《电机与拖动基础 课件》12电机拖动第十二章（同步电动机）.ppt

第 十 二 章,同 步 电 动 机,同 步 电 动 机,同步电机的基本结构和工作原理,同步调相机,同步电动机的起动,同步电动机的特性,同步电动机的功率和转矩关系,同步电动机内部的电磁关系,同 步 电 动 机,掌握同步电机的基本结构和工作原理。 掌握同步电动机的分析方法及分析结果。 掌握功角的概念及意义，矩角特性及其应用。 熟练掌握同步电动机的U型曲线及其意义。 掌握工作特性中的cos =f（P2）曲线形状及其意义。 了解同步电动机的起动方法；一般掌握同步调相机 。,本章要求：,第一节 同步电动机的基本结构和工作原理,一、同步电动机的基本结构 1. 定子：主要由铁心和电枢绕组构成,定子铁心是由硅钢片叠成，它构成电机磁路的一部分。 电枢绕组是三相对称绕组，由高强度漆包线绕成，它构成电机的电路。,Y 接法, 接法,注意：首尾端不能接反！,定 子 三 相 绕 组 接 线 方 式,转子：由铁心、直流励磁绕组、滑环和电刷等构成。 按结构型式分成凸极式转子和隐极式转子,凸 极 式 转 子,隐 极 式 转 子,隐 极 式 转 子,凸 极 转 子,隐 极 转 子,特点：气隙不均匀,特点：气隙均匀,转 子 结 构 特 点,定子三相对称绕组，加三相对称电压，流入三相对称电流，产生旋转磁场N1、 S1 。旋转磁场的转速为,转子励磁绕组，加直流电压，产生恒定磁场N2、 S2 。,定子磁场N1、 S1 与转子磁场N2、 S2 之间产生磁拉力，从而产生电磁力矩拖动转子与定子磁场同步旋转。,原理动画,二、同步电动机的工作原理,同步电动机的工作原理(磁力线分布),三、同步电动机的额定数据,额定容量PN是指轴上输出的有功功率，单位为KW。,额定电压UN 指加在定子绕组上的线电压，单位为V。,额定电流 IN电动机额定运行时，流过定子绕组的线电流， 单位为A 。,额定功率因数cos N, 电动机额定运行的功率因数。,额定转速nN, 电动机额定运行时转子转速单位为r/min。,额定效率 N, 电动机额定运行效率。,此外，同步电动机铭牌上还给上额定频率fN ；额定励磁电压UfN；额定励磁电流IfN 等数据。,同步机录像,第二节 同步电动机内部的电磁关系,一、隐极同步电动机电磁分析和相量图,1、电磁分析,同步电动机带负载运行，定转子电流产生两个旋转磁场，它们相对静止，只在定子中感应电势。,F ,F0,Fa,n,定子电磁关系,转子If,定子,由于定、转子磁场在空间相对静止，故,磁路不饱和时,可用叠加原理,2、基本方程,磁路不饱和时,气隙磁场在定子中的感应电势,故,而漏感电势,定子一相绕组电阻为r1,在给定的参考方向下，定子一相绕组的电压平衡方程式为,式中xa称为电枢反应电抗，对应旋转磁势磁路.,x定子漏电抗，与定子漏磁通的磁路对应。,xa x,3、等效电路和相量图,定子一相等效电路为,一般同步电动机容量都较大，电阻r1很小，忽略之，得,式中,xc,称为隐极同步电机的同步电抗。,与等效电路对应的相量图(忽略r1）为：,解：（1）,例、隐极同步电动机， PN=6300KW, UN=10000V(Y), IN=417A, cosN=0.9 (超前), IfN=404A,xc=14 （E0If） 求：（1）额定效率N ；（2）额定无功功率；E0。,例、隐极同步电动机， PN=6300KW, UN=10000V(Y), IN=417A, cosN=0.9 (超前), IfN=404A,xc=14 （E0If） 求：（1）额定效率N ；（2）额定无功功率；E0。,解：,三、凸极同步电动机的方程,1、双反应理论,隐极机，气隙均匀，无论Fa在何处(位置由Ia确定)， a的磁阻都相等，所以电势Ea数值确定不变。,凸极机，气隙不均匀，Fa在不同位置， a的磁阻不相等，所以电势Ea数值不容易确定。,当Fa处于d轴或q轴方向时，其对应磁路的磁阻为确定已知值（从设计或实验可知）；所以可将Fa向d轴或q轴方向分解，使其对应的磁路的磁阻固定，产生的磁场和电势容易确定。,Fa向d轴或q轴方向分解后，产生的电势确定，其电磁关系为：,Xad：直轴电枢反应电抗，,Xaq：交轴电枢反应电抗。,xad xaq,这种把电枢反应磁势Fa分解的方法称为双反应理论,2、定子一相等效电路,3、方程,xd=xad +x ，叫直轴同步电抗,xq=xaq +x ，叫交轴同步电抗,隐极机xd=xq =xc,4、相量图,确定d、q轴，分解Ia,1）已知-E0、Ia，Ia 超前 ,2）已知U1、Ia，Ia超前U1 ,忽略r1,q,d,第三节 同步电动机的功率方程及功角特性,一、功率、转矩方程,1、功率方程,输入：,定子铜耗：,电磁功率：,输出功率：,摩擦损耗,附加损耗,空载损耗,铁损耗,2 、转矩方程,Tem=TL =T2 +T0,其中T0 =Tmec +Ts+TFe,摩擦损耗转矩,附加损耗转矩,电磁转矩,输出转矩,空载转矩,铁损耗转矩,二 、电磁功率及电磁转矩表达式,忽略铜、铁耗，按凸极机讨论。,功率因数角,内功率因数角,功角,基本分量,附加分量,基本分量转矩,隐极机xd=xq =xc,可见电磁功率是的函数。,三、功角特性和转矩特性,在U、E0不变时，Pem、 Tem与成正弦关系,功角既是-E0与U1之间的夹角，又是合成气隙磁势F与转子磁势F0之间的夹角。,电动机转子磁极被定子气隙磁场牵着以n1旋转。,在090内， 越大电磁力矩越大。,当气隙磁场落后转子磁场(0)时，相当于转子磁场牵着定子气隙磁场n1旋转。,但定子不动，所以转子会受到制动电磁力矩作用，转子必须有外力作用才能正常运行，此时工作于发电机状态。,判断同步电机状态：顺转向，转子磁场落后角为电动状态；转子磁场超前角为发电状态。,电磁转矩是合成气隙磁势与转子磁势相互作用产生。,利用正弦定理有：,电磁转矩是定子磁势与转子磁势相互作用产生。,四、同步电动机的稳定性及过载能力,同步电动机的稳定性运行必须满足：Tem=TL 。,交点AB都满足：Tem=TL 。但只有A点为稳定工作点。,A点：扰动使n,B点：扰动使n,隐极同步电动机的稳定工作区为： 090 。,当=90时，Tem最大。,过载能力：,额定运行时功角,作业：； ； 11；,第四节 同步电动机的励磁调节及V形曲线,一、励磁调节,保持同步电动机的U1、f、P2不变，调节励磁电流If ，会引起电枢电流a和电机功率因数的改变。,考虑隐极机，忽略损耗， U1、f、 P2不变时：,调节励磁电流If ，会引起电枢电流a和电机功率因数的改变。但：,用相量图分析电流、功率因数变化情况。,）设If=If1时，=0,1、a同相位,）当增加IfIf1时，过励状态,此时电机呈纯阻性，叫正常励磁状态。,会增加，其端点沿平 行1的直线上移。,）当减少IfIf1时，欠励状态,减少，下移，a右移。,结论：调节If ，可以改变电机功率因数；正常励磁时，为纯阻性； If正常励磁时,为容性；If正常励磁时，为感性。,结论：调节If ，可以改变电机功率因数；正常励磁时，为纯阻性； If正常励磁时,为容性；If正常励磁时，为感性。,二、形曲线af(If),条件： P2保持不变，调节If,当If=If1时，Ia为纯有功电流，最小； If从If1增加时，Ia增加； If从If1减小时，Ia也增加；电流Ia呈形曲线变化。,C3 C2 C1,三、cos=f(P2)曲线,保持同步电动机的U1、f、 If不变，调节输出功率P2 ，电机功率因数的改变.,1）设P2 =0.5 PN, cos=1,2）增加P2 0.5 PN ， 增加，,但E0幅值不变。,3）减小P2 0.5 PN,减小,当保持同步电动机的U1、f、 If不变，输出功率P2 增加时，其感性增强；输出功率减小时，其容性增强。,第五节 同步电动机的起动,同步电动机起动时n=0,由于转子的惯性，其速度不能突变，而气隙磁场速度n1很快。所以转子所受的Tem方向来回变化，转子无法直接起动。,一、同步电动机的起动方法,1、辅助起动法：用同极数异步电动机拖动其起动。,2、变频起动法：将电源频率从0fN随n逐渐升高。,3、异步起动法：利用阻尼绕组作起动绕组，实现异步 起动，最后被牵入同步。,二、异步起动过程,鼠笼导条,异步起动时，将转子中串入大电阻，再合上定子电源，电机借助鼠笼导条，形成异步机起动；最后当n接近n1时，将转子接入直流电源，电机会自动被牵入同步。,异步起动时，转子励磁绕组不能开路；不能短路。,第六节 同 步 调 相 机,可用同步调相机来改善局部电网功率因数。,一、同步调相机工作原理,调相 电机,异步电机,同步调相机实质是空载运行的同步电动机(功角=0)。一般工作于过励状态。,同步调相机可以改善局部电网功率因数。,同步调相机可以稳定局部电网电压。,结论：,习 题,1、一隐极同步电动机， N=30。求：（1）过载能力 ；（2）TLN不变，提高 =4，励磁电流应提高到原来的几倍（E0If）?,2、一隐极同步电动机， PN=6300KW, UN=10000V(Y), IN=417A, cosN=0.9 (超前), IfN=404A,xc=14 （E0If） 求： （1）额定效率N ； （2）额定无功功率；E0的标幺值； N ； （3）保持PN不变，如何调节，使cos =1?求此时I和If（ 不变）。 （4）额定工作时，保持If不变，降低 P2=4000KW，求I和cos ？（ 不变）,4、单相变压器的额定数据，SN=500VA，U1N/U2N=220/110V，短路阻抗标么值ZK*=0.0560 ，I10N=0.2A。将两台相同的变压器串联，高压侧接220V电网，连续降压供电，试求：1）分别计算第一和第二台变压器原边的空载电流。2）空载供电电压。3）短路电流。（磁路线性）,上,下,3. 一台三相变压器，SN=200KVA, U1N/U2N =6.3/0.38KV, Y/Y0连接。现为一台Y接380V的三相同步电动机供电。同步机数据：PN=75kw, UN=380V, cosN=0.5（超前）, N=88.2%，求同步电动机额定运行时：电网的输出电流？,解1：,下,1、一隐极同步电动机， N=30。求：（1）过载能力 ；（2）TLN不变，提高 =4，励磁电流应提高到原来的几倍（E0If）?,解2：（1）,上,下,2、隐极机， PN=6300KW, UN=10000V(Y), IN=417A, cosN=0.9 (超前), IfN=404A,xc=14 （E0If） 求： （1）额定效率N ； （2）额定无功功率；E0的标幺值； N ；,上,下,保持功率不变，减小励磁，可以使功率因数等于1,2、隐极机， PN=6300KW, UN=10000V(Y), IN=417A, cosN=0.9 (超前), IfN=404A,xc=14 （E0If） 求： （2）额定无功功率；E0的标幺值； N ； （3）保持PN不变，如何调节，使cos =1?求此时I和If（ 不变）。,(4)由电磁功率可以计算出功角,由余弦定理求AB=4823：AB=Ixc,I=344.5A,由正弦定理求B=23.95,上,下,（4）额定