电机与变压器教案(第18讲)

茂名市技工学校文化理论课教案编号：QD-0707-03版本号：A/0流水号：─────────────────────────────────────────────────────────────────────科目：电机与变压器授课班级：09机电高级①、②班共8页《电机与变压器》第十八讲课题：1、同步发电机的工作原理2、同步电动机的工作原理授课课时2节授课日期授课方式讲授提问作业题数2拟用时间0.5教学目的1.掌握同步发电机的工作原理2.掌握同步电动机的工作原理3.掌握同步补偿机对电网功率因数的补偿作用选用教具挂图模型、自制挂图重点1.同步发电机的工作原理2.同步电动机的工作原理3.同步补偿机对电网功率因数的补偿作用难点同步补偿机对电网功率因数的补偿作用教学回顾导入课题复习：1、直流电动机的调速方法有哪几种?2、直流电动机的能耗制动有什么特点?导入课题：在交流电机中，转子转速严格等于同步转速的交流电机称为同步电机。同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。现代发电厂中所发出的交流电几乎全部是同步发电机产生的。下面我们一起来同步电机的工作原理及其应用。授课教师：黄文进教研组审阅：科审阅日期：教学过程第2页一、讲授新课（一）同步发电机的工作原理如图所示是具有两个磁极的凸极式同步发电机，它的定子和三相异步电动机一样对称地安放着三相绕组。转子则是由磁极铁心和套在磁极上的励磁绕组构成，励磁绕组中加入直流电流后，就会在气隙中产生一个恒定的主极磁场。若用原动机拖动发电机转子以同步转速旋转，主磁极产生的恒定主极磁场随着转子的转动形成一个旋转磁场，在定子绕组中就会感应出交变电动势。因为结构设计使主磁场在空间按正弦规律分布，所以各相绕组中产生的交变电动势也随时间按正弦规律变化。即a)同步发电机的工作原理b)三相电动势的波形图9—1同步发电机由于三相绕组在空间彼此互差1200电角度，在图9—1a所示旋转方向下，N极磁通将依次切割U相、V相、W相绕组。因此，定子三相电势大小相等，相位彼此互差l200电角度。设U相绕组的初相角为零，则三相电动势的瞬时值为：同步发电机的定子绕组中就产生了如图9—1b所示的三相对称电动势，若在定子绕组上接上负载，则同步发电机就会向负载输出三相交流电流。三相电动势的频率由发电机的磁极数和转速决定：当转子为一对磁极时，转子旋教学过程第3页转一周，绕组中的感应电动势变化一个周期；当电机有p对磁极时，则转子转过一周，感应电动势变化p个周期。设转子每分钟转数为n，则每秒钟旋转n／60转，因此感应电动势每秒变化pn／60个周期，即电动势的频率，为：我国国家标准规定工业交流电的频率为50Hz，汽轮发电机在高转速下运行比较经济，转速一般为n=3000r/min或n=1500r/min，发电机对应的磁极为一对磁极或为两对磁极。相反，水轮发电机为低速发电机，它的转子磁极对数很多，如n=100r/min时，发电机磁极对数有30对。现代发电厂中所发出的交流电能几乎全部是同步发电机产生的。汽轮发电机和水轮发电机就分别是隐极式和凸极式同步发电机。2003年7月10日，三峡工程首台发电机组(2号机组)正式并网发电。三峡水电站单机装机容量为70万千瓦，是世界上单机最大的水轮发电机。三峡水电站共装机26台，总装机容量1820万千瓦，年均发电可达80.0多亿度(千瓦小时)。长江三峡水利枢纽，是当今世界上最大的水利枢纽工程，它不仅为我国带来巨大的经济效益，还将为世界水利水电技术和有关科技的发展作出有益的贡献。（一）同步电动机的工作原理1、定子旋转磁场与转子励磁磁场的关系同步电动机的定子结构和三相异步电机是一样的，当通人三相对称电流时，它将产生一个同步速度旋转的正弦分布磁场，而这时转子上也有一个直流励磁正弦分布的磁场。当三相同步电动机正常工作时，转子也是以同步转速旋转，所以这两个磁场在空间上的位置是相互固定的，因此它们之间的作用也是固定的。a)转子超前角b)转子落后角c)=0时图9—4定子磁场与转子磁场的关系教学过程第4页根据这两个磁场的相对位置不同，可分成三种情况：（1）转子磁场超前定子磁场角转子磁场吸引着定子做同步转速运转，从物理学的能量、力矩平衡关系看，转子的(机械)驱动力矩应等于定子磁场的(电磁)阻力矩。转子做的功(机械功)应等于定子中产生的功(电功)，转子做的功是由原动机提供的，同步电动机处于发电机运行状态。（2）转子磁场落后定子磁场角定子磁场吸引着转子做同步转速运转，从物理学的能量、力矩平衡关系看，是定子磁场做功，转子是输出机械功，即同步电动机工作在电动机状态。当转子的负荷增加时，拉力就会增大，磁力线会被拉长，转子落后的角度就会增加，所以0角也称为功角。（3）转子磁场与定子磁场的夹角为零定子磁场和转子磁场正好重合，虽然相互吸引，但这个吸引力经过转子的轴心，所以不会产生力矩，因此也就不会输出功率。当空载时，虽然转子没有输出功率，但电动机总有一定的摩擦力矩、空气阻力矩等，所以0角不可能完全为零，但0角很小。2、失步现象从前面分析看出，电动机运行时，定子磁场拖动转子磁场旋转。两个磁场之间存在着一个固定的力矩，这个力矩的存在是有条件的，必须两者的转速要相等，即同步才行，所以这个力矩也称为同步力矩。一旦两者的速度不相等，则同步力矩就不存在了，电机就会慢慢停下来。这种转子速度与定子磁场不同步，而造成同步力矩消失，转子慢慢停下来的现象，称为“失步现象”。为什么失步时，电动机就没有旋转力矩呢?因为当转子与定子磁场不同步的话，两者的相对位置就会起变化，即角就会变化。当转子落后定子磁场角度在=0～l800时，定子磁场对转子产生的是驱动力；当0=1800～3600时，定子磁场对转子产生的是阻力，所以平均力矩为零。每当转子比定子磁场慢一圈时，定子对转子做的功半圈是正功(使转子前进)，半圈是负功(使转子后退)，平均下来，做功为0。由于转子没有得到力矩和功率，因此就慢慢停下来了。发生失步现象时，定子电流迅速上升，是很不利的，应尽快切断电源，以免损坏电机。教学过程第5页综上所述，当电源频率一定时，同步电动机的转子速度一定为同步转速才能正常运行。这是同步电动机的特点，也是它的优点。因此，同步电动机可用于不需调速，要求速度稳定性较高的场合，如大型空气压缩机、水泵等。（二）同步电动机的启动方法同步电动机启动时，定子上立即建立起以同步转速，z。旋转的旋转磁场，而转子因惯性的作用不可能立即以同步转速旋转，因此主极磁场与电枢旋转磁场就不能保持同步状态，而产生失步现象。所以同步电动机在启动时，没有启动力+矩，如果不采取其他措施，是不能自行启动的。同步电动机的启动方法有辅助电动机启动法、调频启动法、异步启动法等。表9—5同步电动机的启动方法启动方法启动过程和原理特点辅助电动机启动法选用与同步电动机极数相同的异步电动机(容量为同步电动机的5％～l5％)作为辅助电动机，启动时先由异步电动机拖动同步电动机启动，接近同步转速时，切断异步电动机的电源；同时接通同步电动机的励磁电源，将同步电动机接入电网，完成启动只能用于空载启动，由于设备多，操作复杂，已基本不用调频启动法启动时将定子交流电源的频率降到很低的程度，定子旋转磁场的同步转速因而很低，转子励磁后产生的转矩即可使转子启动，并很容易进入同步运行。逐渐增加交流电源频率，使定子旋转磁场的转速和转子旋转同步上升，直到额定值性能虽好，但变频电源比较复杂，目前采用不多。随变频技术的发展，调频启动法将更趋完善异步启动法依靠转子极靴上安装的类似于异步电动机的笼型绕组的启动绕组产生异步电磁转矩，把同步电动机当作异步电动机启动目前同步电动机最常用的启动方法异步启动法的具体启动过程：同步电动机将在启动绕组作用下，异步启动。当转速上升到接近于同步转速(约0.95n)时，迅速给转子通入直流电流励磁，依靠定子旋转磁场与转子磁极之间的吸引力，将同步电动机牵入同步速度运行。转子到达同步转速以后，转子笼型启动绕组导体与电枢磁场之间就处于相对静止状态，笼型绕组中的导体中因没有感应电流而失去教学过程第6页作用，启动过程随之结束。同步电动机异步启动时，同步电动机的励磁绕组切忌开路。因为刚启动时，定子旋转磁场相对于转子的转速很大，而励磁绕组的匝数又很多，因此会在励磁绕组中产生很高的感应电动势，可能会破坏励磁绕组的绝缘，造成人身和设备安全事故。但也不能将励磁绕组直接短接，否则会使同步电动机的转速无法上升到接近同步转速，使同步电动机不能正常启动。(三)同步电动机功率因数的调整1、同步电动机的电压平衡方程式式中1r是定子绕组电阻，X是定子绕组的感抗，0E是转子产生的磁场因旋转切割定子绕组而产生的反电动势(0E与I方向相反)。a)等效电路图b)定子U、I、0E的相量图图9—5同步电动机等效电路图及相量图2、同步电动机的电磁功率同步电动机的电磁功率(即电能转化为机械能的功率)只与两个因素有关：一个因素是转子的励磁：励磁大，吸引力大，功率就大，因励磁大产生的反电动势0E就大，所以励磁的大小可以用0E来表示；另一个因素是功角，在同样的磁场作用下，越大，定转子磁极间的拉力就越大，产生的功率也就越大。所以，同步电动机的电磁功率emP为：教学过程第7页3、同步电动机功率因数的调整电动机的电磁功率由0E和决定，0E是可以通过改变转子励磁来改变的。如果在改变0E的同时也改变，就可以保持电磁功率emP不变，面改变了电动机的无功功率，cos因此得到调整。（1）正常励磁（2）欠励磁（3）过励磁表9—6电动机励磁方式励磁情况励磁特点相量图正常励磁过励磁欠励磁4、同步补偿机过励状态下的同步电动机可以输出电感性的无功功率，可以提高电网的功率因数，人们利用这一特性制造了一种同步电动机，它不带任何机械负载，专门在过励状态下空载运行，只向电教学过程第8页电网输出感性无功功率，这种同步电动机称为同步补偿机，也称为同步调相机。当同步电动机不输出有功功率时，sin0E≈0，cosUI≈O，即有≈00，≈900，可见同步补偿机是在过励磁状态下空载运行，电流I将超前电压U为900。同步补偿机在运行时能够输出较大的感性无功功率，这就相当于给电网并联了一个大容量的电容器，使电网的功率因数得到提高。同步补偿机在使用时，一般应将其接在用户区，以就近向用户提供感性无功功率，使线路上的感性无功电流大大减少，从而达到降低电网线路损耗的目的。二、课堂小结本节学习了如下内容，希望同学们课后认真复习，深刻领会。1、同步发电机的工作原理2、同步电动机的工作原理3、同步补偿机对电网功率因数的补偿作用三、课堂练习练习册P37～P40的填空题。四、布置作业练习册P37～P40练习题。2010年06月18日