89同步电机

同步电机同步电机的基本工作原理和主要结构同步电机的基本工作原理:我们有了前面对异步电动机的结构的认识，再这里我们就直接从同步电机的基本工作原理入手。如图所示：感应电势由电势的频率、电势的波形和电势的大小三个基本要素所决定。同步电机的主要结构与感应电机一样，同步电机也是由定子及转子两大部分所组成，定子上有三相交流绕组；转子上则有励磁绕组，通入直流电流后，能产生磁场。定子：同步电机的定子有时也称为电枢，由定子铁芯、电枢三相绕组、机座和端盖等部件所组成。同步电机的定子铁芯是由硅钢片冲制后叠装而成。当大型同步电机冲片外圆的直径大于1m时，由于材料标准尺寸的限制，必须做成扇形冲片，然后按圆周拼合起来叠装而成。如图所示：转子：同步电机的转子有两种结构型式，即凸极式和隐极式。这是根据定转子之间的气隙的分布情况来定义的。见图：1）凸极式：有上图可见，转子有明显的突出的磁极，气隙分布不均匀。2）隐极式：转子作成圆柱形，气隙均匀分布。区别：对于高速旋转的同步电机，在转子结构上，我们采用隐极式，而对于低速旋转的电机，由于转子的圆周速度较低，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。大型同步发电机通常用汽轮机或水轮机作为原动机来拖动，故前者称为汽轮发电机，后者称为水轮发电机。汽轮发电机：转速高，采用隐极式。水轮发电机：转速低，采用凸极式。冷却问题简述：在中、小型电机中，都采用空气作为冷却介质。当电机的容量很大时，电机内部的损耗及发热量迅速增加，冷却问题显得格外重要，此时必须加强通风或采用其他的冷却方式。1）在大型汽轮发电机中，为了提高其冷却效率，往往用氢气冷却，是氢气与空气混合后，有爆炸危险，必须有一套控制设备来保证外界空气不会渗入到电机内部。目前在更大容量的发电机中，可以采用导线内部直接冷却。例如采用空心导体（如图），冷却介质直接在导体中流通而把热量带走，这样能更有效地降低电机的温升。所采用的冷却介质一般有氢气及水等。同步电机的额定值同步电机的额定值有：1）额定电压：是指在正常运行时，按照制造厂的规定，定子三相绕组上的线电压。电压的单位用V或kV表示。2）额定电流：流过定子绕组的线电流。3）额定功率：是指在正常运行时，电机的输出功率。A：对于发电机而言：输出的是电功率。B：对于电动机而言：输出的是机械功率。单位是KW。4.相数m：一般m=3。5.额定频率:我国额定工业频率规定=50Hz.310cos3NNNNIUP310cos3NNNNNIUPNf6）额定转速：额定转速即为电机的同步速，在一定极数及频率时，它的转速是定值。pfnNN60同步发电机的运行原理电枢反应同步电机在空载时，气隙中仅存在着转子磁势。负载以后，除转子磁势外，定子三相电流也产生电枢磁势。电枢磁势的存在，将使气隙中磁场的大小及位置发生变化，这种现象称之为电枢反应。电枢反应：电枢磁动势对主极磁场的影响。电枢反应除使气隙磁场发生畸变，从而直接关联到机电能量转换外，还有去磁或增磁作用，对同步电机的运行性能产生重要的影响。电枢反应的性质取决与电枢磁动势和主磁场在空间的相对位置。分析表明，这一相对位置与激磁电动势根据不同的Ψ值，下面我们将分别进行分析。有关。之间的相角差和负载电流IE0和同相位（ψ=0）时的电枢反应：如图所示：aI0E电枢磁动势与转子磁势相加后才是气隙中的合成磁动势。在这里需要注意的是：我们习惯上称转子磁极轴线为直轴，用d来进行表示，而N，S极之间的中线为交轴，用q来进行表示。所以，由于交轴磁势的存在，使合成磁势的轴线的位置产生一定的位移，幅值发生一定的变化。滞后90电角度（ψ=90°）时的电枢反应：aF.fF..aI.0E见相量图：显然，此时的电枢磁势和气隙磁势方向相反，电枢反应是去磁效果。超前90电角度（ψ=-90°）时的电枢反应：.aI.0E显然，此时的电枢反应是增磁的，所以电枢磁势称之为直轴增磁电枢磁势。一般情况下（ψ=任意角度时）的电枢反应：在这里要注意是电流滞后电动势还是超前电动势。1）电流滞后电动势：90°＞ψ＞0此时，可以利用迭加原理，将分解成两个分量，即与同相分量；滞后于90电角度分量（图13-4），它们有如下关系：aI0EqI..0EdI.qdaIII...产生直轴电枢磁势，对主磁极起去磁作用。与同相位，起交磁作用。也可以理解为电枢磁势按ψ角分解成作用在直轴磁路的磁势及作用在交轴磁路的磁势cossinaqadIIIIqI..0EaFadFaqFcossinaaqaadFFFF2）电流超前电动势：即0°ψ-90°从图上可以看出：同步发电机有功功率及无功功率的调节、V形曲线一、有功功率的调节：已知，在忽略铜耗的前提下，PM=P2=而PM和P1从功角特性可以看出是成正比关系的，所以，想要增加电机输出的有功功率，从功率平衡的观点来看，只有增加原动机的输入功率P1。二、无功功率的调节：cosamUI为简便起见，在调节无功功率时，假定发电机输出的有功功率不变，于是：由于m、U、Xs均是定值，所以常数或常数sincos02sMaXUEmPmUIP常数常数sincos0EIa在有功功率不变的情况下调节电机的无功功率看图：E0的变化必须满足在CD直线，而相应的Ia的变化必须在AB线上。1）当Ia1与U同相，即=1。此时发电机向电网输出的全部功率都是有功功率，无功功率为零，此时的电枢电流为最小值，所对应的励磁电流我们叫做正常励磁电流，此时组成的是一个直角三角形cos2）增加励磁电流，则空载电动势E0相应增加，看图可见，电枢电流由Ia1,Ia2,电动势变化到E02，此时整个系统出现了无功电流，并且是滞后，即此时发电机将向外输出滞后性的无功功率，整个状态我们称之为过励。3）减小励磁电流，则电动势亦减小（在正常励磁电流对应的情况下），由图可见，此时电流超前，即向外输出超前性质的无功功率的电流，整个状态我们称之为欠励。由上可见，对于无功功率的调节，可以通过对励磁电流的调节实现。三、同步发电机的V型曲线：将不同励磁电流及与其对应的电枢电流画成曲线，此曲线称V形曲线，曲线的最低点对应的是，相当于=1的情况，此时的励磁电流为正常励磁电流，如果增大则进入过励，输出滞后的无功电流反之为欠励，输出超前的无功电流。如图所示：minIIacos三相同步电动机同步电动机：转速不随负载的变化而改变15.1同步电机的三种运行方式一、同步电机的三种运行方式：如右图：1）转子轴线超前定子轴线，产生的电磁转矩为制动性质显然是发电机。2）转子轴线和定子轴线相重合，此时的功角为零，电磁转矩为0，所以这是一种从发电机向电动机过度的临界状态。3）转子轴线滞后与定子轴线一个功角，此时产生的电磁转矩为驱动性质，所以我们可以断定电机为电动机。同步电动机的基本方程式、相量图及功角特性同步电动机的电势平衡方程式及相量图，可以通过同步发电机的电势平衡方程式及相量图转化求得。一、基本方程式：1、电动势：同理可得出凸极式：saXIjEU.0....0..qqddXIjXIjEU2、相量图：相对与发电机，即可作出相应的电动机的相量图。3）功角特性：在同步发电机中，我们令电流流出的方向为正方向，而在电动机中，理论上，我们仍然可以这样，但为了大家好理解，我们设电流流入的方向为正方向。这样，我们可以仿照同步发电机列出同步电动机的功角特性表达示：2sin)11(2sin20dqdMXXUmXUEmP即：]2sin)11(2sin[20dqdXXUmXUEm2sin)11(2sin20dqdMXXUmXUEmP这样，我们就可以画出凸极同步电动机的功角特性曲线。为了结构上的简单，在某些小容量同步电动机的转子上不安放直流励磁绕组，因此转子就不能产生磁场，感应电势，此时电动机的电磁功率并不为零，仍有有了电磁功率就有电磁转矩，因此转子没有励磁的凸极同步电动机也能旋转。00E2sin)11(22dqMXXUmP同步电动机无功功率的调节一、无功功率的调节：同步电动机的功率因数是超前还是滞后，和发电机一样决定于励磁状态。先看一下同步电动机的V型曲线，注意到：1）过励时，电动机从电网中吸入超前的无功电流，2）欠励时，从电网中吸入滞后的无功功率电流，显然，电动机的功率因数是可以通过改变励磁电流来进行调节的。我们知道，感应电动机必须从电网吸收激磁电流来建立磁场，所以现代电网的功率因数经常是滞后性的。而同步电动机在过励时，能够从电网吸入超前电流。因此，如将同步电动机在过励状态下和感应电动机接在同一电网上，便可以使供电系统的功率因数提高。同步电动机能够改善电网的功率因数，这是它最可贵的优点。同步电动机的起动一、异步起动方法：同步电动机的起动不同于异步电动机的启动方式，它有非常特殊的地方，如图所示：即：转子绕组加入直流励磁以后，在气隙中生成静止的转子磁场。当在定子绕组中能入三相交流电以后，在气隙中则产生旋转磁场。定、转子磁场之间存在有相对运动，转子上的平均转矩为零，所以同步电动机不产生起动转矩。因此，在同步电动机起动时，我们经常采用的是异步起动方法。异步启动法：在磁极表面上装设有类似感应电机笼型导条的短路绕组，称为起动绕组。在起动时，电压施加于定子绕组，在气隙中产生旋转磁场，如同感应电机工作原理一样，这个旋转磁场将在转子上的起动绕组中感应电波经电流和旋转磁场相互作用产生转矩，所以同步电机按照感应电机原理转动起来。待速度上升到接近同步转速时，再给予直流励磁，产生转子磁场，此时它和定子磁场间得到转速已非常接近，依靠这两个磁场间相互吸引力，把转子拉入同步速一起旋转。所以同步电动机