Chpt_5[1].4__同步電機(jī)原理.ppt

5.4同步電機(jī)原理,5.4.1同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式,5.4.3同步電動(dòng)機(jī)的功率、轉(zhuǎn)矩和功角特性,5.4.5同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方法,20-1同步電機(jī),5.4.1同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式,同步電機(jī)多被用作發(fā)電機(jī)，當(dāng)今作為動(dòng)力用的強(qiáng)大電力幾乎全是由三相同步發(fā)電機(jī)發(fā)出的，因此它是各類發(fā)電廠的核心設(shè)備之一。同步電機(jī)也可以作電動(dòng)機(jī)使用，例如空氣壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、電力推進(jìn)裝置和電動(dòng)發(fā)電機(jī)組等。,所謂同步電機(jī)是指轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與定子電流的頻率f1滿足下面的方程式關(guān)系的交流電機(jī)，,20-2同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu),1.同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu),1）定子同步電機(jī)的定子，就其基本結(jié)構(gòu)來(lái)看，與異步電機(jī)的定子沒(méi)有多大區(qū)別，也是由定子鐵心、定子繞組以及機(jī)座、端蓋等附件組成。,2）轉(zhuǎn)子,同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子有兩種結(jié)構(gòu)形式：一種有明顯的磁極，稱為凸極式，如圖10-1a所示；另一種轉(zhuǎn)子為一個(gè)圓柱體，表面上開有槽，無(wú)明顯的磁極，稱為隱極式，,水輪發(fā)電機(jī),凸極式,汽輪發(fā)電機(jī),隱極式,轉(zhuǎn)速較低,轉(zhuǎn)速較高,20-3同步電機(jī)的勵(lì)磁電源,勵(lì)磁電源,同步電機(jī)的勵(lì)磁電源有兩種：一種是由勵(lì)磁機(jī)供電，另一種是由交流電源經(jīng)過(guò)整流而得到。,同步電機(jī)的物理模型,每臺(tái)同步電機(jī)應(yīng)配備一臺(tái)勵(lì)磁機(jī)或整流勵(lì)磁裝置，以便調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流。,20-4同步電機(jī)的工作原理,2.同步電機(jī)的工作原理,當(dāng)同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子在原動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)下達(dá)到同步轉(zhuǎn)速n1時(shí)，由于轉(zhuǎn)子繞組是由直流電流If勵(lì)磁，所以轉(zhuǎn)子繞組在氣隙中所建立的磁場(chǎng)相對(duì)于定子來(lái)說(shuō)是一個(gè)與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同，轉(zhuǎn)速大小相等的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)切割定子上開路的三相對(duì)稱繞組，在三相對(duì)稱繞組中產(chǎn)生三相對(duì)稱空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E0。若改變勵(lì)磁電流的大小則可相應(yīng)地改變感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，此時(shí)同步發(fā)電機(jī)處于空載運(yùn)行。,空載運(yùn)行（補(bǔ)償狀態(tài)）,20-5同步電機(jī)的負(fù)載運(yùn)行,當(dāng)同步發(fā)電機(jī)帶負(fù)載后，定子繞組構(gòu)成閉合回路，產(chǎn)生定子電流，該電流是三相對(duì)稱電流，因而要在氣隙中產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同，轉(zhuǎn)速大小相等的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。此時(shí)定、轉(zhuǎn)子間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)靜止，氣隙中的磁場(chǎng)是定、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的合成。由于氣隙中磁場(chǎng)的改變，定子繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小也將發(fā)生變化。,負(fù)載運(yùn)行,20-6同步電機(jī)的運(yùn)行方式,3.同步電機(jī)的運(yùn)行方式,發(fā)電機(jī)運(yùn)行方式：轉(zhuǎn)子主磁場(chǎng)超前定子合成磁場(chǎng)，原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)同步電機(jī)并勵(lì)磁時(shí)，電機(jī)從原動(dòng)機(jī)輸入機(jī)械功率，向電網(wǎng)輸出電功率。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方式：轉(zhuǎn)子主磁場(chǎng)滯后定子合成磁場(chǎng)，當(dāng)同步電機(jī)由電網(wǎng)供電并勵(lì)磁，拖動(dòng)機(jī)械負(fù)載時(shí)，從電網(wǎng)輸入電功率，在軸上輸出機(jī)械功率。,20-7同步電機(jī)的磁動(dòng)勢(shì),4.同步電動(dòng)機(jī)的磁動(dòng)勢(shì),電樞磁動(dòng)勢(shì)：當(dāng)定子三相對(duì)稱繞組連接到三相對(duì)稱電源上時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生三相合成旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，簡(jiǎn)稱電樞磁動(dòng)勢(shì)，用空間矢量Fa表示。設(shè)Fa的轉(zhuǎn)向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较?，轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速。勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)：在同步電動(dòng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，其轉(zhuǎn)子也是逆時(shí)針?lè)较蛞酝睫D(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。由直流勵(lì)磁電流If產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)稱為勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)，用Ff（或FO）表示，它也是一個(gè)空間矢量。這里規(guī)定兩個(gè)軸方向：轉(zhuǎn)子N極和S極的中心線稱為直軸或縱軸，簡(jiǎn)稱d軸；與直軸相距90空間電角度的方向稱為交軸或橫軸，簡(jiǎn)稱q軸。直軸和交軸隨轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)，,20-8同步電機(jī)的磁動(dòng)勢(shì),先考慮勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff單獨(dú)在電機(jī)主磁路中產(chǎn)生磁通時(shí)的情況。,勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff總是在直軸方向產(chǎn)生磁通。由勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff單獨(dú)產(chǎn)生的磁通叫勵(lì)磁磁通，用f表示。,20-9同步電機(jī)的磁動(dòng)勢(shì),Fa單獨(dú)在電機(jī)主磁路中產(chǎn)生磁通時(shí)的情況，則比勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff產(chǎn)生磁通時(shí)的情況復(fù)雜。下圖給出了計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果。,f經(jīng)過(guò)的磁路是以直軸為對(duì)稱的，下圖是其計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果。,20-10同步電機(jī)的磁動(dòng)勢(shì),凸極同步電動(dòng)機(jī)的雙反應(yīng)原理,20-11同步電機(jī)的磁動(dòng)勢(shì),直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)和交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)除了各自在主磁路中產(chǎn)生過(guò)氣隙的磁通外，還要分別在定子繞組里產(chǎn)生漏磁通。,由定子電流產(chǎn)生的電樞磁動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式為,將上式分解為d、q軸上的直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)和交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)：,考慮到關(guān)系式,把電樞電流按相量的關(guān)系分解成兩個(gè)分量，則有,20-12同步電機(jī)的電壓方程,5.同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程,1）凸極同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程勵(lì)磁磁通f，直軸磁通ad和交軸磁通aq，都以同步轉(zhuǎn)速逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，因此都要在定子繞組中產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)圖給出的同步電動(dòng)機(jī)定子繞組各電量正方向，可以列出A相回路的電壓方程,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、可以寫成,直軸電樞反應(yīng)電抗,交軸電樞反應(yīng)電抗,20-13同步電機(jī)的電壓方程,經(jīng)整理，得電壓方程,一般情況下，當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)容量較大時(shí)，可忽略電阻Rs，于是,直軸同步電抗,交軸同步電抗,定子漏抗,20-14同步電機(jī)的電壓方程,2）隱極同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程,對(duì)于隱極同步電動(dòng)機(jī)，由于氣隙均勻，因而直軸和交軸的同步電抗在數(shù)值上彼此相等，即有,同步電抗,這樣，可寫出隱極同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程為,20-15同步電機(jī)的功率關(guān)系,5.4.2同步電動(dòng)機(jī)的功率、轉(zhuǎn)矩和功（矩）角特性,1.功率關(guān)系,同步電動(dòng)機(jī)從電源吸收有功功率P1，在扣除消耗于定子繞組的銅損耗后，轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶殴β蔖em（即PM），即有,從電磁功率PM里再扣除鐵損耗和機(jī)械摩擦損耗后，得到輸出給負(fù)載的機(jī)械功率P2,其中，鐵損耗與機(jī)械損耗之和稱為空載損耗P0，即,根據(jù)上述分析，可以畫出同步電動(dòng)機(jī)的功率流程圖：,20-16同步電機(jī)的功角特性,2.電磁功率與功角特性,對(duì)于凸極同步電動(dòng)機(jī)，當(dāng)忽略定子繞組的電阻Rs時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)的電磁功率為,考慮到相量關(guān)系，于是,勵(lì)磁電磁功率1,凸極電磁功率2,20-17同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩,3.電磁轉(zhuǎn)矩與矩角特性,電磁轉(zhuǎn)矩的通用公式為,式中電機(jī)極對(duì)數(shù)；每極合成磁通；定子磁動(dòng)勢(shì)幅值；定子磁動(dòng)勢(shì)與合成磁動(dòng)勢(shì)間的夾角。,因?yàn)榭捎?根據(jù)功率與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，同樣可以導(dǎo)出電磁轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩平衡方程。與異步電動(dòng)機(jī)一樣，電磁轉(zhuǎn)矩Te等于電磁功率Pem與電機(jī)角速度之比，但對(duì)于同步電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速即為同步轉(zhuǎn)速，因此,20-18同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩,同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程,電磁轉(zhuǎn)矩還可表示為,功角特性表達(dá)式與矩角特