第7章三相同步電機(jī)

三相同步電機(jī)第7章1電機(jī)與拖動(dòng)本章要求掌握同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。掌握同步電動(dòng)機(jī)的分析方法及分析結(jié)果。掌握功角的概念及意義，矩角特性及其應(yīng)用。熟練掌握同步電動(dòng)機(jī)的U型曲線及其意義。掌握工作特性中的cosφ=f（P2）曲線形狀及其意義。了解同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法；一般掌握同步調(diào)相機(jī)。27.1同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式

一、同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)1.定子：主要由鐵心和電樞繞組構(gòu)成定子鐵心是由硅鋼片疊成，它構(gòu)成電機(jī)磁路的一部分。電樞繞組是三相對(duì)稱繞組，由高強(qiáng)度漆包線繞成，它構(gòu)成電機(jī)的電路。345UVWU’V’W’VWW’UU’V’U’UW’VV’W

Y接法

接法WW’U’V’VU接線盒注意：首尾端不能接反！定子三相繞組接線方式WUVU’V’W’U

定子U’VV’WW’6轉(zhuǎn)子：由鐵心、直流勵(lì)磁繞組、滑環(huán)和電刷等構(gòu)成。按結(jié)構(gòu)型式分成凸極式轉(zhuǎn)子和隱極式轉(zhuǎn)子凸極式轉(zhuǎn)子7水輪發(fā)電機(jī)8電機(jī)與拖動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)：極數(shù)多，直徑大，軸向長(zhǎng)度短，整個(gè)轉(zhuǎn)子在外形上與汽輪發(fā)電機(jī)大不相同。大多數(shù)水輪發(fā)電機(jī)為立式。水輪發(fā)電機(jī)的直徑很大，定子鐵心由扇形電工鋼片拼裝疊成。為了散熱的需要，定子鐵心中留有徑向通風(fēng)溝。轉(zhuǎn)子磁極由厚度為1～2mm的鋼片疊成；磁極兩端有磁極壓板，用來(lái)壓緊磁極沖片和固定磁極繞組。有些發(fā)電機(jī)磁極的極靴上開(kāi)有一些槽，槽內(nèi)放上銅條，并用端環(huán)將所有銅條連在一起構(gòu)成阻尼繞組，其作用是用來(lái)擬制短路電流和減弱電機(jī)振蕩，在電動(dòng)機(jī)中作為起動(dòng)繞組用。磁極與磁極軛部采用T形或鴿尾形連接。9隱極式轉(zhuǎn)子10汽輪發(fā)電機(jī)111213電機(jī)與拖動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)：定子大體上與異步電機(jī)相同，定子鐵心由0.35mm、0.5mm或其它厚度的電工鋼片疊成。定子外徑較小時(shí)，采用圓形沖片，當(dāng)定子外徑大于1m時(shí)，采用扇形沖片。定子鐵心固定在機(jī)座上，機(jī)座常由鋼板焊接而成，它必須有足夠的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)還必須滿足通風(fēng)和散熱的需要。汽輪發(fā)電機(jī)的電壓較高，要求定子繞組有足夠的絕緣強(qiáng)度，一般采用B級(jí)或F

級(jí)絕緣。為了減少高速旋轉(zhuǎn)引起的離心力，一般采用隱極式轉(zhuǎn)子，其外形常做成一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的圓柱體。轉(zhuǎn)子鐵心表面圓周上銑有許多槽，勵(lì)磁繞組嵌放在這些槽內(nèi)。勵(lì)磁繞組為同心式繞組，以銅線繞制，并用不導(dǎo)磁的槽楔將繞組緊固在槽內(nèi)。

14凸極轉(zhuǎn)子隱極轉(zhuǎn)子d軸q軸d軸q軸特點(diǎn)：氣隙不均勻特點(diǎn)：氣隙均勻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)15定子三相對(duì)稱繞組，加三相對(duì)稱電壓，流入三相對(duì)稱電流，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)N1、

S1

。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組，加直流電壓，產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)N2、

S2

。定子磁場(chǎng)N1、

S1

與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)N2、

S2

之間產(chǎn)生磁拉力，從而產(chǎn)生電磁力矩拖動(dòng)轉(zhuǎn)子與定子磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)。原理動(dòng)畫(huà)二、同步電動(dòng)機(jī)的工作原理16*同步轉(zhuǎn)速?gòu)墓╇娖焚|(zhì)考慮，由眾多同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)構(gòu)成的交流電網(wǎng)的頻率應(yīng)該是一個(gè)不變的值，這就要求發(fā)電機(jī)的頻率應(yīng)該和電網(wǎng)的頻率一致。我國(guó)電網(wǎng)的頻率為50Hz，故有：要使得發(fā)電機(jī)供給電網(wǎng)50Hz的工頻電能，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速必須為某些固定值，這些固定值稱為同步轉(zhuǎn)速。例如2極電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為3000r/min，4極電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為1500r/min，依次類(lèi)推。只有運(yùn)行于同步轉(zhuǎn)速，同步電機(jī)才能正常運(yùn)行，這也是同步電機(jī)名稱的由來(lái)。

17*同步機(jī)運(yùn)行方式

同步電機(jī)的主要運(yùn)行方式有三種，即作為發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和補(bǔ)償機(jī)運(yùn)行。作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行是同步電機(jī)最主要的運(yùn)行方式，作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行是同步電機(jī)的另一種重要的運(yùn)行方式。同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)，在不要求調(diào)速的場(chǎng)合，應(yīng)用大型同步電動(dòng)機(jī)可以提高運(yùn)行效率。近年來(lái)，小型同步電動(dòng)機(jī)在變頻調(diào)速系統(tǒng)中開(kāi)始得到較多地應(yīng)用。同步電機(jī)還可以接于電網(wǎng)作為同步補(bǔ)償機(jī)。這時(shí)電機(jī)不帶任何機(jī)械負(fù)載，靠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子中的勵(lì)磁電流向電網(wǎng)發(fā)出所需的感性或者容性無(wú)功功率，以達(dá)到改善電網(wǎng)功率因數(shù)或者調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓的目的。

18三、同步電動(dòng)機(jī)的額定數(shù)據(jù)⑴額定容量是指軸上輸出的有功功率，單位為。

⑵額定電壓指加在定子繞組上的線電壓，單位為或。⑶額定電流電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)，流過(guò)定子繞組的線電流，單位為。⑷額定功率因數(shù)電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行的功率因數(shù)。⑸額定轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，單位為。⑹額定效率電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行效率。

此外，同步電動(dòng)機(jī)銘牌上還給上額定頻率；額定勵(lì)磁電壓；額定勵(lì)磁電流等數(shù)據(jù)。19一、

隱極同步電動(dòng)機(jī)電磁分析和相量圖定子的電磁關(guān)系(磁路不飽和時(shí)）：轉(zhuǎn)子If定子F=F0+Fa1、電磁分析由于定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)在空間相對(duì)靜止，故同步電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行，定轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，它們相對(duì)靜止，只在定子中感應(yīng)電勢(shì)。7.2同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程和相量圖FFIaEaFaF0E0202、基本方程磁路不飽和時(shí)氣隙磁場(chǎng)在定子中的感應(yīng)電勢(shì)故而漏感電勢(shì)r1定子一相繞組電阻為r121在給定的參考方向下，定子一相繞組的電壓平衡方程式為1aa01rIEEEU+++=s1aasdrIxjIE++=r1aaaa0IxjIxjIE+++=s式中xa稱為電樞反應(yīng)電抗，對(duì)應(yīng)旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)磁路.x定子漏電抗，與定子漏磁通的磁路對(duì)應(yīng)。xa>>xr1223、等效電路和相量圖定子一相等效電路為一般同步電動(dòng)機(jī)容量都較大，電阻r1很小，忽略之，得aaa0xjIxjIE++=sca0xjIE+=式中xc稱為隱極同步電機(jī)的同步電抗。與等效電路對(duì)應(yīng)的相量圖(忽略r1）為：+r1-jxcU123二、

凸極同步電動(dòng)機(jī)的電磁分析和相量圖盡管氣隙不均勻，但對(duì)縱軸或橫軸來(lái)說(shuō)，都分別為對(duì)稱磁路，這就給分析帶來(lái)了方便，這種分析問(wèn)題的方法稱為雙反應(yīng)原理。1、雙反應(yīng)原理電樞磁通勢(shì)可以分成兩個(gè)分量，一個(gè)為縱軸電樞磁通勢(shì)Fad，作用在縱軸方向；一個(gè)為橫軸電樞磁通勢(shì)Faq，作用在橫軸方向。24縱軸電樞磁通勢(shì)Fad的大?。簷M軸電樞磁通勢(shì)Faq的大?。喝艮D(zhuǎn)到A相繞組軸線上，idA為最大值；若

轉(zhuǎn)到A相繞組軸線上，iqA為最大值。顯然，與相差90o時(shí)間電角度。由于三相對(duì)稱，只取A相，所以有25在給定的參考方向下，定子一相繞組的電壓平衡方程式為1aa01rIEEEU+++=1r1aaaa0IxjIxjIE+++=1式中xa稱為電樞反應(yīng)電抗，對(duì)應(yīng)旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)磁路.x1定子漏電抗，與定子漏磁通的磁路對(duì)應(yīng)。xa>>x1r10EE1aEaI1U2、電壓平衡方程式26則因磁路線性，可寫(xiě)成同樣忽略R1，為：273、相量圖28一、同步電動(dòng)機(jī)的功率方程輸入：定子銅耗：電磁功率：輸出功率：0emFesmem2pPpppPP-=---=摩擦損耗附加損耗空載損耗鐵損耗電功率電磁功率輸出功率同步電動(dòng)機(jī)的功率流程圖mFe0ppp+=空載損耗：sp+7.3同步電動(dòng)機(jī)的功率方程及功角特性29二、同步電動(dòng)機(jī)的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Rs時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)的電磁功率為

由相量圖可見(jiàn)：

于是

此外，根據(jù)相量圖可得：

30考慮以上這些關(guān)系，得即

第一項(xiàng)與勵(lì)磁電流的大小有關(guān)，稱為勵(lì)磁電磁功率。第二項(xiàng)是由參數(shù)引起的，這部分功率只有凸極同步電動(dòng)機(jī)才有，而對(duì)隱極同步電動(dòng)機(jī)不存在，所以稱為凸極電磁功率。

31功角特性功角的概念：

◆功角θ在時(shí)間上表示端電壓和勵(lì)磁磁勢(shì)之間的相位差，在空間上表現(xiàn)為合成磁場(chǎng)軸線與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)軸線之間夾角。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，

為電網(wǎng)電壓，其大小和頻率不變，對(duì)應(yīng)的合成磁勢(shì)

總是以同步速度旋轉(zhuǎn)，因此功角的大小只能由轉(zhuǎn)子磁勢(shì)

的角速度決定。穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，

和

之間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，θ具有固定的值。

◆y為內(nèi)功率因數(shù)角，θ

=y-j定義為功角。它表示發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電勢(shì)

和端電壓

之間相角差。功角θ對(duì)于研究同步電機(jī)的功率變化和運(yùn)行的穩(wěn)定性有重要意義。

32功角的空間概念：

33三、同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與矩角特性電磁轉(zhuǎn)矩的通用公式

由：

不計(jì)定子電阻時(shí)，

可得：

34得到的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為若是隱極同步機(jī)xd=xq=xcq=sinxUsE3Pc0em隱極機(jī)q=sinxUsE3Tc01em隱極機(jī)35凸極機(jī)q-+q=2sin)x1x1(2UmsinxUEmPdq2d0em結(jié)論：q=sinxUEmPc0em隱極機(jī)可見(jiàn)電磁功率、電磁轉(zhuǎn)矩都是的函數(shù)。36功角特性和矩角特性曲線在U、E0不變時(shí)，Pem、Tem與成正弦關(guān)系BATLTm180900Pem(Tem)θ隱極機(jī)180900Pem(Tem)θ凸極機(jī)37一、同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)調(diào)節(jié)保持同步電動(dòng)機(jī)的U1、f、P2不變，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流If

，會(huì)引起電樞電流Ｉ和電機(jī)功率因數(shù)的改變。7.4同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)及U形曲線若保持同步電動(dòng)機(jī)的負(fù)載不變，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的輸出轉(zhuǎn)矩也不變，如果忽略空載轉(zhuǎn)矩，有，則這說(shuō)明當(dāng)改變勵(lì)磁電流時(shí)，電動(dòng)勢(shì)E0的大小也要跟著改變。38當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，由于同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定不變，所以同步電動(dòng)機(jī)的輸出功率不變。在忽略電機(jī)中的各種損耗的情況下，同步電動(dòng)機(jī)的輸入功率于輸出功率相等。于是有在電壓Us不變的條件下，必有上式的物理意義是：在只改變勵(lì)磁電流的情況下，同步電動(dòng)機(jī)電子繞組中電流的有功分量保持不變。39結(jié)論：

調(diào)節(jié)If

，可以改變電機(jī)功率因數(shù)；正常勵(lì)磁時(shí)，為純阻性；

If>正常勵(lì)磁時(shí),為容性；

If<正常勵(lì)磁時(shí)，為感性。注意：同步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，一般要過(guò)勵(lì)，至少運(yùn)行在正常勵(lì)磁狀態(tài)，不要讓它運(yùn)行在欠勵(lì)狀態(tài)。40二、

U形曲線Ｉ＝f(If)條件：P2保持不變，調(diào)節(jié)If當(dāng)If=If1時(shí)，I為純有功電流，最??；If從If1增加時(shí)，I增加；If從If1減小時(shí)，I也增加；電流I呈Ｖ形曲線變化。C3>C2>C10欠勵(lì)過(guò)勵(lì)I(lǐng)IfP2=C1P2=C2P2=C3正常勵(lì)磁

U形曲線是一簇曲線，每一條U形曲線對(duì)應(yīng)一定的有功功率。U形曲線上都有一個(gè)最低點(diǎn)，對(duì)應(yīng)cos=1

的情況。將所有的最低點(diǎn)連接起來(lái)，將得到與cos=1對(duì)應(yīng)的曲線，該線左邊為欠勵(lì)狀態(tài)，功率因數(shù)超前，右邊為過(guò)勵(lì)狀態(tài)，功率因數(shù)滯后。41TemθS1S2N2N1n1θN1S2N2S1n1Tem同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)n=0,由于轉(zhuǎn)子的慣性，其速度不能突變，而氣隙磁場(chǎng)速度n1很快。所以轉(zhuǎn)子所受的T方向來(lái)回變化，轉(zhuǎn)子無(wú)法直接起動(dòng)。7.5同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)42同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法同步電機(jī)在電源頻率恒定使定子合成磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速恒定的條件下，其轉(zhuǎn)速必為同步轉(zhuǎn)速n1，是不可調(diào)節(jié)的。平均電磁轉(zhuǎn)矩Temav=∫Tem(t)dt=0

因?yàn)橥诫姍C(jī)僅在運(yùn)行時(shí)才有平均電磁轉(zhuǎn)矩，而起動(dòng)過(guò)程是非同步運(yùn)行狀態(tài)，所以同步電動(dòng)機(jī)不能自行起動(dòng)，可采用異步起動(dòng)啟動(dòng)43同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法1、輔助起動(dòng)法：用同極數(shù)異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)其起動(dòng)。起動(dòng)時(shí)，在轉(zhuǎn)子尚未加入勵(lì)磁的情況下，先用輔助電動(dòng)機(jī)將轉(zhuǎn)子牽引到接近同步轉(zhuǎn)速，然后采用自整步法，在轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組中通入直流勵(lì)磁電流，再利用整步轉(zhuǎn)矩將同步電動(dòng)機(jī)接入電網(wǎng)，這時(shí)在定轉(zhuǎn)子共同作用下，將轉(zhuǎn)子拉入同步運(yùn)行。此時(shí)，輔助電動(dòng)機(jī)已失去作用，為減小不必要的損耗，可切