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同步电动机同步电机原理

  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 三、同步电机的电磁关系与等效电 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 ? 转子直流励磁 ? 原动机拖动转子以 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, 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 n0 n0 同步发电机模型 同步电机特点: ? 转子转速与转速相等(同步); ? 转子电流频率为零(直流) ? 用途 –发电 –无功调节 –电动机 二、同步电机的基本结构 ? 定子 –铁心:0.5mm硅钢片 –绕组:电枢绕组,产生电势和电磁转矩 –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 结构相关 ? 旋转结构 –转枢式:电枢旋转 –转场式: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 滑环 转子(励磁) 隐极、凸极比较 ? 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。 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。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 功角 0 0 发电机状态 理想空载 调相机 电动机状态 同步发电机 不同运行方式 ? ? ? ? E 01 ? jI 1 x jI x ? ? ? E ? U ? I ra ? j I x ? U? j I x ? ? E0 ? U I ? ? E02 I3 ? ? ? jI 2 x ? I1 ? I2 ? φ2 φ3 φ1 E 03 j I3 x 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η N 额定频率fN、同步电动机额定转速nN、额定励磁电流IfN、 额定励磁电压UfN等 发电机: PN ? 3U N I N cos? N 电动机: PN ? 3U N I N?N cos? N 第二节 同步电机的 -电枢反应 同步电机运行 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 ? 定子绕组电势E0,定子开,电流Ia=0 ? 电机中仅存在直流励磁电流If pn 电势频率: f ? 60 电势有效值:E0 ? 4.44 f N 1k N 1?0 ?0 ? f? 凸极同步发电机的空载 2、空载特性 ? 空载特性 E0 ? f ( I f ) ? 磁化曲线 ? f ( F f ) 3 、负载运行(电枢反应) 负载对称 ? 三相电流对称 ? 产生圆形旋转 60 f 转速: n? p 空载: F? ? Ff 负载: F? ? F f ? Fa 电枢反应 **实质:研究同步发电机负载时内部的电磁情况。 电枢反应 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 隙中的大小及发生变化,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。 几个概念 ①内功率因数角: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=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E0 90电角度,即ψ=90 °; (3) Ia超前E0 90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 ? 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 Faq ? Fa cos? Fa ? Fad ? Faq Fad ? Fa sin? Iaq ? I cos? ??I ? ?I ? I ad aq Iad ? I sin? 电枢磁势按ψ角分解成作用在直轴磁的磁势 及作用在交轴磁的磁势。 ? 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 同步发电机电磁过程与电势方程 1、隐极发电机的电磁过程 If ? ? I? I a ? ? ? ? ? Ff Fa ?0 ?a ? ? E0 ? Ea E? ? ? E? ? ?? ? I ra ? E a ? ? j I xa ? ? E? ? ? j I x? ? ? 2、隐极发电机的电势平衡方程 E 0 ? U ? I ra ? E a ? E ? ? U ? j I xt 其中 xt ? xa ? x? 并且有 称为同步电抗 ? ? ? ? ? ? ? xt ? xa ? x? 同步电抗的物理意义:表对称负载下电枢 电流产生的电枢总在电枢每相绕组中的 电磁效应。 3、隐极发电机的等效电: E 0 ? U ? I ra ? j I xt ra xt ? ? ? ? ? E0 I ? U ? 注:去掉 ra 即可得到简化等效电 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 、xt ? j I xt 当功率因数 cosφ滞后时 的相量图 E0 ? I ra δU ? ? 思考:隐极 同步电动机 有何不同? ? ψ φ I 5、凸极发电机的电磁过程 If Ia ? Ff I d ? Iq ? ?0 F ad ? E0 ? ? ad ? ?? ? F aq ? aq ? E ad ? E aq E? ? ? E? ? I ra ? 6、凸极发电机的电势方程式 Ead ? ? j I d xad ? ? ? ? ? Eaq ? ? j I q xaq ? ? ? ? E? ? ? j I x? ? ? E 0 ? U ? ra I ? j I d xd ? j I q xq 其中:xd ? xad ? x? 称为直轴同步电抗 称为交轴同步电抗 xq ? xaq ? x? 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ψ ? ? ? ? ? ? E Q ? U ? ra I ? j I xq ? E 0 ? j I d ( xd ? xq ) 1)利用方程式求出ψ: 2)利用公式求出ψ:? ? arctan xq I ? U sin ? ra I ? U cos? E 0 ? U ? ra I ? j I d xd ? j I q xq ? ? ? ? ? 第四节 同步电机的运行特性 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 凸极电机的向量图 θ 的双重物理含义: ①励磁电动势 E0 与定子所加相电压 U 之间的 夹角(时间电角度) ②励磁磁动势 Ff 与气隙合成磁动势 F? 之间的 夹角(空间电角度) F? ? Ff ? Fa 功角θ 意义的图示A: Ff ?0 ? F? ? ? ? ? ?? ? Ea ? ?a ? U ? E0 ? Ea ? Fa I ? 功角θ 意义的图示B n1 Tem T1 n N S Fδ θ S N Ff 功角θ是转子磁极轴 线和定子合成磁极轴 线的空间夹角 一、功角特性 同步发电机功率关系: P1 Pem P2 pmec pad pFe pcu1 Pem ? P1 ? ( Pmec ? PFe ? Pad ) ? P1 ? P0 P2 ? Pem ? Pcu1 ? Pem 思考:电动机与发电机有何区别? 忽略同步电动机定子电阻Ra上的损耗 从相量图中可知,? P UI cos ? em ? P 1 ?3 ?? ?? Pem ? 3UI cos ? ? 3UI cos(? ? ? ) ? 3UI cos? cos ? ? 3UI sin? sin ? I d ? I sin? I q ? I cos? I d X d ? E0 ? U cos ? I q X q ? U sin ? Pem ? 3UI cos ? ? 3UI cos(? ? ? ) ? 3UI cos? cos ? ? 3UI sin? sin ? ? 3UI q cos ? ? 3UI d sin ? ( E0 ? U cos ? ) U sin ? ? 3U cos ? ? 3U sin ? Xq Xd E0U 1 1 2 ?3 sin ? ? 3U ( ? ) cos ? sin ? Xd Xq Xd E0U U2 1 1 ?3 sin ? ? 3 ( ? ) sin 2? Xd 2 Xq Xd 电磁转矩: mE0U U2 1 1 Tem ? sin ? ? m ( ? )sin 2? X d ?0 2?0 X q X d 无功功率: mE0U 1 1 2 2 Q? cos ? ? mU ( cos ? ? sin 2 ? )(凸极电机) Xd Xd Xq mE0U mU Q? cos? ? Xt Xt 2 (隐极电机) 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、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: E0U P sin ? em ? mUI cos ? ? m xt 矩角特性 mE0U U2 1 1 Tem ? sin ? ? m ( ? )sin 2? X d ?0 2?0 X q X d 对隐极式同步电动机,Xd=Xq=Xt 3E0U Pem ? sin ? Xt 3E0U Tem ? sin ? X t ?0 凸极电机的有功功率功角特性: Pem ? P2 ? mUI cos? ? mUI cos ?? ? ? ? ? mUI cos? cos ? ? mUI sin? sin ? ? mUI q cos ? ? mUI d sin ? I q xq ? U sin ? I d xd ? E0 ? U cos ? E0U U2 ? 1 1 ? Pem ? m sin ? ? m ? ? sin 2? ? ? xd 2 ? xq xd ? ? ? 凸极电机 mE0U U2 1 1 Pem ? sin ? ? m ( ? ) sin 2? Xd 2 Xq Xd 3U1E0 ① Pem = sin? —— 基本分量 Xd Pem ∝E0 ,当转子有励磁即 If ≠0 时存在。 3U12 1 1 (X -X ) sin2? —— 附加分量 ② Pem = 2 d q (磁阻分量) Pem 是由于 Xd ≠Xq 而引起的,与 If 是否存在无关。 特点: ① Pe 使 PeM?。 o ② PeM 产生在θ<90 处。 ③ 功角特性与矩角特性 不再是正弦波。同步电动机 Pe / T PeM (TM) Pe O 90 o θ Pe 发电机有功功率功角特性曲线 Pem Pemx Pem Pemx θ 0 900 1800 θ 0 900 1800 功率极限值(隐极) Pem x E0 U ?m xt dTem ?0 d? dTem ?0 d? dTem ?0 d? 稳定:静态稳定 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。 dP em ?0 判据: d? 隐极发电机的判据:比整步功率(kW/rad) P syn dP E0U em ? ?m cos ? ? 0 d? xt 额定:功角20~30 (静)过载倍数 ? 最大转矩Tm与额定转矩TN之比,过载倍数 ?T ? Pem x PN E0U m xt 1 ? ? E0U m sin ? N sin ? N xt Tm sin 90? ?T ? ? ? 2 ~ 3.5 TN sin ? N 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。 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,U ? U N , f ? f N 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。 ? 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。 m E0U Pem ? sin ? ? m UI cos? ? 即 Xt U不变 X t ? C E0 sin ? ? =I cos? ? ? 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,要从电网吸取超前无功 ① 正常励磁 当 If = If0 时, I1 与U1 同相, cosφ = 1, 电机呈电阻性。 ② 欠励磁 当If <If0时,I1 (I1 ) 滞后于U1, 电机呈电感性。 If ? →? ? ,感性程度 ?。 b ③ 过励磁 当 If >If0 时,I1 (I1) 超前于 I1 U1, 电机呈电容性, If ? →? ? , 容性程度 ? 。 ? I1 θ U1 jXtI1 jXtI1 jXtI1 a I1 b -E0 -E0 -E0 a (3)V形曲线 同步电动机的V形曲线I=f(If) :同步电动机在有功功率恒定、 励磁电流变化时,电枢电流随励磁电流变化的曲线 V形曲线的几个特点 ①每一功率(负载)对应一条V形曲线 ②从欠励到正常励磁到过励I 有最小值 ③每条曲线, 连线向右倾斜。 ④每条曲线左边均有不稳定区 ⑤不稳定区域边缘:θ=900, 连线向右倾斜 ⑥每条曲线上的电流I变化量ΔI 为无功分量 2、同步发电机的V形曲线U sin? ? mUI cos? ? Xt E0 sin? ? = I cos? ? 三、同步发电机特性 1、空载特性 发电机在额定转速(n=nN)、 空载(I=0) 的条件下, 空载电压(U0=E0)与励磁电流If的 关系称为空载特性, 即U0=f(If)。 空载特性试验电及空载特性 (a) 空载试验原理接线图; (b) 空载特性曲线、短特性 短特性 n?n1 U=0时,Ia=Ik=f(If)曲线 由空载及短特性求取同步电抗 E01 Xd ? I k1 X q ? 0.65X d 3、 外特性 发电机在n=nN、 If=、 cosφ=的条件下, 端电压U和负载电流I的关系曲线称为外特性, 即 U=f(I)。可用直接负载法测定。 E0 ? U N ?U% ? ? 100% UN ? 纯电阻负载:主要是定子绕组电阻压降和漏 抗压降引起输出电压下降,所以端电压随负 载电流增加而缓慢下降。 ? 感性负载: 由于电枢反应的直轴去磁作用, 再加上定子绕组电阻压降和漏抗压降,将使 端电压随负载电流增加而迅速下降。 ? 容性负载: 定子绕组电阻压降虽使输出电 压下降,但电枢反应的直轴分量为助磁, 同时漏抗压降亦使电压上升,若上升量大于 下降量则端电压随负载电流增加而上升。 ? 电压变化率 ? 凸极发电机的ΔU%: 18%~30%。 ? 隐极发电机的电枢反应较大, 故ΔU% 也 较 大 , 在 30% ~ 50%( 以 上 均 为 cosφ=0.8滞后的数值)。 4、 调整特性 n=nN时,U=,cosφ=, If=f(I)。 四、同步发电机的并联运行 1、并联运行优点 ? 提高供电可靠性。 ? 提高供电的经济性和灵活性。 ? ? 水电厂与火电厂并联调配发电,旺水期水电多发电,枯水期火电多 发电; 用电高峰期和低谷期可灵活决定投入电网的发电机数量,提高发电 效率和供电灵活性。 ? 提高供电质量。 ? 电网容量大(相对于单台发电机或个别负载可视为无穷大),单台发 电机投入与停机、个别负载变化对电网影响甚微,衡量供电质量的 电压和频率可视为恒定不变的。 2、 同步发电机并联合闸的条件 把同步发电机并联至电网的过程称为投入并联(并列、并 车、整步、合闸)。合闸时必须避免产生巨大的冲击电流, 以防止同步发电机受到损坏(电磁冲击、机械冲击),电 网遭受干扰。 ? ? 两台同步发电机并联运行 Ⅰ是电力系统中若干台发 电机并联后的“等效”发 电机; Ⅱ是待并联的发电机。 Ⅰ Ⅱ ? 理想并联合闸条件 ① 波形相同——正弦波 ② 频率相同——f接近 ③ 幅值相同; ④ 相位相同——接近 ⑤ 相序相同——严格条件 若以上条件中的任何一个不满足则在开关两端会出 现差额电压,如果闭合开关,在发电机和电网组成的回 中必然会出现瞬态冲击电流。 上述条件中相序一致是绝对条件,其它条件是相对 的,因为通常电机可以承受一些小的冲击电流。 3、 同步发电机并联合闸方法及 (1)准确同步法(准确整步法) ? ? 将发电机调整到完全符合并联条件后的合闸操作。 调整过程常用同步器来判断条件的满足情况。 (A)暗灯法 1)接法:三只灯泡直接跨接于电网与发电机的对应相之间。 同步器 电网 发电机 ?最简单的同步指 示器由三相相灯 组成。 (B)灯光旋转法 灯Ⅰ接在A1、A2之间,灯Ⅱ和灯Ⅲ交叉接在B1、C2和C1、B2 之间。 发电机和电网电压相量图 4.同步电动机的起动 ? 问题: 由同步电动机基本工作原理可知,若将 同步电动机同时双边励磁,由于定子旋 转转速为同步转速n1,而起动瞬间转 子处于静止,气隙与转子磁极之间 存在相对运动,不能产生平均的同步电 磁转矩,即同步电动机本身没有起动转 矩,使电动机自行起动。 ? 方法: (1)辅助电动机起动法 选用一台与同步电动机极数相同的小型异步 电动机作为辅助电动机,起动时,先起动辅 助电动机将同步电动机拖动到异步转速,然 后将同步电动机投入电网,加入励磁,利用 同步转矩把同步电动机转子牵入同步,同时 切除辅助电动机电源,这种方法适用于同步 电动机的空载起动。 (2)变频起动法 由于恒频起动时,作用在转子上的平均转 矩为零,使电动机无法自行起动。变频起 动法是在起动前将转子加入直流,利用变 频电源使频率从零缓慢升高,旋转牵 引转子缓慢同步加速,直至达到额定转速, 起动完毕。这种方法多用于大型同步电动 机的起动。 (3)异步起动法 在转子上加装起动绕组,其结构如同异步机 的鼠笼绕组。起动时,同步电动机先不给励磁绕组励 磁,同步电动机定子绕组接电源,通过起 动绕组作用,产生起动转矩,使同步电动 机自行起动,当转速达95%同步转速左右 后,给同步电动机的励磁绕组通入直流, 转子自动牵入同步。

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