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1、第六章第六章 同步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)分析同步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)分析n同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)同屬于交流電機(jī),與感應(yīng)電機(jī)同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)同屬于交流電機(jī),與感應(yīng)電機(jī) 的區(qū)別是同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的區(qū)別是同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n 與電網(wǎng)頻率與電網(wǎng)頻率 f 之間之間具有固定不變的關(guān)系具有固定不變的關(guān)系 ,而感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn),而感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速子轉(zhuǎn)速 nns。n本章主要講述同步發(fā)電機(jī)的工作原理、電磁關(guān)系,本章主要講述同步發(fā)電機(jī)的工作原理、電磁關(guān)系,導(dǎo)出基本方程、等效電路和相量圖;導(dǎo)出基本方程、等效電路和相量圖;n分析同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性,以及與電網(wǎng)的并聯(lián)運(yùn)分析同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性,以及與電網(wǎng)的并聯(lián)運(yùn)行和功率調(diào)節(jié)問(wèn)題。行和功率調(diào)節(jié)
2、問(wèn)題。n最后介紹同步電動(dòng)機(jī)和同步補(bǔ)償機(jī)。最后介紹同步電動(dòng)機(jī)和同步補(bǔ)償機(jī)。pfnns60第一節(jié) 同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理和運(yùn)行狀態(tài)第二節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的的空載和負(fù)載運(yùn)行第三節(jié) 隱極同步發(fā)電機(jī)電壓方程、相量圖和等效電路第四節(jié) 凸極同步發(fā)電機(jī)電壓方程和相量圖第五節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩方程第六節(jié) 同步電機(jī)參數(shù)的測(cè)定第七節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性第八節(jié) 同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的并聯(lián)運(yùn)行第九節(jié) 同步電動(dòng)機(jī)與同步補(bǔ)償機(jī)第六章第六章 同步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)分析同步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)分析第一節(jié)第一節(jié) 同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)同步電機(jī)的結(jié)構(gòu) 、工作原理和運(yùn)行狀態(tài)工作原理和運(yùn)行狀態(tài)一、同步電機(jī)的基本類型二、同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)三、同步發(fā)電機(jī)的工作原
3、理四、同步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)五、同步電機(jī)的勵(lì)磁方式六、同步電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)一、同步電機(jī)的基本類型同步電機(jī)的基本類型n按結(jié)構(gòu)形式分轉(zhuǎn)樞式:用于小容量同步電機(jī)轉(zhuǎn)極式:用于高壓、大容量同步電機(jī)n按磁極形狀分隱極式:轉(zhuǎn)子圓柱形,氣隙均勻凸極式:轉(zhuǎn)子有明顯凸出的磁極,氣隙不均勻n發(fā)電機(jī)按原動(dòng)機(jī)不同分汽輪發(fā)電機(jī):高速,轉(zhuǎn)子隱極式, 細(xì)長(zhǎng)形水輪發(fā)電機(jī):低速,轉(zhuǎn)子凸極式, 短粗形n按冷卻介質(zhì)和 冷卻方式分空冷外冷:空氣自然循環(huán)或風(fēng)扇吹風(fēng)強(qiáng)迫冷卻水冷內(nèi)冷:需進(jìn)水管、出水管等氫冷外冷或內(nèi)冷:需密封系統(tǒng),防爆防漏2)、定子繞組:由許多線圈按一定規(guī)律連接而成。大容量電機(jī)由于尺寸大,制成半匝式(線棒),每個(gè)線棒由若干銅線并在
4、一起,分成一排或兩排,兩個(gè)線棒的一端焊在一起,即成一個(gè)線圈。3)、機(jī)座:固定和支撐定子鐵心,并形成風(fēng)道。二、同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)(一)、隱極同步電機(jī)(臥式)隱極同步電機(jī)(臥式)1)、定子鐵心:由0.5mm厚的硅鋼片疊成,沿軸向分成好幾疊,每疊36cm,疊與疊之間留有寬0.81cm的通風(fēng)溝。1、定子定子:包括定子鐵心、定子繞組、機(jī)座、端蓋等。2)、勵(lì)磁繞組:用扁銅線繞成同心式線圈,嵌放在大齒兩側(cè)的轉(zhuǎn)子槽中,并用非磁性硬鋁槽楔壓緊。3)、護(hù)環(huán):為使勵(lì)磁繞組可靠地固定在轉(zhuǎn)子上,繞組端部還要套上用高強(qiáng)度非磁性鋼鍛成的護(hù)環(huán)。1)、轉(zhuǎn)子鐵心:一般用整塊的導(dǎo)磁性好的高強(qiáng)度合金鋼鍛成,轉(zhuǎn)子表面
5、約2/3部分銑有軸向凹槽,用于嵌放勵(lì)磁繞組,不銑槽的約1/3部分形成大齒,即磁極。2、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子:包括轉(zhuǎn)子鐵心、勵(lì)磁繞組、護(hù)環(huán)、風(fēng)扇等。2)、定子繞組:大、中容量凸極電機(jī)采用波繞組,小容量凸極電機(jī)采用疊繞組。3)、機(jī)座:固定和支撐定子鐵心,并形成風(fēng)道。因直徑大,通常采用分瓣機(jī)座。(二)、凸極同步電機(jī)(臥式或立式)凸極同步電機(jī)(臥式或立式)1)、定子鐵心:由0.5mm厚硅鋼片疊成,因直徑大,一般采用幾片扇形硅鋼片拼成一個(gè)圓形。1、定子定子:包括定子鐵心、定子繞組、機(jī)座等。臥式臥式:同步電動(dòng)機(jī)、同步補(bǔ)償機(jī)和用內(nèi)燃機(jī)或沖擊式水輪 機(jī)拖動(dòng)的同步發(fā)電機(jī)。立式立式:低速、大容量水輪發(fā)電機(jī)和大型水泵用同步電動(dòng)
6、機(jī)。3)、阻尼繞組:由插入磁極極靴槽中的銅條和兩端的端環(huán)焊成一個(gè)閉合繞組。在發(fā)電機(jī)不對(duì)稱運(yùn)行時(shí),起削弱負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),抑制轉(zhuǎn)子機(jī)械振蕩的作用。2)、轉(zhuǎn)軸:用高強(qiáng)度鋼鍛成。因轉(zhuǎn)速低,轉(zhuǎn)子鐵心與轉(zhuǎn)軸分開鍛造。1)、轉(zhuǎn)子鐵心:即磁極,采用T尾或鳩尾與磁軛連接,磁軛與轉(zhuǎn)軸間用轉(zhuǎn)子支架支撐著,轉(zhuǎn)子支架固定在轉(zhuǎn)軸上。2、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子:包括轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)軸、勵(lì)磁繞組、阻尼繞組等。4)、推力軸承:懸式:推力軸承裝在轉(zhuǎn)子上面的上機(jī)架上,整個(gè)轉(zhuǎn)子懸吊著。機(jī)械穩(wěn)定性好,但機(jī)組的軸向高度大,轉(zhuǎn)速較高的電機(jī)(150r/min以上)采用。傘式:推力軸承裝在轉(zhuǎn)子下面的下機(jī)架上,整個(gè)轉(zhuǎn)子被托架著。機(jī)械穩(wěn)定性差,但機(jī)組的軸向高度小,轉(zhuǎn)
7、速較低的電機(jī)(125r/min以下)采用。 定子上裝有三相對(duì)稱繞組互差120電角度。 轉(zhuǎn)子上安放直流勵(lì)磁繞組。ACBSN設(shè)轉(zhuǎn)子設(shè)轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)紫色為流入紫色為流入紅色為流出紅色為流出ns三、同步發(fā)電機(jī)的工作原理同步發(fā)電機(jī)的工作原理+ -集電環(huán)電刷當(dāng)同步發(fā)電機(jī)被原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組通入直流勵(lì)磁電流時(shí),轉(zhuǎn)子將產(chǎn)生主極磁動(dòng)勢(shì)及相應(yīng)的主極磁場(chǎng)(包括在氣隙中以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的主磁場(chǎng)和主極漏磁場(chǎng))。主磁場(chǎng)通過(guò)氣隙并與定子繞組交鏈,在定子繞組中感應(yīng)出三相交流電動(dòng)勢(shì),若定子繞組帶有負(fù)載,發(fā)電機(jī)將輸出電功率。)240sin()120sin(sintEetEetEemCmBmA2、電動(dòng)勢(shì)
8、的大小電動(dòng)勢(shì)的大小 三相定子繞組對(duì)稱,因此三相電動(dòng)勢(shì)大小相等, 相位互差120電角度。 設(shè) Em為相電動(dòng)勢(shì)幅值,A相初相角為0,則:tEtlvBblvesin2sin1111、電動(dòng)勢(shì)的波形電動(dòng)勢(shì)的波形 若主磁場(chǎng)的氣隙磁密氣隙磁密沿圓周按正弦規(guī)律分布按正弦規(guī)律分布, 則定子導(dǎo)體感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化按正弦規(guī)律變化:當(dāng) f =50Hz時(shí),n =3000/p。汽輪發(fā)電機(jī): p1 n=3000r/min;水輪發(fā)電機(jī):例 p30 n=100r/min。同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率有嚴(yán)格不變關(guān)系,同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率有嚴(yán)格不變關(guān)系,即當(dāng)電網(wǎng)頻率一定時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)速不變即當(dāng)電網(wǎng)頻率一定時(shí),電機(jī)
9、轉(zhuǎn)速不變。3、電動(dòng)勢(shì)的頻率電動(dòng)勢(shì)的頻率若轉(zhuǎn)子每分鐘轉(zhuǎn)速為n,電動(dòng)勢(shì)頻率為 當(dāng)p1,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一周,電動(dòng)勢(shì)交變一次;當(dāng)p對(duì)極,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一周,電動(dòng)勢(shì)交變p次;60pnf 四、同步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)同步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)當(dāng)定子(電樞)繞組中流過(guò)對(duì)稱三相電流時(shí),定子將產(chǎn)生電樞磁動(dòng)勢(shì)及相應(yīng)的電樞磁場(chǎng)(包括在氣隙中以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的電樞反應(yīng)磁場(chǎng)和電樞漏磁場(chǎng))。在氣隙中均以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的主磁場(chǎng)和電樞反應(yīng)磁場(chǎng)共同合成為氣隙磁場(chǎng)。氣隙磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子內(nèi)部深處沿著主極軸線然后逐漸扭斜,在進(jìn)入定子時(shí)其軸線已偏離主極軸線一個(gè)角度,再加上電樞漏磁場(chǎng),電樞合成磁場(chǎng)(包括主磁場(chǎng)、電樞反應(yīng)磁場(chǎng)和電樞漏磁場(chǎng))與主磁場(chǎng)之間的夾角為,稱為功率角。它越大
10、,則磁場(chǎng)所產(chǎn)生的切向力及電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率也越大。(a) 發(fā)電機(jī)(b) 補(bǔ)償機(jī)(c) 電動(dòng)機(jī)SN表征電樞合成磁場(chǎng)的等效磁極nsN0S0主極nsTeN0S0主極nsSN表征電樞合成磁場(chǎng)的等效磁極nsTeSN表征電樞合成磁場(chǎng)的等效磁極nsN0S0主極nsTe= 0五、同步電機(jī)的勵(lì)磁方式同步電機(jī)的勵(lì)磁方式指同步電機(jī)獲得直流勵(lì)磁電流的方式;而供給勵(lì)磁電流的整個(gè)系統(tǒng),稱為勵(lì)磁系統(tǒng)。(一)、直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng):用同軸直流發(fā)電機(jī)供給勵(lì)磁。(二)、整流器勵(lì)磁系統(tǒng)整流器勵(lì)磁系統(tǒng): (用晶閘管取代直流發(fā)電機(jī)電刷和換向器)1、靜止整流器勵(lì)磁系統(tǒng)靜止整流器勵(lì)磁系統(tǒng):1)、他勵(lì)式:用同軸交流主勵(lì)磁機(jī)發(fā)
11、出交流電,經(jīng)靜止半導(dǎo)體整流器整流后供給勵(lì)磁。2)、自勵(lì)式:(取消了交流勵(lì)磁機(jī))取自同步發(fā)電機(jī)輸出的交流電,經(jīng)晶閘管整流后供給勵(lì)磁。2、旋轉(zhuǎn)整流器勵(lì)磁系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)整流器勵(lì)磁系統(tǒng): (取消了同步發(fā)電機(jī)集電環(huán)和電刷) 用同軸轉(zhuǎn)樞式交流主勵(lì)磁機(jī)發(fā)出交流電,經(jīng)同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的半導(dǎo)體整流器整流后供給勵(lì)磁,稱為無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)。六、同步電機(jī)的額定值同步電機(jī)的額定值 1、額定容量額定容量SN (或額定功率或額定功率PN ) :額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的 輸出功率。 同步發(fā)電機(jī)SN (kVA)或PN (kW);同步電動(dòng)機(jī)PN (kW); 同步補(bǔ)償機(jī)SN (kvar)。2、額定電壓額定電壓UN:額定運(yùn)行時(shí)定子繞組的線電壓,單位為
12、伏(V)。3、額定電流額定電流IN:額定運(yùn)行時(shí)定子繞組中的線電流, 單位為安(A)。4、額定功率因數(shù)額定功率因數(shù)cos N:額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的功率因數(shù)。5、額定頻率額定頻率 fN:額定運(yùn)行時(shí)電樞的頻率,我國(guó)工頻為50赫(Hz)。6、 額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速nN:額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,為同步轉(zhuǎn)速ns; 單位為轉(zhuǎn)/分(r/min)。還有絕緣等級(jí)、允許溫升、額定勵(lì)磁電壓和額定勵(lì)磁電流等。第二節(jié)第二節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的同步發(fā)電機(jī)的空載和負(fù)載運(yùn)行空載和負(fù)載運(yùn)行一、同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行空載特性二、同步發(fā)電機(jī)的負(fù)載運(yùn)行電樞反應(yīng)ACBSN一、同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行 同步發(fā)電機(jī)被原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn),
13、勵(lì)磁繞組通 入直流勵(lì)磁電流,電樞繞組開路或電樞電流為零的情況。設(shè)轉(zhuǎn)子設(shè)轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)紫色為流入紫色為流入紅色為流出紅色為流出ns0f主磁路包括氣隙、電樞齒、電樞軛、磁極極身和轉(zhuǎn)子軛五部分。)2 . 01 . 0(0f主極磁通主磁通0主極漏磁通f激磁電動(dòng)勢(shì)的有效值011044. 4wkfNE 在同步轉(zhuǎn)速下,激磁電動(dòng)勢(shì)E0與勵(lì)磁電流 If 之間的關(guān)系曲線E0= f ( If ),稱為同步電機(jī)的空載特性。fI0E0f1F1、空載時(shí)的電磁關(guān)系空載時(shí)的電磁關(guān)系0B2、空載特性空載特性0 E0= f ( If )E0,0 If , Ff氣隙線空載特性 If0 UN電機(jī)的磁化曲線0= f ( Ff
14、 )E025. 11 . 1 0f0f0NUEIIk空載額定電壓時(shí)主磁路飽和系數(shù) If0不計(jì)飽和時(shí):對(duì)稱負(fù)載時(shí)電樞磁動(dòng)勢(shì)的基波對(duì)主磁場(chǎng)基波的影響稱為電樞反應(yīng)。二、同步發(fā)電機(jī)的負(fù)載運(yùn)行同步發(fā)電機(jī)的負(fù)載運(yùn)行fIf1F1、負(fù)載時(shí)的電磁關(guān)系負(fù)載時(shí)的電磁關(guān)系IaF)( 0)( 0EEfI0E0IaEaaFf1FB0BaB把主磁場(chǎng) 和電樞反應(yīng)磁場(chǎng) 疊加,即可得到負(fù)載時(shí)的氣隙合成磁場(chǎng) 。 (教材中把電樞磁動(dòng)勢(shì)的基波在氣隙中所產(chǎn)生的磁場(chǎng)稱為電樞反應(yīng))0BaBBFA相相軸 (A相時(shí)軸)(1)、任一相的電流相量與該電流系統(tǒng)產(chǎn)生的合成磁動(dòng)勢(shì)矢量重合;(2)、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與任一相繞組交鏈的磁通相量與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁密波矢量重
15、合;再加上(3)、忽略磁滯、渦流影響時(shí),旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁密波矢量與產(chǎn)生它的磁動(dòng)勢(shì)矢量重合;(4)、磁通與其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的正方向符合右手螺旋定則時(shí),電動(dòng)勢(shì)相量滯后于產(chǎn)生它的磁通相量90。復(fù)習(xí)時(shí)空矢量圖:復(fù)習(xí)時(shí)空矢量圖:aaBaFI把時(shí)間相量圖和空間矢量圖畫在一起,稱為時(shí)空矢量圖。把時(shí)間相量圖和空間矢量圖畫在一起,稱為時(shí)空矢量圖。對(duì)于對(duì)稱多相系統(tǒng),在時(shí)空矢量圖中,若每一相都取自己的相軸作為時(shí)軸,則存在下列關(guān)系:aE同步發(fā)電機(jī)A相電流 達(dá)最大值時(shí)的 時(shí)空矢量圖時(shí)軸 A軸0BaFaB2、對(duì)稱負(fù)載時(shí)的電樞反應(yīng)對(duì)稱負(fù)載時(shí)的電樞反應(yīng)BC軸ACZXYB軸2mI設(shè)電流尾進(jìn)設(shè)電流尾進(jìn)首出為正,首出為正,IaF0f1F,
16、交軸電樞反應(yīng) 000E(1)、電樞電流 與激磁電動(dòng)勢(shì) 同相時(shí) (0=0)0EIaB0Bf1FAI0AE0CE0BECIBImISNd軸(a) 空間矢量圖(c) 時(shí)空矢量圖(b) 時(shí)間相量圖q 軸紫色為流入紫色為流入紅色為流出紅色為流出Bns設(shè)轉(zhuǎn)子設(shè)轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)d軸 A軸q 軸時(shí)軸取主極軸線超前A相軸線90的時(shí)刻繪圖時(shí)軸 A軸0BaFaBBC軸ACZXYB軸IaF0f1F,直軸去磁電樞反應(yīng) 9000E(2)、電樞電流 滯后激磁電動(dòng)勢(shì) 90時(shí) (0=90) 0EIaB0Bf1FAI0AE0CE0BECIBISNd軸(a) 空間矢量圖(c) 時(shí)空矢量圖(b) 時(shí)間相量圖q 軸nsd軸 A
17、軸q 軸時(shí)軸請(qǐng)同學(xué)們?nèi)相電流達(dá)最大值的時(shí)刻繪圖時(shí)軸 A軸aFBC軸ACZXYB軸I)(aaBF0)(0f1BF,直軸增磁電樞反應(yīng) 9000E(3)、電樞電流 超前激磁電動(dòng)勢(shì) 90時(shí) (0=90) 0EIf1FAI0AE0CE0BECIBISNd軸(a) 空間矢量圖(c) 時(shí)空矢量圖(b) 時(shí)間相量圖q 軸nsd軸 A軸q 軸時(shí)軸請(qǐng)同學(xué)們?nèi)相電流達(dá)最大值的時(shí)刻繪圖時(shí)軸 A軸0BaFaBBC軸ACZXYB軸IaF0f1F電樞反應(yīng),兼有交軸和直軸去磁90000E(4)、一般情況下的電樞反應(yīng)電樞電流 滯后激磁電動(dòng)勢(shì) 一個(gè)銳角 (0090) 0EIaB0Bf1FAI0AE0CE0BECIBISNd軸
18、(a) 空間矢量圖(c) 時(shí)空矢量圖(b) 時(shí)間相量圖q 軸nsd軸 A軸q 軸時(shí)軸0adFaqF對(duì)稱負(fù)載時(shí)的電樞反應(yīng)對(duì)稱負(fù)載時(shí)的電樞反應(yīng)IaF0f1F0E0電樞反應(yīng)取決于 與 的空間夾角,即取決于 與 的時(shí)間夾角0。fFaF0EIIaF0f1F,交磁 00IaF0f1F0IaF0f1F00E0E0E,去磁 900,增磁 900小結(jié):(1)、電樞反應(yīng)的性質(zhì)與激磁電動(dòng)勢(shì) 和電樞電流的夾角0(即內(nèi)功率因數(shù)角)有關(guān)。(2)、電樞反應(yīng)的性質(zhì)有交磁、去磁、增磁三種。(3)、交軸電樞反應(yīng)是實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵,因?yàn)橹挥薪惠S電樞反應(yīng)才產(chǎn)生制動(dòng)性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩,原動(dòng)機(jī)必須克服制動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩做功,從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)變
19、成電能。0EI(1)00時(shí),為交軸電樞反應(yīng),作用是使氣隙磁場(chǎng)軸線從空載時(shí)的直軸處逆轉(zhuǎn)向后移了一個(gè)銳角,主磁場(chǎng)超前氣隙磁場(chǎng),主極上受到制動(dòng)性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩,使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速降低,影響發(fā)電機(jī)有功功率的輸出。(2)090時(shí),為直軸去磁電樞反應(yīng),作用是使氣隙磁場(chǎng)削弱,發(fā)電機(jī)端電壓下降,影響發(fā)電機(jī)無(wú)功功率的輸出。(3)0-90時(shí),為直軸增磁電樞反應(yīng),作用是使氣隙磁場(chǎng)增強(qiáng),發(fā)電機(jī)端電壓上升,影響發(fā)電機(jī)無(wú)功功率的輸出。00、90和90時(shí)電樞反應(yīng)的性質(zhì)、作用和對(duì)電機(jī)功率傳遞的影響?一、隱極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程、相量圖和等效電路二、凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程和相量圖同步發(fā)電機(jī)的電壓方程、同步發(fā)電機(jī)的電壓方程、相量圖和等
20、效電路相量圖和等效電路第三節(jié)第三節(jié) 隱極同步發(fā)電機(jī)的隱極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程、相量圖和等效電路電壓方程、相量圖和等效電路一、不考慮飽和(磁路線性,可應(yīng)用疊加原理)fI0E0IaEaaFf1F1、電壓方程EEURIEEEaa0a11a44. 4wkfNjE1144. 4wkfNjEXXXXXI jRIUjXXI jRIUEas ssaaa0同步電抗電樞繞組漏電抗同理XXI jE 同相與同相與不計(jì)定子鐵耗, aaaIFBaaEIF a不計(jì)飽和IEXXaa a電樞反應(yīng)電抗aaXI jE為分析方便,引入一個(gè)反映電樞反應(yīng)磁通的參數(shù),將電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電樞電流直接聯(lián)系起來(lái) 。激磁電動(dòng)勢(shì) 與端電壓 的夾角稱
21、為功率角0EU2、相量圖和等效電路U0EaRIXI jaE0EaXI jEIa等效電路相量圖XaRIU0EsXaXE0二、考慮飽和(磁路非線性,不能應(yīng)用疊加原理)fIIaFf1F1、電壓方程E)(XI jEE)(ajXRIUEURIEEaFaaaFkF2、磁動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì)矢量圖具體計(jì)算時(shí)利用空載特性可直接求出氣隙合成磁動(dòng)勢(shì)建立的氣隙電動(dòng)勢(shì),為此需要把基波電樞磁動(dòng)勢(shì)換算到階梯形波的主極磁動(dòng)勢(shì)上,即乘以電樞磁動(dòng)勢(shì)的換算系數(shù)ka。ka的意義是:產(chǎn)生同樣大小的基波氣隙磁場(chǎng)時(shí),一安匝基波電樞 磁動(dòng)勢(shì)相當(dāng)于多少安匝階梯形波主極磁動(dòng)勢(shì)。aakINkFFffff1EFFFFkFkFkFFFaaaaaaff1f1
22、空載特性 EB正弦波:階梯形波:Ff 或 If E0UaFaRIXI j0EEI磁動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì)矢量圖0空載特性F EFfE0FfFF1fFaF 第四節(jié)第四節(jié) 凸極同步發(fā)電機(jī)的凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程和相量圖電壓方程和相量圖一、雙反應(yīng)理論一、雙反應(yīng)理論凸極同步電機(jī)的氣隙是不均勻的,極弧下氣隙較小,極間氣隙較大,即氣隙磁導(dǎo)是變化的,同樣大小的電樞磁動(dòng)勢(shì)作用在不同位置時(shí)電樞反應(yīng)將不相同。當(dāng)電樞磁動(dòng)勢(shì)恰好作用在直軸或交軸位置時(shí),電樞磁場(chǎng)波形是對(duì)稱的,電樞反應(yīng)不難確定。Baq1Baq()Faqq軸Bad1BadFadd軸一般情況下,電樞反應(yīng)既不作用在直軸也不作用在交軸,此時(shí)電樞磁場(chǎng)分布是不對(duì)稱的,且無(wú)法用
23、解析式來(lái)表達(dá),電樞反應(yīng)難于直接確定。當(dāng)電樞磁動(dòng)勢(shì)既不作用在直軸也不作用在交軸時(shí),可把電樞磁動(dòng)勢(shì)分解成直軸和交軸兩個(gè)分量,然后分別求出直軸和交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)的電樞反應(yīng),最后再把它們的效果疊加起來(lái)。稱為雙反應(yīng)理論二、凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程和相量圖二、凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程和相量圖fI0E0IadEaqaFfF(1)、電壓方程E1、不考慮飽和(磁路線性,可應(yīng)用疊加原理)adFaqFadaqEURIEEEEaaqad0)(XI jEEaqqqadddqqddaaqqaddaaqqadda0 )()( XXXXXXXXXI jXI jRIUXXI jXXI jRIUjXXI jXI jRIUE交軸同步
24、電抗直軸同步電抗qaqaqaqaqqaqIEXXXI jE 交軸電樞反應(yīng)電抗同理同相與同相與不計(jì)定子鐵耗,dadadadIFBadadE)sin( 0dadIIIFd不計(jì)飽和dadadIEXX ad直軸電樞反應(yīng)電抗addadXI jE (2)、相量圖U0aRIqXI j00EUU,求激磁電動(dòng)勢(shì)設(shè)0EddXI jI相量圖qqXI jdIqIQE00aqIRUIXUtgcossin10)(0qddQXXI jEE0)(0qddQXXIEE22)cos()sin(aqQIRUIXUEQqaQEXI jRIUE0 cos , sin0q0dIIIIqdXI j cos , sin0q0dIIII)(0
25、qddQXXIEE00EE00EE、相量法、有效值 法 cos sin0q0dIIII0 角是 與 的夾角,畫相量圖須先確定0 角。 與 不能同時(shí)存在,0 角是無(wú)法測(cè)出的。0EI0EI注意:第五節(jié)第五節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的同步發(fā)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩方程功率和轉(zhuǎn)矩方程一、功率方程二、電磁功率三、轉(zhuǎn)矩方程1P機(jī)械功率pFepeP電磁功率p2P 電功率功率轉(zhuǎn)換流程圖功率轉(zhuǎn)換流程圖cuap機(jī)械損耗定子鐵耗雜散損耗電樞銅耗 (2) 2cuaepPP一、功率方程一、功率方程(1) 1pppPPFee設(shè)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁損耗由獨(dú)立的直流電源供給)cos( cos 22aacuaeIRUmIRmImUIpPPaRI0EI相量圖Q
26、E0UXI jEqXI jqQQImEImEmEI cos cos 0二、電磁功率二、電磁功率的夾角與電樞電流是氣隙電動(dòng)勢(shì)IE0coscoscosQaEEIRU三三、轉(zhuǎn)矩方程、轉(zhuǎn)矩方程0111 )()( TTTpppPPpppPPesFesesFee原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩空載制動(dòng)轉(zhuǎn)矩第六節(jié)第六節(jié) 同步電機(jī)參數(shù)的測(cè)定同步電機(jī)參數(shù)的測(cè)定一、直軸同步電抗Xd的測(cè)定二、短路比三、定子漏抗X的測(cè)定四、直軸電樞等效磁動(dòng)勢(shì)一、用空載特性和短路特性確定一、用空載特性和短路特性確定Xd1、空載特性0E0 If空載特性 If0 UN氣隙線將電樞繞組開路,在同步轉(zhuǎn)速下,測(cè)得激磁電動(dòng)勢(shì)E0隨勵(lì)磁電流 If 變化的關(guān)系
27、曲線E0= f ( If ),稱為同步電機(jī)的空載特性。(即 n = ns,I = 0時(shí),E0= f (If )曲線)2、短路特性將電樞繞組三相端頭短接,在同步轉(zhuǎn)速下,測(cè)得電樞穩(wěn)態(tài)短路電流 I 隨勵(lì)磁電流 If 變化的關(guān)系曲線 I = f ( If ),稱為同步電機(jī)的短路特性。(即 n = ns,U = 0時(shí),I = f (If )曲線)IfIfk0IIN短路特性短路時(shí),端電壓U0,短路電流僅受電機(jī)本身阻抗的限制,一般電樞電阻遠(yuǎn)小于同步電抗,因此短路電流可認(rèn)為是純感性的,即090,電樞磁動(dòng)勢(shì)基本上是純?nèi)ゴ诺闹陛S磁動(dòng)勢(shì),因此 ,于是 ,可得 I Eo 氣隙電動(dòng)勢(shì) ,可見氣隙電動(dòng)勢(shì)很小,僅等于電樞漏
28、抗壓降,因此其對(duì)應(yīng)的氣隙合成磁通很小,電機(jī)磁路處于不飽和狀態(tài),于是 Eo If,而短路電流I Eo,因此I If,短路特性為一條直線。dqqddaXI jXI jXI jRIUE0dqIII ,0XI jXI jRIUEa為什么短路特性是一條直線?為什么短路特性是一條直線?qqddaXI jXI jRIUE0IEXd0Eo 應(yīng)從氣隙線上查出0E0 If空載特性 If氣隙線0E0, I If空載特性 If0氣隙線短路特性I短路特性 UNIUXNd)(飽和E0, I IkXIEEUdN00E0線性磁化曲線3、直軸同步電抗的確定0E0, I If空載特性 If0氣隙線IfkI短路特性 UNIN二二、
29、短路比短路比Kc)fk()f0(NNIIUUcIIKdddbNXkXXZIUUIII11)()(NNN飽和飽和三、用零功率因數(shù)負(fù)載特性確定定子漏抗三、用零功率因數(shù)負(fù)載特性確定定子漏抗X和直軸和直軸電樞等效磁動(dòng)勢(shì)電樞等效磁動(dòng)勢(shì)1、零功率因數(shù)負(fù)載特性將電樞接到一個(gè)可調(diào)的三相對(duì)稱純感性負(fù)載上,使 , 在同步轉(zhuǎn)速下,保持電樞電流為常值(例如I = IN),測(cè)得同步電機(jī)端電壓U 隨勵(lì)磁電流 If 變化的關(guān)系曲線U = f ( If ),稱為同步電機(jī)的零功率因數(shù)負(fù)載特性。(即 n = ns,I =常值, 時(shí),U = f (If )曲線)0cos0cosUXI j0EE零功率因數(shù)負(fù)載的相量圖fFFaadaF
30、kFIaF 900IXUEFkFFaadfIEAXfffaNAFNIFFkaaadIX0U If空載特性 Ifa UN零功率因數(shù)特性EBCAFEpIX實(shí)測(cè)的零功率因數(shù)特性(虛線) 表示空載時(shí)產(chǎn)生額定電壓所需的勵(lì)磁電流; 表示零功率因數(shù)負(fù)載時(shí)產(chǎn)生額定電壓所需的勵(lì)磁電流, 表示克服定子漏抗壓降所需增加的勵(lì)磁電流, 表示克服去磁電樞反應(yīng)所需增加的勵(lì)磁電流。BCCAAFBF零功率因數(shù)負(fù)載特性的分析第七節(jié)第七節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性n一、外特性n二、調(diào)整特性n三、效率特性IU)(8 . 0cos 1 滯后:0NI1cos 2:)(8 . 0cos 3超前:一、外特性一、外特性在同步轉(zhuǎn)
31、速下,保持勵(lì)磁電流和負(fù)載功率因數(shù)為常值,測(cè)得同步發(fā)電機(jī)端電壓U 隨電樞電流 I 變化的關(guān)系曲線U = f ( I ),稱為同步發(fā)電機(jī)的外特性。(即 n = ns,If =常值, =常值時(shí),U = f( I )曲線)cosNU不同功率因數(shù)時(shí)同步發(fā)電機(jī)的外特性電樞反應(yīng)增磁作用和容性電流的漏抗電壓引起端電壓U曲線1: ,曲線下降,原因:)(8 . 0cos滯后曲線2: ,曲線下降,原因:1cos曲線3: ,曲線上升,原因:)(8 . 0cos超前U0aRIXI j0EEI容性負(fù)載時(shí)相量圖aXI ja(1)I電樞反應(yīng)去磁作用U (2)I漏阻抗壓降U 0,00,原因同上。If = IfN,%100 0N
32、NUUEu調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流,使電樞電流為額定電流,功率因數(shù)為額定功率因數(shù),端電壓為額定電壓,此勵(lì)磁電流稱為發(fā)電機(jī)的額定勵(lì)磁電流IfN。保持勵(lì)磁電流為IfN,轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速ns不變,卸去負(fù)載(即I = 0),此時(shí)端電壓升高的百分值稱為同步發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整率。從外特性求電壓調(diào)整率從外特性求電壓調(diào)整率uIU0NINUcos cosNu0E為使電網(wǎng)電壓不致有太大波動(dòng),要求凸極同步發(fā)電機(jī)u=18%30%,隱極同步發(fā)電機(jī)u=30%48%。(均為cos = 0.8滯后時(shí)的數(shù)值)二、調(diào)整特性調(diào)整特性 在同步轉(zhuǎn)速下,保持端電壓為額定電壓,功率因數(shù)為常值時(shí),勵(lì)磁電流 If 與電樞電流 I 的關(guān)系曲線If =
33、f ( I ) ,稱為同步發(fā)電機(jī)的調(diào)整特性。(即 n = ns,U = UN, cos 常值時(shí), If = f ( I )曲線)IfI)(8 . 0cos 1 滯后:0NI1cos 2:)(8 . 0cos 3超前:fNI不同功率因數(shù)時(shí)同步發(fā)電機(jī)的調(diào)整特性f0I在同步轉(zhuǎn)速下,保持端電壓為額定電壓,功率因數(shù)為額定功率因數(shù)時(shí),同步發(fā)電機(jī)的效率與輸出功率P2的關(guān)系曲線 = f ( P2 ),稱為同步發(fā)電機(jī)的效率特性。(即 n = ns,U = UN, cos cosN時(shí), = f ( p2 )曲線)三、效率特性效率特性max2p01.0max發(fā)生在(0.71.1)PN 空冷大型水輪發(fā)電機(jī):N=96%
34、98.5% 空冷汽輪發(fā)電機(jī):N=94%97.8%100)1 (%100%10022212pPppPPPP電機(jī)效率比變壓器效率低,可用直接負(fù)載法:測(cè)量P1、P2來(lái)計(jì)算效率。也可用間接法(損耗分析法):先測(cè)出損耗 ,再計(jì)算效率。ppppppcufcuaFe同軸勵(lì)磁機(jī):勵(lì)磁損耗 pcuf由P1供給;單獨(dú)拖動(dòng)的電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁機(jī)組:勵(lì)磁損耗pcuf由勵(lì)磁機(jī)組供給,而與P1無(wú)關(guān)。第八節(jié)第八節(jié) 同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的并聯(lián)運(yùn)行并聯(lián)運(yùn)行一、并聯(lián)運(yùn)行二、功角特性三、有功功率調(diào)節(jié)和靜態(tài)穩(wěn)定四、無(wú)功功率調(diào)節(jié)一、并聯(lián)運(yùn)行一、并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電廠通常采用發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行方式,即兩臺(tái)或兩臺(tái)以上發(fā)電機(jī)的三相繞組分別接在公用
35、三相母線上,共同向用戶提供有功、無(wú)功功率。許多發(fā)電廠再并聯(lián)起來(lái)組成強(qiáng)大電網(wǎng)。并聯(lián)運(yùn)行優(yōu)點(diǎn):(1)、提高發(fā)電廠運(yùn)行效率;(2)、提高供電可靠性;(3)、提高供電質(zhì)量;(4)、合理利用能源,提高經(jīng)濟(jì)效益。1、投入并聯(lián)的條件(1)、發(fā)電機(jī)相序應(yīng)與電網(wǎng)一致;(2)、發(fā)電機(jī)頻率應(yīng)與電網(wǎng)相同;(3)、 發(fā)電機(jī)激磁電動(dòng)勢(shì) 應(yīng)與電網(wǎng)電壓 大小相等、相位相同,即 。0EUUE0GVU電網(wǎng)0EQ投入并聯(lián)示意圖不滿足并聯(lián)條件的后果:(3)、頻率不等(4)、相序不同電壓差強(qiáng)大環(huán)流巨大電磁力(破壞繞組)和沖擊力矩(轉(zhuǎn)軸受沖擊)(2)、 與 相位不同0EUU0EU(1)、 與 大小不等0EUU0EU變化電壓差(拍振電壓)
36、拍振電流交變力矩(發(fā)電機(jī)振動(dòng))和功率振蕩AU)(0AEBUCU)(0CE)(0BEUU3絕不允許并聯(lián)2、投入并聯(lián)的方法(1)、準(zhǔn)確整步法(準(zhǔn)確同步法、準(zhǔn)確同期法)把發(fā)電機(jī)調(diào)整到完全合乎并聯(lián)條件,然后投入電網(wǎng),稱為準(zhǔn)確整步。為了投入并聯(lián)所進(jìn)行的調(diào)節(jié)和操作過(guò)程,稱為整步過(guò)程。將發(fā)電機(jī)調(diào)整到符合并聯(lián)條件時(shí),稱發(fā)電機(jī)達(dá)到同步或同期。將發(fā)電機(jī)投入電網(wǎng),稱為并網(wǎng)、并列、或并車。準(zhǔn)確整步法優(yōu)點(diǎn):無(wú)沖擊電流;缺點(diǎn):操作復(fù)雜。(2)、自整步法(自同步法、自同期法)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),電壓、頻率均在變化,很難調(diào)整到完全合乎并聯(lián)條件,為把發(fā)電機(jī)迅速投入電網(wǎng),采用自整步法,事故后能迅速合閘,但沖擊電流大。自整步法優(yōu)點(diǎn)
37、:操作簡(jiǎn)單、迅速;缺點(diǎn):有沖擊電流。判斷是否滿足并聯(lián)條件常采用同步指示器(包括同步指示燈、電壓表、頻率表、整步表等),最簡(jiǎn)單的同步指示器由三組同步指示燈組成。檢查是否滿足并聯(lián)條件的方法:燈光法和整步表法。燈光法有兩種接法:直接接法(燈光熄滅法) 交叉接法(燈光旋轉(zhuǎn)法)(1)、準(zhǔn)確整步法電網(wǎng)QSNAnVVVABCABC123待投入的發(fā)電機(jī) f AUBUCUAUBUCU直接接法的接線圖和相量圖(a) 接線圖(b) 相量圖123(a)、頻率不等:三組燈同時(shí)忽亮忽暗,燈光閃爍;(b)、電壓大小或相位不等:長(zhǎng)亮不閃;(c)、相序不同且頻率不等時(shí):三組燈輪流亮暗,燈光旋轉(zhuǎn)。在三組燈同時(shí)熄滅,且A與A之間的
38、電壓表指示為零時(shí)的瞬間,合閘投入并聯(lián)。直接接法電網(wǎng)QSNAnVVVABCABC123待投入的發(fā)電機(jī) f AUBUCUAUBUCU交叉接法的接線圖和相量圖(a) 接線圖(b) 相量圖123(a)、頻率不等:三組燈輪流亮暗,燈光旋轉(zhuǎn); f f,燈光按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn); f f,燈光按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。(b)、電壓大小或相位不等:長(zhǎng)亮不閃;(c)、相序不同且頻率不等時(shí):三組燈同時(shí)忽亮忽暗,燈光閃爍。在燈1熄滅,燈2和燈3亮度相同,且A與A之間的電壓表指示為零時(shí)的瞬間,合閘投入并聯(lián)。交叉接法1U3U2U交叉接法燈光旋轉(zhuǎn)的分析AUBUCUAUBUCUAUBUCUAUBUCU2U3U123最亮半亮半亮123半
39、亮最亮半亮123半亮半亮最亮(假設(shè) f f )AUBUCU1U3UCUAUBU2U1U (a)(b)(c)(2)、自整步法首先校驗(yàn)發(fā)電機(jī)相序,然后將勵(lì)磁繞組經(jīng)限流電阻短路,用原動(dòng)機(jī)將發(fā)電機(jī)拖動(dòng)到接近同步轉(zhuǎn)速時(shí),將發(fā)電機(jī)投入電網(wǎng),再立即加上直流勵(lì)磁,利用定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)間形成的電磁轉(zhuǎn)矩的“自整步作用”,迅速將發(fā)電機(jī)牽入同步。SNnSNn自整步法的接線示意圖nsnsS0N0勵(lì)磁電源二、功角特性二、功角特性同步發(fā)電機(jī)接在電網(wǎng)上穩(wěn)態(tài)對(duì)稱運(yùn)行時(shí),在恒定勵(lì)磁和恒定電網(wǎng)電壓下(即E0 = 常值,U = 常值), 發(fā)電機(jī)發(fā)出的電磁功率Pe與功率角之間的關(guān)系曲線Pe= f (),稱為同步發(fā)電機(jī)的功角特性。不計(jì)電樞電
40、阻時(shí)的相量圖U00EddXI jIqqXI jqI0dI)sincos( )sinsincos(cos )cos( cos000dqeIImUmUImUImUIP(忽略電樞電阻)cos sin0UEXIUXIddqqddqqXUEIXUIcos sin02sin)11(2sin20dqdeXXUmXUEmP功率附加電磁功率,或磁阻基本電磁功率2sin)11(2sin2201dqedeXXUmPXUEmP )11(245 902max20max1dqedeXXUmPXUEmP時(shí),時(shí),Pe1PePe204590Pe180-180發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)同步電機(jī)功角特性max2max1max9045eeePPP
41、時(shí)功率角的雙重物理意義功率角的雙重物理意義U0EuB0B激磁電動(dòng)勢(shì) 由主磁場(chǎng) 感應(yīng)產(chǎn)生,電樞端電壓 由電樞合成磁場(chǎng) 感應(yīng)產(chǎn)生,因此功率角既是激磁電動(dòng)勢(shì) 和電樞端電壓 的時(shí)間相位差,也是主磁場(chǎng) 與電樞合成磁場(chǎng) 的空間相位差。U0EU0E0BuB0BuBN0S0主極nsSN表征電樞合成磁場(chǎng)的等效磁極ns(a) 時(shí)空矢量圖(b) 功率角的近似空間表達(dá)電樞合成磁場(chǎng)由主磁場(chǎng)、電樞反應(yīng)磁場(chǎng)和電樞漏磁場(chǎng)合成令激磁電動(dòng)勢(shì) 與氣隙電動(dòng)勢(shì) 的夾角為i,因?yàn)橹鞔艌?chǎng) 和氣隙合成磁場(chǎng) 分別超前 和 90 ,因此i 也是主磁場(chǎng)與氣隙合成磁場(chǎng)的空間相位差,它反映了負(fù)載后氣隙磁場(chǎng)的位移,所以將i 稱為位移角。0EE0BB0EE當(dāng)同步發(fā)電機(jī)被原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組通入直流勵(lì)磁電流時(shí),轉(zhuǎn)子將產(chǎn)生主極磁動(dòng)勢(shì)及相應(yīng)的主極磁場(chǎng)(包括在氣隙中以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的主磁場(chǎng)和主極漏磁場(chǎng))。
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