第六章 同步電機(jī)

1、第六章第六章同步電機(jī)同步電機(jī)同步電機(jī)基本結(jié)構(gòu)*同步電機(jī)基本原理*三相同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性第一節(jié)第一節(jié)三相同步電動(dòng)機(jī)三相同步電動(dòng)機(jī) 一異步電動(dòng)機(jī)的同步化和三相同步電動(dòng)機(jī)的工作原理 1異步電動(dòng)機(jī)的同步化 將三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組供電方式加以改變，直接由直流電源供電，使其由原先流過(guò)低頻交流電流改變?yōu)橹绷麟娏?，所形成的磁通?shì)及其磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)一致，三相異步電動(dòng)機(jī)就可變成三相同步電動(dòng)機(jī)而穩(wěn)定運(yùn)行（見(jiàn)圖6-1）圖6-1 異步電動(dòng)機(jī)同步運(yùn)行的接線圖2.2.同步電動(dòng)機(jī)的工作原理同步電動(dòng)機(jī)的工作原理 可以看出：同步電動(dòng)機(jī)的定子繞組與異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組完全相同，其作用是通入三相交流電后，可產(chǎn)生

2、一個(gè)三相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，來(lái)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子的固定磁場(chǎng)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，利用兩個(gè)磁場(chǎng)之間的相互吸引而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩 同步電機(jī)和其他類型的電機(jī)一樣，也遵循可逆原理，可按電動(dòng)機(jī)方式運(yùn)行，也可按發(fā)電機(jī)方式運(yùn)行 當(dāng)原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)同步電機(jī)并勵(lì)磁，電機(jī)從原動(dòng)機(jī)輸入機(jī)械功率，向電網(wǎng)輸出電工率，為發(fā)電機(jī)運(yùn)行方式。 當(dāng)同步電機(jī)接于電網(wǎng)并勵(lì)磁，拖動(dòng)機(jī)械負(fù)載時(shí)，從電網(wǎng)輸入電工率，在軸上輸出機(jī)械功率，為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方式。圖5 同步電機(jī)的物理模型a 發(fā)電機(jī)運(yùn)行 b 理想空載 c 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行二二. .同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)1.定子:同異步電機(jī)沒(méi)什么區(qū)別2.轉(zhuǎn)子 凸極式，可用于同步電動(dòng)機(jī) 隱極式，既可用于同步電動(dòng)機(jī)，也可用于同步發(fā)電機(jī)圖1

3、凸極式 圖2 隱極式三三. .電動(dòng)勢(shì)平衡方程式及相量圖1、同步電機(jī)的電樞反應(yīng) 同步電機(jī)負(fù)載時(shí)電樞磁通勢(shì)會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)中的磁場(chǎng)以及感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有較大的影響。 因?yàn)橥诫姍C(jī)是交流電機(jī)，其電磁量均按正泫規(guī)律分布或變化來(lái)考慮，三相同步發(fā)電機(jī)對(duì)稱負(fù)載時(shí)，這種電樞磁通勢(shì)基波分量對(duì)勵(lì)磁磁通勢(shì)基波分量的影響和直流電機(jī)時(shí)一樣，稱為電樞反應(yīng)。2、同步電機(jī)的電樞反應(yīng)的分析方法 同步電機(jī)的電樞反應(yīng)問(wèn)題較直流電機(jī)復(fù)雜得多，這里以同步電動(dòng)機(jī)為例來(lái)進(jìn)行分析。 若定子繞組中勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)相量為E0，電樞電流相量為i,其夾角為， 可以從以下三種情況分別進(jìn)行分析。(1)i與與E0同相位，同相位，00時(shí)的電樞反應(yīng)a 電動(dòng)勢(shì)相量 b 磁通勢(shì)矢

4、量(2)i比比-E0超前超前90電角度，電角度，-90電角度電角度=-90時(shí)的電樞反應(yīng)a 電動(dòng)勢(shì)相量 b 磁通勢(shì)矢量(3) i 比 -E0 滯后90電角度，90電角度=90時(shí)的電樞反應(yīng)a 電動(dòng)勢(shì)相量 b 磁通勢(shì)矢量 然后可以再推廣到一般情況，即為任意角時(shí)進(jìn)行分析。 結(jié)論：發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，若 i 超前 -E0,并且 0-90（稱為內(nèi)功率因數(shù)角）， 則電樞反應(yīng)兼有交磁作用和去磁作用；若 900，兼有交磁作用和增磁作用 同步發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)的性質(zhì)和同步電動(dòng)機(jī)相反。4.同步電抗 在隱極機(jī)中：在隱極機(jī)中：Ea=-jIxa(式式1） 在凸極機(jī)中：在凸極機(jī)中：Ead=-jIdXad，Eaq=-jIqXaq(式

5、式2） Xa為電樞反應(yīng)電抗，為電樞反應(yīng)電抗，Xad為直軸電樞反應(yīng)電抗，為直軸電樞反應(yīng)電抗，Xaq為交軸電樞反應(yīng)電抗為交軸電樞反應(yīng)電抗 又又Eo=-jIXo(式式3） Xo為定子繞組漏抗為定子繞組漏抗 將電樞反應(yīng)和漏抗合并，稱之為同步電抗將電樞反應(yīng)和漏抗合并，稱之為同步電抗 隱極機(jī)中 ,同步電抗 Et = Xa + Xo -(式4) 凸極機(jī)中,直軸同步電抗 Xd = Xad + Xo -(式5） 交軸同步電抗 Xq = Xaq + Xo -(式6）5.同步電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)平衡方程式同步電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)平衡方程式隱式機(jī)中: Eo + Ea + Eo = U + I ra -（式7）將式1和式3代入式7可得

6、: Eo = U + I ra + jIxt -（式8）凸極機(jī)中 ： Eo + Ead + Eaq + Eo = U + I r -(式9) 將式2和式3代入式9可得: Eo = U + Ira + jIdXd + jIqXq -(式10） 按同步電機(jī)運(yùn)行時(shí)的基本電磁關(guān)系，也可列出同步電動(dòng)機(jī)定子繞組相量形式的電動(dòng)勢(shì)平衡方程式 同步電動(dòng)機(jī)定子繞組相量形式的電動(dòng)勢(shì)平衡方程式同步電動(dòng)機(jī)定子繞組相量形式的電動(dòng)勢(shì)平衡方程式 考慮到電動(dòng)機(jī)中所有的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)均為反電動(dòng)勢(shì)，而且定子繞組的電阻壓降與端電壓的方向相反?？闪谐鐾桨l(fā)電機(jī)繞組相量形式的電動(dòng)勢(shì)平衡方程式如下: 隱式機(jī)中: U = -(E0+Ea+Eo)

7、+Ira -(式11) 將式1和式3代入式11可得: U = -E0+Ira+jIxt -(式12) 凸式機(jī)中: U = -(E0+Ead+Eaq+Eo)+Ira -（式13） 將式2和式3代入式13可得: U = -E0+Ira+jIdXd+jIqXq -(式14) 四運(yùn)行特性四運(yùn)行特性同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性包括工作，調(diào)速和起動(dòng)三個(gè)方面,由于同步電機(jī)調(diào)節(jié)輸出功率以及調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流都會(huì)引起運(yùn)行情況的改變，因此宜用勵(lì)磁電流和輸出功率作為參數(shù)來(lái)分析同步電機(jī)的運(yùn)行特性即： 功角特性：同步電動(dòng)機(jī)在勵(lì)磁電流不變的條件下，輸出有功功率或電磁功率改變時(shí)的特性.同步電機(jī)的負(fù)載變化，即機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化不會(huì)引起轉(zhuǎn)速

8、的變化。所以同步電動(dòng)機(jī)電磁功率與相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩隨負(fù)載而變化的情況不能用與轉(zhuǎn)速的關(guān)系去表征，要用所謂功角特性去描述 V形曲線：表明同步電動(dòng)機(jī)在有功功率輸出不變或電磁功率不變的條件下，改變勵(lì)磁電流引起電樞電流及功率因數(shù)如何變化的曲線 （）功角特性功角特性 當(dāng)電源電壓 UUN，勵(lì)磁電流 If常數(shù)以及 o 及Eo 均為常數(shù)時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)的電磁功率Pem（或電磁轉(zhuǎn)矩Tem）與功率角的關(guān)系： Pem（或Tem）f()如（圖6-10），被稱為同步電動(dòng)機(jī)的功角特性（或矩角特性）即： Pem m(UE0/Xd)Sin mU2/2(1/Xq - 1/Xd)Sin2 式中m為相數(shù)圖6-10 同步電動(dòng)機(jī)的功角特性（2）V形曲線 在恒功率，變勵(lì)磁的條件下，將定子電流 I 與對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流 If 描成曲線，由于形似“V”字，故得所謂 V 形曲線。 對(duì)應(yīng)一定功率，有一條 V 形曲線，如此可得一簇曲線（見(jiàn)圖6-14）圖6-14 同步電動(dòng)機(jī)的V形曲線二.轉(zhuǎn)速特性及起動(dòng)步驟 同步電機(jī)在電源頻率恒定使定子合成磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速恒定的條件下，其轉(zhuǎn)速必