电机的空载特性

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