第十四次11.3同步电动机及补偿机.ppt

同步电动机 教学要求 了解同步电动机的优缺点了解同步电动机的起动 功率因数的调节熟悉同步补偿机的用途 了解特殊同步电动机工作原理 第一节同步电动机的基本电磁关系 方程式和相量图第二节同步电动机的无功功率调节第三节三相同步电动机的起动第四节同步调相机第五节特殊同步电动机 大功率同步电动机与同容量的异步电动机相比 同步电动机的功率因数高 在运行时 不仅不使电网的功率因数降低 而且能够改善电网的功率因数 同步电动机一般都作成凸极式的 为了能够自起动 在转子磁极的极靴上装起动绕组 同步电动机不带机械负载运行时 可以作为同步补偿机使用 它可以改善电网的功率因数 调整电网的电压 同步电动机特点 1 n n1不变 n1 60f P 调f可以调速 2 功率固数可以任意调节 调If 3 与异步电动机比 气隙大 电抗小 过载能力强 x小 Pemax大 静态稳定好 4 异步电动机 5 高 大连理工大学电气工程系 三相同步电机的可逆运行 5 1三相同步电机的工作原理 第一节同步电动机的基本电磁关系 方程式和相量图 一 从发电机状态过渡到电动机状态过程同步电机运行于发电机状态时 如图所示 转子磁极轴线超前定子合成磁极轴线 0 电机把机械能转变成电能 逐步减少发电机的输入功率 转子将瞬时减速 角减小 相应的电磁功率也减少 当发电机的输入功率只能满足空载损耗时 发电机处于空载运行状态 若此时去掉原动机T1 T0 T0 0转子降速 角为负 F 超前Ff 此时F 拖动Ff前进 电磁转矩为驱动转矩 空载时 T1 T0 若在转子上加负载转矩 转子磁极更加落后 T T2 T0 角 T 电机带负载运行 二 方程式和相量图 同步电动机分析时采用电动机惯例 则电流超前端电压 从电网吸收超前的容性电流 励磁电动势滞后与电压 和 角为正值 产生的电磁功率也为正值 电动势平衡方程式分别为 隐极同步电动机 根据电动势方程可以画出等效电路和相量图 如图17 2 图17 2电动机惯例表示的隐极同步电动机的等效电路和相量图 a 等效电路 b 滞后功率因数 c 超前功率因数 凸极同步电动机 同理根据电动势方程可以画出相量图 三 功率与转矩平衡方程和功角特性 一 功率平衡方程式同步电动机正常运行时 由电网输入的电功率P1除了很小部分消耗于定子铜耗外 即为由电磁场从定子传送到转子的电磁功率Pem 转子上获得的总机械功率Pm为Pem中减去定子铁心损耗 机械损耗pm 总机械功率Pm除去和附加损耗ps 有的还包括励磁机功率pf 后才是电动机最后的输出功率P2 其中 称为空载损耗 二 转矩平衡方程式 各项除以 得到转矩平衡式T T0 T2转矩平衡式说明 电动机稳定运行时 驱动性质的电磁转矩与制动性质的输出转矩和空载转矩之和平衡 三 功角特性电动机运行时 励磁电动势 滞后与电压 功角 为正值 同理有 若令 即得隐极同步电动机的电磁功率和电磁转矩表达式 大连理工大学电气工程系 三相同步电动机功率因数的调节 同步电动机可以通过调节励磁电流来调节其功率因数即 调节If 调节cos 90o 90o 第5章同步电机的基本理论 第二节同步电动机的无功功率调节 一 同步电动机的无功功率调节同步电动机并在恒压电网上运行时 若输出功率P2恒定 以隐极同步电动机为例 且忽略电枢电阻损耗 则由于m U xs均不变 则 图17 3给出了输出功率不变而励磁电势变化时隐极发电机的电势相量图 和的末端必须落在直线AB和CD上 可见 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 图17 3P2 常数 调节励磁时的相量图 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 图17 3P2 常数 调节励磁时的相量图 二 同步电动机的V型曲线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 即I f If 如图在欠励区 励磁电流减小到一定数值时 电动机将失步 不能稳定运行 改变励磁可以调节电动机的功率因数 利用同步电动机功率因数可调的特点 让其工作于过励状态 从电网吸收容性无功 可以改善电网的无功平衡状况 从而提高电网的功率因数和运行性能及效益 大连理工大学电气工程系 第三节三相同步电动机的起动 三相同步电动机的主要缺点是自身没有起动转矩 即TST 0 因此无法自己起动 1 拖动起动法 2 异步起动法 3 变频起动法 第6章同步电动机的电力拖动 大连理工大学电气工程系 1 拖动起动法 6 2三相同步电动机的起动 三相同步电动机磁极对数 p功率 PN 辅助电动机磁极对数 p功率 10 20 PN 大连理工大学电气工程系 2 异步起动法 起动过程 1 异步起动 励磁绕组不能开路 不能短路 需接限流电阻 RS 8 12 Rf 2 牵入同步 笼型起动绕组 Q2 6 2三相同步电动机的起动 大连理工大学电气工程系 3 变频起动法 6 2三相同步电动机的起动 第四节同步调相机 同步调相机 也称同步补偿机 利用不带机械负载的同步电动机改变励磁可以调节功率因数的原理 并联运行于电网上提供感性无功功率 提高功率因数 降低线路压降和损耗 提高发电设备的利用率和效率 一 调相机两种运行状态过励状态 欠励状态 同步调相机由于不带有功负载 运行只有两种状态 如图 a 为过励状态 领先于 吸收容性无功功率 即发出感性无功功率 如图 b 为欠励状态 落后于 吸收感性无功功率 二 调相机用途调相机向电网补充无功功率 根据其所在位置不同 补偿作用也不同 如图 调相机在负荷节点补偿 当负荷较大时 为了改善功率因素 同步补偿机应过励运行 当电网负荷很轻时 高压长输电线路将呈现较大的电容作用 使受端电网电压升高 此时 同步补偿机应运行在欠励状态 吸收电网中多余的无功功率 二 中间补偿如图 调相机在输电线路上进行补偿 发电机送到系统的功率为 当 减小时对稳定有利 因为 增加 角减小 稳定提高 当保持原过载能力时 输送的功率将增大 中间加补偿机相当于线路的 减小 提高了稳定性或增加输出 三 调相机特点 1 因不带机械负载 补偿机转轴可以比细 因为输出有功功率为零 忽略调相机本身的损耗 过励时 电流超前电压90 欠励时 电流滞后电压90 只要调节励磁电流 就能灵活地调节无功功率的性质和大小 电力系统在大多数情况下呈感性 故调相机通常都是在过励状态下运行 作为无功功率电源 提供感性无功 改善电网功率因数 保持电网电压稳定 2 由于没有稳定问题 xs可较大 使得气隙较小 励磁也较小 转子用铜量少 3 额定容量对应过励而言 4 也存在起动问题 一般利用异步起动 加起动绕组 水电站在枯水期间 水轮发电机可作调相运行 在同时有水轮机和汽轮发电机的电网 丰水期间 水轮发电机发有功功率 汽轮发电机作调相机运行 第五节特殊同步电动机 一 永磁同步电动机一般同步电机转子的励磁采是用电磁式 如果用永久磁铁来代替 则成为永磁同步电机 永磁同步电机即可作发电机也可作电动机 永磁同步电机作为发电机近年引起极大的关注 风力发电作为绿色能源之一 已在世界上和我国得到一定的应用 风力发电采用永磁同步发电机有重量轻 可靠性和效率高的优点 磁钢是永磁同步电机的关键材料 永磁材料近年来的开发很快 现有铝镍钴 铁氧体和稀土永磁体三类 根据永磁同步电动机结构原理图如图17 8 可以设计出不同结构的转子 图17 9为凸极式转子结构 结构灵活 不同的转子结构往往带来自身性能上的特点 因而稀土永磁同步电动机可根据使用需要选择不同的转子结构形式 图17 9不同励磁形式同步电动机转子的一个极矩的横截面 17 8永磁同步电动机结构示意图1 转轴2 轴承3 端盖4 定子绕组5 机座6 定子铁心7 转子铁心8 永磁体9 起动笼10 风扇11 风罩 与电磁式同步电动机相比较 稀土永磁同步电动机具有的优点 稀土永磁同步电动机无需电流励磁 不设电刷和肩环 因此结构简单 使用方便 可靠性高 由于上述结构的特点 使得稀土永磁同步电动机转子上无励磁损耗 无电刷和滑环之间的磨擦损耗和接触电损耗 因此 稀土永磁同步电动机的效率比电磁式同步电动机要高 并且其功率因数可以设计在1 0附近 稀土永磁同步电动机在一定功率范围内 可以比电磁式同步电动机具有更小的体积和重量 二 步进同步电动机 步进电动机是一种将电脉冲信号转换为角位移的控制微电机 可在各种数控系统中作可执行元件 可在宽广的范围内调速 在负载能力范围内 其角位移的定位精度无积累误差 特别适用于开环数控系统中 步进电动机按其工作原理来分 主要有磁电式和反应式两大类 这里介绍常用的反应式步进电动机的工作原理 步进电动机是一种将电脉冲信号转换为角位移的控制微电机 可在各种数控系统中作可执行元件 可在宽广的范围内调速 在负载能力范围内 其角位移的定位精度无积累误差 特别适用于开环数控系统中 步进电动机按其工作原理来分 主要有磁电式和反应式两大类 这里介绍常用的反应式步进电动机的工作原理 上图表示一台三相反应式步进电动机 定子为三相绕组 每相有两个磁极 三相绕组为Y接法 转子铁心及定子极靴上均有小齿 且定 转子齿距相等 图中转子齿数为40 因此每一齿距对应的空间角度为 B C两相与A相相差120和2400 通过计算可知B极和C极正中的齿超前转子14号齿和27号齿的距离分别为1 3齿和2 3齿距 首先有一相线圈 设为A相 通电 于是建立如图17 11 a 磁场 由于转子力求整个磁路磁阻最小 转子1号齿对准磁极A极轴 然后 A相断电 B相通电 则磁极A的磁场消失磁极B产生了磁场 如图17 11 b 磁极的磁场把离它最近的14号齿吸引过去 14号齿对准磁极B极轴 这时转子逆时针转了30 再接下去B相断电 C相通电 如图17 11 c 根据同样道理 转子又逆时针转了3 27号齿对准磁极C极轴 若再A相通电 C相断开 那么转子再逆转3 使转子1号齿对准磁极A极轴 定子各相轮流通电一次转子转过一个齿 这样按A B C A B C A 次序轮流通电 步进电动机就一步一步地按逆时针方向旋转 通电线圈每转换一次 步进电动机旋转3 我们把步进电动机每步转过的角度称之为步距角 如果把步进电动机通电线圈转换的次序倒过来换成A C B A C B 的顺序 则步进电动机将按逆时针方向旋转 所以要改变步进电动机的旋转方向可以在任何一相通电时进行 步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机 传统电动机作为机电能量转换装置 在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用 可是在人类社会进入自动化时代的今天 传统电动机的功能已不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求 为适应这些要求 发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统 其中较有自己特点 且应用十分广泛的一类便是步进电动机 随着微型计算机和数字控制技术的发展 又将作为数控系统执行部件的步进电动机推广应用到其他领域 如电加工机床 小功率机械加工机床 测量仪器 光学和医疗仪器以及包装机械等 混合式步进电动机在当前很有发展前景 发展趋势之一是继续沿着小型化的方向发展 随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化 要求与之配套的电动机也必须越来越小 发展趋势之二是改圆形电动机为方形电动机 由于电动机采用方型结构 使得转子有可能设计得比圆形大 因而其力矩体积比将大为提高 发展趋势之三对电动机进行综合设计 即把转子位置传感器 减速齿轮等和电动机本体综合设计在一起 这样使其能方便地组成一个闭环系统 因而具有更加优越的控制性能 发展趋势之四向五相和三相电动机方向发展 目前广泛应用的二相和四相电动机 其振动和噪声较大 而五相和三相电动机具有优势性 而就这两种电动机而言 五相电动机的驱动电路比