7同步电机

第7章同步电机7.1同步电机的基本工作原理与结构7.2同步电动机的电势相量图7.3同步电动机功率、转矩和功（矩）角特性7.4同步电动机激磁调节7.5同步电动机启动同步电机是交流旋转电机的一种,因其转速恒等于同步速机时得名。同步电机主要用作发电机，也可用作电动机和调相机。本章主要分析同步电动机的稳态运行原理和运行特性。第7章同步电机7.1同步电机的基本工作原理与结构7.1.1同步电机的基本结构以汽轮发电机为例:定子铁心：硅钢片叠成。机座：钢板焊接面成，有足够的强度和钢度。电枢绕组：三相对称绕组——铜线制成定子(电枢)转子铁心：采用整块的含铬、镍和钼的合金钢锻成护环：保护励磁绕组受离心力时不甩出励磁绕组：铜线制成滑环：引励磁电流经电刷、滑环进入励磁绕组中心环：支持护环，阻止励磁绕组轴向移动转子第7章同步电机机械端口转子定子绕组定子铁心电端口ABC返回第7章同步电机返回第7章同步电机1、汽轮发电机结构（1）定子铁心返回第7章同步电机返回第7章同步电机1、汽轮发电机结构返回第7章同步电机2、水轮发电机结构(1)立式水轮发电机(2)卧式水轮发电机第7章同步电机2、水轮发电机结构转子结构10000kW水轮机转子第7章同步电机1.发电环节——各种电机引进600MW汽轮发电机第7章同步电机国产300MW汽轮发电机第7章同步电机国产200MW汽轮发电机定子第7章同步电机国产200MW汽轮发电机定子铁心第7章同步电机现场运行的水轮发电机第7章同步电机7.1同步电机的基本工作原理与结构7.1.2同步电机的基本工作原理与分类一、同步发电机的基本工作原理大小：0110444wE.fNk频率：60pnf励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁场，原动机拖动转子以转速旋转时，其磁场切割定子绕组而感应交流电动势.n0E相序：由转子的转向决定。波形：由可知，波形取决于的空间分布。(x)eBlv(x)B第7章同步电机U2U1W2V1W1V2NSn发电机的物理过程可用图示表示第7章同步电机第7章同步电机定子×·×··×转子NSSNn1n1二、同步电动机的工作原理同步电动机是一种定子边用交流电流励磁以建立旋转磁场，转子边用直流电流励磁所构成旋转磁极的双边励磁的交流电动机。第7章同步电机定子同步电动机工作原理×·×··×转子SN第7章同步电机定子同步电动机工作原理第7章同步电机定子同步电动机工作原理第7章同步电机定子同步电动机工作原理第7章同步电机定子同步电动机工作原理第7章同步电机定子同步电动机工作原理第7章同步电机定子同步电动机工作原理第7章同步电机定子同步电动机工作原理第7章同步电机定子同步电动机工作原理第7章同步电机定子同步电动机工作原理第7章同步电机第7章同步电机二、同步电机的分类按运行方式，同步电机分发电机、电动机和调相机。按结构型式，同步电机分旋转电枢式和旋转磁极式。旋转磁极式同步电机按磁极形状，又分隐极式和凸极式两种。按原动机类别,同步电机分为汽轮发电机、水轮发电机和柴油发电机等。汽轮发电机一般作成隐极式，现代汽轮发电机均为2极，转速为3000转/分钟，水轮发电机采用凸极式，极数多，转速低。同步电动机、柴油发电机和调相机一般作成凸极式。第7章同步电机7.1.3同步电机的额定值对同步发电机额定值之间关系为：3NNNNNNPScosUIcos)(kVUN额定电压额定运行时加在三相定子绕组上的线电压。NNPS额定功率额定容量指电机额定运行时，输出功率的保证值。同步发电机是指输出的额定视在功率或有功功率，单位是KVA或KW。电动机额定容量是指额定条件下转轴上输出的机械功率，单位是KW。调相机用KVA或Kvar表示。)(AIN额定电流在额定运行状态下三相定子绕组的线电流.fNfNNNNUInf额定励磁电压额定励磁电流额定转速额定效率额定频率额定功率因数Ncos第7章同步电机7.2同步电动机的电压方程式和相量图•为了分析方便，假设电动机主磁路未饱和，认为磁路是线性的，且只考虑定、转子的基波磁势。•由于同步电动机能量交换是在定子侧，所以将定子称为电枢，定子绕组称为电枢绕组。第7章同步电机电枢磁势Fa当同步电动机的电枢绕组通入三相对称交流电后，就会产生以同步转速n1旋转的三相合成基波电枢磁势Fa。励磁磁势F0当同步电动机稳定运行时，转子也以同步转速n1旋转，在励磁绕组中通入直流励磁电流If，使转子形成固定磁极励磁电流产生励磁磁势F0，合成磁场:励磁磁势F0与电枢磁势Fa同速同方向旋转，彼此在空间是相对静止的，这样在电机的主磁路上有两个磁势，它们相互叠加，形成了合成磁场。7.2同步电动机的电压方程式和相量图1.磁场与电势SN相轴线A0BAXBYZCn1n1F0Fa第7章同步电机7.2.1、隐极同步电动机电压方程式和相量图气隙中的合成磁势为：FFFEEE1.磁场与电势aFeTAXZYBCNS0BBsnaFeTAXZYBCNS0BBsn合成磁势、主磁势和电枢磁势分别切割电枢绕组，则在电枢绕组上分别产生感应电势为：第7章同步电机2.电磁关系Fa—电枢磁势；Ea—电枢（反应）电势；F0—励磁磁势Eo—励磁电势或空载电势；Eδ—漏感电势。fI主极0F00E1EaEaaF1I电枢E)(XIjE第7章同步电机3.一相绕组平衡方程式aaXjIEXjIE11Xa:与电枢反应磁通相应的电抗，称为电枢反应电抗Xc:Xc=Xa+Xσ,称为隐极同步电机的同步电抗第7章同步电机4.一相等值电路图和向量图0E1r1E1I1UaXcXX0E1r1E1I1UaXcXX0E1I1UcXjI10E1I1UcXjI1第7章同步电机凸极同步电动机电枢反应磁势1.电枢反应磁势7.2.2、凸极同步电动机电压方程式和相量图adF)(adad)(直轴电枢磁导adF)(adad)(直轴电枢磁导)(aqaqadF)(交轴电枢磁导)(aqaqadF)(交轴电枢磁导第7章同步电机2.电枢反应•当定子电流I1产生的电枢磁势Fa与主磁极轴线重合，气隙最小，磁阻最小，相应的电抗为最大；这时所对应的电枢电抗称为电枢反应直轴电抗，用xad表示；•当定子电流I1产生的电枢磁势Fa与主磁极轴线正交时，气隙最大，磁阻最大，相应的电抗为小；这时所对应的电枢电抗称为电枢反应交轴电抗，用xaq表示；•当电枢磁势位于直轴与交轴之间时，相应的气隙、磁阻、和电枢反应电抗处于上面两种情况之间，且随位置不同而变化。第7章同步电机•为了解决电枢磁势Fa在不同位置时遇到不同气隙，其磁阻计算困难的问题，可将电枢磁势分解成两个分量：一个分量是直轴电枢磁势，用Fad表示，它作用在直轴方向；另一个分量是交轴电枢磁势，用Faq表示，它作用在交轴方向，则有：FFFqdIII12.电枢反应•同理，对应产生电枢磁势Fa的电枢电流I1也可分解成两个分量，即：•“双反应法”:分析问题的方法以叠加理论为基础dqn1FaddqFaFaq第7章同步电机3.电磁关系fI0F00EaEadEadadFaF1IaqaqEaqFEXIjfI0F00EaEadEadadFaF1IaqaqEaqFEXIj第7章同步电机•直轴电枢磁势Fad和交轴电枢磁势Faq在气隙圆周上同样以同步转速n1旋转，它们切割定子绕组在其上产生的感应电势Ead和Eaq，正是电枢磁势Fa在定子绕组上产生的感应电势Ea的两个分量，所以有：•式中Ead称为直轴电枢反应电势，其对应的电抗是xad；Eaq称为交轴电枢反应电势；其对应的电抗是xaq。这里xad和xaq分别是直轴电枢反应电抗分别和交轴电枢反应电抗，若不考虑磁路饱和的影响，xad和xaq都是常数。aqadaEEE4.电枢磁势addadXIjEaqqaqXIjE第7章同步电机5.凸极同步电动机的电压方程式•直轴和交轴电流分量为xIjxIjxIjExIjEEExIjrIEEUaqqaddaqada101011101cossin11IIIIqd第7章同步电机6.凸极同步电动机相量图(a)xIjxIjxIjEUaqqadd101qI0E1UdIaqdXIj1IaddXIjXIjdXIjdXIj1qI0E1UdIaqdXIj1IaddXIjXIjdXIjdXIj1第7章同步电机分析：•根据相量图所示的几何关系可推出•所以有：xIjxIjxIjxIjqdcossin11qqddaqqdaqqaddxIjxIjExIjxIjxIjxIjEU0101第7章同步电机6.凸极同步电动机相量图(b)qqddxIjxIjEU01qI0E1UdIqdXIjddXIjqI0E1UdIqdXIjddXIj第7章同步电机•xd=xad+xδ,直轴同步电抗；•xq=xaq+xδ,交轴同步电抗;•φ:相量Ì1与Ù1的夹角，功率因数角；•Ψ:相量Ì1与-È0的夹角，内功率因数角；•θ:相量Ù1与-È0的夹角，功角;分析：qI0E1UdIqdXIjddXIjqI0E1UdIqdXIjddXIj第7章同步电机•前面在介绍直流电动机和三相异步电动机时，都重点分析了对应的机械特性T=ƒ(n)，而同步电动机由于以同步转速n1转动，转速不随转矩变化，其机械特性为一条直线。•在同步电动机中，功率或转矩是随功角变化的，所以下面讨论功角特性Pem=ƒ(θ)和矩角特性T=ƒ(θ)。7.3同步电动机的功角特性和矩角特性第7章同步电机功率流程图1.功率和转矩平衡方程式第7章同步电机功率平衡方程式)(3cos30212111111adFemememCuempppPpPPrIPpPPIUP•P1为同步电动机从电网吸收的有功功率；•pCu为定子铜损；•Pem为同步电动机的电磁转矩；•P2为电动机的输出功率，•p0为同步电动机的空载损耗，•pm为机械损耗；pFe为铁损耗；pad为附加损耗。第7章同步电机转矩平衡方程式•从上述功率平衡方程式可推出同步电动机的转矩平衡方程式为：•式中T为电磁转矩；T2为输出转矩；T0为空载转矩。02TTT第7章同步电机•同步电动机的功角特性是指在外加电源电压和励磁电流不变的条件下电磁功率Pem和功角θ之间的关系曲线，即Pem=ƒ(θ)。•一般同步电动机的容量大效率高，可忽略定子的铜损pCu，则有：sin3cos3sinsin3coscos3)cos(3111111111dqemIUIUIUIUIUPP2、同步电动机的功角特性第7章同步电机•由相量图可推出：ddqqxUEIxUIcossin101推导qI0E1UdIqdXIjddXIjqI0E1UdIqdXIjddXIj第7章同步电机•上式为凸极同步电动机功角特性表达式，从上式中可见，电磁功率分两部分：一部分是与励磁电流If产生的电势E0成正比，称为励磁电磁功率（或称基本电磁功率），可表示为：2121012sin)11(23sin3ememdqdemPPxxUxEUPsin3011demxEUP功角特性•当U1=常数，改变励磁电流If可改变E0的大小，即可改变Pem1的大小，Pem1与功角之间的关系见曲线1所示；第7章同步电机•另一部分与励磁电流大小无关，称为凸极电磁功率（或称附加电磁功率），如曲线2，可表示为：2sin)11(2