第六章 同步电机

第六章同步电机,中国石油大学（华东）信控学院赵仁德,什么是同步电机？,同步是相对于异步而言，是指这种电机在正常工作时，电机的转速始终保持同步速不变。而不是像异步电机一样，转速随负载的变化而变化。,我们目前所用的电能，99%以上是同步发电机发出来的。,为什么要学习同步电机？,电励磁的同步电机可以通过改变励磁来调节功率因数，可以运行于功率因数为1的状态，甚至可以超前。,永磁同步电机不需励磁，没有励磁损耗，也不需从电网吸收无功，效率和功率密度非常高，是一种非常有潜力的电机。,不足：,成本较高，难起动，存在失步问题，永磁存在失磁问题，电励磁存在滑环和电刷，可靠性不如感应电机。,6-1基本工作原理和结构,一、基本工作原理,电动机简化模型,只有同步时才能产生平稳的电磁转矩，即正常运行时转子处于同步转速。,感应电动机增加负载以后，转速会下降，重新达到平衡。同步电动机转速不下降，如何达到新的平衡？,电磁转矩的大小与两磁场夹角有关。,真实的同步电动机，两个旋转磁场分别由真实的旋转磁极和三相对称绕组中通入三相对称电流产生。即定子结构与感应电机完全一致，转子磁极是由直流电励磁或永磁磁极。,发电机简化模型,当发电机端接上三相对称负载，定子就有三相电流流通，发电机就将轴上输入的机械能转换成电能向负载输出。,电枢,将机电能量转换的枢纽，称为电枢。与主磁极相对应。直流电机、感应电机、同步电机不相同。,电枢电流在三相对称绕组中流通，会不会形成一个旋转磁场？转速如何？转向如何？,电枢产生的旋转磁动势与磁极的励磁磁动势以相同的转速和转向旋转，在空间中相对静止。可以合成。,合成气隙磁动势也是以同步速旋转，但与旋转磁极所建立的磁动势在大小和相位上已不同。这种变化称为电枢反应。,二、基本结构,定子、气隙、转子，一般都采用转极式。定子的结构和绕组形式与感应电机定子基本一样。铁芯也是由硅钢片叠成。,定子,转子有隐极式和凸极式两种。,隐式是指转子磁极铁芯表面是个圆，气隙均匀，而凸极式，则气隙不均匀。前者转子铁芯用整块合金钢锻造而成，适用于高转速的汽轮发电机，轴长，电机外径小，转子励磁线圈匝数少，导线粗，电流大。,下好线的转子,大型汽轮发电机完工后的转子,为什么可以用整块钢而不是用硅钢片来用作转子铁芯？,电机稳定运行时，转子铁芯中的主磁通不变。不会产生涡流和磁滞损耗。,凸极同步电机的转子由主磁极、磁轭、励磁绕组、滑环和转轴构成。通常在转子极靴槽内还嵌放阻尼绕组，阻尼绕组由槽内的铜条和端部短路铜环焊接而成，防止运行中的振荡和用作起动绕组。,主磁极铁心的构成,一般用作水轮发电机，转速慢，极对数多，轴短，电机外径大。,三、同步机的额定值,(1)额定容量SN和额定功率PN,额定容量SN是指同步发电机输出的额定视在功率，单位kVA或MVA,PN是指输出的额定有功功率，对发电机而言是输出的额定有效电功率，对电动机而言，是指轴上输出的有效机械功率。单位kW或MW,对于三相同步发电机：,对于三相同步电动机：,6-2同步电机的电枢反应,负载时，对称三相电枢绕组中流过对称三相电流,圆形旋转的基波磁动势，转向与转子磁极相同，转速为同步速,所谓电枢反应，就是电枢电流产生的磁动势对气隙中的主磁场产生的影响。,会改变由主磁极励磁磁动势形成的气隙磁场的分布，气隙磁场由与合成的气隙磁动势建立，与转子励磁磁动势所产生的磁场不同，磁场产生的感应电动势也不同。,这种负载时电枢磁动势对主极基波磁场的影响称为电枢反应。,电枢反应与电流的大小、主磁路的饱和程度有关，与电枢磁动势与励磁磁动势在空间中的相对位置有关，还与转子结构有关。,正方向的规定：,电流与由其产生的磁动势符合右手螺旋关系，磁动势与磁通方向相同。,感应电动势的正方向与产生它的磁通的正方向不符合右手螺旋关系。与电流方向相反，为反电势。,对吗？,为便于分析，假设磁路不饱和，不考虑铁耗，转子为隐极，则电枢反应决定于电枢磁动势基波的大小及其与励磁磁动势基波在空间中的相对位置。,在时空矢量图中，电枢磁动势矢量与产生它的电枢电流同相位，而若不计铁耗，则基波励磁磁动势矢量与励磁磁通同相位，而由励磁磁通产生的励磁电动势则超前90度电角度。,电枢电流与励磁电动势之间的相位差就决定了电枢磁动势与励磁磁动势在空间中的相对位置。,与直流电机相同，主磁极的轴线为直轴，称为d轴，与主磁极轴线正交的轴线为交轴，称为q轴，一般来说，规定q轴滞后于d轴90度电角度。,与直流电机不同的是，由于直流电机的主磁极不动，所以，交直轴是不动的，但同步电机的交直轴随主磁极旋转而旋转,注意，轴线关系是根据统一矢量重合的先后顺序定的，而物理量的相位关系则是由它们在空间中的前后关系决定。,一、电枢电流和励磁电动势同相位时的电枢反应,各相绕组的轴线方向与该相绕组的电流正方向符合右手螺旋关系。,直轴即主磁极轴线，方向与磁力线方向相同，交轴与直轴垂直，且滞后90度电角度。主磁极旋转，dq轴也以相同的转速旋转，励磁电动势同步旋转，且超前于主极磁通90度电角度，始终在交轴上。,电枢电流与励磁电动势同相位，也是在交轴上，由其产生的电枢磁动势也在交轴上。,电枢反应使气隙合成磁动势的轴线向前移了一个电角度，幅值有所增加。,此时感应电动势瞬时值的方向？电枢电流的瞬时值方向？,参考方向相反，相位相同，瞬时值的方向恰好相反。,此时电磁转矩的方向及电机的运行状态？,先判断电枢导体受力，根据作用与反作用，磁极受力恰好相反。也可以根据e与i的乘积的符号确定。交轴电枢电流产生电磁转矩。,不计饱和时，直流电机的交轴电枢反应是去磁还是助磁？计及饱和呢？,不助磁也不去磁，去磁。,为什么不计饱和，同步电机的交轴电枢反应会助磁呢？,由于电刷和换向器的作用，使得电流的流向以电刷为分界，有效的每极磁通中的“每极”所包含的范围是固定的，而同步电机则不是。,二、电枢电流滞后于励磁电动势一个锐角时的电枢反应,Iq产生的磁动势是交轴磁动势，作用与前面一样。Id产生的是直轴磁动势，是助磁还是去磁？,如果电枢电流的大小、频率不变，那么Id和Iq是正弦量还是一个固定的常数（直流量）？,常数（直流量）！,三相对称正弦量每一相的瞬时值可以用一个在复平面中恒速等幅旋转的统一时间相量在三相参考轴上的投影来表示。,因为三相参考轴不正交，所以在三相ABC坐标系下描述三相对称正弦量的统一时间相量在时空矢量图中的运动，很不方便。通常用两种直角坐标系来描述统一时间相量。一种是静止直角坐标系(坐标系)，一种是同步旋转直角坐标系(dq坐标系)。,在两相静止坐标系中，统一相量在两轴上分量仍为交流。但在同步旋转坐标系中，两个分量是直流。,交流电机之所以难分析、难控制，就是因为我们面对的是交流量，不仅仅要考虑物理量的大小关系，而且还要考虑相位关系。,如果通过选择合适的参考坐标系，将交流量的复杂关系变成直流量的简单的大小关系，对于分析交流电机的运行及对其进行控制，甚至对于整个电气领域的其它问题的分析都是很有意义的。实际上，一百多年以前，这一思路及理论分析就已成熟。,将ABC坐标系中的正弦量，先变换成坐标系下的量(Clarke变换或3S/2S变换或3/2变换)，再变换成dq坐标系下的量(PARK变换或3S/2r变换或同步旋转坐标变换），进行分析计算，最后得到的结果再经过反变换，变换到ABC坐标系中的量。,变换过程中，统一时间相量是纽带。,直轴电枢电流对电磁转矩的贡献,Id在A轴上的投影为0，此时尽管A相导体处于磁密最大位置，但不产生电磁转矩。,Id在B、C轴上的投影为不为0，但产生的电磁转矩之和为零。是不是意味着对电磁转矩没有贡献？,直轴电枢电流不直接产生电磁转矩，但影响磁场，通过影响磁场影响电磁转矩。,直轴电枢电流与励磁磁动势方向相同，起助磁作用。,如果主磁路不饱和，磁密增大，在相同交轴电流情况下，电磁转矩增大。但如果主磁路已接近饱和，磁密增加很小，直轴电流对电磁转矩贡献很小。,交轴电枢反应对电磁转矩的贡献,此时，电机吸收还是发出无功？,助磁，肯定是从电网吸收无功；关联参考方向下的电流滞后于电压降。,电机从电网吸收无功，也吸收有功。,三、电枢电流超前于励磁电动势一个锐角时的电枢反应,交轴电枢反应与前面一样，助磁，产生驱动性质电磁转矩。,直轴电枢反应起去磁作用，尽管不直接产生电磁转矩，但它的去磁作用会对电磁转矩产生间接影响。,去磁，应向电网发出无功，从图中也可以看出。,当电枢电流与励磁电动势之间的夹角为锐角时，电枢磁动势超前于励磁电动势，电机交轴电枢电流产生驱动性质电磁转矩，电机处于电动状态。,何时处于发电状态？,当电枢电流与励磁电动势之间的夹角为钝角时，电枢磁动势滞后于励磁电动势，电机交轴电枢电流将产生制动性质的电磁转矩，电机处于发电状态。,四、双反应理论,气隙磁动势是由电枢磁动势与励磁磁动势的合成，当电机为隐极，气隙均匀，若不计饱和，可根据气隙磁动势求出气隙磁场的分布。,当电机为凸极，气隙不均匀，无法用解析表达式来求解。双反应理论应运而生。,利用合成磁动势的方法走不通，在不计磁路饱和的情况下，先把交直轴电枢磁动势及励磁磁动势各自形成的磁场分别求出来，然后把我们所关心的基波磁场的效果进行叠加。这种分别计算交轴和直轴电枢反应的方法，就是双反应理论。,类似于电路中的叠加原理。,课堂练习：6-1，6-3，6-5,作业：6-4，,6-3同步电动机的电动势平衡方程式、同步电抗和相量图,一、隐极同步电动机的电动势平衡方程式、同步电抗和相量图,不计磁路饱和，可分别计算励磁磁动势产生的磁场及磁场产生的感应电动势；考虑饱和，应先进行磁动势合成，再求出相应的气隙合成磁通和气隙电动势。,电压平衡方程式,与参考方向相反,等效电路非常简单，但还不够理想，因为气隙电动势与电流有一部分关系，最好能用电流表示。,Xa为电枢反应电抗，相当于感应电机的励磁电抗，当磁路不饱和时，Xa为常数。,Xt为隐极同步电机的同步电抗,大容量的同步电机，电枢电阻很小，一般不计，等效电路可简化。,不计铁耗，与同相位，与同相位，与符合左手螺旋关系，超前90度电角度，即超前90度电角度。,已知：、和Ra、Xa、X。,注意：,(1).角度的定义与它们之间的关系,为电枢电流与励磁电动势之间的夹角,端电压与电枢电流之间夹角为功率因数角，气隙电动势与电枢电流之间的夹角为内功率因数角。,端电压与励磁电动势之间夹角为功率角，气隙电动势与励磁电动势之间的夹角为内功率角。,不是简单的角度相加，要根据相应的关系判断角度的正负。,(2).各量在dq轴投影之间的关系,(3).多个直角三角形共底边,二、凸极同步电动机的电动势平衡方程式、同步电抗和相量图,磁路不饱和时，根据双反应理论，可分别求出交、直轴励磁磁动势及它们分别产生的基波磁通和感应电动势，将感应电动势进行叠加。,正方向的规定如图所示，电流与由其产生的磁动势符合右手螺旋关系。,不计铁耗，与同相位，与同相位，与符合左手螺旋关系，超前90度电角度，即超前90度电角度。,同理，超前于90度电角度。,Xad为直轴电枢反应电抗，Xaq为交轴电枢反应电抗。,电抗与哪些量有关系？,频率、磁路的磁导、匝数,课堂练习：6-7,直轴磁路的气隙小，磁阻小，故直轴电枢反应电抗比交轴电枢反应电抗大。,为凸极同步电机的直轴同步电抗,为凸极同步电机的交轴同步电抗,对于隐极同步电机，气隙均匀，电枢电流不需要分解成直轴和交轴，同步电抗也相等。,已知：、和Ra、Xd、Xq、X，画相量图。,已知，但和未知，无法直接求,如何才能求出两个电流分量？,最好能知道dq轴与电流之间的夹角，d轴与励磁磁动势及励磁磁通重合，而励磁电动势则与q轴重合。,有没有其它物理量与dq轴重合？,在交轴上，也在交轴上，所以也在交轴上，则电枢电流与交轴的相位关系可以确定，交直轴电流也可求出。,注意：,(1).角度的定义与它们之间的关系,端电压与电枢电流之间夹角为功率因数角，气隙电动势与电枢电流之间的夹角为内功率因数角。,端电压与励磁电动势之间夹角为功率角，气隙电动势与励磁电动势之间的夹角为内功率角。,课堂练习：6-14、9,(2).各量在dq轴投影之间的关系,为电枢电流与励磁电动势之间的夹角,(3).直角三角形之间的关系,不是简单的角度相加，要根据相应的关系判断角度的正负。,6-4同步电动机的功角特性、矩角特性和有功功率调节,同步电机跟直流电机和感应电机的不同之处是，当负载变化时，它的转速始终是同步速不变，而是气隙旋转磁场和励磁磁场的夹角即内功率角发生变化。对于同步电机，输出功率及转矩与内功率角的关系很重要。忽略定子漏阻抗上的压降，内功率角即为功率角。,一、功角特性与矩角特性,电磁功率PM与功角之间的关系称为功角特性,电磁转矩T与功角之间的关系称为矩角特性,电磁功率PM与电磁转矩T有何关系？,从等效电路上看，电网的输入功率，除了定子铜耗之外，绝大部分通过电磁感应作用传递到转子上，这部分功率就是电磁功率PM。,为内功率因数角,对于隐极电机，Xd=Xq=Xt,隐极同步电机的电磁功率只与q轴电流有关。,如忽略电枢电阻Ra及其损耗,基本电磁功率,附加电磁功率,隐极电机，只有基本电磁功率。,基本电磁转矩,附加电磁转矩、磁阻转矩、反应转矩,隐极同步电机，只有基本电磁转矩,当U和E0不变时PM和T的大小只取决于角。故将PM=f()和T=f()分别称为功角特性和矩角特性，简称为功（矩）角特性。,凸极同步电机在E0=0，即If=0时，仍然有附加的磁阻转矩存在，有一些小功率的同步电机利用这一特点，转子省去励磁绕组，利用磁阻转矩进行工作。这一类电机称为磁阻同步电动机或反应式同步电动机。,功率角是同步电动机运行的一个重要参数，当角为正时，电机运行在电动状态，U超前于E0，即气隙合成磁场超前于转子励磁磁场。当角为负时，表示电机运行在发电状态，U滞后于E0，气隙合成磁场滞后于转子励磁磁场。,内功率角即为与，转子励磁磁动势与气隙合成磁动势之间的夹角。,当忽略定子电阻和漏抗,转矩平衡方程式：,课堂练习：6-12，6-13，6-16,若：，则电枢中只有直轴电流。,二、有功功率的调节和静态稳定,同步电动机空载运行且不计损耗,E0U时，电枢电流是助磁还是去磁？E0U呢？,同步电动机的有功功率调节，取决于总的负载转矩的变化，电动机会自动改变角，调整从电网吸收的有功功率，以达到新的功率和转矩平衡。,对于隐极同步电动机，当=90度时，有最大的电磁功率和电磁转矩，分别称为隐极同步电机的极限功率和极限转矩。,过载能力,隐极同步电机增大气隙，使Xt减小(仍保持气隙磁通不变）或增大励磁使感应电动势增大，可提高过载能力。,凸极同步电机附加转矩的存在，使得其过载能力较隐极的大。,负载转矩或电网发生微小扰动时，当扰动消失后能否回复到原来的稳定运行状态，或在负载变化后能否达到新的稳定运行状态，如能回复或达到，就是静态稳定，否则，就是不稳定。,运行于A点，负载增大，功率角增大，电磁转矩增大，从而达到新的平衡。稳定。,运行于B点，负载增大，功率角增大，电磁转矩减小，不能达到新的平衡。不稳定。,静态稳定的条件为：,或,通常用比整步转矩和比整步功率来表示同步电动机抗干扰能力的强弱。,实际上是矩角与功角特性曲线的斜率。,对于隐极同步电机,稳定运行能力下降,对于凸极同步电机,和,的点对应的,在功率角小于45度时，在相同的功率角下，凸极同步电机的比整步转矩和比整步功率较隐极同步电机大。,凸极同步电机的稳定运行的功率角范围较隐极同步电机小。,过载能力较隐极的大，同步电动机大都做成凸极式。,课堂练习：6-19,6-5同步电动机的无功功率调节,同步电机的一个很大的优点就是可以调节从电网吸收的无功功率。当同步电机的电枢电流超前于励磁电动势一个锐角时，即直轴电枢反应是去磁时，电机向电网发出感性(滞后)无功或从电网吸收容性(超前)无功。可以利用这一特点，来进行无功补偿。,无功补偿装置应装在电站附近还是装在用户附近？课后6-22。,如何来调节同步电机的无功功率？,电枢电流？端电压？Xt？E0？,电枢电流是结果，端电压是电网电压，同步电抗是电机参数，不可调。只有E0可调。,调节转子励磁电流即可调节E0。转子励磁电流对电枢电流有何影响？,一、无功功率调节：,电网电压不变，气隙电动势近似不变，气隙磁场近似不变，转子励磁电流变化，有改变气隙磁场的趋势，电枢电流会产生相应的变化来阻止气隙磁场的改变。从而改变从电网吸收的无功功率。,恒转矩运行，不计定子铜耗,常数,常数,当磁路不饱和时,最小的E0对应的是功角为90度时。此时处于静态稳定极限。,当励磁电流大于正常励磁电流时，称为过励，小于正常励磁电流时，称为欠励。,过励时，需电枢反应去磁，向电网发出无功。欠励时，需电枢反应助磁，从电网吸收无功。,过励,欠励,当=0，cos=1，电机只从电网吸收有功，而不吸收无功，定子电流因无无功分量而最小，此时励磁状态称为正常励磁。,二、V形曲线,在保持负载转矩Tz和电机端电压U不变的条件下，改变If测出对应的电枢电流I，将I=f(If)画出，得到同步电动机的V形曲线。对应每一恒定电磁转矩，都可以作出一条V形曲线。,特点：,(1)随负载转矩增大，曲线向上移动。,(2)每条曲线最低点，cos=1。为什么？,相同负载转矩和端电压情况下，此时定子电流最小。,把不同转矩下功率因数为1的点连起来，得到一条向右倾斜的曲线。在这条曲线上对应的励磁为正常励磁。而在曲线的右边为过励，超前，左边为欠励，滞后。,在欠励区，=90度所对应的虚线为静态稳定极限。,为何向右倾斜？,意味着随负载转矩的增大，要保证功率因数为1，励磁电流要增大。,(3)If不变，仅改变负载转矩，这时电机吸收的有功功率、无功功率、功率因数、功率角都随之改变。,增大负载转矩，它们将如何变化？,E0不变，有功功率和功角都增大。,功率因数如何变化？课后6-17。,过励时，先增大，后减小，由超前变为滞后。,欠励时，先增大，后减小，均为滞后。,端电压不变，励磁电动势相量大小不变，但与的夹角增大。,(4)为了改善电网的功率因数，提高过载能力和运行的稳定性，同步电动机大都运行在过励状态，即功率因数超前。额定功率因数多设计为0.8(超前)或1。,不带机械负载运行于空载状态，专门用来改善电网功率因数的同步电动机，称为同步调相机或同步补偿机。,例：6-1第一问。课堂练习：6-20,6-6同步电动机的起动,当转子转速即转子磁场的转速与定子磁场转速不相等时，功率角将随时间变化而变化，以两极电机空载起动为例：,电机转速始终在零速附近脉振，升不起来。同步电动机不能依靠同步转矩起动，必须借助其它起动方法。,一、起动方法,辅助电动机起动、变频起动、异步起动,辅助电动机起动：选用极数与同步电动机相同，功率为主机功率的（1015）%的异步电动机，将主机拖动到接近同步转速时，将同步电动机接入电网，同步电机利用自同步法进入同步运行。再卸掉异步电动机。只适用于同步电动机的空载起动。,变频起动：采用变频电源，起动频率很低，利用同步电磁转矩将电动机起动起来，逐渐升高频率，转子转速将随定子转转磁场转速的升高而同步地上升，直到额定频率。必须采用变频电源，且励磁机为非同轴的。,异步起动：利用阻尼绕组作为起动绕组，产生异步电磁转矩将电动机起动，等电机的转速升到接近同步速，再接入励磁，利用同步转矩将转子牵入同步。,二、异步起动过程,(1)异步起动时，励磁绕组切忌开路，否则因转差率很大，励磁绕组匝数又多，将在其中感应出危险的高电压，使励磁绕组击穿或引起人身事故。,(2)励磁绕组也不能直接短路，否则励磁绕组(相当于集中的单相绕组)中感应电流较大，与气隙磁场相