三相同步电机讲稿.ppt

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1、电机与拖动关于三相同步电机1第一页，讲稿共四十二页哦电机与拖动2NoImage第一节 同步电动机的基本结构和工作原理 一、同步电动机的基本结构一、同步电动机的基本结构 1. 定子：主要由铁心和电枢绕组构成定子：主要由铁心和电枢绕组构成 定子铁心是由硅定子铁心是由硅钢片叠成，它构成钢片叠成，它构成电机磁路的一部分电机磁路的一部分。 电枢绕组是三电枢绕组是三相对称绕组，由相对称绕组，由高强度漆包线绕高强度漆包线绕成，它构成电机成，它构成电机的电路。的电路。第二页，讲稿共四十二页哦电机与拖动3NoImage第三页，讲稿共四十二页哦电机与拖动4NoImage第四页，讲稿共四十二页哦电机与拖动5UV W

2、U VWVWWUUVUUWVVW Y 接法接法 接法接法WWUVVU接线盒接线盒注意：首尾端不能接反！注意：首尾端不能接反！定定 子子 三三 相相 绕绕 组组 接接 线线 方方 式式WUVU VWU 定定 子子UNoImageVVWW第五页，讲稿共四十二页哦电机与拖动6NoImage转子：由铁心、直流励磁绕组、滑环和电刷等构成。转子：由铁心、直流励磁绕组、滑环和电刷等构成。 按结按结构型式分成凸极式转子和隐极式转子构型式分成凸极式转子和隐极式转子凸凸 极极 式式 转转 子子第六页，讲稿共四十二页哦电机与拖动7水轮发电机水轮发电机第七页，讲稿共四十二页哦电机与拖动8电机与拖动电机与拖动水轮发电机

3、的特点：水轮发电机的特点： 极数多，直径大，轴向长度短，整个转子在外形上与汽轮发极数多，直径大，轴向长度短，整个转子在外形上与汽轮发电机大不相同。大多数水轮发电机为立式。水轮发电机的直径很电机大不相同。大多数水轮发电机为立式。水轮发电机的直径很大，定子铁心由扇形电工钢片拼装叠成。为了散热的需要，定子大，定子铁心由扇形电工钢片拼装叠成。为了散热的需要，定子铁心中留有径向通风沟。转子磁极由厚度为铁心中留有径向通风沟。转子磁极由厚度为12mm的钢片叠的钢片叠成；磁极两端有磁极压板，用来压紧磁极冲片和固定磁极绕组成；磁极两端有磁极压板，用来压紧磁极冲片和固定磁极绕组。有些发电机磁极的极靴上开有一些槽，

4、槽内放上铜条，并用。有些发电机磁极的极靴上开有一些槽，槽内放上铜条，并用端环将所有铜条连在一起构成阻尼绕组，其作用是用来拟制短端环将所有铜条连在一起构成阻尼绕组，其作用是用来拟制短路电流和减弱电机振荡，在电动机中作为起动绕组用。磁极与路电流和减弱电机振荡，在电动机中作为起动绕组用。磁极与磁极轭部采用磁极轭部采用 T 形或鸽尾形连接。形或鸽尾形连接。 第八页，讲稿共四十二页哦电机与拖动9NoImage隐隐 极极 式式 转转 子子第九页，讲稿共四十二页哦电机与拖动10NoImage汽轮发电机汽轮发电机第十页，讲稿共四十二页哦电机与拖动11第十一页，讲稿共四十二页哦电机与拖动12第十二页，讲稿共四十

5、二页哦电机与拖动13电机与拖动电机与拖动NoImage汽轮发电机的特点：汽轮发电机的特点： 定子大体上与异步电机相同，定子铁心由定子大体上与异步电机相同，定子铁心由0.35mm、0.5mm或或其它厚度的电工钢片叠成。定子外径较小时，采用圆形冲片，其它厚度的电工钢片叠成。定子外径较小时，采用圆形冲片，当定子外径大于当定子外径大于1m 时，采用扇形冲片。定子铁心固定在机座上时，采用扇形冲片。定子铁心固定在机座上，机座常由钢板焊接而成，它必须有足够的强度和刚度，同时还，机座常由钢板焊接而成，它必须有足够的强度和刚度，同时还必须满足通风和散热的需要。汽轮发电机的电压较高，要求定子必须满足通风和散热的需

6、要。汽轮发电机的电压较高，要求定子绕组有足够的绝缘强度，一般采用绕组有足够的绝缘强度，一般采用 B 级级或或 F 级绝缘。级绝缘。 为了减少为了减少高速旋转引起的离心力，一般采用隐极式转子，其外形常做成一高速旋转引起的离心力，一般采用隐极式转子，其外形常做成一个细长的圆柱体。转子铁心表面圆周上铣有许多槽，励磁绕组嵌个细长的圆柱体。转子铁心表面圆周上铣有许多槽，励磁绕组嵌放在这些槽内。放在这些槽内。 励磁绕组为同心式绕组，以铜线绕制，并用不导励磁绕组为同心式绕组，以铜线绕制，并用不导磁的槽楔将绕组紧固在槽内。磁的槽楔将绕组紧固在槽内。 第十三页，讲稿共四十二页哦电机与拖动14NoImage凸凸

7、极极 转转 子子隐隐 极极 转转 子子d轴q轴d轴q轴特点：气隙不均匀特点：气隙不均匀特点：气隙均匀特点：气隙均匀转转 子子 结结 构构 特特 点点第十四页，讲稿共四十二页哦电机与拖动15NoImage 定子三相对称绕组，加三相对称电压定子三相对称绕组，加三相对称电压，流入三相对称电流，产生旋转磁场，流入三相对称电流，产生旋转磁场N1、 S1 。旋转磁场的转速为。旋转磁场的转速为pf60n11 转子励磁绕组，加直流电压，产生恒定磁场转子励磁绕组，加直流电压，产生恒定磁场N2、 S2 。 定子磁场定子磁场N1、 S1 与转子磁场与转子磁场N2、 S2 之间产生磁拉力，从之间产生磁拉力，从而产生电

8、磁力矩拖动转子与定子磁场而产生电磁力矩拖动转子与定子磁场同步旋转同步旋转。二、同步电动机的工作原理二、同步电动机的工作原理第十五页，讲稿共四十二页哦电机与拖动16NoImage*同步转速同步转速 从供电品质考虑，由众多同步发电机并联构成的交从供电品质考虑，由众多同步发电机并联构成的交流电网的频率应该是一个不变的值，这就要求发电机的流电网的频率应该是一个不变的值，这就要求发电机的频率应该和电网的频率一致。我国电网的频率为频率应该和电网的频率一致。我国电网的频率为50Hz ，故有：，故有：p3000p60fn 要使得发电机供给电网要使得发电机供给电网50Hz的工频电能，发电机的转的工频电能，发电机

9、的转速必须为某些固定值，这些固定值称为同步转速。例如速必须为某些固定值，这些固定值称为同步转速。例如2极电机极电机的同步转速为的同步转速为3000r/min，4极电机的同步转速为极电机的同步转速为1500r/min，依次类推。只有运行于同步转速，同步电，依次类推。只有运行于同步转速，同步电机才能正常运行，这也是同步电机名称的由来。机才能正常运行，这也是同步电机名称的由来。 第十六页，讲稿共四十二页哦电机与拖动17NoImage*同步机运行方式同步机运行方式 同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、电同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。动机和补偿机运行。 作为发电

10、机运行是同步电机最主要的运行方式，作为作为发电机运行是同步电机最主要的运行方式，作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。同步电动电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。频调速系统中开始得到较多地应用。 同步电机还可以接于同步电机还可以接于电网作为同步补偿机。这时电机不带任何机械负载，靠调节电网作为同步补偿机。这时电机不带任何机械负载，靠调

11、节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。 第十七页，讲稿共四十二页哦电机与拖动18NoImage三、同步电动机的额定数据三、同步电动机的额定数据额定容量额定容量 是指轴上是指轴上输出输出的有功功率，单位为的有功功率，单位为 。 NPKW额定电压额定电压 指加在定子绕组上的指加在定子绕组上的线电压线电压，单位为，单位为 或或 。 NUVKV额定电流额定电流 电动机额定运行时，流过定子绕组的电动机额定运行时，流过定子绕组的 线电流线电流，

12、 单位为单位为 。NIA额定功率因数额定功率因数 电动机额定运行的功率因数。电动机额定运行的功率因数。 N cos额定转速额定转速 电动机额定运行时转子转速，单位为电动机额定运行时转子转速，单位为 。 Nnmin/r额定效率额定效率 电动机额定运行效率。电动机额定运行效率。 N 此外，同步电动机铭牌上还给上额定频率此外，同步电动机铭牌上还给上额定频率 ；额；额定励磁电压定励磁电压 ；额定励磁电流；额定励磁电流 等数据。等数据。 )(HzfN)(VUfN)(AIfN第十八页，讲稿共四十二页哦电机与拖动19NoImage一、隐极同步电动机电磁分析和相量图一、隐极同步电动机电磁分析和相量图定子的电磁

13、关系定子的电磁关系(磁路不饱和时）：磁路不饱和时）：转子转子If定子定子F =F0 + Fa1、电磁分析、电磁分析 由于定、转子磁场在空由于定、转子磁场在空间相对静止，故间相对静止，故同步电动机带负载运行，同步电动机带负载运行，定转子电流产生两个旋转定转子电流产生两个旋转磁场，它们相对静止，磁场，它们相对静止，只在只在定子中感应电势定子中感应电势。第二节第二节 同步电动机内部的电磁同步电动机内部的电磁关系关系FFNoImageNoImageEIaEaNoImageFaaF0E0NoImage0第十九页，讲稿共四十二页哦电机与拖动20NoImage2、基本方程、基本方程aaa000FEFE 磁路

14、不饱和时磁路不饱和时气隙磁场在定子中的感应电势气隙磁场在定子中的感应电势故故aaaxjIE 而漏感电势而漏感电势r1aI1U0EaE E定子一相绕组电阻为定子一相绕组电阻为r1axIjEa0EEE第二十页，讲稿共四十二页哦电机与拖动21在给定的参考方向下，定子一相在给定的参考方向下，定子一相绕组的电压平衡方程式为绕组的电压平衡方程式为1aa01rIEEEU 1aa d drIxjIE r1aaaa0IxjIxjIE 式中式中xa称为电枢反应电抗，对应旋转磁势磁路称为电枢反应电抗，对应旋转磁势磁路.x 定子漏电抗，与定子漏磁通的磁路对应。定子漏电抗，与定子漏磁通的磁路对应。xa x r1NoIm

15、ageNoImageNoImageNoImageNoImage0EE aEaI1U第二十一页，讲稿共四十二页哦电机与拖动22NoImage3、等效电路和相量图、等效电路和相量图定子一相等效电路为定子一相等效电路为一般同步电动机容量都较大，电阻一般同步电动机容量都较大，电阻r1很小，忽略之，得很小，忽略之，得aaa0 xjIxjIE NoImageca0 xjIE 式中式中xc称为隐极同步电机的同步电抗。称为隐极同步电机的同步电抗。与等效电路对应的相量图与等效电路对应的相量图(忽忽略略r1）为：）为：+r1NoImageNoImage-NoImagejxc0EcaxIjNoImageNoImag

16、eNoImageNoImage1U1E-aI第二十二页，讲稿共四十二页哦电机与拖动23NoImage一、功率、转矩方程一、功率、转矩方程 ra.1I.1U+-.0Ejxccu1empPP cosmUIP1输入：输入： 定子铜耗：定子铜耗： a2curmIp 电磁功率：电磁功率： 输出功率：输出功率： 0emFesmecem2pPpppPP 摩擦损耗摩擦损耗附加损耗附加损耗空载损耗空载损耗铁损耗铁损耗第三节第三节 同步电动机的功率方程及功角同步电动机的功率方程及功角特性特性第二十三页，讲稿共四十二页哦电机与拖动24 2sin)x1x1(2UmsinxUEmPdq2d0em隐极机隐极机xd=xq

17、=xc sinxUEmPc0em隐隐极极机机可见电磁功率是可见电磁功率是 的函数。的函数。 sinxUEmTc01em隐隐极极机机第二十四页，讲稿共四十二页哦电机与拖动25NoImage三、功角特性和矩角特性三、功角特性和矩角特性功角的概念：功角的概念： 功角功角在时间上表示端电压和励磁磁势之间的相位差在时间上表示端电压和励磁磁势之间的相位差，在空间上表现为合成磁场轴线与转子磁场轴线之间夹，在空间上表现为合成磁场轴线与转子磁场轴线之间夹角。并网运行时，角。并网运行时， 为电网电压，其大小和频率不变，为电网电压，其大小和频率不变，对应的合成磁势对应的合成磁势 总是以同步速度旋转，因此功角的大总是

18、以同步速度旋转，因此功角的大小只能由转子磁势小只能由转子磁势 的角速度决定。稳定运行时，的角速度决定。稳定运行时， 和和 之间无相对运动，之间无相对运动，具有固定的值。具有固定的值。 y y为内功率因数角，为内功率因数角， yy定义为功角。它表示发电机定义为功角。它表示发电机的励磁电势的励磁电势 和端电压和端电压 之间相角差。功角之间相角差。功角对于研究同对于研究同步电机的功率变化和运行的稳定性有重要意义。步电机的功率变化和运行的稳定性有重要意义。 第二十五页，讲稿共四十二页哦电机与拖动26NoImage功角的空间概念：功角的空间概念： 第二十六页，讲稿共四十二页哦电机与拖动27NoImage

19、功角特性和矩角特性曲线功角特性和矩角特性曲线在在U、E0不变时，不变时，Pem、 Tem与与 成正弦关系成正弦关系B BA ATLTm18018090900 0Pem(Tem)隐极机隐极机18018090900 0Pem(Tem)凸极机凸极机第二十七页，讲稿共四十二页哦电机与拖动28NoImage一、励磁调节一、励磁调节 保持同步电动机的保持同步电动机的U1、f、P2不变不变，调节励磁电流，调节励磁电流If ，会引起电枢电流会引起电枢电流和电机和电机功率因数的改变功率因数的改变。第三节第三节 同步电动机的励磁调节及同步电动机的励磁调节及V V形形曲线曲线 结论：结论：调节调节If ，可以改变电

20、机功率因数；正常励磁时，可以改变电机功率因数；正常励磁时，为纯阻性；，为纯阻性； If正常励磁时正常励磁时,为容性；为容性；If C C2 2 C C1 10 0欠欠励励过过励励II If fP P2 2=C=C1 1P P2 2=C=C2 2P P2 2=C=C3 3正常正常励磁励磁 V形曲线是一簇曲线，每一条形曲线是一簇曲线，每一条V形曲线对应一定的形曲线对应一定的有功功率。有功功率。V形曲线上都有一个最低点，对应形曲线上都有一个最低点，对应cos =0 的的情况。将所有的最低点连接起来，将得到与情况。将所有的最低点连接起来，将得到与cos =0对应对应的曲线，该线左边为欠励状态，功率因数

21、超前，右边为的曲线，该线左边为欠励状态，功率因数超前，右边为过励状态，功率因数滞后。过励状态，功率因数滞后。第二十九页，讲稿共四十二页哦电机与拖动30NoImage三、三、cos =f(P2)曲线曲线 保持同步电动机的保持同步电动机的U1、f、 If不变不变，调节输出功率，调节输出功率P2 ，电机电机功率因数的改变功率因数的改变.P2*cos 00.510.80.8容性容性感性感性第三十页，讲稿共四十二页哦电机与拖动31NoImageTemS1S2N2N1n1N1S2N2S1n1Tem 同步电动机起动时同步电动机起动时n=0,由于转子的惯性，其速度不由于转子的惯性，其速度不能突变，而气隙磁场速

22、度能突变，而气隙磁场速度n1很快。所以转子所受的很快。所以转子所受的T方向方向来回变化，转子无法直接起动。来回变化，转子无法直接起动。第四节第四节 同步电动机的起同步电动机的起动动第三十一页，讲稿共四十二页哦电机与拖动32NoImage同步电动机的起动方法同步电动机的起动方法 同步电机在电源频率恒定使定子合成磁场转速恒定的同步电机在电源频率恒定使定子合成磁场转速恒定的条件下，其转速必为同步转速条件下，其转速必为同步转速 n0，是不可调节的。，是不可调节的。 平均电磁转矩平均电磁转矩 Temav = Tem(t)dt = 0 因为同步电机仅在运行时才有平均电磁转矩，而起动因为同步电机仅在运行时才

23、有平均电磁转矩，而起动过程是非同步运行状态，所以同步电动机不能自行起动，过程是非同步运行状态，所以同步电动机不能自行起动，可采用异步起动启动可采用异步起动启动第三十二页，讲稿共四十二页哦电机与拖动33NoImage同步电动机的起动方法同步电动机的起动方法1、辅助起动法：用同极数异步电动机拖动其起动。、辅助起动法：用同极数异步电动机拖动其起动。2、变频起动法：将电源频率从、变频起动法：将电源频率从0fN随随n逐渐升高。逐渐升高。3、异步起动法：利用阻尼绕组作起动绕组，实现异步、异步起动法：利用阻尼绕组作起动绕组，实现异步 起动，最后被牵入同步。起动，最后被牵入同步。第三十三页，讲稿共四十二页哦电

24、机与拖动34NoImage1、一隐极同步电动机，、一隐极同步电动机， N=30。求：（。求：（1）过载能）过载能力力 ；（；（2）TL不变，提高不变，提高 =4，励磁电流应提高到，励磁电流应提高到原来的几倍（原来的几倍（E0 If）?2、一隐极同步电动机，、一隐极同步电动机， PN=6300KW, UN=10000V(Y), IN=417A, cos N=0.9 (超前超前), IfN=404A,xc=14 （E0 If） 求：求： （1）额定效率）额定效率 N ； （2）额定无功功率；）额定无功功率； N ； 习题课习题课（3）保持）保持PN不变，如何调节，使不变，如何调节，使cos =1?

25、求此时求此时I和和If（ 不变）。不变）。 （4）额定工作时，保持）额定工作时，保持If不变，下降不变，下降 PN=4000KW，求，求I和和cos ？（？（ 不变）不变）第三十四页，讲稿共四十二页哦电机与拖动354、单相变压器的额定数据，、单相变压器的额定数据，SN=500VA，U1N/U2N=220/110V，短路阻抗标么值短路阻抗标么值ZK*=0.0560 ，I10N=0.2A。将两台相同的。将两台相同的变压器串联，高压侧接变压器串联，高压侧接220V电网，降压供电，试求：电网，降压供电，试求：1）分别计算第一和第二台变压器原边的空载电流。分别计算第一和第二台变压器原边的空载电流。2）空

26、载供）空载供电电压。电电压。3）短路电流。（）短路电流。（磁路线性磁路线性）220Tr1Tr23. 一台三相变压器，一台三相变压器，SN=200KVA, U1N/U2N =6.3/0.38KV, Y/Y0连接。现为一台连接。现为一台Y接接380V的三相同步电动机供电。的三相同步电动机供电。同步数据：同步数据：PN=75kw, UN=380V, cosN=0.5（超前）（超前）, N=88.2%，求同步电动机额定运行时：电网的输出电流，求同步电动机额定运行时：电网的输出电流？第三十五页，讲稿共四十二页哦电机与拖动36NoImage解解1：230sin1sin1N c0NmaxxEUmT fNfN

27、00I2I;E2E;4 解解2：（1）%9 .969 . 04171036300cosIU3PNN2N KVA3148sinUI3Q)2(NN .U.0E c.jxI.IoABC83551441784.25sin)3/10000(IxsinUBCABACc 3 .3284.2551968355tgV983951968355OCE5196cosUOA1N22N0 y y 第三十六页，讲稿共四十二页哦电机与拖动37NoImage.I.0E .U.0E c.jxI.IoABCA3 .3759 . 0417cosII )3(NN V7806)Ix(UE2c20 A5 .320IEEIfNN00f 第三

28、十七页，讲稿共四十二页哦电机与拖动38NoImage.U.0E .N0E .IOAB(4)由电磁功率可以计算出功角由电磁功率可以计算出功角82.19sinxmUE/4000PsinxmUE/6300Pc1NcN1 由余弦定理求由余弦定理求AB=4823：AB=IxcI=344.5A由正弦定理求由正弦定理求 B=23.9569. 0cos;23.4682.1905.66;05.6695.2390 y y第三十八页，讲稿共四十二页哦电机与拖动39NoImage3、解：电动机额定运行，输入电流额定、解：电动机额定运行，输入电流额定A4 .258I5 . 0I3803882. 075000cosIU3

29、PPNNNNNNNN1 58.163/38. 03/3 . 6UUkN2N1 变压器从电网的输入电流为：变压器从电网的输入电流为：258.4/k=15.59A第三十九页，讲稿共四十二页哦电机与拖动40NoImage4、解：空载等效电路：、解：空载等效电路：U1NU220I10Zm4ZmI1mI2m220Tr1Tr2I10I20Zk4ZkIkU1N0.25A0.050.2III0.2AIZU2m1m1010Nm1N0.1A0.052IkI2m2055V2)220/(2U2209.09A4.8452205ZUI4.84ZZZ96.8IUZk1Nk1N*kk1N1N1N第四十页，讲稿共四十二页哦电机与拖动41END第四十一页，讲稿共四十二页哦电机与拖动8/24/2022感谢大家观看第四十二页，讲稿共四十二页哦