電機學(xué)52-同步電機的運行原理

目錄第二章變壓器

第一章緒論第五章同步電機第四章異步電機第三章交流電機的基本理論1目錄第二章變壓器

第一章緒論第五章同步電機第四章異步電機第三章交流電機的基本理論2了解同步電機的用途和主要分類熟練掌握同步電機的基本工作原理熟悉同步電機的基本結(jié)構(gòu)，熟練掌握隱極和凸極電機的結(jié)構(gòu)特點熟練掌握同步電機的額定值熟練掌握同步發(fā)電機標幺值系統(tǒng)第一節(jié)同步電機的基本知識學(xué)習(xí)目標3

第一節(jié)同步電機的基本知識定義：

同步電機是指電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與磁場轉(zhuǎn)速相同的交流電機。同步電機的轉(zhuǎn)速為運用范圍：

同步電機主要用來作為發(fā)電機運行；同步電機也可作為電動機應(yīng)用，用于拖動生產(chǎn)機械，一般使用在不需要調(diào)速的低速大功率機械中；此外，同步電機還可以作為同步補償機，他能夠?qū)ｉT用來向電網(wǎng)輸送感性和容性無功功率。4同步電機的用途和分類5同步電機的用途和分類62.同步電機的分類7同步發(fā)電機按原動機分類2.同步電機的分類82.同步電機的分類9同步電機基本結(jié)構(gòu)10111213同步電機的基本結(jié)構(gòu)形式同步電機的定子和異步電機相同，定子鐵芯上有齒和槽，槽內(nèi)設(shè)置三相繞組。轉(zhuǎn)子上裝有磁極和勵磁繞組。同步電機的磁極通常裝在轉(zhuǎn)子上，而電樞繞組放在定子上，通常稱為旋轉(zhuǎn)磁極式電機。旋轉(zhuǎn)磁極式電機同步電機的轉(zhuǎn)子有凸極和隱極兩種結(jié)構(gòu)形式。用汽輪機作為原動機來拖動的稱為汽輪發(fā)電機，一般采用隱極式結(jié)構(gòu)；用水輪機作為原動機來拖動的稱為水輪發(fā)電機，一般采用凸極式結(jié)構(gòu)。同步電動機、由內(nèi)燃機拖動的同步發(fā)電機以及同步補償機大多做成凸極式。14同步電機的構(gòu)造特點定子同步電機的定子大體上和異步電機相同，是由鐵芯、繞組、機座以及固定這些部分的其他構(gòu)件組成。轉(zhuǎn)子（以同步發(fā)電機為例）

1、汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)現(xiàn)代汽輪發(fā)電機一般都是二極的，同步轉(zhuǎn)速為3000或3600r/min。這是因為提高轉(zhuǎn)速可以提高汽輪機的運行效率，減小整個機組的尺寸、降低機組的造價。轉(zhuǎn)子不能做得過大，所以汽輪發(fā)電機的直徑較小，長度較長。汽輪發(fā)電機均為臥式結(jié)構(gòu)。

2、水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)大型水輪發(fā)電機通常都是立式結(jié)構(gòu)，它的轉(zhuǎn)速低、極數(shù)多，要求轉(zhuǎn)動慣量大，故其特點是直徑大、長度短。15同步電機的額定值16同步電機的額定值（銘牌值）由以下幾種：額定容量或額定功率額定電壓是指同步電機在額定運行時其定子三相的線電壓額定電流是指同步電機在額定運行時流過其定子繞組的線電流同步發(fā)電機同步電動機同步調(diào)相機額定容量發(fā)電機出線端的額定視在功率（VA）額定功率發(fā)電機輸出的額定有功功率（電功率）（W）轉(zhuǎn)軸上輸出的有效機械功率（W）發(fā)電機出線端輸出的無功功率（Var）同步電機的額定值17同步電機的額定值額定功率因數(shù)是指同步電機在額定運行時的功率因數(shù)。額定效率是指額定運行時的效率。額定轉(zhuǎn)速和額定頻率是指同步電機運行時的轉(zhuǎn)速（r/min）和定子繞組中電流與電壓的工作頻率（Hz）。額定勵磁電壓和額定勵磁電流是指同步電機額定運行時加到勵磁繞組上的直流電壓和電流。發(fā)電機電動機18同步電機的額定值19同步電機的額定值20小結(jié)21小結(jié)22第二節(jié)同步電機的運行原理（基本電磁關(guān)系）23第二節(jié)同步電機的運行原理（基本電磁關(guān)系）24同步電機的勵磁系統(tǒng)同步電機運行時，必須在其轉(zhuǎn)子勵磁繞組中通入直流電流，以便建立磁場，這個直流稱為勵磁電流，供給勵磁電流的整個系統(tǒng)稱為勵磁系統(tǒng)。勵磁系統(tǒng)是同步電機的重要組成部分，勵磁系統(tǒng)和勵磁元件的性能對電機的運行性能有重要影響。分類，勵磁系統(tǒng)主要有兩大類：一類是直流發(fā)電機作為勵磁電源的直流勵磁機勵磁系統(tǒng)；另一類是用整流裝置將交流變成直流后供給勵磁的交流勵磁機整流勵磁系統(tǒng)。25同步發(fā)電機的空載運行26同步電機的空載運行空載運行時，電樞電流為零，僅有由勵磁電流所建立的主極磁場。主極磁通分為主磁通和主極漏磁通，主磁通所經(jīng)過的路徑稱為主磁路，包括：空氣隙、電樞齒、電樞軛、磁極極身和轉(zhuǎn)子軛五個部分。

主極磁通是否通過氣隙交鏈主磁通通過于定子繞住相交鏈主極漏磁通不通過僅與勵磁繞組相交鏈27同步電機的空載運行

當(dāng)轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，主磁場就在氣隙中形成一個旋轉(zhuǎn)磁場，它“切割”對稱的三相定子繞組后，就將在定子繞組內(nèi)感應(yīng)出頻率為的一組對稱三相空載電動勢：忽略高次諧波時，勵磁電動勢的有效值為式中：為每極的主磁通量28同步發(fā)電機的空載運行29同步發(fā)電機的空載運行30（1）勵磁磁動勢31（1）勵磁磁動勢32（1）勵磁磁動勢33定義磁極磁動勢的基波分量振幅與實際磁動勢最大幅值之比為，稱為電機的勵磁磁動勢波形系數(shù)，即隱極式同步電機的空載磁動勢

隱極式同步電機的轉(zhuǎn)子繞組為分布繞組，在每極下有一個大齒和若干個小齒，轉(zhuǎn)子磁動勢的空間分布波形為階梯波形，如下圖所示，幅值為（其中為勵磁電流，為勵磁繞組的每極匝數(shù)）

大齒34（1）勵磁磁動勢35凸極式同步電機的空載磁動勢

凸極同步電機的繞組式集中繞組，它所產(chǎn)生的磁動勢是矩形波，幅值為，基波分量的振幅為勵磁磁動勢的波形系數(shù)362.基波勵磁磁動勢37（2）基波勵磁磁動勢38（2）基波勵磁磁動勢39（2）基波勵磁磁動勢40同步發(fā)電機的空載運行413.基波氣隙磁通密度423.基波氣隙磁通密度43同步發(fā)電機的空載運行444.電樞繞組的磁鏈、感應(yīng)電動勢454.電樞繞組的磁鏈、感應(yīng)電動勢464.電樞繞組的磁鏈、感應(yīng)電動勢47同步發(fā)電機的空載運行48畫在同一坐標平面上的時間相量圖和空間矢量圖稱為時空矢量圖。參考軸的選取是任意的。但一般把相繞組軸線作為空間矢量參考軸令時間相量參考軸與空間矢量參考軸重合相繞組軸線－相軸；轉(zhuǎn)子繞組軸線－直軸；與直軸正交（90度電角度）－交軸時間相量與空間矢量直軸相軸，交軸時軸495.時空相矢量圖505.時空相矢量圖515.時空相矢量圖525.時空相矢量圖53同步發(fā)電機的空載運行546.空載特性55對稱負載時的電樞反應(yīng)56對稱負載時的電樞反應(yīng)空載：I≈0，F(xiàn)a≈0，氣隙磁場只由轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生；負載時：I≠0，F(xiàn)a≠0，F(xiàn)a對Ff的影響稱電樞反應(yīng)同步電機電樞磁勢與轉(zhuǎn)子磁勢間的相對位置取決于負載電流的性質(zhì)。同步和空載電勢電機輸出電流之間的相角定義為內(nèi)功率因數(shù)角。時，電流滯后于；端電壓和之間的相位角稱為外功率因數(shù)角

。

57同步發(fā)電機負載時的電樞反應(yīng)58同步發(fā)電機負載時的電樞反應(yīng)59同步發(fā)電機負載時的電樞反應(yīng)60電樞反應(yīng)的性質(zhì)61電樞反應(yīng)的性質(zhì)（內(nèi)功率因數(shù)角）

62電樞反應(yīng)的性質(zhì)63電樞反應(yīng)的性質(zhì)64電樞反應(yīng)的性質(zhì)65Fa在交軸，所以稱交軸電樞反應(yīng)，因合成磁勢有增磁作用因為I、E同相，所以不發(fā)無功功率

電樞反應(yīng)的性質(zhì)（內(nèi)功率因數(shù)角）66

同步發(fā)電機的剖面簡圖磁勢的空間展開圖直軸相軸，交軸直軸交軸電樞反應(yīng)的性質(zhì)（內(nèi)功率因數(shù)角）67

Fa在交軸，所以稱交軸電樞反應(yīng)，因合成磁勢有增磁作用因為I、E反相，所以不發(fā)無功功率電樞反應(yīng)的性質(zhì)（內(nèi)功率因數(shù)角）68電樞反應(yīng)的性質(zhì)（內(nèi)功率因數(shù)角）

同步發(fā)電機的剖面簡圖磁勢的空間展開圖直軸相軸，交軸直軸交軸A相軸69電樞反應(yīng)的性質(zhì)70電樞反應(yīng)的性質(zhì)（內(nèi)功率因數(shù)角）

時間相量圖時空矢量圖時軸相軸交軸時軸直軸71電樞反應(yīng)的性質(zhì)72

同步發(fā)電機的剖面簡圖磁勢的空間展開圖直軸相軸，交軸直軸交軸電樞反應(yīng)的性質(zhì)（內(nèi)功率因數(shù)角）73

時間相量圖時空矢量圖時軸相軸，交軸時軸直軸電樞反應(yīng)的性質(zhì)（內(nèi)功率因數(shù)角）74電樞反應(yīng)的性質(zhì)75小結(jié)

☆結(jié)論：同步電機的運行方式可以由內(nèi)功率因數(shù)角來判斷。同步電機作為發(fā)電機運行時，轉(zhuǎn)子磁場將較定子磁場超前同步電機作為電動機運行時，定子磁場將較轉(zhuǎn)子磁場超前76電樞反應(yīng)的性質(zhì)77同步發(fā)電機負載時的電樞反應(yīng)78同步發(fā)電機負載時的電樞反應(yīng)79隱極同步發(fā)電機的時空相矢量圖和相量圖80隱極同步發(fā)電機的時空相矢量圖和相量圖81（1）飽和時的電磁關(guān)系82（1）飽和時的電磁關(guān)系831.考慮飽和時的情況84（2）飽和時的電壓方程式、相量圖85（2）飽和時的電壓方程式、相量圖861.考慮飽和時的情況87（3）飽和時的時空相矢量圖88（3）飽和時的時空相矢量圖89（3）考慮飽和時的時空相矢量圖90隱極同步發(fā)電機的時空相矢量圖和相量圖91（1）不計飽和時的電磁關(guān)系92（1）不計飽和時的電磁關(guān)系93（1）不計飽和時的電磁關(guān)系942.不計飽和時的情況95（2）不計飽和時的電壓方程式、相量圖、等效電路96（2）不計飽和時的電壓方程式、相量圖、等效電路97（2）不計飽和時的電壓方程式、相量圖、等效電路98（2）不計飽和時的電壓方程式、相量圖、等效電路99（2）不計飽和時的電壓方程式、相量圖、等效電路100（2）不計飽和時的電壓方程式、相量圖、等效電路101

小結(jié)（電磁關(guān)系）當(dāng)不考慮磁路飽和現(xiàn)象時，認為轉(zhuǎn)子磁場與電樞磁場分別在定子繞組中感應(yīng)電勢。轉(zhuǎn)子感應(yīng)的電勢稱為空載電勢，用表示；電樞磁場感應(yīng)的電勢稱為電樞反應(yīng)電勢，用表示。電磁關(guān)系如下：102小結(jié)（電路方程與等效電路）二、電路方程

三、等效電路等效電路，如右圖所示。隱極同步發(fā)電機在穩(wěn)態(tài)運行時的等效電路是簡單的獨立回路，沒有次級側(cè)回路和其它耦合回路。103小結(jié)（電樞反應(yīng)電抗）四、電樞反應(yīng)電抗比例系數(shù)是與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，稱為電樞反應(yīng)電抗。寫成相量形式：上式說明了電樞反應(yīng)電抗的物理意義：可以把電樞反應(yīng)磁場在定子每相繞組中所感應(yīng)的電樞反應(yīng)電勢看成相電流所產(chǎn)生的一個電抗電壓降，這個電抗就是電樞反應(yīng)電抗。104五、同步電抗▲定子回路電壓平衡式改寫為

其中

為同步電抗

為同步阻抗▲實際應(yīng)用中主要關(guān)心同步電抗：在計算同步電機的各種性能時，一般僅需應(yīng)用同步電抗；測量同步電抗較為方便?！刃щ娐纷兓[極同步發(fā)電機的等效電路小結(jié)（同步電抗）105六、隱極發(fā)電機的相量圖

同步電機的三個角：外功率因數(shù)角

內(nèi)功率因數(shù)角

功角小結(jié)（相量圖）106凸極同步發(fā)電機的雙反應(yīng)理論和相量圖107凸極同步發(fā)電機的雙反應(yīng)理論和相量圖1081.凸極同步發(fā)電機的雙反應(yīng)理論1091.凸極同步發(fā)電機的雙反應(yīng)理論1101.凸極同步發(fā)電機的雙反應(yīng)理論111凸極同步發(fā)電機的雙反應(yīng)理論和相量圖1122.凸極同步發(fā)電機的電動勢相量圖113（2）電壓方程式114（2）電壓方程式1152.凸極同步發(fā)電機的電動勢相量圖116（3）電動勢相量圖117（3）電動勢相量圖1182.凸極同步發(fā)電機的電動勢相量圖119凸極同步發(fā)電機的雙反應(yīng)理論和相量圖120凸極同步發(fā)電機的雙反應(yīng)理論和相量圖121凸極同步發(fā)電機的雙反應(yīng)理論和相量圖122凸極同步發(fā)電機的雙反應(yīng)理論和相量圖123凸極同步發(fā)電機的雙反應(yīng)理論和相量圖124同步發(fā)電機的電磁關(guān)系和分析方法125同步發(fā)電機的電磁關(guān)系和分析方法126同步發(fā)電機的電磁關(guān)系和分析方法127同步發(fā)電機的電磁關(guān)系和分析方法128小結(jié)（雙反應(yīng)理論）一、凸極同步電機的電樞反應(yīng)——雙反應(yīng)理論

由于凸極同步機的氣隙不均勻，氣隙各處的磁阻不同，在極面下的磁導(dǎo)大，兩極之間的磁導(dǎo)小，所以在分析電樞反應(yīng)時，采用雙反應(yīng)法，即把電樞基波磁動勢分解為作用在直軸上的和作用在交軸上的，還可以將電樞電流分解為和，即129小結(jié)（電磁關(guān)系）二、電磁關(guān)系當(dāng)不計磁路飽和現(xiàn)象時，在定子繞組中分別成立直軸電樞反應(yīng)電勢和交