Chpt514同步電機原理PPT課件

1、步電機原理 5.4.5.4.1 1 同步電機的結構和運行方式 5 5. .4.4.3 3 同步電動機的功率、轉矩和功角特性 . .5 5 同步電動機的啟動方法20-1同步電機第1頁/共20頁5.4.1 同步電機的結構和運行方式l同步電機多被用作發(fā)電機，當今作為動力用的強大電力幾乎同步電機多被用作發(fā)電機，當今作為動力用的強大電力幾乎全是由三相同步發(fā)電機發(fā)出的，因此它是各類發(fā)電廠的核心設全是由三相同步發(fā)電機發(fā)出的，因此它是各類發(fā)電廠的核心設備之一。備之一。l同步電機也可以作電動機使用，例如空氣壓縮機、鼓風機、同步電機也可以作電動機使用，例如空氣壓縮機、鼓風機、電力推進裝置和電動發(fā)電機組等。電力推進

2、裝置和電動發(fā)電機組等。l所謂所謂同步電機同步電機是指是指轉子轉速轉子轉速n與定子電流的頻率與定子電流的頻率f1滿足下面的滿足下面的方程式關系的交流電機，方程式關系的交流電機，pnfnn106020-2同步電機的基本結構第2頁/共20頁1. 同步電機的基本結構1）定子同步電機的定子，就其基本結構來看，與異步電機的定子沒有同步電機的定子，就其基本結構來看，與異步電機的定子沒有多大區(qū)別，也是由定子鐵心、定子繞組以及機座、端蓋等附多大區(qū)別，也是由定子鐵心、定子繞組以及機座、端蓋等附件組成。件組成。凸極式隱極式2） 轉子同步電機的轉子有同步電機的轉子有兩種結構形式兩種結構形式：一種有明顯的磁極，稱為：一

3、種有明顯的磁極，稱為凸極凸極式式，如圖，如圖10-1a10-1a所示；另一種轉子為一個圓柱體，表面上開有槽，所示；另一種轉子為一個圓柱體，表面上開有槽，無明顯的磁極，稱為無明顯的磁極，稱為隱極式隱極式，水輪發(fā)電機 凸極式汽輪發(fā)電機 隱極式轉速較低 轉速較高20-3同步電機的勵磁電源第3頁/共20頁勵磁電源l同步電機的勵磁電源有兩種：一種是由勵磁機供電，另一種同步電機的勵磁電源有兩種：一種是由勵磁機供電，另一種是由交流電源經過整流而得到。是由交流電源經過整流而得到。 同步電機的物理模型l 每臺同步電機應配備每臺同步電機應配備一臺勵磁機或整流勵一臺勵磁機或整流勵磁裝置，以便調節(jié)勵磁裝置，以便調節(jié)勵

4、磁電流。磁電流。 20-4同步電機的工作原理第4頁/共20頁2. 同步電機的工作原理l當同步發(fā)電機的轉子在原動機的當同步發(fā)電機的轉子在原動機的拖動下達到同步轉速拖動下達到同步轉速n n1 1時，由于轉時，由于轉子繞組是由子繞組是由直流電流直流電流I If f 勵磁勵磁，l 所以轉子繞組在氣隙中所建立的所以轉子繞組在氣隙中所建立的磁場相對于定子來說是一個與轉子磁場相對于定子來說是一個與轉子旋轉方向相同，轉速大小相等的旋旋轉方向相同，轉速大小相等的旋轉磁場。轉磁場。l該磁場切割定子上開路的三相對該磁場切割定子上開路的三相對稱繞組，稱繞組， 在三相對稱繞組中產生三在三相對稱繞組中產生三相對稱空載感應

5、電動勢相對稱空載感應電動勢E E0 0 。l若改變勵磁電流的大小則可相應若改變勵磁電流的大小則可相應地改變感應電動勢的大小，此時同地改變感應電動勢的大小，此時同步發(fā)電機處于空載運行。步發(fā)電機處于空載運行?？蛰d運行（補償狀態(tài)）空載運行（補償狀態(tài)）20-5同步電機的負載運行第5頁/共20頁l當同步發(fā)電機帶當同步發(fā)電機帶負載負載后，定子后，定子繞組構成閉合回路，產生定子繞組構成閉合回路，產生定子電流，該電流是三相對稱電流，電流，該電流是三相對稱電流，因而要在氣隙中產生與轉子旋因而要在氣隙中產生與轉子旋轉方向相同，轉速大小相等的轉方向相同，轉速大小相等的旋轉磁場。旋轉磁場。l此時定、轉子間旋轉磁場相對

6、此時定、轉子間旋轉磁場相對靜止，氣隙中的磁場是定、轉靜止，氣隙中的磁場是定、轉子旋轉磁場的合成。子旋轉磁場的合成。l由于氣隙中磁場的改變，定子由于氣隙中磁場的改變，定子繞組中感應電動勢的大小也將繞組中感應電動勢的大小也將發(fā)生變化。發(fā)生變化。負負載運行載運行20-6同步電機的運行方式第6頁/共20頁3. 同步電機的運行方式l發(fā)電機運行方式：發(fā)電機運行方式：轉子主磁場超前定子合成磁場，原動機拖動同步電轉子主磁場超前定子合成磁場，原動機拖動同步電機并勵磁時，電機從原動機輸入機械功率，向電網輸出電功率。機并勵磁時，電機從原動機輸入機械功率，向電網輸出電功率。l電動機運行方式：電動機運行方式：轉子主磁場

7、滯后定子合成磁場，當同步電機由電網轉子主磁場滯后定子合成磁場，當同步電機由電網供電并勵磁，拖動機械負載時，從電網輸入電功率，在軸上輸出機械供電并勵磁，拖動機械負載時，從電網輸入電功率，在軸上輸出機械功率功率 。20-7同步電機的磁動勢第7頁/共20頁4. 同步電動機的磁動勢 電樞磁動勢：電樞磁動勢：當定子三相對稱繞組連接到三相對稱電源上時，當定子三相對稱繞組連接到三相對稱電源上時，就會產生就會產生三相合成旋轉磁動勢三相合成旋轉磁動勢， 簡稱簡稱電樞磁動勢電樞磁動勢，用空間矢，用空間矢量量Fa表示。設表示。設Fa 的轉向為逆時針方向，轉速為同步轉速。的轉向為逆時針方向，轉速為同步轉速。 勵磁磁動

8、勢：勵磁磁動勢：在同步電動機負載運行時，在同步電動機負載運行時， 其轉子也是逆時針其轉子也是逆時針方向以同步轉速旋轉。由直流勵磁電流方向以同步轉速旋轉。由直流勵磁電流If產生的磁動勢稱為產生的磁動勢稱為勵磁磁動勢勵磁磁動勢，用，用Ff （或（或FO）表示，它也是一個空間矢量。表示，它也是一個空間矢量。 這里規(guī)定兩個軸方向：轉子這里規(guī)定兩個軸方向：轉子N極和極和S極的中心線稱為極的中心線稱為直軸或直軸或縱軸縱軸，簡稱，簡稱d 軸軸；與直軸相距；與直軸相距90 空間電角度的方向稱為空間電角度的方向稱為交交軸或橫軸軸或橫軸，簡稱，簡稱q 軸軸。直軸和交軸隨轉子一同旋轉，。直軸和交軸隨轉子一同旋轉，2

9、0-8同步電機的磁動勢第8頁/共20頁先考慮先考慮勵磁磁動勢勵磁磁動勢Ff單獨在電機主磁路中產生磁通時的情單獨在電機主磁路中產生磁通時的情況。況。 勵磁磁動勢勵磁磁動勢Ff 總是在直軸方向產生磁通。由勵磁磁動勢總是在直軸方向產生磁通。由勵磁磁動勢Ff單獨產生的磁通叫單獨產生的磁通叫勵磁磁通勵磁磁通，用，用 f 表示。表示。20-9同步電機的磁動勢第9頁/共20頁lFa 單獨在電機主磁路中單獨在電機主磁路中產生磁通時的情況，則比產生磁通時的情況，則比勵磁磁動勢勵磁磁動勢Ff 產生磁通時產生磁通時的情況復雜。下圖給出了的情況復雜。下圖給出了計算機仿真結果。計算機仿真結果。l f 經過的磁路是以直軸

10、為對稱的，下圖是其計算機仿真結果。20-10同步電機的磁動勢第10頁/共20頁凸極同步電動機的雙反應原理aqadaFFF20-11同步電機的磁動勢第11頁/共20頁l直軸電樞磁動勢和交軸電樞磁動勢除了各自在主磁路中產生過氣隙的磁直軸電樞磁動勢和交軸電樞磁動勢除了各自在主磁路中產生過氣隙的磁通外，還要分別在定子繞組里產生漏磁通。通外，還要分別在定子繞組里產生漏磁通。l由定子電流產生的電樞磁動勢的表達式為由定子電流產生的電樞磁動勢的表達式為spW11a22423InkNF將上式分解為將上式分解為d d、q q軸上的直軸電樞磁動勢和交軸電樞磁動勢：軸上的直軸電樞磁動勢和交軸電樞磁動勢：dpW11ad

11、22423InkNFqpW11aq22423InkNF考慮到關系考慮到關系式 aqadaFFF把電樞電流按相量的關系分解成兩個分量，則有把電樞電流按相量的關系分解成兩個分量，則有qdsIII20-12同步電機的電壓方程第12頁/共20頁5. 同步電動機的電壓方程1） 凸極同步電動機的電壓方程凸極同步電動機的電壓方程 勵磁磁通勵磁磁通 f ，直軸磁通，直軸磁通 ad 和交軸磁通和交軸磁通 aq，都以同步，都以同步轉速逆時針旋轉，因此都要在定子繞組中產生相應的感應轉速逆時針旋轉，因此都要在定子繞組中產生相應的感應電動勢。電動勢。 根據(jù)圖給出的同步電動機定子繞組各電量正方向，可以列根據(jù)圖給出的同步電

12、動機定子繞組各電量正方向，可以列出出A相回路的電壓方程相回路的電壓方程 圖圖9-7 同同步步電電動動機機各各量量的的正正方方向向ABCsUsIEsssaqad0sjXRIEEEU感應電動勢 、 可以寫成 adEaqEaddadjXIEaqqaqjXIE直軸電樞反應電抗交軸電樞反應電抗20-13同步電機的電壓方程第13頁/共20頁經整理，得電壓方程一般情況下，當同步電動機容量較大時，可一般情況下，當同步電動機容量較大時，可忽略電阻忽略電阻Rs，于是于是 sssaqqadd0sjjjXRIXIXIEUsqdsaqqsadd0sjjRIIXXIXXIEUqqdd0sjjXIXIEUsaddXXXsa

13、qqXXX直軸同步電抗交軸同步電抗定子漏抗qdXX20-14同步電機的電壓方程第14頁/共20頁2） 隱極同步電動機的電壓方程隱極同步電動機的電壓方程 對于隱極同步電動機，由于氣隙均勻，因而直軸和交軸對于隱極同步電動機，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，即有的同步電抗在數(shù)值上彼此相等，即有cqdXXX同步電抗這樣，可寫出隱極同步電動這樣，可寫出隱極同步電動機的電壓方程為機的電壓方程為cs0sj XIEU20-15同步電機的功率關系第15頁/共20頁5.4.2 同步電動機的功率、轉矩和功（矩）角特性1. 功率關系l同步電動機從電源吸收有功功率同步電動機從電源吸收有功功率P1

14、，在扣除消耗于定子繞組，在扣除消耗于定子繞組的銅損耗的銅損耗 后，轉變?yōu)殡姶殴β屎?，轉變?yōu)殡姶殴β?Pem（即（即PM），），即有即有ssRIp2Cu3MCuPpP1l從電磁功率PM里再扣除鐵損耗 和機械摩擦損耗 后，得到輸出給負載的機械功率P2FepmpmFeem2ppPP其中，鐵損耗 與機械損耗 之和稱為空載損耗P0 ，即 FepmpmFe0ppP根據(jù)上述分析，根據(jù)上述分析，可以畫出同步可以畫出同步電動機的功率電動機的功率流程圖：流程圖：20-16同步電機的功角特性第16頁/共20頁2. 電磁功率與功角特性對于凸極同步電動機，當忽略定子繞組的電阻對于凸極同步電動機，當忽略定子繞組的電阻Rs

15、 時，同步時，同步電動機的電磁功率為電動機的電磁功率為 )cos(3cos311ssssIUIUPPM考慮到相量關系，于是sinsin3coscos3ssssMIUIUPsincos113sin320dqsdsMXXUXUEP2sin23sin320qdqdsdsMXXXXUXUEP勵磁電磁功率1凸極電磁功率220-17同步電機的電磁轉矩第17頁/共20頁3. 電磁轉矩與矩角特性 電磁轉矩的通用公式為sssr2pesin2FnT 式中 電機極對數(shù)； 每極合成磁通； 定子磁動勢幅值； 定子磁動勢與合成磁動勢間的夾角。 pnsrsFs因為 可有asFF spW11s32InkNF 根據(jù)功率與轉矩的關系，根據(jù)功率與轉矩的關系， 同樣可以導出電磁轉矩及轉矩平衡同樣可以導出電磁轉矩及轉矩平衡方程。方程。與異步電動機一樣，電磁轉矩與異步電動機一樣，電磁轉矩Te等于電磁功率等于電磁功率Pem與與電機角速度電機角速度之比，但對于同步電動機，其轉速即為同步轉速，之比，但對于同步電動機，其轉速即為同步轉速，因此因此1cos31ss1MeIUPT20-18同步電機的電磁轉矩第18頁/共20頁同步電動機的轉矩平衡方程同步電動機的轉矩平衡方程 電磁轉矩還可表示為電磁轉矩還可表示為 0e2T