同步電機(jī)工作原理

6.1同步電機(jī)的基本工作原理與結(jié)構(gòu)6.2同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行6.3同步發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)6.4同步發(fā)電機(jī)的負(fù)載運(yùn)行6.5同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行6.6同步電動(dòng)機(jī)和同步調(diào)相機(jī)思考題與習(xí)題

同步電機(jī)是交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)的一種,因其轉(zhuǎn)速恒等于同步速機(jī)時(shí)得名。同步電機(jī)主要用作發(fā)電機(jī)，也可用作電動(dòng)機(jī)和調(diào)相機(jī)。本章主要分析同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行原理和運(yùn)行特性，簡要分析同步電動(dòng)機(jī)和調(diào)相機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。６.1同步電機(jī)的基本工作原理與結(jié)構(gòu)６.1.1

同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)以汽輪發(fā)電機(jī)為例:定子鐵心：硅鋼片疊成。機(jī)座：鋼板焊接面成，有足夠的強(qiáng)度和鋼度。電樞繞組：三相對(duì)稱繞組——銅線制成定子(電樞)轉(zhuǎn)子鐵心：采用整塊的含鉻、鎳和鉬的合金鋼鍛成護(hù)環(huán)：保護(hù)勵(lì)磁繞組受離心力時(shí)不甩出勵(lì)磁繞組：銅線制成滑環(huán)：引勵(lì)磁電流經(jīng)電刷、滑環(huán)進(jìn)入勵(lì)磁繞組中心環(huán)：支持護(hù)環(huán)，阻止勵(lì)磁繞組軸向移動(dòng)轉(zhuǎn)子機(jī)械端口轉(zhuǎn)子定子繞組定子鐵心電端口ABC返回返回1、汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)（1）定子鐵心返回返回1、汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)返回2、水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)(1)立式水輪發(fā)電機(jī)(2)臥式水輪發(fā)電機(jī)2、水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)10000kW水輪機(jī)轉(zhuǎn)子1.發(fā)電環(huán)節(jié)——各種電機(jī)

引進(jìn)600MW汽輪發(fā)電機(jī)國產(chǎn)300MW汽輪發(fā)電機(jī)國產(chǎn)200MW汽輪發(fā)電機(jī)定子國產(chǎn)200MW汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心現(xiàn)場運(yùn)行的水輪發(fā)電機(jī)６.1同步電機(jī)的基本工作原理與結(jié)構(gòu)６.1.2

同步電機(jī)的基本工作原理與分類一、同步發(fā)電機(jī)的基本工作原理大?。侯l率：

勵(lì)磁繞組通入直流電流后建立恒定磁場，原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，其磁場切割定子繞組而感應(yīng)交流電動(dòng)勢.相序：由轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向決定。波形：由可知，波形取決于的空間分布。U2U1W2V1W1V2發(fā)電機(jī)的物理過程可用圖示表示旋轉(zhuǎn)示意圖1旋轉(zhuǎn)示意圖2二、同步電機(jī)的分類按運(yùn)行方式，同步電機(jī)分發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和調(diào)相機(jī)。按結(jié)構(gòu)型式，同步電機(jī)分旋轉(zhuǎn)電樞式和旋轉(zhuǎn)磁極式。旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機(jī)按磁極形狀，又分隱極式和凸極式兩種。按原動(dòng)機(jī)類別,同步電機(jī)分為汽輪發(fā)電機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)等。汽輪發(fā)電機(jī)一般作成隱極式，現(xiàn)代汽輪發(fā)電機(jī)均為2極，轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分鐘，水輪發(fā)電機(jī)采用凸極式，極數(shù)多，轉(zhuǎn)速低。同步電動(dòng)機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)和調(diào)相機(jī)一般作成凸極式。６.1.3同步電機(jī)的額定值對(duì)同步發(fā)電機(jī)額定值之間關(guān)系為：額定運(yùn)行時(shí)加在三相定子繞組上的線電壓。

指電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)，輸出功率的保證值。同步發(fā)電機(jī)是指輸出的額定視在功率或有功功率，單位是KVA或KW。電動(dòng)機(jī)額定容量是指額定條件下轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)械功率，單位是KW。調(diào)相機(jī)用KVA或Kvar表示。在額定運(yùn)行狀態(tài)下三相定子繞組的線電流.６.2同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行電磁關(guān)系：空載特性：

同步發(fā)電機(jī)被原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)到同步轉(zhuǎn)速，勵(lì)磁繞組中通入直流電流，定子繞組開路的運(yùn)行稱為空載運(yùn)行。空載電動(dòng)勢大?。海?3同步電機(jī)的電樞反應(yīng)電樞反應(yīng):電機(jī)帶上負(fù)載后，電樞磁動(dòng)勢的基波在氣隙中使氣隙磁通的大小及位置均發(fā)生變化,這種影響稱為電樞反應(yīng).電樞反應(yīng)的性質(zhì)，取決于電樞磁動(dòng)勢基波和勵(lì)磁磁動(dòng)勢基波之間的相對(duì)位置，即與空載電動(dòng)勢和電樞電流之間的夾角有關(guān).勵(lì)磁磁勢和電樞磁勢的區(qū)別基波波形大小位置轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向勵(lì)磁磁動(dòng)勢正弦波恒定，由勵(lì)磁電流決定由轉(zhuǎn)子位置決定由原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定由原動(dòng)機(jī)決定電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢正弦波恒定，由電樞電流決定由電流瞬時(shí)值決定由磁極對(duì)數(shù)和電流頻率決定由電流相序決定６.3.1

時(shí)的電樞反應(yīng)d軸q軸U軸U1U2

W2V1W1V2NSW軸V軸電樞反應(yīng)性質(zhì)：交軸電樞反應(yīng)空載電動(dòng)勢和電樞電流同相位.d軸q軸U軸U1U2

W2V1W1V2NSW軸V軸６.3.2

時(shí)的電樞反應(yīng)空載電動(dòng)勢超前電樞電流電樞反應(yīng)性質(zhì)：直軸去磁電樞反應(yīng)d軸q軸U軸U1U2

W2V1W1V2NSW軸V軸6.3.3

時(shí)的電樞反應(yīng)空載電動(dòng)勢滯后電樞電流

電樞反應(yīng)性質(zhì)：直軸助磁電樞反應(yīng)d軸q軸U軸U1U2

W2V1W1V2NSW軸V軸6.3.4

一般情況下的電樞反應(yīng)空載電動(dòng)勢超前電樞電流角,電樞反應(yīng)性質(zhì)：既有交軸,還有直軸去磁電樞反應(yīng)此種情況下---直軸分量---交軸分量---直軸分量電流產(chǎn)生的合成磁動(dòng)勢---交軸分量電流產(chǎn)生的合成磁動(dòng)勢6.3.4

一般情況下的電樞反應(yīng)（總結(jié)）上升下降

上升下降下降下降不變不變下降R、C增強(qiáng)交軸直軸助磁d、q軸R、L削弱交軸直軸去磁d、q軸C增強(qiáng)直軸助磁d軸L削弱直軸去磁d軸R波形畸變交軸q軸

負(fù)載性質(zhì)對(duì)電機(jī)的影響電樞反應(yīng)性質(zhì)記作夾角

位置6.3.5

電樞反應(yīng)與機(jī)--電能量轉(zhuǎn)換

電樞反應(yīng)是同步電機(jī)在負(fù)載運(yùn)行時(shí)的重要物理現(xiàn)象，它不僅是引起端電壓變化的主要原因，而且也是電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)---電能量轉(zhuǎn)換的樞紐。輸出的有功功率越大，有功分量電流就越大，交軸電樞反應(yīng)越強(qiáng)，越大，這就要求原動(dòng)機(jī)輸入更大的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，維持電機(jī)的轉(zhuǎn)速不變。

說明發(fā)電機(jī)帶感性(或容性)無功負(fù)載時(shí),不需要原動(dòng)機(jī)增加能量.

但是直軸去磁（或助磁）電樞反應(yīng)對(duì)氣隙磁場有去磁（或助磁）作用，致使電壓下降（或上升）。為維持電壓恒定所需的勵(lì)磁電流也需要相應(yīng)增加（或減?。?/p>

直軸電樞反應(yīng)磁場與勵(lì)磁電流共同作用,在勵(lì)磁繞組上產(chǎn)生電磁力,但不能形成電磁轉(zhuǎn)矩.

一般情況下，發(fā)電機(jī)既帶有功負(fù)載，又帶感性無功負(fù)載，有功電流的變化影響發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及頻率，無功電流的變化影響發(fā)電機(jī)的電壓。

綜上所述，交軸電樞反應(yīng)的存在是實(shí)現(xiàn)機(jī)——電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。為了保持發(fā)電機(jī)的頻率和電壓的穩(wěn)定，必須隨負(fù)載變化及時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸入功率和勵(lì)磁電流。6.4.1

凸極同步發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢方程和相量圖６.4同步電機(jī)的負(fù)載運(yùn)行一、凸極同步發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢方程電磁關(guān)系：不計(jì)磁路飽和時(shí)有下列關(guān)系由于且令則電動(dòng)勢平衡方程--直軸同步電抗--交軸同步電抗分別表征在對(duì)稱負(fù)載下，單位直軸或交軸三相電流產(chǎn)生的總電樞磁場在電樞每一相繞組中感應(yīng)的電動(dòng)勢。二、凸極同步發(fā)電機(jī)的相量圖作圖步驟6.4.2隱極同步發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢方程、相量圖和等效電路一、電動(dòng)勢方程電磁關(guān)系：不計(jì)磁路飽和時(shí)有下列關(guān)系令電動(dòng)勢平衡方程--同步電抗

表征在對(duì)稱負(fù)載下，單位三相電流產(chǎn)生的電樞總磁場在電樞每一相繞組中感應(yīng)的電動(dòng)勢。二、等效電路和相量圖等效電路相量圖根據(jù)相量圖可求出

當(dāng)忽略電樞回路電阻時(shí)得到的等效電路稱為簡化等效電路,對(duì)應(yīng)的相量圖稱為簡化相量圖思考題

分別作出汽輪同步發(fā)電機(jī)帶阻性、純感性、純?nèi)菪?、電感性、電容性?fù)載時(shí)的簡化相量圖？并說明各種情況下電樞反應(yīng)的性質(zhì)？6.4.3

同步發(fā)電機(jī)特性一、空載特性定義：

空載特性是發(fā)電機(jī)的基本特性之一。它一方面表征了磁路的飽和情況，另一方面把它和短路特性、零功率因數(shù)負(fù)載特性配合，可確定電機(jī)的基本參數(shù)、額定勵(lì)磁電流和電壓變化率等。

實(shí)際生產(chǎn)中，它還可以檢查三相電樞繞組的對(duì)稱性、匝間短路、判斷勵(lì)磁繞組和定子鐵心有無故障等。二、短路特性定義：短路時(shí)的等效電路短路特性曲線

短路特性與空載特性配合可以求出電機(jī)的同步電抗。三、外特性定義：外特性曲線

當(dāng)發(fā)電機(jī)帶阻性和感性負(fù)載時(shí)，外特性是下降的，原因是電樞反應(yīng)的去磁作用和電樞漏阻抗產(chǎn)生了電壓降.

帶容性負(fù)載時(shí)且（發(fā)電機(jī)負(fù)載的容抗大于同步電抗）時(shí)，外特性是上升的，原因是電樞反應(yīng)的助磁作用和容性電流在漏抗上的壓降。四、調(diào)節(jié)特性定義：調(diào)整特性曲線

在感性和阻性負(fù)載時(shí)，隨著負(fù)載電流的增加，必須增加勵(lì)磁電流，補(bǔ)償電樞反應(yīng)的去磁作用和漏阻抗壓降，保持端電壓恒定；對(duì)容性負(fù)載，隨著負(fù)載電流的增加，必須減小勵(lì)磁電流。

在功率因數(shù)一定情況下,根據(jù)調(diào)整特性曲線,可確定在負(fù)載變化范圍內(nèi),維持電壓不變所需的勵(lì)磁電流的變化范圍。運(yùn)行人員可利用調(diào)整特性曲線,使系統(tǒng)中無功功率的分配更合理一些。并聯(lián)運(yùn)行的含義６.5同步電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行1、提高供電的可靠性；2、提高供電的經(jīng)濟(jì)性；3、提高電能的質(zhì)量。無窮大電網(wǎng)的含義

將兩臺(tái)或更多臺(tái)發(fā)電機(jī)分別接在電力系統(tǒng)對(duì)應(yīng)母線上，或通過變壓器、輸電線接在電力系統(tǒng)的公共母線上，共同向負(fù)荷供電。并聯(lián)運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)并列方法1.準(zhǔn)同期法2.自同期法6.5.1

并聯(lián)運(yùn)行的條件一、準(zhǔn)同期并列的條件1.待并發(fā)電機(jī)的電壓與電網(wǎng)電壓大小相等；2.待并發(fā)電機(jī)電壓相位相同與電網(wǎng)電壓相位相同；3.待并發(fā)電機(jī)電壓頻率與電網(wǎng)電壓頻率相同；4.待并發(fā)電機(jī)的相序與電網(wǎng)的相序相同。

上述條件（4）一般在安裝發(fā)電機(jī)時(shí)，根據(jù)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)向確定了發(fā)電機(jī)的相序而滿足，因此運(yùn)行人員在并列時(shí)只需調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)使其滿足其它三個(gè)條件即可。

不滿足任一條件的并列稱為非同期并列，將對(duì)電機(jī)產(chǎn)生嚴(yán)重的危害。重點(diǎn)內(nèi)容1.電壓大小不等此時(shí),ab兩端有電位差

在電位差的作用下發(fā)電機(jī)產(chǎn)生沖擊電流，即

沖擊電流為無功分量，不會(huì)加重原動(dòng)機(jī)的負(fù)擔(dān)，但會(huì)在電樞繞組中產(chǎn)生很大的沖擊力，使電樞繞組端部受沖擊力的作用而變形。2.相位不同

電位差可達(dá)發(fā)電機(jī)電壓的兩倍，若此時(shí)并列，會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，發(fā)電機(jī)會(huì)因遭受巨大的沖擊力而損壞。沖擊電流的影響：1)電樞繞組端部受力變形;2)轉(zhuǎn)軸上受沖擊轉(zhuǎn)矩的作用,使機(jī)軸扭曲變形;３)電樞繞組發(fā)熱.此時(shí),ab兩端有電位差3.頻率不同轉(zhuǎn)軸上時(shí)而產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩、時(shí)而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，結(jié)果是電機(jī)振動(dòng)。拍振電流使電樞繞組端部受力變形，使電樞繞組發(fā)熱。

頻率差過大電機(jī)不能并列；頻率差較小時(shí)，靠自整步作用，可以把發(fā)電機(jī)拉入同步。4.相序不同

發(fā)電機(jī)實(shí)際并列時(shí)，除了相序必須一致外，其它條件允許有一定的偏差，如△U不超過10%，相位差不超過10%，頻率偏差不超過0.2%~0.5%（0.1~0.25Hz)。二、自同期法

相序正確前提下，起動(dòng)未加勵(lì)磁的發(fā)電機(jī)，當(dāng)其轉(zhuǎn)速接近同步速時(shí)，合上同步開關(guān)，將發(fā)電機(jī)并網(wǎng)，然后加上發(fā)電機(jī)勵(lì)磁將發(fā)電機(jī)牽入同步。并網(wǎng)前，勵(lì)磁繞組需經(jīng)限流電阻閉合。6.5.2

有功功角特性及有功功率調(diào)節(jié)６.5同步電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行一、功率和轉(zhuǎn)矩平衡輸入功率P1機(jī)械損耗pmec附加損耗pad鐵損pFe電磁功率Pem定子銅損pcu1輸出功率P2可得轉(zhuǎn)矩平衡方程為或

上式說明，電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)性質(zhì)的原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與制動(dòng)性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩和空載轉(zhuǎn)矩之和平衡。二、有功功率功角特性定義：

并聯(lián)于無窮大電網(wǎng)的同步發(fā)電機(jī)，當(dāng)電網(wǎng)電壓和頻率一定、參數(shù)（）為常數(shù)、空載電動(dòng)勢