同步电机原理.ppt

5.4 同同步电机原理步电机原理 5.4.5.4.1 1 同步电机的结构和运行方式同步电机的结构和运行方式 5 5.4.4.3 3 同步电动机的功率、转矩和功角特性同步电动机的功率、转矩和功角特性 5.45.4.5 5 同步电动机的启动方法同步电动机的启动方法20-1同步电机同步电机5.4.1 同步电机的结构和运行方式同步电机的结构和运行方式l同步电机多被用作发电机，当今作为动力用的强大电力几乎全同步电机多被用作发电机，当今作为动力用的强大电力几乎全是由三相同步发电机发出的，因此它是各类发电厂的核心设备是由三相同步发电机发出的，因此它是各类发电厂的核心设备之一。之一。l同步电机也可以作电动机使用，例如空气压缩机、鼓风机、电同步电机也可以作电动机使用，例如空气压缩机、鼓风机、电力推进装置和电动发电机组等。力推进装置和电动发电机组等。l所谓所谓同步电机同步电机是指是指转子转速转子转速n与定子电流的频率与定子电流的频率f1满足下面的满足下面的方程式关系的交流电机，方程式关系的交流电机，20-2同步电机的基本结构同步电机的基本结构1.同步电机的基本结构同步电机的基本结构1）定子）定子同同步步电电机机的的定定子子，就就其其基基本本结结构构来来看看，与与异异步步电电机机的的定定子子没没有有多多大大区区别别，也也是是由由定定子子铁铁心心、定定子子绕绕组组以以及及机机座座、端端盖盖等等附附件组成。件组成。凸极式凸极式隐极式隐极式2）转子转子同步电机的转子有同步电机的转子有两种结构形式两种结构形式：一种有明显的磁极，称为：一种有明显的磁极，称为凸极凸极式式，如图，如图10-1a10-1a所示；另一种转子为一个圆柱体，表面上开有槽，所示；另一种转子为一个圆柱体，表面上开有槽，无明显的磁极，称为无明显的磁极，称为隐极式隐极式，水轮发电机水轮发电机 凸极式凸极式汽轮发电机汽轮发电机 隐极式隐极式转速较低转速较低 转速较高转速较高20-3同步电机同步电机的的励磁电源励磁电源励磁电源励磁电源l同步电机的励磁电源有两种：一种是由励磁机供电，另一种是同步电机的励磁电源有两种：一种是由励磁机供电，另一种是由交流电源经过整流而得到。由交流电源经过整流而得到。同步电机的物理模型同步电机的物理模型l每台同步电机应配备每台同步电机应配备一台励磁机或整流励一台励磁机或整流励磁装置，以便调节励磁装置，以便调节励磁电流。磁电流。20-4同步电机的同步电机的工作原理工作原理2.同步电机的工作原理同步电机的工作原理l当同步发电机的转子在原动机的拖当同步发电机的转子在原动机的拖动下达到同步转速动下达到同步转速n n1 1时，由于转子时，由于转子绕组是由绕组是由直流电流直流电流I If f 励磁励磁，l 所以转子绕组在气隙中所建立的所以转子绕组在气隙中所建立的磁场相对于定子来说是一个与转子磁场相对于定子来说是一个与转子旋转方向相同，转速大小相等的旋旋转方向相同，转速大小相等的旋转磁场。转磁场。l该磁场切割定子上开路的三相对称该磁场切割定子上开路的三相对称绕组，绕组，在三相对称绕组中产生三相在三相对称绕组中产生三相对称空载感应电动势对称空载感应电动势E E0 0 。l若改变励磁电流的大小则可相应地若改变励磁电流的大小则可相应地改变感应电动势的大小，此时同步改变感应电动势的大小，此时同步发电机处于空载运行。发电机处于空载运行。空载运行（补偿状态）空载运行（补偿状态）20-5同步电机同步电机的的负负载运行载运行l当同步发电机带当同步发电机带负载负载后，定子绕后，定子绕组构成闭合回路，产生定子电流，组构成闭合回路，产生定子电流，该电流是三相对称电流，因而要该电流是三相对称电流，因而要在气隙中产生与转子旋转方向相在气隙中产生与转子旋转方向相同，转速大小相等的旋转磁场。同，转速大小相等的旋转磁场。l此时定、转子间旋转磁场相对静此时定、转子间旋转磁场相对静止，气隙中的磁场是定、转子旋止，气隙中的磁场是定、转子旋转磁场的合成。转磁场的合成。l由于气隙中磁场的改变，定子绕由于气隙中磁场的改变，定子绕组中感应电动势的大小也将发生组中感应电动势的大小也将发生变化。变化。负负载运行载运行20-6同步电机同步电机的的运行方式运行方式3.同步电机的运行方式同步电机的运行方式l发电机运行方式：发电机运行方式：转子主磁场超前定子合成磁场，原动机拖动同步电机并转子主磁场超前定子合成磁场，原动机拖动同步电机并励磁时，电机从原动机输入机械功率，向电网输出电功率。励磁时，电机从原动机输入机械功率，向电网输出电功率。l电动机运行方式：电动机运行方式：转子主磁场滞后定子合成磁场，当同步电机由电网供电转子主磁场滞后定子合成磁场，当同步电机由电网供电并励磁，拖动机械负载时，从电网输入电功率，在轴上输出机械功率并励磁，拖动机械负载时，从电网输入电功率，在轴上输出机械功率。20-7同步电机的同步电机的磁动势磁动势4.同步电动机的磁动势同步电动机的磁动势电枢磁动势：电枢磁动势：当定子三相对称绕组连接到三相对称电源上时，当定子三相对称绕组连接到三相对称电源上时，就会产生就会产生三相合成旋转磁动势三相合成旋转磁动势，简称简称电枢磁动势电枢磁动势，用空间矢量，用空间矢量Fa表示。设表示。设Fa 的转向为逆时针方向，转速为同步转速。的转向为逆时针方向，转速为同步转速。励磁磁动势：励磁磁动势：在同步电动机负载运行时，在同步电动机负载运行时，其转子也是逆时针方其转子也是逆时针方向以同步转速旋转。由直流励磁电流向以同步转速旋转。由直流励磁电流If产生的磁动势称为产生的磁动势称为励磁磁励磁磁动势动势，用，用Ff（或（或FO）表示，它也是一个空间矢量。表示，它也是一个空间矢量。这里规定两个轴方向：转子这里规定两个轴方向：转子N极和极和S极的中心线称为极的中心线称为直轴或纵轴直轴或纵轴，简称简称d 轴轴；与直轴相距；与直轴相距90 空间电角度的方向称为空间电角度的方向称为交轴或横轴交轴或横轴，简称简称q 轴轴。直轴和交轴随转子一同旋转，。直轴和交轴随转子一同旋转，20-8同步电机的同步电机的磁动势磁动势先考虑先考虑励磁磁动势励磁磁动势Ff单独在电机主磁路中产生磁通时的情况。单独在电机主磁路中产生磁通时的情况。励磁磁动势励磁磁动势Ff 总是在直轴方向产生磁通。由励磁磁动势总是在直轴方向产生磁通。由励磁磁动势Ff单独产生的磁通叫单独产生的磁通叫励磁磁通励磁磁通，用，用 f 表示。表示。20-9同步电机的同步电机的磁动势磁动势lFa 单独在电机主磁路中产单独在电机主磁路中产生磁通时的情况，则比励生磁通时的情况，则比励磁磁动势磁磁动势Ff 产生磁通时的产生磁通时的情况复杂。下图给出了计情况复杂。下图给出了计算机仿真结果。算机仿真结果。l f 经过的磁路是以直轴为经过的磁路是以直轴为对称的，下图是其计算机仿对称的，下图是其计算机仿真结果。真结果。20-10同步电机的同步电机的磁动势磁动势凸极同步电动机的双反应原理凸极同步电动机的双反应原理20-11同步电机的同步电机的磁动势磁动势l直轴电枢磁动势和交轴电枢磁动势除了各自在主磁路中产直轴电枢磁动势和交轴电枢磁动势除了各自在主磁路中产生过气隙的磁通外，还要分别在定子绕组里产生漏磁通。生过气隙的磁通外，还要分别在定子绕组里产生漏磁通。l由定子电流产生的电枢磁动势的表达式为由定子电流产生的电枢磁动势的表达式为将上式分解为将上式分解为d d、q q轴上的直轴电枢磁动势和交轴电枢磁动势：轴上的直轴电枢磁动势和交轴电枢磁动势：考虑到关系考虑到关系式式 把电枢电流按相量的关系分解成两个分量，则有把电枢电流按相量的关系分解成两个分量，则有20-12同步电机的同步电机的电压方程电压方程5.同步电动机的电压方程同步电动机的电压方程1）凸极同步电动机的电压方程凸极同步电动机的电压方程励磁磁通励磁磁通 f，直轴磁通，直轴磁通 ad 和交轴磁通和交轴磁通 aq，都以同步转速，都以同步转速逆时针旋转，因此都要在定子绕组中产生相应的感应电动势。逆时针旋转，因此都要在定子绕组中产生相应的感应电动势。根据图给出的同步电动机定子绕组各电量正方向，可以列出根据图给出的同步电动机定子绕组各电量正方向，可以列出A相回路的电压方程相回路的电压方程感应电动势感应电动势 、可以写成可以写成 直轴电枢反直轴电枢反应电抗应电抗交轴电枢反交轴电枢反应电抗应电抗20-13同步电机的同步电机的电压方程电压方程经整理，得经整理，得电压方程电压方程一般情况下，当同步电动机容量较大时，可一般情况下，当同步电动机容量较大时，可忽略电阻忽略电阻Rs，于，于是是 直轴同步电直轴同步电抗抗交轴同步电交轴同步电抗抗定子定子漏抗漏抗20-14同步电机的同步电机的电压方程电压方程2）隐极同步电动机的电压方程隐极同步电动机的电压方程对于隐极同步电动机，由于气隙均匀，因而直轴和交轴的对于隐极同步电动机，由于气隙均匀，因而直轴和交轴的同步电抗在数值上彼此相等，即有同步电抗在数值上彼此相等，即有同步同步电抗电抗这样，可写出隐极同步电动这样，可写出隐极同步电动机的电压方程为机的电压方程为20-15同步电机的同步电机的功率关系功率关系5.4.2 同步电动机的功率、转矩和功（矩）角特性同步电动机的功率、转矩和功（矩）角特性1.功率关系功率关系l同步电动机从电源吸收有功功率同步电动机从电源吸收有功功率P1，在扣除消耗于定子绕组，在扣除消耗于定子绕组的铜损耗的铜损耗 后，转变为电磁功率后，转变为电磁功率 Pem（即（即PM），即有），即有l从电磁功率从电磁功率PM里再扣除铁损耗里再扣除铁损耗 和机械摩擦损耗和机械摩擦损耗 后，得到输出给负载的机械功率后，得到输出给负载的机械功率P2其中，铁损耗其中，铁损耗 与机械损耗与机械损耗 之和称为空载损耗之和称为空载损耗P0，即即 根据上述分析，根据上述分析，可以画出同步可以画出同步电动机的功率电动机的功率流程图：流程图：20-16同步电机的同步电机的功角特性功角特性2.电磁功率与功角特性电磁功率与功角特性对于凸极同步电动机，当忽略定子绕组的电阻对于凸极同步电动机，当忽略定子绕组的电阻Rs 时，同步电动时，同步电动机的电磁功率为机的电磁功率为 考虑到相量关系，于是考虑到相量关系，于是励磁电磁励磁电磁功率功率1凸极电磁凸极电磁功率功率220-17同步电机的同步电机的电磁转矩电磁转矩3.电磁转矩与矩角特性电磁转矩与矩角特性电磁转矩的通用公式为电磁转矩的通用公式为式中式中 电机极对数；电机极对数；每极合成磁通；每极合成磁通；定子磁动势幅值；定子磁动势幅值；定子磁动势与合成磁动势间的夹角。定子磁动势与合成磁动势间的夹角。因为因为 可有可有根据功率与转矩的关系，根据功率与转矩的关系，同样可以导出电磁转矩及转矩平衡同样可以导出电磁转矩及转矩平衡方程。方程。与异步电动机一样，电磁转矩与异步电动机一样，电磁转矩Te等于电磁功率等于电磁功率Pem与电与电机角速度机角速度之比，但对于同步电动机，其转速即为同步转速，之比，但对于同步电动机，其转速即为同步转速，因此因此20-18同步电机的同步电机的电磁转矩电磁转矩同步电动机的转矩平衡方程同步电动机的转矩平衡方程 电磁转矩还可表示为电磁转矩还可表示为 功角特性表达式与矩角功角特性表达式与矩角特性表达式之间仅相差特性表达式之间仅相差一个常数一个常数1，所以功角，所以功角特性曲线也可视为矩角特性曲线也可视为矩角特性曲线。特性曲线。若是隐极式同步电动机，若是隐极式同步电动机，因因Xd=Xq，功角特性和，功角特性和矩角特性的表达式为矩角特性的表达式为20-19同步电机的同步电机的启动方法5.4.3 同步电动机的启动方法常用的启动方法有：辅助电动机启动法变频启动发异步启动法END