2022年《电机学》同步电机复习提纲要点 .pdf
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1、1 电机学(下)同步电机复习提纲第二十章同步电机概述1.同步电机的定子称电枢,电枢铁心嵌放三相对称绕组;转子称主磁极,由直流电励磁,分为隐极式和凸极式【P193图 20-2】;隐极转子:气隙均匀,多用于高速电机,如:汽轮发电机,通常极对数p=1,由于转速高,汽轮发电机直径较小、长度较长;凸极转子:气隙不均匀,多用于低速电机,如:水轮发电机均采用凸极式,特点是直径大、长度短;转子除励磁绕组外,还常装有与感应电机笼型绕组相似的闭合绕组,在发电机称为阻尼绕组,在电动机称为起动绕组。2.同步电机定子三相对称绕组通进三相对称电流产生的旋转磁场,与转子旋转磁极的转速恒为同步速sn,定、转子旋转磁场轴线之间
2、的夹角为转矩角sr,通常认为sr【P195图 20-6】称为功率角,是转子磁场轴线超前于定、转子合成磁场轴线的夹角;当0,相当于转子磁极拖着定、转子合成旋转磁场转,转子输入的机械功率转变为定子输出的电功率发电机运行状态;此时机械转矩为驱动转矩、电磁转矩为制动转矩;当0,相当于定、转子合成旋转磁场拖着转子磁极转,定子输入的电功率转变为转子输出的机械功率电动机运行状态;此时电磁转矩为驱动转矩、机械转矩为制动转矩;当0,相当于转子与合成旋转磁场轴线重合,电机内没有有功功率转换空载运行状态;电磁转矩为零。3.同步电机的励磁系统有:直流励磁机励磁、交流整流励磁、晶闸管自励恒压励磁等4.同步电机的额定值(
3、铭牌数据):NU、NI指电枢(定子)线电压、线电流;NS发电机的额定容量,指三相视在功率;NP指额定运行时的输出三相有功功率,故对发电机是电功率、对电动机是机械功率;3NNNSU I单位:VA、KVA 发电机:3cosNNNNPU I电动机:3cosNNNNNPU I单位:KW 同步电机的转子转速n 与电枢电流频率f、电机极对数p 存在严格不变的关系:60sfnnp称为同步速,单位:/minr(转/分钟);我国电网频率50fHz,故:p=1,nS=3000r/min;p=2,nS=1500r/min;p=3,nS=1000r/min.第二十一章同步发电机运行原理(一)同步发电机空载运行和负载时
4、的电枢反应1.同步发电机空载运行励磁绕组通入直流励磁电流fI,原动机拖动转子磁极以同步速nS旋转,定子电枢绕组开路。空载时只有fI建立的励磁磁势fF,产生空载磁通0,以 nS速度切割定子三相对称绕组感生三相空载电势0E;2.同步发电机接上三相对称负载后,电枢三相对称绕组通过三相对称电流I,产生一个旋转磁势,称为电枢磁势名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页,共 13 页 -2 aF,aF的转速也为同步速nS;即aF、fF均与转子转速、转向相同,故不会在转子绕组感应电势。3.空载时气隙磁场中只有fF,负载时多了aF;因此:负载时电枢磁势aF对气隙磁场的影响称为电枢反应4.电枢反
5、应的性质与内功率因数角0有关,定义:0电枢电流I落后于0E的夹角。直轴(d 轴)转子主磁极轴线,即fF的轴线;交轴(q 轴)与直轴正交的轴线;00时aF为交轴磁势,产生交轴电枢反应;交轴电枢反应的作用:使气隙磁场发生畸变,主极磁场超前于气隙合成磁场,电磁转矩为制动性质,原动机克服电磁转矩做功,机械能转变为电能。0090时aF为直轴磁势,产生直轴去磁电枢反应;作用:纯去磁。0090时aF为直轴磁势,产生直轴增磁电枢反应;作用:纯增磁。当0为任意角时,可把aF分解为一个交轴分量aqF和一个直轴分量adF,其中aqF产生交轴电枢反应,adF产生直轴电枢反应;因此:00900时电枢反应性质:交轴+直轴
6、去磁;00090时电枢反应性质:交轴+直轴增磁;5.时-空统一相量图把时间相量和空间相量合并在一起【P199 图 21-2】;时间相量:0E、I、0;空间相量:fF、aF在时-空统一相量图中:fF与0同相、aF与I同相;(二)同步发电机数学模型1.隐极发电机电磁关系:定子aaaaIFEjIx系统转子00ffIFE采用发电机惯例,定子绕组的上述感应电势与定子端电压U平衡(忽略电枢绕组电阻aR):0aEEEU其中:aE隐极机电枢反应电势;ax隐极机电枢反应电抗,对应于电枢反应的作用;E漏磁通感生的漏电势;x定子绕组漏电抗,对应于电枢漏磁场的作用;名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2
7、 页,共 13 页 -3 0E转子主磁通在定子感生的励磁电势,对应于主磁场的作用;电势方程(注:公式中所有电量均是相值):其中:saxxx 隐极同步电机的同步电抗相量图和等效电路如【p202 图 21-9】:其中:由于0E是转子磁场感生的;U可看成是定、转子合成磁场感生的,因此U与0E之间的夹角就是功率角【P208 图 21-18】;功率角(0E超前于U的角度)0内功率因数角(I落后于0E的角度);功率因数角(I落后于U的角度);2.凸极发电机由于气隙不均匀,需采用“双反应理论”的分析方法;双反应理论把电枢电流、电枢磁势、电枢反应电抗、同步电抗都分解为直轴(d 轴)和交轴(q 轴)分量分别进行
8、计算,再把结果叠加起来。电磁关系:定子dadadaddadIIFEjI x系统转子00ffIFE定子绕组的上述感应电势与定子端电压U平衡(忽略aR):0adaqEEEEU其中:dqIIIdI、adF、adE、adx分别为直轴电流、直轴电枢磁势、直轴电枢反应电势、直轴电枢反应电抗;qI、aqF、aqE、aqx分别为交轴电流、交轴电枢磁势、交轴电枢反应电势、交轴电枢反应电抗;凸极发电机电势方程(注:公式中所有电量均是相值):其中:dadxxx凸极同步电机的直轴同步电抗;qa qxxx凸极同步电机的交轴同步电抗;电抗的大小与磁导成正比,由于直轴气隙比交轴小故磁导比交轴大,所以dqxx;隐极机由于气隙
9、均匀,相当于dqsxxx。上式变为:0()dsqsdqssEUjI xjI xUj IIxUjIx隐极机电势方程;可见,隐极机可看成是凸极机当dqsxxx时的特例。凸极机相量图如【P205图 21-13、图 21-14】:由于 d 轴就是励磁磁通0的方向,0E比0落后090,q 轴与 d 轴垂直(正交),0E一定在 q 轴方向;名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页,共 13 页 -4 相量dqIII,大小0sindII、0cosqII;利用凸极机相量图可采用几何方法求0、0E:由【P205图 21-14】可见:忽略aR,过U的矢端作I的垂线与 q 轴相交;所组成的直角三角形
10、中,0角的邻边长度为cosU、对边长度为sinqIxU;因此:0sinarctancosqIxUU;0由【P205图 21-13】可见:忽略aR,0cosddEUI x其中:0sindII;此外由图21-14 可见,凸极机0的对边与q 轴相交所组成的直角三角形,其斜边并不是0E而是QE,QqEUjIx称为虚拟电动势,与此方程对应的等效电路如【P206图 21-15】;由图 21-14:0()QddqEEjIxx;由于0E、QE、()ddqjIxx同相,故大小为:0()QddqEEIxx;且由该直角三角形可知,忽略aR:0coscosQUE对于隐极机:dqxx,0QEE;书上例题:p206 例
11、21-1;例 1:一台凸极同步发电机,72500NPkW,10.5NUkV,Y接法,cos0.8N滞后,已知1.217dx0.674qx,忽略aR。试求额定负载下运行时发电机的0、dI、qI及0E线。解:725004983()3cos3 10.50.8NNNNNPIIAUcos0.8N,036.87N;000055.2736.8718.4N(三)同步发电机功率方程和转矩方程1.功率平衡方程(假设励磁损耗cufp由另外电源供给):机械方面的功率平衡:10FeeePppPpP;其中:1P由原动机输入的机械功率;eP机械转变为电的那部分功率,称为电磁功率;0()Fepppp空载损耗,它包括机械损耗p
12、、铁耗Fep,有时还需考虑杂散损耗p;名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页,共 13 页 -5 电方面的功率平衡:2ecuaPpP;其中:2cuaapmI R定子绕组铜耗;2cosPmUI发出的电功率;常忽略aR,则:2ePP因此:20coscoseQPPmUImE I(隐极机0QEE)注:凡功率符号为大写P,凡损耗符号为小写p;2.转矩平衡方程把机械方面的功率平衡方程两边除以同步角速度S,可得同步发电机的转矩平衡方程:10eTTT其中:11SPT原动机输入的驱动机械转矩;00FeSSPppT电机的空载损耗转矩;2eeSSPPT制动性质的电磁转矩;其中:260SSn;单位:
13、/rads(弧度/秒);转矩单位:N.m(牛顿.米);第二十二章同步发电机的特性同步发电机在对称负载下运行时,Snn=常数、cos常数。在可测量的fI、U、I三个量中,保持其中一个不变,另两者之间的关系即表示一种特性:0I不变、00()fUUEf I空载特性;0U不变、()kfIIf I短路特性;0I为常数不变、()fUf I负载特性;其中cos0的负载特性称为零功率因数负载特性;fI常数不变、()Uf I外特性;NUU不变、()fIf I调整特性;此外还有效率特性2()f P1.空载特性0()fEf I与磁化曲线0()ff F形状相似:【P209 图 22-1】名师资料总结-精品资料欢迎下载
14、-名师精心整理-第 5 页,共 13 页 -6 当0较小时磁路未饱和,空载特性是直线,饱和后成为曲线;直线部分的延长线称为气隙线。通常额定相电压NphU点设计在空载特性的拐弯点;2.短路特性短路时0U,忽略aR发电机只剩内部同步电抗压降与0E平衡,故kI是纯感性的,0090,对隐极机:0sksEUjIxjI x;对凸极机:由于090,则cos0qkII,sindkkIII;0qqddkdEUjI xjI xjI x可见无论隐极、凸极机:0kEI又由于0090时的电枢反应是直轴去磁的,即磁通较小电机不饱和,0fEI因此:kfII短路特性是一条直线,【P209 图 22-2(b)】。且由于磁通较小
15、、感应电势较小,故kI不大,所以同步发电机三相稳态短路没有危险。3.利用空载特性和短路特性可求sx、dx的不饱和值:【P211 图 226】由于短路时磁路不饱和,空载特性是直线即气隙线,短路特性也是一条直线;因此,在图中对应同一励磁电流fI,从空载特性气隙线上查0E、从短路特性上查kI;据0ksEjI x及0kdEjI x可知,0E与kI的比值就是sx、dx的不饱和值:0sdkExxI不饱和值、;4.sx、dx饱和值的近似求法【P212图 227】:在空载特性饱和段取NphU点,对应于该点找同一励磁电流0fI下的短路电流kI;则:NphsdkUxxI饱和值、5.短路比ck定义产生空载额定电压与
16、额定短路电流所需的励磁电流之比;由【P212 图 227】:可见:1cdkx饱和书上 P212例 22-1 6.零功率因数负载特性:名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页,共 13 页 -7 由于cos0,负载为纯感性,电机本身的阻抗也是纯感性(忽略aR),故090,0qI,电枢反应为直轴去磁;故此时的同步机方程:0dEUjIx在空载特性与零功率因数负载特性之间,存在一个特性三角形AEF【P210 图 22-5】据上述同步机方程:在空载特性上0I,当0NphEU时,励磁电流对应图中BC段,即BC段fI用于建立空载相电压NphU;在负载特性上0I,当NphUU时,0NphdNp
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