電機與變壓器教案(第18講).doc

茂名市技工學校文化理論課教案編號：QD - 0707 - 03 版本號：A/0 流水號：科目：電機與變壓器 授課班級：09機電高級、班 共 9 頁 電機與變壓器 第十八講課題：1、同步發(fā)電機的工作原理 2、同步電動機的工作原理授課課時2節(jié)授課日期授課方式講授 提問作業(yè)題數(shù)2擬用時間0.5教學目的1.掌握同步發(fā)電機的工作原理2.掌握同步電動機的工作原理3.掌握同步補償機對電網(wǎng)功率因數(shù)的補償作用選用教具掛圖模型、自制掛圖重點1.同步發(fā)電機的工作原理2.同步電動機的工作原理3.同步補償機對電網(wǎng)功率因數(shù)的補償作用難點同步補償機對電網(wǎng)功率因數(shù)的補償作用教學回顧導入課題復習：1、直流電動機的調(diào)速方法有哪幾種?2、直流電動機的能耗制動有什么特點?導入課題：在交流電機中，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速嚴格等于同步轉(zhuǎn)速的交流電機稱為同步電機。同步電機的主要運行方式有三種，即作為發(fā)電機、電動機和補償機運行?，F(xiàn)代發(fā)電廠中所發(fā)出的交流電幾乎全部是同步發(fā)電機產(chǎn)生的。下面我們一起來同步電機的工作原理及其應用。授課教師：黃 文 進 教研組審閱： 科審閱日期：教 學 過 程 第 7 頁一、講授新課（一）同步發(fā)電機的工作原理如圖所示是具有兩個磁極的凸極式同步發(fā)電機，它的定子和三相異步電動機一樣對稱地安放著三相繞組。轉(zhuǎn)子則是由磁極鐵心和套在磁極上的勵磁繞組構(gòu)成，勵磁繞組中加入直流電流后，就會在氣隙中產(chǎn)生一個恒定的主極磁場。若用原動機拖動發(fā)電機轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，主磁極產(chǎn)生的恒定主極磁場隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動形成一個旋轉(zhuǎn)磁場，在定子繞組中就會感應出交變電動勢。因為結(jié)構(gòu)設計使主磁場在空間按正弦規(guī)律分布，所以各相繞組中產(chǎn)生的交變電動勢也隨時間按正弦規(guī)律變化。即a)同步發(fā)電機的工作原理 b)三相電動勢的波形圖91同步發(fā)電機 由于三相繞組在空間彼此互差1200電角度，在圖91a所示旋轉(zhuǎn)方向下，N極磁通將依次切割U相、V相、W相繞組。因此，定子三相電勢大小相等，相位彼此互差l200電角度。設U相繞組的初相角為零，則三相電動勢的瞬時值為：同步發(fā)電機的定子繞組中就產(chǎn)生了如圖91b所示的三相對稱電動勢，若在定子繞組上接上負載，則同步發(fā)電機就會向負載輸出三相交流電流。 三相電動勢的頻率由發(fā)電機的磁極數(shù)和轉(zhuǎn)速決定：當轉(zhuǎn)子為一對磁極時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，繞組中的感應電動勢變化一個周期；當電機有對磁極時，則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一周，感應電動勢變化個周期。設轉(zhuǎn)子每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)為，則每秒鐘旋轉(zhuǎn)60轉(zhuǎn)，因此感應電動勢每秒變化60個周期，即電動勢的頻率，為：我國國家標準規(guī)定工業(yè)交流電的頻率為50Hz，汽輪發(fā)電機在高轉(zhuǎn)速下運行比較經(jīng)濟，轉(zhuǎn)速一般為=3000r/min或=1500r/min，發(fā)電機對應的磁極為一對磁極或為兩對磁極。相反，水輪發(fā)電機為低速發(fā)電機，它的轉(zhuǎn)子磁極對數(shù)很多，如=100r/min時，發(fā)電機磁極對數(shù)有30對?，F(xiàn)代發(fā)電廠中所發(fā)出的交流電能幾乎全部是同步發(fā)電機產(chǎn)生的。汽輪發(fā)電機和水輪發(fā)電機就分別是隱極式和凸極式同步發(fā)電機。2003年7月10日，三峽工程首臺發(fā)電機組(2號機組)正式并網(wǎng)發(fā)電。三峽水電站單機裝機容量為70萬千瓦，是世界上單機最大的水輪發(fā)電機。三峽水電站共裝機26臺，總裝機容量1820萬千瓦，年均發(fā)電可達80.0多億度(千瓦小時)。長江三峽水利樞紐，是當今世界上最大的水利樞紐工程，它不僅為我國帶來巨大的經(jīng)濟效益，還將為世界水利水電技術(shù)和有關(guān)科技的發(fā)展作出有益的貢獻。（一）同步電動機的工作原理1、定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子勵磁磁場的關(guān)系同步電動機的定子結(jié)構(gòu)和三相異步電機是一樣的，當通人三相對稱電流時，它將產(chǎn)生一個同步速度旋轉(zhuǎn)的正弦分布磁場，而這時轉(zhuǎn)子上也有一個直流勵磁正弦分布的磁場。當三相同步電動機正常工作時，轉(zhuǎn)子也是以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，所以這兩個磁場在空間上的位置是相互固定的，因此它們之間的作用也是固定的。a)轉(zhuǎn)子超前角 b)轉(zhuǎn)子落后角 c) =0時圖94定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場的關(guān)系根據(jù)這兩個磁場的相對位置不同，可分成三種情況：（1）轉(zhuǎn)子磁場超前定子磁場角轉(zhuǎn)子磁場吸引著定子做同步轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，從物理學的能量、力矩平衡關(guān)系看，轉(zhuǎn)子的(機械)驅(qū)動力矩應等于定子磁場的(電磁)阻力矩。轉(zhuǎn)子做的功(機械功)應等于定子中產(chǎn)生的功(電功)，轉(zhuǎn)子做的功是由原動機提供的，同步電動機處于發(fā)電機運行狀態(tài)。（2）轉(zhuǎn)子磁場落后定子磁場角定子磁場吸引著轉(zhuǎn)子做同步轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，從物理學的能量、力矩平衡關(guān)系看，是定子磁場做功，轉(zhuǎn)子是輸出機械功，即同步電動機工作在電動機狀態(tài)。當轉(zhuǎn)子的負荷增加時，拉力就會增大，磁力線會被拉長，轉(zhuǎn)子落后的角度就會增加，所以0角也稱為功角。（3）轉(zhuǎn)子磁場與定子磁場的夾角為零定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場正好重合，雖然相互吸引，但這個吸引力經(jīng)過轉(zhuǎn)子的軸心，所以不會產(chǎn)生力矩，因此也就不會輸出功率。當空載時，雖然轉(zhuǎn)子沒有輸出功率，但電動機總有一定的摩擦力矩、空氣阻力矩等，所以0角不可能完全為零，但0角很小。2、失步現(xiàn)象從前面分析看出，電動機運行時，定子磁場拖動轉(zhuǎn)子磁場旋轉(zhuǎn)。兩個磁場之間存在著一個固定的力矩，這個力矩的存在是有條件的，必須兩者的轉(zhuǎn)速要相等，即同步才行，所以這個力矩也稱為同步力矩。一旦兩者的速度不相等，則同步力矩就不存在了，電機就會慢慢停下來。這種轉(zhuǎn)子速度與定子磁場不同步，而造成同步力矩消失，轉(zhuǎn)子慢慢停下來的現(xiàn)象，稱為“失步現(xiàn)象”。為什么失步時，電動機就沒有旋轉(zhuǎn)力矩呢?因為當轉(zhuǎn)子與定子磁場不同步的話，兩者的相對位置就會起變化，即角就會變化。當轉(zhuǎn)子落后定子磁場角度在=0l800時，定子磁場對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的是驅(qū)動力；當0=18003600時，定子磁場對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的是阻力，所以平均力矩為零。每當轉(zhuǎn)子比定子磁場慢一圈時，定子對轉(zhuǎn)子做的功半圈是正功(使轉(zhuǎn)子前進)，半圈是負功(使轉(zhuǎn)子后退)，平均下來，做功為0。由于轉(zhuǎn)子沒有得到力矩和功率，因此就慢慢停下來了。發(fā)生失步現(xiàn)象時，定子電流迅速上升，是很不利的，應盡快切斷電源，以免損壞電機。綜上所述，當電源頻率一定時，同步電動機的轉(zhuǎn)子速度一定為同步轉(zhuǎn)速才能正常運行。這是同步電動機的特點，也是它的優(yōu)點。因此，同步電動機可用于不需調(diào)速，要求速度穩(wěn)定性較高的場合，如大型空氣壓縮機、水泵等。（二）同步電動機的啟動方法同步電動機啟動時，定子上立即建立起以同步轉(zhuǎn)速，z。旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場，而轉(zhuǎn)子因慣性的作用不可能立即以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，因此主極磁場與電樞旋轉(zhuǎn)磁場就不能保持同步狀態(tài)，而產(chǎn)生失步現(xiàn)象。所以同步電動機在啟動時，沒有啟動力+矩，如果不采取其他措施，是不能自行啟動的。同步電動機的啟動方法有輔助電動機啟動法、調(diào)頻啟動法、異步啟動法等。表95 同步電動機的啟動方法啟動方法啟動過程和原理特 點輔助電動機啟動法選用與同步電動機極數(shù)相同的異步電動機(容量為同步電動機的5l5)作為輔助電動機，啟動時先由異步電動機拖動同步電動機啟動，接近同步轉(zhuǎn)速時，切斷異步電動機的電源；同時接通同步電動機的勵磁電源，將同步電動機接入電網(wǎng)，完成啟動只能用于空載啟動，由于設備多，操作復雜，已基本不用調(diào)頻啟動法啟動時將定子交流電源的頻率降到很低的程度，定子旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速因而很低，轉(zhuǎn)子勵磁后產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩即可使轉(zhuǎn)子啟動，并很容易進入同步運行。逐漸增加交流電源頻率，使定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)同步上升，直到額定值性能雖好，但變頻電源比較復雜，目前采用不多。隨變頻技術(shù)的發(fā)展，調(diào)頻啟動法將更趨完善異步啟動法依靠轉(zhuǎn)子極靴上安裝的類似于異步電動機的籠型繞組的啟動繞組產(chǎn)生異步電磁轉(zhuǎn)矩，把同步電動機當作異步電動機啟動目前同步電動機最常用的啟動方法異步啟動法的具體啟動過程：同步電動機將在啟動繞組作用下，異步啟動。當轉(zhuǎn)速上升到接近于同步轉(zhuǎn)速(約0.95)時，迅速給轉(zhuǎn)子通入直流電流勵磁，依靠定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子磁極之間的吸引力，將同步電動機牽入同步速度運行。轉(zhuǎn)子到達同步轉(zhuǎn)速以后，轉(zhuǎn)子籠型啟動繞組導體與電樞磁場之間就處于相對靜止狀態(tài)，籠型繞組中的導體中因沒有感應電流而失去作用，啟動過程隨之結(jié)束。同步電動機異步啟動時，同步電動機的勵磁繞組切忌開路。因為剛啟動時，定子旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速很大，而勵磁繞組的匝數(shù)又很多，因此會在勵磁繞組中產(chǎn)生很高的感應電動勢，可能會破壞勵磁繞組的絕緣，造成人身和設備安全事故。但也不能將勵磁繞組直接短接，否則會使同步電動機的轉(zhuǎn)速無法上升到接近同步轉(zhuǎn)速，使同步電動機不能正常啟動。(三)同步電動機功率因數(shù)的調(diào)整1、同步電動機的電壓平衡方程式式中是定子繞組電阻，是定子繞組的感抗，是轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場因旋轉(zhuǎn)切割定子繞組而產(chǎn)生的反電動勢(與方向相反)。 a)等效電路圖 b)定子、的相量圖圖95 同步電動機等效電路圖及相量圖2、同步電動機的電磁功率同步電動機的電磁功率(即電能轉(zhuǎn)化為機械能的功率)只與兩個因素有關(guān)：一個因素是轉(zhuǎn)子的勵磁：勵磁大，吸引力大，功率就大，因勵磁大產(chǎn)生的反電動勢就大，所以勵磁的大小可以用來表示；另一個因素是功角，在同樣的磁場作用下，越大，定轉(zhuǎn)子磁極間的拉力就越大，產(chǎn)生的功率也就越大。所以，同步電動機的電磁功率為：3、同步電動機功率因數(shù)的調(diào)整電動機的電磁功率由和決定，是可以通過改變轉(zhuǎn)子勵磁來改變的。如果在改變的同時也改變，就可以保持電磁功率不變，面改變了電動機的無功功率，因此得到調(diào)整。（1）正常勵磁 （2）欠勵磁 （3）過勵磁表96 電動機勵磁方式勵磁情況勵磁特點相量圖正常勵磁過勵磁欠勵磁4、同步補償機過勵狀態(tài)下的同步電動機可以輸出電感性的無功功率，可以提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，人們利用這一特性制造了一種同步電動機，它不帶任何機械負載，專門在過勵狀態(tài)下空載運行，只向電2電網(wǎng)輸出感性無功功率，這種同步電動機稱為同步補償機，也稱為同步調(diào)相機。當同步電動機不輸出有功功率時，0，O，即有00，900，可見同步補償機是在過勵磁狀態(tài)下空載運行，電流將超前電壓為900。同步補償機在運行時能夠輸出較大的感性無功功率，這就相當于給電網(wǎng)并聯(lián)了一個大容量的電容器，使電