第七章 同步電機

1、第七章同步電機第七章同步電機v同步電機的結(jié)構與工作原理同步電機的結(jié)構與工作原理v同步發(fā)電機的運行原理同步發(fā)電機的運行原理v同步電機的電樞反應同步電機的電樞反應v同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行v同步電動機和同步補償機同步電動機和同步補償機同同步步電電機機旋轉(zhuǎn)電樞式旋轉(zhuǎn)電樞式 旋轉(zhuǎn)磁極式旋轉(zhuǎn)磁極式 隱極式隱極式凸極式凸極式同同步步電電機機同步發(fā)電機（機械能同步發(fā)電機（機械能 電能）電能） 同步電動機（電能同步電動機（電能 機械能）機械能）同步調(diào)相機（改善電網(wǎng)功率因數(shù)）同步調(diào)相機（改善電網(wǎng)功率因數(shù)）2.主要分類：主要分類：1.同步電機：同步電機：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（n n）與電樞繞組感應電勢

2、的頻率與電樞繞組感應電勢的頻率 （f f）嚴格成正比的電機。）嚴格成正比的電機。7.1 7.1 同步電機的類型和構造同步電機的類型和構造按用途按用途按結(jié)構按結(jié)構一、隱極同步發(fā)電機的基本結(jié)構一、隱極同步發(fā)電機的基本結(jié)構 （圖片）（圖片）定子定子轉(zhuǎn)子大型發(fā)電機吊裝現(xiàn)場圖片左江左江24MW24MW發(fā)電機轉(zhuǎn)子在吊裝發(fā)電機轉(zhuǎn)子在吊裝三峽左岸發(fā)電機定子總裝配 VGS VGS 發(fā)發(fā) 電電 機機 定定 子子 鐵鐵 芯芯三峽左岸發(fā)電機定子總裝配 發(fā)發(fā)電電機機定定子子繞繞組組發(fā)電機轉(zhuǎn)子 VGS發(fā)電機轉(zhuǎn)子 同步電機一般采用旋轉(zhuǎn)磁極式結(jié)構，根據(jù)磁極形狀可同步電機一般采用旋轉(zhuǎn)磁極式結(jié)構，根據(jù)磁極形狀可分為隱極和凸極兩種

3、型式。分為隱極和凸極兩種型式。 凸極同步電機氣隙不均勻，適合于中速或低速旋轉(zhuǎn)場合凸極同步電機氣隙不均勻，適合于中速或低速旋轉(zhuǎn)場合 隱極同步電機在不考慮齒槽效應時，氣隙均勻，適合于隱極同步電機在不考慮齒槽效應時，氣隙均勻，適合于 高速旋轉(zhuǎn)高速旋轉(zhuǎn)同步電機結(jié)構特點同步電機結(jié)構特點 轉(zhuǎn)子：磁極（直流激磁） 定子：電樞（三相對稱繞組） 磁極：凸極式：有明顯磁極，集中繞組，氣隙不均勻。 隱極式：圓柱形，氣隙均勻，分布繞組。同步電機的分類同步電機的分類按運行方式和功轉(zhuǎn)換方向：同步發(fā)電機、同步按運行方式和功轉(zhuǎn)換方向：同步發(fā)電機、同步電動機、同步調(diào)相機電動機、同步調(diào)相機按結(jié)構分：旋轉(zhuǎn)磁極式、旋轉(zhuǎn)電樞式按結(jié)構分

4、：旋轉(zhuǎn)磁極式、旋轉(zhuǎn)電樞式( (小容量小容量) )按磁極的形狀分：隱極機、凸極機按磁極的形狀分：隱極機、凸極機按原動機的類別分：汽輪發(fā)電機、水輪發(fā)電機、按原動機的類別分：汽輪發(fā)電機、水輪發(fā)電機、柴油發(fā)電機、燃汽輪發(fā)電機、風力發(fā)電機柴油發(fā)電機、燃汽輪發(fā)電機、風力發(fā)電機 n汽輪發(fā)電機汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)速高、離心力大轉(zhuǎn)速高、離心力大(p=1,p=2)(p=1,p=2)隱極式隱極式n水輪發(fā)電機水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)速低、極數(shù)多轉(zhuǎn)速低、極數(shù)多凸極式凸極式一、同步電機的運行狀態(tài)一、同步電機的運行狀態(tài)發(fā)電機發(fā)電機把機械能轉(zhuǎn)換為電能把機械能轉(zhuǎn)換為電能 電動機電動機把電能轉(zhuǎn)換為機械能把電能轉(zhuǎn)換為機械能補償機補償機沒有有功功率的轉(zhuǎn)

5、換，只發(fā)出或吸沒有有功功率的轉(zhuǎn)換，只發(fā)出或吸 收無功功率收無功功率 同步電機運行狀態(tài)，主要取決于定子合成磁同步電機運行狀態(tài)，主要取決于定子合成磁場與轉(zhuǎn)子主磁場之間的夾角場與轉(zhuǎn)子主磁場之間的夾角，稱為功率角稱為功率角 7.2 同步電機的運行狀態(tài)和勵磁方式同步電機的運行狀態(tài)和勵磁方式 NNoNoNoNNSoSoSSSSoeT0 eTsnsnsneT主極主極主極主極同同步步電電機機的的三三種種運運行行狀狀態(tài)態(tài)發(fā)電機發(fā)電機補償機補償機電動機電動機二、同步電機的勵磁方式二、同步電機的勵磁方式1、直流勵磁機勵磁、直流勵磁機勵磁直流勵磁機通常與同步發(fā)電直流勵磁機通常與同步發(fā)電 機同軸，采用并勵或他勵接法。機

6、同軸，采用并勵或他勵接法。 2、整流器勵磁、整流器勵磁靜止式靜止式旋轉(zhuǎn)式旋轉(zhuǎn)式GG副勵磁機副勵磁機主勵磁機主勵磁機同步發(fā)電機同步發(fā)電機帶副勵磁機的勵磁系統(tǒng)帶副勵磁機的勵磁系統(tǒng)交流副勵磁機交流副勵磁機交流主勵磁機交流主勵磁機不可控整不可控整流起器流起器電壓調(diào)電壓調(diào)整器整器主發(fā)電機主發(fā)電機電電壓壓互互感感器器電流互感器電流互感器可控整可控整流起器流起器自勵恒自勵恒壓器壓器靜止整流器勵磁系統(tǒng)靜止整流器勵磁系統(tǒng)v在中、小型電機中，都采用在中、小型電機中，都采用空氣空氣作為冷卻介質(zhì)。作為冷卻介質(zhì)。當電機的容量很大時，電機內(nèi)部的損耗及發(fā)熱量當電機的容量很大時，電機內(nèi)部的損耗及發(fā)熱量迅速增加，冷卻問題顯得格

7、外重要，此時必須加迅速增加，冷卻問題顯得格外重要，此時必須加強通風或采用其他的冷卻方式。強通風或采用其他的冷卻方式。v在大型汽輪發(fā)電機中，為了提高其冷卻效率，往在大型汽輪發(fā)電機中，為了提高其冷卻效率，往往用往用氫氣氫氣冷卻，但氫氣與空氣混合后，有爆炸危冷卻，但氫氣與空氣混合后，有爆炸危險，必須有一套控制設備來保證外界空氣不會滲險，必須有一套控制設備來保證外界空氣不會滲入到電機內(nèi)部。入到電機內(nèi)部。v目前在更大容量的發(fā)電機中，可以采用導線內(nèi)部目前在更大容量的發(fā)電機中，可以采用導線內(nèi)部直接冷卻。例如采用空心導體（如圖），冷卻介直接冷卻。例如采用空心導體（如圖），冷卻介質(zhì)直接在導體中流通而把熱量帶走，

8、這樣能更有質(zhì)直接在導體中流通而把熱量帶走，這樣能更有效地降低電機的溫升。所采用的冷卻介質(zhì)一般有效地降低電機的溫升。所采用的冷卻介質(zhì)一般有氫氣及氫氣及水水等。等。 7.2.2 7.2.2 冷卻方式冷卻方式7.2.37.2.3額定值額定值n額定容量額定容量S SN N( (或額定功率或額定功率P PN N) ) 指額定運指額定運行時電機的輸出功率行時電機的輸出功率 n額定電壓額定電壓U UN N 指額定運行時定子的線電壓指額定運行時定子的線電壓 n額定電流額定電流I IN N 指額定運行時定子的線電流指額定運行時定子的線電流 n額定功率因數(shù)額定功率因數(shù)coscos 指額定運行時電指額定運行時電機的

9、功率因數(shù)機的功率因數(shù) n額定頻率額定頻率f fN N 指額定運行時電樞的頻率。指額定運行時電樞的頻率。我國標準工頻規(guī)定為我國標準工頻規(guī)定為50Hz50Hzn額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速n nN N 指額定運行時電機的轉(zhuǎn)速，指額定運行時電機的轉(zhuǎn)速，對同步電機而言，即為同步轉(zhuǎn)速對同步電機而言，即為同步轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)子通直流電流轉(zhuǎn)子通直流電流I If f勵磁磁場勵磁磁場B Bf f電樞感電樞感應電動勢應電動勢tEemacos)120cos(tEemb)120cos(tEemcf260pnf 隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度角速度 三相對稱三相對稱負載運行時負載運行時旋轉(zhuǎn)基波旋轉(zhuǎn)基波磁動勢磁動勢aF 三相對稱三相對稱電樞電流

10、電樞電流i iabcabcpfn6011nn ( (同步電機同步電機) )SNneaebecIf同步發(fā)電機同步發(fā)電機分）轉(zhuǎn)/( 6011pfn NS0N0S1nn課堂討論2、同步電機的定子還是轉(zhuǎn)子稱為電樞？v定子，轉(zhuǎn)子稱為磁極定子，轉(zhuǎn)子稱為磁極3、凸極機和隱極機氣隙大小的差別1、何為同步？何為異步？7.4 7.4 同步發(fā)電機的運行同步發(fā)電機的運行0 f一、空載磁場一、空載磁場 空載運行時，同步電機內(nèi)僅有空載運行時，同步電機內(nèi)僅有由勵磁電流所建立的主極磁場。由勵磁電流所建立的主極磁場。 主極磁通分成主磁通主極磁通分成主磁通0 0和漏磁和漏磁通通ff兩部分，前者通過氣隙并與兩部分，前者通過氣隙并與

11、定子繞組相交鏈，后者不通過氣隙，定子繞組相交鏈，后者不通過氣隙，僅與勵磁繞組相交鏈。主磁通所經(jīng)僅與勵磁繞組相交鏈。主磁通所經(jīng)過的主磁路包括空氣隙電樞齒、電過的主磁路包括空氣隙電樞齒、電樞軛、磁極極身和轉(zhuǎn)子軛等五部分。樞軛、磁極極身和轉(zhuǎn)子軛等五部分。二、空載特性二、空載特性 當轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，主磁場將在氣隙中形成一當轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，主磁場將在氣隙中形成一個旋轉(zhuǎn)磁場，在定子繞組內(nèi)感應出對稱三相電動勢（激磁個旋轉(zhuǎn)磁場，在定子繞組內(nèi)感應出對稱三相電動勢（激磁電動勢）電動勢） 空載特性：空載特性：激磁電動勢與勵磁電流之間的關系。激磁電動勢與勵磁電流之間的關系。1. 1. 空載感應電動勢的大小

12、與頻率空載感應電動勢的大小與頻率基波電動勢：E0=4.44fNkN10fIfFn速旋轉(zhuǎn)主磁通0漏磁通f定子感應電勢定子感應電勢 eabcn感應電勢感應電勢勵磁電流磁動勢2. 2. 空載電動勢與勵磁電流的關系空載電動勢與勵磁電流的關系電機磁路的飽和系數(shù)oadhaback00E當轉(zhuǎn)子以恒定轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時，)(0fFf為磁路的磁化特性曲線相似(成比例)與)()(00ffIfFfEIfFf隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為 n基波)(1nFfE0（ ） 60pnf 接三相對稱負載三相對稱電流iabc(f)旋轉(zhuǎn)磁勢基波(電樞磁勢)aF大小pKIFNNa135. 1轉(zhuǎn)速npfn601方向與轉(zhuǎn)子同向Ff (激磁電流）與激磁電流

13、）與Fa同速同相旋轉(zhuǎn)，相對靜止。同速同相旋轉(zhuǎn)，相對靜止。一電磁過程一電磁過程 7.4.2 7.4.2 對稱負載時的電樞反應對稱負載時的電樞反應jYjY:;,:0與負載有關；的時間相位角與是外功率因數(shù)角外功率因數(shù)角與電機參數(shù)與是內(nèi)功率因數(shù)角內(nèi)功率因數(shù)角功率角功率角( (功角) ):0三者關系三者關系的時間相位角。與 UEIUIE直軸（縱軸、d 軸）：主磁極軸線位置。 交軸（橫軸、q 軸）：與直軸成900電角度的位置。相軸： 每相繞組的軸線位置。 的時間相位角時軸: 時間相量在其上投影可得瞬時值 幾個基本概念幾個基本概念的時間相位角，及負載有關。二電樞反應二電樞反應 v電樞反應:同步發(fā)電機負載時電

14、樞磁通勢的基波在氣隙中所產(chǎn)生的磁場對主磁場基波的影響，稱為電樞反應。v氣隙磁通的大小及位置均發(fā)生變化。 +90+900 0FFad軸軸q軸軸 A軸軸A AX X Z ZB BCYFfNSBI.AI.CI.AE0.時軸CE0.B0.E結(jié)論：結(jié)論：Fa=Faq ，為，為交軸電樞磁勢，產(chǎn)生交軸交軸電樞磁勢，產(chǎn)生交軸電樞反應，電樞反應，“交磁作用交磁作用”，使氣隙磁場，使氣隙磁場“歪扭歪扭”1.1.內(nèi)功率因數(shù)角內(nèi)功率因數(shù)角=0=0o o時時( (負載為純阻性負載為純阻性) )2.2.內(nèi)功率因數(shù)角內(nèi)功率因數(shù)角=90=90o o時時( (負載為純感性負載為純感性) )時軸AE0.CE0.BE0.AI.CI

15、.BI.d軸q軸 A軸A AX XZ ZB BCYFfNSFa結(jié)論：結(jié)論： Fa=Fad 直軸去磁電樞反應。直軸去磁電樞反應。aI0E滯后滯后90o3. 內(nèi)功率因數(shù)角內(nèi)功率因數(shù)角 90o時時(負載為容性負載為容性)結(jié)論：結(jié)論： Fa=Fad 直軸助磁電樞反應。直軸助磁電樞反應。時軸AE0.CE0.BE0.CI.BI.AI.d軸q軸 A軸A AX XZ ZB BCYFfNSFaaI0E超前超前90o4.4.內(nèi)功率因數(shù)角內(nèi)功率因數(shù)角：9090o o - 90 - 90o o時時時軸AE0.CE0.BE0.AI.CI.BI.d軸q軸 A軸A AX XZ ZB BCYFfNS+90+900 0FaFa

16、(1) 0 90o時(負載為感性) FaFad，與Ff1反向，去磁性質(zhì)Faq，與Ff1正交，交磁性質(zhì)IadIa qI(2) 90o 0o時(負載為容性) FaFad，與Ff1同向，助磁性質(zhì)Faq，與Ff1正交，交磁性質(zhì)a qIadII當當角為不同值的電樞反應角為不同值的電樞反應 位置位置夾角夾角記記作作電樞反電樞反應性質(zhì)應性質(zhì)對電機的影響對電機的影響負載性質(zhì)負載性質(zhì)n(f)n(f)U U=0=00 0q q軸軸+90+900 0交軸交軸波形波形畸變畸變下降下降不變不變R R=90=900 0d d軸軸+90+900 0直、去直、去削弱削弱不變不變下降下降L L=-90=-900 0d d軸軸+

17、90+900 0直、助直、助增強增強不變不變上升上升C C0 00 090900 0d d、q q軸軸+90+900 0交、直去交、直去削弱削弱下降下降下降下降 R R、L L-90-900 00 ，所以，所以X XadadXXaqaq，因此在凸極同步電機中，因此在凸極同步電機中，X Xd dXXq q。 對于隱極電機，由于氣隙是均勻的，故對于隱極電機，由于氣隙是均勻的，故X Xd dXXq qXXs s adaq三、直軸和交軸同步電抗的意義三、直軸和交軸同步電抗的意義adF)(adad )( )(aqaq adF)( 直軸電樞磁導直軸電樞磁導交軸電樞磁導交軸電樞磁導凸極同步電機電樞反應磁通及

18、所經(jīng)磁路及磁導凸極同步電機電樞反應磁通及所經(jīng)磁路及磁導返回返回練習：練習：一臺凸極同步發(fā)電機，其直軸和交軸一臺凸極同步發(fā)電機，其直軸和交軸同步電抗的標幺值為同步電抗的標幺值為 ， ，電樞電阻略去不計，試計算該機在額定電壓、電樞電阻略去不計，試計算該機在額定電壓、額定電流、額定電流、 ( (滯后滯后) ) 時激磁電動勢時激磁電動勢 的標幺值的標幺值 ( (不計飽和不計飽和) ) 0*01U0*87.361 I8 . 0cos j j*0E0 . 1*dX6 . 0* qX00*44.19442. 187.366 . 01jXI jUEqQ 虛擬電動勢為虛擬電動勢為解解 以端電壓作為參考相量以端電

19、壓作為參考相量000031.5687.3644.19j8321. 0sin0*IId5547. 0cos0*IIq775. 1) 6 . 01 (8321. 0442. 1)(*0qddQXXIEE即即角為角為19194444，于是，于是電樞電流的直軸、交軸分量和激磁電動勢分別為電樞電流的直軸、交軸分量和激磁電動勢分別為練習二練習二：計算上題中凸極發(fā)電機在額定電壓、：計算上題中凸極發(fā)電機在額定電壓、額定電流、額定功率因數(shù)額定電流、額定功率因數(shù) （滯后）（滯后） 的情況下運行時，發(fā)電機發(fā)出的電磁功率。已的情況下運行時，發(fā)電機發(fā)出的電磁功率。已知發(fā)電機的額定容量為知發(fā)電機的額定容量為93750kV

20、A93750kVA。8 . 0cosj8 . 05547. 0442. 1cosYIEPQMkWSPPNMM75000937508 . 0解：用標幺值計算解：用標幺值計算注意：用標幺值計算時，不用乘以注意：用標幺值計算時，不用乘以3，因為基準值是三相容量因為基準值是三相容量)(0fIfE 7.6 7.6 同步電機參數(shù)的測定同步電機參數(shù)的測定一、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XdXdv空載試驗空載試驗v試驗過程：電樞開路試驗過程：電樞開路 ( (空空載載) )，用原動機把被試同步，用原動機把被試同步電機拖動到同步轉(zhuǎn)速，改變電機拖動到同步轉(zhuǎn)速，改變勵磁電流勵磁電流I If f

21、，并記取相應的，并記取相應的電樞端電壓電樞端電壓U U0 0 ( (空載時即等空載時即等于于E E0 0），直到），直到U U0 01.25U1.25UN N左左右，可得空載特性曲線右，可得空載特性曲線0EE空載曲線空載曲線OFffIF 或或A 勵磁電樞AAA短路實驗接線圖短路實驗接線圖INIOfkIfI短路特性短路特性圖短路特性圖v短路試驗短路試驗v試驗過程：將被試同步電試驗過程：將被試同步電機的電樞端點三相短路，用機的電樞端點三相短路，用原動機拖動被試電機到同步原動機拖動被試電機到同步轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)勵磁電流轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)勵磁電流I If f使電使電樞電流樞電流I I從零起一直增加到從零起一直增加到

22、1.2I1.2IN N左右，便可得到短路左右，便可得到短路特性曲線，特性曲線， 短路時，短路時， ，故，故 ， ，而，而 所以所以 因為短路試驗時磁路為不飽和，所以這里的因為短路試驗時磁路為不飽和，所以這里的E E0 0( (每相值每相值) )應從氣隙線上查出，如應從氣隙線上查出，如圖圖所示，求出的所示，求出的X Xd d值為不飽和值。值為不飽和值。 00900qIdIIdqqddaXI jXI jXI jRIUE0IEXd0 氣隙 線空載載特短路特性IE ,00EIofIfIdX返回用空載和短路特性來確定用空載和短路特性來確定 X Xd d的飽和值與主磁路的飽和情況有關。主磁路的飽和值與主磁

23、路的飽和情況有關。主磁路的飽和程度取決于實際運行時作用在主磁路上的合的飽和程度取決于實際運行時作用在主磁路上的合成磁動勢，因而取決于相應的氣隙電動勢；如果不成磁動勢，因而取決于相應的氣隙電動勢；如果不計漏阻抗壓降，則可近似認為取決于電樞的端電壓，計漏阻抗壓降，則可近似認為取決于電樞的端電壓，所以通常用對應于額定電壓時的所以通常用對應于額定電壓時的X Xd d值作為其飽和值。值作為其飽和值。為此，從空載曲線上查出對應于額定端電壓為此，從空載曲線上查出對應于額定端電壓U UN N時的時的勵磁電流勵磁電流I If0f0，再從短路特性上查出與該勵磁電流相，再從短路特性上查出與該勵磁電流相應的短路電流，

24、如應的短路電流，如圖圖所示，這樣即可求出所示，這樣即可求出 X Xd d( (飽和飽和) )氣隙 線空載載特短路特性IE ,00EIofIfINUIUXNd0fI( (飽和飽和) )的確定的確定I7.7 7.7 同步發(fā)電機的運行特性同步發(fā)電機的運行特性一、同步發(fā)電機的運行特性一、同步發(fā)電機的運行特性外特性外特性: :發(fā)電機的轉(zhuǎn)速為發(fā)電機的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速，且勵磁電流同步轉(zhuǎn)速，且勵磁電流和負載功率因數(shù)不變時，和負載功率因數(shù)不變時，發(fā)電機的端電壓與電樞發(fā)電機的端電壓與電樞電流之間的關系：即電流之間的關系：即n nn n1 1，I If f= =常值，常值，coscos= =常常值時，值時，U=f(I

25、U=f(I) )。 運行特性包括運行特性包括外特性、調(diào)整特性和效率特性。外特性、調(diào)整特性和效率特性。 IUNIONUcos=0.8滯后滯后cos=1cos=0.8超前超前同步發(fā)電機的外特性同步發(fā)電機的外特性%1000fNIINNfUUEuIfIcos=0.8滯后滯后cos=1cos=0.8超前超前ONfI同步發(fā)電機的調(diào)整特性同步發(fā)電機的調(diào)整特性調(diào)整特性調(diào)整特性: :發(fā)電機的轉(zhuǎn)速發(fā)電機的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速、端電壓為為同步轉(zhuǎn)速、端電壓為額定電壓、負載的功率額定電壓、負載的功率因數(shù)不變時，勵磁電流因數(shù)不變時，勵磁電流與電樞電流之間的關系；與電樞電流之間的關系；即即n nn n1 1，U =UU =UN

26、N，coscos= =常值時，常值時，I If f=f(I=f(I) )。效率特性效率特性: :轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速、端電壓為額定電壓、轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速、端電壓為額定電壓、功率因數(shù)為額定功率因數(shù)時，發(fā)電機的效率與輸功率因數(shù)為額定功率因數(shù)時，發(fā)電機的效率與輸出功率的關系；即出功率的關系；即n nn n1 1，U =UU =UN N，cos= coscos= cosN N時，時，=f(P=f(P2 2) )。%100)1 (2pPp7.8 7.8 同步發(fā)電機與電網(wǎng)并聯(lián)運行同步發(fā)電機與電網(wǎng)并聯(lián)運行v同步發(fā)電機投入電網(wǎng)的條件和方法同步發(fā)電機投入電網(wǎng)的條件和方法v同步發(fā)電機的功角特性同步發(fā)電機的功角特性v并聯(lián)運

27、行時同步發(fā)電機的功率調(diào)節(jié)并聯(lián)運行時同步發(fā)電機的功率調(diào)節(jié)7.8.1 7.8.1 投入并聯(lián)的條件和方法投入并聯(lián)的條件和方法(1) (1) 波形相同波形相同(2) (2) 頻率相同頻率相同(3) (3) 幅值相同幅值相同(4) (4) 相位相同相位相同(5) (5) 相序相同相序相同1. 1. 并聯(lián)條件并聯(lián)條件發(fā)電機端電壓與電網(wǎng)電壓滿足以下條件：發(fā)電機端電壓與電網(wǎng)電壓滿足以下條件：整步過程：整步過程：為了將發(fā)電機投入并聯(lián)運行所進行為了將發(fā)電機投入并聯(lián)運行所進行的調(diào)節(jié)和操作過程。的調(diào)節(jié)和操作過程。準確整步法：準確整步法：將發(fā)電機調(diào)到完全符合投入并聯(lián)將發(fā)電機調(diào)到完全符合投入并聯(lián)條件，然后投入電網(wǎng)。條件，

28、然后投入電網(wǎng)。自整步法：自整步法：先驗證發(fā)電機相序，拖到同步轉(zhuǎn)速先驗證發(fā)電機相序，拖到同步轉(zhuǎn)速，然后直接加入電網(wǎng)。，然后直接加入電網(wǎng)。準確同步法直接接法準確同步法直接接法接線圖向量圖電機各端與電網(wǎng)同相端對應，三燈泡同時亮、暗，當燈泡亮、暗頻率很低并且燈泡變暗的瞬間為合閘的最佳時機。2.2.并聯(lián)方法并聯(lián)方法接線圖向量圖準確同步法交叉接法準確同步法交叉接法一相燈泡同端連接，另外兩組交叉連接，三組燈泡依次亮、暗一相燈泡同端連接，另外兩組交叉連接，三組燈泡依次亮、暗，當三組燈泡亮度旋轉(zhuǎn)速度很慢且第一組燈泡變暗的瞬間為合，當三組燈泡亮度旋轉(zhuǎn)速度很慢且第一組燈泡變暗的瞬間為合閘的最佳時機。閘的最佳時機。7

29、.9 7.9 同步發(fā)電機的功角特性同步發(fā)電機的功角特性4.9.1 4.9.1 同步發(fā)電機的功率和轉(zhuǎn)矩同步發(fā)電機的功率和轉(zhuǎn)矩原動機nP1P21PemPmecpFepadp213CuapI R2P 可得功率平衡方程可得功率平衡方程smecFeMpPPPP112CuMPPPaCuaCuRIPP213jcos32UIP )cos(33cos32aaMIRUIRIUIPjj 又又有有由凸極機與隱極機向量圖，有由凸極機與隱極機向量圖，有aIRUEYjcoscos 所以有所以有Ycos3EIPM兩邊除以機械角速度兩邊除以機械角速度，有：，有：空載損耗空載損耗轉(zhuǎn)矩平衡方程轉(zhuǎn)矩平衡方程smecFepPPP0由功

30、率關系有：由功率關系有：MPPP01TTT0102PPPM02TTT7.9.2 7.9.2 同步發(fā)電機的功角特性同步發(fā)電機的功角特性功角特性功角特性：當：當E E0 0和和U U保持不變時，發(fā)電機發(fā)出的電磁功保持不變時，發(fā)電機發(fā)出的電磁功率和功率角之間的關系率和功率角之間的關系)(fPM忽略定子電阻時，忽略定子電阻時，)sinsincos(cosYY mUI)cos(cos2jYmUImUIPPM)sincos(dqIImUsinqqUIX0(cos )ddEUIX)sincos(dqMIImUP由凸極機向量圖，有由凸極機向量圖，有2sin)11(2sin20dqdMXXUmXUEmP代入上式

31、，得功角特性表達式代入上式，得功角特性表達式基本電磁功率基本電磁功率附加電磁功率附加電磁功率2011sin()sin22emdqdmE UmUPXXX隱極同步發(fā)電機功角特性0sinemtmE UPX功角特性簡化為隱極電機,sqdXXX0sinemtE UPX用標么值表示為：用標么值表示為：凸極同步發(fā)電機功角特性凸極電機功角特性的一般化表達式凸極電機功角特性的一般化表達式2011sin()sin22emdqdmE UmUPXXX基本電磁功率附加電磁功率2011sin()sin22emdqdE UUPXXX用標么值表示為：用標么值表示為：練習：有一臺70000kVA、13.8kV（星形連接）， （

32、滯后）的三相水輪發(fā)電機直接與電網(wǎng)相連。已知發(fā)電機參數(shù)： ， ，電樞電阻忽略不計。試求額定負載時發(fā)電機的功率角 和激磁電動勢 ，以及保持該勵磁時發(fā)電機的基本電磁功率及附加電磁功率的最大值。85. 0cosNj72. 2dX9 . 1qX0E解：額定相電壓：解：額定相電壓：VU7968310008 .13 額定相電流：額定相電流：AUSINN292910008 .1331000700003內(nèi)功率因數(shù)角：內(nèi)功率因數(shù)角：Y25.55cossinarctanjjUIXUq功率角：功率角：Y46.2379.3125.55j由向量圖，有激磁電動由向量圖，有激磁電動勢：勢：VXIUEdd13855cos0基本

33、電磁功率最大值：基本電磁功率最大值：附加電磁功率最大值附加電磁功率最大值: :kWXUEPdMAX301108 .1213kWXXUPdqMAX3221011.15)11(237.10 7.10 并聯(lián)運行時同步發(fā)電機的功率調(diào)節(jié)并聯(lián)運行時同步發(fā)電機的功率調(diào)節(jié)無窮大電網(wǎng)：電網(wǎng)的頻率和電壓不受負載變化或其他擾動的影響而保持為常數(shù)的電網(wǎng)。即恒頻恒壓的交流電網(wǎng)。 為分析簡便，以下都以隱極電機為例，并且不計飽和影響，忽略電樞電阻，視電網(wǎng)為“無窮大電網(wǎng)”，即 U 和 f 保持恒定。要增加發(fā)電機輸出功率(有功功率)，就必須增加原動機輸入功率，使功率角 增大。當 角增至90，輸出電磁功率達最大值Pemmax時，

34、若繼續(xù)增加輸入功率，則輸入和輸出之間的平衡關系被破壞，致使電機轉(zhuǎn)子不斷加速并最終失步。一、有功功率調(diào)節(jié)一、有功功率調(diào)節(jié)Pemmax功角的雙重物理意義1、是電動勢 和電壓 間的時間相角差。2、是勵磁磁勢 和合成磁勢 間的空間相角差。0EUfFF0ExI jxI jEEaaUIFfF0a功角功角 意義的圖示意義的圖示A A：NSFNSFfT1nTemn1功角 意義的圖示B功角功角 是轉(zhuǎn)子磁極是轉(zhuǎn)子磁極軸線和定子合成磁極軸線和定子合成磁極軸線的空間夾角軸線的空間夾角P.maxEslPP090(0)qmEppaab180（ ）abcbba.靜態(tài)穩(wěn)定的分析發(fā)電機輸入功率增量（擾動）使aa()，減速aaa

35、a()，加速aa如圖10-2(a)中實線所示如圖10-2(a)中虛線所示二、靜態(tài)穩(wěn)定二、靜態(tài)穩(wěn)定功角特性曲線PPPMM擾動消失01PPPMPPPMM01PPPM2.靜態(tài)不穩(wěn)定的分析擾動使bb()，加速不再回到b點非周期失步如圖10-2(b)中實線所示b()，減速baaa0t=0t(a)(a)0bt=0tbbb(b)(b) 圖10-2 功率角的變化過程 (a) 在a點運行; (b) 在b點運行PPPMM擾動消失PPPMM01PPPM01PPPM不再回到b點靜態(tài)穩(wěn)定的條件靜態(tài)穩(wěn)定的條件 0ddeP0ddeP靜態(tài)穩(wěn)定極限點：靜態(tài)穩(wěn)定極限點： 其對應的功率稱為靜態(tài)穩(wěn)定極限功率其對應的功率稱為靜態(tài)穩(wěn)定極

36、限功率 當電網(wǎng)或原動機偶然發(fā)生微小擾動時，若在擾動消失后發(fā)電機能自行回復到原運行狀態(tài)穩(wěn)定運行，則稱發(fā)電機是靜態(tài)穩(wěn)定的；反之，就是不穩(wěn)定的。整步功率系數(shù)slP穩(wěn)定運行區(qū)域：0ddeP對隱極電機，0cos0dXEU則穩(wěn)定運行區(qū)域為 90過載能力過載能力：最大電磁功率與額定功率之比cos0SemsynXUEmddPP隱極電機2cos)11(cos20dqdsynXXmUXUEmP凸極電機整步功率系數(shù)整步功率系數(shù)ddPPMsyn其值越大，表明保持同步的能力越高，發(fā)電機的性能越好NMpPPk(max)對隱極機對隱極機NNSspXUEmXUEmksin1sin000sinemtmE UPX 常數(shù)2cosP

37、mUIj 常數(shù)由圖可以看出，E0的末端軌跡在直線CD上移動，I的末端軌跡在直線AB上移動。0sinE 常數(shù)cosIj 常數(shù)02sincosemtEPPIXj又，故常數(shù)三、無功功率調(diào)節(jié)與三、無功功率調(diào)節(jié)與V V形曲線形曲線1. 1. 無功功率調(diào)節(jié)無功功率調(diào)節(jié)以隱極電機為例，忽略電樞電阻，輸出有功功率恒定Imin2. V2. V形曲線形曲線sin0EjcosI當調(diào)節(jié)勵磁電流 If 時，E0 變化，負載電流I改變。但是 和 不變化V形曲線特點：1、每條曲線的最低點：cos=1，連線向右傾斜2、不穩(wěn)定區(qū)域邊緣：=900，連線向右傾斜。1、正常勵磁：=0，cos=1，發(fā)P，Q=02、過勵磁：0，cos滯

38、后，滯后，發(fā)P，Q感性3、欠勵磁：0，cos超前，超前，發(fā)P，Q容性v 同步電動機的同步電動機的結(jié)構結(jié)構一般采用凸極結(jié)構；一般采用凸極結(jié)構；磁極表面安裝有起動繞組（阻尼繞組）。磁極表面安裝有起動繞組（阻尼繞組）。v 同步電動機的同步電動機的優(yōu)點優(yōu)點可以改善功率因數(shù)；可以改善功率因數(shù)；低速時，同步電動機的體積與重量比同容低速時，同步電動機的體積與重量比同容量、同轉(zhuǎn)速的感應電動機要??；量、同轉(zhuǎn)速的感應電動機要小；氣隙大，氣隙大，X Xd d小，過載能力高，靜態(tài)穩(wěn)定性小，過載能力高，靜態(tài)穩(wěn)定性好。好。v 同步電動機的同步電動機的缺點缺點起動不方便；起動不方便；只適合恒速負載；只適合恒速負載；結(jié)構復雜

39、、成本高。結(jié)構復雜、成本高。分）轉(zhuǎn)/( 6011pfn NS0N0S1nnSN定子合成磁場定子合成磁場N0S0主磁極主磁極TensT1SN定子合成磁場定子合成磁場Te=0N0S0主磁極主磁極nsT1SN定子合成磁場定子合成磁場N0S0主磁極主磁極T2nsTe0EUIsXI jj0EUIsXI jj0EUIsXI j0 90jsXI jsaXIjRIUE0發(fā)電機慣例：發(fā)電機慣例：電動機慣例：電動機慣例：IIM0EUIjaRIM0EUMIsMXI jaMRIMj同步電動機電壓方程同步電動機電壓方程M0EUaRsXIIMsaXIjRIUE0發(fā)電機慣例：發(fā)電機慣例：電動機慣例：電動機慣例：IIMsMa

40、MXIjRIEU0qqddaXIjXIjRIUE0qqMddMaMXIjXIjRIEU0qqMddMIIII0發(fā)電機慣例：發(fā)電機慣例：電動機慣例：電動機慣例：M吸收電功率02sin112sin20dqdeXXUmXUEmP制動02sin112sin20dqsdsseeXXUmXUEmPT吸收電功率02sin112sin20MdqMdeXXUmXUEmP拖動02sin112sin20MdqsMdsseeXXUmXUEmPT功率方程：功率方程：轉(zhuǎn)矩方程：轉(zhuǎn)矩方程：sFesseepppTPTPT022，其中：其中：O*2P前提：前提：UUN，IfIfN工作特性：工作特性：Tef(P2)IMf(P2)

41、f(P2)cosf(P2)TeT0IMI0IfIfI”fIfIfI”f1.01.0O*2PMjcos超前超前滯后滯后結(jié)論：結(jié)論：l在同一勵磁電流下，隨在同一勵磁電流下，隨著負載的增加，功率因著負載的增加，功率因數(shù)從超前變到滯后；數(shù)從超前變到滯后；l在同一負載下，調(diào)節(jié)勵在同一負載下，調(diào)節(jié)勵磁電流，可以改善功率磁電流，可以改善功率因數(shù)。因數(shù)。sMaeNXIjEURCPUU00，前提：CICEMMjcossin0正常勵磁：正常勵磁：M=0，cosM=1，Q=0過勵磁：過勵磁：M0，cosM超前，超前，Q0，cosM滯后，滯后，Q0(感性感性)I0EsMXI jMIsMXI j 0EMjMj0EMIsMXI j U正常正常勵磁勵磁超前超前過勵過勵滯后滯后欠勵欠勵不穩(wěn)定區(qū)不穩(wěn)定區(qū)IfIMOPe=0Pe0P”e Pecos M=1cos M=0.8cos (-M)=0.8結(jié)論：結(jié)論：l調(diào)節(jié)勵磁電流，就調(diào)節(jié)勵磁電流，就可以調(diào)節(jié)同步電動可以調(diào)節(jié)同步電動機的無功電流和功機的無功電流和功率因數(shù)；率因數(shù)；l當同步電動機工作當同步電動機工作在過勵狀態(tài)時，向在過勵狀態(tài)時，向電網(wǎng)吸收電網(wǎng)吸收超前超前無功，無功，可改善電網(wǎng)的功率可改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。因數(shù)。功率功率因數(shù)角因數(shù)角電壓與電電壓與電流的關系流的關