第06章 同步電機(jī)

1、第六章第六章 同步電機(jī)同步電機(jī)6.1 同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)6.2 同步發(fā)電機(jī)的空載磁場(chǎng)和電樞反應(yīng)同步發(fā)電機(jī)的空載磁場(chǎng)和電樞反應(yīng) 6.3 隱極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程、相量圖和等效電路隱極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程、相量圖和等效電路6.4 凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程和相量圖凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程和相量圖 6.5 同步發(fā)電機(jī)的功率方程、轉(zhuǎn)矩方程和功角特性同步發(fā)電機(jī)的功率方程、轉(zhuǎn)矩方程和功角特性 6.6 同步電機(jī)參數(shù)的測(cè)定同步電機(jī)參數(shù)的測(cè)定6.7 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 6.8 同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的并聯(lián)運(yùn)行同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的并聯(lián)運(yùn)行 6.9 同步電動(dòng)機(jī)與同步

2、補(bǔ)償機(jī)同步電動(dòng)機(jī)與同步補(bǔ)償機(jī) 6.10 同步發(fā)電機(jī)的不對(duì)稱運(yùn)行同步發(fā)電機(jī)的不對(duì)稱運(yùn)行 6.11 同步發(fā)電機(jī)的三相突然短路同步發(fā)電機(jī)的三相突然短路6.12 永磁同步電機(jī)永磁同步電機(jī)第六章第六章 同步電機(jī)同步電機(jī)第六章第六章 同步電機(jī)同步電機(jī) 同步電機(jī)同步電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速是常值且與同步速相等，與負(fù)載的大轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速是常值且與同步速相等，與負(fù)載的大小無(wú)關(guān)。小無(wú)關(guān)。min)r/(60pfnns同步電機(jī)主要用作同步電機(jī)主要用作發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)，也可以用作，也可以用作電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)和和補(bǔ)償機(jī)補(bǔ)償機(jī)。主要內(nèi)容主要內(nèi)容同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)對(duì)稱運(yùn)行同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)對(duì)稱運(yùn)行同步電動(dòng)機(jī)和調(diào)相機(jī)同步電動(dòng)機(jī)和調(diào)相機(jī)同步發(fā)電機(jī)的不對(duì)稱運(yùn)行

3、和三相突然短路同步發(fā)電機(jī)的不對(duì)稱運(yùn)行和三相突然短路 6.1 同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)狀態(tài)一、基本結(jié)構(gòu)一、基本結(jié)構(gòu) 同步電機(jī)分為同步電機(jī)分為旋轉(zhuǎn)電樞式：旋轉(zhuǎn)電樞式：磁極裝在定子上，磁極裝在定子上，用于小容量同步電機(jī)中。用于小容量同步電機(jī)中。旋轉(zhuǎn)電樞式旋轉(zhuǎn)電樞式旋轉(zhuǎn)磁極式旋轉(zhuǎn)磁極式旋轉(zhuǎn)磁極式旋轉(zhuǎn)磁極式：磁極裝在轉(zhuǎn)子上，為大中型同步電機(jī)的基：磁極裝在轉(zhuǎn)子上，為大中型同步電機(jī)的基本形式。本形式。旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機(jī)的結(jié)構(gòu) : 0.35mm 0.5 三相對(duì)稱繞組繞組的冷軋硅鋼片或鐵心:轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子 。同心式繞組或集中繞組直流勵(lì)磁繞組整體或低碳鋼片迭成。，氣隙

4、不均勻凸極整塊高強(qiáng)度合金鋼。氣隙均勻，隱極鐵心 : :定子定子 電刷和集電環(huán)電刷和集電環(huán)同步電機(jī)又分為同步電機(jī)又分為隱極式隱極式和和凸極式凸極式兩種。兩種。有明顯的凸出的磁極，氣有明顯的凸出的磁極，氣隙不均勻，制作簡(jiǎn)單。隙不均勻，制作簡(jiǎn)單。適合于高速發(fā)電機(jī)適合于高速發(fā)電機(jī)適合于低速發(fā)電機(jī)適合于低速發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子圓柱形，氣隙均勻，轉(zhuǎn)子機(jī)轉(zhuǎn)子圓柱形，氣隙均勻，轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度高，勵(lì)磁繞組固定容易。械強(qiáng)度高，勵(lì)磁繞組固定容易。NS+隱極式隱極式NSNS+凸極式凸極式汽輪發(fā)電機(jī)汽輪發(fā)電機(jī) 由汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的同步發(fā)電機(jī)由汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的同步發(fā)電機(jī) p = 1 n = 3000r/min (50Hz) n = 3600r

5、/min (60Hz) 采用隱極結(jié)構(gòu)采用隱極結(jié)構(gòu) 6222D L 轉(zhuǎn)子細(xì)而長(zhǎng)轉(zhuǎn)子細(xì)而長(zhǎng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，對(duì)鐵心的強(qiáng)度要求很高，就目前材料，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，對(duì)鐵心的強(qiáng)度要求很高，就目前材料，轉(zhuǎn)子直徑不能超過(guò)子直徑不能超過(guò)1.1m1.1m。 基本采用臥式結(jié)構(gòu)基本采用臥式結(jié)構(gòu)水輪發(fā)電機(jī)水輪發(fā)電機(jī) 由水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的同步發(fā)電機(jī)由水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的同步發(fā)電機(jī) n = 幾十幾十 幾百幾百r/min 極對(duì)數(shù)多極對(duì)數(shù)多采用凸極結(jié)構(gòu)采用凸極結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)子粗而短轉(zhuǎn)子粗而短7522LD 勵(lì)磁繞組為集中繞組勵(lì)磁繞組為集中繞組 立式結(jié)構(gòu)立式結(jié)構(gòu) 阻尼繞組阻尼繞組阻尼繞組的結(jié)構(gòu)與籠型感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子的籠型繞組相似。阻尼繞組的結(jié)構(gòu)與籠型感應(yīng)電

6、機(jī)的轉(zhuǎn)子的籠型繞組相似。阻尼繞組的作用作用阻尼繞組的作用作用同步發(fā)電機(jī)中同步發(fā)電機(jī)中：抑制轉(zhuǎn)子機(jī)械振蕩：抑制轉(zhuǎn)子機(jī)械振蕩同步電動(dòng)機(jī)和同步補(bǔ)償機(jī)中同步電動(dòng)機(jī)和同步補(bǔ)償機(jī)中：起動(dòng)繞組：起動(dòng)繞組與感應(yīng)電機(jī)一樣同步電機(jī)定轉(zhuǎn)子極數(shù)應(yīng)相同。與感應(yīng)電機(jī)一樣同步電機(jī)定轉(zhuǎn)子極數(shù)應(yīng)相同。二、同步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)二、同步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài) 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng) 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)通入直流勵(lì)磁電流產(chǎn)生，與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)通入直流勵(lì)磁電流產(chǎn)生，與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)。定子磁場(chǎng)定子磁場(chǎng) 定子三相對(duì)稱繞組流過(guò)三相對(duì)稱電流產(chǎn)生，以定子三相對(duì)稱繞組流過(guò)三相對(duì)稱電流產(chǎn)生，以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)（等于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速）。同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)（等于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速）。同步電機(jī)也有同步電機(jī)

7、也有發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)、補(bǔ)償機(jī)補(bǔ)償機(jī)三種運(yùn)行狀態(tài)。三種運(yùn)行狀態(tài)。運(yùn)行狀態(tài)取決于磁場(chǎng)的相對(duì)位置運(yùn)行狀態(tài)取決于磁場(chǎng)的相對(duì)位置合成磁場(chǎng)合成磁場(chǎng) 定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的合成，以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的合成，以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。功率角功率角 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)軸線轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)軸線領(lǐng)先合成磁場(chǎng)軸線的夾領(lǐng)先合成磁場(chǎng)軸線的夾角。角。 0時(shí)時(shí)，Te為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩Te 平衡平衡 。轉(zhuǎn)子吸收機(jī)械功率，定子發(fā)出電功率。轉(zhuǎn)子吸收機(jī)械功率，定子發(fā)出電功率。 發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài) f若若f fAUBUBUCUCUAUCUAUAUBUBUCUAUBUCUAU

8、BUCU 1號(hào)燈滅 3號(hào)燈滅 2號(hào)燈滅燈光旋轉(zhuǎn)的說(shuō)明燈光旋轉(zhuǎn)的說(shuō)明自整步法自整步法準(zhǔn)確整步法的優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確整步法的優(yōu)點(diǎn)是投入瞬間電網(wǎng)和電機(jī)沒(méi)有 （或很少）沖擊；缺點(diǎn)是整步手續(xù)比較復(fù)雜，時(shí)間長(zhǎng)，不能滿足快速?zèng)_擊；缺點(diǎn)是整步手續(xù)比較復(fù)雜，時(shí)間長(zhǎng)，不能滿足快速并網(wǎng)要求。并網(wǎng)要求。(1) 校驗(yàn)發(fā)電機(jī)的相序；校驗(yàn)發(fā)電機(jī)的相序；(2) 勵(lì)磁繞組經(jīng)限流電阻短路；勵(lì)磁繞組經(jīng)限流電阻短路；(3) 發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速接近同步速；發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速接近同步速；(4) 并網(wǎng)；并網(wǎng)；(5) 加勵(lì)磁電流。加勵(lì)磁電流。二、有功功率的調(diào)節(jié)和靜態(tài)穩(wěn)定二、有功功率的調(diào)節(jié)和靜態(tài)穩(wěn)定1. 有功功率的調(diào)節(jié)有功功率的調(diào)節(jié)以隱極電機(jī)為例，說(shuō)明同步發(fā)電機(jī)

9、與無(wú)窮大電網(wǎng)并聯(lián)時(shí)有以隱極電機(jī)為例，說(shuō)明同步發(fā)電機(jī)與無(wú)窮大電網(wǎng)并聯(lián)時(shí)有功功率的調(diào)節(jié)。為簡(jiǎn)化分析，略去電樞電阻和磁飽和的影功功率的調(diào)節(jié)。為簡(jiǎn)化分析，略去電樞電阻和磁飽和的影響。響。準(zhǔn)確整步法并網(wǎng)時(shí)準(zhǔn)確整步法并網(wǎng)時(shí)，UE0，功率角00sin02seXUEmPP電磁轉(zhuǎn)距電磁轉(zhuǎn)距Te 0，發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)上處于空載狀態(tài)；原動(dòng)機(jī)的，發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)上處于空載狀態(tài)；原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩僅用于克服發(fā)電機(jī)的空載阻轉(zhuǎn)矩。驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩僅用于克服發(fā)電機(jī)的空載阻轉(zhuǎn)矩。欲使發(fā)電機(jī)輸出有功功率，根據(jù)能量守恒原理，應(yīng)當(dāng)增加發(fā)欲使發(fā)電機(jī)輸出有功功率，根據(jù)能量守恒原理，應(yīng)當(dāng)增加發(fā)電機(jī)的輸入功率，即調(diào)解原動(dòng)機(jī)，這可以由開(kāi)大汽輪機(jī)的汽電機(jī)的輸入功

10、率，即調(diào)解原動(dòng)機(jī)，這可以由開(kāi)大汽輪機(jī)的汽門（或水輪機(jī)的水門）來(lái)實(shí)現(xiàn)。門（或水輪機(jī)的水門）來(lái)實(shí)現(xiàn)。原動(dòng)機(jī)的功率增加時(shí)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩原動(dòng)機(jī)的功率增加時(shí)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩T1增大，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子加速，增大，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子加速，于是與轉(zhuǎn)子主磁場(chǎng)相對(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)于是與轉(zhuǎn)子主磁場(chǎng)相對(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)E0將超前于電網(wǎng)電壓將超前于電網(wǎng)電壓U以以 角。角。根據(jù)功角特性，此時(shí)發(fā)電機(jī)將向電網(wǎng)輸出一定的有功功率根據(jù)功角特性，此時(shí)發(fā)電機(jī)將向電網(wǎng)輸出一定的有功功率P2。sin02seXUEmPP同時(shí)轉(zhuǎn)子上將受到一個(gè)制動(dòng)的電磁轉(zhuǎn)矩同時(shí)轉(zhuǎn)子上將受到一個(gè)制動(dòng)的電磁轉(zhuǎn)矩Te，使驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和，使驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和制動(dòng)的電磁轉(zhuǎn)矩重新取得平衡；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速仍然保持為同步制

11、動(dòng)的電磁轉(zhuǎn)矩重新取得平衡；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速仍然保持為同步轉(zhuǎn)速。此時(shí)發(fā)電機(jī)已處于負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)，如圖中的轉(zhuǎn)速。此時(shí)發(fā)電機(jī)已處于負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)，如圖中的A點(diǎn)所示。點(diǎn)所示。由此可見(jiàn)，要增加發(fā)電機(jī)的輸出有功功率，必須增加原動(dòng)由此可見(jiàn)，要增加發(fā)電機(jī)的輸出有功功率，必須增加原動(dòng)機(jī)的輸出功率，使功率角機(jī)的輸出功率，使功率角 增大，電磁功率和輸出功率便增大，電磁功率和輸出功率便會(huì)相應(yīng)的增加；直到會(huì)相應(yīng)的增加；直到 90時(shí)，電磁功率達(dá)到最大值時(shí)，電磁功率達(dá)到最大值Pe（max）。seXUEmP0(max)在電機(jī)的最大功率增大到在電機(jī)的最大功率增大到Pe（max）時(shí)，不能再增加輸入功率。時(shí)，不能再增加輸入功率。否則驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩與

12、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩不能實(shí)現(xiàn)平衡，發(fā)電機(jī)會(huì)失去同步。否則驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩與制動(dòng)轉(zhuǎn)矩不能實(shí)現(xiàn)平衡，發(fā)電機(jī)會(huì)失去同步。2. 靜態(tài)穩(wěn)定靜態(tài)穩(wěn)定穩(wěn)態(tài)運(yùn)行于某一工作點(diǎn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行于某一工作點(diǎn)的同步發(fā)電機(jī)，當(dāng)外界的同步發(fā)電機(jī)，當(dāng)外界（電網(wǎng)或原動(dòng)機(jī)）發(fā)生（電網(wǎng)或原動(dòng)機(jī)）發(fā)生微小的擾動(dòng)時(shí)，工作點(diǎn)微小的擾動(dòng)時(shí)，工作點(diǎn)發(fā)生偏移，擾動(dòng)消失后，發(fā)生偏移，擾動(dòng)消失后，發(fā)電機(jī)能回到原先狀態(tài)發(fā)電機(jī)能回到原先狀態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行，稱為穩(wěn)定運(yùn)行，稱為同步發(fā)同步發(fā)電機(jī)靜態(tài)是穩(wěn)定的；電機(jī)靜態(tài)是穩(wěn)定的；否否則是則是靜態(tài)不穩(wěn)定的靜態(tài)不穩(wěn)定的。正常工作于正常工作于A點(diǎn)或點(diǎn)或B點(diǎn)，看發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行情況。點(diǎn)，看發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行情況。cos0seXUEmddP當(dāng)90時(shí)，0

13、ddPe發(fā)電機(jī)就變?yōu)椴环€(wěn)定。整步功率系數(shù)整步功率系數(shù)三、無(wú)功功率的調(diào)節(jié)三、無(wú)功功率的調(diào)節(jié)以隱極電機(jī)為例，說(shuō)明同步發(fā)電機(jī)與無(wú)窮大電網(wǎng)并聯(lián)時(shí)無(wú)以隱極電機(jī)為例，說(shuō)明同步發(fā)電機(jī)與無(wú)窮大電網(wǎng)并聯(lián)時(shí)無(wú)功功率的調(diào)節(jié)。功功率的調(diào)節(jié)。忽略電樞電阻，原動(dòng)機(jī)的輸入功率保持不變。忽略電樞電阻，原動(dòng)機(jī)的輸入功率保持不變。根據(jù)功率平衡關(guān)系可知，在調(diào)節(jié)勵(lì)磁前后，發(fā)電機(jī)的電磁根據(jù)功率平衡關(guān)系可知，在調(diào)節(jié)勵(lì)磁前后，發(fā)電機(jī)的電磁功率和輸出的有功功率均應(yīng)近似的保持不變。功率和輸出的有功功率均應(yīng)近似的保持不變。常值sin0seXUEmP常值cos2mUIP常值常值cossin0IE1. 無(wú)功功率的調(diào)節(jié)無(wú)功功率的調(diào)節(jié)不同勵(lì)磁電流是的向

14、量圖不同勵(lì)磁電流是的向量圖正常勵(lì)磁正常勵(lì)磁 cos=1過(guò)勵(lì)過(guò)勵(lì) 加大勵(lì)磁電流，加大勵(lì)磁電流，電樞電流將滯后于電網(wǎng)電壓。電樞電流將滯后于電網(wǎng)電壓。欠勵(lì)欠勵(lì) 減小勵(lì)磁電流，電樞電流將超前于電網(wǎng)電壓。減小勵(lì)磁電流，電樞電流將超前于電網(wǎng)電壓。調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流就可以調(diào)節(jié)無(wú)功功率這一現(xiàn)象，還可以用磁調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流就可以調(diào)節(jié)無(wú)功功率這一現(xiàn)象，還可以用磁動(dòng)勢(shì)平衡關(guān)系來(lái)解釋。動(dòng)勢(shì)平衡關(guān)系來(lái)解釋。 發(fā)電機(jī)與無(wú)窮大電網(wǎng)并聯(lián)時(shí)，其端電壓恒為常值，所以無(wú)發(fā)電機(jī)與無(wú)窮大電網(wǎng)并聯(lián)時(shí)，其端電壓恒為常值，所以無(wú)論勵(lì)磁如何變化，電樞繞組的合成磁通近似不變。論勵(lì)磁如何變化，電樞繞組的合成磁通近似不變。 反之，減小勵(lì)磁電流而變?yōu)榉粗瑴p小勵(lì)磁電流而變?yōu)椤扒穭?lì)欠勵(lì)”時(shí)，主磁通減少，為時(shí)，主磁通減少，為了維持合成磁通不變，發(fā)電機(jī)必須輸出超前電流，以減小了維持合成磁通不變，發(fā)電機(jī)必須輸出超前電流，以減小去磁性的電樞反應(yīng)，甚至使電樞反應(yīng)變?yōu)樵龃判?，以補(bǔ)償去磁性的電樞反應(yīng)，甚至使電樞反應(yīng)變?yōu)樵龃判?，以補(bǔ)償主磁通。主磁通。 當(dāng)增加勵(lì)磁電流并達(dá)到當(dāng)增加勵(lì)磁電流并達(dá)到“過(guò)勵(lì)過(guò)勵(lì)