三相同步電機(jī)

關(guān)于三相同步電機(jī)12第一節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

一、同步電動(dòng)機(jī)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(jī)磁路的一部分。電樞繞組是三相對(duì)稱繞組，由高強(qiáng)度漆包線繞成，它構(gòu)成電機(jī)的電路。第2頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天3第3頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天4第4頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天5UVWU’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’第5頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天6轉(zhuǎn)子：由鐵心、直流勵(lì)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)子第6頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天7水輪發(fā)電機(jī)第7頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天8電機(jī)與拖動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)：

極數(shù)多，直徑大，軸向長(zhǎng)度短，整個(gè)轉(zhuǎn)子在外形上與汽輪發(fā)電機(jī)大不相同。大多數(shù)水輪發(fā)電機(jī)為立式。水輪發(fā)電機(jī)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(fēng)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(lái)壓緊磁極沖片和固定磁極繞組。有些發(fā)電機(jī)磁極的極靴上開(kāi)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(lái)擬制短路電流和減弱電機(jī)振蕩，在電動(dòng)機(jī)中作為起動(dòng)繞組用。磁極與磁極軛部采用T形或鴿尾形連接。第8頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天9隱極式轉(zhuǎn)子第9頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天10汽輪發(fā)電機(jī)第10頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天11第11頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天12第12頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天13電機(jī)與拖動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)：

定子大體上與異步電機(jī)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(shí)，采用圓形沖片，當(dāng)定子外徑大于1m時(shí)，采用扇形沖片。定子鐵心固定在機(jī)座上，機(jī)座常由鋼板焊接而成，它必須有足夠的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)還必須滿足通風(fēng)和散熱的需要。汽輪發(fā)電機(jī)的電壓較高，要求定子繞組有足夠的絕緣強(qiáng)度，一般采用B級(jí)或F

級(jí)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(gè)細(xì)長(zhǎng)的圓柱體。轉(zhuǎn)子鐵心表面圓周上銑有許多槽，勵(lì)磁繞組嵌放在這些槽內(nèi)。勵(lì)磁繞組為同心式繞組，以銅線繞制，并用不導(dǎo)磁的槽楔將繞組緊固在槽內(nèi)。

第13頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天14凸極轉(zhuǎn)子隱極轉(zhuǎn)子d軸q軸d軸q軸特點(diǎn)：氣隙不均勻特點(diǎn)：氣隙均勻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)第14頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天15

定子三相對(duì)稱繞組，加三相對(duì)稱電壓，流入三相對(duì)稱電流，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)N1、

S1

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

S2

。

定子磁場(chǎng)N1、

S1

與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)N2、

S2

之間產(chǎn)生磁拉力，從而產(chǎn)生電磁力矩拖動(dòng)轉(zhuǎn)子與定子磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)。原理動(dòng)畫(huà)二、同步電動(dòng)機(jī)的工作原理第15頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天16*同步轉(zhuǎn)速

從供電品質(zhì)考慮，由眾多同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)構(gòu)成的交流電網(wǎng)的頻率應(yīng)該是一個(gè)不變的值，這就要求發(fā)電機(jī)的頻率應(yīng)該和電網(wǎng)的頻率一致。我國(guó)電網(wǎng)的頻率為50Hz，故有：

要使得發(fā)電機(jī)供給電網(wǎng)50Hz的工頻電能，發(fā)電機(jī)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(jī)的同步轉(zhuǎn)速為3000r/min，4極電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為1500r/min，依次類推。只有運(yùn)行于同步轉(zhuǎn)速，同步電機(jī)才能正常運(yùn)行，這也是同步電機(jī)名稱的由來(lái)。

第16頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天17*同步機(jī)運(yùn)行方式

同步電機(jī)的主要運(yùn)行方式有三種，即作為發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和補(bǔ)償機(jī)運(yùn)行。作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行是同步電機(jī)最主要的運(yùn)行方式，作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行是同步電機(jī)的另一種重要的運(yùn)行方式。同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)，在不要求調(diào)速的場(chǎng)合，應(yīng)用大型同步電動(dòng)機(jī)可以提高運(yùn)行效率。近年來(lái)，小型同步電動(dòng)機(jī)在變頻調(diào)速系統(tǒng)中開(kāi)始得到較多地應(yīng)用。同步電機(jī)還可以接于電網(wǎng)作為同步補(bǔ)償機(jī)。這時(shí)電機(jī)不帶任何機(jī)械負(fù)載，靠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子中的勵(lì)磁電流向電網(wǎng)發(fā)出所需的感性或者容性無(wú)功功率，以達(dá)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。

第17頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天18三、同步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)，流過(guò)定子繞組的線電流，單位為。⑷額定功率因數(shù)電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行的功率因數(shù)。⑸額定轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，單位為。⑹額定效率電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行效率。

此外，同步電動(dòng)機(jī)銘牌上還給上額定頻率；額定勵(lì)磁電壓；額定勵(lì)磁電流等數(shù)據(jù)。第18頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天19一、隱極同步電動(dòng)機(jī)電磁分析和相量圖定子的電磁關(guān)系(磁路不飽和時(shí)）：轉(zhuǎn)子If定子F=F0+Fa1、電磁分析

由于定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)在空間相對(duì)靜止，故同步電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行，定轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，它們相對(duì)靜止，只在定子中感應(yīng)電勢(shì)。第二節(jié)同步電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的電磁關(guān)系FFIaEaFaF0E0第19頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天202、基本方程磁路不飽和時(shí)氣隙磁場(chǎng)在定子中的感應(yīng)電勢(shì)故而漏感電勢(shì)r1定子一相繞組電阻為r1第20頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天21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(yīng)電抗，對(duì)應(yīng)旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)磁路.x

定子漏電抗，與定子漏磁通的磁路對(duì)應(yīng)。xa>>x

r10EEsaEaI1U第21頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天223、等效電路和相量圖定子一相等效電路為一般同步電動(dòng)機(jī)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(jī)的同步電抗。與等效電路對(duì)應(yīng)的相量圖(忽略r1）為：+r1-jxc第22頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天23一、功率、轉(zhuǎn)矩方程

ra+-jxc輸入：定子銅耗：電磁功率：輸出功率：摩擦損耗附加損耗空載損耗鐵損耗第三節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的功率方程及功角特性第23頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天24隱極機(jī)xd=xq=xc可見(jiàn)電磁功率是

的函數(shù)。第24頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天25三、功角特性和矩角特性功角的概念：

◆功角θ在時(shí)間上表示端電壓和勵(lì)磁磁勢(shì)之間的相位差，在空間上表現(xiàn)為合成磁場(chǎng)軸線與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)軸線之間夾角。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，

為電網(wǎng)電壓，其大小和頻率不變，對(duì)應(yīng)的合成磁勢(shì)

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(shì)

的角速度決定。穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，

和

之間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，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(jī)的勵(lì)磁電勢(shì)

和端電壓

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

第25頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天26功角的空間概念：

第26頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天27功角特性和矩角特性曲線在U、E0不變時(shí)，Pem、Tem與

成正弦關(guān)系BATLTm180900Pem(Tem)θ隱極機(jī)180900Pem(Tem)θ凸極機(jī)第27頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天28一、勵(lì)磁調(diào)節(jié)

保持同步電動(dòng)機(jī)的U1、f、P2不變，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流If

，會(huì)引起電樞電流Ｉ和電機(jī)功率因數(shù)的改變。第三節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)及V形曲線

結(jié)論：調(diào)節(jié)If

，可以改變電機(jī)功率因數(shù)；正常勵(lì)磁時(shí)，為純阻性；If>正常勵(lì)磁時(shí),為容性；If<正常勵(lì)磁時(shí)，為感性。第28頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天29二、Ｖ形曲線Ｉ＝f(If)條件：P2保持不變，調(diào)節(jié)If

當(dāng)If=If1時(shí)，I為純有功電流，最?。籌f從If1增加時(shí)，I增加；If從If1減小時(shí)，I也增加；電流I呈Ｖ形曲線變化。C3>C2>C10欠勵(lì)過(guò)勵(lì)I(lǐng)IfP2=C1P2=C2P2=C3正常勵(lì)磁V形曲線是一簇曲線，每一條V形曲線對(duì)應(yīng)一定的有功功率。V形曲線上都有一個(gè)最低點(diǎn)，對(duì)應(yīng)cos=0

的情況。將所有的最低點(diǎn)連接起來(lái)，將得到與cos=0對(duì)應(yīng)的曲線，該線左邊為欠勵(lì)狀態(tài)，功率因數(shù)超前，右邊為過(guò)勵(lì)狀態(tài)，功率因數(shù)滯后。第29頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天30三、cos

=f(P2)曲線

保持同步電動(dòng)機(jī)的U1、f、If不變，調(diào)節(jié)輸出功率P2

，電機(jī)功率因數(shù)的改變.P2*cos

00.510.80.8容性感性第30頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天31TemθS1S2N2N1n1θN1S2N2S1n1Tem

同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)n=0,由于轉(zhuǎn)子的慣性，其速度不能突變，而氣隙磁場(chǎng)速度n1很快。所以轉(zhuǎn)子所受的T方向來(lái)回變化，轉(zhuǎn)子無(wú)法直接起動(dòng)。第四節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)第31頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天32同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法

同步電機(jī)在電源頻率恒定使定子合成磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速恒定的條件下，其轉(zhuǎn)速必為同步轉(zhuǎn)速n0，是不可調(diào)節(jié)的。平均電磁轉(zhuǎn)矩Temav=∫Tem(t)dt=0

因?yàn)橥诫姍C(jī)僅在運(yùn)行時(shí)才有平均電磁轉(zhuǎn)矩，而起動(dòng)過(guò)程是非同步運(yùn)行狀態(tài)，所以同步電動(dòng)機(jī)不能自行起動(dòng)，可采用異步起動(dòng)啟動(dòng)第32頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天33同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法1、輔助起動(dòng)法：用同極數(shù)異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)其起動(dòng)。2、變頻起動(dòng)法：將電源頻率從0~fN隨n逐漸升高。3、異步起動(dòng)法：利用阻尼繞組作起動(dòng)繞組，實(shí)現(xiàn)異步起動(dòng)，最后被牽入同步。第33頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天341、一隱極同步電動(dòng)機(jī)，

N=30。求：（1）過(guò)載能力

；（2）TL不變，提高

=4，勵(lì)磁電流應(yīng)提高到原來(lái)的幾倍（E0

If）?2、一隱極同步電動(dòng)機(jī)，PN=6300KW,UN=10000V(Y),IN=417A,cos

N=0.9(超前),IfN=404A,xc=14

（E0

If）求：（1）額定效率

N

；（2）額定無(wú)功功率；

N

；習(xí)題課（3）保持PN不變，如何調(diào)節(jié)，使cos

=1?求此時(shí)I和If（

不變）。（4）額定工作時(shí)，保持If不變，下降PN=4000KW，求I和cos

？（

不變）第34頁(yè),共42頁(yè)，2024年2月25日，星期天354、單相變壓器的額定數(shù)據(jù)，SN=500VA，U1N/U2N=220/110V，短路阻抗標(biāo)么值ZK*=0.05∠60°，I10N=0.2A。將兩臺(tái)相同的變壓器串聯(lián)，高壓側(cè)接220V電網(wǎng)，降壓供電，試求：1）分別計(jì)算第一和第二臺(tái)變壓器原邊的空載電流。2）空載供電電壓。3）短路電流。（磁路線性）220Tr1Tr23.一臺(tái)三相變壓器，SN=200KVA,U1N/U2N=6.3/0.38KV,Y/Y0連