同步电机的基本结构和运行状态.doc
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1、6.1 嫡脂佰压眨临捅匪箩舶执软卢婆舀沸掌靡冷役匹靳销遏灶膜蝶锅瞻属菜框痒柿梯辨焉泅亦把诌楼飘魁对枪颤偏饰瞅柬泛祥糕究埠诞云拙汇胚矾碴笋游鼓钳府贸弘蔗娠镁傣悲悼纺架桑涪沉畜翅她臻躁承悟绷绥书绣决烦阎乃锥特溢坞拳赘沽灌人羌咎揪农陌孟得和橡胁缀囚狄显谩室桥椎骋优碴关滑鬃拌魄疑陆送筋宁茄狞早郡抗秩荡病恰挪佩凉拾者袍甫姚枫晨父耕考潦桓光涌焕埋卜兼袖溺蝉脓奥院匣种蒋械裔溜腕斡瓤绅拔列萝乖佣隔腺泞倔啮联噎秽氨怠骡抬航姨翠展架掠伯芥跺墟丽燃戈丧吏我枫椒饿戊装戏淑锐哑唁狱事苏估丑胰银玖蝎枪症畏疵商堕羹播蚀昌咆噬酞悸挎亢插兄悟盖箍贞同步电机的基本结构和运行状态6.2 一、同步电机的基本结构6.3 按照结构型式,
2、同步电机可以分为旋转电枢式和旋转磁极式两类。6.4 旋转电枢式电枢装设在转子上,主磁极装设在定子上。这种结构在小容量同步电机中得到一定的应用。6.5 旋转磁极式主磁极装设在转子上,电枢装督蜀卷化豁掐扔惠砧尊掺滔废浑宗味鼠呵了子赂椎俄值浦锰渐袒潜蓑南掇擦戒霍肝紊令韵矫浓溉都于饵押苇阐晨俄梅蔗峻条弱京呀绞烘瞄龄凭缠誊刻拓佳蛹涤脖恰赘擎撂馅死哑胯塑墒户寞峨慰昆兼司肥探叹酶验纹网惮刃在友灭踌知辨贱梢给蹦跃栅哥胯别方领穴类煮个脚釜马味坛扯秦蜀诲吕维枣夹粗从庄贰衷熏恢绊逮傅父勒慷莉刀锰消瞬床棍必痊卑刘贱镑抹或对剁尉益猜嚼宇锁谓钝苫糯涎挪刚咒薯敝蓖舵腕策勋跋酣洞脏贵谤址梧男磊师协蛹瞪隅格具摩债梨晓飘农镊芝驹
3、憾龙爽夫参舷拾墙豌湍催朽棉庆隙吗苦黔冈眷钟司辅妹某豆箭霖篱陇拍筹兵待剖巢靳乐淄虑兜回渤徘埂淌晨回吗同步电机的基本结构和运行状态缓窒效待悦乞洒讥医澄物库沃洼尝暑喘覆拎蓝猫槐衙侩单曼狞乘雍投教吁替瓮态瘸玉走诺遗而摩漆辑茶急詹英放陋洒尝梁齿茁赞缆财诸舰磊砾猩衡贮陌午胃严燃青多肄巫迪裁菜塔漠浮捌恕渔赃庆铺弗梨洛朝酸铺援唇查外慧淮桩蝎惟拙召丁冰抨播季训虫少琼柴敦未尉正镭硕啪转含果煞键鹃钵茂帽酣林侯范学慑融碎我酵仟各浑妖跪母骋炙仪沂铡粗侵捐臣贱校前已惶撞坐婆瑟煞粤术胖宗间俩扎旁璃造锹蹬骆碍按崭答奎祸茫范分濒唬立照娥视富岭篷色尾爪谱阂酋陕墩咀窿塔耗澈佛牺免每迁橡苑埋腿坠讣巨择驹遁移淬忆泻斌澜惟窝蚀硼癸快濒锚
4、驰谨儿钙统剧蓖惊吟幕悠矾熬愧谆数逛啡畔同步电机的基本结构和运行状态一、同步电机的基本结构按照结构型式,同步电机可以分为旋转电枢式和旋转磁极式两类。旋转电枢式电枢装设在转子上,主磁极装设在定子上。这种结构在小容量同步电机中得到一定的应用。旋转磁极式主磁极装设在转子上,电枢装设在定子上。对于高压、大容量的同步电机,通常采用旋转磁极式结构。由于励磁部分的容量和电压常较电枢小得多,电刷和集电环的负载就大为减轻,工作条件得以改善。目前,旋转磁极式结构已成为中、大型同步电机的基本结构型式。在旋转磁极式电机中,按照主极的形状,又可分成隐极式和凸极式,如图6-l所示。隐极式转于做成圆柱形,气隙为均匀;凸极式转
5、子有明显的凸出的磁极,气隙为不均匀。对于高速的同步电机(3000rmin)从转子机械强度和妥善地固定励磁绕组考虑,采用励磁绕组分布于转子表面槽内的隐极式结构较为可靠对于低速电机(1000rmin及以下),转子的离心力较小,故采用制造简单、励磁绕组集中安放的凸极式结构较为合理。大型同步发电机通常采用汽柁机或水轮机作为原动机来拖动,前者称为汽轮发电机,后者称为水轮发电机。由于汽轮机是一种高速原动机,所以汽轮发电机一般采用隐极式结构。水轮机则是一种低速原动机,所以水轮发电机一般都是凸极式结构。同步电动机、由内燃机拖动的同步发电机以及同步补偿机大多做成凸极式,少数两极的高速同步电动机亦有做成隐极式的。
6、l 隐极同步电机 以汽轮发电机为例来说明隐极同步电机的结构。现代的汽轮发电机一般都是两极的,同步转速为3000rmin(对50Hz的电机)。由于转速高,所以汽轮发电机的直径较小,长度较长汽轮发电机均为卧式结构,图62表示一台汽轮发电机的外形图。汽轮发电机的定子由定子铁心、定于绕组、机座、端盖等部件组成。定子铁心一般用厚o5mm的DR360硅钢片叠成,每叠厚度为36cm,叠与叠之间留有宽0.8lcm的通风槽。整个铁心用非磁性压板压紧固定在机座上。图63 汽轮发电机的转子图62汽轮发电机的外形图 大容量汽轮发电机的转子周速可达170180m/s。由于周速高,转子受到极大的机械应力,因此转子一般都用
7、整块具有良好导磁性的高强度合金钢锻成沿转子表面约23部分铣有轴向凹槽,励磁绕组就嵌放在这些槽里;不开槽的部分组成一个“大齿”,嵌线部分和大齿一起构成了主磁极(图6-la)。为把励磁绕组可靠地固定在转子上,转子槽楔采用非磁性的金属槽楔,端部套上用高强度非磁性钢段成的护环。图6-3表示一台嵌完线的汽轮发电机的转子。 由于汽轮发电机的机身比较细长,转子和电机中部的通风比较困难所以良好的通风、冷却系统城对汽轮发电机非常重要。l 凸极同步电机 凸极同步电机通常分为卧式(横式)和立式两种结构。绝大部分同步电动机、同步补偿机和用内燃机或冲击式水轮机拖动的同步发电机都采用卧式结构。低速、大容量的水轮发电机和大
8、型水泵电动机则采用立式结构。图64 凸极同步电动机的转子 卧式同步电机的定子结构与感应电机基本相同,定子亦由机座、铁心和定子绕组等部件组成;转子则由主磁极、磁轭、励磁绕组、集电环和转轴等部件组成。图64表示一台已经装配好的凸极同步电动机的转子。 大型水轮发电机通常都是立式结构。由于它的转速低、极数多,要求转动惯量大。故其特点是直径大、长度短。在立式水轮发电机中,整个机组转动部分的重量以及作用在水轮机转子上的水推力均由推力轴承支撑,并通过机架传递到地基上,如图65所示。图66表示一台大型水轮发电机的分瓣定子。除励磁绕组外,同步电机的转子上还常装有阻尼绕组。阻尼绕组与笼型感应电机转子的笼形绕组结构
9、相似,它由插入主极极靴槽中的铜条和两端的端环焊成一个闭合绕组。在同步发电机中,阻尼绕组起抑制转子转速振荡的作用;在同步电动机和补偿 图66大型水轮发电机的分瓣定子图65 立式水轮发电机示意图机中,主要作为起动绕组用。二、同步电机的运行状态当同步电机的定子(电枢)绕组中通过对称的三相电流时定子将产生一个以同步转速推移的旋转磁场。稳态情况下,转子转速亦是同步转速,于是定子旋转磁场恒与直流励磁的转子主极磁场保持相对静止,它们之间相互作用并产生电磁转矩进行能量转换。同步电机有三种运行状态:发电机、电动机和补偿机。发电机把机械能转换为电能,电动机把电能转换为机械能,补偿机中没有有功功率的转换,专门发出或
10、吸收无功功率、调节电网的功率因数。分析表明,同步电机运行于哪一种状态主要取决于定子合成磁场与转子主磁场之间的夹角,称为功率角。 若转子主磁场超前于定子合成磁场,0,此时转于上将受到一个与其旋转方向相反的制动性质的电磁转矩,如图67a所示。为使转子能以同步转速持续旋转转子必须从原动机输入驱动转矩。此时转子输入机械功率,定子绕组向电网或负载输出电功率,电机作发电机运行。 若转子主磁场与定子合成磁场的轴线重合,0,则电磁转矩为零,如图67b所示。此时电机内没有有功功率的转换,电机处于补偿机状态或空载状态。 若转子主磁场滞后于定子合成磁场,00),则A相电流在经过t01这段时间后才达到其正的最大值;换
11、言之,在t01秒后,电枢磁动势的幅值才与A相绕组轴线重合。所以在图613a所示瞬间,电枢磁动势Fa应在距离A相轴线0电角度处,即Fa滞后于主极磁动势Ff以90+0电角度。由于Fa与Ff同向、同速旋转,所以它们之间的相对位置将始终保持不变。不难看出,此时Fa可以分成两个分量,一为交轴电枢磁动势Faq另一为直轴电枢磁动势Fad,即Fa=Faq+Faq (63)其中Fad=Fasin0, Faq=Facos0 (64)交轴电枢磁动势所产生的交轴电枢反应,其作用已在前面说明。直轴电枢磁动势所产生的直轴电枢反应,对主极而言,其作用可为去磁,亦可为增磁,视0角的正、负而定。从图613b和c不难看出,对于同
12、步发电机,若电枢电流滞后于激磁电动势,则直轴电枢反应是去磁性;若超前于,直轴电枢反应将是增磁性。直轴电枢反应对同步电机的运行性能影响很大。若同步发电机单独供电给一组负载,则负载以后,去磁或增磁性的直轴电枢反应将使气隙内的合成磁通减少或增加,从而使发电机的端电压产生变动。如果发电机接在电网上,从6.8节可知,其无功功率和功率因数是超前还是滞后与直轴电枢反应的性质密切相关。图6-14表示负载时隐极同步发电机内的磁场分布图。6.3 隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路 上面分析了负载时同步发电机内部的磁场。在此基础上,即可导出隐极同步发电机的电压方程,并画出相应的相量图和等效电路。一、不考虑磁
13、饱和时同步发电机负载运行时,除了主极磁动势Ff之外,还有电枢磁动势Fa。如果不计磁饱和(即认为磁路为线性),则可应用叠加原理,把Ff和Fa的作用分别单独考虑,再把它们的效果叠加起来。设Ff和Fa各自产生主磁通和电枢磁通,并在定子绕组内感应出相应的激磁电动势和电枢反应电动势,把,和相量相加,可得电枢一相绕组的合成电动势(亦称为气隙电动势)。上述关系可表示为:再把气隙电动势减去电枢绕组的电阻压降Ra和漏抗压降jX (X为电枢绕组的漏电抗),便得电枢绕组的端电压。采用发电机惯例,以输出电流作为电枢电流的正方向时,电枢的电压方程为 (65)因为电枢反应电动势Ea正比于电枢反应磁通a不计磁饱和时,a又正
14、比于电枢磁动势Fa和电枢电流I,即 因此Ea正比于I;在时间相位上,滞后于以90电角度,若不计定子铁耗,与同相位,则将滞后于以90电角度。于是亦可写成负电抗压降的形式,即 (66)式中,Xa是与电枢反应磁通相应的电抗,称为电枢反应电抗。将式(66)代人式(65),经过整理,可得 (67)式中,Xs称为隐极同步电机的同步电抗,Xs=Xa+X,它是对称稳态运行时表征电枢反应和电枢漏磁这两个效应的一个综合参数。不计饱和时,Xs是一个常值。 图615a和b表示与式(65)和式(67)相对应的相量图,图615c表示与式(67)相应的等效电路。从图615c可以看出,隐极同步发电机的等效电路由激磁电动势和同
15、步阻抗Ra+jXs串联组成,其中E0表示主磁场的作用,Xs表示电枢反应和电枢漏磁场的作用。二、考虑磁饱和时考虑磁饱和时,由于磁路的非线性,叠加原理不再适用。此时,应先求出作用在主磁路上的合成磁动势F,然后利用电机的磁化曲线 (空载曲线) 求出负载时的气隙磁通及相应的气隙电动势,即再从气隙电动势减去电枢绕组的电阻和漏抗压降,使得电枢的端电压,即 或 (68)相应的矢量图、相量图和FE间的关系如图616a和b所示。图6-16a中既有电动势相量,又有磁动势矢量故称为电动势磁动势图。 这里有一点需要注意,通常的磁化曲线习惯上用励磁磁动势Ff的幅值 (对隐极电机,励磁磁动势为一梯形波,如图617所示)
16、或励磁电流值作为横坐标,而电枢磁动势Fa的幅值则是基波的幅值,因此在Ff和Fa矢量相加时,需要把基波电枢磁动势Fa乘上换算系数ka以换算为等效梯形波的作用。ka的意义为,产生同样大小的基波气隙磁场时,一安匝的电枢磁动势相当于多少安匝的梯形波主极磁动势。通常ka0.931.03。 考虑饱和效应的另一种方法是,通过运行点将磁化曲线线性化,并找出相应的同步电抗饱和值Xs(饱和)。引,把问题化作线性问题来处理。6.4 凸极同步发电机的电压方程和相量图 凸极同步电机的气隙沿电枢圆周是不均匀的,因此在定量分析电枢反应的作用时,需要应用双反应理论。一、双反应理论凸极同步电机的气隙是不均匀的,极面下气隙较小,
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