發(fā)電機(jī)講義(勵磁方式部分)

1、5.2同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性空載特性、短路特性、外特性 5.3同步發(fā)電機(jī)的并列方法定速、升壓、并網(wǎng)前準(zhǔn)備、準(zhǔn)同期并網(wǎng)。5.4同步發(fā)電機(jī)的功角特性有功調(diào)節(jié)、無功調(diào)節(jié)、靜態(tài)穩(wěn)定性、V形曲線、發(fā)電機(jī)的 PQ運(yùn)行曲線5.5同步發(fā)電機(jī)的故障分析突然短路、不對稱運(yùn)行、失磁、失步、震蕩同步電機(jī)原理和結(jié)構(gòu)同步電機(jī)原理簡述結(jié)構(gòu)模型同步發(fā)電機(jī)和其它類型的旋轉(zhuǎn)電機(jī)一樣，由固定的定子和可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子兩大局部組成。一般分為轉(zhuǎn)場式 同步電機(jī)和轉(zhuǎn)樞式同步電機(jī)。圖15.1給岀了最常用的轉(zhuǎn)場式同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)模型，其定子鐵心的內(nèi)圓均勻分布著定子槽，槽內(nèi)嵌放著按一定規(guī)律排列的三相對稱交流繞組。這種同步電機(jī)的定子又稱為電樞，定子鐵心和

2、繞組又稱為電樞鐵心和電樞繞組。轉(zhuǎn)子鐵心上裝有制成一定形狀的成對磁極，磁極上繞有勵磁繞組，通以直流電流時，將會在電機(jī)的氣隙 中形成極性相間的分布磁場，稱為勵磁磁場也稱主磁場、轉(zhuǎn)子磁場 。氣隙處于電樞內(nèi)圓和轉(zhuǎn)子磁極之間，氣隙層的厚度和形狀對電機(jī)內(nèi)部磁場的分布和同步電機(jī)的性能有重 大影響。除了轉(zhuǎn)場式同步電機(jī)外 ，還有轉(zhuǎn)樞式同步電機(jī)，其磁極安裝于定子上，而交流繞組分布于轉(zhuǎn)子外表的槽 內(nèi)，這種同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子充當(dāng)了電樞。圖中用AX、BY、CZ三個在空間錯開120電角度分布的線圈代表三相對稱交流繞組。E1 15,1同步電機(jī)結(jié)構(gòu)彳理工作原理主磁場的建立：勵磁繞組通以直流勵磁電流，建立極性相間的勵磁磁場，即建立

3、起主磁場。載流導(dǎo)體：三相對稱的電樞繞組充當(dāng)功率繞組，成為感應(yīng)電勢或者感應(yīng)電流的載體。切割運(yùn)動：原動機(jī)拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)給電機(jī)輸入機(jī)械能，極性相間的勵磁磁場隨軸一起旋轉(zhuǎn)并順次切割 定子各相繞組相當(dāng)于繞組的導(dǎo)體反向切割勵磁磁場。交變電勢的產(chǎn)生：由于電樞繞組與主磁場之間的相對切割運(yùn)動，電樞繞組中將會感應(yīng)出大小和方向按周期性變化的三相對稱交變電勢。通過引岀線，即可提供交流電源。& *.44亟應(yīng)感應(yīng)電勢有效值：由第 11章可知，每相感應(yīng)電勢的有效值為 (15.1)感應(yīng)電勢 頻率：感應(yīng)電勢的頻率決定于同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速n和極對數(shù)p，即-(15.2)交變性與對稱性：由于旋轉(zhuǎn)磁場極性相間，使得感應(yīng)電勢的極性交變

4、；由于電樞繞組的對稱性，保證了 感應(yīng)電勢的三相對稱性。同步轉(zhuǎn)速同步轉(zhuǎn)速 從供電品質(zhì)考慮，由眾多同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)構(gòu)成的交流電網(wǎng)的頻率應(yīng)該是一個不變的值，這就要求發(fā)電機(jī)的頻率應(yīng)該和電網(wǎng)的頻率一致。我國電網(wǎng)的頻率為50Hz，故有：3000(15.3)要使得發(fā)電機(jī)供應(yīng)電網(wǎng)50Hz的工頻電能，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速必須為某些固定值，這些固定值稱為同步轉(zhuǎn)速。例如2極電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為 3000r/min ,4極電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為1500r/min，依次類推。只有運(yùn)行于同步轉(zhuǎn)速，同步電機(jī)才能正常運(yùn)行，這也是同步電機(jī)名稱的由來。同步電機(jī)的主要運(yùn)行方式有三種，即作為發(fā)電機(jī)、電動機(jī)和補(bǔ)償機(jī)運(yùn)行。作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行是同步電機(jī)最主要的運(yùn)

5、行方式，作為電動機(jī)運(yùn)行是同步電機(jī)的另一種重要的運(yùn)行方式。同步電動機(jī)的功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)，在不要求調(diào)速的場合，應(yīng)用大型同步電動機(jī)可以提高運(yùn)行效率。近年來，小型同步電動機(jī)在變頻調(diào)速系統(tǒng)中開始得到 較多地應(yīng)用。同步電機(jī)還可以接于電網(wǎng)作為同步補(bǔ)償機(jī)。這時電機(jī)不帶任何機(jī)械負(fù)載，靠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子中的勵磁電流向電網(wǎng)發(fā)岀所需的感性或者容性無功功率，以到達(dá)改善電網(wǎng)功率因數(shù)或者調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓的目的。隱極式轉(zhuǎn)子隱極式轉(zhuǎn)子上沒有凸出的磁極，如圖15.2b所示。沿著轉(zhuǎn)子本體圓周外表上，開有許多槽，這些槽中嵌放著勵磁繞組。在轉(zhuǎn)子外表約1/3局部沒有開槽，構(gòu)成所謂大齒，是磁極的中心區(qū)。勵磁繞組通入勵磁電流后，沿轉(zhuǎn)子圓周也會出現(xiàn) N極

6、和S極。在大容量高轉(zhuǎn)速汽輪發(fā)電機(jī)中，轉(zhuǎn)子圓周線速度極高，最大可達(dá)170米/秒。為了減小轉(zhuǎn)子本體及轉(zhuǎn)子上的各部件所承受的巨大離心力，大型汽輪發(fā)電機(jī)都做成細(xì)長的隱極式圓柱體轉(zhuǎn)子?？紤]到轉(zhuǎn)子冷卻和強(qiáng)度方面的要求，隱極式轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和加工工藝較為復(fù)雜。1U15.4隱極式同步電機(jī)凸極式轉(zhuǎn)子凸極式轉(zhuǎn)子上有明顯凸出的成對磁極和勵磁線圈，如圖15.3所示。當(dāng)勵磁線圈中通過直流勵磁電流后，每個磁極就出現(xiàn)一定的極性，相鄰磁極交替為N極和S極。對水輪發(fā)電機(jī)來說，由于水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速較低，要發(fā)出工頻電能，發(fā)電機(jī)的極數(shù)就比擬多，做成凸極式結(jié)構(gòu)工藝上較為簡單。另外，中小型同步電機(jī)多半也做成凸極 式。圖15 3凸扱式同步電機(jī)汽輪

7、發(fā)電機(jī)定子大體上與異步電機(jī)相同，定子鐵心由0.35mm,0.5mm或其它厚度的電工鋼片疊成。定子外徑較小時，采用圓形沖片，當(dāng)定子外徑大于1m時，采用扇形沖片。定子鐵心固定在機(jī)座上，機(jī)座常由鋼板焊接而成，它必須有足夠的強(qiáng)度和剛度，同時還必須滿足通風(fēng)和散熱的需要。汽輪發(fā)電機(jī)的電壓較高，要求定子繞組有足夠的絕 緣強(qiáng)度，一般采用 B級或F級絕緣。 為了減少高速旋轉(zhuǎn)引起的離心力，一般采用隱極式轉(zhuǎn)子，其外形常做 成一個細(xì)長的圓柱體。轉(zhuǎn)子鐵心外表圓周上銑有許多槽，勵磁繞組嵌放在這些槽內(nèi)。勵磁繞組為同心式繞組,以銅線繞制，并用不導(dǎo)磁的槽楔將繞組緊固在槽內(nèi)。水輪發(fā)電機(jī)水輪發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)是：極數(shù)多，直徑大，軸向長度

8、短，整個轉(zhuǎn)子在外形上與汽輪發(fā)電機(jī)大不相同。大多數(shù)水輪 發(fā)電機(jī)為立式。水輪發(fā)電機(jī)的直徑很大，定子鐵心由扇形電工鋼片拼裝疊成。為了散熱的需要，定子鐵心中留 有徑向通風(fēng)溝。轉(zhuǎn)子磁極由厚度為12mm的鋼片疊成；磁極兩端有磁極壓板，用來壓緊磁極沖片和固定磁極繞組。有些發(fā)電機(jī)磁極的極靴上開有一些槽，槽內(nèi)放上銅條，并用端環(huán)將所有銅條連在一起構(gòu)成阻尼繞組，其 作用是用來擬制短路電流和減弱電機(jī)振蕩，在電動機(jī)中作為起動繞組用。磁極與磁極軛部采用T形或鴿尾形連接，如圖15.4所示。勵磁方式簡介獲得勵磁電流的方法稱為勵磁方式。 目前采用的勵磁方式分為兩大類：一類是用直流發(fā)電機(jī)作為勵磁電源的直流勵磁機(jī)勵磁系統(tǒng)；另一類是

9、用硅整流裝置將交流轉(zhuǎn)化成直流后供應(yīng)勵磁的整流器勵磁系統(tǒng)?，F(xiàn)說明如下：1直流勵磁機(jī)勵磁 直流勵磁機(jī)通常與同步發(fā)電機(jī)同軸，采用并勵或者他勵接法。采用他勵接法時，勵磁機(jī)15.5所示。的勵磁電流由另一臺被稱為副勵磁機(jī)的同軸的直流發(fā)電機(jī)供應(yīng)。如圖副勵盅機(jī)主勵磁機(jī)圖15.5直疣勵磁機(jī)勵磁2靜止整流器勵磁同一軸上有三臺交流發(fā)電機(jī)，即主發(fā)電機(jī)、交流主勵磁機(jī)和交流副勵磁機(jī)。副勵磁機(jī)的勵磁電流開始時由外部直流電源提供，待電壓建立起來后再轉(zhuǎn)為自勵有時采用永磁發(fā)電機(jī)。副勵磁機(jī)的輸岀電流經(jīng)過靜止晶閘管整流器整流后供應(yīng)主勵磁機(jī)，而主勵磁機(jī)的交流輸出電流經(jīng)過靜止的三相橋式硅整流器整流后供應(yīng)主發(fā)電機(jī)的勵磁繞組。見圖15.6交

10、流副勵礙機(jī)交流主勵磁機(jī)目勵 壓器嚴(yán)盧r日曰閘管主發(fā)電機(jī)電流互感盟圖156靜止整流器勵毬紊紙3旋轉(zhuǎn)整流器勵磁 靜止整流器的直流輸出必須經(jīng)過電刷和集電環(huán)才能輸送到旋轉(zhuǎn)的勵磁繞組，對于大容量的 同步發(fā)電機(jī)，其勵磁電流到達(dá)數(shù)千安培，使得集電環(huán)嚴(yán)重過熱。因此，在大容量的同步發(fā)電機(jī)中，常采用不需 要電刷和集電環(huán)的旋轉(zhuǎn)整流器勵磁系統(tǒng)，如圖15.7所示。主勵磁機(jī)是旋轉(zhuǎn)電樞式三相同步發(fā)電機(jī)，旋轉(zhuǎn)電樞的交流電流經(jīng)與主軸一起旋轉(zhuǎn)的硅整流器整流后，直接送到主發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵磁繞組。交流主勵磁機(jī)的勵磁電流由同軸的交流副勵磁機(jī)經(jīng)靜止的晶閘管整流器整流后供應(yīng)。由于這種勵磁系統(tǒng)取消了集電環(huán)和電刷裝置，故又稱為無刷勵磁系統(tǒng)。r

11、“ 1電壓調(diào)整器施轉(zhuǎn)局部I主勵磁機(jī)晶閘管整流器住電機(jī)電毓互感器_0IE電壓互感器E 1；,7旌轉(zhuǎn)整瀟器勵磁耒統(tǒng)國產(chǎn)同步電機(jī)型號我國生產(chǎn)的汽輪發(fā)電機(jī)有QFQ QFN QFS等系列，前兩個字母表示汽輪發(fā)電機(jī)；第三個字母表示冷卻方式，Q表示氫外冷，N表示氫內(nèi)冷，S表示雙水內(nèi)冷。我國生產(chǎn)的大型水輪發(fā)電機(jī)為TS系列，T表示同步，S表示水輪。舉例來說：QFS-300-2表示容量為 300MW雙水內(nèi)冷2極汽輪發(fā)電機(jī)。TSS1264/160-48表示雙水內(nèi)冷水輪 發(fā)電機(jī)，定子外徑為 1264厘米，鐵心長為160厘米，極數(shù)為48o此外同步電動機(jī)系列有 TD TDL等，TD表 示同步電動機(jī)，后面的字母指岀其主要用

12、途。如TDG表示高速同步電動機(jī)；TDL表示立式同步電動機(jī)。同步補(bǔ)償機(jī)為TT系列。額定值同步電機(jī)的額定值有：額定容量VA,kVA,MVA等或額定功率 PN，W,kW,MW等：指電機(jī)輸岀功率的保證值。發(fā)電機(jī)通過額定容量值可以確定電樞定子/勵磁電流，通過額定功率可以確定配套原動機(jī)的容量。電動機(jī)的額定容量一般用kW數(shù)表示，補(bǔ)償機(jī)那么用 kVAR表示。額定電壓'' V,kV等：指額定運(yùn)行時定子輸岀端的線電壓。額定電流-A:指額定運(yùn)行時定子的線電流。額定功率因數(shù). "':額定運(yùn)行時電機(jī)的功率因數(shù)。額定頻率一"：額定運(yùn)行時電機(jī)電樞輸出端電能的頻率，我國標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)頻率

13、規(guī)定為50Hz。額定轉(zhuǎn)速：額定運(yùn)行時電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即同步轉(zhuǎn)速。除上述額定值外，同步電機(jī)名牌上還常列岀一些其它的運(yùn)行數(shù)據(jù)，例如額定負(fù)載時的溫升、勵磁容量丁和勵磁電壓'''等。當(dāng)原動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)在同步轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，勵磁繞組通過適當(dāng)?shù)膭畲烹娏?，電樞繞組不帶任何負(fù)載時的運(yùn)行情況,稱為空載運(yùn)行?？蛰d運(yùn)行是同步發(fā)電機(jī)最簡單的運(yùn)行方式，其氣隙磁場由轉(zhuǎn)子磁勢單獨(dú)建立，分析較為簡單。空載氣隙磁場對于凸極發(fā)電機(jī)來說，由于定轉(zhuǎn)子間的氣隙沿整個電樞圓周分布不均勻，極面下氣隙較小，而極間氣隙較大， 極面下的磁阻較小，而極間磁阻很大，而且在同一個極面下，在一個極的范圍內(nèi)氣隙徑向磁通密度的分布近似 于平

14、頂?shù)拿毙?。極靴以外的氣隙磁通密度減少很快，相鄰兩極中線上的磁通密度為零。氣隙磁密可以用付立葉 諧波分析的方法分解岀空間基波和一系列諧波。圖中畫岀了基波波形。通常將極靴的極弧半徑做成小于定子的內(nèi)圓半徑，而且兩圓弧的圓心不重合(稱為偏心氣隙)，從而形成極弧中心處的氣隙最小，沿極弧中心線兩側(cè)方向氣隙逐漸增大，這樣可以使得氣隙磁通密度的分布較接近正弦波形。隱極電機(jī)的勵磁繞組嵌埋于轉(zhuǎn)子槽內(nèi)，沿轉(zhuǎn)子圓周氣隙可視為是均勻的。勵磁磁勢在空間的分布為一個階梯形，受齒槽的影響，氣隙磁密呈現(xiàn)岀波動變化。用諧波分析法可求岀其基波分量，如圖16.1 (b)所示。合理地選擇大齒的寬度可以使氣隙磁密的分布接近正弦波。在本書

15、以后的分析中，如無特殊說明，僅考慮磁通密度的基波 分量。圖 15.1(b)感應(yīng)電勢的波形和大小與氣隙磁密的分布形狀及幅值大小緊密相關(guān)，在設(shè)計(jì)和制造電機(jī)時，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧?以獲得盡可能接近正弦分布的氣隙磁密，從而得到品質(zhì)較高的感應(yīng)電勢。在本課程以后的分析中，我們僅考慮 感應(yīng)電勢的基波分量?？蛰d特性團(tuán)16.2同歩發(fā)電機(jī)的空載特性當(dāng)空載運(yùn)行時，勵磁電勢隨勵磁電流變化的關(guān)系稱為同步發(fā)電機(jī)的空載特性。勵磁電勢的大小有效值與轉(zhuǎn)子每極磁通成正比，而勵磁電流的大小又和作用于同步電機(jī)磁路上的勵磁磁勢正比例變化，所以空載特性與電機(jī)磁路的磁化曲線具有類似的變化規(guī)律。如圖16.2所示。由圖可見，當(dāng)勵磁電流較小時，由

16、于磁通較小，電機(jī)磁路沒有飽和，空載特性呈直線將其延長后的射線稱為學(xué)習(xí)文檔僅供參考?xì)庀毒€。隨著勵磁電流的增大，磁路逐漸飽和，磁化曲線開始進(jìn)入飽和段。為了合理地利用材料，空載額定 電壓一般設(shè)計(jì)在空載特性的彎曲處，如圖中的c點(diǎn)?？蛰d特性可以通過計(jì)算或試驗(yàn)得到。 試驗(yàn)測定的方法與直流發(fā)電機(jī)類似。 同步電機(jī)的空載特性也常用標(biāo)么值表 示，空載電勢以額定電壓為基值，取 時的勵磁電流稱為額定勵磁電流為勵磁電流的基值。用標(biāo)么值表示的 空載特性具有典型性，不管電機(jī)容量的大小，電壓的上下，其空載特性彼此非常接近?？蛰d特性在同步發(fā)電機(jī)理論中有著重要作用： 將設(shè)計(jì)好的電機(jī)的空載特性與表16-1中的數(shù)據(jù)相比擬,如果兩者接

17、近，說明電機(jī)設(shè)計(jì)合理，反之，那么說明該電機(jī)的磁路過于飽和或者材料沒有充分利用?？蛰d特性 結(jié)合短路特性在后面介紹可以求取同步電機(jī)的參數(shù)。發(fā)電廠通過測取空載特性來判斷三相繞組的對稱性 以及勵磁系統(tǒng)的故障。同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行和電樞反響分析負(fù)載后磁勢分析，它在電樞繞組中感應(yīng)岀三相對稱交流空載時，同步電機(jī)中只有一個以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的勵磁磁勢電勢'，稱為勵磁電勢當(dāng)電樞繞組接上三相對稱負(fù)載后，電樞繞組和負(fù)載一起構(gòu)成閉合通路，通路中流過的是三相對稱的交流電流，我們知道，當(dāng)三相對稱電流流過三相對稱繞組時，將會形成一個以同步速度旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁勢。由此可見，負(fù)載以后同步電機(jī)內(nèi)部將會產(chǎn)生又一個旋轉(zhuǎn)磁勢電樞旋轉(zhuǎn)磁勢

18、。 因此，同步發(fā)電機(jī)接上三相對稱負(fù)載以后，電機(jī)中除了隨軸同轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁勢L 稱為機(jī)械旋轉(zhuǎn)磁勢夕卜，又多了一個電樞旋轉(zhuǎn)磁勢稱為電氣旋轉(zhuǎn)磁勢。 參看異步電機(jī)篇的介紹，不難證明這兩個旋轉(zhuǎn)磁勢的轉(zhuǎn)速均為同步速，而且轉(zhuǎn)向一致，二者在空 間處于相對靜止?fàn)顟B(tài)，可以用矢量加法將其合成為一個合成磁勢'。 氣隙磁場.'可以看成是由合成磁勢'在電機(jī)的氣隙中建立起來的磁場也是以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場?？梢娡桨l(fā)電機(jī)負(fù)載以后，電機(jī)內(nèi)部的磁勢和磁場將發(fā)生顯著變化，這一變化主要由電樞磁勢的出現(xiàn)所致。圖16.3負(fù)載后電機(jī)中的旄轉(zhuǎn)陋垮電樞反響電樞磁勢的存在，將使氣隙磁場的大小和位置發(fā)生變化，我們把這一現(xiàn)象

19、稱為電樞反響。電樞反響會對 電機(jī)性能產(chǎn)生重大影響。F電樞反響的情況決定于空間相量"和1之間的夾角，而這一夾角又和時間相量E0和la之間的相位差相關(guān)連。稱為內(nèi)功率因數(shù)角，其大小由負(fù)載的性質(zhì)決定。時空相量圖：如圖16.4所示的瞬間，A相繞組中感應(yīng)電勢1到達(dá)最大值，此時如果=0，即A相電流7 和"同相位，那么亦到達(dá)最大值。A相線圈的軸線重合?？臻g相量的軸線位的軸線和A相繞組軸線的由異步電機(jī)篇的介紹可知，電樞磁勢三相合成磁勢八的軸線在此瞬間將和1ij* 一般情況下，時間相量滯后或超前于-'時間相量電角度時,置也滯后或超前于A相繞組的軸線電角度。即二和'在時間上的相位

20、差等于： 空間角度差。以上結(jié)論雖然是在一個特殊的瞬間磁極軸線和 A相繞組軸線正交時得岀的，由于P '和'同速Fa同步旋轉(zhuǎn)，故在負(fù)載一定的情況下，和的空間相位差等于 90+電角度。為了分析方便，人們常將時間相量“' ,U和空間相量'',-畫一起構(gòu)成所謂的時空相量圖見圖16.4。在時空相量圖中1和Ff 處于磁極軸線方向，稱為直軸，用d表示重合，滯后于11 直90°電角度處于相鄰一對磁極的中性線位置，稱為交軸，用q表示， 和之間的相位差由負(fù)載性質(zhì) 決定，和-重合。 利用時空相量圖圖16.5，可以方便地分析不同負(fù)載情況時同步發(fā)電機(jī)電樞反響的 情況。=0

21、或者180度此時. 和Ff之間的夾角為 90度或者270度，即二者正交，轉(zhuǎn)子磁勢作用在直軸上，而電樞磁勢作用在交 軸上，電樞反響的結(jié)果使得合成磁勢的軸線位置產(chǎn)生一定的偏移，幅值發(fā)生一定的變化。這種作用在交軸上的 電樞反響稱為交軸電樞反響，簡稱交磁作用。=90此時了與.之間的夾角為180度，即二者反相，轉(zhuǎn)子磁勢和電樞磁勢一同作用在直軸上，方向相反，電樞反響為純?nèi)ゴ抛饔?，合成磁勢的幅值減小，這一電樞反響稱為直軸去磁電樞反響此時'與'j之間的夾角為0 ，即二者同相，轉(zhuǎn)子磁勢和電樞磁勢一同作用在直軸上，方向相同，電樞反 應(yīng)為純增磁作用，合成磁勢的幅值加大，這一電樞反響稱為直軸增磁電樞反

22、響。同步電抗和電樞反響電抗當(dāng)三相對稱電樞電流流過電樞繞組時，將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的電樞磁勢'二，'二將在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生跨過氣隙的電樞反響磁通'r和不通過氣隙的漏磁通，和將分別在電樞各相繞組中感應(yīng)岀電樞反響電勢，："和jJ漏磁電勢丁。 二與電樞電流 5的大小成正比不計(jì)飽和，比例常數(shù)稱'"為電樞反響電抗?？紤]到相位關(guān)系后，每相電樞反響電勢為:16-3)電樞反響電抗的大小和電樞反響磁通所經(jīng)過磁路的磁阻成反比，磁阻與電樞磁勢亠'軸線的位置有關(guān)。對于凸極電機(jī)而言，當(dāng)和 重合時，經(jīng)過直軸氣隙和鐵心而閉合這條磁路稱為直軸磁路，如圖和-正交時,16.6a所示。此

23、時由于直軸磁路中的氣隙較短，磁阻較小，所以電樞反響電抗就較大。當(dāng)即匚和磁極的軸線垂直時,此時由于交軸磁路中的氣隙較長,X經(jīng)過交軸氣隙和鐵心而閉合這條磁路稱為交軸磁路，如圖更和巧之間的夾角磁阻較大，所以電樞反響電抗就較小。一般情況下,16.6b所示。由負(fù)載的性質(zhì)決定，為 90+-的流通路徑介于直軸磁路和交軸磁路之間，電樞反響電抗的大小也就介于最大和最小之間。由于和二之間的夾角受制于內(nèi)功率因數(shù)角即負(fù)載的性質(zhì)，不同負(fù)載時，y之間的夾角不同，對應(yīng)的也就不同，這給分析問題帶來了諸多不便為了解決這一問題，人們采用了正交F邑牙分解法和疊加原理，將J看成是其直軸分量'1和交軸分量 “的疊加，并認(rèn)為單獨(dú)

24、鼓勵直軸電樞反響磁通1，其流通路徑為直軸磁路，對應(yīng)有一個固定的直軸電樞反響電抗上,并在定子每相繞組中產(chǎn)生直軸電樞反響電勢 f ' 'lJ單獨(dú)鼓勵交軸電樞反響磁通 ，其流通路徑為交軸磁路，對應(yīng)有一個固定的交yr軸電樞反響電抗八-，并在電樞每相繞組中產(chǎn)生交軸電樞反響電勢一"。電樞繞組總的電樞反響電勢可以寫為(16-4)考慮到漏磁通引起的漏抗電勢'：-=-j為電樞繞組的漏電抗后，電樞繞組中由電樞電流引起的總的感應(yīng)電勢為爲(wèi) + 苑 iX- jX.ig十0屈+益L -召+益九U16-5其中.=" +-定義為直軸同步電抗，T =Xaqi j + =定義為交軸同步

25、電抗。對于隱極電機(jī)來說，由于電樞為圓柱體，忽略轉(zhuǎn)子齒槽分布所引起的氣隙些微不均勻后，可以認(rèn)為隱極電機(jī)直軸磁路和交軸xxx iff磁路的磁阻相等，直軸和交軸電樞反響電抗相等，即，結(jié)合一 -=+ ，并代入式16-5可得(16-6)比斗島兒=-3叢-M兒式中定義為隱極電機(jī)的同步電抗。由定義可知，同步電抗包括兩局部：電樞繞組的漏電抗和電樞反應(yīng)電抗。在實(shí)用上，常將二者作為一個整體參數(shù)來處理，這樣便于分析和測量。一般情況下為任意角度時參看圖16.5c和d,可將分解為直軸分量' 和交軸分量' ，、產(chǎn)生直軸電樞磁勢相或反相，起增磁或者去磁作用;、產(chǎn)生交軸電樞磁勢正交，起交磁作用%同步發(fā)電機(jī)電勢

26、方程式和相量圖電勢方程式負(fù)載以后，同步發(fā)電機(jī)的電樞繞組中存在以下電勢： 由勵磁磁通產(chǎn)生的勵磁電勢； 由電樞反響磁通產(chǎn)生的電樞反響電勢； 由電樞繞組漏磁通產(chǎn)生的漏磁電勢。由于電樞繞組的電阻很小，如果忽略電阻壓降，那么每相感應(yīng)電勢總和即為發(fā)電機(jī)的端電壓，用方程式表示為盅十皮十皮=巾(16-7)g § X j X 1對于凸極電機(jī)來說，' “勺-j " 5 ,其方程式可表示為(16-8)+j * ，-+j '對于隱極電機(jī)來說,其方程式可表示為(16-9)隱極發(fā)電機(jī)電勢相量圖在同步電機(jī)理論中，用電勢相量圖來進(jìn)行分析是十分重要和方便的方法。在作相量圖時，我們認(rèn)為發(fā)電 機(jī)

27、的端電壓，電樞電流，負(fù)載功率因數(shù)角以及同步電抗為量，最終可以根據(jù)方程式求得勵磁電勢。參看圖16.7a，隱極電機(jī)相量圖可按以下步驟作岀： 在水平方向作岀相量；- 根據(jù)角找岀的方向并作岀相量 ; 在的尾端，加上相量'丄，它超前于 =90°uxiw 作岀由的首端指向j=尾端的相量，該相量便是"凸極發(fā)電機(jī)電勢相量圖對于凸極電機(jī)來說，需要首先將匚分解為I和I ,然后才能根據(jù)方程式16-8作岀其電勢相量圖。由于'與"，同方位，：與6正交，只要找岀-：；的方位，就可以方便地將分解為和。方程式16-8兩邊同時加上-j -»，即：爲(wèi)-麻廠£% =

28、八毘氐+訃亠吋上式左邊的相量*-j；-"丿匚 顯然與上處于同一方位，而右邊的相量+j"'丄可以很方便地求得,1在水平方位作岀相量，錯開角作岀r ;在'的尾端，加上相量Y 3T7TTyj?'，它超前于90°電角度，經(jīng)過首端和j尾端的直這樣就找到了 工的方位。參看圖16.7b，凸極電機(jī)的相量圖可按下述步驟作岀線就確定了 亠 的方位，也即確定了q軸，與q軸正交的方位即為 d軸; 將' 在正交分解為和.;h 根據(jù)方程式16-8即可作岀 。電勢相量圖很直觀地顯示了同步電機(jī)各個相量之間的數(shù)值關(guān)系和相位關(guān)系, 機(jī)的許多問題有較大的幫助作用。對于凸

29、極電機(jī)來說，_! U sin冊十盤y賈繪 L/cas tp對于分析和計(jì)算同步電(16-10)而對于隱極電機(jī)來說，有_ t7 sinX九r/cos p(16-11)以上兩式在分析同步電機(jī)問題經(jīng)常用到同步發(fā)電機(jī)的負(fù)載特性和電抗測定短路特性同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行于同步轉(zhuǎn)速時，將電樞繞組三相的端點(diǎn)持續(xù)短路然后加上勵磁電流，稱為短路運(yùn)行。這時端電壓U =0，如果改變勵磁電流，那么電樞短路電流的有效值也改變。短路特性就是指二者之間的關(guān)系：'' =f(' ) Oy短路運(yùn)行時， d和勵磁電勢® 之間的相位差僅受同步電抗-:和繞組本身電阻的制約，在忽略繞組電阻時，'將滯后于S

30、90電角度，交軸分量=0，其電樞反響表現(xiàn)為純?nèi)ゴ抛饔谩?去磁作用減少了電機(jī)中的磁通，磁路處于不飽和狀態(tài)，勵磁電勢和勵磁電流之間在數(shù)量上呈線性關(guān)系。由于短路電流 =- I八，所以幾和勵磁電流在數(shù)量也呈線性關(guān)系，短路特性就是一條通過原點(diǎn) 的直線。 可見，穩(wěn)態(tài)短路時，電機(jī)中的電樞反響為純?nèi)ゴ抛饔?，電機(jī)的磁通和感應(yīng)電勢較小，短路電流也不會過大，所以三相穩(wěn)態(tài)短路運(yùn)行沒有危險。圖16.8給岀了隱極同發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)短路運(yùn)行的等效電路和相量圖。對凸極式電機(jī)來說， 短路時交軸電樞磁勢'-"=0，故分析方法同隱極電機(jī)，只需將 ':用代替，將亠：用亠了來代替即可。利用短路特性和空載特性求取同步

31、電抗' 1，顯然在略去設(shè)勵磁電流為；，每相空載電勢為 3 ,如果把電樞端點(diǎn)短路，測得每相短路電流為電樞電阻時，同步電抗上的壓降' 即為上(參看圖16.8(a)。根據(jù)此關(guān)系可以得到測定同步電抗的簡單方法： 用原動機(jī)帶動同步發(fā)電機(jī)在同步轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)，測取其開路和短路特性。 將測取的數(shù)據(jù)在同一坐標(biāo)紙上繪制成曲線，并作岀氣隙線選取一固定的，求得對應(yīng)的短路電流和對應(yīng)于氣隙線上的電勢"，那么同步電抗可按下式求得按照上述方法求得的是不飽和同步電抗,(16-12)而實(shí)際運(yùn)行中磁路總是有點(diǎn)飽和，求取同步電抗飽和值的近似方法為：從空載曲線求得對應(yīng)于額定電壓I的勵磁電流-I ,再從短路特性求

32、得對應(yīng)于.的短路電流亠或的飽和值=_|/“(16-13)凸極電機(jī)的交軸同步電抗可以利用經(jīng)驗(yàn)公式求得(16-14)閣16.9同步電輔的求取零功率因數(shù)負(fù)載特性發(fā)電機(jī)的負(fù)載特性是指當(dāng)負(fù)載電流-；=常數(shù)，功率因數(shù)cos =常數(shù)的條件下，端電壓U與勵磁電流一的關(guān)系。其中當(dāng)cos =0時一條負(fù)載特性稱為零功率因數(shù)特性。 cos =0的負(fù)載為純電感負(fù)載，即=90度，從相量圖圖16.10可以看岀，亠 廠處于同一方位，其相量加減可簡化為代數(shù)加減，即= 16-15在空載特性以*和同步電抗 "：或亠的情況下，由式16-15可以作岀同步電機(jī)的零 功率因數(shù)特性曲線，見圖16.11 o反之通過測取空載特性和零功

33、率因數(shù)特性就可以求得同步電抗，經(jīng)過進(jìn)一步的處理，還可以求得定子漏抗。圖1610 r：O£ = 0時同步電機(jī)相星圖圖1611毒功率因數(shù)特性與空載特性同步電抗和漏抗的測定同步電抗在'時的零功率因數(shù)特性曲線上取岀對應(yīng)于的勵磁電流,再在空載特性曲線上取出對應(yīng)于L的空載電勢，由式(16-15)就可求得同步電抗的飽和值，即(參看圖16.11)二=-_!)/(16-16)定子漏抗U=0時，對應(yīng)于零功率因數(shù)特性上的勵磁電流=0C ,將該電流分為兩局部，0B段用來產(chǎn)生電勢漏抗電勢冑X 1以平衡定子漏抗壓降 AB= J，BC段用來產(chǎn)生電樞電勢-以平衡電樞反響電抗壓降"亠可見 ABC的B

34、C邊代表純?nèi)ゴ诺碾姌蟹错懘艅?，AB邊代表定子漏抗。由于 BC和AB均和電樞電流?成正比。所以當(dāng)定時， ABC是固定的，此三角形稱為同步電機(jī)的特性三角形。只要求得特性三角形，我們就可以很方便地求得定子漏抗，即l=AB/(16-17)特性三角形的作法：對于一定的電樞電流 亠，由于 ABC是固定的，所以在空載特性曲線上移動 ABC的頂點(diǎn)A時，C的軌跡即為零功率因數(shù)特性。如果我們在零功率因數(shù)特性曲線上向上平移8BC的頂點(diǎn)C到額定電壓''時，將得到厶A'B'C'，并且 0C=0C,0'A7/0A ，由此可得到特性三角形的作法：在額定電壓I處作一水平線交零功

35、率因數(shù)曲線于C'，截取O'C'=OC ;過0'作0A的平行線交空載特性曲線于A'外特性和電壓調(diào)整率外特性是指：n=nl/-' =常數(shù),cos =常數(shù)的條件下，同步發(fā)電機(jī)作單機(jī)運(yùn)行時，端電壓U隨負(fù)載電流'而變化的關(guān)系，即U=f亠-J曲線。外特性曲線的走向和負(fù)載的性質(zhì)有關(guān)。對于感性負(fù)載>0, >90''，在勵磁電流不變的情況下，隨著電樞電流的增大，有兩個因素導(dǎo)致端電壓下降，其一是電樞反響的去磁作用的增強(qiáng)，其二是漏抗壓降的增大，所以感性負(fù)載時，同步電機(jī)的外特性是下降的曲線。對于<0, <90的容性負(fù)載，電

36、樞反響表現(xiàn)為增磁作用，隨著電樞電流的增大，端電壓反而增大。圖16-12給岀了各種情況下的外特性曲線。發(fā)電機(jī)的端電壓隨著負(fù)載電流的改變而變，保持額定運(yùn)行時的勵磁電流'叭和轉(zhuǎn)速“ 不變，將發(fā)電機(jī)的完全卸載，發(fā)電機(jī)的端電壓將由?變化為空載電勢-，電壓變化的幅度可以用電壓調(diào)整率 來表示口科16-18 U是發(fā)電機(jī)的性能指標(biāo)之一，按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定應(yīng)不大于40%。cos = 0-8滯后O閣1&12同步發(fā)電機(jī)外特性曲線并聯(lián)條件及其方法并網(wǎng)運(yùn)行的優(yōu)勢單機(jī)供電的缺點(diǎn)是明顯的：既不能保證供電質(zhì)量電壓和頻率的穩(wěn)定性和可靠性發(fā)生故障就得停電，又無法實(shí)現(xiàn)供電的靈活性和經(jīng)濟(jì)性。這些缺點(diǎn)可以通過多機(jī)并聯(lián)來改善。

37、學(xué)習(xí)文檔僅供參考通過并聯(lián)可將幾臺電機(jī)或幾個電站并成一個電網(wǎng)?，F(xiàn)代發(fā)電廠中都是把幾臺同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)起來接在共同的匯流排上見圖17.1，一個地區(qū)總是有好幾個發(fā)電廠并聯(lián)起來組成一個強(qiáng)大的電力系統(tǒng)電網(wǎng)。電網(wǎng)供電比單機(jī)供電有許多優(yōu)點(diǎn)： 提高了供電的可靠性，一臺電機(jī)發(fā)生故障或定期檢修不會引起停電事故。 提高了供電的經(jīng)濟(jì)性和靈活性，例如水電廠與火電廠并聯(lián)時，在枯水期和旺水期，兩種電廠可 以調(diào)配發(fā)電，使得水資源得到合理使用。在用電頂峰期和低谷期，可以靈活地決定投入電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)數(shù)量，提 高了發(fā)電效率和供電靈活性。 提高了供電質(zhì)量，電網(wǎng)的容量巨大相對于單臺發(fā)電機(jī)或者個別負(fù)載可視為無窮大，單臺發(fā)電機(jī)的投入與停機(jī)，個

38、別負(fù)載的變化，對電網(wǎng)的影響甚微，衡量供電質(zhì)量的電壓和頻率可視為恒定不變的常數(shù)。電網(wǎng)對單臺發(fā)電機(jī)來說可視為無窮大電網(wǎng)或無窮大匯流排。同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)到電網(wǎng)后，它的運(yùn)行情況要受到電網(wǎng)的制約，也就是說它的電壓、頻率要和電網(wǎng)一致而不能單獨(dú)變化。匯疣排匯疣排圖in同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)成犬電網(wǎng)并聯(lián)條件把同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)至電網(wǎng)的過程稱為投入并聯(lián)，或稱為并列、并車、整步。在并車時必須防止產(chǎn)生巨大 的沖擊電流，以防止同步發(fā)電機(jī)受到損壞、電網(wǎng)遭受干擾。并車前必須檢查發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)是否適合以下條件： 雙方應(yīng)有一致的相序； 雙方應(yīng)有相等的電壓； 雙方應(yīng)有同樣或者十分接近的頻率和相位。假設(shè)以上條件中的任何一個不滿足那么在開關(guān)K的兩

39、端，會岀現(xiàn)差額電壓 ，如果閉合K,在發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)組成的回路中必然會岀現(xiàn)瞬態(tài)沖擊電流。上述條件中，除相序一致是絕對條件外，其它條件都是相對的，因?yàn)橥ǔｋ姍C(jī)可以承受一些小的沖 擊電流。并車的準(zhǔn)備工作是檢查并車條件和確定合閘時刻。通常用電壓表測量電網(wǎng)電壓，并調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵磁電流使得發(fā)電機(jī)的輸岀電壓U=U1。再借助同步指示器檢查并調(diào)整頻率和相位以確定合閘時刻。匯疣排¥匯流排圖17.2同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行同步指示燈怪I 17.3(a)燈說明暗法三相同步境電機(jī)整步)燈進(jìn)竝轉(zhuǎn)法并聯(lián)方法同步指示器：1燈光明暗法(看動畫如圖17.3a所示，將三只燈泡直接跨接于電網(wǎng)與發(fā)電機(jī)的對應(yīng)相之間。并車方 法為：通過

40、調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵磁電流的大小使得：電壓調(diào)整好后，如果相序一致，燈光應(yīng)表現(xiàn)為明暗交替，如果燈光不是明暗交替，那么說明相序不一致，這時應(yīng)調(diào)整發(fā)電機(jī)的岀線相序或電網(wǎng)的引線相序，嚴(yán)格保證相序 一致；通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速改變的頻率，直到燈光明暗交替十分緩慢時，說明和的頻率已十分接近，這時 等待燈光完全變暗的瞬間到來，即可合閘并車。2燈光旋轉(zhuǎn)法(看動畫)參看圖17.3(b)和圖，燈1跨接于A1B,燈2跨接于B1A,燈3跨接于C1G旋轉(zhuǎn) 法并車方法為：通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵磁電流的大小使得：電壓調(diào)整好后，如果相序一致，那么燈光旋轉(zhuǎn)，否那么說明相序不一致，這時應(yīng)調(diào)整發(fā)電機(jī)的岀線相序或電網(wǎng)的引線相序，嚴(yán)格保證相序一致；通

41、過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī) 的轉(zhuǎn)速改變 的頻率，直到燈光旋轉(zhuǎn)十分緩慢時，說明和 頻率已十分接近，這時等待燈3完全熄滅的瞬間到來，即可合閘并車。燈光法又稱為理想整步法。由于它對并車條件逐一檢查和調(diào)整，所以費(fèi)時較多。學(xué)習(xí)文檔僅供參考自整步法自整步法：在相序一致的情況下將勵磁繞組通過適當(dāng)?shù)碾娮瓒探樱儆迷瓌訖C(jī)把發(fā)電機(jī)拖動到接近同步速相差25%，在沒有接通勵磁電流的情況下將發(fā)電機(jī)接入電網(wǎng)，再接通勵磁并調(diào)節(jié)勵磁強(qiáng)弱，依靠定子磁 場和轉(zhuǎn)子磁場之間的電磁轉(zhuǎn)矩將轉(zhuǎn)子拉入同步轉(zhuǎn)速，并車過程即告結(jié)束。需要注意的是，勵磁繞組必須通過一 限流電阻短接，因?yàn)橹苯娱_路，將在其中感應(yīng)出危險的高壓；直接短路，將在定、轉(zhuǎn)子繞組間產(chǎn)生很大的沖

42、擊 電流。自同步法的優(yōu)點(diǎn)是：操作簡單，方便快捷；缺點(diǎn)是：合閘時有沖擊電流。功角特性及有功功率調(diào)節(jié)功率平衡同步發(fā)電機(jī)的功率流程如圖17.6所示。為自原動機(jī)向發(fā)電機(jī)的輸入的機(jī)械功率，其中一局部提供軸廠-，另一局部供應(yīng)定子鐵心中與軸承間的摩擦、轉(zhuǎn)動局部與空氣的摩擦及通風(fēng)設(shè)備的損耗，總計(jì)為機(jī)械損耗的渦流和磁滯損耗，總計(jì)為鐵心損耗：，為通過電磁感應(yīng)作用轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄗ永@組上的電功率，稱為電磁功率。如果是負(fù)載運(yùn)行，定子繞組中還存在定子銅耗''，匚二匸-" 就是發(fā)電機(jī)的輸岀功率。同步發(fā)電機(jī)的功率平衡方程式為%二灼+尹沁定子繞組的電阻一般較小，其銅耗可以忽略不計(jì)，那么有珀=片二楓 UI C

43、02甲=探1衛(wèi)COS 評-5(17-1)(17-2)Pcul團(tuán)17.6同歩發(fā)電機(jī)功率疣程團(tuán)功角的概念 為內(nèi)功率因數(shù)角，定義為功角。它表示發(fā)電機(jī)的勵磁電勢 h 和端電壓L之間相角差。功角 對于研究同步電機(jī)的功率變化和運(yùn)行的穩(wěn)定性有重要意義。圖17.7畫岀了同步電機(jī)的時空相量圖。圖中忽略了定子繞組的漏磁電勢，認(rèn)為T,.對應(yīng)于轉(zhuǎn)子磁勢''，一：對應(yīng)于電樞磁勢'，所以可近似認(rèn)為端電壓由合成磁勢尸- + ：所感應(yīng)。和"之間的空間相角差即為和之間的時間相角差。可見功角在時間上表示端電壓和勵磁磁勢之間的相位差，在空間上表現(xiàn)為合成磁場軸線與轉(zhuǎn)子磁場軸線之間夾角。并網(wǎng)運(yùn)行時，為

44、電網(wǎng)電壓，其大小和頻率不變，對應(yīng)的合成磁勢總是以同步速度旋轉(zhuǎn)，因此功角的大小只能由轉(zhuǎn)子磁勢的角速度決定。穩(wěn)定運(yùn)行時,''和匸之間無相對運(yùn)動，具有固定的值。閤17.7功角的空間槻念17.9同歩電機(jī)的功角特性隱極電機(jī)b凸極電機(jī)功角特性的。功角特性指的是電磁功率：隨功角 變化的關(guān)系曲線二-=fsin 25凸極電機(jī)令'可以求岀對應(yīng)于最大電磁功率的功角二,一般來說凸極電機(jī)的在4590之間。隱極電機(jī)最大功率與額定功率的比值定義為同步發(fā)電機(jī)的過載能力。對隱極電機(jī)來說有功功率的調(diào)節(jié)功角特性=f反映了同步發(fā)電機(jī)的電磁功率隨著功角變化的情況。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速由電網(wǎng)的頻率決定， 恒等于同步轉(zhuǎn)速，即，發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率