5第五篇--交流同步电机.ppt
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1、5第五篇-交流同步电机第五篇:同步电机第五篇:同步电机目 录1 第十六章 同步电机概述1第十七章 同步发电机的基本理论2第十八章 同步发电机的并联运行31第十九章 同步电动机和同步补偿机41哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学第十六章 同步电机概述第一节 同步电机的基本结构 凸极式凸极式5哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学第十六章 同步电机概述汽轮发电机的基本结构汽轮发电机的基本结构定子:定子:由铁心、绕组、机座和端盖等部件组成。由铁心、绕组、机座和端盖等部件组成。转转子子:由由高高机机械械强强度度和和导导磁磁性性能能好好的的合合金金钢钢锻锻成成,并并且且和转轴制成一个整体。和转轴制成一个整体。励磁绕组励磁
2、绕组第一节 同步电机的基本结构 6哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学第十六章 同步电机概述图图16-2 汽轮发电机定子槽和定子绕组汽轮发电机定子槽和定子绕组第一节 同步电机的基本结构 7哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学第十六章 同步电机概述图图16-3 汽轮发电机转子槽汽轮发电机转子槽1大齿大齿 2小齿小齿第一节 同步电机的基本结构 8哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学第十六章 同步电机概述水轮发电机的基本结构水轮发电机的基本结构定定子子:由由铁铁心心、绕绕组组、机机座座和和端端盖盖等等部部件件组组成成,为为了了方方便便运运输输,大大容容量量电电机机的的定定子子铁铁心心多多采采用用分分瓣瓣叠叠压压,在在工工地
3、安装成整圆定子。地安装成整圆定子。转转子子:为为凸凸极极式式结结构构,一一般般由由主主磁磁极极、磁磁轭轭、轴轴、转转子子支架等部件组成支架等部件组成。第一节 同步电机的基本结构 9哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学第十六章 同步电机概述图图16-4 水轮发电机的基本结构水轮发电机的基本结构形式形式1集电环集电环 2电刷装置电刷装置 3推力轴承推力轴承 4上机架上机架 5上导轴承上导轴承 6转子转子 7定子铁心定子铁心 8轴轴 9定子定子 10下导轴承下导轴承 11下机架下机架第一节 同步电机的基本结构 10哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学第十六章 同步电机概述图图16-5 转子磁极铁心转子磁极铁心1励磁
4、绕组励磁绕组 2磁极铁心磁极铁心 3阻尼绕组阻尼绕组 4磁极压板磁极压板 5T尾尾第一节 同步电机的基本结构 11哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学第十六章 同步电机概述电动机电动机把电能转换为机械能把电能转换为机械能补偿机补偿机没有有功功率的转换,只发出或吸收无功功率没有有功功率的转换,只发出或吸收无功功率。发电机发电机把机械能转换为电能把机械能转换为电能 u同步电机运行状态,主要取决于定子合成磁场与转子主同步电机运行状态,主要取决于定子合成磁场与转子主磁场之间的夹角磁场之间的夹角,称为称为功角功角。第二节 同步电机的运行状态12哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学第十六章 同步电机概述NNSS主极主极同
5、步发电机运行状态同步发电机运行状态第二节 同步电机的运行状态13哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学第十六章 同步电机概述主极主极同步补偿机运行状态同步补偿机运行状态NNSS第二节 同步电机的运行状态14哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学第十六章 同步电机概述NNSS主极主极同步电动机运行状态同步电动机运行状态第二节 同步电机的运行状态15哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学第十六章 同步电机概述 给给励励磁磁绕绕组组提提供供直直流流电电的的方方式式称称为为同同步步电电机机的的励励磁磁方方式,主要有直流励磁机励磁和半导体整流器励磁两大类。式,主要有直流励磁机励磁和半导体整流器励磁两大类。一、直流励磁机励磁一、直流励
6、磁机励磁图图16-6 直流励磁机励磁原理图直流励磁机励磁原理图第三节 同步电机的励磁方式16哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学第十六章 同步电机概述二、半导体整流器励磁二、半导体整流器励磁静止半导体励磁方式:静止半导体励磁方式:可可控控硅硅自自并并励励励励磁磁方方式式,取取消消励励磁磁机机,利利用用全全静静止止的的半半导导体体整整流流器器提提供供直直流流励励磁磁,并并且且整整流流桥桥交交流流侧侧能能源源由由电网或主发电机提供。电网或主发电机提供。第三节 同步电机的励磁方式17哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学第十六章 同步电机概述图图16-7 静止半导体励磁系统静止半导体励磁系统第三节 同步电机的励磁方式
7、二、半导体整流器励磁二、半导体整流器励磁18哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学第十六章 同步电机概述旋转半导体励磁方式:旋转半导体励磁方式:主主励励磁磁机机产产生生的的三三相相交交流流电电经经半半导导体体整整流流后后直直接接供供给给主发电机的励磁,不再需要电刷和主发电机的励磁,不再需要电刷和集电环集电环。第三节 同步电机的励磁方式二、半导体整流器励磁二、半导体整流器励磁19哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学第十六章 同步电机概述图图16-8 旋转半导体励磁系统旋转半导体励磁系统第三节 同步电机的励磁方式二、半导体整流器励磁二、半导体整流器励磁20哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学第十六章 同步电机概述一、同步电
8、机型号一、同步电机型号 我国同步电机的型号用汉语拼音字母表示。我国同步电机的型号用汉语拼音字母表示。双水内冷汽轮发电机的型号为双水内冷汽轮发电机的型号为规格代号,表示功率规格代号,表示功率300MW,2极极产产品品代代号号,QF表表示示汽汽轮轮发发电电机机,S表表示示定定、转子绕组双水内冷转子绕组双水内冷第四节 同步电机的型号和额定值21哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学第十六章 同步电机概述水轮发电机的型号为水轮发电机的型号为规规格格代代号号,表表示示功功率率20MW,12极极,定子铁心外径定子铁心外径4250mm产品代号,表示水轮发电机产品代号,表示水轮发电机一、同步电机型号一、同步电机型号第四
9、节 同步电机的型号和额定值22哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学第十六章 同步电机概述额定电压额定电压UN 指额定运行时定子线电压的有效值,单位是指额定运行时定子线电压的有效值,单位是V或或kV。额定电流额定电流IN指额定运行时定子线电流的指额定运行时定子线电流的 有效值,单位是有效值,单位是A。额定功率因数额定功率因数指额定运行时电机的功率因数。指额定运行时电机的功率因数。额定功率额定功率PN 指额定运行时电机的输出功率,单位为指额定运行时电机的输出功率,单位为kW。同步发。同步发电机指从定子绕组端输出的有功电功率;同步电动机指转子轴上输出电机指从定子绕组端输出的有功电功率;同步电动机指转子轴上输
10、出的机械功率。的机械功率。额定频率额定频率fN 指额定运行时电枢的频率。指额定运行时电枢的频率。额定转速额定转速nN 指额定运行时电机的转速,单位指额定运行时电机的转速,单位r/min。额定效率额定效率 指额定运行时电机输出功率与输入功率之比。指额定运行时电机输出功率与输入功率之比。第四节 同步电机的型号和额定值二、同步电机的额定值二、同步电机的额定值23哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学第十七章 同步发电机的基本理论 空空载载运运行行时时,同同步步电电机机内内仅仅有有由由励励磁电流所建立的主极磁场。磁电流所建立的主极磁场。主主极极磁磁通通分分成成主主磁磁通通0和和漏漏磁磁通通f两两部部分分,前前者
11、者通通过过气气隙隙并并与与定定子子绕绕组组相相交交链链,后后者者不不通通过过气气隙隙,仅仅与与励励磁磁绕绕组组相相交交链链。主主磁磁通通所所经经过过的的主主磁磁路路包包括括空空气气隙隙电电枢枢齿齿、电电枢枢轭轭、磁磁极极极身和转子轭等五部分。极身和转子轭等五部分。图图17-1 空载磁路空载磁路第一节 同步发电机的运行方式一、同步发电机的空载运行一、同步发电机的空载运行24哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学第十七章 同步发电机的基本理论 当当转转子子以以同同步步转转速速旋旋转转时时,主主磁磁场场将将在在气气隙隙中中形形成成一一个个旋旋转转磁磁场场,在在定定子子绕绕组组内内感感应应出出对对称称三三相相电
12、电动动势势(激激磁磁电电动势)。动势)。u空载特性是同步电机的一条基本特性,如右图空载特性是同步电机的一条基本特性,如右图17-2所示。所示。第一节 同步发电机的运行方式一、同步发电机的空载运行一、同步发电机的空载运行25图图17-2 空载特性空载特性哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学第十七章 同步发电机的基本理论图图17-3 同步电机空载时的相量图同步电机空载时的相量图第一节 同步发电机的运行方式一、同步发电机的空载运行一、同步发电机的空载运行26哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学第十七章 同步发电机的基本理论同步电机负载运行同步电机负载运行 同同步步电电机机带带上上三三相相对对称称负负载载后后,三三相
13、相电电枢枢绕绕组组中中将将流流过过三三相相对对称称电电流流,此此时时电电机机内内部部除除转转子子磁磁动动势势外外,电电枢枢绕绕组组三三相相电电流流还还将将产产生生电电枢枢磁磁动动势势,电电枢枢磁磁动动势势将将产产生生电电枢枢磁磁场场,其其基基波波为为一一以以同同步步速速度度旋旋转转的的磁磁动动势势和和磁磁场场,与与转转子子主主极极磁磁场场保保持持相相对对静静止止。所所以以,同同步步电电机机负负载载运运行行时时,气气隙隙内内的的合合成成磁磁场场是是由由主主极极磁磁动动势势和电枢磁动势共同作用产生的。和电枢磁动势共同作用产生的。第一节 同步发电机的运行方式二、同步发电机的负载运行与电枢反应二、同步
14、发电机的负载运行与电枢反应27哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学第十七章 同步发电机的基本理论隐极式同步发电机负载运行时各物理量的隐极式同步发电机负载运行时各物理量的相位关系相位关系第一节 同步发电机的运行方式二、同步发电机的负载运行与电枢反应二、同步发电机的负载运行与电枢反应28哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学第十七章 同步发电机的基本理论电枢反应电枢反应 同同步步电电机机在在负负载载时时,随随着着电电枢枢磁磁动动势势的的产产生生,使使气气隙隙中中的的磁磁动动势势从从空空载载时时的的主主极极磁磁动动势势改改变变为为负负载载时时的的合合成成磁磁动动势势。电电枢枢磁磁动动势势使使气气隙隙中中磁磁场场的的大
15、大小小和和位位置置发发生生变变化化这这种种现现象象称称为为电电枢枢反反应应,相相应应的的电电枢枢磁磁动动势势又又称称为为电电枢枢反反应应磁磁动动势势。电电枢枢反反应应的的性性质质主主要要决决定定于于空载电动势与负载电流之间的夹角空载电动势与负载电流之间的夹角,称为内功率因数角。称为内功率因数角。第一节 同步发电机的运行方式二、同步发电机的负载运行与电枢反应二、同步发电机的负载运行与电枢反应29哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学第十七章 同步发电机的基本理论电枢反应电枢反应与同相(同相()第一节 同步发电机的运行方式 定定子子绕绕组组电电动动势势、电电流流和和磁磁动动势势的的空空间间矢矢量量图图如如右
16、右图图所所示示,此此时时电电枢枢反反应应表表现现交交磁磁作作用用,电电枢枢磁磁动动势是一个交轴磁动势:势是一个交轴磁动势:二、同步发电机的负载运行与电枢反应二、同步发电机的负载运行与电枢反应30哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学第十七章 同步发电机的基本理论电枢反应电枢反应与同相(同相()定定子子绕绕组组电电动动势势、电电流流和和磁磁动动势势的的时时间间相相量图如右图所示。量图如右图所示。第一节 同步发电机的运行方式二、同步发电机的负载运行与电枢反应二、同步发电机的负载运行与电枢反应31哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学第十七章 同步发电机的基本理论电枢反应电枢反应与同相同相()图图17-5 相量相量矢量
17、图、气隙合成磁场与主磁场、电枢磁场关系矢量图、气隙合成磁场与主磁场、电枢磁场关系第一节 同步发电机的运行方式二、同步发电机的负载运行与电枢反应二、同步发电机的负载运行与电枢反应32哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学第十七章 同步发电机的基本理论电枢反应电枢反应滞后滞后相位相位()由由相相量量矢矢量量图图可可以以看看出出,此此时时电电枢枢反反应应表表现现去去磁磁作作用用,电电枢枢磁磁动势是一个直轴去磁磁动势:动势是一个直轴去磁磁动势:第一节 同步发电机的运行方式二、同步发电机的负载运行与电枢反应二、同步发电机的负载运行与电枢反应33哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学第十七章 同步发电机的基本理论电枢反应电枢
18、反应超前超前相位相位()此此时时由由相相量量矢矢量量图图可可以以看看出出,电电枢枢反反应应表表现现增增磁磁作作用用,电电枢枢磁磁动动势势是一个直轴增磁磁动势是一个直轴增磁磁动势:第一节 同步发电机的运行方式二、同步发电机的负载运行与电枢反应二、同步发电机的负载运行与电枢反应34哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学第十七章 同步发电机的基本理论电枢反应电枢反应滞后滞后相位相位电电枢枢反反应应表表现现去去磁磁和和交交磁磁作作用用,电电枢枢磁磁动动势势既既有有直直轴轴去去磁磁磁磁动动势势,也也有有交交轴电枢磁动势:轴电枢磁动势:第一节 同步发电机的运行方式二、同步发电机的负载运行与电枢反应二、同步发电机的负
19、载运行与电枢反应35哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学第十七章 同步发电机的基本理论一、不计磁路饱和一、不计磁路饱和第二节 隐极同步发电机的分析方法36同步发电机负载运行时物理量的关系同步发电机负载运行时物理量的关系 哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学第十七章 同步发电机的基本理论采采用用发发电电机机惯惯例例,以以输输出出电电流流作作为为电电枢枢电电流流的的正正方方向向时时,电枢的电压方程为电枢的电压方程为 因因为为电电枢枢反反应应电电动动势势Ea正正比比于于电电枢枢反反应应磁磁通通a不不计计磁磁饱饱和和时,时,a又正比于电枢磁动势又正比于电枢磁动势Fa和电枢电流和电枢电流Ia,即,即一、不计磁路饱和一、
20、不计磁路饱和第二节 隐极同步发电机的分析方法37哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学第十七章 同步发电机的基本理论整理可得整理可得一、不计磁路饱和一、不计磁路饱和第二节 隐极同步发电机的分析方法38哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学第十七章 同步发电机的基本理论上上式式中中,Xs称称为为隐隐极极同同步步电电机机的的同同步步电电抗抗,Xs=Xa+X,它它是是对对称称稳稳态态运运行行时时表表征征电电枢枢反反应应和和电电枢枢漏漏磁磁这这两两个个效效应应的的一一个个综综合合参参数数。不不计计饱饱和和时时,Xs是是一一个个常常值值。并并可可由由相相量量图图得得到内功率因数角的计算公式:到内功率因数角的计算公式:一、不
21、计磁路饱和一、不计磁路饱和第二节 隐极同步发电机的分析方法39哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学第十七章 同步发电机的基本理论隐极同步发电机的等效电路和相量图隐极同步发电机的等效电路和相量图图图17-9 隐极同步发电机等效电路和相量图隐极同步发电机等效电路和相量图一、不计磁路饱和一、不计磁路饱和第二节 隐极同步发电机的分析方法40哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学第十七章 同步发电机的基本理论考考虑虑磁磁饱饱和和时时,由由于于磁磁路路的的非非线线性性,叠叠加加原原理理不不再再适适用用。此此时时,应应先先求求出出作作用用在在主主磁磁路路上上的的合合成成磁磁动动势势F,然然后后利利用用电电机机的的磁磁化化曲线
22、曲线(空载曲线空载曲线)求出负载时的气隙磁通及相应的气隙电动势求出负载时的气隙磁通及相应的气隙电动势。二、计磁路饱和二、计磁路饱和第二节 隐极同步发电机的分析方法41哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学第十七章 同步发电机的基本理论汽轮发电机主极磁动势分布如图汽轮发电机主极磁动势分布如图17-10所示所示二、计磁路饱和二、计磁路饱和第二节 隐极同步发电机的分析方法42图图17-10 汽轮发电机主极磁动势分布汽轮发电机主极磁动势分布哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学第十七章 同步发电机的基本理论再再从从气气隙隙电电动动势势减减去去电电枢枢绕绕组组的的电电阻阻和和漏漏抗抗压压降降,使使得得电电枢枢的端电压,即的
23、端电压,即或或相应的矢量图、相量图和相应的矢量图、相量图和F FE E间的关系如图下图所示。间的关系如图下图所示。二、计磁路饱和二、计磁路饱和第二节 隐极同步发电机的分析方法43哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学第十七章 同步发电机的基本理论图图17-11 考虑饱和时隐极同步发电机的相量考虑饱和时隐极同步发电机的相量矢量图和等效电路矢量图和等效电路二、计磁路饱和二、计磁路饱和第二节 隐极同步发电机的分析方法44哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学第十七章 同步发电机的基本理论一、双反应理论一、双反应理论考考虑虑到到凸凸极极电电机机气气隙隙的的不不均均匀匀性性,把把电电枢枢反反应应分分成成直直轴轴和和交交轴轴
24、电枢反应分别来处理的方法,就称为双反应理论。电枢反应分别来处理的方法,就称为双反应理论。凸凸极极同同步步电电机机的的气气隙隙是是不不均均匀匀的的,极极面面下下气气隙隙较较小小,两两极极之之间间气气隙隙较较大大,故故直直轴轴下下单单位位面面积积的的气气隙隙磁磁导导d(d0d)要要比比交轴下单位面积的气隙磁导交轴下单位面积的气隙磁导q(q0q)大很多。大很多。当当正正弦弦分分布布的的电电枢枢磁磁动动势势作作用用在在直直轴轴上上时时,由由于于d较较大大,故故在在一定大小的磁动势下,直轴基波磁场的幅值相对较大。一定大小的磁动势下,直轴基波磁场的幅值相对较大。第三节 凸极同步发电机的分析方法45哈尔滨理
25、工大学哈尔滨理工大学第十七章 同步发电机的基本理论直轴和交轴对应的气隙磁导直轴和交轴对应的气隙磁导一、双反应理论一、双反应理论第三节 凸极同步发电机的分析方法46哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学第十七章 同步发电机的基本理论一、双反应理论一、双反应理论第三节 凸极同步发电机的分析方法电枢磁动势的直轴分量和交轴分量电枢磁动势的直轴分量和交轴分量47哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学第十七章 同步发电机的基本理论一、双反应理论一、双反应理论第三节 凸极同步发电机的分析方法电枢磁场的直轴分量和交轴分量电枢磁场的直轴分量和交轴分量48哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学第十七章 同步发电机的基本理论二、凸极同步发电机的
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