【正文】 School of Electrical and Engineering , Jiangsu University 第六章 同步電機的穩(wěn)態(tài)分析 School of Electrical and Engineering , Jiangsu University pfnn 1160??同步電機也是一種常用的交流電機。其特點： 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率 f之間具有固定不變的關(guān)系 ，即 若電網(wǎng)的頻率不變， 同步電機的轉(zhuǎn)速恒為常值而與負載的大小無關(guān)。 運行方式：發(fā)電機，電動機，調(diào)相機。 School of Electrical and Engineering , Jiangsu University 167。 61 同步電機結(jié)構(gòu)和工作原理 旋轉(zhuǎn)電樞式 —— 電樞裝設(shè)在轉(zhuǎn)子上，主磁極裝設(shè)在定子上 旋轉(zhuǎn)磁極式 —— 主磁極裝設(shè)在轉(zhuǎn)子上，電樞裝設(shè)在定子上 凸極式同步電機 隱極式同步電機 一、同步電機結(jié)構(gòu)： 按磁極的安裝位置分類： School of Electrical and Engineering , Jiangsu University 定子鐵心內(nèi)圓均勻分布著定子槽，槽內(nèi)嵌放著按一定規(guī)律排列的三相對稱交流繞組。 轉(zhuǎn)子鐵心裝有制成一定形狀的成對磁極，磁極上繞有勵磁繞組，通以直流電流時，將會在電機的氣隙中形成極性相間的分布磁場，稱為勵磁磁場 處于電樞內(nèi)圓和轉(zhuǎn)子磁極之間，氣隙層的厚度和形狀對電機內(nèi)部磁場的分布和同步電機的性能有重大影響 同步電機結(jié)構(gòu) School of Electrical and Engineering , Jiangsu University 凸極式同步電機 隱極式同步電機 同步電機結(jié)構(gòu) School of Electrical and Engineering , Jiangsu University 汽輪發(fā)電機組 School of Electrical and Engineering , Jiangsu University 水輪發(fā)電機組 School of Electrical and Engineering , Jiangsu University 同步電機結(jié)構(gòu) School of Electrical and Engineering , Jiangsu University School of Electrical and Engineering , Jiangsu University 水輪發(fā)電機分瓣定子 School of Electrical and Engineering , Jiangsu University 二、勵磁形式 概念 勵磁方式 —— 同步電機獲取 直流 勵磁電流的方式 勵磁系統(tǒng) —— 供結(jié)勵磁電流的整個系統(tǒng)，包括裝置和線路 勵磁機 勵磁調(diào)節(jié)器（手動、自動） 滅磁裝置 School of Electrical and Engineering , Jiangsu University 正常運行時，供給勵磁電流 為維持端電壓或電網(wǎng)電壓值，隨負載情況變化， 勵磁 電流能相應(yīng) 調(diào)節(jié) 當(dāng)系統(tǒng)電壓嚴(yán)重下降時（如發(fā)生短路故障等），能 強行勵磁提高電勢，保持電壓穩(wěn)定 突然丟負荷時，如水輪機組轉(zhuǎn)速明顯升高，能 強行減磁 ，限制端電壓過度增高。 當(dāng)電機內(nèi)部發(fā)生短路故障時，能快速 滅磁 和減磁，以減小故障的損壞程度。 對兩臺以上并列運行發(fā)電機，能 成組 調(diào)節(jié)無功功率 ，使無功合理分配。 其他：反映迅速，運行可靠，結(jié)構(gòu)簡單，損耗小，成本低，體積小等 對勵磁系統(tǒng)的要求 School of Electrical and Engineering , Jiangsu University 勵磁方式 它勵 由另外電源供電 —— 直流發(fā)電機，帶整流的交流發(fā)電機 運動方式 —— 同軸，獨立工作 自勵 自并勵，自復(fù)勵，諧波繞組勵 School of Electrical and Engineering , Jiangsu University 直流勵磁機勵磁 直流勵磁機通常與同步發(fā)電機同軸，采用并勵或者他勵接法，或采用負載電流反饋的復(fù)式勵磁。 采用他勵接法時，勵磁機的勵磁電流由另一臺被稱為副勵磁機的同軸的直流發(fā)電機供給。 School of Electrical and Engineering , Jiangsu University 交流勵磁機靜止整流勵磁 副勵磁機的勵磁電流開始時由外部直流電源提供，待電壓建立起來后再轉(zhuǎn)為自勵 (有時采用永磁發(fā)電機 )。 副勵磁機的輸出電流經(jīng)過靜止晶閘管整流器整流后供給主勵磁機 主勵磁機的交流輸出電流經(jīng)過靜止的三相橋式硅整流器整流后供給主發(fā)電機的勵磁繞組。 同一軸上有三臺交流發(fā)電機，即主發(fā)電機、交流主勵磁機和交流副勵磁機。 School of Electrical and Engineering , Jiangsu University 靜止整流器的直流輸出必須經(jīng)過電刷和集電環(huán)才能輸送到旋轉(zhuǎn)的勵磁繞組，對于大容量的同步發(fā)電機，其勵磁電流達到數(shù)千安培，使得集電環(huán)嚴(yán)重過熱。 在大容量的同步發(fā)電機中，常采用不需要電刷和集電環(huán)的旋轉(zhuǎn)整流器勵磁系統(tǒng)。 主勵磁機是旋轉(zhuǎn)電樞式三相同步發(fā)電機， 旋轉(zhuǎn)電樞的交流電流經(jīng)與主軸一起旋轉(zhuǎn)的硅整流器整流后，直接送到主發(fā)電機的轉(zhuǎn)子勵磁繞組 。交流主勵磁機的勵磁電流由同軸的交流副勵磁機經(jīng)靜止的晶閘管整流器整流后供給。由于這種勵磁系統(tǒng)取消了集電環(huán)和電刷裝置 —— 無刷勵磁系統(tǒng) 。 School of Electrical and Engineering , Jiangsu University 交流勵磁機旋轉(zhuǎn)整流系統(tǒng) School of Electrical and Engineering , Jiangsu University 三、同步電機的基本工作原理 ? 勵磁繞組建立起主磁場 。 ? 原動機拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) , 勵磁磁場隨軸一起旋轉(zhuǎn)并順次切割定子各相繞組 。 ? 電樞繞組三相對稱交變電勢。通過引出線，輸出交流電 。 ? 感應(yīng)電勢的有效值： 0 1 04 . 4 4 NE f N k? ? ? ? ?? 感應(yīng)電勢 頻率： 感應(yīng)電勢的頻率決定于同步電機的轉(zhuǎn)速 n 和極對數(shù) p ，即 60pnf ??旋轉(zhuǎn)磁場極性相間，使得感應(yīng)電勢的極性交變；電樞繞組的對稱性，保證了感應(yīng)電勢的三相對稱性。 School of Electrical and Engineering , Jiangsu University 四、同步電機銘牌 School of Electrical and Engineering , Jiangsu University 同步電機銘牌 我國生產(chǎn)的汽輪發(fā)電機有 QFQ、 QFN、 QFS等系列。 前兩個字母表示汽輪發(fā)電機；第三個字母表示冷卻方式， Q表示氫外冷， N表示氫內(nèi)冷， S表示雙水內(nèi)冷。 水輪發(fā)電機系列： TS系列， T表示同步， S表示水輪。 舉例： QFS3002 表示容量為 300MW雙水內(nèi)冷 2極汽輪發(fā)電機。TSS1264/16048表示雙水內(nèi)冷水輪發(fā)電機，定子外徑為 1264厘米，鐵心長為 160厘米，極數(shù)為 48。 另外同步電動機系列有 TD、 TDL等， TD表示同步電動機，后面的字母指出其主要用途。如 TDG表示高速同步電動機； TDL表示立式同步電動機。同步補償機為 TT系列。 School of Electrical and Engineering , Jiangsu University 額定容量 SN（額定功率 PN） ：額定運行時電機輸出的功率； 額定電壓 UN：額定運行時定子三相線電壓； 額定電流 IN：額定運行時定子三相線電流； 額定功率因數(shù) ：額定運行時電機的額定功率； 額定頻率 ；額定運行時的頻率； 額定轉(zhuǎn)速 ：同步電機的同步轉(zhuǎn)速； 3 c o sN N N NP U I ??額定值間的相互關(guān)系： 額定值 School of Electrical and Engineering , Jiangsu University 167。 62 空載和負載時同步發(fā)電機的磁場 空載運行： 原動機帶動發(fā)電機在同步轉(zhuǎn)速下運行 , 勵磁繞組通過適當(dāng)?shù)膭畲烹娏?, 電樞繞組不帶任何負載時的運行情況。 空載運行是同步發(fā)電機最簡單的運行方式，其氣隙磁場由轉(zhuǎn)子磁勢單獨建立。磁通分為主磁通和漏磁通。 一、空載運行 School of Electrical and Engineering , Jiangsu University （ 1）隱極同步電機的空載磁勢 勵磁繞組埋于轉(zhuǎn)子槽內(nèi)， 沿轉(zhuǎn)子圓周 氣隙近似均勻 。 勵磁磁勢在 空間的分布為一個階梯形 ， 受齒槽的影響 ,氣隙磁密呈現(xiàn)出波動變化。 用諧波分析法可求出其基波分量 合理地選擇大齒的寬度可以使氣隙磁密的分布接近正弦波。如無特殊說明，以后 僅考慮磁通密度的基波分量 fff FFk 1?波形系數(shù)1 空載磁勢 School of Electrical and Engineering , Jiangsu University 2s in4 ????fk（ 2）凸極同步電機的空載磁勢 ?勵磁繞組為集中繞組，磁勢波為 矩形波 對于凸極發(fā)電機來說，由于定轉(zhuǎn)子間的 氣隙沿整個電樞圓周分布不均勻 ， 極面下氣隙較小，磁阻較小；極間氣隙較大，極間磁阻很大。同一個極面下，氣隙徑向磁通密度的分布近似于平頂?shù)拿毙巍O靴以外的氣隙磁通密度減少很快，相鄰兩極中線上的磁通密度為零。 氣隙磁密用付立葉諧波分析分解出空間基波和 一系列諧波 。 School of Electrical and Engineering , Jiangsu University 感應(yīng)電勢的波形和大小與氣隙磁密的分布形狀及幅值大小緊密相關(guān)。 在設(shè)計和制造電機時，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧?，以獲得盡可能 接近正弦分布 的氣隙磁密，從而得到較高品質(zhì)的感應(yīng)電勢。 School of Electrical and Engineering , Jiangsu University 轉(zhuǎn)子繞組軸線 兩極間中心線 ? 磁密波 Bf1與定子任一相交鏈的磁通量 ?0是時間變量， 由 感應(yīng)產(chǎn)生的該相電勢用 表示 ,當(dāng)定子各相的時間參考軸都取在各自的相繞組軸線時， 與 重合。 0?0E?0? 1fB?2 同步電機中的時空量 ?將相繞組軸線作為空間矢量參考軸（相軸） ?令時間相量參考軸（時軸）與空間矢量參考軸重合 ?時間相量 —— 繞組的感應(yīng)電勢、電壓和電流，匝鏈的磁通 空間矢量 —— 磁勢和磁通密度（ 隨時間變化 ） ? 勵磁磁勢的基波 Ff1和由它產(chǎn)生的氣隙磁密波 Bf1為空間分布波， 兩者同相位，其正波幅處于轉(zhuǎn)子直軸正方向， 且與轉(zhuǎn)子一起以同步速旋轉(zhuǎn)； ? 當(dāng) Bf1波的波幅來到某相軸左側(cè) 900時， Bf1波與該相繞組交鏈的磁通量的瞬時值正好為零， 這時 ?0 在該軸線左側(cè) 900。 School of Electrical and Engineering , Jiangsu University 3 空載電勢 三相電勢對稱 主磁通 ?0 漏磁通 ?? 只有主磁通才在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢 0 1 1 04 . 4 4 NE fN k?? School of Electrical and Engineering , Jiangsu University 二、 對稱負載時的電樞反應(yīng) ★ 空載時，只有一個以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的 勵磁磁勢 Ff—— 隨軸同轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁勢 (稱為 機械旋轉(zhuǎn)磁勢 ) ，在電樞繞組中感應(yīng)出三相對稱交流電勢，勵磁電勢，即空載電勢 E0。 ★當(dāng)電樞繞組接上三相對稱負載后，電樞繞組中流過三相對稱的交流電流 ，將形成一個以同步速度旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁勢 —— 電樞磁勢 Fa—— 電樞旋轉(zhuǎn)磁勢 (稱為 電氣旋轉(zhuǎn)磁勢 ）。 ★兩個旋轉(zhuǎn)磁勢的轉(zhuǎn)速均為同步速，且轉(zhuǎn)向一致，二者在空間處于相對靜止?fàn)顟B(tài)，矢量合成為一個 合成磁勢 。 ★ 氣隙磁場 —— 由合成磁勢 在電機的氣隙中建立起來的磁場。 同步發(fā)電機負載以后，電機內(nèi)部的磁勢和磁場及繞組中感應(yīng)電勢將發(fā)生顯著變化，此變化主要由電樞磁勢的出現(xiàn)所致。 —— 電樞反應(yīng) School of Electrical and Engineering , Jiangsu University 同步電機的電樞反應(yīng) afffFIUFIU?????????? BF?? ?同步電機的磁場建立： 負載時， 電樞磁動勢的基波對主磁極基波磁場的影響稱為電樞反應(yīng)。 School of Electrical and Engineering , Jiangsu