電機原理與拖動基礎(chǔ) 課件 第8章－同步電機

第8章同步電機第8章同步電機

8.1同步電機的結(jié)構(gòu)及工作原理

8.2同步電動機的電磁特性

8.3同步電動機的功率、轉(zhuǎn)矩和攻角特性

8.4同步電動機的功率因數(shù)的調(diào)節(jié)與U型曲線

8.5同步電動機的啟動8.1.1同步電機的基本結(jié)構(gòu)機械端口轉(zhuǎn)子定子繞組定子鐵心電端口ABC1、汽輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)定子鐵心2、水輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)(1)立式水輪發(fā)電機(2)臥式水輪發(fā)電機3）水輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)10000kW水輪機轉(zhuǎn)子4）現(xiàn)場運行的水輪發(fā)電機一、隱極同步電機的基本結(jié)構(gòu)本節(jié)以常見的旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機為例，說明同步電機的基本結(jié)構(gòu)一）定子隱極同步電機都采用臥式結(jié)構(gòu)，有定子和轉(zhuǎn)子兩大部分定子：由定子鐵心、定子繞組、機座、端蓋、擋風(fēng)裝置等部件組成。定子鐵心：由厚0.5mm的硅鋼片疊成，整個鐵心則固定于機座上。定子鐵心的內(nèi)圓槽內(nèi)安放定子繞組。二）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、勵磁繞組、護環(huán)、中心環(huán)、滑環(huán)及風(fēng)扇等部件組成轉(zhuǎn)子鐵心的材料：既要求有良好的導(dǎo)磁性能，又需要有很高的機械強度一般都采用整塊的高機械強度和良好導(dǎo)磁性能的合金鋼鍛成，與轉(zhuǎn)軸鍛成一個整體沿轉(zhuǎn)子鐵心表面銑有槽以安放勵磁繞組（見右圖）。由圖可見在一個極距內(nèi)約有1/3部分沒有開槽，叫大齒。大齒的中心實際上就是磁極中心。勵磁繞組：是由扁銅線繞成的同心式線圈。由于隱極電機轉(zhuǎn)束速很高，因此勵磁繞組在槽內(nèi)需用不導(dǎo)磁高強度的硬鋁槽楔壓緊。端部套上用高強度非磁性鋼鍛成的護環(huán)。隱極機的轉(zhuǎn)速較高，所以轉(zhuǎn)子的直徑較小而長度較長。隱極發(fā)電機轉(zhuǎn)子鐵心二、凸極同步電機的基本結(jié)構(gòu)凸極同步電機臥式結(jié)構(gòu)立式結(jié)構(gòu)除立式結(jié)構(gòu)外的絕大多數(shù)的凸極同步電機低速、大容量的水輪發(fā)電機和大型水泵用的同步電動機推力軸承裝在轉(zhuǎn)子上邊的上機架上，整個轉(zhuǎn)子是以一種懸吊狀態(tài)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動推力軸承裝在轉(zhuǎn)子下邊的機架上，整個轉(zhuǎn)子是以一種被托架著的狀態(tài)轉(zhuǎn)動懸式傘式懸式傘式1－推力軸承2－導(dǎo)軸承運轉(zhuǎn)時機械穩(wěn)定性機組的軸向高度采用條件懸式好大轉(zhuǎn)速較高的電機（150r/min以上）傘式差小，廠房的高度和造價低轉(zhuǎn)速較低的電機（125r/min以下）一）定子定子結(jié)構(gòu)一般和隱極同步電機相同。大容量的水輪發(fā)電機，由于定子直徑太大，通常把它分成幾瓣，分別制造后，再運到電站拼裝成一整體。二）轉(zhuǎn)子凸極同步電機的轉(zhuǎn)子主要由磁極、勵磁繞組和轉(zhuǎn)軸組成。磁極：由厚1-1.5mm的鋼板沖成磁極沖片，用鉚釘裝成一體磁極上套裝有勵磁繞組勵磁繞組：由扁銅線繞成，各勵磁繞組串聯(lián)后接到集電環(huán)上磁極的極靴上一般還裝有阻尼繞組。阻尼繞組：由插入極靴阻尼槽內(nèi)的裸銅條和端部銅環(huán)焊接而成磁極固定在磁軛上，磁軛常用整塊鋼板或鑄鋼做成勵磁繞組磁極鐵心阻尼繞組磁極鋼板T尾阻尼繞組換向磁極電刷裝置機座端蓋電樞鐵心電樞繞組換向器轉(zhuǎn)軸風(fēng)扇主磁極轉(zhuǎn)子定子1-換向器2-電刷裝置3-機座4-主磁極5-換向極6-端蓋7-風(fēng)扇8-電樞繞組9-電樞鐵心8.1.2同步電機的工作原理直流電機剖面圖三相同步電動機的工作原理同步電動機工作時定子三相繞組通入三相對稱電流，它會產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場。轉(zhuǎn)子送入直流勵磁電流，轉(zhuǎn)子會有固定磁極，旋轉(zhuǎn)磁場的磁極對轉(zhuǎn)子異性磁極的磁拉力牽引轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場方向行進。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加時，兩個磁極的角度也增加。SNNS同步電動機模型n08.1.2同步電機的工作原理電磁轉(zhuǎn)矩也增加，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩減小時，由于異性磁極互相吸引，兩個磁極的角度減小，電磁轉(zhuǎn)矩也減小?？梢娬９ぷ鲿r同步電動機定、轉(zhuǎn)子磁勢是同步運行，故稱為同步電動機。轉(zhuǎn)速n1=n=60f1/P。同步電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速不能有轉(zhuǎn)速差。因為定、轉(zhuǎn)子的位子不斷變化，在某一位子時，定、轉(zhuǎn)子磁極N、S極互相吸引，轉(zhuǎn)子受拉力。在另一位子（過1800）時，N、N（S、S）極互相排斥，轉(zhuǎn)子受推力，這樣交替進行，轉(zhuǎn)子受平均力矩為0，電動機不能轉(zhuǎn)。SNNS拉力n0SNSN推力n0同步電動機的電動勢向量圖

定子繞組通入三相對稱電流產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁動勢，它以同步速度n0在氣隙圓周上旋轉(zhuǎn)，稱之為電樞電動勢，用Fa表示。轉(zhuǎn)子勵磁繞組通入直流勵磁電流會產(chǎn)生主磁極磁動勢，稱之為直流磁動勢，用F0表示。二者同速同向旋轉(zhuǎn)，相對靜止，二者的合成磁勢用∑F表示。∑F=F0+FaE1=E0+Ea同分析異步電動機的方法，定子繞組中有∑F產(chǎn)生的E1，定子電阻r1產(chǎn)生的電阻壓降r1I1，定子漏抗產(chǎn)生壓降jI1xσ，得到定子一相電動勢方程式。磁動勢切割定子繞組，在定子繞組中對應(yīng)產(chǎn)生電動勢。8.2同步電動機的電磁特性式中對應(yīng)等值電路U1r1xσE1忽略令稱為隱極同步機的同步電抗U1XCE0調(diào)節(jié)同步電動機的直流勵磁電流，可以使同步電動機的電流I1引前外加電壓U1。U1-E0I1jI1xc隱極同步電動機的電動勢向量圖電力電網(wǎng)的容量很大，認(rèn)為U1是常數(shù)，保持直流勵磁的電流大小不變，略去磁路的飽和作用激磁電勢E0不變。隱極同步機無明顯的磁極，氣隙均勻，電樞電動勢無論處于圓周的任何位置，遇到的磁阻是相等的，相應(yīng)的電抗不變，所以同步電抗xc=xa+xσ（xa電樞電抗，xσ定子漏抗）是常數(shù)。U1-E0E0jI1xcI1電網(wǎng)送入同步機的實功P=3U1I1cos，同步機向電網(wǎng)發(fā)送的虛功Q=3U1I1sin，電機的視在功率S=3U1I1。bcodaθCOS=oa/U1;COS(θ+)=oa/E0∴U1COS=E0cos（θ+）8.3同步電機的功率、轉(zhuǎn)矩和矩角特性θ+sinθ=bc/U1;COS(θ+）=bc/I1xc∴U1sinθ=I1xcCOS（θ+）由上兩式（去∴）掉COS（θ+），

U1cos=E0U1sinθ/I1電網(wǎng)送入電機的實功：

P=3U1I1cos=3U1E0sinθ/xc同步電動機的容量較大時，效率都比較高，所以在一般情況下略去電機的全部損耗，認(rèn)為輸入功率等于電磁功率。故同步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩：

T=PM/Ω0=P/Ω0=（3U1E0/Ω0xc）sinθ=MLsinθML為臨界轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩僅取決于θ，稱θ為功角。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩等于零時，同步電動機處于空載狀態(tài)，功角θ等于0，電網(wǎng)不向電動機送實功。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩等于某一值時，功角θ張開，使電動機發(fā)出電磁轉(zhuǎn)矩去和負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡，電動機以同步轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過臨界轉(zhuǎn)矩ML時，電動機承擔(dān)不了這種重負(fù)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速底于同步轉(zhuǎn)速電網(wǎng)電壓U和反電勢不同頻率，定子電流急劇變化，大大超過額定值，電動機進入失步狀態(tài)，亦轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速底于同步轉(zhuǎn)速狀態(tài)，必須立即從電網(wǎng)上切除電動機。功角θ的物理意義同步電動機的正常工作時T變化而n不變化，故討論T和θ的關(guān)系更有意義。稱T=ML

sinθ為同步電動機的矩角特性。功角θ是電網(wǎng)電壓U和反電勢（-E0）間的夾角。如果不考慮定子電阻和漏抗，可以認(rèn)為電壓U1近似等于合成磁勢∑F產(chǎn)生的反電勢-E1

，U1=-E1+I1r1+jI1xσ≈-E1U1-E0θ所以功角θ也就是反電勢E1和直流磁動勢F0產(chǎn)生的電動勢E0間的夾角。磁勢比它產(chǎn)生的電動勢引前900，所以合成磁勢∑F引前電動勢-E1和直流磁勢F0引前電動勢E0的角度都是900?？梢宰C明合成磁勢∑F在空間引前直流E1E0∑FF0θ磁勢F0的相角也應(yīng)當(dāng)是功角θ?？梢姽铅仁呛铣纱艅荨艶引前直流磁勢F0的相角。矩角特性的穩(wěn)定區(qū)

不計磁路飽和作用，合成磁勢∑F和電動勢E1(U1)成正比，直流磁勢F0和電動勢E0成正比。由下式

T=PM/Ω0=P/Ω0=（3U1E0/Ω0xc）sinθ=ML

sinθ

得T=CM∑FF0sinθ

其中CM是比例常數(shù)，它與電機的結(jié)構(gòu)以及飽和程度有關(guān)。SNNS同步電動機模型n0θ如果外加電壓U1與勵磁電流If不變時，轉(zhuǎn)矩與功角θ的正弦成正比。當(dāng)θ=0時，定、轉(zhuǎn)子磁極在同一軸線上，無切向力，轉(zhuǎn)矩為0。當(dāng)θ角增大時，轉(zhuǎn)矩也增大，與功角θ的正弦關(guān)系。當(dāng)θ=900時，轉(zhuǎn)矩最大，達到臨界轉(zhuǎn)矩。Mθ0180BA900<θ<1800時是不穩(wěn)定工作區(qū)。不穩(wěn)定區(qū)只能在過渡過程中出現(xiàn),不可能穩(wěn)定工作。例如電動機在B點工作，如果電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不等定子同步轉(zhuǎn)速，

而電動機的電磁轉(zhuǎn)矩正好等于靜負(fù)載轉(zhuǎn)矩。如轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速，功角θ將繼續(xù)增大。隨著功角的增大電磁轉(zhuǎn)矩將進一步減小，電磁轉(zhuǎn)矩小于靜負(fù)載轉(zhuǎn)矩，動轉(zhuǎn)矩是制動轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將下降，功角θ將繼續(xù)增大，工作點偏離B越來越遠。直到功角θ增大到3600以前，動轉(zhuǎn)矩都是制動的。如果在B點時轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速略高于同步轉(zhuǎn)速，功角θ將繼續(xù)減小。功角θ將減小使電磁轉(zhuǎn)矩反而增加，電磁轉(zhuǎn)矩大于靜負(fù)載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子加速。功角θ減小，工作點越來越遠離B點，最終回到A點。所以B點不是穩(wěn)定的。8.4同步電動機的U形曲線與同步發(fā)電機相似,當(dāng)同步電動機的輸入有功功率恒定而調(diào)節(jié)勵磁電流時,也有三種勵磁狀態(tài),“正常勵磁”時,電動機沒有無功功率輸出；“過勵”時電動機從電網(wǎng)吸收容性無功（或發(fā)出感性無功）;“欠勵”時電動機從電網(wǎng)吸收感性無功（或發(fā)出容性無功）.也可以調(diào)節(jié)無功功率.調(diào)節(jié)勵磁電流可以調(diào)節(jié)同步電動機的無功功率和功率因數(shù),這是同步電動最可貴的特點.為了改善電網(wǎng)的功率因數(shù)和提高電機的過載能力，現(xiàn)代同步電動機的額定功率因數(shù)一般均設(shè)計為1-0.8（超前）。同步電動機的起動比其它電動機起動要困難，因為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速只有與合成磁場同步時才有穩(wěn)定的磁拉力，形成一定的同步轉(zhuǎn)矩。在非變頻啟起過程中，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速不等，θ變化一周平均轉(zhuǎn)矩為0，無法使電動機加速，所以在同步電動機恒頻起動時，必須采用其它方法起動。

8.5同步電動機的啟動同步電動機的啟動同步電動機不能自行起動假設(shè)定子磁場的運動方向由左向右，并在某瞬間轉(zhuǎn)到圖a所示的位置，由圖可見，此瞬間定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場相互作用所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩是推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的；但由于轉(zhuǎn)子具有轉(zhuǎn)動慣量，在此轉(zhuǎn)矩作用下，并不可能立即加速到同步。于是在半個周期以后（即1/100s以后），定子磁場向前移動了一個極距，達到圖b的位置，此時定子磁極對轉(zhuǎn)子磁極的排斥力，將阻止轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動。如此變化不已，可見轉(zhuǎn)子上受到的平均轉(zhuǎn)矩為零相互吸引相互排斥由于同步電動機的平均起動轉(zhuǎn)矩為零，所不能自行起動，必須借用其它方法。

常用的起動方法有：輔助電動機起動法、變頻起動法和異步起動法。其中異步起動法應(yīng)用最廣泛。現(xiàn)代同步電動機多采用異步起動法來起動。它是通過在凸極式同步電動機的轉(zhuǎn)子上裝置阻尼組和感應(yīng)電動機的籠型繞組相似，只是它裝在轉(zhuǎn)子磁極的極靴上，有時亦稱同步電動機的阻尼繞組為起動繞組。同步電動機的異步起動方法：第二步:將同步電動機的定子繞組接通三相交流電源。這時定子旋轉(zhuǎn)磁場將在阻尼繞組中感應(yīng)一電流，此電流與定子旋轉(zhuǎn)磁場相互作用而產(chǎn)