同步電機的基本工作原理與結構.ppt

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6 1同步電機的基本工作原理與結構 6 2同步發(fā)電機的空載運行 6 3同步發(fā)電機的電樞反應 6 4同步發(fā)電機的負載運行 6 5同步發(fā)電機的并聯(lián)運行 6 6同步電動機和同步調(diào)相機 思考題與習題 同步電機是交流旋轉(zhuǎn)電機的一種 因其轉(zhuǎn)速恒等于同步速機時得名 同步電機主要用作發(fā)電機 也可用作電動機和調(diào)相機 本章主要分析同步發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)運行原理和運行特性 簡要分析同步電動機和調(diào)相機的運行狀態(tài) 1同步電機的基本工作原理與結構 1 1同步電機的基本結構 以汽輪發(fā)電機為例 返回 返回 1 汽輪發(fā)電機結構 1 定子鐵心 返回 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 臥式水輪發(fā)電機 2 水輪發(fā)電機結構轉(zhuǎn)子結構 10000kW水輪機轉(zhuǎn)子 1 發(fā)電環(huán)節(jié) 各種電機 引進600MW汽輪發(fā)電機 國產(chǎn)300MW汽輪發(fā)電機 國產(chǎn)200MW汽輪發(fā)電機定子 國產(chǎn)200MW汽輪發(fā)電機定子鐵心 現(xiàn)場運行的水輪發(fā)電機 1同步電機的基本工作原理與結構 1 2同步電機的基本工作原理與分類 一 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(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時 其磁場切割定子繞組而感應交流電動勢 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 發(fā)電機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 同步電機的分類 按運行方式 同步電機分發(fā)電機 電動機和調(diào)相機 按結構型式 同步電機分旋轉(zhuǎn)電樞式和旋轉(zhuǎn)磁極式 旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn) 分鐘 水輪發(fā)電機采用凸極式 極數(shù)多 轉(zhuǎn)速低 同步電動機 柴油發(fā)電機和調(diào)相機一般作成凸極式 1 3同步電機的額定值 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(zhuǎn)軸上輸出的機械功率 單位是KW 調(diào)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 2同步發(fā)電機的空載運行 電磁關系 空載特性 同步發(fā)電機被原動機拖動到同步轉(zhuǎn)速 勵磁繞組中通入直流電流 定子繞組開路的運行稱為空載運行 空載電動勢大小 3同步電機的電樞反應 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(zhì) 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 3 1時的電樞反應 電樞反應性質(zhì) 交軸電樞反應 空載電動勢和電樞電流同相位 3 2時的電樞反應 空載電動勢超前電樞電流 6 3 3時的電樞反應 空載電動勢滯后電樞電流 6 3 4一般情況下的電樞反應 空載電動勢超前電樞電流角 此種情況下 直軸分量 交軸分量 直軸分量電流產(chǎn)生的合成磁動勢 交軸分量電流產(chǎn)生的合成磁動勢 6 3 4一般情況下的電樞反應 總結 6 3 5電樞反應與機 電能量轉(zhuǎn)換 電樞反應是同步電機在負載運行時的重要物理現(xiàn)象 它不僅是引起端電壓變化的主要原因 而且也是電機實現(xiàn)機 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 交軸電樞反應越強 越大 這就要求原動機輸入更大的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩 維持電機的轉(zhuǎn)速不變 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 致使電壓下降 或上升 為維持電壓恒定所需的勵磁電流也需要相應增加 或減小 直軸電樞反應磁場與勵磁電流共同作用 在勵磁繞組上產(chǎn)生電磁力 但不能形成電磁轉(zhuǎn)矩 一般情況下 發(fā)電機既帶有功負載 又帶感性無功負載 有功電流的變化影響發(fā)電機的轉(zhuǎn)速及頻率 無功電流的變化影響發(fā)電機的電壓 綜上所述 交軸電樞反應的存在是實現(xiàn)機 電能量轉(zhuǎn)換的關鍵 為了保持發(fā)電機的頻率和電壓的穩(wěn)定 必須隨負載變化及時調(diào)節(jié)發(fā)電機的輸入功率和勵磁電流 6 4 1凸極同步發(fā)電機的電動勢方程和相量圖 4同步電機的負載運行 一 凸極同步發(fā)電機的電動勢方程 電磁關系 不計磁路飽和時有下列關系 由于 且令 則電動勢平衡方程 分別表征在對稱負載下 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的電動勢 二 凸極同步發(fā)電機的相量圖 作圖步驟 6 4 2隱極同步發(fā)電機的電動勢方程 相量圖和等效電路 一 電動勢方程 電磁關系 不計磁路飽和時有下列關系 令 電動勢平衡方程 同步電抗 表征在對稱負載下 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的電動勢 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 當忽略電樞回路電阻時得到的等效電路稱為簡化等效電路 對應的相量圖稱為簡化相量圖 思考題 分別作出汽輪同步發(fā)電機帶阻性 純感性 純?nèi)菪?電感性 電容性負載時的簡化相量圖 并說明各種情況下電樞反應的性質(zhì) 6 4 3同步發(fā)電機特性 一 空載特性 定義 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(chǎn)中 它還可以檢查三相電樞繞組的對稱性 匝間短路 判斷勵磁繞組和定子鐵心有無故障等 二 短路特性 定義 短路時的等效電路 短路特性曲線 短路特性與空載特性配合可以求出電機的同步電抗 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(chǎn)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 四 調(diào)節(jié)特性 定義 調(diào)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(diào)整特性曲線 可確定在負載變化范圍內(nèi) 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(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)運行的含義 5同步電機的并聯(lián)運行 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(zhì)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 準同期法2 自同期法 6 5 1并聯(lián)運行的條件 一 準同期并列的條件 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)電機電壓相位相同與電網(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 4 一般在安裝發(fā)電機時 根據(jù)發(fā)電機的轉(zhuǎn)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(diào)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期并列 將對電機產(chǎn)生嚴重的危害 重點內(nèi)容 1 電壓大小不等 此時 ab兩端有電位差 在電位差的作用下發(fā)電機產(chǎn)生沖擊電流 即 沖擊電流為無功分量 不會加重原動機的負擔 但會在電樞繞組中產(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 電位差可達發(fā)電機電壓的兩倍 若此時并列 會產(chǎn)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(zhuǎn)軸上受沖擊轉(zhuǎn)矩的作用 使機軸扭曲變形 電樞繞組發(fā)熱 此時 ab兩端有電位差 3 頻率不同 轉(zhuǎn)軸上時而產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩 時而產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)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 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 1 0 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(zhuǎn)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)限流電阻閉合 6 5 2有功功角特性及有功功率調(diào)節(jié) 5同步電機的并聯(lián)運行 一 功率和轉(zhuǎn)矩平衡 可得轉(zhuǎn)矩平衡方程為 或 上式說明 電機穩(wěn)定運行時 驅(qū)動性質(zhì)的原動機轉(zhuǎn)矩與制動性質(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 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 凸極發(fā)電機的有功功率功角特性 隱極發(fā)電機的有功功率功角特性 水輪發(fā)電機有功功率功角特性曲線 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 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 1 是電動勢和電壓間的時間相位角 或稱是勵磁磁勢和合成磁勢間的空間夾角 2 是感應電動勢的主磁通和產(chǎn)生電壓的電樞等效假想磁通之間的夾角 功角的雙重物理意義 用圖示功角的雙重物理意義 轉(zhuǎn)子因有原動機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩克服定子合成磁極的制動轉(zhuǎn)矩而作功 實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換 將由原動機輸入的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茌敵?可見 功角是研究同步發(fā)電機運行狀態(tài)的一個重要參數(shù) 它不僅決定了發(fā)電機輸出有功功率的大小 而且還反映發(fā)電機轉(zhuǎn)子的相對空間位置 通過它把同步電機的電磁關系和機械運動緊密聯(lián)系起來 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(zhuǎn)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(diào)節(jié)有功功率輸出 只需調(diào)節(jié)原動轉(zhuǎn)矩 在功率極限角范圍內(nèi) 輸入轉(zhuǎn)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 若干擾使功角 增大到a 點 Pem和Tem增大 迫使電機減速 功角 變小 電機回到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 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(nèi) 越大 電機穩(wěn)定增長性越好 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 是從提高稱定觀點考慮的 不是從發(fā)熱觀點考慮的 6 5 3無功功角特性及V形曲線 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 汽輪發(fā)電機無功功率的功角特性曲線 幾個特殊點 從能量守恒觀點看 并網(wǎng)運行的同步發(fā)電機調(diào)節(jié)無功功率 不需調(diào)節(jié)原動機來的輸入功率 只需改變勵磁電流 調(diào)節(jié)前 增大后 調(diào)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(diào)節(jié)無功時不影響有功功率的輸出 但是調(diào)節(jié)有功時影響無功功率輸出 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 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 6 6 1同步電動機 6同步電動機和同步調(diào)相機 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(zhuǎn)子磁極軸線超前定子合成磁極軸線 0 電機把機械能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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?卸動原動機 電機從電網(wǎng)吸收功率滿足空載損耗 成為空轉(zhuǎn)的電動機 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應的電磁功率增大 轉(zhuǎn)子磁極軸線落后定子合成磁極軸線 轉(zhuǎn)子受到驅(qū)動性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩作用 二 同步電動機的基本方程 按照發(fā)電機慣例 同步電動機可以看成是一臺輸出負的有功功率的發(fā)電機 其電動勢方程與發(fā)電機的方程相同 以隱極機為例 按照電動機慣例 把輸出負電流看成是輸入正電流即可 其電動勢方程 隱極機 凸極機 同步電動機的功角特性與發(fā)電機的也相似 用 M 代替 即可 三 同步電動機的V形曲線 與同步發(fā)電機相似 當同步電動機的輸入有功功率恒定而調(diào)節(jié)勵磁電流時 也有三種勵磁狀態(tài) 正常勵磁 時 電動機沒有無功功率輸出 過勵 時電動機從電網(wǎng)吸收容性無功 或發(fā)出感性無功 欠勵 時電動機從電網(wǎng)吸收感性無功 或發(fā)出容性無功 也可以調(diào)節(jié)無功功率 調(diào)節(jié)勵磁電流可以調(diào)節(jié)同步電動機的無功功率和功率因數(shù) 這是同步電動最可貴的特點 由于同步電動機的平均起動轉(zhuǎn)矩為零 所不能自行起動 必須借用其它方法 常用的起動方法有 輔助電動機起動法 變頻起動法和異步起動法 其中異步起動法應用最廣泛 6 6 2同步調(diào)相機 同步調(diào)相機是專門發(fā)送無功功率的同步電機 實質(zhì)上是一臺空載運行的同步電動機 在電網(wǎng)的受電端接上同步調(diào)速相機 是提高電網(wǎng)功率因數(shù)的重要方法之一 一 同步調(diào)相機的勵磁 1 正常勵磁 2 過勵磁 3 欠勵磁 二 同步調(diào)相機的特點 1 調(diào)相機的額定容量指的是在過勵狀態(tài)下的額定視在功率 2 由于轉(zhuǎn)軸上不帶機械負載 所以調(diào)相機的轉(zhuǎn)軸比同容量的電動機轉(zhuǎn)軸細 沒有過載能力的要求 3 為了提高調(diào)相機提供感性無功的能力 勵磁線圈導線截面較大 但勵磁損耗仍然很大 對通風冷卻要求較高 同步調(diào)相機的起動一般采用異步起動法或輔助電動機法 選擇起動方法時 首先考慮限制起動電流 然后考慮滿足起動轉(zhuǎn)矩的要求