第7章三相同步電機

三相同步電機第7章1電機與拖動本章要求掌握同步電機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。掌握同步電動機的分析方法及分析結(jié)果。掌握功角的概念及意義，矩角特性及其應用。熟練掌握同步電動機的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。了解同步電動機的起動方法；一般掌握同步調(diào)相機。27.1同步電機的結(jié)構(gòu)和運行方式

一、同步電機的基本結(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)成電機磁路的一部分。電樞繞組是三相對稱繞組，由高強度漆包線繞成，它構(gòu)成電機的電路。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8電機與拖動水輪發(fā)電機的特點：極數(shù)多，直徑大，軸向長度短，整個轉(zhuǎn)子在外形上與汽輪發(fā)電機大不相同。大多數(shù)水輪發(fā)電機為立式。水輪發(fā)電機的直徑很大，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，用來壓緊磁極沖片和固定磁極繞組。有些發(fā)電機磁極的極靴上開有一些槽，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，其作用是用來擬制短路電流和減弱電機振蕩，在電動機中作為起動繞組用。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111213電機與拖動汽輪發(fā)電機的特點：定子大體上與異步電機相同，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，采用圓形沖片，當定子外徑大于1m時，采用扇形沖片。定子鐵心固定在機座上，機座常由鋼板焊接而成，它必須有足夠的強度和剛度，同時還必須滿足通風和散熱的需要。汽輪發(fā)電機的電壓較高，要求定子繞組有足夠的絕緣強度，一般采用B級或F

級絕緣。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，其外形常做成一個細長的圓柱體。轉(zhuǎn)子鐵心表面圓周上銑有許多槽，勵磁繞組嵌放在這些槽內(nèi)。勵磁繞組為同心式繞組，以銅線繞制，并用不導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：氣隙不均勻特點：氣隙均勻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點15定子三相對稱繞組，加三相對稱電壓，流入三相對稱電流，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場N1、

S1

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

S2

。定子磁場N1、

S1

與轉(zhuǎn)子磁場N2、

S2

之間產(chǎn)生磁拉力，從而產(chǎn)生電磁力矩拖動轉(zhuǎn)子與定子磁場同步旋轉(zhuǎn)。原理動畫二、同步電動機的工作原理16*同步轉(zhuǎn)速從供電品質(zhì)考慮，由眾多同步發(fā)電機并聯(lián)構(gòu)成的交流電網(wǎng)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(wǎng)的頻率一致。我國電網(wǎng)的頻率為50Hz，故有：要使得發(fā)電機供給電網(wǎng)50Hz的工頻電能，發(fā)電機的轉(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極電機的同步轉(zhuǎn)速為3000r/min，4極電機的同步轉(zhuǎn)速為1500r/min，依次類推。只有運行于同步轉(zhuǎn)速，同步電機才能正常運行，這也是同步電機名稱的由來。

17*同步機運行方式

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。作為發(fā)電機運行是同步電機最主要的運行方式，作為電動機運行是同步電機的另一種重要的運行方式。同步電動機的功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)，在不要求調(diào)速的場合，應用大型同步電動機可以提高運行效率。近年來，小型同步電動機在變頻調(diào)速系統(tǒng)中開始得到較多地應用。同步電機還可以接于電網(wǎng)作為同步補償機。這時電機不帶任何機械負載，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、同步電動機的額定數(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額定電流電動機額定運行時，流過定子繞組的線電流，單位為。⑷額定功率因數(shù)電動機額定運行的功率因數(shù)。⑸額定轉(zhuǎn)速電動機額定運行時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，單位為。⑹額定效率電動機額定運行效率。

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

隱極同步電動機電磁分析和相量圖定子的電磁關(guān)系(磁路不飽和時）：轉(zhuǎn)子If定子F=F0+Fa1、電磁分析由于定、轉(zhuǎn)子磁場在空間相對靜止，故同步電動機帶負載運行，定轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生兩個旋轉(zhuǎn)磁場，它們相對靜止，只在定子中感應電勢。7.2同步電動機的電壓方程和相量圖FFIaEaFaF0E0202、基本方程磁路不飽和時氣隙磁場在定子中的感應電勢故而漏感電勢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稱為電樞反應電抗，對應旋轉(zhuǎn)磁勢磁路.x定子漏電抗，與定子漏磁通的磁路對應。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機容量都較大，電阻r1很小，忽略之，得aaa0xjIxjIE++=sca0xjIE+=式中xc稱為隱極同步電機的同步電抗。與等效電路對應的相量圖(忽略r1）為：+r1-jxcU123二、

凸極同步電動機的電磁分析和相量圖盡管氣隙不均勻，但對縱軸或橫軸來說，都分別為對稱磁路，這就給分析帶來了方便，這種分析問題的方法稱為雙反應原理。1、雙反應原理電樞磁通勢可以分成兩個分量，一個為縱軸電樞磁通勢Fad，作用在縱軸方向；一個為橫軸電樞磁通勢Faq，作用在橫軸方向。24縱軸電樞磁通勢Fad的大?。簷M軸電樞磁通勢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時間電角度。由于三相對稱，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稱為電樞反應電抗，對應旋轉(zhuǎn)磁勢磁路.x1定子漏電抗，與定子漏磁通的磁路對應。xa>>x1r10EE1aEaI1U2、電壓平衡方程式26則因磁路線性，可寫成同樣忽略R1，為：273、相量圖28一、同步電動機的功率方程輸入：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機的功率流程圖mFe0ppp+=空載損耗：sp+7.3同步電動機的功率方程及功角特性29二、同步電動機的電磁功率與功角特性對于凸極同步電動機，當忽略定子繞組的電阻Rs時，同步電動機的電磁功率為

由相量圖可見：

于是

此外，根據(jù)相量圖可得：

30考慮以上這些關(guān)系，得即

第一項與勵磁電流的大小有關(guān)，稱為勵磁電磁功率。第二項是由參數(shù)引起的，這部分功率只有凸極同步電動機才有，而對隱極同步電動機不存在，所以稱為凸極電磁功率。

31功角特性功角的概念：

◆功角θ在時間上表示端電壓和勵磁磁勢之間的相位差，在空間上表現(xiàn)為合成磁場軸線與轉(zhuǎn)子磁場軸線之間夾角。并網(wǎng)運行時，

為電網(wǎng)電壓，其大小和頻率不變，對應的合成磁勢

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

的角速度決定。穩(wěn)定運行時，

和

之間無相對運動，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)電機的勵磁電勢

和端電壓

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

32功角的空間概念：

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

由：

不計定子電阻時，

可得：

34得到的電磁轉(zhuǎn)矩表達式為若是隱極同步機xd=xq=xcq=sinxUsE3Pc0em隱極機q=sinxUsE3Tc01em隱極機35凸極機q-+q=2sin)x1x1(2UmsinxUEmPdq2d0em結(jié)論：q=sinxUEmPc0em隱極機可見電磁功率、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，Pem、Tem與成正弦關(guān)系BATLTm180900Pem(Tem)θ隱極機180900Pem(Tem)θ凸極機37一、同步電動機的功率因數(shù)調(diào)節(jié)保持同步電動機的U1、f、P2不變，調(diào)節(jié)勵磁電流If

，會引起電樞電流Ｉ和電機功率因數(shù)的改變。7.4同步電動機功率因數(shù)及U形曲線若保持同步電動機的負載不變，則電動機轉(zhuǎn)軸上的輸出轉(zhuǎn)矩也不變，如果忽略空載轉(zhuǎn)矩，有，則這說明當改變勵磁電流時，電動勢E0的大小也要跟著改變。38當負載轉(zhuǎn)矩不變時，由于同步電動機的轉(zhuǎn)速恒定不變，所以同步電動機的輸出功率不變。在忽略電機中的各種損耗的情況下，同步電動機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：在只改變勵磁電流的情況下，同步電動機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

，可以改變電機功率因數(shù)；正常勵磁時，為純阻性；

If>正常勵磁時,為容性；

If<正常勵磁時，為感性。注意：同步電動機拖動負載運行時，一般要過勵，至少運行在正常勵磁狀態(tài)，不要讓它運行在欠勵狀態(tài)。40二、

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

U形曲線是一簇曲線，每一條U形曲線對應一定的有功功率。U形曲線上都有一個最低點，對應cos=1

的情況。將所有的最低點連接起來，將得到與cos=1對應的曲線，該線左邊為欠勵狀態(tài)，功率因數(shù)超前，右邊為過勵狀態(tài)，功率因數(shù)滯后。41TemθS1S2N2N1n1θN1S2N2S1n1Tem同步電動機起動時n=0,由于轉(zhuǎn)子的慣性，其速度不能突變，而氣隙磁場速度n1很快。所以轉(zhuǎn)子所受的T方向來回變化，轉(zhuǎn)子無法直接起動。7.5同步電動機的起動42同步電動機的起動方法同步電機在電源頻率恒定使定子合成磁場轉(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

因為同步電機僅在運行時才有平均電磁轉(zhuǎn)矩，而起動過程是非同步運行狀態(tài)，所以同步電動機不能自行起動，可采用異步起動啟動43同步電動機的起動方法1、輔助起動法：用同極數(shù)異步電動機拖動其起動。起動時，在轉(zhuǎn)子尚未加入勵磁的情況下，先用輔助電動機將轉(zhuǎn)子牽引到接近同步轉(zhuǎn)速，然后采用自整步法，在轉(zhuǎn)子勵磁繞組中通入直流勵磁電流，再利用整步轉(zhuǎn)矩將同步電動機接入電網(wǎng)，這時在定轉(zhuǎn)子共同作用下，將轉(zhuǎn)子拉入同步運行。此時，輔助電動機已失去作用，為減小不必要的損耗，可切