第5章同步电机的基本理论

LFChun制作大连理工大学电气工程系*5.7微型同步电动机5.10三相同步发电机的运行特性第5章同步电机的基本理论5.2三相同步电机的基本结构5.1三相同步电机的工作原理第5章同步电机的基本理论5.2三相同步电机的基本结构5.3三相同步电动机的运行分析5.4三相同步电动机的功率和转矩5.5三相同步电动机的的运行特性5.6三相同步电动机功率因数的调节5.8三相同步发电机的运行分析5.9三相同步发电机的功率和转矩5.11同步发电机与电网的并联运行5.1三相同步电机的工作原理电机与拖动*5.12同步发电机的三相突然短路返回主页大连理工大学电气工程系V1V2W2W1U1U2NS5.1三相同步电机的工作原理定子+Uf－If转子励磁绕组一、三相同步电动机定子旋转磁场。转子直流磁极。转子转速同步第5章同步电机的基本理论60f1pn=n0=大连理工大学电气工程系V1V2W2W1U1U2NS同步电动机中的磁通势定子——电枢。电枢旋转磁通势Fam转子旋转磁通势F0m气隙旋转磁通势FmNSn0n0θ电枢反应——Fam对Fm的影响。NSSN电动机状态n0n0理想空载状态F0mFamFmθ功角5.1三相同步电机的工作原理大连理工大学电气工程系同步电动机中的感应电动势V1V2W2W1U1U2NSF0mFamFmθF0m电枢三相绕组中感应E0Fm电枢三相绕组中感应E1E0在时间上滞后于E1θ角F0m在空间上滞后于Fmθ角－E0在时间上滞后于－E1θ角5.1三相同步电机的工作原理大连理工大学电气工程系二、三相同步发电机励磁机→F0m旋转的F0m和Φ0E0原动机电枢三相绕组中感应n0NSn0θ发电机运行NSSNn0n0理想空载状态V1V2W2W1U1U2NSF0mFamFmθ5.1三相同步电机的工作原理大连理工大学电气工程系三相同步发电机空载运行时电枢（定子）：I1(Fam)=0转子每极磁通：Φ0空载电动势：E0=4.44kw1N1f1Φ0或电枢相电压：U0P=E0电枢线电压（Y形联结）：E0=－j4.44kw1N1f1Φ0E0的频率：f1=pn60如果：f1=50Hz，则：pn=30005.1三相同步电机的工作原理U0L=√3E0大连理工大学电气工程系三相同步发电机负载运行时电枢旋转磁通势Fam转子旋转磁通势F0m气隙旋转磁通势Fm同步电动机中的感应电动势V1V2W2W1U1U2NSF0mFamFmθF0m电枢三相绕组中感应E0Fm电枢三相绕组中感应E1E0在时间上超前于E1θ角F0m在空间上超前于Fmθ角5.1三相同步电机的工作原理大连理工大学电气工程系三、三相同步电机的可逆运行NSn0n0θ电动机状态NSSNn0n0理想空载状态n0NSn0θ发电机运行5.1三相同步电机的工作原理大连理工大学电气工程系5.2三相同步电机的基本结构一、主要部件1.定子（电枢）2.转子由硅钢片叠成。对称三相绕组。(1)定子铁心：(2)定子绕组：(3)机座和端盖等。(1)转子铁心：由整块铸（锻）钢制成。(2)励磁绕组：工作时施加直流励磁。(3)阻尼绕组和转轴等。阻尼绕组第5章同步电机的基本理论大连理工大学电气工程系二、励磁方式1.直流励磁机励磁励磁绕组由小型直流发电机供电。2.静止整流器励磁交流励磁机→整流→直流电3.旋转整流器励磁交流励磁机→整流→直流电→励磁绕组。电刷集电环励磁绕组。5.2三相同步电机的基本结构大连理工大学电气工程系1.按能量转换的方式不同：同步发动机、同步电动机。2.按相数的不同:三相、单相。3.按转子结构的不同：隐极式、凸极式。三、主要种类NS+－3~×3~·····×××××+－NS5.2三相同步电机的基本结构大连理工大学电气工程系励磁机发电机水轮机卧式、立式。5.按原动机的不同：汽轮发电机、水轮发电机。4.按安装方式的不同：5.2三相同步电机的基本结构大连理工大学电气工程系5.2三相同步电机的基本结构大连理工大学电气工程系小浪底电站水轮机组安装5.2三相同步电机的基本结构大连理工大学电气工程系三峡电站首台机组安装5.2三相同步电机的基本结构大连理工大学电气工程系水力发电5.2三相同步电机的基本结构大连理工大学电气工程系火力发电厂励磁机发电机汽轮机5.2三相同步电机的基本结构大连理工大学电气工程系燃烧室燃料锅炉的炉膛循环水汽轮机发电机3600r/min升压变压器超热高压蒸汽电能输出电能的产生5.2三相同步电机的基本结构大连理工大学电气工程系热电厂1煤传送带2加煤机3粉碎机4锅炉5煤渣6空气预热器7静电除尘8烟囱9汽轮机10冷凝器11变压器12冷却塔13发电机14输电线5.2三相同步电机的基本结构大连理工大学电气工程系三相同步电机5.2三相同步电机的基本结构更多的图片大连理工大学电气工程系三相同步电机5.2三相同步电机的基本结构更多的图片大连理工大学电气工程系同步发电机5.2三相同步电机的基本结构更多的图片大连理工大学电气工程系小型同步电机5.2三相同步电机的基本结构更多的图片大连理工大学电气工程系四、额定值1.额定电压UN：线电压的额定值。2.额定电流IN：线电流的额定值。3.额定功率PN：输出功率的额定值。三相同步电动机：PN=√3UNINNN三相同步发电机：PN=√3UNINN4.额定转速nN：额定运行时的转速。5.额定频率fN：50Hz。5.2三相同步电机的基本结构大连理工大学电气工程系一、三相隐极同步电动机的运行分析第5章同步电机的基本理论1.基本方程式＋U1－I1Uf→If→F0mFU1→I1→FamE1电枢感应→Φ合成磁通势U1=R1I1－E－E1E=－jXI1※漏磁感应电动势：※R1、X——定子每相绕组的电阻、漏电抗。5.3三相同步电动机的运行分析R1I1E漏磁通E1E大连理工大学电气工程系(励磁电动势不变)(电枢反应电动势随负载变化)如果不计磁路饱和，则Uf→If→F0m→Φ0U1→I1→Fam→E0→Φa→Ea→ER1I1E1=E0+EaU1=－E1+(R1＋jX)I1所以Ea=－jXaI1※Xa——电枢反应电抗。5.3三相同步电动机的运行分析U1=－E0－Ea－E＋R1I1大连理工大学电气工程系U1=－E0＋(R1＋jX＋jXa)I1U1=－E0＋(R1＋jXs)I1※Xs=X＋Xa——同步电抗。一般：R1＜＜Xs，忽略R1，则U1=－E0＋jXsI12.等效电路R1jXs+U1－I1－+E05.3三相同步电动机的运行分析大连理工大学电气工程系3.相量图U1=－E0＋(R1＋jXs)I1U1(a)电感性I1R1I1jXsI1－E0Ψ——功率因数角。Ψ——内功率因数角。已知：－E0滞后于－E1θ角，U1=－E1＋(R1＋jX)I1θ因此－E0滞后于U1θ。≈－E1（忽略R1和X）(b)电阻性U1I1－E0jXsI1R1I1θ=Ψ(c)电容性U1I1R1I1jXsI1－E0θΨ=±5.3三相同步电动机的运行分析大连理工大学电气工程系U1=－E0＋jXsI1(a)电感性U1I1jXsI1－E0如果忽略R1，则有同样有关系Ψ=±(b)电阻性U1I1－E0jXsI1θ=Ψ(c)电容性U1I1jXsI1－E05.3三相同步电动机的运行分析θΨ大连理工大学电气工程系【例5.3.1】某三相隐极同步电动机，PN=50kW，UN=380V，Y形联结，IN=90A，N=0.8（电感性），R1=0.2Ω，Xs=1.2Ω。求在上述条件下运行时的E0、、和。解：电枢相电压和相电流为U1=UN3I1=IN=90A=arccos0.8=36.87o取参考相量：U1=2200oV则I1=90－36.87oA=V=220V38035.3三相同步电动机的运行分析大连理工大学电气工程系由此求得E0=159.72Vθ=28.34oΨ=－θ=8.53o－E0=U1－(R1＋jXs)I1=［2200o－(0.2＋j1.2)×90－36.87o］V=159.72－28.34oV5.3三相同步电动机的运行分析大连理工大学电气工程系F0m二、三相凸极同步电动机的运行分析特点：气隙不均匀。同样的Fam→产生不同的Φa→对应不同的Xa。V1V2W2W1U1U2NSFamFam如果磁路不饱和：将I1分解为两个分量。直轴交轴－E0I1IqΨId直轴分量：Id=I1sinΨ交轴分量：Iq=I1cosΨI1=Id＋Iq——双反应理论。5.3三相同步电动机的运行分析大连理工大学电气工程系1.基本方程式＋U1－I1Uf→If→F0m→Φ0→E0U1→I1→Id→Iq→Fad→Faq→Φad→Φaq→Ead→EaqΦ→ER1I1U1=－E0－Ead－Eaq－E＋R1I1Ead=－jXadId※Xad——直轴电枢反应电抗。Xaq——交轴电枢反应电抗。Eaq=－jXaqIq5.3三相同步电动机的运行分析E0EEadEaq大连理工大学电气工程系E=－jXσI1I1=Id＋IqU1=－E0＋jXadId＋jXaqIq＋jXσI1＋R1I1=－E0＋j(Xad＋X)Id＋j(Xaq＋X)Iq＋R1I1U1=－E0＋jXdId＋jXqIq＋R1I1※Xd=Xad＋X——直轴同步电抗。Xq=Xaq＋X——交轴同步电抗。如果忽略R1，则U1=－E0＋jXdId＋jXqIq5.3三相同步电动机的运行分析大连理工大学电气工程系Ψ－E0I1IqId－E0I1IqΨId－j(Xd－Xq)IdEQ设虚拟电动势EQ=E0－j(Xd－Xq)Id2.等效电路(a)I1滞后于－E0时jIdEQ(b)I1超前于－E0时jId结论：EQ与E0同相位。U1=－E0＋R1I1＋jXdId＋jXqIq－jXqId＋jXqIdU1=－EQ＋(R1＋jXq)I15.3三相同步电动机的运行分析－j(Xd－Xq)Id大连理工大学电气工程系※隐极电动机可视为凸极电动机的特例：Xd=Xq=XsEQ=E0R1jXq+U1－I1－+EQ5.3三相同步电动机的运行分析大连理工大学电气工程系3.相量图设已知U1、I1、、Xd、Xq。取U1=U10o(1)画I1。(2)画R1I1和jXqI1。(3)画(－EQ)，确定(－E0)的方位。(4)由I1分解出Id和Iq。(5)画jXdId和jXqIq。(6)画(－E0)。5.3三相同步电动机的运行分析大连理工大学电气工程系(a)电感性(b)电阻性5.3三相同步电动机的运行分析IdU1I1R1I1jXqI1－EQIqjXqIq－E0R1I1IdU1I1jXqI1－EQIqjXqIq－E0U1I1R1I1－EQIqId－E0(c)电容性大连理工大学电气工程系U1I1jXqI1－EQIdIqjXqIq－E0忽略R1时的相量图(简化相量图)(a)电感性jXqIqU1I1jXqI1－EQIqId－E0(b)电阻性U1=－EQ＋jXqI1U1=－E0＋jXdId＋jXqIq－EQjXqIq－E0U1I1jXqI1IdIqΨθ(c)电容性5.3三相同步电动机的运行分析大连理工大学电气工程系由相量图求得Ψ=±θ由简化相量图还可以求得tanΨ=U1sin±XqI1U1cos※电感性时取“－”，电容性时取“＋”。5.3三相同步电动机的运行分析Xd=E0－U1cosθIdXq=U1sinθIq－EQjXqIq－E0U1I1jXqI1IdIqΨθ大连理工大学电气工程系U1=UN3=V=3468.21V60001.732【例5.3.2】一台三相凸极同步电动机，UN=6000V，IN=57.8A，Y形联结。当电枢电压和电流为额定值、功率因数=0.8（电容性）时，相电动势E0=6300V，Ψ=58o，R1忽略不计。求该电动机的Xd和Xq。解：电枢相电压和相电流为I1=IN=57.8A由此求得Id=I1sinΨ=57.8×sin58oA=49.02AIq=I1cosΨ=57.8×cos58oA=30.63A=Ψ－=58o－36.87o=21.13o5.3三相同步电动机的运行分析大连理工大学电气工程系X