1、第九章同步電機的基本工作原理與結構,同步電機是交流旋轉電機的一種,因其轉速恒等于同步速時得名。同步電機主要用作發(fā)電機，也可用作電動機和調相機。,第十章同步電機的運行原理,第十一章同步電機的三相突然短路和異常運行,第九章 同步電機的基本工作原理與結構,第二節(jié) 同步電機的基本工作原理及其分類,第一節(jié) 汽輪同步電機的基本結構,第三節(jié) 三相同步電機的型號和額定值,思考題與習題,以汽輪發(fā)電機為例:,第一節(jié) 汽輪同步電機的基本結構,返回,返回,1、汽輪發(fā)電機結構 （1）定子鐵心,返回,1、汽輪發(fā)電機結構 （2）定子繞組,返回,1、汽輪發(fā)電機結構,返回,2、水輪發(fā)電機結構,(1)立式水輪發(fā)電機,(2)臥式水

2、輪發(fā)電機,2、水輪發(fā)電機結構,(3)燈泡貫流式水輪發(fā)電機,2、水輪發(fā)電機結構,(4)轉子結構,10000kW水輪機轉子,1.發(fā)電環(huán)節(jié)各種電機,引進600MW汽輪發(fā)電機,國產300MW汽輪發(fā)電機,國產200MW汽輪發(fā)電機定子,國產200MW汽輪發(fā)電機定子鐵心,現(xiàn)場運行的水輪發(fā)電機,第二節(jié) 同步電機的基本工作原理及其分類,一、三相同步發(fā)電機的基本工作原理,大小：,頻率：,勵磁繞組通入直流電流后建立恒定磁場，原動機拖動轉子以轉速 旋轉時，其磁場切割定子繞組而感應交流電動勢,相序：由轉子的轉向決定。,波形：由 可知，波形取決于 的空間分布。,三相同步發(fā)電機的物理過程可用圖示表示,二、同步電機的分類,按

3、運行方式，同步電機分發(fā)電機、電動機和調相機。,按結構型式，同步電機分旋轉電樞式和旋轉磁極式。,旋轉磁極式同步電機按磁極形狀，又分隱極式和凸極式兩種。,按原動機類別,同步電機分為汽輪發(fā)電機、水輪發(fā)電機和柴油發(fā)電機等。,汽輪發(fā)電機一般作成隱極式，現(xiàn)代汽輪發(fā)電機均為2極，轉速為3000轉/分鐘，水輪發(fā)電機采用凸極式，極數(shù)多，轉速低。,同步電動機、柴油發(fā)電機和調相機一般作成凸極式。,按冷卻介質和冷卻方式分，有空外冷、氫冷、水內冷,第三節(jié) 同步電機的型號和額定值,一、型號,發(fā)電機型號表示該發(fā)電機的類型和特點,QFQS-200-2表示定子繞組水內冷、轉子繞組氫內冷、鐵心氫冷的二極汽輪發(fā)電機，容量為200M

4、W。,854/210-40表示立式同步水輪發(fā)電機，定子鐵心外徑為854cm，定子鐵心長度為210cm，有40個磁極。,對同步發(fā)電機額定值之間關系為：,額定運行時加在三相定子繞組上的線電壓。,指電機額定運行時，輸出功率的保證值。同步發(fā)電機是指輸出的額定視在功率或有功功率，單位是KVA或KW。電動機額定容量是指額定條件下轉軸上輸出的機械功率，單位是KW。調相機用KVA或Kvar表示。,在額定運行狀態(tài)下三相定子繞組的線電流.,二、額定值,第一節(jié)同步發(fā)電機的電樞反應,第二節(jié)同步發(fā)電機的電動勢方程和相量圖,第四節(jié)同步發(fā)電機的并列,第七節(jié)同步調相機和同步電動機,思考題與習題,第十章同步發(fā)電機的運行原理,第

5、三節(jié)同步發(fā)電機的運行特性,第五節(jié)同步發(fā)電機的有功功率功角特性和靜態(tài)穩(wěn)定,第六節(jié)同步發(fā)電機的無功功率功角特性和形曲線,第一節(jié) 同步發(fā)電機的電樞反應,同步發(fā)電機轉子由原動機拖動到同步轉速，轉子繞組通以恒定的直流勵磁電流，定子電樞繞組開路，這種運行狀態(tài)，稱為同步發(fā)電機的空載運行。,一、同步發(fā)電機的空載特性,勵磁電流If單獨建立的勵磁磁動勢Ff產生的主、漏磁通。,主、漏磁通均隨轉子旋轉，在氣隙中形成旋轉磁場。主磁通交鏈電樞繞組，在電樞繞組中感應電動勢；,漏磁通不交鏈電樞繞組，不在電樞繞組中感應電動勢，不參與定、轉子之間的能量轉換.,空載時電磁關系：,空載特性：,空載電動勢 大小：,空載特性曲線：,二、

6、電樞反應,電樞反應:電機帶上負載后，電樞磁動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.,電樞反應的性質，取決于電樞磁動勢基波 和勵磁磁動勢基波 之間的相對位置，即與空載電動勢 和電樞電流 之間的夾角 有關.,勵磁磁勢和電樞磁勢的區(qū)別,準備工作,1.三個角,1)內功率因數(shù)角,是 與 之間的時間相位角,與電機參數(shù)及負載有關.,2)外功率因數(shù)角,是 與 之間的時間相位角,與負載有關.,3)功率角(功角),是 與 之間的時間相位角.,三個角之間的關系為,2.四個軸,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

7、組的軸線位置。,時軸： 時間相量在其上投影可得到時間量的瞬時值。,1. 時的電樞反應,電樞反應性質： 交軸電樞反應,空載電動勢 和電樞電流 同相位.,2. 時的電樞反應,空載電動勢 超前電樞電流,3. 時的電樞反應,空載電動勢 滯后電樞電流,空載電動勢 超前電樞電流 角,4. 的電樞反應,此種情況下,-直軸分量 -交軸分量,-直軸分量電流產生的合成磁動勢 -交軸分量電流產生的合成磁動勢,一般情況下的電樞反應（總結）,三、電磁轉矩,同步發(fā)電機帶上負載后，電樞電流建立電樞反應磁場，它與勵磁電流作用產生電磁力，在某些情況下形成電磁轉矩，實現(xiàn)機電能量轉換。,輸出的有功功率越大，有功分量電流就越大，交軸

8、電樞反應越強，電磁轉矩越大，為了保持電機的轉速不變，要求原動機輸入更大的驅動轉矩調節(jié)有功功率。,1.有功電流產生電磁力,形成電磁轉矩,當發(fā)電機帶有功負載(阻性負載)時,可以近似認為,即，電樞繞組流過有功電流時,產生交軸電樞反應磁場。勵磁繞組載流體在該磁場作用產生電磁力，并形成制動性質的電磁轉矩。,2.無功電流產生電磁力但不形成轉矩,說明發(fā)電機帶感性(或容性)無功負載時,不需要原動機增加能量。,但是直軸去磁（或助磁）電樞反應對氣隙磁場有去磁（或助磁）作用，致使發(fā)電機端電壓下降（或上升）。為維持電壓恒定，勵磁電流需要相應增加（或減小）調節(jié)無功功率。,發(fā)電機帶電感或電容負載(無功負載)時,可以認為,

9、產生直軸去磁(或助磁)電樞反應磁場。勵磁繞組載流體在該磁場作用產生電磁力，但不形成電磁轉矩。,第二節(jié) 同步發(fā)電機的電動勢方程和相量圖,一、同步電抗,由于定子漏磁通的路徑主要是氣隙，磁路不飽和，所以漏抗為常數(shù)。,不考慮磁路飽和時,各電動勢與其對應的電流成正比,即有,對應 的直軸電樞反應電抗,對應 的交軸電樞反應電抗,對應 的漏電抗,對于凸極同步電機,由于直軸氣隙比交軸氣隙小，直軸磁阻比交軸磁阻小，所以有,對隱極同步電機，由于氣隙均勻，交、直軸的磁阻大小相等，即認為,電樞反應電抗為三相對稱電樞電流產生合成的電樞反應磁場感應于一相的電樞電動勢與其對應的相電流的比值，它綜合反映三相對稱電流產生的合成電

10、樞反應磁場對定子一相的影響。,隱極發(fā)電機對應 的電樞反應電抗,當三相對稱電流流過電樞繞組時，產生電樞反應磁通和漏磁通，分別在電樞繞組中感應電樞反應電動勢和漏感電動勢。,對隱極電機，全部電動勢為,稱為隱極電機的同步電抗，是電樞反應電抗和漏抗之和。同步發(fā)電機正常運行時，磁路略呈飽和，磁路越飽和，所對應的電抗越小。,對凸極電機,分別稱為直軸和交軸同步電抗。,直軸磁路的氣隙較小，應當考慮鐵心飽和的影響，因而 具有飽和值和不飽和值之分；而交軸磁路氣隙較大，可認為 只有非飽和值，為常量。,同步電抗是同步電機的一個重要參數(shù)，它是表征同步發(fā)電機穩(wěn)定運行時電樞反應磁場和電樞漏磁場對電樞電路作用的一個綜合參數(shù)。同

11、步電抗的大小直接影響同步發(fā)電機端電壓隨負載波動的程度和在大電網(wǎng)運行時的穩(wěn)定性，也影響同步發(fā)電機短路電流大小。,一、凸極同步發(fā)電機的電動勢方程和相量圖,若正方向按圖規(guī)定，則有,代入,得到凸極發(fā)電機的電動勢方程,或,注意：方程式中的電壓、電動勢和電流均為相值。,凸極同步發(fā)電機的相量圖作圖步驟,若內功率因數(shù)角不知，可從以下公式求取,二、隱極同步發(fā)電機的電動勢方程、等效電路和相量圖,電磁關系：,電動勢平衡方程,或,代入,可得到隱極發(fā)電機的電動勢方程,根據(jù)電動勢方程，可以作出隱極發(fā)電機的等效電路和相量圖,等效電路,根據(jù)相量圖可求出,相量圖,由相量圖可知,第三節(jié) 同步發(fā)電機的運行特性,一、空載特性,定義：

12、,空載特性是發(fā)電機的基本特性之一。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)負載特性配合，可確定電機的基本參數(shù)、額定勵磁電流和電壓變化率等。,實際生產中，它還可以檢查三相電樞繞組的對稱性、匝間短路、判斷勵磁繞組有無故障等。,二、短路特性,定義：,短路時的等效電路,1.短路特性,2.同步電抗的求取,根據(jù)公式,求xd不飽和值時,首先給定一勵磁電流If，在空載特性的不飽和段或氣隙線上確定對應If的E0值，然后在短路特性曲線上確定對應If的短路電流Ik的值,則,求取xd飽和值時，首先在空載特性上取對應額定電壓UN的勵磁電流If0，再從短路特性上取出對應If0的短路電流Ik，則,交

13、軸同步電抗,三、外特性,定義：,外特性曲線,當發(fā)電機帶阻性和感性負載時，外特性是下降的，原因是電樞反應的去磁作用和電樞漏阻抗產生了電壓降；帶容性負載時且（發(fā)電機負載的容抗大于同步電抗）時，外特性是上升的，原因是電樞反應的助磁作用和容性電流在漏抗上的壓降。,為了在不同功率因數(shù)下時能得到額定電壓，感性負載時要增大勵磁電流，容性負載時應減小勵磁電流。,四、調節(jié)特性,定義：,調整特性曲線,在感性和阻性負載時，隨著負載電流的增加，必須增加勵磁電流，補償電樞反應的去磁作用和漏阻抗壓降，保持端電壓恒定；對容性負載，隨著負載電流的增加，必須減小勵磁電流。,在功率因數(shù)一定情況下,根據(jù)調整特性曲線,可確定在負載變

14、化范圍內,維持電壓不變所需的勵磁電流的變化范圍。運行人員可利用調整特性曲線,使系統(tǒng)中無功功率的分配更合理一些。,并聯(lián)運行的含義,第四節(jié) 同步電機的并列,1、提高供電的可靠性； 2、提高供電的經(jīng)濟性； 3、提高電能的質量。,無窮大電網(wǎng)的含義,將兩臺或更多臺發(fā)電機分別接在電力系統(tǒng)對應母線上，或通過變壓器、輸電線接在電力系統(tǒng)的公共母線上，共同向負荷供電.,并聯(lián)運行的優(yōu)點,并列方法,1.準同步法 2.自同步法,一、準同步法,1.待并發(fā)電機的電壓與電網(wǎng)電壓大小相等； 2.待并發(fā)電機電壓相位與電網(wǎng)電壓相位相同； 3.待并發(fā)電機電壓頻率與電網(wǎng)電壓頻率相同； 4.待并發(fā)電機的相序與電網(wǎng)的相序相同。,上述條件（

15、4）一般在安裝發(fā)電機時，根據(jù)發(fā)電機的轉向確定了發(fā)電機的相序而滿足，因此運行人員在并列時只需調節(jié)發(fā)電機使其滿足其它三個條件即可。,不滿足任一條件的并列稱為非同步并列，將對電機產生嚴重的危害。,準同步并列必須滿足的條件,某一條件不滿足時對電機的影響,1、電機和電網(wǎng)之間有環(huán)流，定子繞組端部受力變形。,2、產生拍振電流和電壓，引起電機內功率振蕩。,3、電機和電網(wǎng)之間有高次諧波環(huán)流，增加損耗，溫度升高，效率降低。,4、電網(wǎng)和電機之間存在巨大的電位差而產生無法消除的環(huán)流，危害電機安全運行。,1. 電壓大小不等,此時,S兩端有電位差,在電位差的作用下發(fā)電機產生沖擊電流，即,沖擊電流為無功分量，不會加重原動機

16、的負擔，但會在電樞繞組中產生很大的沖擊力，使電樞繞組端部受沖擊力的作用而變形。,由于xd 很小，所以即使U不大，沖擊電流也會很大,2. 相位不同,此時,ab兩端有電位差,電位差可達發(fā)電機電壓的兩倍，若此時并列，會產生很大的沖擊電流，發(fā)電機會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)轉軸上受沖擊轉矩的作用,使機軸扭曲變形;,3)電樞繞組發(fā)熱.,3. 頻率不同,轉軸上時而產生制動轉矩、時而產生驅動轉矩，結果是電機振動。,拍振電流使電樞繞組端部受力變形，使電樞繞組發(fā)熱。,頻率差過大電機不能并列；頻率差較小時，靠自整步作用，可以把發(fā)電機拉入同步。,并發(fā)電機頻率略高于電

17、網(wǎng)頻率時,并發(fā)電機頻率略低于電網(wǎng)頻率時,沖擊電流的有功分量與電壓同相位,表明發(fā)電機向電網(wǎng)發(fā)出有功功率,并對轉軸產生制動性質轉矩，電機減速，頻率下降，直至,沖擊電流的有功分量與電壓反相位,表明發(fā)電機從電網(wǎng)吸收有功功率,并對轉軸產生驅動性質轉矩，電機加速，頻率上升，直至,4. 相序不同,發(fā)電機實際并列時，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%（0.10.25Hz)。,二、自同期法,相序正確前提下，起動未加勵磁的發(fā)電機，當其轉速接近同步速時，合上同步開關，將發(fā)電機并網(wǎng)，然后加上發(fā)電機勵磁將發(fā)電機牽入同步。并網(wǎng)前，勵磁繞組需經(jīng)

18、限流電阻閉合。并列時會較大有沖擊電流和轉矩,一般用于緊急狀態(tài)下的并列操作.,相序不同的發(fā)電機不能并列，因為此時 和 恒差 ， 恒等于 ，它將產巨大的沖擊電流危害電機及系統(tǒng)。,第五節(jié) 同步發(fā)電機的有功功角特性和靜態(tài)穩(wěn)定,一、有功功率平衡,可得轉矩平衡方程為,或,上式說明，電機穩(wěn)定運行時，驅動性質的原動機轉矩與制動性質的電磁轉矩和空載轉矩之和平衡。,在 兩邊除以,二、有功功率功角特性,并聯(lián)于無窮大電網(wǎng)的同步發(fā)電機，當電網(wǎng)電壓和頻率一定、參數(shù)（ )為常數(shù)、空載電動勢 不變（即 不變）時， 為有功功率功角特性。,凸極電機：,隱極電機,為了分析方便，假定,1）發(fā)電機并聯(lián)于無窮大電網(wǎng)；2）發(fā)電機磁路不飽和

19、；3）忽略電樞繞組電阻。,根據(jù)發(fā)電機的相量圖，可以推導得發(fā)電機的有功功率功角特性,水輪發(fā)電機的有功功率功角特性分兩部分:,附加電磁功率的特點:,-基本電磁功率,-附加電磁功率,汽輪發(fā)電機的功角特性曲線,汽輪發(fā)電機的有功功率功角特性的特點,功角的雙重物理意義,1、是電動勢 和電壓 間的時間相位角;,或稱是勵磁磁動勢 和合成磁動勢 間的空間夾角。,2、是感應電動勢 的主磁通和產生電壓 的定子等效合成磁通之間的夾角。,用圖示功角的雙重物理意義,因有原動機的驅動轉矩克服定子合成磁極的制動轉矩而作功,實現(xiàn)機電能量轉換,將由原動機輸入的機械能轉變?yōu)殡娔茌敵觥?功角是研究同步發(fā)電機運行狀態(tài)的一個重要參數(shù)，它

20、不僅決定發(fā)電機輸出有功功率的大小，而且還反映發(fā)電機轉子的相對空間位置，它把同步電機的電磁關系和機械運動緊密聯(lián)系起來。,三、有功功率調節(jié),發(fā)電機空載運行時，原動機輸入的功率用來平衡各種損耗，此時 ，定、轉子磁極軸線重合，它們之間只有徑向力而無切向力，所以 ，在功角特性的0點上。,可見，并聯(lián)于無窮大電網(wǎng)的同步發(fā)電機要調節(jié)有功功率輸出，只需調節(jié)原動轉矩。在功率極限角范圍內，輸入轉矩越大，有功功率輸出就越大。,四、靜態(tài)穩(wěn)定的概念,靜態(tài)穩(wěn)定：指并聯(lián)在電網(wǎng)上穩(wěn)定運行的同步發(fā)電機，當受電網(wǎng)或原動機方面某些微小擾動時，能在這種干擾消失后，繼續(xù)保持原來穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力。,在a點運行時電機具有靜態(tài)穩(wěn)定的能力。,

21、若干擾使功角增大到a點,干擾使功角減小時，有同樣結論。所以a點稱為穩(wěn)定運行點。,而b點為不穩(wěn)定運行點，分析略。,Pem和Tem增大，迫使電機減速，功角變小，電機回到a點。,靜態(tài)穩(wěn)定的判據(jù)：比整步功率(kW/rad),對汽輪發(fā)電機，比整步功率為,在電機穩(wěn)定區(qū)域內， 越大，電機穩(wěn)定性越好。,對水輪發(fā)電機，比整步功率為,五、過載能力,汽輪發(fā)電機的過載能力,最大電磁功率與額定功率的比值稱為過載能力。,過載能力越大，電機的穩(wěn)定性越好。過載能力是表達靜態(tài)穩(wěn)定的能力，不是發(fā)電機可以過載的倍數(shù)。,過載能力設計得在一點，是從提高穩(wěn)定觀點考慮的，不是從發(fā)熱觀點考慮的。,第六節(jié) 同步發(fā)電機的無功功率功角特性及V形曲

22、線,一、無功功率功角特性,并聯(lián)于無窮大電網(wǎng)的同步發(fā)電機當電網(wǎng)電壓和頻率恒定、參數(shù)（xd、xq、xt）為常數(shù)、空載電勢E0不變（即 If 不變）時，Q=f()為無功功率功角特性。,水輪發(fā)電機無功功率的功角特性,汽輪發(fā)電機無功功率的功角特性,設發(fā)電機輸出感性無功功率時Q值為正。由相量圖可推導出,汽輪發(fā)電機無功功率的功角特性曲線,幾個特殊點:,二、無功功率調節(jié),從能量守恒觀點看，并網(wǎng)運行的同步發(fā)電機調節(jié)無功功率，不需調節(jié)原動機來的輸入功率，只需改變勵磁電流。,調節(jié) 前，,增大 后,調節(jié) 不影響發(fā)電機的有功功率輸出,但影響電機的穩(wěn)定性能。,調節(jié)無功時不影響有功功率的輸出,但是調節(jié)有功時影響無功功率輸出

23、.,三、相量分析,1.正常勵磁,2.過勵磁,3.欠勵磁,四、V形曲線,并聯(lián)于無窮大電網(wǎng)的同步發(fā)電機，保持有功功率不變時，表示電樞電流 和勵磁電流 的關系曲線 稱為“V”形曲線。,發(fā)電機運行時，定子電流和勵磁電流是運行人員主要監(jiān)視的兩個物理量，這兩個量關系到定子繞組和勵磁繞組的溫度，又牽涉到功率因數(shù)的超前或滯后以及運行的穩(wěn)定性問題。,對于一個給定的有功功率輸出就有一條V形曲線，有功功率越大，曲線向上移，因此可是以得到一簇“V”形曲線。,V形曲線,正常勵磁,過勵磁,欠勵磁,欠勵磁“進相”運行,過勵磁“遲相”運行,V形曲線的特點,2.不穩(wěn)定區(qū)域邊緣：=900，連線向右傾斜;,1.每條曲線的最低點,

24、,定子電流最小,且全為有功電流，這些點的連線向右傾斜；,3.每條曲線上的電流變化量I 為無功分量;,4.勵磁電流從零開始增大時，定子電樞電流變化規(guī)律為先減小后增大。,表明要輸出純有功功率，必須相應增加一些勵磁電流。,表明輸出有功功率越多，維持穩(wěn)定所需的勵磁電流也越大。,第七節(jié) 同步調相機和同步電動機,一、同步電機的可逆原理,同步電機運行于發(fā)電機狀態(tài)時，如圖所示。,轉子磁極軸線超前定子合成磁極軸線，0，電機把機械能轉變成電能。,同步電機的運行是可逆的，既可以用作發(fā)電機，還可以用作電動機。,逐步減少發(fā)電機的輸入功率，轉子將瞬時減速，角減小，相應的電磁功率也減少。,當發(fā)電機的輸入功率只能滿足空載損耗時，發(fā)電機處于空載運行狀態(tài)。,繼續(xù)減少發(fā)電機的輸入功率，則和 Pem變?yōu)樨撝怠Ｐ度ピ瓌訖C，電機從電網(wǎng)吸收功率滿足空載損耗，成為空轉的電動機-調相運行狀態(tài)。,電機軸上加上機械負載，負值的增大，由電網(wǎng)向電機輸入的電功率和相