Chpt5[1].4同步电机原理.ppt

5.4 5.4 同同步电机原理 5.4.1 同步电机的结构和运行方式 5.4.3 同步电动机的功率、转矩和功角特性 5.4.5 同步电动机的启动方法 20-1同步电机 5.4.1 同步电机的结构和运行方式 l同步电机多被用作发电机，当今作为动力用的强大电力几乎全 是由三相同步发电机发出的，因此它是各类发电厂的核心设备 之一。 l同步电机也可以作电动机使用，例如空气压缩机、鼓风机、电 力推进装置和电动发电机组等。 l所谓同步电机是指转子转速n与定子电流的频率f1满足下面的 方程式关系的交流电机， 20-2同步电机的基本结构 1. 同步电机的基本结构 1）定子 同步电机的定子，就其基本结构来看，与异步电机的定子没有 多大区别，也是由定子铁心、定子绕组以及机座、端盖等附 件组成。 凸极式隐极式 2） 转子 同步电机的转子有两种结构形式：一种有明显的磁极，称为凸极 式，如图10-1a所示；另一种转子为一个圆柱体，表面上开有槽 ，无明显的磁极，称为隐极式， 水轮发电机 凸极式 汽轮发电机 隐极式 转速较低 转速较高 20-3同步电机 的励磁电源 励磁电源 l 同步电机的励磁电源有两种：一种是由励磁机供电，另一种是 由交流电源经过整流而得到。 同步电机的物理模型 l 每台同步电机应配备 一台励磁机或整流励 磁装置，以便调节励 磁电流。 20-4同步电机的 工作原理 2. 同步电机的工作原理 l当同步发电机的转子在原动机的 拖动下达到同步转速n1时，由于转 子绕组是由直流电流If 励磁， l 所以转子绕组在气隙中所建立的 磁场相对于定子来说是一个与转子 旋转方向相同，转速大小相等的旋 转磁场。 l该磁场切割定子上开路的三相对 称绕组， 在三相对称绕组中产生三 相对称空载感应电动势E0 。 l若改变励磁电流的大小则可相应 地改变感应电动势的大小，此时同 步发电机处于空载运行。 空载运行（补偿状态） 20-5同步电机 的负载运行 l 当同步发电机带负载后，定子绕 组构成闭合回路，产生定子电流 ，该电流是三相对称电流，因而 要在气隙中产生与转子旋转方向 相同，转速大小相等的旋转磁场 。 l 此时定、转子间旋转磁场相对静 止，气隙中的磁场是定、转子旋 转磁场的合成。 l 由于气隙中磁场的改变，定子绕 组中感应电动势的大小也将发生 变化。 负载运行 20-6同步电机 的运行方式 3. 同步电机的运行方式 l 发电机运行方式：转子主磁场超前定子合成磁场，原动机拖动同步电机并 励磁时，电机从原动机输入机械功率，向电网输出电功率。 l 电动机运行方式：转子主磁场滞后定子合成磁场，当同步电机由电网供电 并励磁，拖动机械负载时，从电网输入电功率，在轴上输出机械功率 。 20-7同步电机的磁动势 4. 同步电动机的磁动势 电枢磁动势：当定子三相对称绕组连接到三相对称电源上时， 就会产生三相合成旋转磁动势， 简称电枢磁动势，用空间矢量 Fa表示。设Fa 的转向为逆时针方向，转速为同步转速。 励磁磁动势：在同步电动机负载运行时， 其转子也是逆时针方 向以同步转速旋转。由直流励磁电流If产生的磁动势称为励磁磁 动势，用Ff （或FO）表示，它也是一个空间矢量。 这里规定两个轴方向：转子N极和S极的中心线称为直轴或纵轴 ，简称d 轴；与直轴相距90空间电角度的方向称为交轴或横轴 ，简称q 轴。直轴和交轴随转子一同旋转， 20-8同步电机的磁动势 先考虑励磁磁动势Ff单独在电机主磁路中产生磁通时的情况。 励磁磁动势Ff 总是在直轴方向产生磁通。由励磁磁动势Ff 单独产生的磁通叫励磁磁通，用 f 表示。 20-9同步电机的磁动势 lFa 单独在电机主磁路中产 生磁通时的情况，则比励 磁磁动势Ff 产生磁通时的 情况复杂。下图给出了计 算机仿真结果。 lf 经过的磁路是以直轴为 对称的，下图是其计算机仿 真结果。 20-10同步电机的磁动势 凸极同步电动机的双反应原理 20-11同步电机的磁动势 l直轴电枢磁动势和交轴电枢磁动势除了各自在主磁路中产 生过气隙的磁通外，还要分别在定子绕组里产生漏磁通。 l 由定子电流产生的电枢磁动势的表达式为 将上式分解为d、q轴上的直轴电枢磁动势和交轴电枢磁动势： 考虑到关系式 把电枢电流按相量的关系分解成两个分量，则有 20-12同步电机的电压方程 5. 同步电动机的电压方程 1） 凸极同步电动机的电压方程 励磁磁通 f ，直轴磁通 ad 和交轴磁通 aq，都以同步转速 逆时针旋转，因此都要在定子绕组中产生相应的感应电动势 。 根据图给出的同步电动机定子绕组各电量正方向，可以列出A 相回路的电压方程 感应电动势 、 可以写成 直轴电枢反 应电抗 交轴电枢反 应电抗 20-13同步电机的电压方程 经整理，得电压方程 一般情况下，当同步电动机容量较大时，可忽略电阻Rs，于 是 直轴同步电 抗 交轴同步电 抗 定子 漏抗 20-14同步电机的电压方程 2） 隐极同步电动机的电压方程 对于隐极同步电动机，由于气隙均匀，因而直轴和交轴的 同步电抗在数值上彼此相等，即有 同步 电抗 这样，可写出隐极同步电动 机的电压方程为 20-15同步电机的功率关系 5.4.2 同步电动机的功率、转矩和功（矩）角特性 1. 功率关系 l同步电动机从电源吸收有功功率P1，在扣除消耗于定子绕组 的铜损耗 后，转变为电磁功率 Pem（即PM）， 即有 l从电磁功率PM里再扣除铁损耗 和机械摩擦损耗 后，得到输出给负载的机械功率P2 其中，铁损耗 与机械损耗 之和称为空载损耗P0 ， 即 根据上述分析 ，可以画出同 步电动机的功 率流程图： 20-16同步电机的功角特性 2. 电磁功率与功角特性 对于凸极同步电动机，当忽略定子绕组的电阻Rs 时，同步电动 机的电磁功率为 考虑到相量关系，于是 励磁电磁 功率1 凸极电磁 功率2 20-17同步电机的电磁转矩 3. 电磁转矩与矩角特性 电磁转矩的通用公式为 式中 电机极对数； 每极合成磁通； 定子磁动势幅值； 定子磁动势与合成磁动势间的夹角。 因为 可有 根据功率与转矩的关系， 同样可以导出电磁转矩及转矩平衡 方程。与异步电动机一样，电磁转矩Te等于电磁功率Pem与电 机角速度之比，但对于同步电动机，其转速即为同步转速， 因此 20-18同步电机的电磁转矩 同步电动机的转矩平衡方程 电磁转矩还可表示为 功角特性表达式与矩角 特性表