第六章同步发电机基本方程
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同步电机知识点(整理:王子铟、包振)1.同步电机概述:主要用于发电机,也可用于电动机,其定子结构与异步电机相同,区别主要在转子侧。
同步电机的转子装有磁极,通入直流电流励磁,具有确定的极性。
“同步”的体现:转子旋转的速度必须严格和定子磁场同步。
2.同步电机的转速与负载的大小无关,计算公式为pfn 60=,当同步电机并入无穷大电网时,其转速固定,无法通过各类调节来改变。
3.同步电机的结构和分类:同步电机有旋转电枢式(磁极装在定子上,用于小容量同步电机中)和旋转磁极式(磁极装在转子上,为大中型同步电机的基本形式)两种,主要以旋转磁极式为主。
旋转磁极式同步电机又分为隐极式和凸极式两种隐极式电机的代表:汽轮发电机;凸极式代表:水轮发电机。
4.同步发电机的额定值①额定电压UN (V 、kV ):额定运行时定子三相绕组上的线电压。
②额定电流IN (A 、kA ):额定运行时流过定子绕组的线电流。
③额定功率因数cos φN:额定运行时输出有功功率和视在功率比值。
④额定效率ηN :额定运行时的效率⑤额定容量S N =NN I U 3对发电机是出线端额定视在功率,单位为VA ,kVA 或MVA 对调相机是出线端额定无功功率,单位为var ,kvar 或Mvar ⑥额定功率P N对发电机是额定输出有功电功率P N =S N cos ϕN =N N I U 3cos ϕN对电动机是轴上输出额定机械功率P N =S N cos ϕN ηN =N N I U 3cos ϕN ηN5.同步发电机的空载运行(1)过程建立:转子励磁绕组通以直流励磁电流→形成静止磁场→转子由原动机拖动以同步转速旋转→静止磁场跟随转子一起转动,形成运动的磁场→交变的磁场在定子的三相对称绕组中感应出电动势。
因为定子电枢绕组开路,电枢电流为零,磁场全部由转子电流建立,因此漏磁通仅与转子励磁绕组交链。
感应电动势的计算:若主磁场B0在气隙中正弦分布,且以同步速n1旋转,则在定子绕组中产生对称三相电动势:︒∙︒∙︒∙∠=∠=∠=240,120,0000000E E E E E E C B A 有效值:0111044.4φN k N f E =(601pn f =)隐极机的励磁磁动势是矩形波,凸极机的励磁磁动势是阶梯波。
发电机组的转速是由作用在它转子上的转矩所决定的,作用在转子上的转矩主要包括原动机作用在转子上的机械转矩和发电机的电磁转矩两部分。
原动机的机械转矩是由发电厂动力部分(例如火电厂的锅炉和汽轮机)的运行状态决定,发电机的电磁转矩是由发电机及其连接的电力系统中的运行状态决定,在这些运行状态中如发生任意干扰都会使作用在转子上的转矩不平衡,也就会使转速发生变化。
因此要求系统在受到各种干扰后,发电机组经过一段过程的运动变化后仍能恢复同步运行,即δ角能达到一个稳态值。
能满足这一点,系统就是稳定的,否则就是不稳定的,而必须采取相应的措施以保证系统的稳定性。
一般将电力系统稳定性问题分为两大类,即静态稳定性和暂态稳定性。
所谓电力系统静态稳定性是指电力系统在某个运行状态下,突然受到任意小干扰后,能恢复到原来的(或是与原来的很接近)运行状态的能力。
这里所致的小干扰,是在这种干扰作用下,系统的状态变量的变化很小,因此允许将描述系统的状态方程线性化。
电力系统暂态稳定性是指电力系统在某个运行状态下,突然受到较大干扰后,能够过渡到一个新的稳态运行状态(或者回到原来运行状态)的能力。
由于受到的是大干扰,系统的状态方程不能线性化。
由于两种稳定性问题中受到的干扰的性质不同,因而分析的方法也不同。
电力系统的稳定性问题还可以根据需要按时间长短分为短期、中期和长期稳定,它们在分析时所用的系统元件的数学模型不同,例如长期稳定将计及锅炉的过程。
一:同步发电机转子运动方程同步发电机组转子的机械角加速度与作用在转子轴上的不平衡转矩之间的关系:T E d J M M M dtΩ=∆=- (1) 其中,Ω为转子机械角速度,/rad s ;J 为转子的转动惯量,2kg m ;M ∆为作用在转子轴上的不平衡转矩(略去风阻,摩擦等损耗即为原动机机械转矩T M 和发电机电磁转矩E M 之差),N m ;上式极为转子运动方程。
当转子以额定转速0Ω(即同步转速)旋转时,其动能为:2012K W J =Ω (2) 式中,K W 为转子在额定转速时的动能,J 。
发电机组的转速是由作用在它转子上的转矩所决定的,作用在转子上的转矩主要包括原动机作用在转子上的机械转矩和发电机的电磁转矩两部分。
原动机的机械转矩是由发电厂动力部分(例如火电厂的锅炉和汽轮机)的运行状态决定,发电机的电磁转矩是由发电机及其连接的电力系统中的运行状态决定,在这些运行状态中如发生任意干扰都会使作用在转子上的转矩不平衡,也就会使转速发生变化。
因此要求系统在受到各种干扰后,发电机组经过一段过程的运动变化后仍能恢复同步运行,即δ角能达到一个稳态值。
能满足这一点,系统就是稳定的,否则就是不稳定的,而必须采取相应的措施以保证系统的稳定性。
一般将电力系统稳定性问题分为两大类,即静态稳定性和暂态稳定性。
所谓电力系统静态稳定性是指电力系统在某个运行状态下,突然受到任意小干扰后,能恢复到原来的(或是与原来的很接近)运行状态的能力。
这里所致的小干扰,是在这种干扰作用下,系统的状态变量的变化很小,因此允许将描述系统的状态方程线性化。
电力系统暂态稳定性是指电力系统在某个运行状态下,突然受到较大干扰后,能够过渡到一个新的稳态运行状态(或者回到原来运行状态)的能力。
由于受到的是大干扰,系统的状态方程不能线性化。
由于两种稳定性问题中受到的干扰的性质不同,因而分析的方法也不同。
电力系统的稳定性问题还可以根据需要按时间长短分为短期、中期和长期稳定,它们在分析时所用的系统元件的数学模型不同,例如长期稳定将计及锅炉的过程。
一:同步发电机转子运动方程同步发电机组转子的机械角加速度与作用在转子轴上的不平衡转矩之间的关系:T E d J M M M dtΩ=∆=- (1) 其中,Ω为转子机械角速度,/rad s ;J 为转子的转动惯量,2kg m ;M ∆为作用在转子轴上的不平衡转矩(略去风阻,摩擦等损耗即为原动机机械转矩T M 和发电机电磁转矩E M 之差),N m ;上式极为转子运动方程。
当转子以额定转速0Ω(即同步转速)旋转时,其动能为:2012K W J =Ω (2) 式中,K W 为转子在额定转速时的动能,J 。
第六章学习指南熊永前一、内容及要求同步电机的结构型式,励磁方式,冷却方式、额定值。
同步电机的运行原理。
同步电机的电枢反应,隐极同步发电机的负载运行。
凸极同步电机的负载运行。
同步发电机的空载特性,零功率因数负载特性,短路比,外特性。
稳态参数的测定。
投入并联运行的条件和方法。
同步发电机的功率和转矩平衡方程式。
同步发电机的功角特性。
同步发电机与大电网并联运行时有功功率的调节和静态稳定。
无功功率的调节和V形曲线。
同步电动机的基本方程式矢量图和功角特性,无功功率的调节,同步电动机起动方法,同步调相机。
同步发电机不对称运行时的各相序阻抗和等效电路,三相同步发电机的不对称稳定短路。
不对称运行对电机的影响。
1.了解同步电机的主要结构型式及其应用特点、励磁方式和冷却方式;掌握同步电机的额定值。
2.了解同步发电机空载运行的原理,掌握空载运行时的时空矢量图。
掌握同步电机电枢反应的特点。
了解双反应理论。
3.掌握隐极和凸极同步发电机负载运行时的方程式和相量图以及同步电抗等参数。
掌握不饱和时同步发电机的计算。
4.掌握同步发电机各特性的原理和方法。
掌握利用各特性测量有关参数的方法。
掌握低转差法测量同步电抗的原理和方法。
5.掌握并联运行的条件,并网的方法。
掌握同步发电机的功率平衡和转矩平衡,功角特性。
掌握静态稳定,有功调节和无功调节的方法。
6.了解同步电动机的基本电磁关系。
了解同步电动机的起动和调速方法。
掌握同步调相机的原理和特点。
7.掌握各相序阻抗的物理概念极其大小关系,了解不对称稳定短路的分析方法,掌握稳定短路电流大小,了解负序和零序参数的测量方法,了解不对称运行的影响。
二、学习指导同步电机的一个基本特点是电枢电流的频率与转速之间的严格关系。
汽轮发电机由于转速高和容量大等特点必须采用隐极结构且转子直径不能太大,各零部件机械强度要求高。
水轮发电机则由于水轮机多为立式低转速,因此一般采用凸极结构,且极数很多,直径较大。
在分析同步电机内部的物理情况时,电枢反应占有重要地位。