1、电机学电机学Electric Machinery（第（第6章章 同步电机）同步电机）26.1 同步电机的工作原理及结构特点同步电机的工作原理及结构特点 同步电机的特点与用途同步电机的特点与用途 同步电机的结构形式同步电机的结构形式 同步电机的冷却方式同步电机的冷却方式 同步电机的额定值同步电机的额定值 同步电机的励磁方式同步电机的励磁方式3同步电机的特点与用途同步电机的特点与用途同步电机与异步电机的根本区别：旋转的转子通入直流电流励磁同步电机的运行特点：是转子的旋转速度必须与定子磁场的旋转速度严格同步。同步电机主要用途：发电机。此外还可作为调相机，补偿电网中的无功功率。SNneaebecIf4
2、同步电机的结构形式同步电机的结构形式 同步电机有旋转电枢式和旋转磁极式两种结构。一般多采用旋转磁极式结构，根据磁极形状可分为隐极和凸极两种型式。凸极同步电机气隙不均匀，适合于中速或低速旋转场合 隐极同步电机在不考虑齿槽效应时，气隙均匀，适合于 高速旋转场合5隐极同步电机结构实物图隐极同步电机结构实物图大型汽轮发电机定子铁心槽汽轮发电机完工后的定子汽轮发电机转子加工6凸极同步电机凸极同步电机 凸极同步电机转子由磁极、励磁线圈、磁轭和阻尼绕组等部分构成。凸极同步电机的定子结构与隐极同步电机或异步电机的基本相同，所不同的只是转子结构。7凸极同步电机凸极同步电机结构实物图结构实物图带阻尼绕组的凸极同步
3、电机转子水轮发电机定子分段铁心8三、三、同步电机的励磁方式同步电机的励磁方式 同步电机运行时，必须在励磁绕组中通入直流电流，建立励磁磁场。将供给励磁电流的整个装置称为励磁系统。直流发电机励磁系统 静止式交流整流励磁系统 旋转式交流整流励磁系统9四、四、同步电机的冷却方式同步电机的冷却方式 随着单机容量的不断提高，大型同步电机的发热和冷却问题日趋严重，冷却方式也不断改进。同步电机的冷却方式主要有以下几种。空气冷却 氢气冷却 水冷却 超导发电机10五、同步电机的额定值五、同步电机的额定值额定电压UN：电机额定运行时定子的线电压（V或kV）额定电流IN：电机额定运行时定子的线电流（A）额定功率因数
4、：电机额定运行时的功率因数额定效率N：电机额定运行时的效率额定频率f(Hz)额定励磁电流IfN(A)额定励磁电压UfN(V)额定功率PN：电机额定运行时的输出功率（kW或MW）对发电机为额定输出有功电功率 对电动机是轴上输出的额定机械功率NNNNIUPcos3NNNNNIUPcos3Ncos额定转速nN：电机额定运行时的转速116.2 同步电机的运行原理同步电机的运行原理 同步发电机空载运行同步发电机空载运行 同步电机的电枢反应同步电机的电枢反应 隐极同步发电机的负载运行隐极同步发电机的负载运行 凸极同步发电机的负载运行凸极同步发电机的负载运行12一、同步发电机空载运行一、同步发电机空载运行同
5、步发电机空载运行是指同步发电机被原动机拖动到同步转速，转子励磁绕组通入直流励磁电流而定子绕组开路时的运行工况。131.空载感应电动势的大小与频率空载感应电动势的大小与频率基波电动势：E0=4.44fNkN10fIfFn速旋转主磁通0漏磁通f定子感应电势定子感应电势 eabcn感应电势感应电势励磁电流磁动势142.空载电动势与励磁电流的关系空载电动势与励磁电流的关系电机磁路的饱和系数oadhaback00E)()(00ffIfFfE当转子以恒定转速n旋转时，)(0fFf为磁路的磁化特性与曲线相似(成比例)153.相位关系相位关系若转子以恒定速度旋转，取转子与某相相轴相交时作参考，1fF励磁电流
6、If磁动势 Ff (基波分量)随转子旋转角速度相相轴轴直轴直轴(d 轴轴)o00E时时轴轴1fF1fB与定子某相交链磁通不计磁滞效应11ffBF、选取相轴为时轴0n用空间矢量 表示同相位感应电动势0E可以用时间向量表示为0016二、二、同步电机的电枢反应同步电机的电枢反应IfFf随转子旋转转速为 n基波)(1nFfE0（）60pnf 接三相对称负载三相对称电流 iabc(f)旋转磁势基波(电枢磁势)aFfFaF与在空间相对静止，联合建立气隙磁场 B电枢绕组感应电动势 E 电枢反应电枢反应：电枢电流产生的磁动势对励磁磁场的影响1.定义定义172.电枢反应的性质电枢反应的性质 当取任一相绕组轴线作
7、为时间参考轴，设三相对称负载时，相电流 I 滞后于 相角 。若在t0时，转子励磁磁动势正向轴线（d轴）超前参考相轴线 90o（电角度），则各时空矢量如图所示。根据交流电机绕组理论磁动势原理，电枢三相电流产生的合成旋转磁动势基波矢量 与 重合。aFaFaFf1FI0E18(1)=0o时(负载为纯阻性)Fa=Faq,与Ff1正交，为交磁性质I(2)=90o时(负载为纯感性)Fa=Fad,与Ff1反向，为去磁性质II19(3)0 90o时(负载为感性)FaFad，与Ff1反向，去磁性质Faq，与Ff1正交，交磁性质IadIa qI(4)90o Xq,Id IqmaxdminUXIminqmaxUXI
8、因为此时外加电压U 很小，磁路不饱和，此法测得的Xd、Xq为不饱和值。39 投入并联的条件和方法投入并联的条件和方法 功率和转矩平衡方程功率和转矩平衡方程 功角特性功角特性 有功功率调节与静态特性有功功率调节与静态特性 无功功率调节与无功功率调节与V V形曲线形曲线6.4 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行40一、投入并联的条件和方法一、投入并联的条件和方法(1)波形相同(2)频率相同(3)幅值相同(4)相位相同(5)相序相同1.并联条件并联条件发电机端电压与电网电压满足以下条件：41准确同步法直接接法接线图向量图直接接法：电机各端与电网同相端对应，三灯泡同时亮、暗，当灯泡亮、暗频率很低
9、并且灯泡变暗的瞬间为合闸的最佳时机。2.并联方法并联方法42接线图向量图准确同步法交叉接法交叉接法：一相灯泡同端连接，另外两组交叉连接，三组灯泡依次亮、暗，当三组灯泡亮度旋转速度很慢且第一组灯泡变暗的瞬间为合闸的最佳时机。43二、同步发电机的功率和转矩平衡方程二、同步发电机的功率和转矩平衡方程原动机nP1P21.功率平衡方程功率平衡方程121()emmecFeademCuPPpppPPp2210coscos()emcuadqdqPPPmUImI RmE ImI IXX对于隐极同步发电机：0cosdqemXXPmE I1PemPmecpFepadp213C uap IR2P4410 emTTT1
10、0emPpP两边除以机械角速度0mecFeadpppp空载损耗：驱动转矩空载转矩电磁转矩则：2.转矩平衡方程转矩平衡方程45忽略定子电阻时，2coscos()emPPmUImUIcossinqdmUImUIsinqqUIX0(cos)ddEUIXsinqqUX I0cosddEUI X2011sin()sin22emdqdmE UmUPXXX因为 ，所以可以忽略漏抗压降，从图中可以看出 ，称为功率角qdXXXi三、功角特性三、功角特性462011sin()sin22emdqdmE UmUPXXX隐极同步发电机功角特性0sinemtmE UPX功角特性简化为隐极电机,tqdXXX0sinemtE
11、 UPX基本电磁功率附加电磁功率（磁阻功率）用标么值表示为：三、功角特性三、功角特性47凸极同步发电机功角特性凸极电机功角特性的一般化表达式2011sin()sin22emdqdmE UmUPXXX基本电磁功率附加电磁功率2011sin()sin22emdqdE UUPXXX用标么值表示为：三、功角特性三、功角特性48 为分析简便，以下都以隐极电机为例，并且不计饱和影响，忽略电枢电阻，视电网为“无穷大电网”，即 U 和 f 保持恒定。要增加发电机输出功率(有功功率)，就必须增加原动机输入功率，使功率角增大。当角增至90，输出电磁功率达最大值Pemmax时，若继续增加输入功率，则输入和输出之间的
12、平衡关系被破坏，致使电机转子不断加速并最终失步。Pemmax四、有功功率调节与静态特性四、有功功率调节与静态特性1.有功功率调节有功功率调节49假设电机原工作于A点，当某种微小扰动使输入有效功率增加PT时，电机将平衡于B点，相应的电磁功率也增加PT。当扰动消失后，电磁功率大于输入有效功率，起制动作用，转子减速，电机最后回到A平衡点。同理，可以分析出如果电机起始工作于C点，当有微小扰动时，电机无法稳定工作。2.静态稳定静态稳定50稳定运行区域：。对隐极电机稳定运行区域为90/0emdPd 当电网或原动机偶然发生微小扰动时，若在扰动消失后发电机能自行回复到原运行状态稳定运行，则称发电机是静态稳定的
13、；反之，就是不稳定的。2.静态稳定静态稳定51过载能力 kM：最大电磁功率与额定功率之比/synsynTP0cosemsyntdPE UPmdXcos0tsynXUEmT2011cos()cos2syndqdE UPmmUXXX2cos)11(cos20dqdsynXXUmXUEmT整步功率系数ddPPemsyn其值越大，表明保持同步的能力越高，发电机的性能越好整步转矩系数隐极电机凸极电机520sinemtmE UPX 常数2cosPmUI 常数由图可以看出，E0的末端轨迹在直线CD上移动，I的末端轨迹在直线AB上移动。0sinE 常数cosI 常数02sincosemtEPPIX又，故常数五
14、、无功功率调节与五、无功功率调节与V形曲线形曲线1.无功功率调节无功功率调节以隐极电机为例，忽略电枢电阻，输出有功功率恒定53 当调节励磁电流 If 时，E0 变化，若cos=1，则I 最小，若If 增加，则E0增加，I增加，滞后；若If 减小，则E0 减小，I增加，超前。由上述关系得到 I=f(If)的曲线称为同步电动机的V形曲线。Imin2.V形曲线形曲线 在不同的负载条件下，可以得到不同的V形曲线。546.5 同步电动机和调相机同步电动机和调相机 基本电磁关系 同步电动机的无功功率调节 同步电动机的起动和调速方法 同步调相机的原理和特点55从发电机状态过渡到电动机状态过程：1.发电机状态
15、：发电机状态：转子主极轴线沿转向超前于气隙合成磁场轴线，电磁转矩为制动性质。原动机输入机械转矩克服电磁转矩，将机械能转变为电能。一、基本电磁关系一、基本电磁关系 56 2.空载状态：空载状态：逐步减少原动机输入功率，使转子瞬时减速，角和电磁功率相应减小。当角减至零时，发电机变为空载，其输入功率正好抵偿空载损耗。57 3.电动机状态：电动机状态：主极磁场落后于气隙合成磁场，电磁转矩为驱动性质，电机进入电动机运行状态，将电网输入的电能转换成机械能。58电动势平衡方程与向量图隐极机凸极机59功角特性注意：电动机惯例注意：电动机惯例 U 超前与超前与 E0 时，功角为正。时，功角为正。功率平衡方程20
16、2011sinsin2211sinsin22emdqdemdqdE UUPmmXXXE UUTmmXXX112CuememmecFeadPpPPpppP60二、无功功率调节二、无功功率调节(电动机）电动机）电动机并在恒压电网上运行时，若P2恒定，且忽略电枢电阻损耗。常数cossin10mUIPXUmEPtem即常数sin0E常数cosI1.矢量图矢量图61 同步电动机输出有功功率P2恒定，改变励磁电流可以调节其无功功率“正常”励磁时功率因数cos =1，电枢电流全部为有功电流，故数值最小 励磁电流小于正常励磁值(欠励)时，电动机功率因数cos 滞后，同步电动机相当于感性负载，要从电网吸取滞后无
17、功 励磁电流大于正常励磁值(过励)时，电动机功率因数cos 超前，同步电动机相当于容性负载，要从电网吸取超前无功2.特点特点62同步电动机的V形曲线I=f(If)：同步电动机在有功功率恒定、励磁电流变化时，电枢电流随励磁电流变化的曲线在欠励区，励磁电流减小到一定数值时，电动机将失步，不能稳定运行（原因）利用同步电动机功率因数可调的特点，让其工作于过励状态，从电网吸收容性无功，可以改善电网的无功平衡状况，从而提高电网的功率因数和运行性能及效益。改变励磁可以调节电动机的功率因数3.V形曲线形曲线63三、起动与调速三、起动与调速1.起动方法起动方法同步电动机不能自起动，必须借助其它起动方法原因：定子
18、旋转磁场将以同步转速相对于转子磁场运动，转子上承受的是交变的脉振转矩，平均值为零。常用起动方法 辅助电动机起动 变频起动 异步起动64*各种同步电动机的性能要求各种同步电动机的性能要求用途用途最大转矩最大转矩额定倍数额定倍数全压启动时全压启动时起动转矩起动转矩额定倍数额定倍数牵入转矩牵入转矩额定倍数额定倍数起动电流起动电流额定倍数额定倍数大型立式水大型立式水泵泵1.80.41.06大型球磨机大型球磨机 2.01.71.90.97大型轧钢机大型轧钢机 2.80.50.77鼓风机鼓风机2.02.821.067大型压缩机大型压缩机1.80.60.56.5652.同步电动机调速同步电动机调速 随着电力
19、电子技术和计算机控制技术的发展，用同步电动机、特别是特种同步电动机(如永磁式同步电动机、磁阻式同步电动机、开关磁阻式同步电动机等)构成高品质交流变速传动系统已成为调速研究领域的主要发展趋势。同步电动机通常应用于不需要调速的场合，少数情况下(如风机、水泵的节能运行)，需要两至三种转速，也都用变极方式实现。66四、调相机四、调相机 2.用途：用途：在适当地点装上调相机，就地补偿负载所需的感性无功功率，即吸收容性无功、发出感性无功，就能显著提高电力系统的经济性与供电质量。1.原理：原理：利用不带机械负载的同步电动机改变励磁可以调节功率因数的原理，并联运行于电网上提供感性无功功率，提高功率因数，降低线路压降和损耗，提高发电设备的利用率和效率。673.特点特点若输出有功功率为零（忽略调相机本身的损耗），过励时，电流超前电压90；欠励时，电流滞后电压90电力系统在大多数情况下呈感性，故调相机通常都是在过励状态下运行，作为无功功率电源，提供感性无功，改善电网功率因数，保持电网电压稳定只要调节励磁电流，就能灵活地调节无功功率的性质和大小
