电机与拖动第5章同步电机课件.ppt

1、 1 按结构形式分类：按结构形式分类：旋转磁极式、旋转电枢式。旋转磁极式、旋转电枢式。旋转磁极式：旋转磁极式：隐极式、凸极式。隐极式、凸极式。汽轮发电机的定子汽轮发电机的定子 水轮发电机的定子水轮发电机的定子 火力发电机组火力发电机组 水电站机组安装水电站机组安装 大连理工大学电气工程学院 刘凤春制作5 小型直流发电机发电励磁。小型直流发电机发电励磁。交流励磁机交流励磁机整流整流直流电。直流电。交流励磁机交流励磁机整流整流励磁绕组。励磁绕组。整流装置与发电机同轴，省了电刷集电环。整流装置与发电机同轴，省了电刷集电环。全空冷却、全氢冷却、水氢氢冷却、全空冷却、全氢冷却、水氢氢冷却、双水内冷、全水

2、冷。双水内冷、全水冷。全空冷却、半水内冷、蒸发冷却。全空冷却、半水内冷、蒸发冷却。冷却部位：定子绕组、转子绕组、定子铁心。冷却部位：定子绕组、转子绕组、定子铁心。7 能量转换的方式不同：能量转换的方式不同：同步发动机、同步电动机。同步发动机、同步电动机。旋转电枢式、旋转磁极式。旋转电枢式、旋转磁极式。旋转磁极式：隐极式、凸极式。旋转磁极式：隐极式、凸极式。安安 装装 方方 式：卧式、立式。式：卧式、立式。空气冷却、氢气冷却、水冷却和混合冷却等。空气冷却、氢气冷却、水冷却和混合冷却等。NNNNcos3 IUP 1.额定容量额定容量 SN或额定功率或额定功率 PN2.额定电压额定电压 UN 中小功

3、率：中小功率：230V、400V、3150V；中大功率：中大功率：6.3kV、10.5kV、13.8kV、18kV、20kV等等 3.额定电流额定电流 IN 4.额定功率因数额定功率因数 cos N 5.额定频率额定频率 fN 6.额定转速额定转速 nN 另外：另外：UfN、IfN、N 等。等。三相同步三相同步 G：三相同步三相同步 M：NNNNNcos3 IUP E0 的频率：的频率：如果如果 f1=50Hz，则则 pn=3000 601pnf 转子转速：转子转速：pfnn1160 11 电枢电流电枢电流 I1为零或者很小，为零或者很小，Fa=0。气隙磁动势气隙磁动势 F=F0 。转子每极磁

4、通：转子每极磁通：0 励磁电动势：励磁电动势：空载特性空载特性 E0=f(If)E0=4.44 f1 kw1 N1 0 00U0EE 1200V0EE 1200W0EE01110j4.44 NkfEw 12 (a)磁动势矢量磁动势矢量 (b)相矢量图相矢量图 i1 产生的是交轴电枢磁动势产生的是交轴电枢磁动势 F Fa=F Faq。(a)磁动势矢量磁动势矢量 (b)相矢量图相矢量图 i1 产生的是直轴电枢磁动势：产生的是直轴电枢磁动势：F Fa=F Fad。F Fad 产生直轴电枢反应（去磁性）。产生直轴电枢反应（去磁性）。(a)磁动势矢量磁动势矢量 (b)相矢量图相矢量图 i1 产生的电枢磁

5、动势：产生的电枢磁动势：F Fa=F FadF Faq。F Fa 同时产生交、直轴电枢反应。同时产生交、直轴电枢反应。结论（对于同步发电机）：结论（对于同步发电机）：交轴电枢反应使气隙磁场发生畸变，交轴电枢反应使气隙磁场发生畸变，始终始终 超前于超前于，即主极磁场超前于气隙合成磁场，即主极磁场超前于气隙合成磁场，使主磁极始终受到一个制动性质的使主磁极始终受到一个制动性质的 的作用，的作用，原动机克服该制动转矩而做功，从而实现了原动机克服该制动转矩而做功，从而实现了 机械能到电能的转换。机械能到电能的转换。直轴电枢反应产生去磁或增磁作用，对同步直轴电枢反应产生去磁或增磁作用，对同步 电机的运行性

6、能影响很大。电机的运行性能影响很大。电动机运行电动机运行 同步电机的运行状态取决于转子主极磁场与气隙同步电机的运行状态取决于转子主极磁场与气隙 合成磁场的相对位置。合成磁场的相对位置。功率角功率角 的大小的大小决定了决定了转换转换功率的大小。功率的大小。发电机运行发电机运行 空载状态空载状态（补偿机运行）（补偿机运行）电磁关系电磁关系(不计磁路饱和不计磁路饱和)：a01EEE 11a01IREEEU Xa 电枢反应电抗。电枢反应电抗。Xs=XaX 同步电抗。同步电抗。因为因为 Ea a 则则 Fa I1，忽略忽略 R1，则，则 1aajIXE 1s101a101jjIXREIXXREU 1jI

7、XE 1s01jIXEU 设：设：，负载为电感性。，负载为电感性。1s101jIXREU (1)根据根据 1s01jIXEU (2)根据根据 011UU 凸极电机的特点：凸极电机的特点：气隙不均匀。气隙不均匀。Fa 作用在不同位置作用在不同位置，产生不同的产生不同的 a，对应不同的，对应不同的 Xa。F Fa=F FadF Faq qd1III cossin1q1dIIII电磁关系电磁关系(不计磁路饱和不计磁路饱和)：因为因为 Ead ad Fad Id Eaq aq Faq Iq E Fa I1 aqad01EEEE 11aqad01IREEEEU Xad 直轴电枢反应电抗；直轴电枢反应电抗

8、；Xaq 交轴电枢反应电抗；交轴电枢反应电抗；X 电枢漏电抗。电枢漏电抗。Xd=Xad+X 直轴同步电抗。直轴同步电抗。Xq=Xaq+X 交轴同步电抗。交轴同步电抗。忽略忽略 R1：1qaqaqdadadjjjIXEIXEIXEqqdd1101jjIXIXIREU qqdd01jjIXIXEU 设虚拟电动势：设虚拟电动势：由相量图可知：由相量图可知：eQ 与与 e0同相位。同相位。dqd0QjIXXEE dqdqqdd11dqd01jjjjIXXIXIXIRIXXEU qdq11QjIIXIRE 1q11QjIXIRE 1q1Q1jIXREU 由相量图的几何关系得：由相量图的几何关系得：(为负

9、载的功率因数角，为负载的功率因数角，计算时取绝对值计算时取绝对值)1111q1cossintanIRUIXU P1=T1 1 P0=PfwPadPfe Pe=P1P0 PCu=3R1I12 P2=PePCu P2=3U1I1cos P1=P0Pe =PfwPadPFePCuP2 Pe=P2PCu =3U1I1cos 3R1I12=3(U1cos R1I1)I1 E0 cos =U1cos R1I1 Pe=3E0 I1cos =3E0 Iq若忽略若忽略 R1，则，则 U1sin =XsI1cos 故故 当当=90o 时：时：Pe=Pem 可得：可得：Pe=3EQ I1cos =3EQ Iq Pe

10、=3(U1cos R1I1)I1 若忽略若忽略 R1，根据相量图可得：，根据相量图可得：U1sin =XqI1cos XdId=E0U1cos EQ=E0(XdXq)Id 整理，得整理，得 Pe1 E0，当转子有励磁，当转子有励磁即即 If 0 时存在。时存在。Pe2 是由于是由于 Xd Xq 而引起的，而引起的，与与 If 是否存在无关。是否存在无关。sin3d10e1XUEP sin21123dq21e2 XXUPT1=TeT0 指在指在 n、If 和和 U1 为常数时，为常数时，Te 与与 的关系的关系 Te=f()。111PT 000PT 1eePT (1)隐极同步发电机的矩角特性隐极

11、同步发电机的矩角特性 (2)凸极同步发电机的矩角特性凸极同步发电机的矩角特性 隐极同步发电机可看成凸极同步发电机的特例：隐极同步发电机可看成凸极同步发电机的特例：即当即当 Xd=Xq=Xs 的特例。的特例。=Te1 Te2 sin31s10eXUET sin21123sin3dq1211d10e XXUXUET 磁阻转矩的产生原理磁阻转矩的产生原理 =0,Te=0任意任意 ，Te2=0 当当 n=nN，If、cos =常数时：常数时：U1L=f(I1L)。额定励磁电流额定励磁电流 IfN 在在 nN、cos N 时，时，调节调节 If，使，使 I1L=IN、U1L=UN 时的时的 If=IfN

12、。在在 nN、UN、cos =常数时：常数时：If=f(I1)电压调整率电压调整率VR (在在 nN、cos N、IfN 时时)%1003NN0R UUEV%100NPNP0R UUEV%10012 PPP N=94%98.5%；氢冷时，氢冷时，N 增加约增加约 1%。IF 如果相序不一致，则如果相序不一致，则 0U U WVVUUU VWWUUU 若不一致，相当于在电网端点若不一致，相当于在电网端点加上一组负序电压，加上一组负序电压，这是一种严重的故障情况。这是一种严重的故障情况。新机组需要校验相序。新机组需要校验相序。如果：如果：对应相量之间的相位差在对应相量之间的相位差在 0o 360o

13、 之间变化。之间变化。对应相量的差值不断地在对应相量的差值不断地在 0 2U1 之间变化。之间变化。频率相差越大，这个变化的速度就越快。频率相差越大，这个变化的速度就越快。若若 Q 合闸，必定要产生冲击电流和冲击转矩。合闸，必定要产生冲击电流和冲击转矩。11 电压相等指相量相等（电压相等指相量相等（相位相同和有效值相等相位相同和有效值相等）。）。如果如果 若若 Q 合闸，必定要产生冲击电流和冲击转矩。合闸，必定要产生冲击电流和冲击转矩。关于相序：关于相序：转向及绕组相序已标明；或用相序指示器判断。转向及绕组相序已标明；或用相序指示器判断。关于空载端电压：关于空载端电压：调节调节 If 调节调节

14、 E0；调节瞬时速度；调节瞬时速度改变相位。改变相位。关于频率：关于频率：调节调节 n 调节调节 f 。WWVVUUUUUUUU ，把把 G 调整到完全符合并网条件时，才投入电网。调整到完全符合并网条件时，才投入电网。手续繁琐，费时较多。手续繁琐，费时较多。相序一致时，励磁绕组通过相序一致时，励磁绕组通过 R 短接；将短接；将 G 拖到拖到 接近接近 n1 即可并网；即可并网；施加施加 If，依靠定转子间形成的，依靠定转子间形成的 Te将转子牵入同步。将转子牵入同步。会产生一定的冲击电流和冲击转矩。会产生一定的冲击电流和冲击转矩。发电机并网运行时：发电机并网运行时：可调节量只有两个：可调节量只

15、有两个：T1、If。并网时，使励磁电动势等于电网端电压，并网时，使励磁电动势等于电网端电压，即即 E0=U1，=0 调节：调节：T1 T1T0n 产生产生 Te、Pe、I1、P2 稳定运行范围：稳定运行范围：0dde P隐极机：隐极机：N=30o 40o 凸极机：凸极机：N=20o 30o 额定功率角：额定功率角：1.发电机并联在无穷大电网上。发电机并联在无穷大电网上。忽略忽略 R1 和和 T0，并且不计磁路饱和的影响。，并且不计磁路饱和的影响。假设调节假设调节 If 时，输入时，输入 P1 保持不变。保持不变。=3U1I1cos =常数常数即即 E0 sin =常数常数 I1cos =常数常

16、数 (2)过励磁过励磁(IfIf0)If E0 。Q2 0；If Q2 。(3)欠励磁欠励磁(IfIf0)If E0 。Q2 0；If|Q2|。E0 sin =常数常数 I1cos =常数常数 (1)正常励磁正常励磁 当当If=If0 时，时，=0，cos =1，Q2=0。调节调节 If 可调节同步发电机输出的无功功率。可调节同步发电机输出的无功功率。结论：结论：I1=f(If)11aqad01IREEEEU 1q1Q1jIXREU qqdd1101jjIXIXIREU (1)输入功率（不计输入功率（不计 Pf）P1=3U1I1cos =PCuPe(2)电枢铜损耗电枢铜损耗 PCu=3R1I1

17、2(3)电磁功率电磁功率 Pe=P1PCu =3EQ I1cos (4)空载损耗空载损耗 P0=PFePfwPad (5)输出功率输出功率 P2=PeP0(6)功率关系功率关系 P1=PCuP0 P2(1)转矩平衡关系转矩平衡关系 T2=TeT0 (2)电磁转矩电磁转矩 (3)空载转矩空载转矩(4)输出转矩输出转矩 01202eTPTTT 当当 U1L=UN，f1=fN，If=IfN 时：时：I1=f(P2)、Te=f(P2)、cos =f(P2)、=f(P2)。空载时：空载时：I1=I0，Te=T0 分析：分析：以隐极以隐极 M 为例，并忽略为例，并忽略 R1 和和 T0。E0 sin =常

18、数，常数，I1cos =常数（有功分量）常数（有功分量）正常励磁正常励磁(If=If0)cos =1，M 呈电阻性。呈电阻性。欠励磁欠励磁(IfIf0)0，M 呈感性。呈感性。If 感性程度感性程度 。过励磁过励磁(IfIf0)0，M 呈容性。呈容性。If|容性程度容性程度 。专门用于改善电网功率因数、不带任何机械负专门用于改善电网功率因数、不带任何机械负 载的同步电机。载的同步电机。过励时，对电网呈现电容性，等效于一组电容器；过励时，对电网呈现电容性，等效于一组电容器；欠励时，对电网呈现电感性，等效于一组电感器。欠励时，对电网呈现电感性，等效于一组电感器。同步补偿机可以看成是空载运行的同步电动机。同步补偿机可以看成是空载运行的同步电动机。同步补偿机的使用方法同步补偿机的使用方法 在电网的受电端在电网的受电端(配电变压器的二次侧配电变压器的二次侧)进行补偿；进行补偿；在供电线路的中间段进行补偿在供电线路的中间段进行补偿；利用发电厂本身的发电机作同步补偿。利用发电厂本身的发电机作同步补偿。