電機學課件第9章同步電機(電氣專業(yè)2013)

1、2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室1第第 九九 章章同同 步步 電電 機機 2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室2同步電機分類：同步電機分類：旋轉電樞式旋轉電樞式：電樞旋轉，磁極固定，因電樞功率：電樞旋轉，磁極固定，因電樞功率不易由滑動部分送出，只適于較小容量發(fā)電機，不易由滑動部分送出，只適于較小容量發(fā)電機，實用少。實用少。旋轉磁極式旋轉磁極式：磁極旋轉，電樞固定，電樞功率由：磁極旋轉，電樞固定，電樞功率由靜止部分送出，可傳送較大功率，實用廣，是同靜止部分送出，可傳送較大功率，實用廣，是同步發(fā)電機的基本結構型式。步發(fā)電機的基本結構型式。同步電機同步電機旋轉磁極

2、式旋轉磁極式隱極式隱極式轉子：不計齒槽時氣隙均勻；機械強度高，轉子：不計齒槽時氣隙均勻；機械強度高，適用于高轉速；一般用于汽輪發(fā)電機；外形細長。適用于高轉速；一般用于汽輪發(fā)電機；外形細長。凸極式凸極式轉子：氣隙不均勻，極弧下較小，極間較大；轉子：氣隙不均勻，極弧下較小，極間較大；機械強度比隱極機低，適用于低轉速；一般用于水機械強度比隱極機低，適用于低轉速；一般用于水輪發(fā)電機，外形扁盤形。輪發(fā)電機，外形扁盤形。2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室3同同 步步 電電 機機概述（基本結構和工作原理）概述（基本結構和工作原理）同步電動機內部的電磁關系同步電動機內部的電磁關系同步電動機的

3、起動同步電動機的起動同步電動機的特性同步電動機的特性同步電動機的功率和轉矩關系同步電動機的功率和轉矩關系同步發(fā)電機的并聯(lián)運行同步發(fā)電機的并聯(lián)運行同步發(fā)電機的特性同步發(fā)電機的特性同步發(fā)電機的電勢方程式和相量圖同步發(fā)電機的電勢方程式和相量圖同步發(fā)電機的功率和轉矩關系同步發(fā)電機的功率和轉矩關系2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室4定子定子轉子轉子滑環(huán)滑環(huán)氣隙氣隙旋轉磁極式同步電機旋轉磁極式同步電機的結構和異步電機定的結構和異步電機定子一樣。定子鐵心和子一樣。定子鐵心和繞組又稱為電樞鐵心繞組又稱為電樞鐵心和電樞繞組。和電樞繞組。 一、一、 同步電機的基本結構同步電機的基本結構9.1 9

4、.1 概概 述述2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室52022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室6凸極同步電機的結構2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室7裝配圖2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室82022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室92022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室102022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室112022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室122022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室13 定子鐵心是由硅鋼片疊成，它構成電機磁路的一部分。 電樞繞組是三相

5、對稱繞組，由高強度漆包線繞成，它構成電機的電路。2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室142022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室15 同步電機的定子鐵芯是由硅鋼片沖制后同步電機的定子鐵芯是由硅鋼片沖制后疊裝而成。當大型同步電機沖片外圓的疊裝而成。當大型同步電機沖片外圓的直徑大于直徑大于1m時，由于材料標準尺寸的限時，由于材料標準尺寸的限制，必須做成制，必須做成 扇形沖片，然后按圓周拼扇形沖片，然后按圓周拼合起來疊裝而成。合起來疊裝而成。 如圖所示：如圖所示：2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室16UV WU VWVWWUUVUUWVVW Y 接法接法

6、 接法接法WWUVVU接線盒接線盒注意：首尾端不能接反！注意：首尾端不能接反！定定 子子 三三 相相 繞繞 組組 接接 線線 方方 式式WUVU VWU 定定 子子UVVWW2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室172. 轉子：由鐵心、直流勵磁繞組、滑環(huán)和電刷等構成。按結構型式分成凸極式轉子和隱極式轉子這是根據定轉子之間的氣隙的分布情況來定義的。2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室18凸極結構轉子的優(yōu)點是制造方便，缺點是機械強度較差，因此多用在離心力較小，轉速較低的中小型電機中或用在水輪發(fā)電機中。凸凸 極極 式式 轉轉 子子2022年1月15日星期六武漢理工大學電

7、力電子教研室19隱隱 極極 式式 轉轉 子子2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室20隱隱 極極 式式 轉轉 子子 隱極轉子的優(yōu)點是機械強度好，但是制造工藝較復雜，因此多用在離心力較大、轉速較高的電機中。例如汽輪發(fā)電機多采用隱極結構。2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室21凸凸 極極 轉轉 子子隱隱 極極 轉轉 子子d軸q軸d軸q軸特點：氣隙不均勻特點：氣隙均勻轉轉 子子 結結 構構 特特 點點2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室22 3 冷卻問題簡述冷卻問題簡述 ： 在中、小型電機中，都采用空氣作為冷卻介質。當電機的容量很大時，電機內部的損耗及發(fā)

8、熱量迅速增加，冷卻問題顯得格外重要，此時必須加強通風或采用其他的冷卻方式。 * 在大型汽輪發(fā)電機中，為了提高其冷卻效率，往往用氫氣冷卻，但是氫氣與空氣混合后，有爆炸危險，必須有一套控制設備來保證外界空氣不會滲入到電機內部。 目前在更大容量的發(fā)電機中，可以采用導線內部直接冷卻。例如采用空心導體（如圖），冷卻介質直接在導體中流通而把熱量帶走，這樣能更有效地降低電機的溫升。所采用的冷卻介質一般有氫氣 及水等。 2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室234 同步電機的額定值同步電機的額定值同步電機的額定值有：1）額定電壓：是指在正常運行時，按照制造廠的規(guī)定，定子三相繞組上的線電壓。電壓的

9、單位用V或kV表示。2）額定電流：額定運行時流過定子繞組的線電流 。3）額定功率：是指在正常運行時，電機的輸出功率 。發(fā)動機指的是輸出的有功功率，電動機指的是軸上輸出的機械功率2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室24額定功率、電壓、電流、效率、功率因數之間的關系為：A：對于發(fā)電機而言：輸出的是電功率。B：對于電動機而言：輸出的是機械功率。單位是KW。4） 相數m ：一般m=3。5） 額定頻率:我國額定工業(yè)頻率規(guī)定 =50Hz.310cos3NNNNIUP310cos3NNNNNIUPNf2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室25 6 6）額定轉速：額定轉速即為電機

10、的同步）額定轉速：額定轉速即為電機的同步速，在一定極數及頻率時，它的轉速是速，在一定極數及頻率時，它的轉速是定值。定值。pfnNN602022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室26二、同步電機的工作原理二、同步電機的工作原理 1、 電動機： 定子三相對稱繞組，加三相對稱電壓，流入三相對稱電流，產生旋轉磁場N1、 S1 。旋轉磁場的轉速為pf60n11 轉子勵磁繞組，加直流電壓，產生恒定磁場N2、 S2 。 定子磁場N1、 S1 與轉子磁場N2、 S2 之間產生磁拉力，從而產生電磁力矩拖動轉子與定子磁場同步旋轉同步旋轉。原理動畫原理動畫2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研

11、室272 2、同步發(fā)電機的工作原理、同步發(fā)電機的工作原理 如圖所示，外部直流電源通過滑環(huán)向如圖所示，外部直流電源通過滑環(huán)向轉子提供直流勵磁電流，并產生磁場；原轉子提供直流勵磁電流，并產生磁場；原動機拖動發(fā)電機轉子以轉速動機拖動發(fā)電機轉子以轉速n n按圖示方向按圖示方向作恒向旋轉。作恒向旋轉。 定子中三相繞組的導體依定子中三相繞組的導體依次切割磁力線，三相繞組便感次切割磁力線，三相繞組便感應產生各相大小相等、相位彼應產生各相大小相等、相位彼此相差此相差1201200 0的交流電動勢。的交流電動勢。若若氣隙磁通密度按正弦波分布氣隙磁通密度按正弦波分布，則三相繞組感應電動勢波形如則三相繞組感應電動勢

12、波形如圖所示，且相序為圖所示，且相序為ABABC C。（1 1）交變感應電動勢的產生）交變感應電動勢的產生每相感應電勢有效值每相感應電勢有效值: : 01044. 4NfNKE2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室28. .（2 2）感應電勢的頻率）感應電勢的頻率 交流電動勢的頻率交流電動勢的頻率f f可這樣確定可這樣確定: :當轉子為當轉子為1 1對極時，轉子旋對極時，轉子旋轉一周，定子繞組中感應電動勢變化一個周期；當同步發(fā)電機轉一周，定子繞組中感應電動勢變化一個周期；當同步發(fā)電機具有具有p p對極時，轉子旋轉一周，感應電動勢就交變對極時，轉子旋轉一周，感應電動勢就交變p p個

13、周期；當個周期；當轉子的轉速為每分鐘轉子的轉速為每分鐘n n轉時，則交變電動勢的頻率為轉時，則交變電動勢的頻率為: :60pnf 轉子的轉速轉子的轉速(r/min)(r/min) 由上式可知由上式可知: :同步發(fā)電機定子繞組感應電動勢的同步發(fā)電機定子繞組感應電動勢的頻率頻率取決于取決于它的它的極對數極對數p p和和轉子的轉速轉子的轉速n n。轉子轉速越高，定子繞組感應電勢。轉子轉速越高，定子繞組感應電勢E E0 0的頻率越高。即的頻率越高。即 n fn f?？梢?，同步發(fā)電機極對數。可見，同步發(fā)電機極對數p p一定一定時，轉速時，轉速n n與電樞電動勢的頻率與電樞電動勢的頻率f f之間具有嚴格不

14、變的關系。之間具有嚴格不變的關系。說明說明: : 如果發(fā)電機作為電源單獨給負載供電，對電源頻率的要求并如果發(fā)電機作為電源單獨給負載供電，對電源頻率的要求并不十分嚴格，對原動機的轉速要求也不很嚴格。不十分嚴格，對原動機的轉速要求也不很嚴格。 2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室29. .（3 3）同步轉速）同步轉速 現代的發(fā)電機，絕大多數都是向大電網并網供電，這就對同現代的發(fā)電機，絕大多數都是向大電網并網供電，這就對同步發(fā)電機的頻率要求嚴格了，我國電網頻率為步發(fā)電機的頻率要求嚴格了，我國電網頻率為50HZ50HZ，所以發(fā)電機，所以發(fā)電機發(fā)出的電動勢頻率也必須為發(fā)出的電動勢頻率也必

15、須為50HZ50HZ，如果發(fā)電機的頻率與電網頻率，如果發(fā)電機的頻率與電網頻率不等將會造成嚴重事故。不等將會造成嚴重事故。 同步轉速從供電品質考慮，由眾多同步發(fā)電機并聯(lián)構成的交同步轉速從供電品質考慮，由眾多同步發(fā)電機并聯(lián)構成的交流電網的頻率應該是一個不變的值，這就要求發(fā)電機的頻率流電網的頻率應該是一個不變的值，這就要求發(fā)電機的頻率應該和電網的頻率一致。我國電網的頻率為應該和電網的頻率一致。我國電網的頻率為50Hz 50Hz ，故有：，故有： ppfn300060要使得發(fā)電機供給電網要使得發(fā)電機供給電網50Hz50Hz的工頻電能，發(fā)電機的轉速必須的工頻電能，發(fā)電機的轉速必須為某些固定值，這些固定值

16、稱為為某些固定值，這些固定值稱為同步轉速同步轉速。例如。例如2 2極電機的同極電機的同步轉速為步轉速為3000r/min3000r/min，4 4極電機的同步轉速為極電機的同步轉速為1500r/min1500r/min，依次，依次類推。只有運行于同步轉速，同步電機才能正常運行，這也類推。只有運行于同步轉速，同步電機才能正常運行，這也是是同步電機名稱的由來同步電機名稱的由來。同步電機的特點同步電機的特點2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室30（4 4）. .電磁過程電磁過程 轉子沖轉到額定轉速轉子沖轉到額定轉速, ,汽輪發(fā)電汽輪發(fā)電3000r/min3000r/min 轉子繞組加

17、勵轉子繞組加勵磁電流磁電流( (直流直流) ) 產生旋轉磁場產生旋轉磁場 定子繞組切割磁力線產生定子繞組切割磁力線產生三相對稱感應電勢三相對稱感應電勢 發(fā)電機出線端三相對稱電壓。發(fā)電機出線端三相對稱電壓。 （5 5）. .電勢的調節(jié)電勢的調節(jié) 根據根據E E0 0=4.44fNk=4.44fNkN1N10 0 和和I If f 0 0可知，調節(jié)勵磁電流可知，調節(jié)勵磁電流I If f，可改變磁通可改變磁通0 0，從而改變定子繞組感應電勢，從而改變定子繞組感應電勢E E0 0。即。即I If fEE0 0；I If f E E0 0。（6 6）. .相序相序 相序決定于轉子的轉向。從勵磁端看，汽輪

18、發(fā)電機的轉向相序決定于轉子的轉向。從勵磁端看，汽輪發(fā)電機的轉向為逆時針方向。為逆時針方向。 同步發(fā)電機原理小結同步發(fā)電機原理小結: :外部直流電源通過滑環(huán)向轉子提供直外部直流電源通過滑環(huán)向轉子提供直流勵磁電流，并產生磁場；原動機拖動轉子旋轉，轉子磁極磁場流勵磁電流，并產生磁場；原動機拖動轉子旋轉，轉子磁極磁場切割三相定子繞組，感應三相交流電。切割三相定子繞組，感應三相交流電。2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室31在同步電機的氣隙中存在著兩種不同的旋轉磁場，只要這兩個旋轉磁場在空間有位移，它們之間便會有電磁力，猶如兩塊磁鐵之間存在相互作用力一樣。同步電機的運行方式 同步電機在工

19、作時，由于兩種旋轉磁場之間沒有相對運動，因此它們之間的相互位置決定著同步電機的運行情況： 如轉子磁場在前，則當轉子旋轉時，便拉著定子磁場旋轉，這時轉子磁場超前電樞磁場，這便是發(fā)電機運行； 反之定子磁場旋轉拉著轉子磁場旋轉，便是電動機運行情況。 同步電機的作用力 2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室32旋轉，電磁力矩對轉子來說是阻力矩。轉子在原動機帶動下克服阻力矩，將轉子邊機械能轉化為定子邊電能。 2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室33u減少原動機輸出的機械功率，減小，不計空載損耗，減小到 0 時，電機處于理想空載狀態(tài)，既不向電網提供有功，也不吸收電網有功。20

20、22年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室34把原動機撤掉并在轉子上加機械負載，Ff 落后于F ，F拖著Ff一起旋轉，電磁力矩對轉子來說是動力矩，帶動轉子上的機械負載作機械功，將電能轉化為轉子邊機械能。2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室35afffaFFFFIFI 電樞反應: 電樞磁通勢的基波在氣隙中使氣隙磁通的大小及位置均發(fā)生變化, 這種影響稱為電樞反應.9.2 同步電機的電磁關系同步電機的電磁關系9.2.1同步電機的電樞反應同步電機的磁通勢2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室36勵磁磁勢和電樞磁勢的區(qū)別磁勢類別基波波形大小位置轉速勵磁磁勢正弦波恒定，

21、勵磁電流決定由轉子位置決定由原動機的轉速決定電樞反應磁勢正弦波恒定，由電樞電流決定由電流瞬時值決定由電流的f和P決定2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室37 先以同步發(fā)電機為例，分析一下它的空載運行及負載運行情況2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室38磁化曲線。實質上是同步發(fā)電機的，所以，空載特性曲線，為為空載特性曲線，又因稱為磁化特性曲線，正比于電勢有效值定子繞組里產生的空載，這時電流為的速度旋轉，假設定子，相對于定子繞組以勵磁磁勢產生電流恒速旋轉，由直流勵磁同步轉速假設同步發(fā)電機轉子以ffffffIFEIfEFfEnFIn00000011)()(02022年

22、1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室39空載特性（E0）2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室40相對位置即相位關系之間的的影響，必須知道兩者對要確定相同，即相對靜止。轉速、轉向個同速旋轉磁勢，它們出現了，這樣發(fā)電機氣隙里轉速為同步轉速產生一旋轉磁場，中通過三相對稱電流，定子三相對稱繞組同步發(fā)電機負載運行時012FFna2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室41。角下對勵磁磁勢的影響在不同的三相電流產生的磁勢下面分析一對極的電機的影響也不同，對的相位不同，與的相位關系表示與可以勢的相位關系與電流同相，則兩個磁產生的電樞磁勢表示。負載電流以的相位差與空載電勢負載

23、電流，滯后勵磁磁通空載感應電勢afaaFFFIEIEFIEIE00000.902022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室42準備工作 三個角 四個軸 :.:)(;,:;,:00三者關系的時間相位角與是功角功率角與負載有關的時間相位角與是外功率因數角與電機參數及負載有關的時間相位角與是內功率因數角UEIUIE直軸（縱軸、d 軸） ：主磁極軸線位置。 交軸（橫軸、q 軸） ：與直軸成 900電角度的位置。 相軸： 每相繞組的軸線位置。 時軸: 時間相量在其上投影可得瞬時值 2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室43+90+900 0FFad軸軸q軸軸 交軸交軸A AX X

24、Z ZB BCYFfNS 交軸電樞反應此時此時A A相繞組勵磁電動勢為相繞組勵磁電動勢為最大值，其方向按右手定最大值，其方向按右手定則確定。因為則確定。因為 =0=0，所以，所以此瞬間此瞬間A A繞組中的電流也達繞組中的電流也達到最大值。到最大值。這種電樞磁動勢稱為交軸電樞磁動勢，用Faq表示，相應的電樞反應稱為交軸電樞反應。內功率因數角內功率因數角=00對于氣隙磁場交軸電樞反應將使合成磁場的軸線位置從空載時的直軸處逆轉向后移了一個銳角，且幅值也有所增加。但因磁路的飽和現象，交軸電樞反應使幅值增加的很小。2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室44首端流入，尾端流出；，相電流和電勢

25、相位都為；，首端流入，尾端流出，為相電流和電勢相位都首端流出，尾端流入；，相電流和電勢相位都為同相，與化，假設電流按正弦規(guī)律變0150030090000CBAOAAiCiBiAEI2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室45時空相量圖同步電機的電樞反應BI.AI.CI.AE0.時軸CE0.B0.E時軸：若取某軸為時間參考軸時，則旋轉相量 I2在該軸上的投影即為電流的瞬時值，即當相量與該軸重合時，正弦量達到最大值。 相軸：繞組的軸線。當某相電流達到最大值時，旋轉磁勢的幅值就落在該相繞組的軸線上。 2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室46同理若忽略鐵心飽和的影響： 這時

26、應有 可從勵磁磁勢和電樞磁勢分別求出勵磁電勢和電樞反應電勢，即同步電機的電樞反應100ffFBE 11aaaaFBE a0相應地有 EEEa0應注意：這里所述的所有的時間相量都是屬于定子中某一相中的物理量。當各相時軸和相軸都取在繞組的軸線上時，時空相量圖存在下列關系。 2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室47同步電機的電樞反應同步電機的電樞反應FaF 0I aE E0Ea Ff =0時的時的時時空相量圖空相量圖2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室48同步電機的電樞反應同步電機的電樞反應(1)磁通相量(時間相量)應與產生它的磁密相量(空間相量)重合； 相量圖的畫法

27、：(2)忽略鐵心中的損耗影響時，磁通相量應與產生它的電流相量同相位；(3)當磁通與感應電勢正方向符合右手螺旋法則時，電勢滯后于產生它的磁通90。 而磁勢與產生它的電流重合。(時軸與相軸取在一起)2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室49當當E0超前超前I 90（內功率因數角內功率因數角=900）時軸AE0.CE0.BE0.AI.CI.BI.d軸q軸 A軸A AX XZ ZB BCYFfNS直軸去磁電樞反應直軸去磁電樞反應Fa2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室50首端流出，尾端流入；，相位為，電流相電勢相位都為；，首端流入，尾端流出，時，電流相位相電勢相位為，時，

28、電流為相電勢相位為，落后, 02401500120300090900000000CCBAOAAiiCiBiAEI2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室51 內功率因數角內功率因數角=-900時軸AE0.CE0.BE0.CI.BI.AI.d軸q軸 A軸A AX XZ ZB BCYFfNS直軸助磁電樞反應直軸助磁電樞反應Fa2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室52首端流入，尾端流出；，相位為，電流相電勢相位都為；，首端流出，尾端流入，時，電流相位相電勢相位為，時，電流為相電勢相位為，超前, 06015006030018090900000000CCBAOAAiiCiBi

29、AEI2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室53 內功率因數角內功率因數角00900 時軸AE0.CE0.BE0.AI.CI.BI.d軸q軸 A軸A AX XZ ZB BCYFfNS既有交軸又有直軸去磁電樞反應+90+900 0Fa2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室54AE0.CE0.BE0.AI.CI.BI.2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室55IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIdqccdcqbbdbqaadaqcqbqaqdcdbdadcbaccqbbqaaqccdbbdaad即寫成相量式：令交軸分量直

30、軸分量;cos;sin,cos,cos,cossin,sin,sin2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室56aqadaaaqaadaqadqdaFFFFFFFFFIIFI的合成，和分別產生的兩個磁勢和量看成電樞電流的兩個分可以所建立的電樞磁勢這樣由cossin2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室57 電樞磁勢和電樞電流分量 coscossinsinIIFFIIFFIIIFFFqaaqdaadqdaqada交軸分量直軸分量2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室58同步電機的電樞反應同步電機的電樞反應電樞反應的重要性電樞反應是同步電機負載運行時重要的物

31、理現象，它不僅是引起負載時端電壓變化時的主要原因，而且也是實現能量轉換的樞紐；考慮電樞反應作用，負載時電樞繞組中的感應電勢將由氣隙合成磁場建立，氣隙電勢減去漏阻抗壓降，便得到端電壓。下圖表示了不同負載性質時，電樞磁場與轉子電流產生電磁力（即電磁轉矩）的情況。 圖為=0時電樞磁場即交軸電樞磁場對轉子電流產生電磁轉矩的情況； 2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室59當忽略電機本身參數, =00, 有功電流產生電磁力, 并形成電磁轉矩TaqII2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室60同步電機的電樞反應AXBYZCNS =0 由左手定則可知，這時的電磁力將構成一個電磁轉

32、矩，它的方向正好和轉子轉向相反，企阻止轉子旋轉；交軸電樞磁場是由與空載電勢同相的電流分量即電流的有功分量Iq產生的。 n發(fā)電機要輸出有功功率，原動機就必須克服由于有功分量引起的交軸電樞反應磁場對轉子的阻力矩； 輸出的有功功率越大，交軸電樞反應磁場越強，所產生的阻力矩也就越大，原動機要輸入更大的能量才能克服電磁阻力矩，以維護發(fā)電機的轉速不變。 2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室61同步電機的電樞反應AXBYZCNS=90n電樞電流的無功分量Id所產生的直軸電樞反應磁場與轉子電流相互作用產生的電磁力，并不形成力矩，不妨礙轉子的旋轉； 當=90時電樞磁場即直軸電樞磁場對轉子電流產生

33、的電磁力情況； 2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室62同步電機的電樞反應同步電機的電樞反應所以，為了維持發(fā)電機轉速不變，必須隨負載的有功分量變化調節(jié)原動機的輸入功率；為了維護發(fā)電機端電壓不變，必須隨著負載無功分量的變化，調節(jié)轉子的勵磁電流。 為維護一定端電壓，所需的轉子直流勵磁電流就應增加或減少。表明：當發(fā)電機供給純感性和純容性無功功率負載時，并不需要原動機付出功率，但直軸電樞反應磁場對轉子磁場起去磁或助磁作用；2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室63 9.3 9.3 同同 步步 電電 動動 機機1.掌握同步電動機的分析方法及分析結果。2. 掌握功角的概念及意

34、義，矩角特性及其應用。3.熟練掌握同步電動機的U型曲線及其意義。4. 掌握工作特性中的cos=f（P2）曲線形狀及其意義。5.了解同步電動機的起動方法；了解其他同電機 。要求：要求：2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室64n同步電機的另一種重要的運行方式。n轉速恒定為同步轉速，同負載大小無關，調節(jié)電源頻率可以調速。n功率因數可以任意調節(jié)（調If） ，雙邊勵磁，無功從定子和轉子兩邊提供，調節(jié)勵磁電流使同步電動機功率因數從滯后到超前范圍內平滑改變。n與異步電動機比，氣隙大，電抗小，過載能力強(x小，Pemax大），靜態(tài)穩(wěn)定好。2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室65

35、UTmax2UT 2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室66u廣泛應用于拖動恒速機械負載。小型同步電機廣泛應用于自動控制系統(tǒng)中，如步進同步電機、永磁同步機等，尤其永磁同步機近年來作為發(fā)電機引起極大的關注，風力發(fā)電作為綠色能源之一，已在世界上和我國得到一定的應用，風力發(fā)電采用永磁同步發(fā)電機有重量輕、可靠性和效率高的優(yōu)點。 2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室67一、凸極式同步電動機的雙反應原理通的情況。在電機主磁路里產生磁和單獨考慮，橫軸電樞磁勢縱軸電樞磁勢分成兩個分量：，可以把與轉子之間無相對運動由于電樞磁勢aqadaqadaaqadaaFFFFFFFFF2022

36、年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室68IPNkFNa22423電樞磁勢的大小為：dNadIPNkF22423：縱軸電樞磁勢的大小為qNaqIPNkF22423：橫軸電樞磁勢的大小為qdIII2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室69 二、凸極同步電動機的電勢平衡方程式二、凸極同步電動機的電勢平衡方程式1、電動勢：、電動勢：；稱為橫軸電樞反應電抗；稱為縱軸電樞反應電抗同理，因磁路線性，抗。是定子繞組一相的漏電；是定子繞組一相的電阻aqadaqqaqaddaddaddadadadadadaqadxxxI jExI jEIEIFFExrjxrIEEEU,)(11.11.020

37、22年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室70稱為橫軸同步電抗稱為縱軸同步電抗，得到，可忽略電阻當同步電機容量較大時）（）（）（）（代入，得將1.1.0.111.1.0.11.0.11.0.;)()(xxxxxxxIjxIjEUrrIIxxIjxxIjEjxrIIxIjxIjEUIIIjxrIxIjxIjEUaqqaddqqddqdaqqaddqdaqqaddqdaqqadd2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室71IqIUE0Ff =0時的時的時時空相量圖空相量圖.0.qqddxIjxIjEUddxI j已知已知E0、I，I 超前超前 E0IdqqxI j2022年1月1

38、5日星期六武漢理工大學電力電子教研室72凸極電動機的電磁過程fIfF00EqIdIadFaqFadaqaddadxI jEaqqaqxI jEI)(11jxrIU1xI jE2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室73凸極發(fā)電機的電磁過程fIfF00EIqIdIadFaqFadaqadEaqEEEarI2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室74三、 隱極同步電動機.0.0.11.0.,)(sqdqqddssqdqdaqqaddxIIjExIjxIjEUxxxxIIIjxrIxIjxIjEU）（步電抗。為隱極同步電動機的同于氣隙均勻，對隱極同步電動機，由代入，得將202

39、2年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室752022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室76輸入功率P1機械損機械損耗耗p pm m附加損耗ps鐵損pFe電磁功率PM定子銅損pcu1輸出功率P2SFemSFemMMcuPPPPPPPPPPPP0211)(2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室77一、 電磁功率sin,coscos,sinsinsin3coscos3)cos(3cos3,cos301UxIUExIIIIIUIUIUIUIPUIPPqqddqdMM又2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室782sin)11(23sin3sin)cos(3co

40、ssin3sin3cos3200dqddddqMXXUXUEXUEUXUUUIUIP基本分量基本分量附加分量附加分量2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室79二、二、 功角特性功角特性表示最大，用時，當勵磁電磁功率：勵勵凸勵mMdMMMdqdMPPXUEPPPXXUXUEP002090sin32sin)11(23sin32022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室80)11(23452sin)11(2332020dqmmMdqMdmXXUPPPXXUPXUEP 表示最大，用時，當凸極電磁功率：凸凸2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室81三、 矩角特性sin

41、32sin2)(3sin32sin)11(23sin302020dqdqddMdqdMXUETXXXXUXUEPTXXUXUEP對于隱極式同步電機2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室82這樣，我們就可以畫出凸極同步電動機的功這樣，我們就可以畫出凸極同步電動機的功角特性曲線。為了結構上的簡單，在某些小角特性曲線。為了結構上的簡單，在某些小容量同步電動機的轉子上不安放直流勵磁繞容量同步電動機的轉子上不安放直流勵磁繞組，因此轉子就不能產生磁場，感應電勢組，因此轉子就不能產生磁場，感應電勢 ，此時電動機的電磁功率并不為零，此時電動機的電磁功率并不為零，仍有仍有 有了電磁功率就有電磁轉矩

42、，因此轉子沒有勵磁有了電磁功率就有電磁轉矩，因此轉子沒有勵磁的凸極同步電動機也能旋轉。的凸極同步電動機也能旋轉。00E2sin)11(232dqMXXUP2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室832022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室842022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室85B BA ATLT0Pem(Tem)隱極機隱極0Pem(Tem)凸極機凸極機2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室86 功角功角 既是既是E0與與U之間的夾角之間的夾角，又是合成氣隙磁勢，又是合成氣隙磁勢F 與轉

43、子磁勢與轉子磁勢F 之間的夾角。之間的夾角。S1S2N2N1n1氣隙磁場氣隙磁場 電動機轉子磁極被定子電動機轉子磁極被定子氣隙磁場牽著以氣隙磁場牽著以n1旋轉。旋轉。 在在0 90內，內， 越大電越大電磁力矩越大磁力矩越大。2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室87S1S2N2N1n1 當當氣隙磁場落后氣隙磁場落后轉子磁場轉子磁場 ( 0)時，相當于時，相當于轉子磁場牽轉子磁場牽著定子著定子氣隙磁場氣隙磁場n1旋轉。旋轉。 但但定子不動，所以轉子會定子不動，所以轉子會受到受到制動電磁力矩制動電磁力矩作用，轉子作用，轉子必須有外力作用才能正常運行，必須有外力作用才能正常運行，此時工

44、作于發(fā)電機狀態(tài)。此時工作于發(fā)電機狀態(tài)。 判斷同步電機狀態(tài)：順轉向，判斷同步電機狀態(tài)：順轉向，轉子磁場轉子磁場落后落后 角角為電動狀態(tài)；為電動狀態(tài)；轉子磁場超前轉子磁場超前 角為發(fā)電狀態(tài)。角為發(fā)電狀態(tài)。2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室882022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室89四、同步電動機的穩(wěn)定性及過載能力四、同步電動機的穩(wěn)定性及過載能力B BA ATLTma0Pem(Tem) 同步電動機的穩(wěn)定性運行必須滿足：同步電動機的穩(wěn)定性運行必須滿足：Tem=TL 。 交點交點AB都滿足：都滿足：Tem=TL 。但只有但只有A點為穩(wěn)定工作點。

45、點為穩(wěn)定工作點。A點：擾動使點：擾動使nTemTLn失步失步n1S1S2N2N12022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室90 隱極同步電動機的穩(wěn)定隱極同步電動機的穩(wěn)定工作區(qū)為：工作區(qū)為： 0 If1時，過勵狀態(tài)時，過勵狀態(tài)此時電機呈純阻性，叫此時電機呈純阻性，叫正正常勵磁狀態(tài)。常勵磁狀態(tài)。會增加，其端點沿平會增加，其端點沿平行的直線上移。行的直線上移。.0Ec.jxI.I）當減少）當減少If正常勵正常勵磁時磁時,為容性；為容性；Ifxq所以所以E0EQ（感性）感性）2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室132UI ra Ij xqIEQjxdIdE0jxqIqUIra

46、 Ijxq IEQjxdIdjxq IqE0UIra Ijxq IEQjxd Idjxq IqE0 (c) 電電容容性性(a) 電電感感性性(b) 電電阻阻性性 忽略忽略 ra 時時UI jxqIEQjxdIdE0jxq IqUIjxq IEQjxdIdjxq IqE0UIjxqIEQjxd Idjxq IqE0 同步發(fā)電機的負載運行同步發(fā)電機的負載運行2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室133 忽略電樞電阻，相量圖重畫如下忽略電樞電阻，相量圖重畫如下同步發(fā)電機的負載運行同步發(fā)電機的負載運行UI jxqIEQjxdIdE0jxqIq NOG IdIq線段線段ON的長度為的長度為

47、cosONU所以勵磁電勢所以勵磁電勢E0 由相量圖可得由相量圖可得 1sincosqIxUtgU0cosddEUI x2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室134例：例：某三相同步發(fā)電機，已知某三相同步發(fā)電機，已知UN = 11kV，Y形聯(lián)結，形聯(lián)結，IN =460A，cos = 0.8（感性），（感性），xd = 16，xq = 8，ra 忽略不計。求忽略不計。求 、 、E0 。 U = UN 3= = 6 351 V 111031.732Vtan = Usin xqIUcos 6 3510.68460 6 3510.8=V = 1.474 = arctan1.474 = 55

48、.85o = = 55.85o 36.87o = 18.98o E0 = Ucos xdId = (6 351cos18.98o16460sin 55.85o )V = 12096.63 V同步發(fā)電機的負載運行同步發(fā)電機的負載運行解：解：2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室135同步發(fā)電機的特性同步發(fā)電機的特性1. 一臺凸極式同步發(fā)電機，額定值為一臺凸極式同步發(fā)電機，額定值為PN=72500kW，UN=10.5kV,，Y接法，接法，cos N=0.8（滯后），已知（滯后），已知xd*=1，xq*=0.544，不計電阻，求，不計電阻，求額定狀態(tài)下發(fā)電機的額定狀態(tài)下發(fā)電機的 、Id

49、*、Iq*及及E0*各為多少？各為多少？2. 有一臺有一臺400kW、6300V、Y接法接法cos N=0.8（滯后）的三相凸極式同步發(fā)電機，若發(fā)電機在（滯后）的三相凸極式同步發(fā)電機，若發(fā)電機在額定狀態(tài)下運行時額定狀態(tài)下運行時 =60，電樞每相勵磁電勢為，電樞每相勵磁電勢為7400V，試求，試求Id、Iq、xd、xq。補充作業(yè)補充作業(yè)2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室1369.4.3 三相同步發(fā)電機的功率和轉矩三相同步發(fā)電機的功率和轉矩1. 功率功率(1) 輸入功率輸入功率(2) 空載損耗空載損耗(3) 電磁功率電磁功率(4) 銅損耗銅損耗(5) 輸出功率輸出功率(6) 功率

50、關系功率關系P1 = T1p0 = pFep psPM = P1p0pCu = 3raI2 P2 = PMpcu = 3UIcos P1 = p0PM = pFep pspCuP2 2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室137(7) 功率流程圖和效率功率流程圖和效率P1p0PMpCuP2 = 100% P2P12. 轉矩轉矩(1) 輸入轉矩輸入轉矩(2) 空載轉矩空載轉矩(3) 電磁轉矩電磁轉矩(4) 轉矩關系轉矩關系T1 = P11T0 = p01TM = PM1T1 = TM + T0= P1 n602 = p0 n602 = PM n602 三相同步發(fā)電機的功率和轉矩三相同

51、步發(fā)電機的功率和轉矩2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室1389.4.4 三相同步發(fā)電機的特性三相同步發(fā)電機的特性同步發(fā)電機的對稱運行是指電機轉速為額定值且保持同步發(fā)電機的對稱運行是指電機轉速為額定值且保持恒定，并供給三相對稱負載時的一種穩(wěn)態(tài)運行方式。恒定，并供給三相對稱負載時的一種穩(wěn)態(tài)運行方式。 同步發(fā)電機的運行性能可以通過它的基本特性以及由同步發(fā)電機的運行性能可以通過它的基本特性以及由這些特性所求得的一些主要參數來加以說明。這些特性所求得的一些主要參數來加以說明。 同步發(fā)電機在轉速不變時，有三個互相影響的變量，同步發(fā)電機在轉速不變時，有三個互相影響的變量，即端電壓即端電壓U

52、，電樞電流，電樞電流I和勵磁電流和勵磁電流If。 負載的功率因數負載的功率因數cos 對它們之間的關系也有影響，為對它們之間的關系也有影響，為便于分析，設便于分析，設cos 不變；不變； 在端電壓、電樞電流和勵磁電流三者中令其一為常數，在端電壓、電樞電流和勵磁電流三者中令其一為常數，而求其他二者之間的關系，就稱為同步發(fā)電機的基本而求其他二者之間的關系，就稱為同步發(fā)電機的基本特性。特性。 本節(jié)還要介紹同步發(fā)電機穩(wěn)態(tài)的功角特性。本節(jié)還要介紹同步發(fā)電機穩(wěn)態(tài)的功角特性。 重要！重要！2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室139同步發(fā)電機的特性同步發(fā)電機的特性一、空載特性和短路特性一、空載

53、特性和短路特性 1. 空載特性空載特性指在發(fā)電機的轉速保持為同步轉速（指在發(fā)電機的轉速保持為同步轉速（n=n1），電樞電），電樞電路開路（路開路（I=0）的情況下。空載電壓（）的情況下?？蛰d電壓（U0=E0）與勵磁）與勵磁電流電流If 之間的關系曲線之間的關系曲線U0=f(If)。 空載特性曲線實際上就是電機的磁化曲線，它可用計空載特性曲線實際上就是電機的磁化曲線，它可用計算法得到，也可用實驗法測出?？捎孟聢D電路。算法得到，也可用實驗法測出?？捎孟聢D電路。 實驗測定時，電樞繞組開路，用原動機把發(fā)電機拖到實驗測定時，電樞繞組開路，用原動機把發(fā)電機拖到同步轉速，然后逐漸增加勵磁電流并記錄不同勵磁電

54、同步轉速，然后逐漸增加勵磁電流并記錄不同勵磁電流下對應的電樞端電壓，直到流下對應的電樞端電壓，直到U0=1.3UN左右，再逐步左右，再逐步減少減少If ，記錄對應的，記錄對應的U0和和If 值，由于鐵磁材料的磁滯值，由于鐵磁材料的磁滯現象，將得到上升和下降兩條不同的曲線見下圖?，F象，將得到上升和下降兩條不同的曲線見下圖。 2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室140同步發(fā)電機的特性同步發(fā)電機的特性(b)空載特性的校正空載特性的校正 (a)不同剩磁下的空載特性不同剩磁下的空載特性空載特性是同步發(fā)空載特性是同步發(fā)電機的基本特性之電機的基本特性之一，是一條非常重一，是一條非常重要的特性

55、，它體現要的特性，它體現了電機中電與磁的了電機中電與磁的關系。一方面表征關系。一方面表征了電機磁路的飽和了電機磁路的飽和情況，另一方面把情況，另一方面把它和短路特性、零它和短路特性、零功率因數特性配合功率因數特性配合在一起，可以確定在一起，可以確定電機的基本參數額電機的基本參數額定勵磁電流和電壓定勵磁電流和電壓調整率等。調整率等。 2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室141同步發(fā)電機的特性同步發(fā)電機的特性2. 短路特性短路特性 短路特性是指發(fā)電機的轉速保持不變，將電樞繞組穩(wěn)短路特性是指發(fā)電機的轉速保持不變，將電樞繞組穩(wěn)態(tài)短路，短路電流態(tài)短路，短路電流Ik與勵磁電流與勵磁電流If

56、之間的關系曲線，之間的關系曲線，即即Ik=f(If)。 它不僅可用來說明同步發(fā)電機的性能，更重要的是可它不僅可用來說明同步發(fā)電機的性能，更重要的是可借以測定電機參數。借以測定電機參數。 短路試驗的接線圖中只需把空載實驗圖中的短路試驗的接線圖中只需把空載實驗圖中的A、B、C三端短接即可。三端短接即可。 試驗時發(fā)電機轉速保持為同步轉速，調節(jié)勵磁電流試驗時發(fā)電機轉速保持為同步轉速，調節(jié)勵磁電流If使電樞的短路電流從零開始一直到使電樞的短路電流從零開始一直到1.25IN左右為至，左右為至，記取對應的短路電流記取對應的短路電流Ik 和勵磁電流和勵磁電流If ，得短路特性曲，得短路特性曲線如下圖所示。線如

57、下圖所示。 2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室142同步發(fā)電機的特性同步發(fā)電機的特性IfIkINIfko短路特性曲線短路特性曲線短路時，發(fā)電機端電壓短路時，發(fā)電機端電壓U=0，限制，限制短路電流的僅是電機的內部阻抗，短路電流的僅是電機的內部阻抗，由于一般同步發(fā)電機的電樞電阻遠由于一般同步發(fā)電機的電樞電阻遠小于同步電抗可忽略不計，所以小于同步電抗可忽略不計，所以 ssasjxjxrZ90000ssskxEjxEZEI（隱極式）（隱極式） 短路電流短路電流 所以短路電流可認為是純感性的，即所以短路電流可認為是純感性的，即 = 90，這時，這時電樞電流只有直軸分量，它所產生的電樞磁

58、勢基本電樞電流只有直軸分量，它所產生的電樞磁勢基本上是一個起純去磁作用的直軸磁勢，即上是一個起純去磁作用的直軸磁勢，即Fa=Fad，而，而Faq=0。2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室143同步發(fā)電機的特性同步發(fā)電機的特性E0 Ik jxd FfFadFadF Ea=-jxadIkE0=jxdIkE =jx IkIk(b)短路時的相量圖短路時的相量圖 (a)短路時的等效電路短路時的等效電路 此時繞組的電抗，若為凸極式發(fā)電機，則為直軸同步此時繞組的電抗，若為凸極式發(fā)電機，則為直軸同步電抗，因此短路時，不論是隱極機還是凸極機都具有電抗，因此短路時，不論是隱極機還是凸極機都具有相同

59、形式的等效電路和相量圖，電路如下圖相同形式的等效電路和相量圖，電路如下圖(a)所示。所示。 從等效電路可看出，由于從等效電路可看出，由于U=0，ra=0，則，則0kskkakaEjI xjI xjI xjI xExI jEEEka0相量圖如圖相量圖如圖(b)所示。所示。2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室144同步發(fā)電機的特性同步發(fā)電機的特性此時氣隙合成磁勢此時氣隙合成磁勢F 很小，合成磁勢所產生的氣隙磁很小，合成磁勢所產生的氣隙磁場在電樞繞組中感應的電勢完全被漏抗壓降所平衡，場在電樞繞組中感應的電勢完全被漏抗壓降所平衡，即即 xI jEk所以對應的氣隙合成磁通很小，電機的磁路

60、處于不飽所以對應的氣隙合成磁通很小，電機的磁路處于不飽和狀態(tài)，磁勢和磁通成線性關系，因此和狀態(tài)，磁勢和磁通成線性關系，因此 FE 另一方面，由于電樞磁勢正比于電樞電流，即另一方面，由于電樞磁勢正比于電樞電流，即 kaIF 所以勵磁磁勢所以勵磁磁勢 afFFF也與也與Ik成正比，所以成正比，所以 kfIF 同時同時 ffIF 故短路特性是一條直線，即故短路特性是一條直線，即 fkII kkI xI2022年1月15日星期六武漢理工大學電力電子教研室1451. 外特性外特性當當 n = n1，If、cos = 常數時，常數時，U 與與 I 的關系，的關系， 即即 U = f (I)。 調節(jié)調節(jié)If