12同步電機(jī)的基本理論和運(yùn)行特性.ppt

1、第12章回顧了同步電機(jī)的基本理論和運(yùn)行特性，回顧了同步電機(jī)的原理，轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)直流電流形成分布磁場(chǎng)，并將定子上的各相繞組緊固。 在定子中嵌入有對(duì)稱三相繞組a-x、b-y、c-z，磁場(chǎng)正弦分布在氣隙中，使卷繞在定子繞組上的鏈以一定速度旋轉(zhuǎn)的磁通量以正弦規(guī)則變化，其感應(yīng)電位以正弦規(guī)則變化。 由于各相的匝數(shù)相等，所以各相電位的大小相等，各相繞組的空間分布相互離開(kāi)120，所以三相電位時(shí)間相位差120滿足三相電位對(duì)稱的要求。 當(dāng)對(duì)稱的三相電流流過(guò)對(duì)稱的三相繞組時(shí)，合成磁動(dòng)勢(shì)成為一轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，定子繞組磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的氣隙圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子勵(lì)磁產(chǎn)生的磁場(chǎng)具有相同的極對(duì)數(shù)，磁極吸引，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)同步電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造、同

2、步電動(dòng)機(jī)的型號(hào)和構(gòu)造基本構(gòu)造型渦輪水輪機(jī)、基本構(gòu)造型磁極旋轉(zhuǎn)式旋轉(zhuǎn)磁極后，勵(lì)磁電流通過(guò)集電環(huán)傳送到勵(lì)磁線圈。 旋轉(zhuǎn)電子式為小容量同步電機(jī)、磁極旋轉(zhuǎn)式同步電機(jī)、定子、轉(zhuǎn)子、氣隙、定子固定子鐵心的內(nèi)圓均勻分布有定子槽，槽內(nèi)嵌入有以一定規(guī)則排列的三相對(duì)稱交流繞組。 該同步電機(jī)的定子也稱為電樞，定子鐵心和繞組在也稱為電樞鐵心和電樞繞組的轉(zhuǎn)子鐵心上安裝有形成為一定形狀的一對(duì)磁極，在磁極上卷繞勵(lì)磁繞組，當(dāng)流過(guò)直流電流時(shí)，在電機(jī)的氣隙中形成極性相間的分布磁場(chǎng)，在勵(lì)磁磁場(chǎng)(主磁場(chǎng)、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)都是氣隙氣隙位于電樞內(nèi)圓和轉(zhuǎn)子磁極之間，氣隙層的厚度和形狀對(duì)電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)的分布和同步電機(jī)的性能有很大影響。 發(fā)電機(jī)的原理顯

3、示，主磁場(chǎng)的制作：向勵(lì)磁線圈通入直流勵(lì)磁電流，制作極性相間的勵(lì)磁磁場(chǎng)，即制作主磁場(chǎng)。 通電導(dǎo)體：三相對(duì)稱的電樞繞組作為功率繞組發(fā)揮作用，成為感應(yīng)電位或感應(yīng)電流的載體。 切斷運(yùn)動(dòng)：原動(dòng)機(jī)拉動(dòng)轉(zhuǎn)子使其旋轉(zhuǎn)(向馬達(dá)輸入機(jī)械能)，極性相間的勵(lì)磁磁場(chǎng)隨軸旋轉(zhuǎn)，依次切斷定子的各相繞組(相當(dāng)于繞組的導(dǎo)體反向切斷勵(lì)磁磁場(chǎng))。 交變電位的產(chǎn)生：通過(guò)電樞繞組和主磁場(chǎng)之間的相對(duì)切斷運(yùn)動(dòng)，在電樞繞組中感應(yīng)出大小和方向周期性變化的三相對(duì)稱交變電位。 通過(guò)引線，可以供給交流電源。 感應(yīng)電位的頻率：感應(yīng)電位的頻率通過(guò)同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速n和極對(duì)數(shù)p，即由交變性和對(duì)稱性決定的電樞繞組的對(duì)稱性，保證感應(yīng)電位的三相對(duì)稱性。 同步轉(zhuǎn)速、

4、同步轉(zhuǎn)速?gòu)墓╇娰|(zhì)量考慮，許多同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)構(gòu)成的交流電網(wǎng)的頻率應(yīng)該是一定的值，要求發(fā)電機(jī)的頻率與電網(wǎng)的頻率一致。 我國(guó)電網(wǎng)的頻率為50Hz，所以發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速必須是一定值的同步轉(zhuǎn)速。 例如，依次類推兩極電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為3000r/min，四極電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為1500r/min。 同步電機(jī)只有在以同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)才能正常運(yùn)行。 電動(dòng)機(jī)的原理是，將同步電動(dòng)機(jī)的定子線圈與三相交流電源連接，頻率f的三相交流電流與電動(dòng)機(jī)氣隙同步，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速n1的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。 在一定的條件下旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)使吸附的轉(zhuǎn)子磁極一起旋轉(zhuǎn)，它們能夠調(diào)節(jié)相同的轉(zhuǎn)速和沒(méi)有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速的n60fp同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)，在不要求調(diào)速的情

5、況下，通過(guò)應(yīng)用大型同步電動(dòng)機(jī)能夠提高運(yùn)轉(zhuǎn)效率。 近年來(lái)，小型同步電動(dòng)機(jī)開(kāi)始多次應(yīng)用于變頻調(diào)速系統(tǒng)。同步補(bǔ)償機(jī)運(yùn)行，達(dá)到電機(jī)無(wú)機(jī)負(fù)載，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流，輸出電網(wǎng)所需的感應(yīng)性或電容性無(wú)功功率，改善電網(wǎng)功率因數(shù)，或調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓的目的。 過(guò)激的時(shí)候，有先進(jìn)的無(wú)功功率。 例如，電容器、凸極式轉(zhuǎn)子、凸極式轉(zhuǎn)子上明顯突出的對(duì)磁極和勵(lì)磁線圈使直流勵(lì)磁電流流過(guò)勵(lì)磁線圈時(shí)，各磁極出現(xiàn)一定的極性。 相鄰的磁極對(duì)于n極和s極交替的水輪發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，由于水輪的轉(zhuǎn)速低，如果發(fā)出商用電力，發(fā)電機(jī)的極數(shù)增多，中小型同步機(jī)也多為凸極式。 向隱極式轉(zhuǎn)子、隱極式轉(zhuǎn)子突出的磁極沿轉(zhuǎn)子主體的周面開(kāi)設(shè)有多個(gè)槽，在這些槽中嵌入勵(lì)磁繞組。 轉(zhuǎn)

6、子表面的約1/3部分沒(méi)有開(kāi)槽，構(gòu)成大齒，是磁極的中心區(qū)域。 在勵(lì)磁線圈中通入勵(lì)磁電流后，沿轉(zhuǎn)子的圓周也會(huì)出現(xiàn)n極和s極。 在大容量高旋轉(zhuǎn)渦輪發(fā)電機(jī)中，轉(zhuǎn)子周線速度極高，最大達(dá)到170米/秒。 大型汽輪發(fā)電機(jī)，為了減小轉(zhuǎn)子本體和轉(zhuǎn)子上的各部件受到的大離心力，采用細(xì)長(zhǎng)的隱極式圓柱體轉(zhuǎn)子。 渦輪發(fā)電機(jī)以渦輪或燃?xì)鉁u輪為原動(dòng)機(jī)。 汽輪機(jī)的運(yùn)行性能在高速時(shí)很經(jīng)濟(jì)，需要盡可能高的轉(zhuǎn)速。 火力發(fā)電廠中的汽車發(fā)電機(jī)一般為兩極隱極式。 核電站大型汽車發(fā)電機(jī)一般采用四極隱極式。 定子與異步電動(dòng)機(jī)一樣，定子鐵心由0.35mm、0.5mm或其他厚度的電磁鋼板層疊而成。 定子外徑小時(shí)采用圓形沖頭，定子外徑超過(guò)1m時(shí)采用

7、扇形沖頭。 轉(zhuǎn)子隱極式轉(zhuǎn)子的外形為細(xì)長(zhǎng)的圓柱體，大多降低高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力。 在轉(zhuǎn)子鐵芯表面圓周上銑削加工有多個(gè)槽，在這些槽中嵌入勵(lì)磁線圈。 勵(lì)磁線圈用同心線圈用銅線纏繞，線圈用無(wú)導(dǎo)磁率的槽楔緊固在槽內(nèi)。 通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸的聯(lián)軸器與汽輪機(jī)連接的一端稱為蒸汽機(jī)端，與勵(lì)磁機(jī)連接的一端稱為勵(lì)磁機(jī)端。 總線環(huán)：勵(lì)磁線圈的2個(gè)線端通過(guò)安裝在勵(lì)磁機(jī)側(cè)的總線環(huán)，通過(guò)電刷和直流勵(lì)磁電源接通。汽輪發(fā)電機(jī)圖、汽輪發(fā)電機(jī)組、水輪發(fā)電機(jī)，特征極數(shù)多，直徑大，軸向長(zhǎng)度短，整個(gè)轉(zhuǎn)子外形與汽輪發(fā)電機(jī)大不相同，具有扁平短形。 大部分的水輪發(fā)電機(jī)都是立式的。 定子鐵心水車發(fā)電機(jī)直徑大，定子鐵心用扇形電磁鋼板堆疊。 為了散熱，在定子

8、鐵心上留有徑向通風(fēng)槽。 定子繞組的各槽內(nèi)只有一根棒，稱為單層繞組。 為了改善電壓波形，多采用分?jǐn)?shù)槽繞組。 轉(zhuǎn)子磁極由厚度12mm的鋼板層疊而成的磁極的兩端，具有用于按壓磁極沖頭和固定磁極繞組的磁極按壓板。 有些發(fā)電機(jī)磁極極片有幾個(gè)槽，槽內(nèi)放置銅條，端環(huán)連接所有銅條構(gòu)成阻尼繞組，其作用模擬短路電流，減弱電機(jī)振蕩，在電機(jī)中用作啟動(dòng)繞組。 水輪發(fā)電機(jī)圖，分?jǐn)?shù)槽繞組的基本概念，原因：水輪發(fā)電機(jī)由于極數(shù)多，極間距離相對(duì)小，每極槽數(shù)q不大。 否則，總槽數(shù)過(guò)多，制造工藝?yán)щy。 如果q取小整數(shù)，則不能充分利用繞組分布的方法，減弱由非正弦波分布的磁場(chǎng)引起的電位中的高次諧波成分。 另外，q小時(shí)齒高次諧波電位的次數(shù)

9、低，數(shù)值大。 水輪發(fā)電機(jī)和低速同步電動(dòng)機(jī)的每極每相槽數(shù)q不是整數(shù)而是分?jǐn)?shù)，例如多采用q=b c/d。 分?jǐn)?shù)槽繞組。 分?jǐn)?shù)槽繞組表示分?jǐn)?shù)槽繞組的意思，如果使各個(gè)極對(duì)重合，則各自不同的極對(duì)下的齒和槽分別不重合。 槽與槽之間存在位移角。 位于各極對(duì)之下的各相導(dǎo)體的感應(yīng)電位必須進(jìn)行幾何學(xué)相加。分?jǐn)?shù)槽實(shí)現(xiàn)了極對(duì)極間的分布，分布繞組與槽和槽的分布以及短繞組實(shí)現(xiàn)了層和層的分布相似，起到了削弱諧波成分的作用。 在求分?jǐn)?shù)槽繞組的分布系數(shù)時(shí)，考慮極對(duì)和極對(duì)之間的分布。 將各極對(duì)重合成等效二極機(jī)，求出分布系數(shù)。同步電機(jī)銘牌、電機(jī)型號(hào)額定容量SN (VA、kVA、MVA等)或額定功率PN (W、kW、MW等) :指電

10、機(jī)輸出的保證值。 額定電壓(v、kV等) :額定時(shí)定子輸出接線電壓。 額定電流(a ) :額定運(yùn)行時(shí)定子的線電流。 額定功率率：額定運(yùn)行時(shí)輸出功率的功率因數(shù)。 額定頻率：額定運(yùn)行時(shí)電機(jī)電樞輸出端電能的頻率，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)頻率規(guī)定為50Hz。 額定轉(zhuǎn)速：額定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的馬達(dá)轉(zhuǎn)速，即同步轉(zhuǎn)速。 同步電機(jī)品牌還包括額定負(fù)載時(shí)的溫度上升、勵(lì)磁容量和勵(lì)磁電壓、定子線圈連接等其他運(yùn)行數(shù)據(jù)。 我國(guó)生產(chǎn)的汽車發(fā)電機(jī)有QFQ、QFN、QFS等系列。 前兩個(gè)字表示渦輪發(fā)電機(jī)，第三個(gè)字表示冷卻方式，q表示氫外冷，n表示氫內(nèi)冷，s表示二水內(nèi)冷。 系列： TS系列，t是同步，s是水車。 例： QFS-300-2表示容量為30

11、0MW的二水內(nèi)冷兩極渦輪發(fā)電機(jī)。 TSS1264/160-48表示二水內(nèi)冷水輪發(fā)電機(jī)，定子外徑為1264厘米，鐵芯長(zhǎng)度為160厘米，極數(shù)為48。 外同步馬達(dá)系列有TD、TDL等，TD表示同步馬達(dá)，后面的字母表示其主要用途。 如TDG所示，高速同步電動(dòng)機(jī)TDL表示立式同步電動(dòng)機(jī)。 同步補(bǔ)償機(jī)為TT系列。 思考題，為什么同步電機(jī)不能具有任意的轉(zhuǎn)速？渦輪發(fā)電機(jī)和水輪發(fā)電機(jī)在外形上區(qū)分怎么辦？ 定子電樞繞組配置的基本要求各相繞組感應(yīng)電位對(duì)稱、二、同步電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)、基本概念勵(lì)磁的要求勵(lì)磁方式幾個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)、概念、勵(lì)磁方式同步電機(jī)取直流勵(lì)磁電流的方式勵(lì)磁系統(tǒng)包括供給勵(lì)磁電流的系統(tǒng)整體、裝置和線路勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁

12、調(diào)整器(手動(dòng)、自動(dòng))減磁裝置， 對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的要求，正常運(yùn)行的供給勵(lì)磁電流為了維持端子電壓或電網(wǎng)的電壓值，根據(jù)負(fù)載狀況而變化，勵(lì)磁電流在系統(tǒng)電壓大幅下降時(shí)(例如短路故障等)，能夠強(qiáng)制勵(lì)磁而提高電位，在穩(wěn)定電壓突然降低負(fù)載時(shí)，例如水輪機(jī)對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的要求是，在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部發(fā)生短路故障時(shí)，能夠迅速減磁減磁，降低故障破損的程度。 對(duì)于兩臺(tái)以上并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，可以分組調(diào)整無(wú)功功率，合理分配無(wú)功功率。 其他：快速反映，運(yùn)行可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，損耗小，成本低，體積小等，強(qiáng)勵(lì)指標(biāo)，勵(lì)磁電流增幅勵(lì)磁電流增加速度，一般值，K=1.5-2，v=0.5-1.0，采用勵(lì)磁方式他勵(lì)法時(shí)，勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流稱為副勵(lì)磁機(jī)交流勵(lì)磁機(jī)靜

13、止整流勵(lì)磁，同軸上有3臺(tái)交流發(fā)電機(jī)，即主發(fā)電機(jī)、交流主勵(lì)磁機(jī)和交流副勵(lì)磁機(jī)。 副勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流開(kāi)始時(shí)由外部直流電源供給，電壓上升后變?yōu)樽约?也有采用永久磁鐵發(fā)電機(jī)的情況)。 副勵(lì)磁機(jī)的輸出電流由靜止晶閘管整流器整流后供給至主勵(lì)磁機(jī)，主勵(lì)磁機(jī)的交流輸出電流由靜止的三相橋式硅整流器整流后供給至主發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁線圈。小型同步發(fā)電機(jī)也可以采用自激式整流系統(tǒng)、交流勵(lì)磁機(jī)旋轉(zhuǎn)整流系統(tǒng)，靜止整流器的直流輸出必須經(jīng)由電刷和集電環(huán)傳送到旋轉(zhuǎn)的勵(lì)磁線圈。 在大容量同步發(fā)電機(jī)中，勵(lì)磁電流達(dá)到數(shù)千安培，集電環(huán)過(guò)熱。 大容量同步發(fā)電機(jī)經(jīng)常采用不需要刷子和集電環(huán)的旋轉(zhuǎn)整流器勵(lì)磁系統(tǒng)。 主勵(lì)磁機(jī)是旋轉(zhuǎn)電樞式三相同步發(fā)電機(jī)，

14、旋轉(zhuǎn)電樞的交流電流通過(guò)與主軸一起旋轉(zhuǎn)的硅整流器進(jìn)行整流，直接輸送到主發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁線圈。 交流主勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流由同軸的交流副勵(lì)磁機(jī)靜止的晶閘管整流器整流后供給。 通過(guò)這種勵(lì)磁系統(tǒng)，廢除了集電環(huán)和刷裝置的無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)。 三、同步電機(jī)的無(wú)負(fù)載運(yùn)行、無(wú)負(fù)載勢(shì)時(shí)空矢量無(wú)負(fù)載勢(shì)電壓波形失真、1、無(wú)負(fù)載和無(wú)負(fù)載勢(shì)、無(wú)負(fù)載運(yùn)行：原動(dòng)機(jī)使發(fā)電機(jī)以同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行，勵(lì)磁線圈通過(guò)適當(dāng)?shù)膭?lì)磁電流，電樞線圈沒(méi)有任何負(fù)載時(shí)。 空載運(yùn)行是同步發(fā)電機(jī)最簡(jiǎn)單的運(yùn)行方式，其氣隙磁場(chǎng)由轉(zhuǎn)子起磁力單獨(dú)建立，分析比較簡(jiǎn)單，1.1隱極同步電機(jī)的空載起磁力、勵(lì)磁繞組(分布繞組)嵌入轉(zhuǎn)子槽內(nèi)，沿轉(zhuǎn)子周圍的氣隙基本均勻。 激磁勢(shì)的空間分布呈

15、階梯狀，受齒槽的影響，氣隙磁密度呈波動(dòng)變化。 用高次諧波分析法可以求出的基波成分，通過(guò)合理選擇較大的齒寬，可以使氣隙磁密的分布接近正弦波。 只要沒(méi)有特別說(shuō)明，以后如果僅考慮磁通密度的基波成分，則1.2凸極同步電機(jī)的無(wú)負(fù)荷磁動(dòng)勢(shì)、勵(lì)磁繞組為集中繞組、磁動(dòng)勢(shì)波為矩形波，在凸極發(fā)電機(jī)中，由于固定轉(zhuǎn)子間的氣隙在電樞圓周整體上不均勻，所以極面下氣隙小，磁阻小在同一極面下，氣隙徑向的磁通密度分布近似于平頂帽形。 極片以外的氣隙磁通密度急速減少，相鄰兩極的中線上的磁通密度為零。 氣隙磁密用傅立葉高次諧波分析分解空間基波和一系列高次諧波。 感應(yīng)電位的波形和大小與氣隙磁密的分布形狀和振幅的大小密切相關(guān)。 在修訂

16、制造電動(dòng)機(jī)時(shí)，為了獲得盡可能接近正弦分布的氣隙磁密度，獲得高品質(zhì)的感應(yīng)電位，必須采取適當(dāng)?shù)拇胧?2同步電機(jī)中的時(shí)空間量是將繞組軸線作為空間矢量基準(zhǔn)軸(相軸)，使時(shí)相量基準(zhǔn)軸(時(shí)軸)和空間矢量基準(zhǔn)軸重合，將轉(zhuǎn)子繞組軸線、兩極間中心線、時(shí)相量繞組的感應(yīng)電位、電壓和電流、繞組鏈的磁通空間矢量磁力和磁通密度(經(jīng)時(shí)變化)設(shè)為無(wú)負(fù)載以及額定電流影響：危害用電氣設(shè)備(瞬時(shí)電壓值可大大超過(guò)額定電壓)、線路附加損耗、高頻輻射影響通信。 對(duì)策：氣隙磁密波形接近正弦波，定子采用分布和短距離繞組，三相y形接合法消除三次及其倍頻諧波。 四、對(duì)稱運(yùn)行時(shí)的電樞反應(yīng)、負(fù)荷后電動(dòng)勢(shì)分析、電樞反應(yīng)概念：內(nèi)力率角不同時(shí)的電樞反應(yīng)

17、分析、4.1負(fù)荷后(氣隙)電動(dòng)勢(shì)分析、無(wú)負(fù)荷時(shí)、以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的勵(lì)磁磁力Ff與軸相同旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)(稱為機(jī)械旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì))與位于電樞繞組的電樞繞組為三相電樞繞組中流過(guò)三相對(duì)稱的交流電流，形成以同步速度旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)、電樞磁勢(shì)Fa電樞旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)(稱為電旋轉(zhuǎn)磁勢(shì))。 兩個(gè)旋轉(zhuǎn)勢(shì)的轉(zhuǎn)速都是同步速度，導(dǎo)向一致，兩者處于在空間上相對(duì)靜止的狀態(tài)，矢量合成為一個(gè)合成勢(shì)。氣隙磁場(chǎng)是合成磁力在電動(dòng)機(jī)的氣隙中產(chǎn)生的磁場(chǎng)。 當(dāng)使發(fā)電機(jī)的負(fù)載同步時(shí)，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的電動(dòng)勢(shì)、磁場(chǎng)及線圈中感應(yīng)的電壓發(fā)生顯著變化，該變化主要是由于電樞電動(dòng)勢(shì)的出現(xiàn)。 電樞反應(yīng)，4.2內(nèi)力率角，說(shuō)明：時(shí)間相量Ia和空間矢量Fa的同向電樞磁力Fa的三相電流產(chǎn)生的合成磁力，如果哪個(gè)相電流達(dá)到最大值，則位于其繞組軸線上的a相電流Ia為Ia最大，則Ia在相軸上，此時(shí)Fa正好在交軸上，4.3=4. 2 0，cos1，sin0，不發(fā)出無(wú)效