【培訓(xùn)課件】電機(jī)學(xué)課件--同步電機(jī)結(jié)構(gòu).ppt

1 同步電機(jī) 同步發(fā)電機(jī)的基本電磁關(guān)系同步發(fā)電機(jī)對稱運(yùn)行時的特性同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行 2 同步電機(jī)的基本特點(diǎn) n n1 n1 60f1 P f1電網(wǎng)頻率同步電機(jī)的用途 主要作發(fā)電機(jī) 電動機(jī) 同步調(diào)相機(jī) 主要介紹同步電機(jī)的結(jié)構(gòu) 分析方法 運(yùn)行特性和它的各種參數(shù) 3 同步發(fā)電機(jī)的基本電磁關(guān)系 16 1同步電機(jī)的基本工作原理 轉(zhuǎn)子繞組通以直流電流形成分布磁場 匝鏈定子上的各相繞組 定子上嵌放有對稱三相繞組a x b y c z S N n If 同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 同步電機(jī)與異步電機(jī)的根本區(qū)別是旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子通入直流電流勵磁 S N n ea eb ec If 5 16 2同步電機(jī)的構(gòu)造特點(diǎn) 同步電機(jī)一般采用旋轉(zhuǎn)磁極式結(jié)構(gòu) 根據(jù)磁極形狀可分為隱極和凸極兩種型式 凸極同步電機(jī)氣隙不均勻 適合于中速或低速旋轉(zhuǎn)場合隱極同步電機(jī)在不考慮齒槽效應(yīng)時 氣隙均勻 適合于高速旋轉(zhuǎn) 6 國產(chǎn)300MW汽輪發(fā)電機(jī) 7 1 汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu) 300MW水氫冷發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu) 8 隱極同步電機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)物圖 大型汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心槽 汽輪發(fā)電機(jī)完工后的定子 9 1 汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu) 1 定子鐵心 思考 定子鐵心為什么要用0 5mm的硅鋼片疊裝 10 1 汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu) 2 定子繞組 11 1 汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu) 12 13 14 汽輪發(fā)電機(jī)組 15 2 水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu) 1 立式水輪發(fā)電機(jī) 2 臥式水輪發(fā)電機(jī) 16 2 水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu) 3 燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī) 17 凸極同步電機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)物圖 帶阻尼繞組的凸極同步電機(jī)轉(zhuǎn)子 水輪發(fā)電機(jī)定子分段鐵心 18 19 20 21 22 凸極同步電機(jī) 凸極同步電機(jī)轉(zhuǎn)子由磁極 勵磁線圈 磁軛和阻尼繞組等部分構(gòu)成 凸極同步電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與隱極同步電機(jī)或異步電機(jī)的基本相同 所不同的只是轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 23 同步電機(jī)的構(gòu)造特點(diǎn) 1 定子 鐵心 繞組2 轉(zhuǎn)子 凸極式隱極式3氣隙 比異步電機(jī)大 氣隙處于電樞內(nèi)圓和轉(zhuǎn)子磁極之間 氣隙層的厚度和形狀對電機(jī)內(nèi)部磁場的分布和同步電機(jī)的性能有重大影響 24 16 3同步電機(jī)的銘牌及額定值 銘牌我國生產(chǎn)的汽輪發(fā)電機(jī)有QFQ QFN QFS等系列 前兩個字母表示汽輪發(fā)電機(jī) 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 系列 TS系列 T表示同步 S表示水輪 舉例 QFS 300 2表示容量為300MW雙水內(nèi)冷2極汽輪發(fā)電機(jī) TSS1264 160 48表示雙水內(nèi)冷水輪發(fā)電機(jī) 定子外徑為1264厘米 鐵心長為160厘米 極數(shù)為48 同步電動機(jī)系列有TD TDL等 TD表示同步電動機(jī) 后面的字母指出其主要用途 如TDG表示高速同步電動機(jī) TDL表示立式同步電動機(jī) 同步補(bǔ)償機(jī)為TT系列 25 額定值一額定容量SN或功率PN 長期安全運(yùn)行的最大允許輸出功率 二額定電壓UN 額定工況時 線電壓三額定電流IN 額定工況時 線電流四fnfn 50Hz五nN額定運(yùn)行時電機(jī)轉(zhuǎn)速六額定功率因數(shù) cos N 額定有功功率和視在功率的比值七額定效率 N電機(jī)額定運(yùn)行的效率 26 16 4同步電機(jī)的空載運(yùn)行 一空載磁場1空載運(yùn)行 同步發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行是指同步發(fā)電機(jī)被原動機(jī)拖動到同步轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)子勵磁繞組通入直流勵磁電流而定子繞組開路時的運(yùn)行工況 27 2空載磁場 時氣隙中的磁場僅有直流勵磁電流產(chǎn)生的勵磁磁場 稱為空載磁場或主磁場 3主磁路 0的路徑 主極鐵心 氣隙 電樞齒 電樞磁軛 電樞齒 氣隙 另一主極鐵心 轉(zhuǎn)子磁軛 凸極同步電機(jī)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(jī)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?極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 29 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(jī)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 30 二 空載特性 1 空載感應(yīng)電勢的大小與頻率 n 0 磁極的基波每極磁通 W 每相定子繞組串聯(lián)匝數(shù) 31 2 空載特性 當(dāng)轉(zhuǎn)子以恒定轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時 為磁路的磁化特性 與 曲線相似 成比例 c 1 d 0 If Ff 一般將發(fā)電機(jī)的空載額定電壓設(shè)計于彎曲部分C點(diǎn) 32 3 電機(jī)磁路的飽和系數(shù) 氣隙線 將空載特性的直線部分延長得線段2 稱為氣隙線 a b c 1 2 n g d 0 Ff0 F 設(shè)oa代表額定電壓 則ac為產(chǎn)生額定電壓所需磁勢 33 a b c 1 2 n g d 0 Ff0 F ab F 不計飽和時產(chǎn)生oa電壓所需磁勢 稱為氣隙磁勢 bc FFe 由于飽和 使得產(chǎn)生oa電壓的磁勢增大的部分 FFe用以克服鐵心磁阻所需磁勢 且FFe鐵心越飽和越大 c 當(dāng)E0 UN時 34 a b c 1 n g d 0 If Ff Ff0 F 電機(jī)運(yùn)行于曲線剛好彎曲除 1 充分利用材料 2 不會過分飽和 35 空載特性的工程應(yīng)用 將設(shè)計好的電機(jī)的空載特性與常規(guī)空載特性相比較 如果兩者接近 說明電機(jī)設(shè)計合理 反之 則說明該電機(jī)的磁路過于飽和或者材料沒有充分利用 如太飽和 將使勵磁繞組用銅過多 且電壓調(diào)節(jié)困難如飽和度太低 則負(fù)載變化時電壓變化較大 且鐵心利用率較低 鐵心耗材較多 結(jié)合短路特性可以求取同步電機(jī)的參數(shù) 發(fā)電廠通過測取空載特性來判斷三相繞組的對稱性以及勵磁系統(tǒng)的故障 必須掌握 36 三 對空載電勢的要求 三相對稱 頻率恒定 波形接近正弦 有一定幅值 37 16 5對稱負(fù)載時的電樞反應(yīng)Armaturereactionofsynchronousgenerator 電樞反應(yīng)概念 內(nèi)功率因數(shù)角 不同情況電樞反應(yīng)分析 38 1 電樞反應(yīng)的定義 電樞反應(yīng) 電樞電流產(chǎn)生的磁動勢對勵磁磁場的影響 39 磁勢分析1 定子三相對稱繞組中對稱三相電流產(chǎn)生基波電Fa樞磁勢 1 大小 2 轉(zhuǎn)速 r min 3 轉(zhuǎn)向 沿通電相序A B C的方向 它與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相同 4 極對數(shù) 和轉(zhuǎn)子極對數(shù) 相同 決定于繞組的節(jié)距y 2 轉(zhuǎn)子繞組通入直流產(chǎn)生每極基波勵磁磁勢Ff1 1 大小 2 轉(zhuǎn)速 和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一樣為同步速 3 轉(zhuǎn)向 和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向一致 4 極對數(shù) 和轉(zhuǎn)子磁極的極對數(shù)相同 40 勵磁磁勢和電樞磁勢的區(qū)別 41 42 準(zhǔn)備工作 三個角四個軸 43 2 電樞反應(yīng)的性質(zhì) 電樞反應(yīng)的性質(zhì) 助磁 去磁或交磁 取決于電樞磁勢基波與勵磁磁勢基波的空間位置 這一相對位置與勵磁電勢E0和電樞電流I之間的相位差 即角度 有關(guān) 44 一 和同相 0 時的電樞反應(yīng) 內(nèi)功率因數(shù)角 d軸 交軸電樞反應(yīng) 45 1 在軸d上 如圖瞬間 A相勵磁電勢達(dá)到最大值 由于和同相 故而亦如圖示方向 此時A相電流最大 三相合成電樞磁勢出現(xiàn)在A相軸線上 A X Z C B Y q軸 A軸 C軸 B軸 S N d軸 n1 1 1 時軸 A X Z C B Y q軸 A軸 C軸 B軸 S N d軸 n1 1 1 時軸 1 q軸 時軸 相軸 d軸 47 可見始終位于交軸上 稱為 交軸磁勢 2 時間向量圖將時間向量圖的參考軸與A相繞組軸線取重合 3 時空相矢量圖三相電流對稱 僅以A相代表 1 q軸 時軸 相軸 d軸 48 在定子中感應(yīng)電勢 交軸電樞反應(yīng)使氣隙磁勢增加 且由直軸后移一個角度 3 使得轉(zhuǎn)子勵磁繞組受一阻力矩 制動力矩 這樣要維持n1 必須輸入更多的有功 1 q軸 時軸 相軸 d軸 49 時空相矢圖的作法 1 根據(jù)負(fù)載性質(zhì)定出 4 畫出與 對應(yīng)的 2 選時軸 相軸和q d軸 1 q軸 時軸 相軸 d軸 3 畫Ff1在d軸上 E0在q軸上 5 Fa與I同 相 50 二 滯后 900 時電樞反應(yīng) 直軸去磁電樞反應(yīng) A X Z C B Y q軸 A軸 S N d軸 n1 1 1 時軸 1 q軸 時軸 相軸 d軸 1 各相電流如圖 52 1 q軸 時軸 相軸 d軸 可見 與方向相反 氣隙磁場被削弱 電樞反應(yīng)純?nèi)ゴ抛饔?位于d軸又稱直軸電樞磁勢 2 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)不受影響 發(fā)電機(jī)供給純感性 900 或純?nèi)菪?900 無功負(fù)載時 不需原動機(jī)載入功率 53 三 超前900的電樞反應(yīng) 900 直軸助磁電樞反應(yīng) 54 A X Z C B Y q軸 A軸 S N d軸 n1 1 1 時軸 1 q軸 時軸 相軸 d軸 55 1 q軸 時軸 相軸 d軸 可見 超前900相位時 電樞磁勢的方向總與勵磁磁勢的方向相同 它們直接相加得氣隙中合成磁勢的電樞反應(yīng)是純粹助磁的 又位于d軸 又稱 56 四 情況下的電樞反 滯后勵磁電勢 銳角 既有交軸又有直軸去磁電樞反應(yīng) 57 可見此時電樞磁勢滯后 900 此時電樞應(yīng)兼有去磁及交磁兩種性質(zhì) q軸 d軸 時軸 相軸 的直軸分量 無功分量 的交軸分量 有功分量 58 電樞磁勢和電樞電流分量 59 當(dāng) 角為不同值的電樞反應(yīng) 60 電樞反應(yīng)和機(jī) 電能量轉(zhuǎn)換 有功電流產(chǎn)生電磁力 并形成電磁轉(zhuǎn)矩?zé)o功電流產(chǎn)生電磁力 不形成電磁轉(zhuǎn)矩 61 電樞反應(yīng)是實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵 a 電樞反應(yīng)交軸作用 電磁力與旋轉(zhuǎn)方向相反 為了維持發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不變 必須隨著有功負(fù)載的變化調(diào)節(jié)原動機(jī)的輸入功率 有功電流產(chǎn)生電磁力 并形成電磁轉(zhuǎn)矩Tem 62 b c 電樞反應(yīng)直軸作用 b為去磁 c為助磁 為保持發(fā)電機(jī)的端電壓不變 必須隨著無功負(fù)載的變化相應(yīng)地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的激磁電流 無功電流產(chǎn)生電磁力 不形成電磁轉(zhuǎn)矩 63 16 6隱極同步電機(jī)的電樞反應(yīng)磁通 電樞反應(yīng)電抗和同步電抗 64 一 電樞反應(yīng)電抗 設(shè)定子電流有效值為I 則產(chǎn)生的三相合成電樞反應(yīng)磁勢的幅值為 W 每相串聯(lián)匝數(shù) 電樞反應(yīng)磁通 電樞反應(yīng)磁通回路上的磁導(dǎo) 電樞反應(yīng)電勢 隱極機(jī)不計飽和 不計齒槽輪影響 氣隙均勻 故 m為常數(shù) a在定子上感應(yīng)電勢 故有 65 引入比例系數(shù) 比例系數(shù)xa稱電樞反應(yīng)電抗 考慮到相位關(guān)系后 每相電樞反應(yīng)電勢為 xa物理意義 電樞反應(yīng)磁場在定子每相繞組中感應(yīng)的電樞反應(yīng)電勢 可以看作相電流所產(chǎn)生的一個電抗電壓降 66 二 漏電抗 三 同步電抗 xs稱為隱極同步電機(jī)的同步電抗 它是對稱穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時表征電樞反應(yīng)和電樞漏磁這兩個效應(yīng)的一個綜合參數(shù) 不計飽和時 xs是一個常值 注意 電樞反應(yīng)磁勢與轉(zhuǎn)子同步 故對轉(zhuǎn)子無影響 但轉(zhuǎn)子構(gòu)成的路徑 故對的大小有重要作用 67 同步電抗的物理意義 表征地對稱負(fù)載下單位電樞電流三相聯(lián)合產(chǎn)生的電樞總磁場在電樞每相繞組中感應(yīng)電勢 68 16 7凸極同步電機(jī)的電樞反應(yīng)磁通 直軸同步電抗及交軸同步電抗 凸極同步機(jī)的氣隙不均勻 在極面下的磁導(dǎo)大 兩極之間的磁導(dǎo)小 同一電樞磁勢波作用在氣隙不同處 會遇到不同的磁阻 產(chǎn)生不同的磁密 F B S 隱極機(jī) 氣隙均勻 m為常數(shù) 69 凸極電機(jī)氣隙不均勻 處于不同位置 產(chǎn)生的氣隙磁場Ba不同 處于d q軸上時 分別產(chǎn)生出如圖所示的磁勢 70 一 雙反應(yīng)理論 雙反應(yīng)理論 電樞基波磁勢Fa分解為直軸上的直軸電樞反應(yīng)磁勢Fad和交軸上的交軸電樞反應(yīng)磁勢Faq 根據(jù)直軸和交軸的磁導(dǎo) 分別求出直軸和交軸的磁通密度波及磁通 求出在每相定子繞組中直軸電樞反應(yīng)電勢Ead和交軸電樞反應(yīng)電勢Eaq 雙反應(yīng)理論的基礎(chǔ)是 當(dāng)不計飽和時 適用疊加原理 用雙反應(yīng)法來分析凸極同步電機(jī) 雙反應(yīng)理論 當(dāng)處于任意位置且不計飽和時 分解 或 分解 72 二 凸極同步電機(jī)的直軸同步電抗和交軸同步電抗 1 直軸電樞反應(yīng)磁勢Fad和Id的直軸電流分量 直軸電樞反應(yīng)電抗 73 同理 直軸電樞反應(yīng)電抗 交軸電樞反應(yīng)電抗 直軸同步電抗 交軸同步電抗 74 直軸電樞反應(yīng)磁通所經(jīng)路徑磁導(dǎo) 交軸電樞反應(yīng)磁通所經(jīng)路徑磁導(dǎo) 直軸氣隙小于交軸氣隙 xad xaq 3 隱極機(jī)同步阻抗 凸極機(jī)直軸同步阻抗交軸同步阻抗電樞電阻 2 氣隙越大 則磁阻越大 電樞