第08章-同步電機(jī)原理

第八章同步電機(jī)原理電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)第一節(jié)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式第二節(jié)電壓方程和相量圖第三節(jié)功率方程和功角特性第四節(jié)功率因數(shù)及U形曲線1第一節(jié)同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式

第八章同步電機(jī)原理（8-1）多用作發(fā)電機(jī)。也可作電動(dòng)機(jī)使用，例如空氣壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、電力推進(jìn)裝置和電動(dòng)發(fā)電機(jī)組等。特點(diǎn)：功率因數(shù)高、體積小。這種電機(jī)就稱為同步電機(jī)。2一、同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)靜止的定子和旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子組成。 1.定子

定子鐵心、 定子繞組、 機(jī)座、 端蓋等附件。第八章同步電機(jī)原理32.轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式：凸極式、隱極式。第八章同步電機(jī)原理水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子：凸極式；汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子：隱極式。同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子：凸極式。勵(lì)磁電源兩種：勵(lì)磁機(jī)供電；由交流電源經(jīng)過(guò)整流得到。4同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)機(jī)械端口轉(zhuǎn)子定子繞組定子鐵心電端口ABC561、汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)定子鐵心72、水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)(1)立式水輪發(fā)電機(jī)(2)臥式水輪發(fā)電機(jī)83）水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)10000kW水輪機(jī)轉(zhuǎn)子94）現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的水輪發(fā)電機(jī)10二、同步電機(jī)的基本工作原理

1.同步電機(jī)的物理模型第八章同步電機(jī)原理11

2.同步電機(jī)的工作原理以同步發(fā)電機(jī)為例：空載：轉(zhuǎn)子同步轉(zhuǎn)速n0轉(zhuǎn)子（Nf匝）直流電流If勵(lì)磁，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 切割定子開路的三相對(duì)稱繞組（N1匝），產(chǎn)生三相對(duì)稱空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E0

改變If大小可改變E0大小。帶負(fù)載：三相對(duì)稱定子電流 在氣隙中產(chǎn)生與與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同，轉(zhuǎn)速大小相等的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 定、轉(zhuǎn)子間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)靜止，氣隙中的磁場(chǎng)是定、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的合成第八章同步電機(jī)原理123.同步電機(jī)的運(yùn)行方式第八章同步電機(jī)原理磁拉力產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩、拖動(dòng)者與被拖動(dòng)者、功率角13第二節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程和相量圖一、同步電動(dòng)機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)的定子三相對(duì)稱繞組連接到三相對(duì)稱電源上時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生三相合成旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)（電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa）。設(shè)Fa

的轉(zhuǎn)向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较?，轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速。在負(fù)載運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子也是逆時(shí)針?lè)较蛞酝睫D(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。由直流勵(lì)磁電流If

產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)（勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff），也是空間矢量。Fa

與Ff都以同步轉(zhuǎn)速按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，但兩者在空間的位置不一定相同。第八章同步電機(jī)原理14第八章同步電機(jī)原理直軸或縱軸，簡(jiǎn)稱d軸；與直軸相距90空間電角度的方向稱為交軸或橫軸，簡(jiǎn)稱q軸。直軸和交軸隨轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)。Ff單獨(dú)作用：

Ff總是在直軸方向。 勵(lì)磁磁通f經(jīng)過(guò)的磁路以直軸對(duì)稱。15

二、凸極同步電動(dòng)機(jī)的雙反應(yīng)原理電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa

單獨(dú)在電機(jī)主磁路中產(chǎn)生磁通，比Ff

產(chǎn)生磁通的情況復(fù)雜。只要Fa

與Ff

的空間位置不相同，F(xiàn)a的方向就不在直軸方向。對(duì)于凸極式同步電動(dòng)機(jī)，由于氣隙的不均勻，即使知道Fa

的大小和位置，也無(wú)法求得磁通。第八章同步電機(jī)原理（8-2）如果Fa

與Ff

的相對(duì)位置給定，由于Fa與Ff

無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可以把Fa分解成兩個(gè)分量：直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)Fad（作用在直軸方）、交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)Faq

（作用在交軸方向）：這種處理問(wèn)題的方法稱為雙反應(yīng)理論。16第八章同步電機(jī)原理17由定子電流產(chǎn)生的電樞磁動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式：第八章同步電機(jī)原理（8-3）將上式分解為d、q軸上的直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)和交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)：（8-4）（8-5）18第八章同步電機(jī)原理（8-6）19三、同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程1.凸極同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程勵(lì)磁磁通f、直軸磁通ad

和交軸磁通aq

都是以同步轉(zhuǎn)速逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，都在定子繞組中產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)圖8-7給出的同步電動(dòng)機(jī)定子繞組各電量正方向，列出A相回路的電壓方程第八章同步電機(jī)原理（8-7）Rs——定子繞組的相電阻；Xs——定子繞阻的相漏電抗?！猣在定子繞阻中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。20感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、可以寫成第八章同步電機(jī)原理（8-9）（8-8）式中Xad——直軸電樞反應(yīng)電抗；Xaq——交軸電樞反應(yīng)電抗。把式（8-8）、式（8-9）代入式（8-7），得在將式（8-6）代入上式，得21當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)容量較大時(shí)，可忽略電阻Rs，于是第八章同步電機(jī)原理（8-10）式中——直軸同步電抗，；——交軸同步電抗。在一般凸極同步電動(dòng)機(jī)中，。2.隱極同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程由于氣隙均勻，因而直軸和交軸的同步電抗在數(shù)值上相等：（8-11）式中——隱極同步電動(dòng)機(jī)的同步電抗。22由式（8-10）可寫出隱極同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程為第八章同步電機(jī)原理（8-12）四、同步電動(dòng)機(jī)相量圖 輸入電動(dòng)機(jī)的有功功率P1必須滿足（8-13） 有功分量應(yīng)與相同相位。可見(jiàn)，與二者之間的功率因數(shù)角必須小于90，才能使電機(jī)運(yùn)行于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)。23圖8-8b是根據(jù)隱極同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程式畫出的相量圖。第八章同步電機(jī)原理圖8-8a是根據(jù)凸極同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程，在（超前）時(shí)，電機(jī)運(yùn)行于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)的相量圖。24第三節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的功率方程和功角特性一、同步電動(dòng)機(jī)的功率方程從電源吸收有功功率P1，扣除銅損耗第八章同步電機(jī)原理（8-14）Pem扣除鐵損耗和機(jī)械摩擦損耗得機(jī)械功率（8-15）空載損耗P0（8-16）25第八章同步電機(jī)原理26二、同步電動(dòng)機(jī)的電磁功率與功角特性凸極同步電動(dòng)機(jī)忽略定子繞組的電阻Rs后的電磁功率為第八章同步電機(jī)原理（8-17）27根據(jù)相量圖可得第八章同步電機(jī)原理（8-18）28上式消去Ｉd、Ｉq，得到sinψ、cosψ，代入8-18得：第八章同步電機(jī)原理（8-19）若Us、f1都維持不變；如果If

不變，則對(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)E0

的大小也是常數(shù)；電動(dòng)機(jī)的參數(shù)Xd

、Xq又是已知的常數(shù)。這樣電磁功率Pem

僅是θ的函數(shù)。把的關(guān)系定義為同步電動(dòng)機(jī)的功角特性，如圖8-10所示。（8-20）29上式所示凸極同步電動(dòng)機(jī)的電磁功率Pem中：第一項(xiàng)與勵(lì)磁電流If

的大小有關(guān)，稱為勵(lì)磁電磁功率。第二項(xiàng)與勵(lì)磁電流If

的大小無(wú)關(guān)，是由參數(shù)引起的，這部分功率只有凸極同步電動(dòng)機(jī)才有，所以該電磁功率稱為凸極電磁功率。第二項(xiàng)凸極電磁功率比第一項(xiàng)小得多。第八章同步電機(jī)原理（8-21）（8-22）30第八章同步電機(jī)原理式中——同步角速度。（8-25）

三、同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與矩角特性

31第八章同步電機(jī)原理（8-26）將式（8-15）等號(hào)兩邊同除以ω1，得到同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式中T0——空載轉(zhuǎn)矩。（8-27）由得32第八章同步電機(jī)原理上式說(shuō)明：在Us、f1、If都保持不變時(shí)，Te也僅是θ的函數(shù)。把定義為同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性，繪制出的曲線稱為矩角特性曲線。功角特性與矩角特性的表達(dá)式相互之間僅相差一個(gè)比例常數(shù)1。隱極式同步電動(dòng)機(jī)，因Xd=Xq，則功角特性和矩角特性的表達(dá)式為（8-29）33第八章同步電機(jī)原理

四、同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行以隱極同步電動(dòng)機(jī)為例討論同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行問(wèn)題。在

=0～90的范圍內(nèi)，穩(wěn)定運(yùn)行；在

=90～180的范圍內(nèi)，不能穩(wěn)定運(yùn)行。34第八章同步電機(jī)原理最大電磁轉(zhuǎn)矩Tem與額定電磁轉(zhuǎn)矩TN之比，稱為過(guò)載倍數(shù)。（8-30）為了滿足過(guò)載限制的要求，隱極同步電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)，。凸極同步電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的功率角要小些。負(fù)載改變時(shí)，θ角隨之變化，就能使同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te或電磁功率Pem跟著變化，以達(dá)到新的平衡狀態(tài)。在同步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n是嚴(yán)格按照同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，不發(fā)生任何變化。所以，同步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為一條水平的直線。

35第八章同步電機(jī)原理第四節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)及U形曲線一、同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)調(diào)節(jié)當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)接在交流電源上，可認(rèn)為Us及f1保持不變。假設(shè)同步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的有功負(fù)載也保持不變，僅改變同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流If，就能調(diào)節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)。假若隱極同步電動(dòng)機(jī)的負(fù)載保持不變，如果忽略空載轉(zhuǎn)矩，有。可見(jiàn)，當(dāng)T2不變時(shí)，可認(rèn)為Te也不變，則：（8-31）這說(shuō)明改變If，E0的大小也要跟著改變，以滿足上式的關(guān)系。36第八章同步電機(jī)原理當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，由于同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定不變，所以同步電動(dòng)機(jī)的輸出功率不變。在忽略電機(jī)中的各種損耗的情況下，同步電動(dòng)機(jī)的輸入功率與輸出功率相等。于是有（8-32）上式的物理意義是：在只改變勵(lì)磁電流的情況下，同步電動(dòng)機(jī)定子繞組中電流的有功分量保持不變。根據(jù)式（8-31）和式（8-32）的條件畫出隱極同步電動(dòng)機(jī)在三種不同勵(lì)磁電流時(shí)的相量圖，如圖8-15所示。在電壓Us不變的條件下，必有37第八章同步電機(jī)原理改變勵(lì)磁電流，同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)變化規(guī)律分為三種情況：正常勵(lì)磁狀態(tài)、欠勵(lì)狀態(tài)（”）過(guò)勵(lì)狀態(tài)(’)。一般要過(guò)勵(lì)，至少正常勵(lì)磁狀態(tài)，不要運(yùn)行在欠勵(lì)狀態(tài)。改變同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流，能改變同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)，這點(diǎn)異步電動(dòng)機(jī)不具備。38第八章同步電機(jī)原理

二、同步電動(dòng)機(jī)的U形曲線指當(dāng)電源電壓和電源的頻率均為額定值時(shí)，在輸出功率不變的條件下，調(diào)節(jié)If

時(shí)Is的變化。以If

為橫座標(biāo)，Is為縱座標(biāo)，將兩個(gè)電流數(shù)值變化關(guān)系繪制成曲線，由于其形狀象英文字母“U”，故稱其為U形曲線。39第八章同步電機(jī)原理每條U形曲線，定子電流有一最小值，這時(shí)定子僅從電網(wǎng)吸收有功功率，功率因數(shù)。把這些點(diǎn)連起來(lái)，稱為線。它微微向右傾斜，說(shuō)明輸出為純有功功率情況下，輸出功率增大的同時(shí)，必須相應(yīng)地增加勵(lì)磁電流。40第八章同步電機(jī)原理當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)帶一定負(fù)載時(shí)，若減小勵(lì)磁電流If，電動(dòng)勢(shì)E0、電磁功率Pem減小。當(dāng)Pem減小到一定程度，θ超過(guò)90，電動(dòng)機(jī)就失去同步，圖中虛線所示的不穩(wěn)定區(qū)。從這個(gè)角度看，同步電動(dòng)機(jī)最好也不運(yùn)行于欠勵(lì)狀態(tài)。41第八章同步電機(jī)原理小結(jié)同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與電樞電流的頻率的關(guān)系，或者說(shuō)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恒