電機原理與拖動5同步電機

同步電機同步電機是交流旋轉(zhuǎn)電機的一種,因其轉(zhuǎn)速恒等于同步轉(zhuǎn)速而得名。第一節(jié)概述

同步電機----n=ns(ns為同步轉(zhuǎn)速）異步電機----nns交流旋轉(zhuǎn)電機同步電機主要用作發(fā)電機，用來生產(chǎn)交流電能?，F(xiàn)代電力網(wǎng)中巨大的電能幾乎全部由同步發(fā)電機提供。

同步電動機多用在不需調(diào)速的場合。

同步電機的用途同步發(fā)電機：把機械能轉(zhuǎn)化成電能。向電網(wǎng)發(fā)出交流電，是同步電機最主要的運行方式同步電動機：把電能轉(zhuǎn)化成機械能。在不要求調(diào)速的場合，應(yīng)用大型同步電動機可以提高運行效率。近年來，小型同步電動機在變頻調(diào)速系統(tǒng)中開始得到較多地應(yīng)用同步補償機：實際是一臺接在交流電網(wǎng)上空載的同步電動機，電機不帶任何機械負載，靠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子中的勵磁電流向電網(wǎng)發(fā)出所需的感性或者容性無功功率，以達到改善電網(wǎng)功率因數(shù)或者調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓的目的。與感應(yīng)電機一樣，同步電機也是由定子及轉(zhuǎn)子兩大部分所組成，定子上有三相交流繞組；轉(zhuǎn)子上則有勵磁繞組，通入直流電流后，能產(chǎn)生磁場。定子：同步電機的定子也稱為電樞，由定子鐵芯、電樞三相繞組、機座和端蓋等部件所組成。同步電機的基本結(jié)構(gòu)同步電機的結(jié)構(gòu)

1.定子部分●定子鐵心：由導(dǎo)磁性能很好的硅鋼片疊成——導(dǎo)磁部分?！穸ㄗ永@組：放在定子鐵心內(nèi)圓槽內(nèi)——導(dǎo)電部分?！駲C座：固定定子鐵心及端蓋，具有較強的機械強度和剛度。定子和轉(zhuǎn)子兩大部分

同步電機的結(jié)構(gòu)同步電機的結(jié)構(gòu)

同步電機的定子鐵芯是由硅鋼片沖制后疊裝而成。當大型同步電機沖片外圓的直徑大于1m時，由于材料標準尺寸的限制，必須做成扇形沖片，然后按圓周拼合起來疊裝而成。如圖所示：同步電機的結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子：同步電機的轉(zhuǎn)子有兩種結(jié)構(gòu)型式，即凸極式和隱極式。這是根據(jù)定轉(zhuǎn)子之間的氣隙的分布情況來定義的。見圖：同步電機的結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子部分●轉(zhuǎn)子鐵心：由硅鋼片疊成。

凸極式

隱極式NSNSNS凸極式隱極式同步電機的結(jié)構(gòu)同步電機的結(jié)構(gòu)

1）凸極式：由上圖可見，轉(zhuǎn)子有明顯的突出的磁極，氣隙分布不均勻。2）隱極式：轉(zhuǎn)子作成圓柱形，氣隙均勻分布。區(qū)別：對于高速旋轉(zhuǎn)的同步電機，在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上，采用隱極式，而對于低速旋轉(zhuǎn)的電機，由于轉(zhuǎn)子的圓周速度較低，離心力較小，故采用制造簡單、勵磁繞組集中安放的凸極式結(jié)構(gòu)。大型同步發(fā)電機通常用汽輪機或水輪機作為原動機來拖動，故前者稱為汽輪發(fā)電機，后者稱為水輪發(fā)電機。汽輪發(fā)電機：轉(zhuǎn)速高，采用隱極式。水論發(fā)電機：轉(zhuǎn)速低，采用凸極式。同步電機的結(jié)構(gòu)同步電機的結(jié)構(gòu)

同步電機的結(jié)構(gòu)同步電機的結(jié)構(gòu)

同步電機的結(jié)構(gòu)同步電機的結(jié)構(gòu)

10000kW水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子同步電機的結(jié)構(gòu)同步電機的結(jié)構(gòu)

同步電機的工作原理機械端口轉(zhuǎn)子定子繞組定子鐵心電端口ABCU2U1W2V1W1V2NS一.同步電動機的轉(zhuǎn)動原理1三相對稱繞組通往三相對稱電流產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場。2轉(zhuǎn)子勵磁繞組上通直流電，使轉(zhuǎn)子鐵心成為有固定磁極的電磁鐵。3轉(zhuǎn)子受磁場力作用，形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動電動機旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化為機械能。同步電動機的工作原理同步電動機的工作原理二.同步發(fā)電機的基本工作原理U2U1W2V1W1V22原動機拖動轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)，形成旋轉(zhuǎn)的磁場。1：轉(zhuǎn)子勵磁繞組上通直流電，使轉(zhuǎn)子鐵心成為有固定磁極的電磁鐵。3旋轉(zhuǎn)的磁場切割定子繞組而感應(yīng)出交流電動勢。頻率：同步發(fā)電機必須需要勵磁：①直流發(fā)電機②可控硅勵磁③大容量場合不提倡永磁發(fā)電機。發(fā)電機發(fā)出的交流電頻率是50Hz,轉(zhuǎn)速為500r/min。則此發(fā)電機有幾對極？同步電機的工作原理汽輪發(fā)電機——轉(zhuǎn)速高、離心力大(p=1,p=2)——隱極式同步電機的分類水輪發(fā)電機——轉(zhuǎn)速低、極數(shù)多——凸極式同步電機的分類同步電機的額定值同步電機的額定值有：額定電壓：是指在正常運行時，按照制造廠的規(guī)定，定子三相繞組上的線電壓。電壓的單位用V或kV表示。額定電流：流過定子繞組的線電流。額定功率：是指在正常運行時，電機的輸出功率。A：對于發(fā)電機而言：輸出的是電功率。B：對于電動機而言：輸出的是機械功率。相數(shù)m：一般m=3。額定頻率:我國額定工業(yè)頻率規(guī)定fN=50Hz.額定轉(zhuǎn)速：額定轉(zhuǎn)速即為電機的同步速，在一定極數(shù)及頻率時，它的轉(zhuǎn)速是定值。額定勵磁電壓額定勵磁電流同步電機的額定值電勢隱極機定子電壓方程：

（不計）

定子漏抗

電樞反應(yīng)電抗

同步電抗

第二節(jié)同步電動機的電動勢向量圖直流磁動勢電樞磁動勢等效電路相量圖

凸極機雙反應(yīng)原理同步電機模型（圖7-11）磁路各向不同性：處理方法：

方程式：直軸電樞反應(yīng)電抗

交軸電樞反應(yīng)電抗

直軸同步電抗

交軸同步電抗

相量圖內(nèi)功率因數(shù)角：

隱極機

：（特例）

第三節(jié)同步電動機的功率關(guān)系、轉(zhuǎn)矩平衡和矩角特性概述機械特性負載過重，停機（失步）：電壓施加在漏阻抗上（此時無感應(yīng)電勢）；事故狀態(tài)。研究對象：功角物理意義是與夾角，（認為），則功角為和夾角，即和夾角。見圖7-11

00—909090—180>180

0+max+-OPM

/

Tθ

90o

PM(T)θ

Ψ

U1鐵損耗機械損耗附加損耗空載損耗

P0

=pFe＋pm＋ps輸出功率

P2=PM－P0功率關(guān)系

P1

=

pCu＋PM

=

pCu＋pFe＋pm＋ps＋P2效率

P1PCuPMP0P2

=×100%

P2P1功率關(guān)系(1)轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系

T2=T－T0(2)電磁轉(zhuǎn)矩T

=PMΩ1=9.55PMn1(3)空載轉(zhuǎn)矩T0

=P0Ω1=9.55P0n1T2

=P2Ω1(4)輸出轉(zhuǎn)矩=9.55P2n1TN=9.55PNn1T2N=9.55PNn1

忽略P0(T0)，則有

T2=T

T2N=

TN

轉(zhuǎn)矩平衡同步電動機功（矩）角特性：在外加電壓和勵磁條件不變的條件下，電磁功率（轉(zhuǎn)矩）隨功角的變化關(guān)系曲線。輸入功率（不計勵磁功率）

P1=3U1I1cos電磁功率(忽略銅損)

PM

≈

P1=3U1I1cos=3U1I1cos(Ψ-θ

)=3U1I1cosΨcosθ

+3U1I1sinΨsinθ

=3U1Iqcosθ

+3U1Idsinθ

功（矩）角特性θ

Ψ

U1

PM3U1E0Xd

=sin1Xq＋

(

－

)

sin23U1221Xd3U1E0XdΩ

T

=sin1Xq+(

－

)

sin23U122Ω1XdPM=PM'

＋

PM"T

=T＋T

θ

Ψ

U1凸極機：①3U1E0Xd

PM'=sinPM'∝E0，當轉(zhuǎn)子有勵磁即If≠0時存在。

②1XqPM“=

(

－

)

sin2

3U1221XdPM"是由于Xd≠Xq

而引起的，與If

是否存在無關(guān)。

結(jié)論：①

PM"使PM。②

PM極值產(chǎn)生在θ＜90o

處。③

功角特性與矩角特性不再是正弦波?！痉至俊！郊臃至俊PM

/

Tθ

90o

PM(T)PM'PM"凸極機見圖7-12a,b隱極機：PM

=3sinθ

U1E0Xc隱極機見圖7-12c,dT

=3sinθ

U1E0XcΩOPM

/

Tθ

90o

PM(T)※當θ=90o時:

電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩最大同步電機的穩(wěn)定運行問題：同步電機能否穩(wěn)定運行，與功角的大小有密切關(guān)系。在這里，我們先來看一下什么是電機的靜態(tài)穩(wěn)定，為了分析簡便起見，略去鐵芯損耗和機械損耗，這樣，可得P1=PM，靜態(tài)穩(wěn)定：電機在運行時，受到外界的干擾，從而導(dǎo)致運行偏離原先的運行點，而當干擾撤去后，電機又能自行回到原先的點繼續(xù)工作，就叫做電機的靜態(tài)穩(wěn)定。隱極機穩(wěn)定性分析：1）在a點，P1=PM，即輸入P1和輸出PM相等，電機穩(wěn)態(tài)運行2）來一個干擾，假定使得P1增加到P1'，顯然電機的轉(zhuǎn)速將增大，因為功角和轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系變化，所以，功角也將增大，推出PM也增大，這樣一來，我們可以看出在b點電機將達到一個新的平衡點，從而繼續(xù)穩(wěn)定運行。OPM

/

Tθ

90o

PM(T)

3）由此可以推出，當功角在00---900之間變化時，發(fā)電機有自動保持同步的能力，是發(fā)電機穩(wěn)定運行區(qū)域。在穩(wěn)定運行范圍內(nèi)，電磁功率的改變只會改變功角的大小，而轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速是不會改變的，永遠以同步速旋轉(zhuǎn)。4）而在900—1800之間，電機是不穩(wěn)定運行的，在功角=900時，輸入的機械功率到達與最大電磁功率相等。當功角大于900時將失去同步，失去同步后，裝在電網(wǎng)與電動機之間的保護開關(guān)產(chǎn)生動作，將電動機從電網(wǎng)上拉開。P1P1'結(jié)論穩(wěn)定性

隱極機：以為界限穩(wěn)定

不穩(wěn)定

凸極機：以最高點為界限。OPM

/

Tθ

90o

PM(T)第四節(jié)勵磁調(diào)節(jié)概述以隱極機為例：改變，變化

相位可以通過調(diào)節(jié)直流勵磁電流使電動機對電網(wǎng)呈電容性。

定子電流軌跡

即軌跡如教材圖7-14圓弧

K：空載，同步，純電容；D：額定附近，容性負載；

E：

同相，純電阻；

F：

電感性負載。

變（大幅），對電網(wǎng)影響惡劣。

KEFD有功功率恒定時的勵磁調(diào)節(jié)（圖7-15

）平勵：同相，，電機損耗最小，出力最大，阻性。

過勵：引前，額定工作，左右，容性。

欠勵：滯后，感性（不希望）

U形曲線保持P恒定，

（圖7-15）U形特性曲線曲線最低點是正常勵磁點，Cosφ1=1，以此點為界，左面是欠勵磁狀態(tài)，右面是過勵磁狀態(tài)。（圖7-15）當負載變?yōu)榱硪粋€大的恒定負載時，U曲線向右上移動。勵磁電流的調(diào)節(jié):1、如果電網(wǎng)功率因數(shù)很高，則同步電動機工作在正常勵磁最為理想，Cosφ1=1，I1最小，銅耗最小，效率最高。2、如果電網(wǎng)功率因數(shù)很低，則同步電動機工作在過勵磁狀態(tài)，且使勵磁電流盡可能調(diào)到最大，以定子電流不超過允許值為限。IfIf1I1If2

同步補償機

同步補償機，也稱同步調(diào)相機，是一臺不帶機械負載的同步電動機，專門用于發(fā)出（吸收）無功功率。一、兩種運行方式1.過勵：為過勵時，領(lǐng)先于，吸收容性無功功率，即發(fā)出感性無功功率。2.欠勵：落后于，吸收感性無功功率。畫出過勵、欠勵時矢量圖如下，動態(tài)相量圖（圖7-17）

：同步補償機在電網(wǎng)補償中的用途

1．受控補償

（2）當電網(wǎng)負荷很輕時，高壓長輸電線路將呈現(xiàn)較大的電容作用，使受端電網(wǎng)電壓升高，此時，同步補償機應(yīng)運行在欠勵狀態(tài)，吸收電網(wǎng)中多余的無功功率。（1）當電網(wǎng)負荷較大時，為了改善功率因素，同步補償機應(yīng)過勵運行.2、中間補償

（1）（2）當時對穩(wěn)定有利，因為，角減小，穩(wěn)定提高（3）當保持原過載能力時，輸送的功率將增大。（4）中間加補償機相當于線路的減小，提高了穩(wěn)定性或增加輸出。同步補償機特點1、因不帶機械負載，補償機轉(zhuǎn)軸可以比細.2、由于沒有穩(wěn)定問題，可較大，使得氣隙較小，勵磁也較小，轉(zhuǎn)子用銅量少.3、額定容量對應(yīng)過勵而言.4、也存在起動問題，可以利用異步起動，加起動繞組。其他1、水電站在枯水期間，水輪發(fā)電機可作調(diào)相運行2、在同時有水輪機和汽輪發(fā)電機的電網(wǎng)，豐水期間，水輪發(fā)電機發(fā)有功功率，汽輪發(fā)電機作調(diào)相機運行。

例7—1，P256題意：某企業(yè)變電所，變壓器容量為1000KVA，二次電壓為6000V。已用的容量為有功功率400KW、無功功率400KVAR（感性）現(xiàn)在企業(yè)要增加一臺異步電動機：PN=500KW，UN=6000VnN=370r/min，cosφN=0.78,η=0.92。選用一臺同步電動機進行功率補償：PN=550KW，UN=6000V，IN=64AnN=375r/min，η=0.92。1、不增加變電所容量是否可行。2、調(diào)節(jié)If向電網(wǎng)提供無功功率，調(diào)到I1額定時，求同步電動機輸入的有功功率；向電網(wǎng)提供的無功功率；電動機此時的功率因數(shù)；再求出此時電源變壓器的有功功率；無功功率及視在功率。解一、選用異步機時它正好運行在額定狀態(tài)(不加同步機時)1.異步機輸入的有功功率為2.異步機從電網(wǎng)吸收的無功功率為3.變壓器輸出的總有功功率為4.變壓器輸出的總無功功率為5.變壓器的總視在功率為視在功率已超過變壓器容量,如不采取措施就不能正常工作.二、選用同步電動機時，假定輸出功率仍為500KW，效率仍為0.921.同步電動機從電網(wǎng)吸收的有功功率為2.調(diào)節(jié)If使I1額定,此時電動機的視在功率為3.同步機向電網(wǎng)提供的無功功率為4.同步電動機功率因數(shù)為5.變壓器輸出的總有功功率為6.變壓器的無功功率為7.變壓器的視在功率為可見,選用同步電動機時,由于補償了無功功率,使變壓器總的視在功率未能超過變壓器容量,不用增加變壓器容量,可以工作.第五節(jié)同步電動機的起動一、概述同步電動機正常工作時是靠合成磁場對轉(zhuǎn)子磁極的磁拉力牽引轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)的，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速只有與合成磁場同步才有穩(wěn)定的磁拉力，形成一定的同步轉(zhuǎn)矩。恒頻起動時，θ在0~180之間時，定、轉(zhuǎn)子磁極相吸引，轉(zhuǎn)矩起拖動作用θ在180~360之間時，轉(zhuǎn)矩起制動作用。無法使電動機起動。SNNSn1n1TθΣFF0同步電動機起動方法：1、輔助電動機法

用一臺與同步電動機極數(shù)相同和小型異步電動機把同步電動機