同步電動機(jī)的基本理論.ppt

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1、回顧：三相異步電動機(jī)拖動,三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性（固有、人為） 電力拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行 三相異步電動機(jī)的啟動 三相異步電動機(jī)的調(diào)速 三相異步電動機(jī)的制動,下面討論： 三相同步電機(jī),按運(yùn)行方式：同步發(fā)電機(jī)、同步電動機(jī)和同步調(diào)相機(jī)。,按結(jié)構(gòu)型式：旋轉(zhuǎn)電樞式和旋轉(zhuǎn)磁極式。,旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機(jī)按磁極形狀，又分隱極式和凸極式兩種。,按原動機(jī)類別,同步發(fā)電機(jī)分為： 汽輪發(fā)電機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)等。,汽輪發(fā)電機(jī)一般作成隱極式，現(xiàn)代汽輪發(fā)電機(jī)均為2極（p=1），轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分鐘， 水輪發(fā)電機(jī)采用凸極式，極數(shù)多，轉(zhuǎn)速低。,同步電動機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)和調(diào)相機(jī)一般作成凸極式。,概述：同步電機(jī)基本類型與結(jié)

2、構(gòu),同步調(diào)相機(jī)實際是一臺接在交流電網(wǎng)上空載的同步電動機(jī)，電機(jī)不帶任何機(jī)械負(fù)載，靠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子中的勵磁電流向電網(wǎng)發(fā)出所需的感性或者容性無功功率，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。,同步電機(jī)主要用作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，把機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能。向電網(wǎng)發(fā)出交流電，是同步電機(jī)最主要的運(yùn)行方式。,同步電動機(jī)可以通過調(diào)節(jié)勵磁電流來改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。在不要求調(diào)速的場合，應(yīng)用大型同步電動機(jī)可以提高運(yùn)行效率。近年來，小型同步電動機(jī)在變頻調(diào)速系統(tǒng)中開始得到較多地應(yīng)用,三相同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu),一、主要部件 1. 定子（電樞） 2. 轉(zhuǎn)子,由硅鋼片疊成。 對稱三相繞組（產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場）。,(1)定子鐵心： (2)定子繞組：

3、 (3)機(jī)座和端蓋等。,,,(1)轉(zhuǎn)子鐵心： 由整塊鑄（鍛）鋼制成。 (2)勵磁繞組： 工作時施加直流勵磁。 (3)阻尼繞組和轉(zhuǎn)軸等。,阻尼繞組,因為：轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場間沒有相對運(yùn)動，所以：旋轉(zhuǎn)磁場不會在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生渦流損耗。,轉(zhuǎn)子鐵心上裝有勵磁繞組，其兩個出線端與兩個滑環(huán)分別相接,二、勵磁方式,1. 直流勵磁機(jī)勵磁 勵磁繞組由小型直流發(fā)電機(jī)供電。 2. 靜止整流器勵磁 交流勵磁機(jī)整流直流電 3. 旋轉(zhuǎn)整流器勵磁 交流勵磁機(jī)整流直流電勵磁繞組。,1. 按定子相數(shù)的不同: 三相、單相。 2. 按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同：隱極式、凸極式。,三、主要種類,,,N S,+ ,,,+ ,N S,a）凸極式：

4、轉(zhuǎn)子有明顯的突出的磁極，氣隙分布不均勻。 b）隱極式：轉(zhuǎn)子作成圓柱形，氣隙均勻分布。 區(qū)別：對于高速旋轉(zhuǎn) 的同步電機(jī)，在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上，采用隱極式；而對于低速旋轉(zhuǎn)的電機(jī)，由于轉(zhuǎn)子的圓周速度較低，離心力較小，故采用制造簡單、勵磁繞組集中安放的凸極式結(jié)構(gòu)。 大型同步發(fā)電機(jī)通常用汽輪機(jī)或水輪機(jī)作為原動機(jī)來拖動，前者稱為汽輪發(fā)電機(jī)，后者稱為水輪發(fā)電機(jī)。 汽輪發(fā)電機(jī)：轉(zhuǎn)速高，采用隱極式。 水輪發(fā)電機(jī)：轉(zhuǎn)速低，采用凸極式。,,勵磁機(jī),發(fā)電機(jī),水輪機(jī),,臥式、立式。 5. 按原動機(jī)的不同： 汽輪發(fā)電機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)。,4. 按安裝方式的不同：,,燃燒室,燃料,鍋爐的爐膛,循環(huán)水,汽輪機(jī),發(fā)電機(jī),3 6

5、00 r/min,升壓變壓器,超熱高壓蒸汽,電能輸出,電能的產(chǎn)生,四、額定值,1. 額定電壓 UN ：定子繞組線電壓的額定值。 2. 額定電流 IN ：定子繞組線電流的額定值。 3. 額定功率 PN ：輸出功率的額定值。 三相同步電動機(jī)（電功率）：,三相同步發(fā)電機(jī)（機(jī)械功率）：,4. 額定轉(zhuǎn)速 nN ：額定運(yùn)行時的轉(zhuǎn)速。 5. 額定頻率 fN ： 50Hz。,,N S,三相同步電機(jī)的工作原理,定子,轉(zhuǎn)子,勵磁 繞組,一、三相同步電動機(jī),,定子 旋轉(zhuǎn)磁場。 轉(zhuǎn)子 直流磁極。 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,在轉(zhuǎn)子勵磁繞組中通入直流電流時，將產(chǎn)生極性恒定的磁場。 若轉(zhuǎn)子磁場的磁極對數(shù)與定子磁場的磁極對數(shù)相等，轉(zhuǎn)

6、子磁場因受定 子磁場力作用而隨定子旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)，即轉(zhuǎn)子以等同于旋轉(zhuǎn)磁場 的速度、方向旋轉(zhuǎn)，這就是同步電動機(jī)的基本工作原理。,同步電動機(jī)中的磁通勢,定子 電樞。 電樞旋轉(zhuǎn)磁通勢 Fa 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁通勢 Ff,,氣隙旋轉(zhuǎn)磁通勢 F m,,,電樞反應(yīng), Fa 對 Fm 的影響。,電動機(jī)狀態(tài),理想空載狀態(tài),功角,同步電機(jī)的合成磁場： 同步電機(jī)運(yùn)行時，定子三相對稱繞組中就有三相對稱電流流過，從而在 定子中產(chǎn)生以同步速度旋轉(zhuǎn)的電樞磁勢 Fa 和磁場 Ba ，它與以同步速旋轉(zhuǎn) 的轉(zhuǎn)子磁勢 Ff 和主磁場 Bf 保持相對靜止，因此可以疊加產(chǎn)生有效的氣隙 磁勢 F （氣隙總磁通勢------合成磁通勢） 和

7、磁場 B 。,同步電動機(jī)中的感應(yīng)電動勢,當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極與旋轉(zhuǎn)磁場的軸線重合時，其磁場力在軸線方向， 不會形成電磁轉(zhuǎn)矩。,由于受負(fù)載的影響，轉(zhuǎn)子磁極滯后于旋轉(zhuǎn)磁場時，轉(zhuǎn)子上才有 電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生，即：F0m滯后于Fm .,,二、三相同步發(fā)電機(jī),勵磁機(jī),F0m,旋轉(zhuǎn)的 F0 m和0,E0,,,發(fā)電機(jī)運(yùn)行,結(jié)論：在原動機(jī)作用下，F(xiàn)0m超前于Fam， 即：F0m超前Fm,,三相同步發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行時,電樞（定子）： I1 (Fam ) = 0 轉(zhuǎn)子每極磁通： 0 空載電動勢： E0 = 4.44 kw1 N1f1 0 或,電樞相電壓： U0P = E0 電樞線電壓（Y 形聯(lián)結(jié)）：,E0 的頻率：

8、,如果： f1 = 50Hz，則： pn = 3 000,,三相同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時,電樞旋轉(zhuǎn)磁通勢 Fam 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁通勢 F0m,,氣隙旋轉(zhuǎn)磁通勢 Fm,同步電動機(jī)中的感應(yīng)電動勢,, 漏磁感應(yīng)電動勢： R1、X 定子每相繞組的電阻、漏電抗。 即：,一、三相隱極同步電動機(jī)的運(yùn)行分析,1. 基本方程式(相),,Uf If Ff,F,U1 I1Fa,,合成 磁通勢,三相同步電動機(jī)的運(yùn)行分析,(勵磁電動勢不變) (電樞反應(yīng)電動勢隨負(fù)載變化),如果不計磁路飽和，則,Uf If Ff,0,U1 I1 Fa,E0,a,Ea, Xa 電樞反應(yīng)電抗。,因此：,,,合成磁動勢產(chǎn)生, Xs = XXa 同步電

9、抗。 一般：R1 Xs ，忽略 R1 ，則,2. 等效電路,受勵磁電流If（勵磁磁動勢Ff）控制，屬于流控電壓源。,在同步電動機(jī)中，由于受負(fù)載的影響，合成磁動勢F在空間上較勵磁磁動勢 Ff超前 ，所以： 在相位上較 超前。,,由于電動機(jī)繞組的感性特點：,,,由 可繪制相量圖,,,,相量圖中的 ----功角； ----功率因數(shù)角； ----內(nèi)功率因數(shù)角。,,3. 相量圖,二、三相凸極同步電動機(jī)的運(yùn)行分析,特點：氣隙不均勻，磁阻不相同。 所以，同樣的 Fa 產(chǎn)生不同的a 對應(yīng)不同的 Xa 。,如果磁路不飽和：,直軸分量：Id = I1 sin 交軸分量：Iq

10、 = I1 cos, 雙反應(yīng)理論。,電樞反應(yīng)電抗,：轉(zhuǎn)子磁極的中心線（d）,轉(zhuǎn)子 相鄰 兩磁 極的 軸線(q),1. 基本方程式(相),f,三相同步電動機(jī)的功率、轉(zhuǎn)矩,一、功率,三相同步電動機(jī)的額定功率：,Pe =P1Pcu1,1、三相同步電動機(jī)的輸入功率：,2、三相電樞繞組的銅損：,3、三相電流通過氣隙傳遞到轉(zhuǎn)子的電磁功率：,4、空載損耗（電樞鐵損、機(jī)械損耗、附加損耗）：,P0 = PFe + pme + Pad,5、輸出（機(jī)械）功率： P2=Pe P0 =P1Pcu1 (PFe + Pme + Pad),5. 輸出功率 P2 = PeP0 6. 總損耗 Pal

11、 = PCuPFe PmePad 7. 功率平衡方程式 P1 P2 = Pal 8. 效率,P1,Pe,P2,二、轉(zhuǎn)矩 1. 轉(zhuǎn)矩平衡方程式 T2 = TeT0,4. 空載轉(zhuǎn)矩,2. 輸出轉(zhuǎn)矩,3. 電磁轉(zhuǎn)矩,穩(wěn)定運(yùn)行時,T2 = TL,忽略T0， 則,T=T2=TL,三相同步電動機(jī)的運(yùn)行特性（了解）,運(yùn)行特性 當(dāng) U1 = UN ，f1 = fN ， If = 常數(shù)時， I1 、T、 、 = f (P2) 的關(guān)系。 當(dāng) U1與 E0 （即n 和 If ）為常數(shù)時： Pe = f () T = f (), 功角特性 矩角特性,,,由向量圖得：U1s

12、in = Xs I1 cos,所以,,當(dāng) = 90o 時: Pe = PeM ，Te = TeM,1. 隱極同步電機(jī)的功角特性和矩角特性 如果忽略 R1，則有 Pe = P1 = 3U1I1cos = 3 E0I1cos,,為功率角,如果忽略 R1，則有 Pe = P1 = 3U1I1cos = 3U1I1cos ( ) = 3U1I1cos cos 3U1I1sin sin = 3U1Iq cos3U1Id sin 由向量圖得： Xq Iq = U1sin Xd Id = E0U1cos,2. 凸極同步電動機(jī)的功角特性和矩角特性,所以,,Pe,Pe =

13、 3U1Iq cos3U1Id sin,Pe = Pe Pe,Te = T T ,討論： ,Pe E0 ，當(dāng)轉(zhuǎn)子有勵磁即 If 0 時存在。 ,Pe 是由于 Xd Xq 而引起的，與 If 是否存在無關(guān)。 結(jié)論： Pe 使 PeM。 PeM 產(chǎn)生在90o 處。 功角特性與矩角特性 不再是正弦波。, 基本分量。, 附加分量。,,三相同步電動機(jī)功率因數(shù)的調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)三相同步電動機(jī)勵磁電流可以調(diào)節(jié)同步電動機(jī)的無功功率和功率因數(shù),使其呈現(xiàn)電阻性、電感性或電容性，這是同步電動最可貴的特點. 忽略R1和T0 調(diào)節(jié)勵磁電流If時，由于電動機(jī)的U1、f1和TL都不變，所以：T不會發(fā)生變化，但是---E0發(fā)生

14、變化。并且由于功率因數(shù)的變化，因此電流I1發(fā)生變化。因此，改變 If而使E0 改變時，I1、 和 均要改變。 當(dāng) If E0 。 當(dāng) If E0 。 按照勵磁電流大小的不同，同步電動機(jī)可分為3種勵磁狀態(tài)： 正常勵磁狀態(tài) 過勵磁狀態(tài) 欠勵磁狀態(tài),,1.正常勵磁---勵磁電動勢E0 I1與U1同相（電阻性）,5.7 三相同步電動機(jī)功率因數(shù)的調(diào)節(jié)（忽略R1）,2.過勵磁---勵磁電動勢E0大于E0，此時電流I1超前于電壓U1 （電容性）,3.欠勵磁---勵磁電動勢E0小于E0，此時電流I1滯后于電壓U1（電感性）,,,,,5.7 三相同步電動機(jī)功率因數(shù)的調(diào)節(jié),由此可見： 當(dāng)同步電動機(jī)的輸入有功功率（P1）恒定而調(diào)節(jié)勵磁電流時,有三種勵磁狀態(tài)： “正常勵磁”時,電動機(jī)沒有無功功率輸出； “欠勵”時電動機(jī)從電網(wǎng)吸收感性無功（或發(fā)出容性無功）. “過勵”時，電動機(jī)從電網(wǎng)吸收有功功率，以機(jī)械功率的形式輸出給負(fù)載，同時，又相當(dāng)于一個電容器---補(bǔ)償電網(wǎng)的電感性無功分量，使電網(wǎng)的功率因數(shù)提高。,,