同步电机原理

第四章同步电机第四章同步电机一、同步电机原理与结构二、同步电机磁场分析三、同步电机的电磁关系与等效电路四、同步电机运行特性第一节同步电机的原理与结构同步电机的原理与结构•基本工作原理•主要结构•运行状态•额定值一、同步电机的基本原理同步发电机模型n0n0•转子直流励磁•原动机拖动转子磁场以速度n0旋转•定子导体感生电动势,定子带负载则有电流流过•定子电流产生旋转磁场，速度为n0•转子导体受电磁力，形成电磁转矩，和拖动转矩平衡同步电机特点：•转子转速与磁场转速相等（同步）；•转子电流频率为零（直流）•用途–发电–无功调节–电动机•定子–铁心：0.5mm硅钢片–绕组：电枢绕组，产生感应电势和电磁转矩–机座及固定部件–端盖•转子（凸极、隐极）–转子铁心–励磁绕组–阻尼绕组–轴承–护环、中心环、滑环和风扇等二、同步电机的基本结构结构相关•旋转结构–转枢式：电枢旋转–转场式：磁场旋转•结构形式–隐极式：气隙均匀–凸极式：气隙不均匀磁极冲片凸极同步电机磁极装配1—阻尼绕祖；2—磁极铁心；3—励磁绕组；4—磁轭；5—磁极T形尾固定部分。定子转子（励磁）滑环•凸极转子：制造方便，但机械强度较差，因此多用在离心力较小，转速较低的中小型电机中或用在水轮发电机中。•隐极转子：机械强度好，但制造工艺较复杂，因此多用在离心力较大、转速较高的电机中。例如汽轮发电机多采用隐极结构。隐极、凸极比较汽轮发电机定子结构•同步电动机的转子结构图三、同步电机的励磁方式同步电机运行时，必须在励磁绕组中通入直流电流，建立励磁磁场。将供给励磁电流的整个装置称为励磁系统。(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→励磁绕组(3)旋转整流器励磁交流励磁机→整流→直流电→励磁绕组旋转励磁，无电刷四、同步电机的冷却方式随着单机容量的不断提高，大型同步电机的发热和冷却问题日趋严重，冷却方式也不断改进。同步电机的冷却方式主要有以下几种。空气冷却氢气冷却冷却五、同步电机的运行状态理想空载调相机发电机状态电动机状态00功角UI0E01E1Iφ1xjI102E2IxjI2φ203E3IxIj3φ3xIj同步发电机不同运行方式xIjUxIjrIUEa六、额定值•额定容量SN(kVA)或额定功率PN•额定电压UN•额定电流IN•额定功率因数cosN•额定效率ηN•额定频率fN、额定转速nN、额定励磁电流IfN、额定励磁电压UfN等NNNNNcosIU3P电动机：NNNNcosIU3P发电机：第二节同步电机的磁场分析－电枢反应1、空载运行：•额定转速n，电机极对数p•转子励磁绕组通直流电流If，产生磁通0•定子绕组感应电势E0，定子开路，电流Ia＝0•电机中仅存在直流励磁电流If60pnf01N1N0kf44.4E同步电机运行分析感应电势频率：感应电势有效值：凸极同步发电机的空载磁场0f2、空载特性•空载特性•磁化曲线)I(fEf0)F(ff0负载对称三相电流对称产生圆形旋转磁场3、负载运行（电枢反应）pf60n磁场转速：fFF空载磁场：afFFF负载磁场：电枢反应**实质：研究同步发电机负载时内部的电磁情况。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。电枢反应的性质主要决定于空载电势和负载电流之间的夹角ψ，亦即决定于负载的性质。电枢反应几个概念①内功率因数角Ψ：E0和Ia之间的夹角，与电机本身参数和负载性质有关；②外功率因数角φ：与负载性质有关；③功率角（功角）θ：E0和U之间的夹角；且有Ψ=φ+θ（电感性负载）④直轴（d轴）：主磁极轴线（纵轴）；⑤交轴（q轴）：转子相临磁极轴线间的中心线为交轴（横轴）下面从三种极限情况出发进行研究，即（1）Ia和E0同相位，即ψ=0；（2）Ia滞后E090电角度，即ψ=90°；（3）Ia超前E090电角度，即ψ=-90°；凸极电机的双反应理论•双反应理论：Fa的轴线既不和直轴也不和交轴重合时，可以把Fa分解为直轴分量Fad和交轴分量Faq，之后求出直轴和交轴各自的电枢反应值，最后把它们的效果叠加起来。（1）Ia和E0同相位（ψ=0）时的电枢反应•感应电势为最大值。•电流也在此瞬间到达最大值。•电枢磁势与A相绕组中心线相重合。•电枢磁势滞后于转子磁势90交轴电枢反应。（2）Ia滞后E090电角度（ψ=90°）时的电枢反应电枢磁势产生去磁作用，称为直轴去磁电枢磁势。（2）Ia超前E090电角度（ψ=90°）时的电枢反应电枢磁势产生增磁作用，称为直轴增磁电枢磁势。（4）I与E0相差锐角相位时的电枢反应•电枢反应不仅存在交轴分量，还存在直轴分量sinIIadcosIIaqaqadIIIaqadaFFFcosaaqFFsinFFaad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。•凸极机的磁通分布图第三节同步发电机的电磁关系与等效电路1、隐极发电机的电磁过程aaxIjExIjEaIIaFEEarIfIfF00EaaE同步发电机电磁过程与电势方程2、隐极发电机的电势平衡方程taa0xIjUEErIUE其中xxxxxxatat并且有称为同步电抗同步电抗的物理意义：表征地对称负载下电枢电流产生的电枢总磁场在电枢每相绕组中的电磁效应。3、隐极发电机的等效电路：raxt0EIU注：去掉ra即可得到简化等效电路ta0xIjrIUE4、隐极发电机的相量图已知发电机的端电压、负载电流和功率因数cosφ及参数ra、xtφUIarItxIjψ0Eδ当功率因数cosφ滞后时的相量图思考：隐极同步电动机有何不同？5、凸极发电机的电磁过程aIqIdIadFaqFEEarIfIfF00EadaqadEaqE6、凸极发电机的电势方程式addadxIjEaqqaqxIjExIjEqqdda0xIjxIjIrUE其中：称为交轴同步电抗称为直轴同步电抗xxxxxxaqqadd思考：xd与xq有何不同，大小关系？7、凸极发电机的相量图已知端电压、负载电流和功率因数及ra、xd、xq。已知内功率因数角ψ按照电势方程式的关系作出相量图未知内功率因数角ψ1）利用方程式求出ψ：2）利用公式求出ψ：)(0qddqaQxxIjExIjIrUEcosUIrsinUIxarctanaqqqdda0xIjxIjIrUE第四节同步电机的运行特性•同步电机功率关系及功角特性•同步电机功率因数调节特性•同步发电机特性•同步发电机并联运行•同步电动机的起动同步电机的运行特性凸极电机的向量图θ的双重物理含义：①励磁电动势与定子所加相电压之间的夹角（时间电角度）②励磁磁动势与气隙合成磁动势之间的夹角（空间电角度）0EUfFFfaFFF功角θ意义的图示A：0fFFaIaF0EaEaEUNSFδθNSFfT1nTemn1功角θ意义的图示B功角θ是转子磁极轴线和定子合成磁极轴线的空间夹角P1pmecpadpFePempcu1P2em1cuem201adFemec1emPPPPPP)PPP(PP一、功角特性思考：电动机与发电机有何区别？同步发电机功率关系：忽略同步电动机定子电阻Ra上的损耗13cosemPPUI从相量图中可知，3cos3cos()3coscos3sinsinemPUIUIUIUI0sincoscossindqddqqIIIIIXEUIXU020203cos3cos()3coscos3sinsin3cos3sin(cos)sin3cos3sin113sin3()cossin113sin3()sin22emqdqddqddqdPUIUIUIUIUIUIEUUUUXXEUUXXXEUUXXX电磁转矩：无功功率：200011sin()sin22emdqdmEUUTmXXX20costtmEUmUQXX222011cos(cossin)ddqmEUQmUXXX（隐极电机）（凸极电机）有功功率功角特性并联于无穷大电网的同步发电机，当电网电压和频率恒定、参数（xd、xq、xt）为常数、空载电势E0不变（即If不变）时，Pem=f(θ)为有功功率功角特性。隐极电机的有功功率功角特性：0emtEUPmUIcosmsinx矩角特性003sinemtEUTX200011sin()sin22emdqdmEUUTmXXX对隐极式同步电动机，Xd=Xq=Xt03sinemtEUPX凸极电机的有功功率功角特性：cosmUIPP2emqdmUIcosmUIcoscosmUIsinsinmUIcosmUIsin20emdqdEUU11Pmsinmsin2x2xxqqdd0IxUsinIxEUcos①3U1E0XdPem'=sinPem'∝E0，当转子有励磁即If≠0时存在。②1XqPem=(－)sin23U1221XdPem是由于Xd≠Xq而引起的，与If是否存在无关。特点：①Pe使PeM。②PeM产生在θ＜90o处。③功角特性与矩角特性不再是正弦波。——基本分量——附加分量（磁阻分量）OPe/Tθ90oPeM(TM)Pe'Pe•凸极电机2sin)11(2sin20dqdemXXUmXUmEP功率极限值(隐极)t0maxemxUEmP0θ900PemPemmax1800发电机有功功率功角特性曲线θPem18000900Pemmax0emdTd0emdTd0emdTd判据：0emdPd隐极发电机的判据：比整步功率(kW/rad)0cos0emsyntdPEUPmdx概念：当电网或原动机方面出现某些微小扰动时，同步发电机能在这种干扰消失后，继续保持原来的平衡运行状态。额定：功角20～30稳定分析：静态稳定•最大转矩Tm与额定转矩TN之比，过载倍数sin902~3.5sinmTNNTT隐极同步电动机额定运行θN=30°~16.5°。凸极式同步电动机额定运行功率角更小。负载改变时，θ随之变化，使同步电动机的电磁转矩或电磁功率跟着变化，以达到平衡状态。而电机的转速却保持同步转速不变。0max01sinsinemtTNNNtEUmPxEUPmx（静）过载倍数二.同步电机功率因数的调节同步电机的重要特性：同步电机在保持输出有功不变的情况下，可以通过励磁电流的调节，使电机的功率因数发生变化。1、同步电动机的V形曲线同步电动机的V形曲线是指当电源电压与频率均为额定值，在输出功率不变的条件下，调节励磁电流If，定子电流I会相应变化，绘制成的I=f(If)曲线，形状象“V”，故称V形曲线。,NNUUff即•无功功率的调节：同步电动机可以通过励磁电流的调节，使电机的输出无功功率发生变化。常数cossin0mUIXUmEPtem常数常数＝cossin0IEtUXC不变同步电动机输出有功功率P2恒定，改变励磁电流可以调节其无功功率“正常”励磁时功率因数cos=1，电枢电流全部为有功电流，故数值最小励磁电流小于正常励磁值(欠励)时，电动机功率因数cos滞后，同步电动机相当于感性负载，要从电网吸取滞后无功。励磁电流大于正常励磁值(过励)时，电动机功率因数cos超前，同步电动机相当于容性负载，要从电网吸取