Chpt514同步電機(jī)原理PPT課件

1、步電機(jī)原理 5.4.5.4.1 1 同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式 5 5. .4.4.3 3 同步電動(dòng)機(jī)的功率、轉(zhuǎn)矩和功角特性 . .5 5 同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方法20-1同步電機(jī)第1頁/共20頁5.4.1 同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式l同步電機(jī)多被用作發(fā)電機(jī)，當(dāng)今作為動(dòng)力用的強(qiáng)大電力幾乎同步電機(jī)多被用作發(fā)電機(jī)，當(dāng)今作為動(dòng)力用的強(qiáng)大電力幾乎全是由三相同步發(fā)電機(jī)發(fā)出的，因此它是各類發(fā)電廠的核心設(shè)全是由三相同步發(fā)電機(jī)發(fā)出的，因此它是各類發(fā)電廠的核心設(shè)備之一。備之一。l同步電機(jī)也可以作電動(dòng)機(jī)使用，例如空氣壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、同步電機(jī)也可以作電動(dòng)機(jī)使用，例如空氣壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、電力推進(jìn)裝置和電動(dòng)發(fā)電機(jī)組等。電力推進(jìn)

2、裝置和電動(dòng)發(fā)電機(jī)組等。l所謂所謂同步電機(jī)同步電機(jī)是指是指轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與定子電流的頻率與定子電流的頻率f1滿足下面的滿足下面的方程式關(guān)系的交流電機(jī)，方程式關(guān)系的交流電機(jī)，pnfnn106020-2同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)第2頁/共20頁1. 同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)1）定子同步電機(jī)的定子，就其基本結(jié)構(gòu)來看，與異步電機(jī)的定子沒有同步電機(jī)的定子，就其基本結(jié)構(gòu)來看，與異步電機(jī)的定子沒有多大區(qū)別，也是由定子鐵心、定子繞組以及機(jī)座、端蓋等附多大區(qū)別，也是由定子鐵心、定子繞組以及機(jī)座、端蓋等附件組成。件組成。凸極式隱極式2） 轉(zhuǎn)子同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子有同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子有兩種結(jié)構(gòu)形式兩種結(jié)構(gòu)形式：一種有明顯的磁極，稱為：一

3、種有明顯的磁極，稱為凸極凸極式式，如圖，如圖10-1a10-1a所示；另一種轉(zhuǎn)子為一個(gè)圓柱體，表面上開有槽，所示；另一種轉(zhuǎn)子為一個(gè)圓柱體，表面上開有槽，無明顯的磁極，稱為無明顯的磁極，稱為隱極式隱極式，水輪發(fā)電機(jī) 凸極式汽輪發(fā)電機(jī) 隱極式轉(zhuǎn)速較低 轉(zhuǎn)速較高20-3同步電機(jī)的勵(lì)磁電源第3頁/共20頁勵(lì)磁電源l同步電機(jī)的勵(lì)磁電源有兩種：一種是由勵(lì)磁機(jī)供電，另一種同步電機(jī)的勵(lì)磁電源有兩種：一種是由勵(lì)磁機(jī)供電，另一種是由交流電源經(jīng)過整流而得到。是由交流電源經(jīng)過整流而得到。 同步電機(jī)的物理模型l 每臺(tái)同步電機(jī)應(yīng)配備每臺(tái)同步電機(jī)應(yīng)配備一臺(tái)勵(lì)磁機(jī)或整流勵(lì)一臺(tái)勵(lì)磁機(jī)或整流勵(lì)磁裝置，以便調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置，以便調(diào)節(jié)勵(lì)

4、磁電流。磁電流。 20-4同步電機(jī)的工作原理第4頁/共20頁2. 同步電機(jī)的工作原理l當(dāng)同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子在原動(dòng)機(jī)的當(dāng)同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子在原動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)下達(dá)到同步轉(zhuǎn)速拖動(dòng)下達(dá)到同步轉(zhuǎn)速n n1 1時(shí)，由于轉(zhuǎn)時(shí)，由于轉(zhuǎn)子繞組是由子繞組是由直流電流直流電流I If f 勵(lì)磁勵(lì)磁，l 所以轉(zhuǎn)子繞組在氣隙中所建立的所以轉(zhuǎn)子繞組在氣隙中所建立的磁場(chǎng)相對(duì)于定子來說是一個(gè)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相對(duì)于定子來說是一個(gè)與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同，轉(zhuǎn)速大小相等的旋旋轉(zhuǎn)方向相同，轉(zhuǎn)速大小相等的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。l該磁場(chǎng)切割定子上開路的三相對(duì)該磁場(chǎng)切割定子上開路的三相對(duì)稱繞組，稱繞組， 在三相對(duì)稱繞組中產(chǎn)生三在三相對(duì)稱繞組中產(chǎn)生三相對(duì)稱空載感應(yīng)

5、電動(dòng)勢(shì)相對(duì)稱空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E E0 0 。l若改變勵(lì)磁電流的大小則可相應(yīng)若改變勵(lì)磁電流的大小則可相應(yīng)地改變感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，此時(shí)同地改變感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，此時(shí)同步發(fā)電機(jī)處于空載運(yùn)行。步發(fā)電機(jī)處于空載運(yùn)行?？蛰d運(yùn)行（補(bǔ)償狀態(tài)）空載運(yùn)行（補(bǔ)償狀態(tài)）20-5同步電機(jī)的負(fù)載運(yùn)行第5頁/共20頁l當(dāng)同步發(fā)電機(jī)帶當(dāng)同步發(fā)電機(jī)帶負(fù)載負(fù)載后，定子后，定子繞組構(gòu)成閉合回路，產(chǎn)生定子繞組構(gòu)成閉合回路，產(chǎn)生定子電流，該電流是三相對(duì)稱電流，電流，該電流是三相對(duì)稱電流，因而要在氣隙中產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子旋因而要在氣隙中產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同，轉(zhuǎn)速大小相等的轉(zhuǎn)方向相同，轉(zhuǎn)速大小相等的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。l此時(shí)定、轉(zhuǎn)子間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)

6、此時(shí)定、轉(zhuǎn)子間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)靜止，氣隙中的磁場(chǎng)是定、轉(zhuǎn)靜止，氣隙中的磁場(chǎng)是定、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的合成。子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的合成。l由于氣隙中磁場(chǎng)的改變，定子由于氣隙中磁場(chǎng)的改變，定子繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小也將繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小也將發(fā)生變化。發(fā)生變化。負(fù)負(fù)載運(yùn)行載運(yùn)行20-6同步電機(jī)的運(yùn)行方式第6頁/共20頁3. 同步電機(jī)的運(yùn)行方式l發(fā)電機(jī)運(yùn)行方式：發(fā)電機(jī)運(yùn)行方式：轉(zhuǎn)子主磁場(chǎng)超前定子合成磁場(chǎng)，原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)同步電轉(zhuǎn)子主磁場(chǎng)超前定子合成磁場(chǎng)，原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)同步電機(jī)并勵(lì)磁時(shí)，電機(jī)從原動(dòng)機(jī)輸入機(jī)械功率，向電網(wǎng)輸出電功率。機(jī)并勵(lì)磁時(shí)，電機(jī)從原動(dòng)機(jī)輸入機(jī)械功率，向電網(wǎng)輸出電功率。l電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方式：電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方式：轉(zhuǎn)子主磁場(chǎng)

7、滯后定子合成磁場(chǎng)，當(dāng)同步電機(jī)由電網(wǎng)轉(zhuǎn)子主磁場(chǎng)滯后定子合成磁場(chǎng)，當(dāng)同步電機(jī)由電網(wǎng)供電并勵(lì)磁，拖動(dòng)機(jī)械負(fù)載時(shí)，從電網(wǎng)輸入電功率，在軸上輸出機(jī)械供電并勵(lì)磁，拖動(dòng)機(jī)械負(fù)載時(shí)，從電網(wǎng)輸入電功率，在軸上輸出機(jī)械功率功率 。20-7同步電機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)第7頁/共20頁4. 同步電動(dòng)機(jī)的磁動(dòng)勢(shì) 電樞磁動(dòng)勢(shì)：電樞磁動(dòng)勢(shì)：當(dāng)定子三相對(duì)稱繞組連接到三相對(duì)稱電源上時(shí)，當(dāng)定子三相對(duì)稱繞組連接到三相對(duì)稱電源上時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生就會(huì)產(chǎn)生三相合成旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)三相合成旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)， 簡稱簡稱電樞磁動(dòng)勢(shì)電樞磁動(dòng)勢(shì)，用空間矢，用空間矢量量Fa表示。設(shè)表示。設(shè)Fa 的轉(zhuǎn)向?yàn)槟鏁r(shí)針方向，轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速。的轉(zhuǎn)向?yàn)槟鏁r(shí)針方向，轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速。 勵(lì)磁磁動(dòng)

8、勢(shì)：勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)：在同步電動(dòng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，在同步電動(dòng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)， 其轉(zhuǎn)子也是逆時(shí)針其轉(zhuǎn)子也是逆時(shí)針方向以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。由直流勵(lì)磁電流方向以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。由直流勵(lì)磁電流If產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)稱為產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)稱為勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)，用，用Ff （或（或FO）表示，它也是一個(gè)空間矢量。表示，它也是一個(gè)空間矢量。 這里規(guī)定兩個(gè)軸方向：轉(zhuǎn)子這里規(guī)定兩個(gè)軸方向：轉(zhuǎn)子N極和極和S極的中心線稱為極的中心線稱為直軸或直軸或縱軸縱軸，簡稱，簡稱d 軸軸；與直軸相距；與直軸相距90 空間電角度的方向稱為空間電角度的方向稱為交交軸或橫軸軸或橫軸，簡稱，簡稱q 軸軸。直軸和交軸隨轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)，。直軸和交軸隨轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)，2

9、0-8同步電機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)第8頁/共20頁先考慮先考慮勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff單獨(dú)在電機(jī)主磁路中產(chǎn)生磁通時(shí)的情單獨(dú)在電機(jī)主磁路中產(chǎn)生磁通時(shí)的情況。況。 勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff 總是在直軸方向產(chǎn)生磁通。由勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)總是在直軸方向產(chǎn)生磁通。由勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff單獨(dú)產(chǎn)生的磁通叫單獨(dú)產(chǎn)生的磁通叫勵(lì)磁磁通勵(lì)磁磁通，用，用 f 表示。表示。20-9同步電機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)第9頁/共20頁lFa 單獨(dú)在電機(jī)主磁路中單獨(dú)在電機(jī)主磁路中產(chǎn)生磁通時(shí)的情況，則比產(chǎn)生磁通時(shí)的情況，則比勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff 產(chǎn)生磁通時(shí)產(chǎn)生磁通時(shí)的情況復(fù)雜。下圖給出了的情況復(fù)雜。下圖給出了計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果。計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果。l f 經(jīng)過的磁路是以直軸

10、為對(duì)稱的，下圖是其計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果。20-10同步電機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)第10頁/共20頁凸極同步電動(dòng)機(jī)的雙反應(yīng)原理aqadaFFF20-11同步電機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)第11頁/共20頁l直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)和交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)除了各自在主磁路中產(chǎn)生過氣隙的磁直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)和交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)除了各自在主磁路中產(chǎn)生過氣隙的磁通外，還要分別在定子繞組里產(chǎn)生漏磁通。通外，還要分別在定子繞組里產(chǎn)生漏磁通。l由定子電流產(chǎn)生的電樞磁動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式為由定子電流產(chǎn)生的電樞磁動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式為spW11a22423InkNF將上式分解為將上式分解為d d、q q軸上的直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)和交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)：軸上的直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)和交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)：dpW11ad

11、22423InkNFqpW11aq22423InkNF考慮到關(guān)系考慮到關(guān)系式 aqadaFFF把電樞電流按相量的關(guān)系分解成兩個(gè)分量，則有把電樞電流按相量的關(guān)系分解成兩個(gè)分量，則有qdsIII20-12同步電機(jī)的電壓方程第12頁/共20頁5. 同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程1） 凸極同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程凸極同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程 勵(lì)磁磁通勵(lì)磁磁通 f ，直軸磁通，直軸磁通 ad 和交軸磁通和交軸磁通 aq，都以同步，都以同步轉(zhuǎn)速逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，因此都要在定子繞組中產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)轉(zhuǎn)速逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，因此都要在定子繞組中產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。電動(dòng)勢(shì)。 根據(jù)圖給出的同步電動(dòng)機(jī)定子繞組各電量正方向，可以列根據(jù)圖給出的同步電

12、動(dòng)機(jī)定子繞組各電量正方向，可以列出出A相回路的電壓方程相回路的電壓方程 圖圖9-7 同同步步電電動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)各各量量的的正正方方向向ABCsUsIEsssaqad0sjXRIEEEU感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 、 可以寫成 adEaqEaddadjXIEaqqaqjXIE直軸電樞反應(yīng)電抗交軸電樞反應(yīng)電抗20-13同步電機(jī)的電壓方程第13頁/共20頁經(jīng)整理，得電壓方程一般情況下，當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)容量較大時(shí)，可一般情況下，當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)容量較大時(shí)，可忽略電阻忽略電阻Rs，于是于是 sssaqqadd0sjjjXRIXIXIEUsqdsaqqsadd0sjjRIIXXIXXIEUqqdd0sjjXIXIEUsaddXXXsa

13、qqXXX直軸同步電抗交軸同步電抗定子漏抗qdXX20-14同步電機(jī)的電壓方程第14頁/共20頁2） 隱極同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程隱極同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程 對(duì)于隱極同步電動(dòng)機(jī)，由于氣隙均勻，因而直軸和交軸對(duì)于隱極同步電動(dòng)機(jī)，由于氣隙均勻，因而直軸和交軸的同步電抗在數(shù)值上彼此相等，即有的同步電抗在數(shù)值上彼此相等，即有cqdXXX同步電抗這樣，可寫出隱極同步電動(dòng)這樣，可寫出隱極同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程為機(jī)的電壓方程為cs0sj XIEU20-15同步電機(jī)的功率關(guān)系第15頁/共20頁5.4.2 同步電動(dòng)機(jī)的功率、轉(zhuǎn)矩和功（矩）角特性1. 功率關(guān)系l同步電動(dòng)機(jī)從電源吸收有功功率同步電動(dòng)機(jī)從電源吸收有功功率P1

14、，在扣除消耗于定子繞組，在扣除消耗于定子繞組的銅損耗的銅損耗 后，轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶殴β屎?，轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶殴β?Pem（即（即PM），），即有即有ssRIp2Cu3MCuPpP1l從電磁功率PM里再扣除鐵損耗 和機(jī)械摩擦損耗 后，得到輸出給負(fù)載的機(jī)械功率P2FepmpmFeem2ppPP其中，鐵損耗 與機(jī)械損耗 之和稱為空載損耗P0 ，即 FepmpmFe0ppP根據(jù)上述分析，根據(jù)上述分析，可以畫出同步可以畫出同步電動(dòng)機(jī)的功率電動(dòng)機(jī)的功率流程圖：流程圖：20-16同步電機(jī)的功角特性第16頁/共20頁2. 電磁功率與功角特性對(duì)于凸極同步電動(dòng)機(jī)，當(dāng)忽略定子繞組的電阻對(duì)于凸極同步電動(dòng)機(jī)，當(dāng)忽略定子繞組的電阻Rs

15、 時(shí)，同步時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)的電磁功率為電動(dòng)機(jī)的電磁功率為 )cos(3cos311ssssIUIUPPM考慮到相量關(guān)系，于是sinsin3coscos3ssssMIUIUPsincos113sin320dqsdsMXXUXUEP2sin23sin320qdqdsdsMXXXXUXUEP勵(lì)磁電磁功率1凸極電磁功率220-17同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩第17頁/共20頁3. 電磁轉(zhuǎn)矩與矩角特性 電磁轉(zhuǎn)矩的通用公式為sssr2pesin2FnT 式中 電機(jī)極對(duì)數(shù)； 每極合成磁通； 定子磁動(dòng)勢(shì)幅值； 定子磁動(dòng)勢(shì)與合成磁動(dòng)勢(shì)間的夾角。 pnsrsFs因?yàn)?可有asFF spW11s32InkNF 根據(jù)功率與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，根據(jù)功率與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系， 同樣可以導(dǎo)出電磁轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩平衡同樣可以導(dǎo)出電磁轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩平衡方程。方程。與異步電動(dòng)機(jī)一樣，電磁轉(zhuǎn)矩與異步電動(dòng)機(jī)一樣，電磁轉(zhuǎn)矩Te等于電磁功率等于電磁功率Pem與與電機(jī)角速度電機(jī)角速度之比，但對(duì)于同步電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速即為同步轉(zhuǎn)速，之比，但對(duì)于同步電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速即為同步轉(zhuǎn)速，因此因此1cos31ss1MeIUPT20-18同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩第18頁/共20頁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程 電磁轉(zhuǎn)矩還可表示為電磁轉(zhuǎn)矩還可表示為 0e2T