Chpt_5[1].4__同步电机原理.ppt

5.4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,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。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。,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。,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,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,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,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，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。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。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,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。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。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,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。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,Fa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。,f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,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。,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,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,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