电机学课件--同步电机.pptx

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1、第九章第九章 同步电机的基本工作原理与结构同步电机的基本工作原理与结构第二节 同步电机的基本工作原理及其分类第一节 汽轮同步电机的基本结构第三节 三相同步电机的型号和额定值思考题与习题第1页/共84页以汽轮发电机为例以汽轮发电机为例: :定子铁心定子铁心：硅钢片叠成。：硅钢片叠成。机座：钢板焊接面成，有足够的强度和钢度。机座：钢板焊接面成，有足够的强度和钢度。电枢绕组电枢绕组：三相对称绕组：三相对称绕组铜线制成铜线制成定子定子( (电枢电枢) )转子铁心：采用整块的含铬、镍和钼的合金钢锻成转子铁心：采用整块的含铬、镍和钼的合金钢锻成护环：保护励磁绕组受离心力时不甩出护环：保护励磁绕组受离心力时

2、不甩出励磁绕组：铜线制成励磁绕组：铜线制成滑环：引励磁电流经电刷、滑环进入励磁绕组滑环：引励磁电流经电刷、滑环进入励磁绕组中心环：支持护环，阻止励磁绕组轴向移动中心环：支持护环，阻止励磁绕组轴向移动转子转子第一节 汽轮同步电机的基本结构第2页/共84页机械端口转子定子绕组定子铁心电端口ABC返回第3页/共84页返回第4页/共84页1 1、汽轮发电机结构 （1 1）定子铁心返回第5页/共84页1 1、汽轮发电机结构 （2 2）定子绕组返回第6页/共84页1 1、汽轮发电机结构返回第7页/共84页2 2、水轮发电机结构(1)(1)立式水轮发电机(2)(2)卧式水轮发电机第8页/共84页2 2、水轮

3、发电机结构(3)灯泡贯流式水轮发电机第9页/共84页2 2、水轮发电机结构(4)(4)转子结构10000kW10000kW水轮机转子第10页/共84页1.1.发电环节各种电机 引进600MW汽轮发电机第11页/共84页国产300MW汽轮发电机第12页/共84页国产200MW汽轮发电机定子第13页/共84页国产200MW汽轮发电机定子铁心第14页/共84页现场运行的水轮发电机第15页/共84页第二节 同步电机的基本工作原理及其分类一、三相同步发电机的基本工作原理大小大小：0110444kfN.Ew频率频率：60pnf 励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁场，原动机拖励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁场

4、，原动机拖动转子以转速动转子以转速 旋转时，其磁场切割定子绕组而感应交旋转时，其磁场切割定子绕组而感应交流电动势流电动势 n0E相序：相序：由转子的转向决定。由转子的转向决定。波形波形：由：由 可知，波形取决于可知，波形取决于 的空间分布。的空间分布。lvBe(x)(x)B第16页/共84页XAZBCYNSn三相同步发电机的物理三相同步发电机的物理过程可用图示表示过程可用图示表示第17页/共84页二、同步电机的分类按运行方式，同步电机分发电机、电动机和调相机。按运行方式，同步电机分发电机、电动机和调相机。按结构型式，同步电机分旋转电枢式和旋转磁极式。按结构型式，同步电机分旋转电枢式和旋转磁极式

5、。旋转磁极式同步电机按磁极形状，又分隐极式和凸极式两种。旋转磁极式同步电机按磁极形状，又分隐极式和凸极式两种。按原动机类别按原动机类别, ,同步电机分为汽轮发电机、水轮发电机和柴油发电机等。同步电机分为汽轮发电机、水轮发电机和柴油发电机等。汽轮发电机一般作成隐极式，现代汽轮发电机均为汽轮发电机一般作成隐极式，现代汽轮发电机均为2 2极，转速为极，转速为30003000转转/ /分钟，水轮发分钟，水轮发电机采用凸极式，极数多，转速低。电机采用凸极式，极数多，转速低。同步电动机、柴油发电机和调相机一般作成凸极式。同步电动机、柴油发电机和调相机一般作成凸极式。按冷却介质和冷却方式分，有空外冷、氢冷、

6、水内冷按冷却介质和冷却方式分，有空外冷、氢冷、水内冷第18页/共84页第三节 同步电机的型号和额定值一、型号一、型号发电机型号表示该发电机的类型和特点发电机型号表示该发电机的类型和特点 QFQS-200-2表示定子绕组水内冷、转子绕组氢内冷、铁心氢冷的二极汽轮发电表示定子绕组水内冷、转子绕组氢内冷、铁心氢冷的二极汽轮发电机，容量为机，容量为200MW。 854/210-40854/210-40表示立式同步水轮发电机，定子铁心外径为表示立式同步水轮发电机，定子铁心外径为854cm854cm，定子铁心长，定子铁心长度为度为210cm210cm，有，有4040个磁极。个磁极。第19页/共84页对同步

7、发电机额定值之间关系为：对同步发电机额定值之间关系为：NNcosIUcosSPNNNN3)(kVUN额定电压额定运行时加在三相额定运行时加在三相定子绕组上的线电压。定子绕组上的线电压。NNPS 额定功率额定容量 指电机额定运行时，输出功率的保证值。同步发电机是指输出的额定视在功率或指电机额定运行时，输出功率的保证值。同步发电机是指输出的额定视在功率或有功功率，单位是有功功率，单位是KVAKVA或或KWKW。电动机额定容量是指额定条件下转轴上输出的机械功率，。电动机额定容量是指额定条件下转轴上输出的机械功率，单位是单位是KWKW。调相机用。调相机用KVAKVA或或KvarKvar表示。表示。)(

8、AIN额定电流在额定运行状态下在额定运行状态下三相定子绕组的线三相定子绕组的线电流电流.fNfNNNNUInf额定励磁电压额定励磁电流额定转速额定效率额定频率额定功率因数Ncos二、额定值第20页/共84页第一节同步发电机的电枢反应第二节同步发电机的电动势方程和相量图第四节同步发电机的并列第七节同步调相机和同步电动机思考题与习题第十章同步发电机的运行原理第十章同步发电机的运行原理第三节同步发电机的运行特性第五节同步发电机的有功功率功角特性和静态稳定第六节同步发电机的无功功率功角特性和形曲线第21页/共84页第一节 同步发电机的电枢反应同步发电机转子由原动机拖动到同步转速，转子绕组通以恒定的直流

9、励磁电流，同步发电机转子由原动机拖动到同步转速，转子绕组通以恒定的直流励磁电流，定子电枢绕组开路，这种运行状态，称为同步发电机的空载运行。定子电枢绕组开路，这种运行状态，称为同步发电机的空载运行。一、同步发电机的空载特性第22页/共84页励磁电流励磁电流I If单独建立的励磁磁动势单独建立的励磁磁动势F Ff f产生的主、漏磁通。产生的主、漏磁通。主、漏磁通均随转子旋转，在气隙中形成旋转磁场。主磁通交链电枢绕组，在电枢主、漏磁通均随转子旋转，在气隙中形成旋转磁场。主磁通交链电枢绕组，在电枢绕组中感应电动势绕组中感应电动势； 漏磁通不交链电枢绕组，不在电枢绕组中感应电动势，不参与定、转子之间的能

10、量漏磁通不交链电枢绕组，不在电枢绕组中感应电动势，不参与定、转子之间的能量转换转换. . 第23页/共84页fIfF0f0E空载时电磁关系空载时电磁关系：01104.44kfNEw空载特性空载特性：空载电动势空载电动势 大小大小：0E)f(IE,I ,nnfN00空载特性曲线空载特性曲线：气隙线气隙线)f(F)f(IEff0000ENUffFIfI0fI第24页/共84页二、电枢反应电枢反应电枢反应: :电机带上负载后，电枢磁动势的基波在气隙中使气隙电机带上负载后，电枢磁动势的基波在气隙中使气隙磁通的大小及位置均发生变化磁通的大小及位置均发生变化, , 这种影响称为电枢反应这种影响称为电枢反应

11、. .电枢反应的性质，取决于电枢磁动势基波电枢反应的性质，取决于电枢磁动势基波 和励磁磁动势基波和励磁磁动势基波 之间的相对位置，即之间的相对位置，即与空载电动势与空载电动势 和电枢电流和电枢电流 之间的夹角之间的夹角 有关有关. .0EIfFaF励磁磁势和电枢磁势的区别励磁磁势和电枢磁势的区别基波基波波形波形大小大小位置位置转速转速转向转向励磁磁动励磁磁动势势正弦正弦波波恒定，由励恒定，由励磁电流决定磁电流决定由转子位置由转子位置决定决定由原动机的转速由原动机的转速决定决定由原动机由原动机决定决定电枢反应电枢反应磁动势磁动势正弦正弦波波恒定，由电恒定，由电枢电流决定枢电流决定由电流瞬时由电流

12、瞬时值决定值决定由磁极对数和电由磁极对数和电流频率决定流频率决定由电流相由电流相序决定序决定第25页/共84页准备工作1.三个角1)1)内功率因数角内功率因数角:是是 与与 之间的时间相位角之间的时间相位角, ,与电机参数及负载有关与电机参数及负载有关. .0EI2)2)外功率因数角外功率因数角:是是 与与 之间的时间相位角之间的时间相位角, ,与负载有关与负载有关. .UI3)3)功率角功率角( (功角功角) ):是是 与与 之间的时间相位角之间的时间相位角. .0EU三个角之间的关系为三个角之间的关系为IUI0EU0E第26页/共84页2.四个轴直轴直轴( (纵轴、纵轴、d d轴）轴）：主

13、磁极轴线位置。：主磁极轴线位置。交轴（横轴、交轴（横轴、q q轴）轴）：与直轴成与直轴成90900 0电角度的位置。电角度的位置。 相轴相轴：每相绕组的轴线位置。每相绕组的轴线位置。时轴时轴：时间相量在其上投影可时间相量在其上投影可得到时间量的瞬时值。得到时间量的瞬时值。q轴 A AX X Z ZB BCYNSd轴C轴B轴A轴第27页/共84页1. 时的电枢反应00d轴q轴 A轴A AX X Z ZB BCYNSC轴B轴fFaFF090电枢反应性质：电枢反应性质：交轴电枢反应空载电动势空载电动势 和电枢电流和电枢电流 同相位同相位. .0EI090角为之间夹与afFFaqaFF 为记第28页/

14、共84页d轴q轴 A轴A AX X Z ZB BCYNSC轴B轴fF2. 时的电枢反应090空载电动势空载电动势 超前电枢电流超前电枢电流 0EI090电枢反应性质：电枢反应性质：直轴去磁电枢反应aF090角为之间夹与afFFadaFF 为记第29页/共84页d轴q轴 A轴A AX X Z ZB BCYNSC轴B轴fF3. 时的电枢反应090空载电动势空载电动势 滞后电枢电滞后电枢电流流 0EI090电枢反应性质电枢反应性质：直轴助磁电枢反应aF090角为之间夹与afFFadaFF 为记第30页/共84页d轴q轴 A轴A AX X Z ZB BCYNSC轴B轴fF空载电动势空载电动势 超前电枢

15、电流超前电枢电流 角角0EI090角为之间夹与afFFaF090电枢反应性质：电枢反应性质：既有交轴,还有直轴去磁电枢反应4. 的电枢反应00900第31页/共84页此种情况下此种情况下, ,IcosIIsinIIIIqdqd-直轴分量直轴分量-交轴分量交轴分量0090成与EId同相位与0EIqcosFFsinFFFFFaaqaadaqada-直轴分量电流产生的合成磁动势直轴分量电流产生的合成磁动势-交轴分量电流产生的合成磁动势交轴分量电流产生的合成磁动势0EdIqIIadFaqFaFfF090第32页/共84页一般情况下的电枢反应（总结）一般情况下的电枢反应（总结）上升上升下降下降 上升上升

16、下降下降下降下降下降下降不变不变不变不变下降下降R、C增强增强交、直交、直助助d d、q q轴轴R、L削弱削弱交、直交、直去去d d、q q轴轴C增强增强直、助直、助d d轴轴L削弱削弱直、去直、去d d轴轴R波形波形畸变畸变交轴交轴q q轴轴 负载负载性质性质对电机的影响对电机的影响电枢反电枢反应性质应性质记作记作夹角夹角 位置位置aFafFFaFaqFadFaqadFF adFaqadFF F000900900090000090090)f(nU第33页/共84页三、电磁转矩 同步发电机带上负载后，电枢电流建立电枢反应磁场，它与励磁电流作用产生电磁同步发电机带上负载后，电枢电流建立电枢反应磁

17、场，它与励磁电流作用产生电磁力，在某些情况下形成电磁转矩，实现机电能量转换。力，在某些情况下形成电磁转矩，实现机电能量转换。 输出的有功功率越大，有功分量电流就越大，交轴电枢输出的有功功率越大，有功分量电流就越大，交轴电枢反应越强，电磁转矩越大，为了保持电机的转速不变，要反应越强，电磁转矩越大，为了保持电机的转速不变，要求原动机输入更大的驱动转矩求原动机输入更大的驱动转矩调节有功功率。调节有功功率。1.1.有功电流产生电磁力有功电流产生电磁力, ,形成电磁转矩形成电磁转矩当发电机带有功负载当发电机带有功负载( (阻性负载阻性负载) )时时, ,可以近似认为可以近似认为0即，电枢绕组流过有功电流

18、时即，电枢绕组流过有功电流时, ,产生交轴电枢反应磁场。产生交轴电枢反应磁场。励磁绕组载流体在该磁场作用产生电磁力，并形成制动性励磁绕组载流体在该磁场作用产生电磁力，并形成制动性质的电磁转矩。质的电磁转矩。第34页/共84页2. .无功电流产生电磁力但不形成转矩无功电流产生电磁力但不形成转矩 说明发电机带感性说明发电机带感性( (或容性或容性) )无功负载时无功负载时, ,不需要不需要原动机增加能量。原动机增加能量。 但是直轴去磁（或助磁）电枢反应对气隙磁场有但是直轴去磁（或助磁）电枢反应对气隙磁场有去磁（或助磁）作用，致使发电机端电压下降（或上去磁（或助磁）作用，致使发电机端电压下降（或上升

19、）。为维持电压恒定，励磁电流需要相应增加（或升）。为维持电压恒定，励磁电流需要相应增加（或减小）减小）调节无功功率。调节无功功率。发电机带电感或电容负载发电机带电感或电容负载( (无功负载无功负载) )时时, ,可以认为可以认为0090或90产生直轴去磁产生直轴去磁( (或助磁或助磁) )电枢反应磁场。励磁绕组载流体在该磁电枢反应磁场。励磁绕组载流体在该磁场作用产生电磁力，但不形成电磁转矩。场作用产生电磁力，但不形成电磁转矩。第35页/共84页第二节 同步发电机的电动势方程和相量图一、同步电抗 由于定子漏磁通的路径主要是气隙，磁路不饱和，所以漏抗为常数。由于定子漏磁通的路径主要是气隙，磁路不饱

20、和，所以漏抗为常数。 dIadFadadEqIaqFaqaqEEI不考虑磁路饱和时不考虑磁路饱和时,各电动势与其对应的电流成正比各电动势与其对应的电流成正比,即有即有addadxI jEadx对应对应 的直轴电枢反应电抗的直轴电枢反应电抗adaqqaqxI jEaqx对应对应 的交轴电枢反应电抗的交轴电枢反应电抗aqxI jEx对应对应 的漏电抗的漏电抗第36页/共84页对于凸极同步电机对于凸极同步电机, ,由于直轴气隙比交轴气隙小，直轴磁由于直轴气隙比交轴气隙小，直轴磁阻比交轴磁阻小，所以有阻比交轴磁阻小，所以有aqadxx对隐极同步电机，由于气隙均匀，交、直轴的磁阻大小相对隐极同步电机，由

21、于气隙均匀，交、直轴的磁阻大小相等，即认为等，即认为 aaqadxxx 电枢反应电抗为三相对称电枢电流产生合成的电枢反应磁场感应于一相的电枢电动电枢反应电抗为三相对称电枢电流产生合成的电枢反应磁场感应于一相的电枢电动势与其对应的相电流的比值，它综合反映三相对称电流产生的合成电枢反应磁场对定子势与其对应的相电流的比值，它综合反映三相对称电流产生的合成电枢反应磁场对定子一相的影响一相的影响。 aaxI jEax隐极发电机对应隐极发电机对应 的电枢反应电抗的电枢反应电抗aaaqad第37页/共84页 当三相对称电流流过电枢绕组时，产生电枢反应磁通和漏磁通，分别在电枢绕组当三相对称电流流过电枢绕组时，

22、产生电枢反应磁通和漏磁通，分别在电枢绕组中感应电枢反应电动势和漏感电动势。中感应电枢反应电动势和漏感电动势。对隐极电机，全部电动势为对隐极电机，全部电动势为 taaxI jxI jxI jEExxxat 称为隐极电机的同步电抗，是电枢反应电抗和漏抗之和。同步发电机正常运行时，称为隐极电机的同步电抗，是电枢反应电抗和漏抗之和。同步发电机正常运行时，磁路略呈饱和，磁路越饱和，所对应的电抗越小。磁路略呈饱和，磁路越饱和，所对应的电抗越小。 tx对凸极电机对凸极电机xxxxxxaqqadd分别称为直轴和交轴同步电抗。分别称为直轴和交轴同步电抗。 直轴磁路的气隙较小，应当考虑铁心饱和的影响，因而直轴磁路

23、的气隙较小，应当考虑铁心饱和的影响，因而 具有饱和值和不饱和值具有饱和值和不饱和值之分；而交轴磁路气隙较大，可认为之分；而交轴磁路气隙较大，可认为 只有非饱和值，为常量。只有非饱和值，为常量。 dxqx第38页/共84页 同步电抗同步电抗是同步电机的一个重要参数，它是表征同步发电机稳定运行时电枢反应是同步电机的一个重要参数，它是表征同步发电机稳定运行时电枢反应磁场和电枢漏磁场对电枢电路作用的一个综合参数。同步电抗的大小直接影响同步发磁场和电枢漏磁场对电枢电路作用的一个综合参数。同步电抗的大小直接影响同步发电机端电压随负载波动的程度和在大电网运行时的稳定性，也影响同步发电机短路电电机端电压随负载

24、波动的程度和在大电网运行时的稳定性，也影响同步发电机短路电流大小。流大小。 一、凸极同步发电机的电动势方程和相量图fIfF0f0E(三相系统)(合成旋转磁动势)arIadFadadEaqFaqaqEEIaF第39页/共84页若正方向按图规定，则有若正方向按图规定，则有qqddaxI jxI jr IUE0aaqadr IUEEEE0XI jEXI jEXI jEaqqaqaddadqdIII代入代入得到凸极发电机的电动势方程得到凸极发电机的电动势方程或或ar IUEE注意：方程式中的电压、电动势和电流均为相值。注意：方程式中的电压、电动势和电流均为相值。第40页/共84页凸极同步发电机的相量图

25、作图步骤凸极同步发电机的相量图作图步骤;IU)(和根据已知条件绘出1;IEExI jrIUE)(ONONqaON的夹角与及作出根据2;III)(qd和分解成角将根据3004E,xI jxI jD,xI jxI jrIUE)(ddqqqqdda得到及点依次作出从根据cosUIrsinUIxtanaq1若内功率因数角不知，可从以下公式求取若内功率因数角不知，可从以下公式求取第41页/共84页二、隐极同步发电机的电动势方程、等效电路和相量图电磁关系：电磁关系：fIfF0f0EaFaaEEI电动势平衡方程电动势平衡方程taxI jr IUE0ar IUEEaar IUEEE0或或代入代入xI jExI

26、 jEaa可得到隐极发电机的电动势方程可得到隐极发电机的电动势方程第42页/共84页根据电动势方程，可以作出隐极发电机的等效电路和相量图根据电动势方程，可以作出隐极发电机的等效电路和相量图等效电路等效电路根据相量图可求出根据相量图可求出220taIxsinUIrcosUEatrIcosUIxsinUtan1相量图相量图)(0由相量图可知由相量图可知0EUIartxUIar ItxI j0E第43页/共84页第三节 同步发电机的运行特性一、空载特性一、空载特性定义：)I(fEU,I ,nnf0010 空载特性是发电机的基本特性之一。它一方面表空载特性是发电机的基本特性之一。它一方面表征了磁路的饱

27、和情况，另一方面把它和短路特性、征了磁路的饱和情况，另一方面把它和短路特性、零功率因数负载特性配合，可确定电机的基本参数、零功率因数负载特性配合，可确定电机的基本参数、额定励磁电流和电压变化率等。额定励磁电流和电压变化率等。 实际生产中，它还可以检查三相电枢绕组的对实际生产中，它还可以检查三相电枢绕组的对称性、匝间短路、判断励磁绕组有无故障等称性、匝间短路、判断励磁绕组有无故障等。第44页/共84页二、短路特性二、短路特性定义：)I(fI ,U,nnfk01短路时的等效电路短路时的等效电路1.短路特性短路时短路时, ,090电枢反应为直轴去磁电枢反应为直轴去磁dx气隙电动势很小气隙电动势很小,

28、感应气隙电动势的气隙磁通量感应气隙电动势的气隙磁通量很小很小,所以磁路不饱和所以磁路不饱和.fkIEI0所以短路特性是一条过原点的直线所以短路特性是一条过原点的直线. .xI jxI jr IUEa此时此时是常数是常数,有有第45页/共84页2.同步电抗的求取根据公式根据公式k0dIEx 求求x xd d不饱和值时不饱和值时, ,首先给定一励磁电流首先给定一励磁电流I If f，在空载特性的，在空载特性的不饱和段或气隙线上确定对应不饱和段或气隙线上确定对应I If的的E E0值，然后在短路特性值，然后在短路特性曲线上确定对应曲线上确定对应I If的短路电流的短路电流I Ik k的值的值, ,则

29、则 Nk)(dIEIEx00 不求取求取x xd d饱和值时，首先在空载特性上取对应额定电饱和值时，首先在空载特性上取对应额定电压压U UN N的励磁电流的励磁电流I If0f0，再从短路特性上取出对应，再从短路特性上取出对应I If0f0的的短路电流短路电流I Ik k，则，则 kN)(dIUx饱交轴同步电抗交轴同步电抗 dqx.x60第46页/共84页三、外特性三、外特性定义：)I(fU,Ccos,CI ,nnf1外特性曲线外特性曲线 当发电机带阻性和感性负载时，外特性是下降当发电机带阻性和感性负载时，外特性是下降的，原因是电枢反应的去磁作用和电枢漏阻抗产生的，原因是电枢反应的去磁作用和电

30、枢漏阻抗产生了电压降；带容性负载时且（发电机负载的容抗大了电压降；带容性负载时且（发电机负载的容抗大于同步电抗）时，外特性是上升的，原因是电枢反于同步电抗）时，外特性是上升的，原因是电枢反应的助磁作用和容性电流在漏抗上的压降。应的助磁作用和容性电流在漏抗上的压降。 为了在不同功率因数下时能得到额定电压，感为了在不同功率因数下时能得到额定电压，感性负载时要增大励磁电流，容性负载时应减小励磁性负载时要增大励磁电流，容性负载时应减小励磁电流。电流。 第47页/共84页四、调节特性四、调节特性定义：)I(fI ,Ccos,CU,nnf1调整特性曲线调整特性曲线 在感性和阻性负载时，随着负载电流的增加，

31、必在感性和阻性负载时，随着负载电流的增加，必须增加励磁电流，补偿电枢反应的去磁作用和漏阻抗须增加励磁电流，补偿电枢反应的去磁作用和漏阻抗压降，保持端电压恒定；对容性负载，随着负载电流压降，保持端电压恒定；对容性负载，随着负载电流的增加，必须减小励磁电流。的增加，必须减小励磁电流。 在功率因数一定情况下在功率因数一定情况下, ,根据调整特性曲线根据调整特性曲线, ,可确定可确定在负载变化范围内在负载变化范围内, ,维持电压不变所需的励磁电流的变维持电压不变所需的励磁电流的变化范围。运行人员可利用调整特性曲线化范围。运行人员可利用调整特性曲线, ,使系统中无功使系统中无功功率的分配更合理一些。功率

32、的分配更合理一些。第48页/共84页并联运行的含义第四节 同步电机的并列1 1、提高供电的可靠性；、提高供电的可靠性；2 2、提高供电的经济性；、提高供电的经济性；3 3、提高电能的质量。、提高电能的质量。无穷大电网的含义0cccZCfCUS 将两台或更多台发电机分别接在电力系统对应母线上，或通过变压器、输电线接将两台或更多台发电机分别接在电力系统对应母线上，或通过变压器、输电线接在电力系统的公共母线上，共同向负荷供电在电力系统的公共母线上，共同向负荷供电.并联运行的优点并列方法1.1.准同步法准同步法2.2.自同步法自同步法第49页/共84页一、准同步法1.1.待并发电机的电压与电网电压大小

33、相等；待并发电机的电压与电网电压大小相等；2.2.待并发电机电压相位与电网电压相位相同；待并发电机电压相位与电网电压相位相同；3.3.待并发电机电压频率与电网电压频率相同；待并发电机电压频率与电网电压频率相同； 4.4.待并发电机的相序与电网的相序相同。待并发电机的相序与电网的相序相同。 上述条件（上述条件（4 4）一般在安装发电机时，根据发电机的转向确定了发电机的相序而）一般在安装发电机时，根据发电机的转向确定了发电机的相序而满足，因此运行人员在并列时只需调节发电机使其满足其它三个条件即可。满足，因此运行人员在并列时只需调节发电机使其满足其它三个条件即可。 不满足任一条件的并列称为非同步并列

34、，将对电机产生严重的危害。不满足任一条件的并列称为非同步并列，将对电机产生严重的危害。准同步并列必须满足的条件准同步并列必须满足的条件第50页/共84页某一条件不满足时对电机的影响1 1、电机和电网之间有环流，定子绕组端部受力变形。、电机和电网之间有环流，定子绕组端部受力变形。2 2、产生拍振电流和电压，引起电机内功率振荡。、产生拍振电流和电压，引起电机内功率振荡。3 3、电机和电网之间有高次谐波环流，增加损耗，温、电机和电网之间有高次谐波环流，增加损耗，温度升高，效率降低。度升高，效率降低。4 4、电网和电机之间存在巨大的电位差而产生无法消、电网和电机之间存在巨大的电位差而产生无法消除的环流

35、，危害电机安全运行。除的环流，危害电机安全运行。第51页/共84页1. 电压大小不等此时此时,S,S两端有电位差两端有电位差cgUUU 在电位差的作用下发电机产生冲击电流，在电位差的作用下发电机产生冲击电流，即即dcgdcx jUUx jUI 冲击电流为无功分量，不冲击电流为无功分量，不会加重原动机的负担，但会在会加重原动机的负担，但会在电枢绕组中产生很大的冲击力，电枢绕组中产生很大的冲击力，使电枢绕组端部受冲击力的作使电枢绕组端部受冲击力的作用而变形。用而变形。由于由于xd 很小，所以即使很小，所以即使U U不大，冲击不大，冲击电流也会很大电流也会很大 UgUsdx cU电电网网gUUcUc

36、IcUUgU第52页/共84页2. 相位不同cgUUU此时此时,ab,ab两端有电位差两端有电位差如图反相和若,UUcg 电位差可达发电机电压电位差可达发电机电压的两倍，若此时并列，会产的两倍，若此时并列，会产生很大的冲击电流，发电机生很大的冲击电流，发电机会因遭受巨大的冲击力而损会因遭受巨大的冲击力而损坏。坏。如图,U稍超前U若cg冲击电流的影响冲击电流的影响 1)1)电枢绕组端部受力变形电枢绕组端部受力变形; ; 2)2)转轴上受冲击转矩的作用转轴上受冲击转矩的作用, ,使机轴扭使机轴扭曲变形曲变形; ; 3)3)电枢绕组发热电枢绕组发热. .cUUgUcIcUUgUcaIcrI第53页/

37、共84页3. 3. 频率不同频率不同。大小相等而角速度不同和cgUU小变变化的拍振电压时大、时为瞬时值的幅值有规律U转轴上时而产生制动转矩、时而产生驱转轴上时而产生制动转矩、时而产生驱动转矩，结果是电机振动。动转矩，结果是电机振动。拍振电流使电枢绕组端部受力变形，使拍振电流使电枢绕组端部受力变形，使电枢绕组发热。电枢绕组发热。cUUgUgc第54页/共84页频率差过大电机不能并列；频率差较小时，靠频率差过大电机不能并列；频率差较小时，靠自整步作用，可以把发电机拉入同作用，可以把发电机拉入同步。步。并发电机频率略高于电网并发电机频率略高于电网频率时频率时cgff 并发电机频率略低于电网并发电机频

38、率略低于电网频率时频率时cgff 冲击电流的有功分冲击电流的有功分量与电压同相位量与电压同相位, ,表表明发电机向电网发明发电机向电网发出有功功率出有功功率, ,并对转并对转轴产生制动性质转轴产生制动性质转矩，电机减速，频矩，电机减速，频率下降，直至率下降，直至冲击电流的有功分量冲击电流的有功分量与电压反相位与电压反相位, ,表明表明发电机从电网吸收有发电机从电网吸收有功功率功功率, ,并对转轴产并对转轴产生驱动性质转矩，电生驱动性质转矩，电机加速，频率上升，机加速，频率上升，直至直至 cUUgUgccIacIgUUcUcgcIcaI第55页/共84页4. 相序不同 发电机实际并列时，除了相序

39、必须一致外，其它条件允许有一定的偏差，如发电机实际并列时，除了相序必须一致外，其它条件允许有一定的偏差，如U U不超过不超过10%10%，相位差不超过，相位差不超过10%10%，频率偏差不超过，频率偏差不超过0.2%0.2%0.5%0.5%（0.10.10.25Hz)0.25Hz)。二、自同期法 相序正确前提下，起动未加励磁的发电机，当其转速接近同步速时，合上同步开相序正确前提下，起动未加励磁的发电机，当其转速接近同步速时，合上同步开关，将发电机并网，然后加上发电机励磁将发电机牵入同步。并网前，励磁绕组需经关，将发电机并网，然后加上发电机励磁将发电机牵入同步。并网前，励磁绕组需经限流电阻闭合。

40、并列时会较大有冲击电流和转矩限流电阻闭合。并列时会较大有冲击电流和转矩,一般用于紧急状态下的并列操作一般用于紧急状态下的并列操作.相序不同的发电机不能并列，因为此时相序不同的发电机不能并列，因为此时 和和 恒差恒差 ， 恒等于恒等于 ，它将，它将产巨大的冲击电流危害电机及系统。产巨大的冲击电流危害电机及系统。gUcU0120UgU3第56页/共84页第五节 同步发电机的有功功角特性和静态稳定一、有功功率平衡输入输入功率功率P1机械损机械损耗耗pmec附加损耗附加损耗p padad铁损铁损pFe电磁功电磁功率率Pem定子铜损定子铜损pcu1输出功输出功率率P P2 2mUIcosPpPPpP)p

41、p(pPPcuemadFemecem212011第57页/共84页10111PPPem可得转矩平衡方程为可得转矩平衡方程为01TTTem01TTTem或或 上式说明，电机稳定运行时，驱动性质的原动机转矩与制动性质的电磁转矩和上式说明，电机稳定运行时，驱动性质的原动机转矩与制动性质的电磁转矩和空载转矩之和平衡。空载转矩之和平衡。01PPPem在在 两边除以两边除以602n第58页/共84页二、有功功率功角特性tqd、xxx0EfI)(fPem 并联于无穷大电网的同步发电机，当电网电压和频率一定、参数（并联于无穷大电网的同步发电机，当电网电压和频率一定、参数（ ) )为常数、空载电动势为常数、空载

42、电动势 不变（即不变（即 不变）时，不变）时， 为有功功率功角特性。为有功功率功角特性。凸极电机：凸极电机：2112202sinxxUmsinxUEmcosmUIPPdqdem隐极电机隐极电机sinxUEmcosmUIPtem0为了分析方便，假定为了分析方便，假定1 1）发电机并联于无穷大电网；）发电机并联于无穷大电网；2 2）发电机磁路不饱和；）发电机磁路不饱和；3 3）忽略电枢绕组电阻。）忽略电枢绕组电阻。根据发电机的相量图，可以推导得发电机的有功功率功角特性根据发电机的相量图，可以推导得发电机的有功功率功角特性第59页/共84页水轮发电机的有功功率功角特性分两部分水轮发电机的有功功率功角

43、特性分两部分:sinXUEmPdem021122sin)XX(UmPdqem 附加电磁功率的特点附加电磁功率的特点:;时附加电磁功率最大045;E 无关附加电磁功率与0.XXqd产生的附加电磁功率是由于-基本电磁功率基本电磁功率-附加电磁功率附加电磁功率第60页/共84页汽轮发电机的功角特性曲线汽轮发电机的功角特性曲线汽轮发电机的有功功率功角特性的特点汽轮发电机的有功功率功角特性的特点;sin)成正比的正弦函数与功角电磁功率1emP;xUmEP)temmax00达到极限值,902功率时.,18030动机运行电机转为电为负值emP,)第61页/共84页功角的双重物理意义功角的双重物理意义1 1、

44、是电动势、是电动势 和电压和电压 间的时间相位角间的时间相位角; ;0EUfFuF或称是励磁磁动势或称是励磁磁动势 和合成磁动势和合成磁动势 间的空间夹角。间的空间夹角。2 2、是感应电动势、是感应电动势 的主磁通和产生电压的主磁通和产生电压 的定子等效合成磁通之间的夹角。的定子等效合成磁通之间的夹角。0EU0u。FF,)(,、,U,ufuauuu间的空间夹角之与定子合成磁极极之间的夹角即为转子磁由因此所产生简称定子合成磁极个等效合成磁极并假定它是由定子的一合成和由产生的是假定发电机的端电压是一个虚拟磁通00第62页/共84页用图示功角的双重物理意义用图示功角的双重物理意义第63页/共84页）

45、。（，。),(UE,制动转矩个反作用力合成磁极给转子磁极一定子磁极同步旋转转子磁极拖动定子合成稳定运行时角轴线一个合成磁极转子磁极轴线超前定子超前在发电机运行时000 因有原动机的驱动转矩克服定子合成磁极的制动转矩而作功因有原动机的驱动转矩克服定子合成磁极的制动转矩而作功, ,实现机电能量转换实现机电能量转换, ,将由原动机输入的机械能转变为电能输出。将由原动机输入的机械能转变为电能输出。 功角是研究同步发电机运行状态的一个重要参数，它不仅决定发电机输出有功功功角是研究同步发电机运行状态的一个重要参数，它不仅决定发电机输出有功功率的大小，而且还反映发电机转子的相对空间位置，它把同步电机的电磁关

46、系和机械率的大小，而且还反映发电机转子的相对空间位置，它把同步电机的电磁关系和机械运动紧密联系起来。运动紧密联系起来。定子定子nN NS Sn定子定子NS第64页/共84页三、有功功率调节 发电机空载运行时，原动机输入的功率用来平衡各种损耗，此时发电机空载运行时，原动机输入的功率用来平衡各种损耗，此时 ，定、，定、转子磁极轴线重合，它们之间只有径向力而无切向力，所以转子磁极轴线重合，它们之间只有径向力而无切向力，所以 ，在功角特性，在功角特性的的0 0点上。点上。00 0emPemP0。a,TT，TP，T，TP),(emememem点如图为止直到逐渐增大转矩和电磁逐渐变大输出功率增大发电机输入

47、功率开大汽门增大原动转矩111aa1P 可见，并联于无穷大电网的同步发电机要调节有可见，并联于无穷大电网的同步发电机要调节有功功率输出，只需调节原动转矩。在功率极限角范围功功率输出，只需调节原动转矩。在功率极限角范围内，输入转矩越大，有功功率输出就越大。内，输入转矩越大，有功功率输出就越大。第65页/共84页四、静态稳定的概念静态稳定：指并联在电网上稳定运行的同步发电机，当受电网或原动机方面某些指并联在电网上稳定运行的同步发电机，当受电网或原动机方面某些微小扰动时，能在这种干扰消失后，继续保持原来稳定运行状态的能力。微小扰动时，能在这种干扰消失后，继续保持原来稳定运行状态的能力。emP0aa1

48、Pbb在在a a点运行时电机具有静态稳定的能力。点运行时电机具有静态稳定的能力。若干扰使功角若干扰使功角增大到增大到aa点点a干扰使功角干扰使功角减小时，有同样结论。所以减小时，有同样结论。所以a a点称为稳定点称为稳定运行点。运行点。而而b b点为不稳定运行点，分析略。点为不稳定运行点，分析略。P Pemem和和T Temem增大，迫使电机减速，功角增大，迫使电机减速，功角变小，电变小，电机回到机回到a a点。点。第66页/共84页静态稳定的判据：静态稳定的判据：比整步功率(kW/rad)0ddPPemsyn对汽轮发电机，对汽轮发电机，比整步功率为比整步功率为cosxUEmddPPtemsy

49、n0emP0synPsynPemP090在电机稳定区域内，在电机稳定区域内， 越大，电机稳定性越好。越大，电机稳定性越好。synP对水轮发电机，对水轮发电机，比整步功率为比整步功率为21120cos)xx(mUcosxUEmddPPdqdemsyn第67页/共84页五、过载能力汽轮发电机的过载能力汽轮发电机的过载能力NmaxemMPPkNNttNmaxemMsinsinxUEmxUEmPPk100最大电磁功率与额定功率的比值称为过载能力。最大电磁功率与额定功率的比值称为过载能力。 过载能力越大，电机的稳定性越好。过载能力是表达静态稳定的能力，不是发电机过载能力越大，电机的稳定性越好。过载能力是

50、表达静态稳定的能力，不是发电机可以过载的倍数。可以过载的倍数。 过载能力设计得在一点，是从提高稳定观点考虑的，不是从发热观点考虑的。过载能力设计得在一点，是从提高稳定观点考虑的，不是从发热观点考虑的。第68页/共84页第六节 同步发电机的无功功率功角特性及V形曲线一、无功功率功角特性 并联于无穷大电网的同步发电机当电网电压和频率恒定、参数（并联于无穷大电网的同步发电机当电网电压和频率恒定、参数（x xd d、x xq q、x xt t）为）为常数、空载电势常数、空载电势E E0 0不变（即不变（即 I If f 不变）时，不变）时，Q=f()Q=f()为无功功率功角特性为无功功率功角特性。水轮