电机学52_同步电机的运行原理

1、1 第二章第二章 变变 压压 器器 第一章第一章 绪绪 论论 第五章第五章 同同 步步 电电 机机 第四章第四章 异异 步步 电电 机机 第三章第三章 交流电机的基本理论交流电机的基本理论2 第二章第二章 变变 压压 器器 第一章第一章 绪绪 论论 第五章第五章 同同 步步 电电 机机 第四章第四章 异异 步步 电电 机机 第三章第三章 交流电机的基本理论交流电机的基本理论3n了解同步电机的用途和主要分类n熟练掌握同步电机的基本工作原理n熟悉同步电机的基本结构，熟练掌握隐极和凸极电机的结构特点n熟练掌握同步电机的额定值n熟练掌握同步发电机标幺值系统学习目标学习目标4定义：定义： 同步电机是指电

2、机转子的转速与磁场转速相同的交流电机。同步电机的转速为运用范围：运用范围： n同步电机主要用来作为发电机运行；n同步电机也可作为电动机应用，用于拖动生产机械，一般使用在不需要调速的低速大功率机械中；n此外，同步电机还可以作为同步补偿机，他能够专门用来向电网输送感性和容性无功功率。pfnn10605678l同步发电机按同步发电机按原动机原动机分类分类91011121314n同步电机的定子和异步电机相同，定子铁芯上有齿和槽，槽内设置三相绕组。转子上装有磁极和励磁绕组。同步电机的磁极通常装在转子上，而电枢绕组放在定子上，通常称为旋转磁极式电机旋转磁极式电机。n旋转磁极式电机同步电机的转子有凸极凸极和

3、隐极隐极两种结构形式。n用汽轮机作为原动机来拖动的称为汽轮发电机汽轮发电机，一般采用隐极式隐极式结构；用水轮机作为原动机来拖动的称为水轮发电机水轮发电机，一般采用凸极式凸极式结构。同步电动机、由内燃机拖动的同步发电机以及同步补偿机同步补偿机大多做成凸极式。15l定子 同步电机的定子大体上和异步电机相同，是由铁芯、绕组、机座以及固定这些部分的其他构件组成。l转子 （以同步发电机为例） 1、汽轮发电机转子结构 现代汽轮发电机一般都是二极的，同步转速为3000或3600r/min。这是因为提高转速可以提高汽轮机的运行效率，减小整个机组的尺寸、降低机组的造价。转子不能做得过大，所以汽轮发电机的直径较小

4、直径较小，长度较长长度较长。汽轮发电机均为卧式结构卧式结构。 2、水轮发电机转子结构 大型水轮发电机通常都是立式立式结构结构，它的转速低、极数多，要求转动惯量大，故其特点是直径大直径大、长度短长度短。1617同步电机的额定值（铭牌值）由以下几种：l额定容量额定容量 或额定功率或额定功率l额定电压额定电压 是指同步电机在额定运行时其定子三相的线电压l额定电流额定电流 是指同步电机在额定运行时流过其定子绕组的线电流同步发电机同步电动机同步调相机额定容量发电机出线端的额定视在功率（VA）额定功率发电机输出的额定有功功率（电功率）（W）转轴上输出的有效机械功率（W）发电机出线端输出的无功功率（Var）

5、NSNPNUNI18l额定功率因数额定功率因数 是指同步电机在额定运行时的功率因数。l额定效率额定效率 是指额定运行时的效率。l额定转速额定转速 和额定频率额定频率 是指同步电机运行时的转速（r/min）和定子绕组中电流与电压的工作频率（Hz）。l额定励磁电压额定励磁电压 和额定励磁电流额定励磁电流 是指同步电机额定运行时加到励磁绕组上的直流电压和电流。NnNcosNNNNNNNIUSPcos3cos13cosNNNNNNNPPU I n发电机n电动机NffNUfNI1(NP -额定输入功率）19202122232425n同步电机运行时，必须在其转子励磁绕组中通入直流电流，以便建立磁场，这个直

6、流称为励励磁电流磁电流，供给励磁电流的整个系统称为励磁系励磁系统统。励磁系统是同步电机的重要组成部分，励磁系统和励磁元件的性能对电机的运行性能有重要影响。n分类，励磁系统主要有两大类： 一类是直流发电机作为励磁电源的直流励磁机直流励磁机励磁系统励磁系统； 另一类是用整流装置将交流变成直流后供给励磁的交流励磁机整流励磁系统交流励磁机整流励磁系统。2627空载运行时，电枢电流为零，仅有由励磁电流所建立的主极磁场。主极磁通主极磁通分为主磁通主磁通和主极漏磁通主极漏磁通，主磁通所经过的路径称为主磁路，主磁路，包括：空气隙、电枢齿、电枢轭、磁极极身和转子轭五个部分。 主极磁通是否通过气隙 交链主磁通通过

7、于定子绕住相交链主极漏磁通不通过仅与励磁绕组相交链0f28 当转子以同步转速旋转时，主磁场就在气隙中形成一个旋转磁场，它“切割”对称的三相定子绕组后，就将在定子绕组内感应出频率为 的一组对称三相空载电动势：忽略高次谐波时，励磁电动势的有效值为 式中： 为每极的主磁通量12000EEC00120BEE011044. 4wkfNE000AEE f0293031323334定义定义磁极磁动势的基波分量振幅 与实际磁动势最大幅值 之比为 ，称为电机的励磁磁动势波励磁磁动势波形系数形系数，即 隐极式同步电机的转子绕组为分布绕组，在每极下有一个大齿和若干个小齿，转子磁动势的空间分布波形为阶梯波形，如下图所

8、示，幅值为 （其中 为励磁电流， 为励磁绕组的每极匝数） fffNIF fIfNfffFFk11fFfFfkfx1fFfFff1ff大齿03536 凸极同步电机的绕组式集中绕组，它所产生的磁动势是矩形波，幅值为 ，基波分量的振幅为励磁磁动势的波形系数波形系数2sin41ffFF2sin4fkfF37383940414243444546474849n画在同一坐标平面上的时间相量图和空间矢量图称为时空矢量图时空矢量图。n参考轴的选取参考轴的选取是任意的。但一般 把相绕组轴线作为空间矢量参考轴 令时间相量参考轴与空间矢量参考轴重合 相绕组轴线相轴； 转子绕组轴线直轴； 与直轴正交（90度电角度）交轴

9、直轴相轴，交轴时轴, ,EI UF B 时间相量：空间矢量：112 f5051525354555657n空载：I0，Fa 0，气隙磁场只由转子电流产生；n负载时：I0，Fa 0，Fa对Ff的影响称电枢反应n同步电机电枢磁势与转子磁势间的相对位置取决于负载电流的性质。n同步和空载电势 电机输出电流 之间的相角 定义为内功率因数角内功率因数角。 时，电流 滞后于 ；n端电压 和 之间的相位角 称为外功率因数角外功率因数角 。 0EII0EIU05859606162 063646566Fa在交轴，所以称交轴电枢反应，因合成磁势 有增磁作用因为I、E同相，所以不发无功功率 90,000afaaaffF

10、FEFIEFI同方向与同方向，与定，有：相矢图中，按参考轴设aafFF0fFF067 同步发电机的剖面简图 磁势的空间展开图直轴相轴，交轴1fF1ABCXYZaFNSf01ABCXYZxNS1fFaF直轴交轴18068 Fa在交轴，所以称交轴电枢反应，因合成磁势 有增磁作用因为I、E反相，所以不发无功功率fFF18069 同步发电机的剖面简图 磁势的空间展开图直轴相轴，交轴1fF1ABCXYZaFNSf01ABCXYZxNS1fFaF直轴交轴A相轴907071 时间相量图 时空矢量图112 f时轴AE0AIBIBE0CE0CI相轴交轴时轴直轴112 f0EEaE01fFaIaF907273 同

11、步发电机的剖面简图 磁势的空间展开图直轴相轴，交轴1fF1ABCXYZaFNSf01ABCXYZxNS1fFaF直轴交轴9074 时间相量图 时空矢量图时轴112 fAE0AIBE0BICE0CI相轴，交轴时轴直轴112 f0EEaEaF1fFF0aI907576 ）性无功（吸收感性无功欠励状态发电机发出容发出容性无功，即：，超前电机运行于欠励状态基本为变，必须减小为保持为增磁电枢反应同相，合成磁势与称：直轴电枢反应在直轴，EIIFFFFFFfffaa. 4,. 3. 2. 1结论： 同步电机的运行方式可以由内功率因数角 来判断。 同步电机作为发电机运行时，转子磁场将较定子磁场超前 同步电机作

12、为电动机运行时，定子磁场将较转子磁场超前7778798081828384858687888990919293949596979899100101102 当不考虑磁路饱和现象时，认为转子磁场与电枢磁场分别在定子绕组中感应电势。转子感应的电势称为空载电势，用 表示；电枢磁场感应的电势称为电枢反应电势，用 表示。电磁关系如下：0EaEaaaafffr IEEEFIUStatorEFIURotor:00103二、电路方程 三、等效电路 等效电路，如右图所示。隐极同步发电机在稳态运行时的等效电路是简单的独立回路，没有次级侧回路和其它耦合回路。arIUaE0Exx I jr IUEEx I jEr IUE

13、EEaaaa00EE0或称合成电势：aEE 104n四、电枢反应电抗 比例系数是与电机结构有关的常数，称为电枢反应电抗电枢反应电抗 。写成相量形式：上式说明了电枢反应电抗的物理意义：可以把电枢反应磁场在可以把电枢反应磁场在定子每相绕组中所感应的电枢反应电势定子每相绕组中所感应的电枢反应电势 看成相电流所产生的一个看成相电流所产生的一个电抗电压降，这个电抗就是电枢反应电抗电抗电压降，这个电抗就是电枢反应电抗 。IpklkmfNEwa21204axIjxEaaaEaxIEEFIaaaa105五、 同步电抗定子回路电压平衡式改写为 其中 为同步电抗同步电抗 为同步阻抗同步阻抗实际应用中主要关心同步电

14、抗： 在计算同步电机的各种性能时， 一般仅需应用同步电抗； 测量同步电抗较为方便。 等效电路变化xxxassasjxrZUUararxax0E0EsxII隐极同步发电机 的等效电路saaajxrIUx I jx I jr IUE0106六、隐极发电机的相量图 同步电机的三个角：外功率因数角 内功率因数角 功角UEIEIU,107108109110111112113114115116117118119120121122123124125126127128129一、凸极同步电机的电枢反应双反应理论 由于凸极同步机的气隙不均匀，气隙各处的磁阻不同，在极面下的磁导大，两极之间的磁导小，所以在分析电枢反

15、应时，采用双双反应法反应法，即把电枢基波磁动势 分解为作用在直轴上的 和作用在交轴上的 ，还可以将电枢电流 分解为 和 ，即aFadFaqFcossinaaqaadFFFFIdIqIcossinIIIIqd130n二、电磁关系当不计磁路饱和现象时，在定子绕组中分别成立直轴电枢反应电势和交轴电枢反应电势。其基波分量不别记作 和 。aaqaqaqadadadfffr IEEEFEFIUStatorEFIURotor:00adEaqE131二、电路方程和等效电路则凸极同步发电机的定子绕组的电压平衡式为)(0jxrIUEEEEaaqadarx0EUadEaqEI132三、直轴与交轴电枢反应电抗和同步电

16、抗 （1）直轴电枢反应电抗、交轴电枢反应电抗比例系数是与电机结构有关的常数。n其中：xad、xaq分别称直轴电枢反应电抗，交轴电枢反应电抗qaqaqaqaqqdadadadaddIEEFIIEEFI,dadddwadIxIpkklkmfNE21204qaqqqwaqIxIpkklkmfNE21204133写成相量形式：(2)直轴同步电抗和交轴同步电抗 设为定子每相漏抗，则可把漏抗与电枢反应电抗合并，即 式中： 称之为直轴同步电抗直轴同步电抗， 称之为交轴同步电抗交轴同步电抗。addxxxaqqxxxdxqxdadadIjxEqaqaqIjxE134四、凸极发电机的相量图1. 定子绕组的电压平衡式若把电枢反应电势看作是电抗压降，则定子绕组的电压平衡式为 或 另：另：隐极同步电机可看作凸极同步电机的特例来看。因为隐极机 的气隙均匀，气隙磁场波的波形系数 。 ， 只需要用一个参数 来表示同步电抗。)(0jxrIUxI jxI jEaaqdadd)()(0aqqaddaxxI jxxI jr IUEqqddaxI jxI jr IU1qdkkaaqadxxxsqdxxxsx1352. 的方向平衡方程中加 、减0E 的方向可求得方向已知，同方向与