電機(jī)與變壓器教案(第18講).doc

茂名市技工學(xué)校文化理論課教案編號(hào)：QD - 0707 - 03 版本號(hào)：A/0 流水號(hào)：科目：電機(jī)與變壓器 授課班級(jí)：09機(jī)電高級(jí)、班 共 9 頁(yè) 電機(jī)與變壓器 第十八講課題：1、同步發(fā)電機(jī)的工作原理 2、同步電動(dòng)機(jī)的工作原理授課課時(shí)2節(jié)授課日期授課方式講授 提問(wèn)作業(yè)題數(shù)2擬用時(shí)間0.5教學(xué)目的1.掌握同步發(fā)電機(jī)的工作原理2.掌握同步電動(dòng)機(jī)的工作原理3.掌握同步補(bǔ)償機(jī)對(duì)電網(wǎng)功率因數(shù)的補(bǔ)償作用選用教具掛圖模型、自制掛圖重點(diǎn)1.同步發(fā)電機(jī)的工作原理2.同步電動(dòng)機(jī)的工作原理3.同步補(bǔ)償機(jī)對(duì)電網(wǎng)功率因數(shù)的補(bǔ)償作用難點(diǎn)同步補(bǔ)償機(jī)對(duì)電網(wǎng)功率因數(shù)的補(bǔ)償作用教學(xué)回顧導(dǎo)入課題復(fù)習(xí)：1、直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有哪幾種?2、直流電動(dòng)機(jī)的能耗制動(dòng)有什么特點(diǎn)?導(dǎo)入課題：在交流電機(jī)中，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速嚴(yán)格等于同步轉(zhuǎn)速的交流電機(jī)稱為同步電機(jī)。同步電機(jī)的主要運(yùn)行方式有三種，即作為發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和補(bǔ)償機(jī)運(yùn)行。現(xiàn)代發(fā)電廠中所發(fā)出的交流電幾乎全部是同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的。下面我們一起來(lái)同步電機(jī)的工作原理及其應(yīng)用。授課教師：黃 文 進(jìn) 教研組審閱： 科審閱日期：教 學(xué) 過(guò) 程 第 7 頁(yè)一、講授新課（一）同步發(fā)電機(jī)的工作原理如圖所示是具有兩個(gè)磁極的凸極式同步發(fā)電機(jī)，它的定子和三相異步電動(dòng)機(jī)一樣對(duì)稱地安放著三相繞組。轉(zhuǎn)子則是由磁極鐵心和套在磁極上的勵(lì)磁繞組構(gòu)成，勵(lì)磁繞組中加入直流電流后，就會(huì)在氣隙中產(chǎn)生一個(gè)恒定的主極磁場(chǎng)。若用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，主磁極產(chǎn)生的恒定主極磁場(chǎng)隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在定子繞組中就會(huì)感應(yīng)出交變電動(dòng)勢(shì)。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使主磁場(chǎng)在空間按正弦規(guī)律分布，所以各相繞組中產(chǎn)生的交變電動(dòng)勢(shì)也隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化。即a)同步發(fā)電機(jī)的工作原理 b)三相電動(dòng)勢(shì)的波形圖91同步發(fā)電機(jī) 由于三相繞組在空間彼此互差1200電角度，在圖91a所示旋轉(zhuǎn)方向下，N極磁通將依次切割U相、V相、W相繞組。因此，定子三相電勢(shì)大小相等，相位彼此互差l200電角度。設(shè)U相繞組的初相角為零，則三相電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值為：同步發(fā)電機(jī)的定子繞組中就產(chǎn)生了如圖91b所示的三相對(duì)稱電動(dòng)勢(shì)，若在定子繞組上接上負(fù)載，則同步發(fā)電機(jī)就會(huì)向負(fù)載輸出三相交流電流。 三相電動(dòng)勢(shì)的頻率由發(fā)電機(jī)的磁極數(shù)和轉(zhuǎn)速?zèng)Q定：當(dāng)轉(zhuǎn)子為一對(duì)磁極時(shí)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變化一個(gè)周期；當(dāng)電機(jī)有對(duì)磁極時(shí)，則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一周，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變化個(gè)周期。設(shè)轉(zhuǎn)子每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)為，則每秒鐘旋轉(zhuǎn)60轉(zhuǎn)，因此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)每秒變化60個(gè)周期，即電動(dòng)勢(shì)的頻率，為：我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定工業(yè)交流電的頻率為50Hz，汽輪發(fā)電機(jī)在高轉(zhuǎn)速下運(yùn)行比較經(jīng)濟(jì)，轉(zhuǎn)速一般為=3000r/min或=1500r/min，發(fā)電機(jī)對(duì)應(yīng)的磁極為一對(duì)磁極或?yàn)閮蓪?duì)磁極。相反，水輪發(fā)電機(jī)為低速發(fā)電機(jī)，它的轉(zhuǎn)子磁極對(duì)數(shù)很多，如=100r/min時(shí)，發(fā)電機(jī)磁極對(duì)數(shù)有30對(duì)?，F(xiàn)代發(fā)電廠中所發(fā)出的交流電能幾乎全部是同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的。汽輪發(fā)電機(jī)和水輪發(fā)電機(jī)就分別是隱極式和凸極式同步發(fā)電機(jī)。2003年7月10日，三峽工程首臺(tái)發(fā)電機(jī)組(2號(hào)機(jī)組)正式并網(wǎng)發(fā)電。三峽水電站單機(jī)裝機(jī)容量為70萬(wàn)千瓦，是世界上單機(jī)最大的水輪發(fā)電機(jī)。三峽水電站共裝機(jī)26臺(tái)，總裝機(jī)容量1820萬(wàn)千瓦，年均發(fā)電可達(dá)80.0多億度(千瓦小時(shí))。長(zhǎng)江三峽水利樞紐，是當(dāng)今世界上最大的水利樞紐工程，它不僅為我國(guó)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，還將為世界水利水電技術(shù)和有關(guān)科技的發(fā)展作出有益的貢獻(xiàn)。（一）同步電動(dòng)機(jī)的工作原理1、定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)的關(guān)系同步電動(dòng)機(jī)的定子結(jié)構(gòu)和三相異步電機(jī)是一樣的，當(dāng)通人三相對(duì)稱電流時(shí)，它將產(chǎn)生一個(gè)同步速度旋轉(zhuǎn)的正弦分布磁場(chǎng)，而這時(shí)轉(zhuǎn)子上也有一個(gè)直流勵(lì)磁正弦分布的磁場(chǎng)。當(dāng)三相同步電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，轉(zhuǎn)子也是以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，所以這兩個(gè)磁場(chǎng)在空間上的位置是相互固定的，因此它們之間的作用也是固定的。a)轉(zhuǎn)子超前角 b)轉(zhuǎn)子落后角 c) =0時(shí)圖94定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的關(guān)系根據(jù)這兩個(gè)磁場(chǎng)的相對(duì)位置不同，可分成三種情況：（1）轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)超前定子磁場(chǎng)角轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)吸引著定子做同步轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，從物理學(xué)的能量、力矩平衡關(guān)系看，轉(zhuǎn)子的(機(jī)械)驅(qū)動(dòng)力矩應(yīng)等于定子磁場(chǎng)的(電磁)阻力矩。轉(zhuǎn)子做的功(機(jī)械功)應(yīng)等于定子中產(chǎn)生的功(電功)，轉(zhuǎn)子做的功是由原動(dòng)機(jī)提供的，同步電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。（2）轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)落后定子磁場(chǎng)角定子磁場(chǎng)吸引著轉(zhuǎn)子做同步轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，從物理學(xué)的能量、力矩平衡關(guān)系看，是定子磁場(chǎng)做功，轉(zhuǎn)子是輸出機(jī)械功，即同步電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)。當(dāng)轉(zhuǎn)子的負(fù)荷增加時(shí)，拉力就會(huì)增大，磁力線會(huì)被拉長(zhǎng)，轉(zhuǎn)子落后的角度就會(huì)增加，所以0角也稱為功角。（3）轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與定子磁場(chǎng)的夾角為零定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)正好重合，雖然相互吸引，但這個(gè)吸引力經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子的軸心，所以不會(huì)產(chǎn)生力矩，因此也就不會(huì)輸出功率。當(dāng)空載時(shí)，雖然轉(zhuǎn)子沒有輸出功率，但電動(dòng)機(jī)總有一定的摩擦力矩、空氣阻力矩等，所以0角不可能完全為零，但0角很小。2、失步現(xiàn)象從前面分析看出，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，定子磁場(chǎng)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)。兩個(gè)磁場(chǎng)之間存在著一個(gè)固定的力矩，這個(gè)力矩的存在是有條件的，必須兩者的轉(zhuǎn)速要相等，即同步才行，所以這個(gè)力矩也稱為同步力矩。一旦兩者的速度不相等，則同步力矩就不存在了，電機(jī)就會(huì)慢慢停下來(lái)。這種轉(zhuǎn)子速度與定子磁場(chǎng)不同步，而造成同步力矩消失，轉(zhuǎn)子慢慢停下來(lái)的現(xiàn)象，稱為“失步現(xiàn)象”。為什么失步時(shí)，電動(dòng)機(jī)就沒有旋轉(zhuǎn)力矩呢?因?yàn)楫?dāng)轉(zhuǎn)子與定子磁場(chǎng)不同步的話，兩者的相對(duì)位置就會(huì)起變化，即角就會(huì)變化。當(dāng)轉(zhuǎn)子落后定子磁場(chǎng)角度在=0l800時(shí)，定子磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的是驅(qū)動(dòng)力；當(dāng)0=18003600時(shí)，定子磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的是阻力，所以平均力矩為零。每當(dāng)轉(zhuǎn)子比定子磁場(chǎng)慢一圈時(shí)，定子對(duì)轉(zhuǎn)子做的功半圈是正功(使轉(zhuǎn)子前進(jìn))，半圈是負(fù)功(使轉(zhuǎn)子后退)，平均下來(lái)，做功為0。由于轉(zhuǎn)子沒有得到力矩和功率，因此就慢慢停下來(lái)了。發(fā)生失步現(xiàn)象時(shí)，定子電流迅速上升，是很不利的，應(yīng)盡快切斷電源，以免損壞電機(jī)。綜上所述，當(dāng)電源頻率一定時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子速度一定為同步轉(zhuǎn)速才能正常運(yùn)行。這是同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，也是它的優(yōu)點(diǎn)。因此，同步電動(dòng)機(jī)可用于不需調(diào)速，要求速度穩(wěn)定性較高的場(chǎng)合，如大型空氣壓縮機(jī)、水泵等。（二）同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方法同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，定子上立即建立起以同步轉(zhuǎn)速，z。旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，而轉(zhuǎn)子因慣性的作用不可能立即以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，因此主極磁場(chǎng)與電樞旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)就不能保持同步狀態(tài)，而產(chǎn)生失步現(xiàn)象。所以同步電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，沒有啟動(dòng)力+矩，如果不采取其他措施，是不能自行啟動(dòng)的。同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方法有輔助電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)法、調(diào)頻啟動(dòng)法、異步啟動(dòng)法等。表95 同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方法啟動(dòng)方法啟動(dòng)過(guò)程和原理特 點(diǎn)輔助電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)法選用與同步電動(dòng)機(jī)極數(shù)相同的異步電動(dòng)機(jī)(容量為同步電動(dòng)機(jī)的5l5)作為輔助電動(dòng)機(jī)，啟動(dòng)時(shí)先由異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，切斷異步電動(dòng)機(jī)的電源；同時(shí)接通同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電源，將同步電動(dòng)機(jī)接入電網(wǎng)，完成啟動(dòng)只能用于空載啟動(dòng)，由于設(shè)備多，操作復(fù)雜，已基本不用調(diào)頻啟動(dòng)法啟動(dòng)時(shí)將定子交流電源的頻率降到很低的程度，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速因而很低，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁后產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩即可使轉(zhuǎn)子啟動(dòng)，并很容易進(jìn)入同步運(yùn)行。逐漸增加交流電源頻率，使定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)同步上升，直到額定值性能雖好，但變頻電源比較復(fù)雜，目前采用不多。隨變頻技術(shù)的發(fā)展，調(diào)頻啟動(dòng)法將更趨完善異步啟動(dòng)法依靠轉(zhuǎn)子極靴上安裝的類似于異步電動(dòng)機(jī)的籠型繞組的啟動(dòng)繞組產(chǎn)生異步電磁轉(zhuǎn)矩，把同步電動(dòng)機(jī)當(dāng)作異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)目前同步電動(dòng)機(jī)最常用的啟動(dòng)方法異步啟動(dòng)法的具體啟動(dòng)過(guò)程：同步電動(dòng)機(jī)將在啟動(dòng)繞組作用下，異步啟動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到接近于同步轉(zhuǎn)速(約0.95)時(shí)，迅速給轉(zhuǎn)子通入直流電流勵(lì)磁，依靠定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁極之間的吸引力，將同步電動(dòng)機(jī)牽入同步速度運(yùn)行。轉(zhuǎn)子到達(dá)同步轉(zhuǎn)速以后，轉(zhuǎn)子籠型啟動(dòng)繞組導(dǎo)體與電樞磁場(chǎng)之間就處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，籠型繞組中的導(dǎo)體中因沒有感應(yīng)電流而失去作用，啟動(dòng)過(guò)程隨之結(jié)束。同步電動(dòng)機(jī)異步啟動(dòng)時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組切忌開路。因?yàn)閯倖?dòng)時(shí)，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速很大，而勵(lì)磁繞組的匝數(shù)又很多，因此會(huì)在勵(lì)磁繞組中產(chǎn)生很高的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，可能會(huì)破壞勵(lì)磁繞組的絕緣，造成人身和設(shè)備安全事故。但也不能將勵(lì)磁繞組直接短接，否則會(huì)使同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速無(wú)法上升到接近同步轉(zhuǎn)速，使同步電動(dòng)機(jī)不能正常啟動(dòng)。(三)同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的調(diào)整1、同步電動(dòng)機(jī)的電壓平衡方程式式中是定子繞組電阻，是定子繞組的感抗，是轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)因旋轉(zhuǎn)切割定子繞組而產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)(與方向相反)。 a)等效電路圖 b)定子、的相量圖圖95 同步電動(dòng)機(jī)等效電路圖及相量圖2、同步電動(dòng)機(jī)的電磁功率同步電動(dòng)機(jī)的電磁功率(即電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的功率)只與兩個(gè)因素有關(guān)：一個(gè)因素是轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁：勵(lì)磁大，吸引力大，功率就大，因勵(lì)磁大產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)就大，所以勵(lì)磁的大小可以用來(lái)表示；另一個(gè)因素是功角，在同樣的磁場(chǎng)作用下，越大，定轉(zhuǎn)子磁極間的拉力就越大，產(chǎn)生的功率也就越大。所以，同步電動(dòng)機(jī)的電磁功率為：3、同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的調(diào)整電動(dòng)機(jī)的電磁功率由和決定，是可以通過(guò)改變轉(zhuǎn)子勵(lì)磁來(lái)改變的。如果在改變的同時(shí)也改變，就可以保持電磁功率不變，面改變了電動(dòng)機(jī)的無(wú)功功率，因此得到調(diào)整。（1）正常勵(lì)磁 （2）欠勵(lì)磁 （3）過(guò)勵(lì)磁表96 電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁方式勵(lì)磁情況勵(lì)磁特點(diǎn)相量圖正常勵(lì)磁過(guò)勵(lì)磁欠勵(lì)磁4、同步補(bǔ)償機(jī)過(guò)勵(lì)狀態(tài)下的同步電動(dòng)機(jī)可以輸出電感性的無(wú)功功率，可以提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，人們利用這一特性制造了一種同步電動(dòng)機(jī)，它不帶任何機(jī)械負(fù)載，專門在過(guò)勵(lì)狀態(tài)下空載運(yùn)行，只向電2電網(wǎng)輸出感性無(wú)功功率，這種同步電動(dòng)機(jī)稱為同步補(bǔ)償機(jī)，也稱為同步調(diào)相機(jī)。當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)不輸出有功功率時(shí)，0，O，即有00，900，可見同步補(bǔ)償機(jī)是在過(guò)勵(lì)磁狀態(tài)下空載運(yùn)行，電流將超前電壓為900。同步補(bǔ)償機(jī)在運(yùn)行時(shí)能夠輸出較大的感性無(wú)功功率，這就相當(dāng)于給電網(wǎng)并聯(lián)了一個(gè)大容量的電容器，使電