《电机拖动基础与仿真应用》-第5章

5.1三相同步电机的工作原理图5-1所示为具有一对磁极的三相同步电机的工作原理示意图.三相同步电机定子结构与三相异步电动机基本相同,U1U2、V1V2、W1W2为其三相绕组,其转子则是由转子铁芯和转子绕组两部分组成.工作时,在转子绕组中通过直流电流使转子形成N极和S极.这一形成磁极的绕组称为励磁绕组,励磁绕组中的电流称为励磁电流.与其他电机一样,同步电机既可以作为电动机运行,也可以作为发电机运行,通常同步电机主要作为发电机应用.下面分别介绍三相同步电动机和三相同步发电机的工作原理.下一页返回5.1三相同步电机的工作原理一、三相同步电动机的工作原理同步电机作为电动机运行时,与三相异步电动机一样定子三相绕组接成星形或三角形后接到三相电源上.三相电流通过三相绕组形成旋转磁通势,产生以同步转速旋转的旋转磁场,如图5-2(a)所示.图5-2(a)中用外面的一对N极和S极代表旋转磁场,只要旋转磁场的磁极对数与转子磁极的磁极对数相同,从磁极间同性相斥、异性相吸的基本物理特性可以断定,不论旋转磁极与转子磁极起始时的位置如何,总是旋转磁极的N极和S极分别与转子上的电流形成的S极和N极相吸,产生电磁转矩,旋转磁场必定牵引着转子磁极以相同的转速旋转.上一页下一页返回5.1三相同步电机的工作原理因而,电动机的转子转速与旋转磁场的转速相同,这就是“同步”名称的由来.电动机的转速为同步转速,即同步电动机是一种定子侧用交流电流励磁以建立旋转磁场,转子侧用直流电流励磁构成旋转磁极的双边励磁的交流电动机.其工作原理就是通过旋转磁场以电磁力拖着旋转的转子磁极同步地旋转.上一页下一页返回5.1三相同步电机的工作原理当转子转动起来后,转子励磁电流通过励磁绕组产生的磁通势也变成了旋转磁通势,可见三相同步电动机在运行时存在着以下两个旋转磁通势:(1)定子旋转磁通势,又称电枢旋转磁通势.它由定子三相电流通过定子三相绕组产生,是以电气方式形成的旋转磁通势;(2)转子旋转磁通势,又称励磁旋转磁通势.它由转子励磁电流通过转子励磁绕组产生,是以机械方式形成的旋转磁通势.因两者以同一转速沿同一方向旋转,所以气隙总磁通势就是这两者合成的结果,图5-2中外面的N极和S极所代表的旋转磁场就是由合成旋转磁通势所产生的旋转磁场.上一页下一页返回5.1三相同步电机的工作原理电枢电流不同,电枢旋转磁通势便会不同,合成磁通势也就不同,它所产生的旋转磁场也不同,电枢旋转磁通势对合成旋转磁通势的影响称为电枢反应.如图5-2(b)所示,转子磁极与旋转磁场的轴线重合,它们的相互作用力在轴线方向,不会形成电磁转矩.由于受被其拖动的负载的影响,如图5-2(a)所示,转子磁极滞后于旋转磁场θ角时,转子上才会产生与其转向相同的电磁转矩,同步电机才处于电动机运行状态.这时,电动机从定子电源输入电功率,从转子输出机械功率.显然,θ的大小与电磁转矩及电磁功率的大小有关,因此称为功角.上一页下一页返回5.1三相同步电机的工作原理既然功角是转子磁极与合成旋转磁场轴线间的夹角,显然,它也是励磁旋转磁通势与合成旋转磁通势之间的夹角,三相同步电机作电动机运行时,励磁旋转磁通势在空间上滞后于合成旋转磁通势θ角.二、三相同步发电机的工作原理同步电机作为发电机运行时,转子由原动机拖动,以恒定不变的转速旋转,从而产生了旋转磁场,旋转磁场与定子三相绕组存在着相对运动,从而在定子三相绕组中产生对称的三相励磁电动势.三相同步发电机空载运行时,每相绕组的空载电动势即为励磁电动势E0,其大小为E0=4.44kw1N1f1Φ0m(5-2)上一页下一页返回5.1三相同步电机的工作原理式中,Φ0m是转子的每极磁通,即励磁旋转磁通的最大值,在相位上滞后于.三相同步发电机定子绕组一般为星形连接,故空载时相电压Uop=E0,线电压UoL=E0,其电动势的频率为从式(5-3)可以看出,为保持f1不变,同步发电机的pn＝常数,且n要恒定.负载时定子三相绕组向外输出三相电流,三相电流通过三相绕组也要产生电枢旋转磁通势,所以三相同步发电机运行时,其旋转磁场也由励磁旋转磁通势和电枢旋转磁通势合成的旋转磁通势产生,而且当电流变化时,也会产生电枢反应,对旋转磁场产生影响.上一页下一页返回5.1三相同步电机的工作原理当电机的转子在原动机的拖动下,如图5-2(c)所示,以超前于旋转磁场一个功角θ旋转时,电磁转矩的方向与转子转向相反,原动机只有克服电磁转矩才能拖动转子旋转.这时电机转子从原动机输入机械功率,而从定子输出电功率.由此可见,在同步发电机中,励磁旋转磁通势在空间是超前于合成旋转磁通势θ角的.图5-2(b)所示为处于电动机和发电机状态之间的理想空载状态.上一页下一页返回5.1三相同步电机的工作原理三、三相同步电机的额定值三相同步电机铭牌上给出的主要额定值有以下几个.(1)额定电压UN.额定电压是指三相同步电机线电压的额定值,即同步电机在额定状态下运行时,定子三相绕组的线电压.(2)额定电流IN.额定电流是指三相同步电机线电流的额定值.即同步电机在额定状态下运行时的线电流.当实际电流等于额定电流时,电机便处于满载状态.(3)额定功率PN.额定功率是指三相同步电机输出功率的额定值,即同步电机在额定状态下运行时的输出功率.对三相同步电动机而言PN=T2NΩ＝UNINλNηN(5-4)上一页下一页返回5.1三相同步电机的工作原理对三相同步发电机而言PN＝UNINλN(5-5)(4)额定转速nN.额定转速是指电机在额定状态下运行时的转速,它等于同步转速.(5)额定频率fN.我国同步电机的额定频率为工频50Hz.

上一页返回5.2三相同步电机的基本结构一、三相同步电机主要部件同步电机是由静止的定子和转动的转子两个基本部分组成的.1.定子三相同步电机的定子又称电枢,其结构与三相异步电动机相同,起着接收电能、产生旋转磁场的作用,它的结构也是由定子(电枢)铁芯、定子(电枢)绕组、机座和端盖等部分组成.定子铁芯由硅钢片叠成,内壁槽内嵌放着对称三相绕组.2.转子三相同步电机的转子由转子铁芯、励磁绕组、阻尼绕组和转轴等部分组成.下一页返回5.2三相同步电机的基本结构

转子铁芯由整块的铸钢或锻钢做成,其上绕有励磁绕组.转轴上装有两个彼此绝缘的滑环(又称集电环),分别与励磁绕组两端相连,滑环上压着两组固定不动的电刷,通过电刷引出两个接线端,以便从外部通入直流励磁电流.阻尼绕组由嵌入磁极表面的若干铜条组成,如图5-3所示.这些铜条的两端用短路环连接起来,像异步电动机的笼型绕组一样.在同步发电机中,阻尼绕组起抑制转子机械振荡的作用;在同步电动机中,阻尼绕组主要作为启动绕组用.上一页下一页返回5.2三相同步电机的基本结构

二、三相同步电机励磁方式1.直流励磁机励磁这种励磁方式是由装在同步电机转轴上的小型直流发电机供电.这种专供励磁电流用的发电机称为励磁机.2.静止整流器励磁这种励磁方式是将同轴的交流励磁机(小型同步发电机)发出的交流电经静止的整流器整流成直流电后,再供给同步发电机作励磁电流.上一页下一页返回5.2三相同步电机的基本结构

3.旋转整流器励磁这种励磁方式是将整流器装在同步电机的转轴上,随同步电机一起旋转,将同轴旋转的交流励磁发电机电枢输出的交流电整流后,直接供电给励磁绕组,这样可以省去滑环和电刷等装置.例如大型同步发电机的励磁电流可达数千安,通过电刷和滑环引入转子励磁绕组存在困难,便可以采用这种励磁方式.三、同步电机的分类同步电机按相数的不同,可分为单相同步电机和三相同步电机两种.按能量转换的不同,可分为同步电动机和同步发电机两种.上一页下一页返回5.2三相同步电机的基本结构

按转子结构的不同,同步电机又可以分为隐极式和凸极式两种.隐极式转子如图5-4(a)所示,铁芯成圆柱形,铁芯上开槽,槽内嵌放励磁绕组,它与定子铁芯之间的气隙较均匀.凸极式转子如图5-4(b)所示,励磁绕组集中绕在两磁极之间的铁芯柱上,它与定子铁芯之间的气隙是不均匀的.转子磁极的中心轴线称为纵轴或直轴,相邻两磁极之间的轴线称为横轴和交轴.隐极式同步电机直轴和交轴处的气隙相等,磁阻相同.凸极式同步电机直轴处气隙小、磁阻小,而交轴处的气隙大、磁阻大.上一页下一页返回5.2三相同步电机的基本结构

一般转速高的同步电机采用隐极式,转速低的同步电机采用凸极式.按安装方式的不同,同步电机又可分为卧式和立式两种,卧式为水平安装,立式为垂直安装.按原动机的不同,三相同步发电机还可以分为汽轮发电机和水轮发电机两种.汽轮发电机由汽轮机作原动机,其具有卧式安装、转速高、磁极对数少、转子结构为隐极式的特点.火电站和核电站中采用的同步发电机都属于这种发电机,其安装示意图如图5-5所示.水轮发电机由水轮机作原动机,其具有立式安装、转速低、磁极对数多、转子结构为凸极式的特点,水电站中采用的同步发电机都属于这种发电机,其安装示意图如图5-6所示.上一页返回5.3三相同步电动机的运行分析

下一页返回一、三相隐极式同步电动机的运行分析1.三相隐极式同步电动机的基本方程式由于三相对称,可以取出一相来分析,一相定子电路如图5-7所示.在转子励磁电压Uf的作用下,产生了转子励磁电流If,从而产生了励磁磁通势F0m.同时,在定子三相电压U1的作用下,产生了定子三相电流I1,从而产生了电枢磁通势Fam.励磁磁通势F0m与电枢磁通势Fam组成了合成磁通势Fm,产生旋转磁场Φ,它将在定子每相绕组中产生电动势E1.5.3三相同步电动机的运行分析上一页下一页返回此外,与变压器和异步电机一样,定子电流I1还会产生漏磁通Φσ,从而在定子每相绕组中产生漏磁感应电动势Eσ,同时定子电流I1通过定子每相电阻R1时也会产生电压降.上述的电磁关系可归纳表示如下:5.3三相同步电动机的运行分析根据基尔霍夫电压定律可以得到同步电动机每相定子电路的电动势平衡方程式:式中,Xσ是定子每相绕组的漏电抗.因此,电动势平衡方程式可改写成上一页下一页返回5.3三相同步电动机的运行分析式中,E1因受电枢反应的影响,并非固定的数值,因此是非线性的.在考虑时忽略磁路饱和的情况下,可以利用叠加定理来分析,即将分解成和两部分.其中E0是励磁磁通势F0m产生的励磁电动势,Ea是由电枢磁通势Fam产生的电枢电动势,这时的电磁关系可归纳表示如下:上一页下一页返回5.3三相同步电动机的运行分析于是式(5-6)变成了于磁路不饱和,也可以像一样用电抗电压降表示,即上一页下一页返回5.3三相同步电动机的运行分析在没有电枢磁通势Fam时,合成磁通势Fm就等于励磁磁通势F0m;当有了电枢磁通势Fam后合成磁通势发生了变化,这一影响称为电枢反应,因而由电枢磁通势Fam所产生的磁通Φa称为电枢反应磁通,与电枢反应磁通Φa对应的Xa就称为定子每相绕组的电枢反应电抗.于是电动势平衡方程式又可变为上一页下一页返回5.3三相同步电动机的运行分析式中,Xs＝Xa＋Xσ,称为定子每相绕组的同步电抗.由于R1一般远小于Xs,因此,电动势平衡方程式可简化为2.三相隐极式同步电动机的等效电路和相量图根据式(5-11)可得到与之对应的等效电路如图5-8所示,图中是由励磁电流If即由励磁磁通势F0m控制的,故用一个受控电压源来表示.上一页下一页返回5.3三相同步电动机的运行分析根据式(5-11)和式(5-12)可画出隐极同步电动机在电感性、电阻性和电容性三种情况下的完整相量图和简化相量图,如表5-1所示.励磁旋转磁通势F0m在空间上滞后于合成旋转磁通势Fm一个角度,这个角度为θ.当Fm转到U相绕组的轴线位置时,它在U相绕组中产生的电动势E1达到最大值.转子再转过θ角时,励磁旋转磁通势F0m转到U相绕组的轴线位置,它在U相绕组中产生的励磁电动势E0达到最大值.可见,在相位上滞后于一个角度,该角度为θ.因此,与在时间上的相位差与F0m和Fm在空间上的相位差是相等的.上一页下一页返回5.3三相同步电动机的运行分析在忽略R1和Xσ时,U1＝-,因此,在同步电动机的上述相量图中,与－之间的夹角即－与－之间的夹角等于功角θ,电压与电流之间的夹角φ为功率因数角,与－之间的夹角ψ为内功率因数角.从相量图中可以看到,它们之面的关系如下:ψ＝φ±θ(5-13)上一页下一页返回5.3三相同步电动机的运行分析二、三相凸极式同步电动机的运行分析1.三相凸极式同步电动机的基本方程式三相凸极式同步电动机与三相隐极式同步电动机的不同之处在于其气隙不均匀,直轴位置的气隙小、磁阻小,交轴位置的气隙大、磁阻大.在同样的电枢磁通势Fam作用下,会产生明显不同的电枢反应磁通Φa,其对应的电枢反应电抗Xa也就不同.在磁路不饱和时,可利用叠加定理,将电枢电流I1分解成直轴和交轴两个分量,也就是将电枢磁通势分解成直轴和交轴两个分量,从而由它们分别产生相应的电枢反应磁通和电动势,这种分析方法称为双反应理论.上一页下一页返回5.3三相同步电动机的运行分析由于励磁磁通势F0m所产生的磁通Φ0为直轴方向的磁通,它与在相位上相差90°,因而和Fam的直轴分量及其产生的直轴方向的磁通也应该在相位上与或－相差90°,因此,如图5-9所示,将分解成直轴分量和交轴分量两部分.从图5-9可以看出式中,直轴分量在相位上与－相差90°,大小则为Id＝I1sinψ(5-15)上一页下一页返回5.3三相同步电动机的运行分析交轴分量在相位上与－同相,大小则为Iq＝I1cosψ(5-16)于是,三相凸极式同步电动机中的电磁关系可归纳为上一页下一页返回5.3三相同步电动机的运行分析由此得到凸极式同步电动机每相定子电路的电动势平衡方程式由于不计饱和,和也可以用电抗电压降表示,即上一页下一页返回5.3三相同步电动机的运行分析Xad和Xaq分别称为直轴电枢反应电抗和交轴电枢反应电抗.式(5-17)可改为令Xd＝Xad＋XσXq＝Xaq＋XσXd和Xq分别称为直轴同步电抗和交轴同步电抗.于是,电动势平衡方程式可改写成上一页下一页返回5.3三相同步电动机的运行分析由于R1远小于Xd和Xq,因此,电动势平衡方程式可简化为2.三相凸极式同步电动机的等效电路和相量图由式(5-19)画出等效电路不容易,因为要将分解成和两个分量,而Xd和Xq又不相等,并非并联关系.为此,假设一个虚拟电动势,令上一页下一页返回5.3三相同步电动机的运行分析由于Xd＞Xq,由图5-10可知,j与E0相位相同或相反,而(Xd－Xq)Id一般都小于E0,故与的相位相同.于是可将式(5-19)改写成上一页下一页返回5.3三相同步电动机的运行分析将式(5-21)和式(5-14)代入上式可得若忽略R1,则由此可得凸极式同步电动机的等效电路如图5-11所示.上一页下一页返回5.3三相同步电动机的运行分析由式(5-19)、式(5-20)、式(5-22)和式(5-23)可画出凸极式同步电动机在电感性、电阻性和电容性三种情况下的完整相量图和简化相量图,见表5-2.画完整相量图的一般步骤如下:选择为参考相量,画在水平向右位置,根据已知的φ和I1画出相量,根据已知的Xq、R1和I1画出jXq和R1,求得－,从而确定了－和－的位置,将分解成和两个分量;画出R1,jXd和jXq,最后求得－(应与－在一条线上).若已知ψ,则可不必画出－,而由ψ确定－的位置.上一页下一页返回5.3三相同步电动机的运行分析与隐极式同步电动机一样,相量图中的θ为功角,φ为功率因数角,ψ为内功率因数角.它们之间的关系仍满足式(5-13).相量图可以清楚地表明各部分物理量之间的关系,利用相量图对凸极式同步电动机进行运行分析要比用基本方程式和等效电路方便,从简化相量图可以得到以下常用的公式.式中,当电动机呈电容性时取“+”号,当电动机呈电感性时取“-”号.上一页返回5.4三相同步电动机的功率和转矩计算

一、三相同步电动机功率计算同步电动机在工作时,电枢绕组从电网输入三相功率,励磁绕组从励磁电源输入直流功率,不过习惯上常将励磁功率归到励磁系统中去考虑,而不计算在输入功率P1中,所以输入功率为P1=3U1I1cosφ(5-27)电流通过定子三相绕组会产生铜损耗PCu,则铜损耗为PCu=3R1I12(5-28)输入功率减去铜损耗后就是由电枢经气隙传递到转子去的电磁功率Pe,即Pe＝P1－PCu(5-29)下一页返回5.4三相同步电动机的功率和转矩计算根据式(5-29),由等效电路或相量图可以证明,在隐极式同步电动机中Pe＝3E0I1cosψ(5-30)在凸极式同步电动机中Pe＝3EQI1cosψ(5-31)由于空载运行时,铜损耗很小可忽略不计,则只有电枢铁损耗PFe、机械损耗Pme和附加损耗Pad,因此通常将