2009_33电机学－同步电动机与调相机.pdf

?从发电机状态过渡到电动机状态从发电机状态过渡到电动机状态同步电动机和同步调相机同步电动机和同步调相机12-1 同步电动机的基本方程式和相量图同步电动机的基本方程式和相量图NS1TMT1n主极定子合成磁场等效磁极NS(a)发电机状态U&I&sx I j&0E&NS(b)空 载 发 电 机 状 态00=NS1T1n0TU&I&sxI j&0E&NSMT2T1n主极定子合成磁场等效磁极NS(c)电动机状态U&I&sx I j&0E&当同步发电机变为电动机运行时，功率角和相应的电磁转矩、电磁功率均由正值变为负值，电磁转矩由制动转矩变为驱动性质的转矩。当同步发电机变为电动机运行时，功率角和相应的电磁转矩、电磁功率均由正值变为负值，电磁转矩由制动转矩变为驱动性质的转矩。?从发电机状态过渡到电动机状态从发电机状态过渡到电动机状态?电动势方程式和相量图电动势方程式和相量图电动势方程式和相量图电动势方程式和相量图U&I&0E&AX图12-2 同步电动机的规定正方向sasax I jr IEUx I jr IUE&+=00U&I&ar I&sx I j&0E&图12-3 隐极同步电动机相量图?电动势方程式和相量图电动势方程式和相量图qqddaqqddaxI jxI jr IEUxI jxI jr IUE&+=00图12-4 凸极同步电动机相量图U&I&ar I&0E&dI&qI&qx I j&qqxI j&ddxI j&sax I jr IUE&=0?时空相矢图时空相矢图sx I j&ar I&U&I&0E&1fFaF?功角特性、功率、转矩平衡关系功角特性、功率、转矩平衡关系?V形曲线V形曲线?起动方法辅助电动机、调频、异步起动方法辅助电动机、调频、异步改变励磁可以调节电动机的功率因数，这是同步电动机最可贵的特性。因为在电网上主要的负载是异步电动机和变压器，它们都要从电网中吸收电感性无功功率，如果将运行在电网上的同步电动机工作在过励状态，使它们从电网中吸收电容性无功功率（即向电网发出感性无功功率），从而提高了电网的功率因数。改变励磁可以调节电动机的功率因数，这是同步电动机最可贵的特性。因为在电网上主要的负载是异步电动机和变压器，它们都要从电网中吸收电感性无功功率，如果将运行在电网上的同步电动机工作在过励状态，使它们从电网中吸收电容性无功功率（即向电网发出感性无功功率），从而提高了电网的功率因数。电网的负载主要是异步电动机和变压器，它们从电网吸取感性无功功率，而使电网的功率因数降低，减少有功功率的传输能力，并使整个电力系统的设备利用率和效率降低。如能在适当地点把负载所需的感性无功功率就地供给，避免远距离输送，则既减小线路损耗和电压降，又可减轻发电机的负担而充分利用它的容量，应用同步调相机便是解决这一问题的一个有效方法。电网的负载主要是异步电动机和变压器，它们从电网吸取感性无功功率，而使电网的功率因数降低，减少有功功率的传输能力，并使整个电力系统的设备利用率和效率降低。如能在适当地点把负载所需的感性无功功率就地供给，避免远距离输送，则既减小线路损耗和电压降，又可减轻发电机的负担而充分利用它的容量，应用同步调相机便是解决这一问题的一个有效方法。同步电动机和同步调相机同步电动机和同步调相机12-5 同步调相机同步调相机同步调相机：不带机械负荷，运行于电动机状态，专用来改善电网功率因数的同步电机称为同步调相机或称为同步补偿机。除供应本身损耗外，它并不从电网吸收更多的有功功率，因此同步调相机总是在接近于零的电磁功率和零功率因数的情况下运行。同步调相机：不带机械负荷，运行于电动机状态，专用来改善电网功率因数的同步电机称为同步调相机或称为同步补偿机。除供应本身损耗外，它并不从电网吸收更多的有功功率，因此同步调相机总是在接近于零的电磁功率和零功率因数的情况下运行。忽略同步调相机的全部损耗，则电枢电流全是无功分量，其电动势方程式为忽略同步调相机的全部损耗，则电枢电流全是无功分量，其电动势方程式为sx I jEU&+=0(a)过励(b)欠励图12-14 同步调相机的相量图I&U&sx I j&0E&0E&U&sx I j&I&同步调相机在过励时可看作是电网的一个电容性无功负载，而欠励时则为一个电感性的无功负载，只要调节励磁电流，就能灵活地调节它的无功功率大小。由于电力系统中大多数为感性负载所以同步调相机通常在过励状态下运行，它的额定容量也是指过励运行的容量。只在电网基本空载，由于长输电线对地电容的影响，使受电端电压偏高时，才让同步调相机在欠励下运行以保持电网电压的稳定。同步调相机在过励时可看作是电网的一个电容性无功负载，而欠励时则为一个电感性的无功负载，只要调节励磁电流，就能灵活地调节它的无功功率大小。由于电力系统中大多数为感性负载所以同步调相机通常在过励状态下运行，它的额定容量也是指过励运行的容量。只在电网基本空载，由于长输电线对地电容的影响，使受电端电压偏高时，才让同步调相机在欠励下运行以保持电网电压的稳定。为了减小无功电流在线路上产生损耗和压降，一般把同步调相机装设在受电端、负载端。在长距离输电线路中，为了提高输电的稳定性，也有在输电线中间加装同步调相机的，叫做中间补偿。为了减小无功电流在线路上产生损耗和压降，一般把同步调相机装设在受电端、负载端。在长距离输电线路中，为了提高输电的稳定性，也有在输电线中间加装同步调相机的，叫做中间补偿。?装设位置装设位置?分析同步发电机不对称运行的基本方法对称分量法分析同步发电机不对称运行的基本方法是对称分量法，即将发电机不对称的三相电压、电流分解为正序、负序和零序分量，然后分别研究各相序电流所产生的效果，再将它们迭加起来，就可以得到实际的不对称相电流和相电压。实践证明，就基波而言，不计饱和时，所得结果基本上是正确的。分析同步发电机不对称运行的基本方法对称分量法分析同步发电机不对称运行的基本方法是对称分量法，即将发电机不对称的三相电压、电流分解为正序、负序和零序分量，然后分别研究各相序电流所产生的效果，再将它们迭加起来，就可以得到实际的不对称相电流和相电压。实践证明，就基波而言，不计饱和时，所得结果基本上是正确的。同步发电机的不对称运行同步发电机的不对称运行?相序电动势发电机的励磁电动势是由于转子励磁磁通旋转而在定子绕组中感应出来的，由于转子的旋转方向是由A轴B轴C轴，所以感应的电动势相序为ABC，即为正序电动势。由于没有反转的励磁磁通，所以不会有负序电动势，更不会有零序电动势。相序电动势发电机的励磁电动势是由于转子励磁磁通旋转而在定子绕组中感应出来的，由于转子的旋转方向是由A轴B轴C轴，所以感应的电动势相序为ABC，即为正序电动势。由于没有反转的励磁磁通，所以不会有负序电动势，更不会有零序电动势。13-2 同步发电机不对称运行时的相序电动势、相序电抗和等效电路同步发电机不对称运行时的相序电动势、相序电抗和等效电路00)(00=+AAAAEEEEE&即正常运行中的+AE&+BE&+CE&图13-1 正序电动势?相序电抗在同步电机内部阻抗中，电阻远小于同步电抗，因此在计算电压时，往往忽略电阻。只有在考虑损耗时，才考虑电阻。相序电抗在同步电机内部阻抗中，电阻远小于同步电抗，因此在计算电压时，往往忽略电阻。只有在考虑损耗时，才考虑电阻。1.正序电抗同步电机正向旋转，励磁绕组通入励磁电流，电枢绕组接入一对称负载，电枢绕组中流过一正序电流时，它产生的电枢磁场所对应 的电抗称为正序电抗。正序电抗同步电机正向旋转，励磁绕组通入励磁电流，电枢绕组接入一对称负载，电枢绕组中流过一正序电流时，它产生的电枢磁场所对应 的电抗称为正序电抗。正序电流产生以同步速正向旋转的旋转磁场，它和转子 相对静止，因此不在转子里感应电动势，这与正常对称运行时的情况完全一样，因此正序电流所对应的电抗就是对称稳态运行时的同步电抗。正序电流产生以同步速正向旋转的旋转磁场，它和转子 相对静止，因此不在转子里感应电动势，这与正常对称运行时的情况完全一样，因此正序电流所对应的电抗就是对称稳态运行时的同步电抗。+=+=+=aqqaddasxxxxxxxxxx1对于凸极同步发电机，考虑到电枢电阻远小于电抗，机端短路时，短路电流中的正序分量基本为一感性的直轴电流，即。所以短路情况下，凸极机的正序电抗可近似地用对于凸极同步发电机，考虑到电枢电阻远小于电抗，机端短路时，短路电流中的正序分量基本为一感性的直轴电流，即。所以短路情况下，凸极机的正序电抗可近似地用 xd 代替，即代替，即 x1xd（不饱和值）。（不饱和值）。dII&=2.负序电抗当转子正向旋转、励磁绕组短接、电枢绕组加上一组对称的负序电压并流过负序电流时，电机中产生的磁场所对应的电抗称为负序电抗。负序电抗当转子正向旋转、励磁绕组短接、电枢绕组加上一组对称的负序电压并流过负序电流时，电机中产生的磁场所对应的电抗称为负序电抗。?相序电抗相序电抗负序磁场分析：负序磁场分析：当定子绕组中通过一组负序电流时，它们产生的合成磁场转速在数值上等于同步速，但转向与转子转向相反，因此定子负序磁场对转子的相对速度为-当定子绕组中通过一组负序电流时，它们产生的合成磁场转速在数值上等于同步速，但转向与转子转向相反，因此定子负序磁场对转子的相对速度为-2n1，它要切割转子绕组并在其中感应电动势，电动势的频率为，它要切割转子绕组并在其中感应电动势，电动势的频率为2f（倍频）。由于转子励磁绕组通过励磁机形成闭路，阻尼绕组自身形成闭路，所以倍频电动势在转子绕组中产生倍频电流，该电流要产生以两倍频率脉振的磁动势，它对定子负序磁场产生影响。因此，负序电流产生的磁场包括：定子漏磁场、转子漏磁场、合成负序磁场。（倍频）。由于转子励磁绕组通过励磁机形成闭路，阻尼绕组自身形成闭路，所以倍频电动势在转子绕组中产生倍频电流，该电流要产生以两倍频率脉振的磁动势，它对定子负序磁场产生影响。因此，负序电流产生的磁场包括：定子漏磁场、转子漏磁场、合成负序磁场。2F定子漏磁场：负序电流产生的漏磁场与正序电流产生的漏磁场完全一样，因此对应的电抗也为定子漏磁场：负序电流产生的漏磁场与正序电流产生的漏磁场完全一样，因此对应的电抗也为 x。转子漏磁场：转子上有励磁绕组和阻尼绕组，在这些绕组中的倍频电流产生的漏磁通分别为。转子漏磁场：转子上有励磁绕组和阻尼绕组，在这些绕组中的倍频电流产生的漏磁通分别为f 和和k，它们对应的漏电抗为 x，它们对应的漏电抗为 xf 和 x和 xk。图13-3 负序磁场通过直轴示意图1nAX1nadkdf负序电流转子倍频电流应该注意：由于转子电流为倍频，转子漏抗也为倍频电抗。为了做出等效电路，必须把它们归算为基频，如何进行频率归算，将在异步电机中讲述，这里暂且认为 x应该注意：由于转子电流为倍频，转子漏抗也为倍频电抗。为了做出等效电路，必须把它们归算为基频，如何进行频率归算，将在异步电机中讲述，这里暂且认为 xf 和 x和 xkd 都已归算为基频。都已归算为基频。合成负序磁场：它是逆着转子转向旋转的，如果是凸极电机，由于直轴和交轴磁阻不等，负序磁场转到直轴和交轴时所对应的电抗不一样。当合成负序磁场通过直轴时，它与定子绕组、转子励磁绕组和直轴阻尼绕组相交链。合成负序磁场：它是逆着转子转向旋转的，如果是凸极电机，由于直轴和交轴磁阻不等，负序磁场转到直轴和交轴时所对应的电抗不一样。当合成负序磁场通过直轴时，它与定子绕组、转子励磁绕组和直轴阻尼绕组相交链。图13-3 负序磁场通过直轴示意图1nAX1nadkdf负序电流转子倍频电流由等效电路可得直轴负序电抗（又称为直轴超瞬态电抗）的表达式由等效电路可得直轴负序电抗（又称为直轴超瞬态电抗）的表达式dkdfaddxxxxxx=+=11112当负序合成磁场通过交轴时，它与定子绕组、转子交轴阻尼绕组相交链。当负序合成磁场通过交轴时，它与定子绕组、转子交轴阻尼绕组相交链。图13-5 负序磁场通过交轴示意图AX1n交轴阻尼绕组aq1nkq交轴负序电抗（又称为交轴超瞬态电抗）表达式交轴负序电抗（又称为交轴超瞬态电抗）表达式qkqaqqxxxxx=+=1112负序电抗的数值是变化的，负序磁场通过直轴时为负序电抗的数值是变化的，负序磁场通过直轴时为 x2d，通过交轴时为，通过交轴时为 x2q，负序电抗在，负序电抗在 x2d 和和 x2q 之间，一般我们取它们的平均值，即之间，一般我们取它们的平均值，即22222qdqdxxxxx+=+=qdqdxxxxx =222如果电机没有阻尼绕组对于隐极同步发电机，只要以如果电机没有阻尼绕组对于隐极同步发电机，只要以 xad=xaq=xa 代入即可求出代入即可求出 x2。式中：称为直轴瞬态电抗。式中：称为直轴瞬态电抗。qaqqdfaddxxxxxxxxx=+=+=22111dxx x2 xd xqxq 原因：转子绕组要感应出倍频电流，根据楞次定律，这些电流产生削弱负序磁场的作用，使气隙中合成负序磁场减小很多。因此，负序电抗要小于正序电抗。阻尼绕组的阻尼作用（去磁作用）愈强，则合成负序磁场愈弱，原因：转子绕组要感应出倍频电流，根据楞次定律，这些电流产生削弱负序磁场的作用，使气隙中合成负序磁场减小很多。因此，负序电抗要小于正序电抗。阻尼绕组的阻尼作用（去磁作用）愈强，则合成负序磁场愈弱，x2 愈小，所以阻尼绕组的作用之一就是削弱负序磁场。愈小，所以阻尼绕组的作用之一就是削弱负序磁场。当转子正向旋转、励磁绕组短接、电枢绕组通过零序电流（三相电流同相位同大小）时，该电流产生的磁场所对应的电抗称为零序电抗。当转子正向旋转、励磁绕组短接、电枢绕组通过零序电流（三相电流同相位同大小）时，该电流产生的磁场所对应的电抗称为零序电抗。?相序电抗相序电抗3.零序电抗零序电抗由于各相的零序电流大小、相位相同，所以它们所建立的三个脉振基波磁动势在时间上同相位，而空间上彼此相差由于各相的零序电流大小、相位相同，所以它们所建立的三个脉振基波磁动势在时间上同相位，而空间上彼此相差120度电角度，故基波合成磁动势为零。因此，零序电流不会产生电枢反应基波磁动势和相应的磁通，它只产生漏磁场，所以零序电抗实质上为漏抗。不过，对于双层短距绕组，由于某些槽的上下层分别属于不同的相，在这些槽里，零序电流产生的漏磁通与正序电流产生的漏磁通在数值上就不一样，一般前者小于后者，其数值与绕组节距有关，因此零序电抗度电角度，故基波合成磁动势为零。因此，零序电流不会产生电枢反应基波磁动势和相应的磁通，它只产生漏磁场，所以零序电抗实质上为漏抗。不过，对于双层短距绕组，由于某些槽的上下层分别属于不同的相，在这些槽里，零序电流产生的漏磁通与正序电流产生的漏磁通在数值上就不一样，一般前者小于后者，其数值与绕组节距有关，因此零序电抗 x0 小于小于 x。?相序方程式和相序等效电路正序、负序、零序系统均是对称系统，只列写一相的方程式、一相等效电路即可。相序方程式和相序等效电路正序、负序、零序系统均是对称系统，只列写一相的方程式、一相等效电路即可。(a)(b)(c)图13-9 各序等效电路1x+AE&+AI&+AU&2xAU&AI&0AI&0AU&0 x00021xI jUxI jUxI jEUAAAAAAA&=+00210 xI jxI jxI jEUUUUAAAAAAAA&=+=+