《电机学下》同步电机复习提纲要点.docx
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《电机学下》同步电机复习提纲要点
《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,
定、转子旋转磁场轴线之间的夹角为转矩角,通常认为【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,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,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,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(铭牌数据):
、——指电枢(定子)线电压、线电流;
——发电机的额定容量,指三相视在功率;
——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;
∴单位:
VA、KVA
发电机:
电动机:
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:
——称为同步速,单位:
(转/分钟);
我国电网频率,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,原动机拖动转子磁极以同步速nS旋转,定子电枢绕组开路。
空载时只有建立的励磁磁势,产生空载磁通,以nS速度切割定子三相对称绕组感生三相空载电势;
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,产生一个旋转磁势,称为电枢磁势,的转速也为同步速nS;即、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,负载时多了;
因此:
负载时电枢磁势对气隙磁场的影响——称为电枢反应
4.电枢反应的性质与内功率因数角有关,
定义:
——电枢电流落后于的夹角。
直轴(d轴)——转子主磁极轴线,即的轴线;
交轴(q轴)——与直轴正交的轴线;
时为交轴磁势,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。
时为直轴磁势,产生直轴去磁电枢反应;作用:
纯去磁。
时为直轴磁势,产生直轴增磁电枢反应;作用:
纯增磁。
当为任意角时,可把分解为一个交轴分量和一个直轴分量,其中产生交轴电枢反应,产生直轴电枢反应;因此:
时电枢反应性质:
交轴+直轴去磁;
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:
、、;空间相量:
、
在时-空统一相量图中:
与同相、与同相;
(二)同步发电机数学模型
1.隐极发电机
①电磁关系:
定子
转子
采用发电机惯例,定子绕组的上述感应电势与定子端电压平衡(忽略电枢绕组电阻):
其中:
——隐极机电枢反应电势;——隐极机电枢反应电抗,对应于电枢反应的作用;
——漏磁通感生的漏电势;——定子绕组漏电抗,对应于电枢漏磁场的作用;
——转子主磁通在定子感生的励磁电势,对应于主磁场的作用;
②电势方程(注:
公式中所有电量均是相值):
其中:
——隐极同步电机的同步电抗
③相量图和等效电路如【p202图21-9】:
其中:
由于是转子磁场感生的;可看成是定、转子合成磁场感生的,因此与之间的夹角就是功率角【P208图21-18】;
——功率角(超前于的角度)
——内功率因数角(落后于的角度);
——功率因数角(落后于的角度);
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)分量分别进行计算,再把结果叠加起来。
①电磁关系:
定子
转子
定子绕组的上述感应电势与定子端电压平衡(忽略):
其中:
、、、——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;
、、、——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;
②凸极发电机电势方程(注:
公式中所有电量均是相值):
其中:
——凸极同步电机的直轴同步电抗;
——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;
隐极机由于气隙均匀,相当于。
上式变为:
——隐极机电势方程;
可见,隐极机可看成是凸极机当时的特例。
③凸极机相量图如【P205图21-13、图21-14】:
由于d轴就是励磁磁通的方向,比落后,q轴与d轴垂直(正交),∴一定在q轴方向;
∵相量,∴大小、;
④利用凸极机相量图可采用几何方法求、、:
由【P205图21-14】可见:
忽略,过的矢端作的垂线与q轴相交;所组成的直角三角形中,角的邻边长度为、对边长度为;因此:
;
由【P205图21-13】可见:
忽略,其中:
;
⑤此外由图21-14可见,凸极机的对边与q轴相交所组成的直角三角形,其斜边并不是而是,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:
;
由于、、同相,故大小为:
;
且由该直角三角形可知,忽略:
对于隐极机:
∵,∴;
书上例题:
p206例21-1;
例1:
一台凸极同步发电机,,,Y接法,滞后,已知,忽略。
试求额定负载下运行时发电机的、、及。
解:
∵,∴;
(三)同步发电机功率方程和转矩方程
1.功率平衡方程(假设励磁损耗由另外电源供给):
①机械方面的功率平衡:
;
其中:
——由原动机输入的机械功率;
——机械转变为电的那部分功率,称为电磁功率;
——空载损耗,它包括机械损耗、铁耗,有时还需考虑杂散损耗;
②电方面的功率平衡:
;
其中:
——定子绕组铜耗;
——发出的电功率;
常忽略,则:
因此:
(隐极机)
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,可得同步发电机的转矩平衡方程:
其中:
————原动机输入的驱动机械转矩;
————电机的空载损耗转矩;
————制动性质的电磁转矩;
其中:
;单位:
(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,=常数、常数。
在可测量的、、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:
不变、——空载特性;
不变、——短路特性;
为常数不变、——负载特性;
其中的负载特性称为零功率因数负载特性;
不变、——外特性;
不变、——调整特性;
此外还有效率特性——
1.空载特性——与磁化曲线形状相似:
【P209图22-1】
当较小时磁路未饱和,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。
通常额定相电压点设计在空载特性的拐弯点;
2.短路特性
短路时,忽略发电机只剩内部同步电抗压降与平衡,故是纯感性的,∴,
对隐极机:
;
对凸极机:
由于,则,;
∴
可见无论隐极、凸极机:
又由于时的电枢反应是直轴去磁的,即磁通较小电机不饱和,∴
因此:
——短路特性是一条直线,【P209图22-2(b)】。
且由于磁通较小、感应电势较小,故不大,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、的不饱和值:
【P211图22—6】
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,从空载特性气隙线上查、从短路特性上查;
据及可知,与的比值就是、的不饱和值:
;
4.、饱和值的近似求法【P212图22—7】:
在空载特性饱和段取点,对应于该点找同一励磁电流下的短路电流;
则:
5.短路比定义——产生空载额定电压与额定短路电流所需的励磁电流之比;
由【P212图22—7】:
可见:
书上P212例22-1
6.零功率因数负载特性:
①由于,负载为纯感性,电机本身的阻抗也是纯感性(忽略),故,,电枢反应为直轴去磁;故此时的同步机方程:
②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【P210图22-5】
据上述同步机方程:
在空载特性上∵,当时,励磁电流对应图中段,即段用于建立
空载相电压;
在负载特性上∵,∴当时,,
励磁电流对应图中段;
其中:
段仍用于建立空载相电压,段用于建立漏电抗压降,段用于补偿直轴电枢反应的去磁作用;
由此可得:
————比实际的电枢漏抗略大,称为坡梯电抗
由于不变,故特性的大小不变,当三角形的E点在空载特性上移动时,F点的轨迹就是零功率因数负载特性;当三角形的水平边移到与横坐标重合时,F点=K点对应短路点。
7.用转差法求、的不饱和值
原动机把同步机拖到接近同步速、转子励磁绕组开路、定子加三相对称低压(其相序应使电枢旋转磁场与转子转向相同)、示波器录下电枢电压U和电枢电流I波形,如【P213图22-8】;
则:
;
8.外特性:
实验测得各种负载下的外特性如【P214图22-10】:
令电机工作在、点,然后减少发电机的负载,可见:
随着负载电流的减少,纯阻负载端电压上升;感性负载上升得更多;容性负载则下降;
当减为零时,。
定义同步发电机的电压调整率:
9.调整特性:
调整特性是不变、的曲线;由外特性可知:
当负载为纯阻或感性时,随着增大是要下降的,且感性比纯阻负载下降更多;现随着增大要保持不变,则只好加大励磁电流,且感性比纯阻负载加大更多;
同理,容性负载随着增大是要上升的,现随着增大要保持不变,则只好减小励磁电流;如【P214图22-12】。
10.效率特性
据同步发电机功率平衡方程:
;
其中:
总损耗
效率
第二十三章
(一)同步发电机投入电网并联运行
1.并联条件
为了避免投入电网时产生冲击电流以及产生冲击转矩,并联时应使【P217图23-1】中开关Q两端的电压差为零,即发电机与电网的瞬时值必须一直保持相等;
因此并联条件:
发电机与电网相序、电压波形、频率一致;与大小相等、相位相同;
2.并联方法:
发电机投入并联所进行的调节和操作过程,称为整步过程
由于电压波形设计时已保证,电机转向和相序已标明;故整步过程只需实现与大小、相位相同、频率相等;
①准确整步法:
把发电机调整到完全符合并联条件再投入电网
灯光熄灭法【P218图23-3】:
合闸条件:
三灯全灭;
当与大小不等或相位不等时,三灯等亮;当频率不等时,三灯同时出现时亮时暗;
灯光旋转法【P219图23-4】:
合闸条件:
一灯灭、两灯等亮;
当与大小不等或相位不等时,三灯均亮但亮度不等;当