电机学 ch5 同步电机

1、2022-5-4河 海 大 学2 第第2 2章章 变变 压压 器器 第第1 1章章 绪绪 论论 第第5 5章章 同同 步步 电电 机机 第第4 4章章 异异 步步 电电 机机 第第3 3章章 交流电机的共同问题交流电机的共同问题 第第6 6章章 直直 流流 电电 机机2022-5-4河 海 大 学3 2022-5-4河 海 大 学4定义： 同步电机是指电机转子的转速与磁场转速相同的交流电机。同步电机的转速为一.基本类型与用途：主要用来作为发电机发电机运行；也可作为电动机应用，一般使用在不需要调速的低速大功率机械中；此外，可作为同步补偿机，向电网输送感性和容性无功功率。另外，从原动机分：汽轮发电

2、机、水轮发电机基本类型：用途；结构特点；通风方式；冷却方式；原动机形式；励磁方式 pfnn10602022-5-4河 海 大 学5二、同步电机的基本结构形式同步电机一般由定子、转子、端盖和轴承等部件构成。n同步电机的定子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。n转子转子上装有磁极和励磁绕组。n同步电机的磁极通常装在转子上，而电枢绕组放在定子上，通常称为旋旋转磁极式电机转磁极式电机。旋转磁极式电机同步电机的转子有凸极凸极和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

3、采用凸极式凸极式结构。n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。2022-5-4河 海 大 学6二、同步电机的构造特点（一） 汽轮发电机 转子：隐极式 根据电机设计的原理，旋转电机的容量大约与转子直径的平方和电机的轴向长度的乘积成正比。细长的圆柱体高机械强度和导磁性较好的合金钢锻造小齿、大齿、通风槽开口槽励磁绕组获得励磁电流的方式，称为励磁方式：励磁方式：直流励磁机励磁、静止整流器励磁和旋转整流器励磁等。2022-5-4河 海 大 学72022-5-4河 海 大 学82022-5-4河 海 大 学9二、同步电机的构造特点（一） 汽轮发电机 定子：导磁的铁心、

4、导电的绕组、部件。薄的硅钢片叠装1米错缝开口槽线圈：多股铜线绕制股线之间需要进行编制换位槽楔机座一般是由钢板拼焊2022-5-4河 海 大 学10二、同步电机的构造特点（二） 水轮发电机利用水的位能由水轮机带动的同步发电机叫水轮发电机凸极式的转子立式的结构推力轴承 悬吊式：稳定性好，转速高 伞式：厂房低，低速磁极冲片叠装，励磁绕组由扁铜线绕制，阻尼绕组导轴承分瓣安装制动器2022-5-4河 海 大 学11二、同步电机的构造特点（三） 中小电机容量在几十、几百到几千千瓦的同步电机卧式硅钢片叠装铁心外径小于1米时，用整圆冲片；大于1米时，用扇形片。大容量高电压多用开口槽；小容量低电压多用半闭口槽转

5、子多做成凸极式励磁绕组，（除几十千瓦以下的）扁铜线两种支承方法：一种是座式轴承；一种是端盖轴承。轴承也有两种：滑动轴承与滚动轴承2022-5-4河 海 大 学12二、同步电机的构造特点-总结（一）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。（二）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。

6、 2、水轮发电机转子结构 大型水轮发电机通常都是立式结构立式结构，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、长长度短度短。2022-5-4河 海 大 学132022-5-4河 海 大 学142022-5-4河 海 大 学15三、同步电机的额定值同步电机的额定值（名牌值）由以下几种：（1）额定容量额定容量 或额定功率或额定功率（2）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（4）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）转轴上输出的有效机械功率（W）发电机出线端输出

7、的无功功率（Var）额定功率发电机输出的额定有功功率（W）NSNPNUNI2022-5-4河 海 大 学16（4）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。（5）额定效率额定效率 是指额定运行时的效率。（6）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）。（7）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。NcosNNNNNNNIUSPcos3cosNNNNNIUPcos3(对三相交流发电机)(对三相交流电动机)NnNffNUfNI2022-5

8、-4河 海 大 学17n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，这个直流称为励磁电流励磁电流，供给励磁电流的整个系统称为励磁系统励磁系统。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励磁系直流励磁机励磁系统统； 另一类是用整流装置将交流变成直流后供给励磁的交交流励磁机整流励磁系统流励磁机整流励磁系统。2022-5-4河 海 大 学181、直流励磁机励磁系统 直流励磁机通常与同步发电机 同轴，当发电机转起来以后， 励磁机就可以为其供给直流电 流。最常用的是

9、直流并励发电机（直流并励发电机（如图所示）； 直流他励发电机直流他励发电机； 直流复式励磁发电机直流复式励磁发电机。2、交流励磁机整流励磁系统 当发电机容量较大时，由于换向困难不适宜采用直流励磁机，这时一般采用交流励磁机与整流装置相配合来共同构成励磁系统。GfUtrfiffLR ,2022-5-4河 海 大 学19根据装置的放置位置可以分为静止整流励磁和旋转整流励磁两种1）静止整流励磁 静止整流励磁分为他励式和自励式两种，下图为他励式静止整流 励磁系统。 1发电机；2交流主励磁机；3交流副励磁机；4硅整流机； 5可控硅整流机；6自动电压调整器 （主励为100Hz同步发电机，副励为500Hz中频

10、同步发电机）2022-5-4河 海 大 学20他励式静止整流器励磁系统n原理：原理：主励(2)经整流(4)向发电机(1)提供If ;主励的励磁电流由副励磁机(3)提供n优点优点：运行、维护方便，用硅整流代替换向器不仅提高了励磁容量，而且大大提高了发电机运行可靠性；n缺点缺点：接线设备复杂，起动时需要另外的直流起励电源向副 励磁机供给励磁电流。自励式系统n优点优点：便于维护，电压稳定性较高，动态特性好。2022-5-4河 海 大 学212）旋转整流励磁 旋转电枢式。 交流主励磁机:电枢、整流装置与主发电机的励磁绕组均装设在同一旋转体上，不需要集电环和电刷装置，所以这种系统又称为无刷励磁系统无刷励

11、磁系统。 1交流副励磁机；2交流主励磁机；3同步发电机； 4自动电压调节器2022-5-4河 海 大 学22旋转整流励磁系统n优点优点：由于取消了电刷和集电环，所以这种励磁方式的运行比较 可靠可靠，维护简单，尤其适合于要求防燃、防爆的特殊场合。n缺点缺点：发电机励磁回路的灭磁时间常数较大，对迅速消除主发电 机的内部故障不利；转子绕组保护困难。2022-5-4河 海 大 学23n改善发电机发出电势波形的基本途径： 励磁电流产生接近与正弦分布的气隙磁密波形； 定子每相绕组采用分布和短距线圈； 三相绕组采用Y Y接法。n恒量指标：电压波形正弦畸变率电压波形正弦畸变率 实际空载线电压波形与正弦波形的偏

12、差程度一般用电压波形正电压波形正弦畸变率弦畸变率来表示，即1222122322mnmnmmkmmvUUUUUUk2022-5-4河 海 大 学24同步发电机被原动机拖动到同步转速，转子绕组通入励磁电流而定子绕组开路时的运行状态，称为空载运行。（一） 励磁磁动势及其基波分量假设 定子内圆为光滑，无齿槽。 原定子槽内三相分布式绕组等效为线径极细的整距集中式绕组，位于气隙中无限靠近定子内圆表面。其每相电阻保持不变。 铁心磁导率为无穷大，铁损忽略不计。等效前后，相同大小的励磁电流产生的励磁磁场的基波与定子每相绕组匝链的磁链保持不变。相同的励磁电流，在定子绕组中感应出相同的基波电动势，也就是等效前后空载

13、特性相同（只考虑基波的情况下）。2022-5-4河 海 大 学25凸极同步发电机2022-5-4河 海 大 学26凸极同步发电机励磁磁动势大小为通过傅里叶变换将矩形波磁动势分解为基波及谐波。fffFi N2022-5-4河 海 大 学27隐极同步发电机励磁磁动势最大值为通过傅里叶变换将阶梯形磁动势分解为基波及谐波。fffFi N2022-5-4河 海 大 学28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（二） 励磁磁动势空间矢量励磁

14、磁动势基波，它随转子一起旋转，构成旋转磁动势，可用空空间矢量间矢量 来表示。12000EEC12000EEB011044. 4wkfNE000EEAf01fF2022-5-4河 海 大 学29（三） 气隙磁通密度空间矢量（主磁通与漏磁通）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0f2022-5-4河 海 大 学30（四） 定子绕组任一相的感应电动

15、势的时间相量E0空载电动势的有效值基本上等于空载基波电动势。2022-5-4河 海 大 学31（五） 时空矢量图（六） 空载特性00111 012NNEEf k1160Npnf2022-5-4河 海 大 学32电枢磁动势电枢磁动势电枢反应电枢反应（一） 电枢磁动势和励磁磁动势的基本性质定子三相对称绕组产生的电枢磁动势定子三相对称绕组产生的电枢磁动势(仅研究电枢磁动势基波)电枢磁动势基波的幅值：电枢磁动势基波的转速: 同步速电枢磁动势基波的转向: 转子转向电枢磁动势基波的极对数: 转子极对数1 1111.35dpN IFkp2022-5-4河 海 大 学33转子绕组产生的励磁磁动势转子绕组产生的

16、励磁磁动势(仅研究励磁磁动势基波)励磁磁动势基波的幅值：励磁磁动势基波的转速: 转子转速励磁磁动势基波的转向: 转子转向励磁磁动势基波的极对数: 转子极对数电枢磁动势基波和励磁磁动势基波的转速、转向、极对数均电枢磁动势基波和励磁磁动势基波的转速、转向、极对数均相同，任何时刻两者之间无相对运动，因此可以将两个磁动势合相同，任何时刻两者之间无相对运动，因此可以将两个磁动势合成。合成磁动势将是一个同样转向、转速、极对数的旋转磁动势。成。合成磁动势将是一个同样转向、转速、极对数的旋转磁动势。该旋转磁动势在电机中产生气隙磁通。该旋转磁动势在电机中产生气隙磁通。定子绕组产生的谐波电枢磁动势转子绕组产生的谐

17、波励磁磁动势1ffffFkN i A2022-5-4河 海 大 学342022-5-4河 海 大 学352022-5-4河 海 大 学36对称负载的电枢反应对称负载的电枢反应n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同步机空载电势 电机输出电流 之间的相角 定义为内功率因内功率因数角数角。 时， 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 。 下面将分析各种不同 角时的电枢反应。0EII0EIU02022-5-4河 海 大 学37一、内功率因数角

18、 02022-5-4河 海 大 学38Fa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，所以不发出无功功率 90,000afaaaffFFEFIEFI同方向与同方向，与定，有：相矢图中，按参考轴设aafFF0fFF2022-5-4河 海 大 学39二、内功率因数角 同步发电机的剖面简图 磁势的空间展开图直轴相轴，交轴1fF1ABCXYZaFNSf01ABCXYZxNS1fFaF2直轴交轴A相轴2022-5-4河 海 大 学40二、内功率因数角 时间相量图 时空矢量图2相轴交轴时轴直轴112 f112 f时轴AE0AIBIBE0CE0CI0EEaE01fFaIaF2022-5

19、-4河 海 大 学41 性无功过励状态发电机发出感发出容性无功，即：，超前电机运行于过励状态基本为变，必须增加为保持为去磁电枢反应反相，合成磁势与称：直轴电枢反应在直轴，EIIfFFFFFFffaa. 4,. 3. 2. 12022-5-4河 海 大 学42三、内功率因数角 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2022-5-4河 海 大 学43三、内功率因数角 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，所以不发出无功功率fFF2022-5-4河 海 大 学44四、内功率因数角 同步

20、发电机的剖面简图 磁势的空间展开图直轴相轴，交轴1fF1ABCXYZaFNSf01ABCXYZxNS1fFaF2直轴交轴2022-5-4河 海 大 学45四、内功率因数角 时间相量图 时空矢量图2时轴相轴，交轴时轴直轴112 f112 fAE0AIBE0BICE0CI0EEaEaF1fFF0aI2022-5-4河 海 大 学46 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 同步电机作为电动机运行时，定子磁场将较转子磁场超前223222022-5-4河 海 大 学47一、电磁关系不计饱和时，可利用叠加原理分别求出 和 单独在定子每一相产生的

21、磁通和电势，再考虑到由电枢漏磁场引起的每一相的漏磁通 和漏电势 ：1fFaFE100ffaaaiEEIEFF2022-5-4河 海 大 学48二、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 IUEEEaaaa00EE0或称合成电势：aEE 2022-5-4河 海 大 学492emFemecadPpppP11cuemPpP2022-5-4河 海 大 学50忽略电枢电阻不计饱和时对于隐极电机2coscoscoscossinsincossinemqdPPmUImUImUImUImUIsinqqI XU0cosddI XEU2011sinsin22emd