同步电动机的基本理论.ppt

1、回顾：三相异步电动机拖动,三相异步电动机的机械特性（固有、人为） 电力拖动系统的稳定运行 三相异步电动机的启动 三相异步电动机的调速 三相异步电动机的制动,下面讨论： 三相同步电机,按运行方式：同步发电机、同步电动机和同步调相机。,按结构型式：旋转电枢式和旋转磁极式。,旋转磁极式同步电机按磁极形状，又分隐极式和凸极式两种。,按原动机类别,同步发电机分为： 汽轮发电机、水轮发电机和柴油发电机等。,汽轮发电机一般作成隐极式，现代汽轮发电机均为2极（p=1），转速为3000转/分钟， 水轮发电机采用凸极式，极数多，转速低。,同步电动机、柴油发电机和调相机一般作成凸极式。,概述：同步电机基本类型与结构

2、,同步调相机实际是一台接在交流电网上空载的同步电动机，电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。,同步电机主要用作发电机运行，把机械能转化成电能。向电网发出交流电，是同步电机最主要的运行方式。,同步电动机可以通过调节励磁电流来改善电网的功率因数。在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用,三相同步电机的基本结构,一、主要部件 1. 定子（电枢） 2. 转子,由硅钢片叠成。 对称三相绕组（产生旋转磁场）。,(1)定子铁心： (2)定子绕组：

3、(3)机座和端盖等。,(1)转子铁心： 由整块铸（锻）钢制成。 (2)励磁绕组： 工作时施加直流励磁。 (3)阻尼绕组和转轴等。,阻尼绕组,因为：转子与旋转磁场间没有相对运动，所以：旋转磁场不会在转子中产生涡流损耗。,转子铁心上装有励磁绕组，其两个出线端与两个滑环分别相接,二、励磁方式,1. 直流励磁机励磁 励磁绕组由小型直流发电机供电。 2. 静止整流器励磁 交流励磁机整流直流电 3. 旋转整流器励磁 交流励磁机整流直流电励磁绕组。,1. 按定子相数的不同: 三相、单相。 2. 按转子结构的不同：隐极式、凸极式。,三、主要种类,N S,+ ,+ ,N S,a）凸极式：转子有明显的突出的磁极，

4、气隙分布不均匀。 b）隐极式：转子作成圆柱形，气隙均匀分布。 区别：对于高速旋转 的同步电机，在转子结构上，采用隐极式；而对于低速旋转的电机，由于转子的圆周速度较低，离心力较小，故采用制造简单、励磁绕组集中安放的凸极式结构。 大型同步发电机通常用汽轮机或水轮机作为原动机来拖动，前者称为汽轮发电机，后者称为水轮发电机。 汽轮发电机：转速高，采用隐极式。 水轮发电机：转速低，采用凸极式。,励磁机,发电机,水轮机,卧式、立式。 5. 按原动机的不同： 汽轮发电机、水轮发电机。,4. 按安装方式的不同：,燃烧室,燃料,锅炉的炉膛,循环水,汽轮机,发电机,3 600 r/min,升压变压器,超热高压蒸汽

5、,电能输出,电能的产生,四、额定值,1. 额定电压 UN ：定子绕组线电压的额定值。 2. 额定电流 IN ：定子绕组线电流的额定值。 3. 额定功率 PN ：输出功率的额定值。 三相同步电动机（电功率）：,三相同步发电机（机械功率）：,4. 额定转速 nN ：额定运行时的转速。 5. 额定频率 fN ： 50Hz。,N S,三相同步电机的工作原理,定子,转子,励磁 绕组,一、三相同步电动机,定子 旋转磁场。 转子 直流磁极。 转子转速,在转子励磁绕组中通入直流电流时，将产生极性恒定的磁场。 若转子磁场的磁极对数与定子磁场的磁极对数相等，转子磁场因受定 子磁场力作用而随定子旋转磁场同步旋转，即

6、转子以等同于旋转磁场 的速度、方向旋转，这就是同步电动机的基本工作原理。,同步电动机中的磁通势,定子 电枢。 电枢旋转磁通势 Fa 转子旋转磁通势 Ff,气隙旋转磁通势 F m,电枢反应, Fa 对 Fm 的影响。,电动机状态,理想空载状态,功角,同步电机的合成磁场： 同步电机运行时，定子三相对称绕组中就有三相对称电流流过，从而在 定子中产生以同步速度旋转的电枢磁势 Fa 和磁场 Ba ，它与以同步速旋转 的转子磁势 Ff 和主磁场 Bf 保持相对静止，因此可以叠加产生有效的气隙 磁势 F （气隙总磁通势-合成磁通势） 和磁场 B 。,同步电动机中的感应电动势,当转子磁极与旋转磁场的轴线重合时

7、，其磁场力在轴线方向， 不会形成电磁转矩。,由于受负载的影响，转子磁极滞后于旋转磁场时，转子上才有 电磁转矩产生，即：F0m滞后于Fm .,二、三相同步发电机,励磁机,F0m,旋转的 F0 m和0,E0,发电机运行,结论：在原动机作用下，F0m超前于Fam， 即：F0m超前Fm,三相同步发电机空载运行时,电枢（定子）： I1 (Fam ) = 0 转子每极磁通： 0 空载电动势： E0 = 4.44 kw1 N1f1 0 或,电枢相电压： U0P = E0 电枢线电压（Y 形联结）：,E0 的频率：,如果： f1 = 50Hz，则： pn = 3 000,三相同步发电机负载运行时,电枢旋转磁通

8、势 Fam 转子旋转磁通势 F0m,气隙旋转磁通势 Fm,同步电动机中的感应电动势, 漏磁感应电动势： R1、X 定子每相绕组的电阻、漏电抗。 即：,一、三相隐极同步电动机的运行分析,1. 基本方程式(相),Uf If Ff,F,U1 I1Fa,合成 磁通势,三相同步电动机的运行分析,(励磁电动势不变) (电枢反应电动势随负载变化),如果不计磁路饱和，则,Uf If Ff,0,U1 I1 Fa,E0,a,Ea, Xa 电枢反应电抗。,因此：,合成磁动势产生, Xs = XXa 同步电抗。 一般：R1 Xs ，忽略 R1 ，则,2. 等效电路,受励磁电流If（励磁磁动势Ff）控制，属于流控电压源

9、。,在同步电动机中，由于受负载的影响，合成磁动势F在空间上较励磁磁动势 Ff超前 ，所以： 在相位上较 超前。,由于电动机绕组的感性特点：,由 可绘制相量图,相量图中的 -功角； -功率因数角； -内功率因数角。,3. 相量图,二、三相凸极同步电动机的运行分析,特点：气隙不均匀，磁阻不相同。 所以，同样的 Fa 产生不同的a 对应不同的 Xa 。,如果磁路不饱和：,直轴分量：Id = I1 sin 交轴分量：Iq = I1 cos, 双反应理论。,电枢反应电抗,：转子磁极的中心线（d）,转子 相邻 两磁 极的 轴线(q),1. 基本方程式(相),f,三相同步电动机的功率、转矩,一、功率,三相同

10、步电动机的额定功率：,Pe =P1Pcu1,1、三相同步电动机的输入功率：,2、三相电枢绕组的铜损：,3、三相电流通过气隙传递到转子的电磁功率：,4、空载损耗（电枢铁损、机械损耗、附加损耗）：,P0 = PFe + pme + Pad,5、输出（机械）功率： P2=Pe P0 =P1Pcu1 (PFe + Pme + Pad),5. 输出功率 P2 = PeP0 6. 总损耗 Pal = PCuPFe PmePad 7. 功率平衡方程式 P1 P2 = Pal 8. 效率,P1,Pe,P2,二、转矩 1. 转矩平衡方程式 T2 = TeT0,4. 空载转矩,2. 输出转矩,3. 电磁转矩,稳定

11、运行时,T2 = TL,忽略T0， 则,T=T2=TL,三相同步电动机的运行特性（了解）,运行特性 当 U1 = UN ，f1 = fN ， If = 常数时， I1 、T、 、 = f (P2) 的关系。 当 U1与 E0 （即n 和 If ）为常数时： Pe = f () T = f (), 功角特性 矩角特性,由向量图得：U1sin = Xs I1 cos,所以,当 = 90o 时: Pe = PeM ，Te = TeM,1. 隐极同步电机的功角特性和矩角特性 如果忽略 R1，则有 Pe = P1 = 3U1I1cos = 3 E0I1cos,为功率角,如果忽略 R1，则有 Pe = P

12、1 = 3U1I1cos = 3U1I1cos ( ) = 3U1I1cos cos 3U1I1sin sin = 3U1Iq cos3U1Id sin 由向量图得： Xq Iq = U1sin Xd Id = E0U1cos,2. 凸极同步电动机的功角特性和矩角特性,所以,Pe,Pe = 3U1Iq cos3U1Id sin,Pe = Pe Pe,Te = T T ,讨论： ,Pe E0 ，当转子有励磁即 If 0 时存在。 ,Pe 是由于 Xd Xq 而引起的，与 If 是否存在无关。 结论： Pe 使 PeM。 PeM 产生在90o 处。 功角特性与矩角特性 不再是正弦波。, 基本分量。

13、, 附加分量。,三相同步电动机功率因数的调节,调节三相同步电动机励磁电流可以调节同步电动机的无功功率和功率因数,使其呈现电阻性、电感性或电容性，这是同步电动最可贵的特点. 忽略R1和T0 调节励磁电流If时，由于电动机的U1、f1和TL都不变，所以：T不会发生变化，但是-E0发生变化。并且由于功率因数的变化，因此电流I1发生变化。因此，改变 If而使E0 改变时，I1、 和 均要改变。 当 If E0 。 当 If E0 。 按照励磁电流大小的不同，同步电动机可分为3种励磁状态： 正常励磁状态 过励磁状态 欠励磁状态,1.正常励磁-励磁电动势E0 I1与U1同相（电阻性）,5.7 三相同步电动机功率因数的调节（忽略R1）,2.过励磁-励磁电动势E0大于E0，此时电流I1超前于电压U1 （电容性）,3.欠励磁-励磁电动势