第18讲同步电动机的基本理论PPT讲稿.ppt

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1、第18讲 同步电动机的基本理论第1页，共33页，编辑于2022年，星期日按按运行运行方式：方式：同步同步发电机、发电机、同步同步电动机和电动机和同步同步调相机调相机。按按结构结构型式：旋转电枢式和旋转磁极式。型式：旋转电枢式和旋转磁极式。旋转磁极式同步电机按磁极形状，又分旋转磁极式同步电机按磁极形状，又分隐极式隐极式和和凸极式凸极式两种。两种。按原动机类别按原动机类别,同步同步发电机发电机分为：分为：汽轮发电机、水轮发电机和柴油发电机等。汽轮发电机、水轮发电机和柴油发电机等。汽轮发电机一般作成隐极式，现代汽轮发电机均为汽轮发电机一般作成隐极式，现代汽轮发电机均为2 2极（极（p=1p=1），）

2、，转速为转速为30003000转转/分钟，分钟，水轮发电机采用凸极式，极数多，转速低。水轮发电机采用凸极式，极数多，转速低。同步电动机、柴油发电机和调相机一般作成凸极式。同步电动机、柴油发电机和调相机一般作成凸极式。概述：同步电机基本类型与结构概述：同步电机基本类型与结构 第2页，共33页，编辑于2022年，星期日 同步调相机同步调相机实际是一台接在交流电网上空载的同步电动实际是一台接在交流电网上空载的同步电动机，电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向机，电机不带任何机械负载，靠调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，以达到改善电网电网发出所需的感性或者容性无功功率，

3、以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。功率因数或者调节电网电压的目的。同同步步电电机机主主要要用用作作发发电电机机运运行行，把把机机械械能能转转化化成成电电能能。向向电网发出交流电，是同步电机最主要的运行方式。电网发出交流电，是同步电机最主要的运行方式。同同步步电电动动机机可可以以通通过过调调节节励励磁磁电电流流来来改改善善电电网网的的功功率率因因数数。在在不不要要求求调调速速的的场场合合，应应用用大大型型同同步步电电动动机机可可以以提提高高运运行行效效率率。近近年年来来，小小型型同同步步电电动动机机在在变变频频调调速速系统中开始得到较多地应用系统中开始得到较多地应用第3页，共33页，

4、编辑于2022年，星期日三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构一、主要部件一、主要部件1.定子（电枢）定子（电枢）2.转子转子由由硅钢片叠成硅钢片叠成。对称三相绕组对称三相绕组（产生旋转磁场）。（产生旋转磁场）。(1)定子铁心：定子铁心：(2)定子绕组：定子绕组：(3)机座和端盖等。机座和端盖等。(1)转子铁心：转子铁心：由由整块铸（锻）钢整块铸（锻）钢制成。制成。(2)励磁绕组：励磁绕组：工作时施加直流励磁。工作时施加直流励磁。(3)阻尼绕组和转轴等。阻尼绕组和转轴等。阻尼绕组阻尼绕组因为：转子与旋转磁场间没有相对运动，所以：旋转磁场不会在转子中产生涡流损耗。转子铁心上装有励磁绕组，其

5、两个出线端与两个滑环分别相接转子铁心上装有励磁绕组，其两个出线端与两个滑环分别相接第4页，共33页，编辑于2022年，星期日二、励磁方式二、励磁方式1.直流励磁机励磁直流励磁机励磁 励磁绕组由小型直流发电机供电。励磁绕组由小型直流发电机供电。2.静止整流器励磁静止整流器励磁 交流励磁机交流励磁机整流整流直流电直流电3.旋转整流器励磁旋转整流器励磁 交流励磁机交流励磁机整流整流直流电直流电励磁绕组。励磁绕组。电刷电刷集电环集电环励磁绕组。励磁绕组。第5页，共33页，编辑于2022年，星期日1.按定子相数的不同按定子相数的不同:三相、单相。三相、单相。2.按转子结构的不同：隐极式、凸极式。按转子结

6、构的不同：隐极式、凸极式。三、主要种类三、主要种类NS+3 3+NSa）凸极式：转子有明显的突出的磁极，气隙分布不均匀。b）隐极式：转子作成圆柱形，气隙均匀分布。区别区别：对于高速旋转 的同步电机，在转子结构上，采用隐极式；而对于低速旋转的电机，由于转子的圆周速度较低，离心力较小，故采用制造简单、励磁绕组集中安放的凸极式结构。大型同步发电机通常用汽轮机或水轮机作为原动机来拖动，前者称为汽轮发电机，后者称为水轮发电机。汽轮发电机：转速高，采用隐极式。水轮发电机：转速低，采用凸极式。第6页，共33页，编辑于2022年，星期日励磁机励磁机发电机发电机水轮机水轮机 卧式、立式。卧式、立式。5.按原动机

7、的不同：按原动机的不同：汽轮发电机、水轮发电机。汽轮发电机、水轮发电机。4.按安装方式的不同：按安装方式的不同：第7页，共33页，编辑于2022年，星期日燃燃烧烧室室燃燃料料锅炉的锅炉的炉膛炉膛循环水循环水汽轮机汽轮机发电机发电机3 600 r/min升压变压升压变压器器超热高压蒸汽超热高压蒸汽电能输出电能输出电能的产生电能的产生第8页，共33页，编辑于2022年，星期日四、额定值四、额定值1.额定电压额定电压 UN：定子绕组线电压的额定值。线电压的额定值。2.额定电流额定电流 IN：定子绕组线电流的额定值。线电流的额定值。3.额定功率额定功率 PN：输出功率的额定值。：输出功率的额定值。三相

8、同步电动机（电功率）：三相同步电动机（电功率）：三相同步发电机（机械功率）：三相同步发电机（机械功率）：4.额定转速额定转速 nN：额定运行时的转速。：额定运行时的转速。5.额定频率额定频率 fN：50Hz。第9页，共33页，编辑于2022年，星期日V1V2W2W1U1U2NS 三相同步电机的工作原理三相同步电机的工作原理定定子子+UfIf转转子子励励磁磁绕绕组组一、三相同步电动机一、三相同步电动机 定子定子 旋转磁场。旋转磁场。转子转子 直流磁极。直流磁极。转子转速转子转速60 f1pn=n0=在转子励磁绕组中通入直流电流时，将产生极性恒定的磁场。若转子磁场的磁极对数与定子磁场的磁极对数相等

9、，转子磁场因受定子磁场力作用而随定子旋转磁场同步旋转，即转子以等同于旋转磁场的速度、方向旋转，这就是同步电动机的基本工作原理同步电动机的基本工作原理同步电动机的基本工作原理同步电动机的基本工作原理。第10页，共33页，编辑于2022年，星期日V1V2W2W1U1U2NS 同步电动机中的磁通势同步电动机中的磁通势 定子定子 电枢。电枢。电枢旋转磁通势电枢旋转磁通势 Fa转子旋转磁通势转子旋转磁通势 Ff气隙旋转磁通势气隙旋转磁通势 F m NSSNn0n0 电枢反应电枢反应 Fa 对对 Fm 的影响。的影响。NSSN电动机状态电动机状态n0n0理想空载状态理想空载状态FfFaFm功功角角同步电机

10、的合成磁场：同步电机运行时，定子三相对称绕组中就有三相对称电流流过，从而在定子中产生以同步速度旋转的电枢磁势 Fa 和磁场 Ba，它与以同步速旋转的转子磁势 Ff 和主磁场 Bf 保持相对静止，因此可以叠加产生有效的气隙磁势 F（气隙总磁通势-合成磁通势）和磁场 B 。第11页，共33页，编辑于2022年，星期日 同步电动机中的感应电动势同步电动机中的感应电动势 V1V2W2W1U1U2NSF0mFamFmF0m电枢三相电枢三相 绕组中感应绕组中感应 E0Fm电枢三相电枢三相 绕组中感应绕组中感应 E1 E0 在时间上滞后于在时间上滞后于 E1角角 F0m 在空间上在空间上 滞后于滞后于Fm角

11、角 当转子磁极与旋转磁场的轴线重合时，其磁场力在轴线方向，当转子磁极与旋转磁场的轴线重合时，其磁场力在轴线方向，当转子磁极与旋转磁场的轴线重合时，其磁场力在轴线方向，当转子磁极与旋转磁场的轴线重合时，其磁场力在轴线方向，不会形成电磁转矩。不会形成电磁转矩。不会形成电磁转矩。不会形成电磁转矩。由于受负载的影响，转子磁极滞后于旋转磁场时，转子上才有由于受负载的影响，转子磁极滞后于旋转磁场时，转子上才有由于受负载的影响，转子磁极滞后于旋转磁场时，转子上才有由于受负载的影响，转子磁极滞后于旋转磁场时，转子上才有电磁转矩产生，即：电磁转矩产生，即：电磁转矩产生，即：电磁转矩产生，即：F F0m0m滞后于

12、滞后于滞后于滞后于F Fm.m.第12页，共33页，编辑于2022年，星期日二、三相同步发电机二、三相同步发电机 励磁机励磁机F0m 旋转的旋转的 F0 m和和0E0 原动机原动机电枢三相电枢三相 绕组中感应绕组中感应 SNn0NSn0发电机运行发电机运行NSSNn0n0 理想空载状态理想空载状态 V1V2W2W1U1U2NSF0mFamFm结论：在原动机作用下，结论：在原动机作用下，结论：在原动机作用下，结论：在原动机作用下，F F0m0m超前于超前于超前于超前于F Famam，即：即：即：即：F F0m0m超前超前超前超前F Fmm第13页，共33页，编辑于2022年，星期日三相同步发电机

13、空载运行时三相同步发电机空载运行时电枢（定子）：电枢（定子）：I1(Fam)=0转子每极磁通：转子每极磁通：0 空载电动势：空载电动势：E0=4.44 kw1 N1f1 0 或或电枢相电压：电枢相电压：U0P=E0电枢线电压（电枢线电压（Y 形联结）：形联结）：E0 的频率：的频率：f1=pn60如果：如果：f1=50Hz，则：则：pn=3 000 U0L=3 E0 第14页，共33页，编辑于2022年，星期日 三相同步发电机负载运行时三相同步发电机负载运行时 电枢旋转磁通势电枢旋转磁通势 Fam转子旋转磁通势转子旋转磁通势 F0m气隙旋转磁通势气隙旋转磁通势 Fm 同步电动机中的感应电动势同

14、步电动机中的感应电动势 V1V2W2W1U1U2NSF0mFamFmF0m电枢三相电枢三相 绕组中感应绕组中感应 E0Fm电枢三相电枢三相 绕组中感应绕组中感应 E1E0 在时间上超前于在时间上超前于 E1角角F0m 在空间上在空间上 超前于超前于Fm角角 第15页，共33页，编辑于2022年，星期日 漏磁感应电动势：漏磁感应电动势：R1、X 定子每相绕组的电阻、漏电抗。定子每相绕组的电阻、漏电抗。即：即：一、三相隐极同步电动机的运行分析一、三相隐极同步电动机的运行分析1.基本方程式基本方程式(相相)U1I1Uf If FfFU1 I1FaE1 电枢电枢 感应感应合成合成磁通势磁通势U1=R1

15、I1E E1三相同步电动机的运行分析三相同步电动机的运行分析R1I1 E 漏磁通漏磁通 E1E 第16页，共33页，编辑于2022年，星期日(励磁电动势不变励磁电动势不变)(电枢反应电动势随负载变化电枢反应电动势随负载变化)如果不计磁路饱和，则如果不计磁路饱和，则 Uf If Ff 0U1 I1 FaE0aEa E R1I1 Xa 电枢反应电抗。电枢反应电抗。因此：因此：因此：因此：合成磁动势产生合成磁动势产生合成磁动势产生合成磁动势产生第17页，共33页，编辑于2022年，星期日 Xs=X Xa 同步电抗。同步电抗。一般：一般：R1 Xs，忽略，忽略 R1，则，则2.等效电路等效电路受励磁电

16、流受励磁电流If（励（励磁磁动势磁磁动势Ff）控制，）控制，属于流控电压源。属于流控电压源。第18页，共33页，编辑于2022年，星期日 在同步电动机中，由于受负载的影响，合成磁动势F在空间上较励磁磁动势Ff超前，所以：在相位上较 超前。由于电动机绕组的感性特点：由 可绘制相量图相量图中的 -功角；-功率因数角；-内功率因数角。3.相量图相量图第19页，共33页，编辑于2022年，星期日Ff二、三相凸极同步电动机的运行分析二、三相凸极同步电动机的运行分析 特点：特点：气隙不均匀，磁阻不相同气隙不均匀，磁阻不相同。所以，同样的所以，同样的 Fa 产生不同的产生不同的a 对应不同的对应不同的 Xa

17、。V1V2W2W1U1U2NSFa Fa 如果磁路不饱和：如果磁路不饱和：将将 I1 分解为两个分量。分解为两个分量。直轴直轴交交轴轴E0 I1 Iq Id 直轴分量：直轴分量：Id=I1 sin 交轴分量：交轴分量：Iq=I1 cos I1=IdIq 双反应理论。双反应理论。电枢反应电枢反应电抗电抗：转子磁极的中心线（：转子磁极的中心线（d）转子转子转子转子相邻相邻相邻相邻两磁两磁两磁两磁极的极的极的极的轴线轴线轴线轴线(q)(q)第20页，共33页，编辑于2022年，星期日1.基本方程式基本方程式(相相)f f第21页，共33页，编辑于2022年，星期日第22页，共33页，编辑于2022年

18、，星期日三相同步电动机的功率、转矩一、功率三相同步电动机的额定功率：三相同步电动机的额定功率：三相同步电动机的额定功率：三相同步电动机的额定功率：P Pe e =P =P1 1P Pcu1cu1 1 1、三相同步电动机的输入功率：、三相同步电动机的输入功率：、三相同步电动机的输入功率：、三相同步电动机的输入功率：2 2、三相电枢绕组的铜损：、三相电枢绕组的铜损：、三相电枢绕组的铜损：、三相电枢绕组的铜损：3 3、三相电流通过气隙传递到转子的、三相电流通过气隙传递到转子的、三相电流通过气隙传递到转子的、三相电流通过气隙传递到转子的电磁功率电磁功率电磁功率电磁功率：4 4、空载损耗（电枢铁损、机械

19、损耗、附加损耗）：、空载损耗（电枢铁损、机械损耗、附加损耗）：、空载损耗（电枢铁损、机械损耗、附加损耗）：、空载损耗（电枢铁损、机械损耗、附加损耗）：P P0 0=P=PFeFe +p +pmeme +P +Padad5 5、输出（机械）功率：、输出（机械）功率：、输出（机械）功率：、输出（机械）功率：P P2 2=Pe=Pe P P0 0 =P=P1 1P Pcu1cu1(P(PFeFe +P +Pmeme +P +Padad)第23页，共33页，编辑于2022年，星期日5.输出功率输出功率 P2=PeP06.总损耗总损耗 Pal=PCuPFe PmePad7.功率平衡方程式功率平衡方程式

20、P1 P2=Pal 8.效率效率 P1PCuPeP0P2 =100%P2P1第24页，共33页，编辑于2022年，星期日二、转矩二、转矩1.转矩平衡方程式转矩平衡方程式 T2=TeT04.空载转矩空载转矩 2.输出转矩输出转矩3.电磁转矩电磁转矩T2=P2=9.55P2n60 P22 nTe =Pe=9.55Pen60 Pe2 nT0=P0=9.55P0n60 P02 n稳定运行时稳定运行时T2=TL 忽略忽略T0，则则 T=T2=TL 第25页，共33页，编辑于2022年，星期日 三相同步电动机的运行特性三相同步电动机的运行特性（了解）（了解）运行特性运行特性 当当 U1=UN，f1=fN，

21、If=常数时，常数时，I1、T、=f(P2)的关系。的关系。当当 U1与与 E0（即（即n 和和 If）为常数时：）为常数时：Pe=f()T=f()功角特性功角特性 矩角特性矩角特性第26页，共33页，编辑于2022年，星期日U1 I1 jXs I1 E0 由向量图得：由向量图得：U1sin=Xs I1 cos Pe=3 sin U1E0Xs所以所以 T=3 sin U1E0XsOPe/T 90o PeM(TM)当当=90o 时时:Pe=PeM，Te=TeM1.隐极同步电机的功角特性和矩角特性隐极同步电机的功角特性和矩角特性 如果如果忽略忽略 R1，则有，则有 Pe=P1=3U1I1cos =

22、3 E0I1cos 为功率角为功率角第27页，共33页，编辑于2022年，星期日 如果忽略如果忽略 R1，则有，则有 Pe=P1=3U1I1cos =3U1I1cos()=3U1I1cos cos 3U1I1sin sin =3U1Iq cos 3U1Id sin 由向量图得：由向量图得：Xq Iq=U1sin Xd Id=E0U1cos 2.凸极同步电动机的功角特性和矩角特性凸极同步电动机的功角特性和矩角特性U1 I1 jXqI1 EQ jXd Id jXq Iq E0 所以所以 U1sin XqIq=E0U1cos XdId=第28页，共33页，编辑于2022年，星期日PePe=3U1Iq

23、 cos 3U1Id sin U1sin Xq=3U1 cos E0 U1cos Xd+3U1 sin 3U1E0Xd=sin 1Xq ()sin2 3U1221Xd3U1E0Xd Te=sin 1Xq+()sin2 3U1221XdPe=Pe PeTe=T T 第29页，共33页，编辑于2022年，星期日 讨论：讨论：3U1E0Xd Pe=sin Pe E0，当转子有励磁即，当转子有励磁即 If 0 时存在。时存在。1XqPe=()sin2 3U1221XdPe 是由于是由于 Xd Xq 而引起的，与而引起的，与 If 是否存在无关。是否存在无关。结论：结论：Pe 使使 PeM。PeM 产生

24、在产生在90o 处。处。功角特性与矩角特性功角特性与矩角特性 不再是正弦波。不再是正弦波。基本分量。基本分量。附加分量。附加分量。OPe/T 90o PeM(TM)PePe第30页，共33页，编辑于2022年，星期日 三相同步电动机功率因数的调节三相同步电动机功率因数的调节三相同步电动机功率因数的调节三相同步电动机功率因数的调节 调节调节三相同步电动机励磁电流可以调节同步电动机的无功功率和功率因励磁电流可以调节同步电动机的无功功率和功率因数数,使其呈现电阻性、电感性或电容性，这是同步电动最可贵的特点使其呈现电阻性、电感性或电容性，这是同步电动最可贵的特点.忽略忽略R1R1和和T0T0 调节励磁

25、电流调节励磁电流I If f时，由于电动机的时，由于电动机的U U1 1、f f1 1和和T TL L都不变，所以：都不变，所以：T T不会发不会发生变化，但是生变化，但是-E-E0 0发生变化。并且由于功率因数的变化，因此电流发生变化。并且由于功率因数的变化，因此电流I I1 1发生变化。发生变化。因此，改变因此，改变 I If f而使而使E0 改变时，改变时，I1、和和 均要改变。均要改变。当当 I If f E0 。当当 I If f E0 。按照励磁电流大小的不同，同步电动机可分为按照励磁电流大小的不同，同步电动机可分为3 3种励磁状态：种励磁状态：正正常励磁状态常励磁状态 过励磁状态

26、过励磁状态 欠励磁状态欠励磁状态第31页，共33页，编辑于2022年，星期日1.1.正常励磁正常励磁-励磁电动势励磁电动势E0E0 I1 I1与与U1U1同相（电阻性）同相（电阻性）5.7 三相同步电动机功率因数的调节（忽略忽略R1）2.2.过励磁过励磁-励磁电动势励磁电动势E E0 0大于大于E E0 0，此时电流此时电流I I1 1超前于电压超前于电压U U1 1（电容性）（电容性）3.3.欠励磁欠励磁-励磁电动势励磁电动势E0E0小于小于E0E0，此时电流，此时电流I1I1滞后于电压滞后于电压U1U1（电感性）（电感性）第32页，共33页，编辑于2022年，星期日5.7 三相同步电动机功

27、率因数的调节 由此可见：由此可见：当同步电动机的输入有功功率（当同步电动机的输入有功功率（P1P1）恒定而）恒定而调节励磁电调节励磁电流流时时,有三种励磁状态：有三种励磁状态：“正常励磁正常励磁”时时,电动机没有无功功率输出；电动机没有无功功率输出；“欠励欠励”时电动机从电网吸收感性无功（或发出容性无功）时电动机从电网吸收感性无功（或发出容性无功）.“过励过励”时，电动机从电网吸收有功功率，以机械功率的时，电动机从电网吸收有功功率，以机械功率的形式输出给负载，同时，又相当于一个电容器形式输出给负载，同时，又相当于一个电容器-补偿电网的电补偿电网的电感性无功分量，使电网的功率因数提高。感性无功分量，使电网的功率因数提高。第33页，共33页，编辑于2022年，星期日