同步電機(jī)原理課件

第四章同步電機(jī)第四章同步電機(jī)一、同步電機(jī)原理與結(jié)構(gòu)二、同步電機(jī)磁場(chǎng)分析三、同步電機(jī)的電磁關(guān)系與等效電路四、同步電機(jī)運(yùn)行特性第一節(jié)同步電機(jī)的原理與結(jié)構(gòu)同步電機(jī)的原理與結(jié)構(gòu)基本工作原理主要結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)額定值

一、同步電機(jī)的基本原理同步發(fā)電機(jī)模型n0n0轉(zhuǎn)子直流勵(lì)磁原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)以速度n0旋轉(zhuǎn)定子導(dǎo)體感生電動(dòng)勢(shì),定子帶負(fù)載則有電流流過定子電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，速度為n0轉(zhuǎn)子導(dǎo)體受電磁力，形成電磁轉(zhuǎn)矩，和拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩平衡同步電機(jī)特點(diǎn)：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速相等（同步）；轉(zhuǎn)子電流頻率為零（直流）用途發(fā)電無功調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)定子鐵心：0.5mm硅鋼片繞組：電樞繞組，產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩機(jī)座及固定部件端蓋轉(zhuǎn)子（凸極、隱極）轉(zhuǎn)子鐵心勵(lì)磁繞組阻尼繞組軸承護(hù)環(huán)、中心環(huán)、滑環(huán)和風(fēng)扇等二、同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)相關(guān)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)樞式：電樞旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)場(chǎng)式：磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)形式隱極式：氣隙均勻凸極式：氣隙不均勻磁極沖片

凸極同步電機(jī)磁極裝配

1—阻尼繞祖；2—磁極鐵心；

3—?jiǎng)?lì)磁繞組；4—磁軛；

5—磁極T形尾固定部分。定子轉(zhuǎn)子（勵(lì)磁）滑環(huán)凸極轉(zhuǎn)子：制造方便，但機(jī)械強(qiáng)度較差，因此多用在離心力較小，轉(zhuǎn)速較低的中小型電機(jī)中或用在水輪發(fā)電機(jī)中。隱極轉(zhuǎn)子：機(jī)械強(qiáng)度好，但制造工藝較復(fù)雜，因此多用在離心力較大、轉(zhuǎn)速較高的電機(jī)中。例如汽輪發(fā)電機(jī)多采用隱極結(jié)構(gòu)。隱極、凸極比較汽輪發(fā)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖三、同步電機(jī)的勵(lì)磁方式

同步電機(jī)運(yùn)行時(shí)，必須在勵(lì)磁繞組中通入直流電流，建立勵(lì)磁磁場(chǎng)。將供給勵(lì)磁電流的整個(gè)裝置稱為勵(lì)磁系統(tǒng)。(1)直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁

勵(lì)磁繞組由小型直流發(fā)電機(jī)供電(2)靜止整流器勵(lì)磁

交流勵(lì)磁機(jī)→整流→直流電→勵(lì)磁繞組(3)旋轉(zhuǎn)整流器勵(lì)磁

交流勵(lì)磁機(jī)→整流→直流電→勵(lì)磁繞組旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁，無電刷四、同步電機(jī)的冷卻方式

隨著單機(jī)容量的不斷提高，大型同步電機(jī)的發(fā)熱和冷卻問題日趨嚴(yán)重，冷卻方式也不斷改進(jìn)。同步電機(jī)的冷卻方式主要有以下幾種。

空氣冷卻

氫氣冷卻

冷卻

五、同步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)理想空載調(diào)相機(jī)發(fā)電機(jī)狀態(tài)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)00功角φ1φ2φ3同步發(fā)電機(jī)

不同運(yùn)行方式六、額定值額定容量SN(kVA)或額定功率PN額定電壓UN額定電流IN額定功率因數(shù)cos

N額定效率ηN額定頻率fN、額定轉(zhuǎn)速nN、額定勵(lì)磁電流IfN、額定勵(lì)磁電壓UfN等第二節(jié)同步電機(jī)的磁場(chǎng)分析

－電樞反應(yīng)

1、空載運(yùn)行：額定轉(zhuǎn)速n，電機(jī)極對(duì)數(shù)p轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組通直流電流If，產(chǎn)生磁通

0定子繞組感應(yīng)電勢(shì)E0，定子開路，電流Ia＝0電機(jī)中僅存在直流勵(lì)磁電流If同步電機(jī)運(yùn)行分析感應(yīng)電勢(shì)頻率：感應(yīng)電勢(shì)有效值：凸極同步發(fā)電機(jī)的空載磁場(chǎng)2、空載特性空載特性磁化曲線負(fù)載對(duì)稱

三相電流對(duì)稱產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)3、負(fù)載運(yùn)行（電樞反應(yīng)）電樞反應(yīng)**實(shí)質(zhì)：研究同步發(fā)電機(jī)負(fù)載時(shí)內(nèi)部的電磁情況。負(fù)載以后，除轉(zhuǎn)子磁勢(shì)外，定子三相電流也產(chǎn)生電樞磁勢(shì)。電樞磁勢(shì)的存在，將使氣隙中磁場(chǎng)的大小及位置發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱之為電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)的性質(zhì)主要決定于空載電勢(shì)和負(fù)載電流之間的夾角ψ，亦即決定于負(fù)載的性質(zhì)。

電樞反應(yīng)幾個(gè)概念①內(nèi)功率因數(shù)角Ψ：E0和Ia之間的夾角，與電機(jī)本身參數(shù)和負(fù)載性質(zhì)有關(guān)；②外功率因數(shù)角φ：與負(fù)載性質(zhì)有關(guān)；③功率角（功角）θ：E0和U之間的夾角；且有Ψ=φ+θ

（電感性負(fù)載）④直軸（d軸）：主磁極軸線（縱軸）；⑤交軸（q軸）：轉(zhuǎn)子相臨磁極軸線間的中心線為交軸（橫軸）下面從三種極限情況出發(fā)進(jìn)行研究，即（1）Ia和E0同相位，即ψ=0；（2）Ia滯后E090電角度，即ψ=90

°；（3）Ia超前E090電角度，即ψ=-90

°；凸極電機(jī)的雙反應(yīng)理論雙反應(yīng)理論：Fa的軸線既不和直軸也不和交軸重合時(shí)，可以把Fa分解為直軸分量Fad和交軸分量Faq，之后求出直軸和交軸各自的電樞反應(yīng)值，最后把它們的效果疊加起來。（1）Ia和E0同相位（ψ=0）時(shí)的電樞反應(yīng)感應(yīng)電勢(shì)為最大值。電流也在此瞬間到達(dá)最大值。電樞磁勢(shì)與A相繞組中心線相重合。電樞磁勢(shì)滯后于轉(zhuǎn)子磁勢(shì)90

交軸電樞反應(yīng)。（2）Ia滯后E090電角度（ψ=90

°）時(shí)的電樞反應(yīng)電樞磁勢(shì)產(chǎn)生去磁作用，稱為直軸去磁電樞磁勢(shì)。（2）Ia超前E090電角度（ψ=90

°）時(shí)的電樞反應(yīng)電樞磁勢(shì)產(chǎn)生增磁作用，稱為直軸增磁電樞磁勢(shì)。（4）I與E0相差銳角相位時(shí)的電樞反應(yīng)電樞反應(yīng)不僅存在交軸分量，還存在直軸分量電樞磁勢(shì)按ψ角分解成作用在直軸磁路的磁勢(shì)及作用在交軸磁路的磁勢(shì)。凸極機(jī)的磁通分布圖第三節(jié)同步發(fā)電機(jī)的電磁關(guān)系與等效電路1、隱極發(fā)電機(jī)的電磁過程

同步發(fā)電機(jī)電磁過程與電勢(shì)方程2、隱極發(fā)電機(jī)的電勢(shì)平衡方程其中同步電抗的物理意義：表征地對(duì)稱負(fù)載下電樞電流產(chǎn)生的電樞總磁場(chǎng)在電樞每相繞組中的電磁效應(yīng)。3、隱極發(fā)電機(jī)的等效電路：raxt注：去掉ra即可得到簡(jiǎn)化等效電路4、隱極發(fā)電機(jī)的相量圖已知發(fā)電機(jī)的端電壓、負(fù)載電流和功率因數(shù)cosφ及參數(shù)ra、xtφψδ當(dāng)功率因數(shù)cosφ滯后時(shí)的相量圖思考：隱極同步電動(dòng)機(jī)有何不同？5、凸極發(fā)電機(jī)的電磁過程6、凸極發(fā)電機(jī)的電勢(shì)方程式其中：思考：xd與xq有何不同，大小關(guān)系？7、凸極發(fā)電機(jī)的相量圖已知端電壓、負(fù)載電流和功率因數(shù)及ra、xd、xq。已知內(nèi)功率因數(shù)角ψ按照電勢(shì)方程式的關(guān)系作出相量圖未知內(nèi)功率因數(shù)角ψ1）利用方程式求出ψ：2）利用公式求出ψ：第四節(jié)同步電機(jī)的運(yùn)行特性同步電機(jī)功率關(guān)系及功角特性同步電機(jī)功率因數(shù)調(diào)節(jié)特性同步發(fā)電機(jī)特性同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)同步電機(jī)的運(yùn)行特性凸極電機(jī)的向量圖θ的雙重物理含義：①勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)與定子所加相電壓之間的夾角（時(shí)間電角度）②勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)與氣隙合成磁動(dòng)勢(shì)之間的夾角（空間電角度）功角θ意義的圖示A：NSFδ

θ

NSFf

T1

nTem

n1

功角θ意義的圖示B功角θ是轉(zhuǎn)子磁極軸線和定子合成磁極軸線的空間夾角

P1

pmec

padpFe

Pem

pcu1

P2一、功角特性思考：電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)有何區(qū)別？同步發(fā)電機(jī)功率關(guān)系：忽略同步電動(dòng)機(jī)定子電阻Ra上的損耗從相量圖中可知，電磁轉(zhuǎn)矩：無功功率：

（隱極電機(jī)）（凸極電機(jī)）有功功率功角特性并聯(lián)于無窮大電網(wǎng)的同步發(fā)電機(jī)，當(dāng)電網(wǎng)電壓和頻率恒定、參數(shù)（xd、xq、xt）為常數(shù)、空載電勢(shì)E0不變（即If不變）時(shí)，Pem=f(θ)為有功功率功角特性。隱極電機(jī)的有功功率功角特性：矩角特性對(duì)隱極式同步電動(dòng)機(jī)，Xd=Xq=Xt凸極電機(jī)的有功功率功角特性：①3U1E0

Xd

Pem'=sin

Pem'

∝E0，當(dāng)轉(zhuǎn)子有勵(lì)磁即If≠0時(shí)存在。

②1

XqPem"=

(

－

)

sin2

3U1221

XdPem"是由于Xd≠Xq

而引起的，與If

是否存在無關(guān)。

特點(diǎn)：

①

Pe"使PeM

。②

PeM產(chǎn)生在θ＜90o

處。③

功角特性與矩角特性不再是正弦波。——基本分量——附加分量（磁阻分量）OPe

/

Tθ

90o

PeM(TM)Pe'Pe"

凸極電機(jī)功率極限值(隱極)0θ900PemPemmax1800發(fā)電機(jī)有功功率功角特性曲線θPem18000900Pemmax判據(jù)：隱極發(fā)電機(jī)的判據(jù)：比整步功率(kW/rad)

概念：當(dāng)電網(wǎng)或原動(dòng)機(jī)方面出現(xiàn)某些微小擾動(dòng)時(shí)，同步發(fā)電機(jī)能在這種干擾消失后，繼續(xù)保持原來的平衡運(yùn)行狀態(tài)。額定：功角20～30穩(wěn)定分析：靜態(tài)穩(wěn)定最大轉(zhuǎn)矩Tm與額定轉(zhuǎn)矩TN之比，過載倍數(shù)隱極同步電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行θN=30°~16.5°。凸極式同步電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行功率角更小。

負(fù)載改變時(shí)，θ隨之變化，使同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩或電磁功率跟著變化，以達(dá)到平衡狀態(tài)。而電機(jī)的轉(zhuǎn)速卻保持同步轉(zhuǎn)速不變。（靜）過載倍數(shù)

二.同步電機(jī)功率因數(shù)的調(diào)節(jié)同步電機(jī)的重要特性：同步電機(jī)在保持輸出有功不變的情況下，可以通過勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)，使電機(jī)的功率因數(shù)發(fā)生變化。1、同步電動(dòng)機(jī)的V形曲線同步電動(dòng)機(jī)的V形曲線是指當(dāng)電源電壓與頻率均為額定值，在輸出功率不變的條件下，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流If，定子電流I會(huì)相應(yīng)變化，繪制成的I=f(If)曲線，形狀象“V”，故稱V形曲線。無功功率的調(diào)節(jié)：同步電動(dòng)機(jī)可以通過勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)，使電機(jī)的輸出無功功率發(fā)生變化。

同步電動(dòng)機(jī)輸出有功功率P2恒定，改變勵(lì)磁電流可以調(diào)節(jié)其無功功率

“正常”勵(lì)磁時(shí)功率因數(shù)cos

=1，電樞電流全部為有功電流，故數(shù)值最小

勵(lì)磁電流小于正常勵(lì)磁值(欠勵(lì))時(shí)，電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)cos

滯后，同步電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于感性負(fù)載，要從電網(wǎng)吸取滯后無功。

勵(lì)磁電流大于正常勵(lì)磁值(過勵(lì))時(shí)，電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)cos

超前，同步電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于容性負(fù)載，要從電網(wǎng)吸取超前無功①正常勵(lì)磁當(dāng)If=If0時(shí)，

I1與U1同相，cosφ

=1,電機(jī)呈電阻性。②欠勵(lì)磁

當(dāng)If

＜If0時(shí)，I1(I1'

)滯后于U1，電機(jī)呈電感性。If

→

，感性程度

。③過勵(lì)磁

當(dāng)If

＞If0時(shí)，電機(jī)呈電容性，

If

→|

|

，容性程度

。I1(I1")超前于U1，U1jXtI1－E0－E0'aajXtI1I1'

bb－E0"jXtI1I1"

θI1同步電動(dòng)機(jī)的V形曲線I=f(If)

：同步電動(dòng)機(jī)在有功功率恒定、勵(lì)磁電流變化時(shí)，電樞電流隨勵(lì)磁電流變化的曲線(3)V形曲線①每一功率（負(fù)載）對(duì)應(yīng)一條V形曲線②從欠勵(lì)到正常勵(lì)磁到過勵(lì)I(lǐng)有最小值③每條曲線的最低點(diǎn)：cosφ=1，連線向右傾斜。④每條曲線左邊均有不穩(wěn)定區(qū)⑤不穩(wěn)定區(qū)域邊緣：θ=900，連線向右傾斜⑥每條曲線上的電流I變化量ΔI為無功分量V形曲線的幾個(gè)特點(diǎn)2、同步發(fā)電機(jī)的V形曲線1、空載特性發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速(n=nN)、空載(I=0)的條件下，空載電壓(U0=E0)與勵(lì)磁電流If的關(guān)系稱為空載特性，即U0=f(If)。三、同步發(fā)電機(jī)特性

空載特性試驗(yàn)電路及空載特性(a)空載試驗(yàn)原理接線圖；(b)空載特性曲線短路特性n

n1

U=0時(shí)，Ia=Ik=f(If)曲線2、短路特性由空載及短路特性求取同步電抗3、外特性

發(fā)電機(jī)在n=nN、If=常數(shù)、cosφ=常數(shù)的條件下，端電壓U和負(fù)載電流I的關(guān)系曲線稱為外特性，即U=f(I)?？捎弥苯迂?fù)載法測(cè)定。

純電阻負(fù)載：主要是定子繞組電阻壓降和漏抗壓降引起輸出電壓下降，所以端電壓隨負(fù)載電流增加而緩慢下降。感性負(fù)載:由于電樞反應(yīng)的直軸去磁作用，再加上定子繞組電阻壓降和漏抗壓降，將使端電壓隨負(fù)載電流增加而迅速下降。容性負(fù)載：定子繞組電阻壓降雖使輸出電壓下降，但電樞反應(yīng)的直軸分量為助磁，同時(shí)漏抗壓降亦使電壓上升，若上升量大于下降量則端電壓隨負(fù)載電流增加而上升。電壓變化率凸極發(fā)電機(jī)的ΔU%：18%～30%。隱極發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)較大，故ΔU%也較大，在30%～50%(以上均為cosφ=0.8滯后的數(shù)值)。4、調(diào)整特性

n=nN時(shí)，U=常數(shù)，cosφ=常數(shù)，If=f(I)。四、同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行1、并聯(lián)運(yùn)行優(yōu)點(diǎn)提高供電可靠性。提高供電的經(jīng)濟(jì)性和靈活性。水電廠與火電廠并聯(lián)調(diào)配發(fā)電，旺水期水電多發(fā)電，枯水期火電多發(fā)電；用電高峰期和低谷期可靈活決定投入電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)數(shù)量，提高發(fā)電效率和供電靈活性。提高供電質(zhì)量。電網(wǎng)容量大(相對(duì)于單臺(tái)發(fā)電機(jī)或個(gè)別負(fù)載可視為無窮大)，單臺(tái)發(fā)電機(jī)投入與停機(jī)、個(gè)別負(fù)載變化對(duì)電網(wǎng)影響甚微，衡量供電質(zhì)量的電壓和頻率可視為恒定不變的常數(shù)。ⅡⅠ2、同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)合閘的條件兩臺(tái)同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行Ⅰ是電力系統(tǒng)中若干臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)后的“等效”發(fā)電機(jī)；Ⅱ是待并聯(lián)的發(fā)電機(jī)。把同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)至電網(wǎng)的過程稱為投入并聯(lián)(并列、并車、整步、合閘)。合閘時(shí)必須避免產(chǎn)生巨大的沖擊電流，以防止同步發(fā)電機(jī)受到損壞（電磁沖擊、機(jī)械沖擊），電網(wǎng)遭受干擾。理想并聯(lián)合閘條件波形相同——正弦波頻率相同——f接近幅值相同；相位相同——接近相序相同——嚴(yán)格條件

若以上條件中的任何一個(gè)不滿足則在開關(guān)兩端會(huì)出現(xiàn)差額電壓，如果閉合開關(guān)，在發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)組成的回路中必然會(huì)出現(xiàn)瞬態(tài)沖擊電流。

上述條件中相序一致是絕對(duì)條件，其它條件是相對(duì)的，因?yàn)橥ǔｋ姍C(jī)可以承受一些小的沖擊電流。將發(fā)電機(jī)調(diào)整到完全符合并聯(lián)條件后的合閘操作。調(diào)整過程常用同步指示器來判斷條件的滿足情況。3、同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)合閘方法及分析電網(wǎng)發(fā)電機(jī)同步指示器（1）準(zhǔn)確同步法（準(zhǔn)確整步法）最簡(jiǎn)單的同步指示器由三相相燈組成。1）接法：三只燈泡直接跨接于電網(wǎng)與發(fā)電機(jī)的對(duì)應(yīng)相之間。（A）暗燈法燈Ⅰ接在A1、A2之間，燈Ⅱ和燈Ⅲ交叉接在B1、C2和C1、B2之間。發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)電壓相量圖（B）燈光旋轉(zhuǎn)法4.同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)問題：由同步電動(dòng)機(jī)基本工作原理可知，若將同步電動(dòng)機(jī)同時(shí)雙邊勵(lì)磁，由于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速n1，而起動(dòng)瞬間轉(zhuǎn)子處于靜止，氣隙磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁極之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，不能產(chǎn)生平均的同步電磁轉(zhuǎn)矩，即同步電動(dòng)機(jī)本身沒有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)自行起動(dòng)。方法：（1）輔助電動(dòng)機(jī)起動(dòng)法選用一臺(tái)與同步電動(dòng)機(jī)極數(shù)相同的小型異步電動(dòng)機(jī)作為輔助電動(dòng)機(jī)，起動(dòng)時(shí)，先起動(dòng)輔助電動(dòng)機(jī)將同步電動(dòng)機(jī)