電機(jī)及電力拖動第11章-同步電動機(jī)和同步調(diào)相機(jī)課件

1、第十一章 同步電動機(jī)和同步調(diào)相機(jī) 11.1 同步電動機(jī)的基本方程式和相量圖 11.2 同步電動機(jī)的啟動 10.3 同步調(diào)相機(jī) 10.4 反應(yīng)式同步電動機(jī) 11.0 前 言前 言同步調(diào)相機(jī)只相當(dāng)于空載運(yùn)行的同步電動機(jī)，它不用來拖動機(jī)械負(fù)載，而專門用來調(diào)節(jié)無功功率，提高電網(wǎng)的功率因數(shù)。 同步電動機(jī)和調(diào)相機(jī)的轉(zhuǎn)子一般都采用凸極結(jié)構(gòu)，并在磁極的極靴上裝有起動繞組（即阻尼繞組）。同步電動機(jī)與感應(yīng)電動機(jī)相比，其主要特點(diǎn):1) 轉(zhuǎn)速不隨負(fù)載的變化而變化，而且有較高的功率因數(shù)（可達(dá)到cos=1），特別在過勵狀態(tài)下，還可使功率因數(shù)超前，從而提高了電網(wǎng)的功率因數(shù)。2) 同步電動機(jī)的氣隙較大，Xd較小，過載能力較高

2、（Km=23），靜態(tài)穩(wěn)定性好，且因為氣隙大而使結(jié)構(gòu)可靠性提高，安裝維護(hù)容易。3) 在不需要調(diào)速而功率又較大的場合，如驅(qū)動大型的空氣壓縮機(jī)、球磨機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)和水泵以及電動發(fā)電機(jī)組等，較多采用同步電動機(jī)。11.1 同步電動機(jī)的基本方程式和相量圖11.1.1 同步電機(jī)的可逆原理 同步電機(jī)運(yùn)行于發(fā)電機(jī)狀態(tài)時，如圖所示。 轉(zhuǎn)子磁極軸線超前定子合成磁極軸線，0，電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能。 同步電機(jī)的運(yùn)行是可逆的，既可以用作發(fā)電機(jī)，還可以用作電動機(jī)。 電磁功率PeM和功率角均為正值，勵磁電動勢E0超前于電網(wǎng)電壓U-角。 逐步減少發(fā)電機(jī)的輸入功率，轉(zhuǎn)子將瞬時減速，角減小，相應(yīng)的電磁功率也減少。 當(dāng)發(fā)電機(jī)的輸入功率

3、只能滿足空載損耗時，發(fā)電機(jī)處于空載運(yùn)行狀態(tài)。并不向電網(wǎng)輸送功率過渡狀態(tài) 繼續(xù)減少發(fā)電機(jī)的輸入功率，則和 Pem變?yōu)樨?fù)值。卸動原動機(jī)，電機(jī)從電網(wǎng)吸收功率滿足空載損耗，成為空轉(zhuǎn)的電動機(jī)。 電機(jī)軸上加上機(jī)械負(fù)載，負(fù)值的增大，由電網(wǎng)向電機(jī)輸入的電功率和相應(yīng)的電磁功率增大，轉(zhuǎn)子磁極軸線落后定子合成磁極軸線，轉(zhuǎn)子受到驅(qū)動性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩作用。電動機(jī)狀態(tài) 由同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)橥诫妱訖C(jī)時，功率角和相應(yīng)的電磁功率均由正值變?yōu)樨?fù)值，電機(jī)由輸出電功率變?yōu)檩斎腚姽β?，電磁轉(zhuǎn)矩由制動變?yōu)轵?qū)動。11.1.2 同步電動機(jī)的基本方程式和相量圖 按照發(fā)電機(jī)慣例，同步電動機(jī)可以看成是一臺輸出負(fù)的有功功率的發(fā)電機(jī)，其電動勢方程與發(fā)電

4、機(jī)的方程相同，以隱極機(jī)發(fā)電機(jī)為例： 按照電動機(jī)慣例，把輸出負(fù)電流看成是輸入正電流即可，其電動勢方程：隱極機(jī)：發(fā)電機(jī)觀點(diǎn)電動機(jī)觀點(diǎn)等效電路凸極機(jī)：同步電動機(jī)的功角特性與發(fā)電機(jī)的相似，用M=-代替即可。同步電動機(jī)的電磁功率公式:上式除以同步速度得同步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)距:同步發(fā)電機(jī)的過載能力、比整步功率所作的分析和結(jié)論，對電動機(jī)也是完全適用的。在近代同步電動機(jī)中，其參數(shù)Xd*=0.61.45，Xq*=1.01.4，額定功率角DN=2030，過載能力Km=23。凸極同步電動機(jī)相量圖11.1.3 同步電動機(jī)的V形曲線 與同步發(fā)電機(jī)相似,當(dāng)同步電動機(jī)的輸入有功功率恒定而調(diào)節(jié)勵磁電流時,也有三種勵磁狀態(tài),“正

5、常勵磁”時,電動機(jī)沒有無功功率輸出；“過勵”時電動機(jī)從電網(wǎng)吸收容性無功（或發(fā)出感性無功）;“欠勵”時電動機(jī)從電網(wǎng)吸收感性無功（或發(fā)出容性無功）.也可以調(diào)節(jié)無功功率. 調(diào)節(jié)勵磁電流可以調(diào)節(jié)同步電動機(jī)的無功功率和功率因數(shù),這是同步電動最可貴的特點(diǎn). 為了改善電網(wǎng)的功率因數(shù)和提高電機(jī)的過載能力，現(xiàn)代同步電動機(jī)的額定功率因數(shù)一般均設(shè)計為1-0.8（超前）。11.2 同步電動機(jī)的啟動同步電動機(jī)不能自行起動 假設(shè)定子磁場的運(yùn)動方向由左向右，并在某瞬間轉(zhuǎn)到圖a所示的位置，由圖可見，此瞬間定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場相互作用所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩是推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的；但由于轉(zhuǎn)子具有轉(zhuǎn)動慣量，在此轉(zhuǎn)矩作用下，并不可能立即加速到同步

6、。于是在半個周期以后（即1/100s以后），定子磁場向前移動了一個極距，達(dá)到圖b的位置，此時定子磁極對轉(zhuǎn)子磁極的排斥力，將阻止轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動。如此變化不已，可見轉(zhuǎn)子上受到的平均轉(zhuǎn)矩為零相互吸引相互排斥 由于同步電動機(jī)的平均起動轉(zhuǎn)矩為零，所不能自行起動，必須借用其它方法。 常用的起動方法有：輔助電動機(jī)起動法、變頻起動法和異步起動法。其中異步起動法應(yīng)用最廣泛。 現(xiàn)代同步電動機(jī)多采用異步起動法來起動。它是通過在凸極式同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子上裝置阻尼組和感應(yīng)電動機(jī)的籠型繞組相似，只是它裝在轉(zhuǎn)子磁極的極靴上，有時亦稱同步電動機(jī)的阻尼繞組為起動繞組。同步電動機(jī)的異步起動方法：第二步:將同步電動機(jī)的定子繞組接通三相交

7、流電源。這時定子旋轉(zhuǎn)磁場將在阻尼繞組中感應(yīng)一電流，此電流與定子旋轉(zhuǎn)磁場相互作用而產(chǎn)生異步電磁轉(zhuǎn)矩，同步電動機(jī)便作為異步電動機(jī)而起動。第三步:當(dāng)同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到同步轉(zhuǎn)速的95%左右時，將勵磁繞組與直流電源接通，給予直流勵磁。這時轉(zhuǎn)子上增加了一個頻率很低的交流轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子磁場與定子磁場之間的相互吸引力便能把轉(zhuǎn)子拉住，使它跟著定子旋轉(zhuǎn)磁場以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，即所謂牽入同步。第一步:把同步電動機(jī)的勵磁繞組通過一個電阻短接（下圖）。起動時勵磁繞組開路是很危險的，因為勵磁繞組的匝數(shù)很多，定子數(shù)很多，定子旋轉(zhuǎn)磁場將在該繞組中感應(yīng)很高的電壓，可能擊穿勵磁繞組的絕緣。短路電阻的大小約為勵磁繞組本身電阻的10倍左右

8、。同步電動機(jī)異步啟動法原理線路圖11.3 同步調(diào)相機(jī) 同步調(diào)相機(jī)（或稱同步補(bǔ)償機(jī)）是專門發(fā)送無功功率的同步電機(jī)，實質(zhì)上是一臺空載運(yùn)行的同步電動機(jī)。 在電網(wǎng)的受電端接上同步調(diào)速相機(jī)，是減少線路中的損耗和電壓降，提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，減輕發(fā)電機(jī)的負(fù)擔(dān)的重要方法。 受電端裝有自動勵磁調(diào)節(jié)的同步調(diào)相機(jī)可以使各種工況下受電端的電壓基本保持不變。1)調(diào)相機(jī)的額定容量指的是在過勵狀態(tài)下的額定視在功率。2)由于轉(zhuǎn)軸上不帶機(jī)械負(fù)載，所以調(diào)相機(jī)的轉(zhuǎn)軸比同容量的電動機(jī)轉(zhuǎn)軸細(xì)，沒有過載能力的要求。3)為了提高調(diào)相機(jī)提供感性無功的能力，勵磁線圈導(dǎo)線截面較大，但勵磁損耗仍然很大，對通風(fēng)冷卻要求較高。同步調(diào)相機(jī)的特點(diǎn) 同步調(diào)

9、相機(jī)的起動一般采用異步起動法或輔助電動機(jī)法。選擇起動方法時，首先考慮限制起動電流，然后考慮滿足起動轉(zhuǎn)矩的要求。11.4 反應(yīng)式同步電動機(jī)反應(yīng)式同步電動機(jī)是在沒有直流勵磁時的凸極式同步電動機(jī)。 凸極同步電動機(jī)失去直流勵磁時，主極磁通為零，由主磁通所建立的電動勢E0也就等于零,只產(chǎn)生附加電磁功率和相應(yīng)的附加電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩是由于直軸和交軸磁路磁阻不等而使Xd和Xq不相等所產(chǎn)生的，因此又稱磁阻轉(zhuǎn)矩反應(yīng)式同步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生可以用下圖所示的簡單模型來說明，圖中N、S極表示電樞旋轉(zhuǎn)磁場的磁極。一個圓柱形隱極轉(zhuǎn)子，因此當(dāng)轉(zhuǎn)子無勵磁時，無論其直軸和電樞旋轉(zhuǎn)磁場的軸線相差多大角度都不能產(chǎn)生切向電磁力及電磁轉(zhuǎn)矩

10、。 凸極的反應(yīng)式同步電動機(jī)的空轉(zhuǎn)情況。由于電動機(jī)的機(jī)械損耗可略去不計，故電動機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩T0，于是定子旋轉(zhuǎn)磁轉(zhuǎn)軸線與轉(zhuǎn)子磁極軸線重合（即=0），此時磁力線不發(fā)生扭斜，空載電流近似為 。 當(dāng)電動機(jī)加上機(jī)械負(fù)載時，則由于轉(zhuǎn)矩不平衡，轉(zhuǎn)子將發(fā)生瞬時減速，于是轉(zhuǎn)子的直軸（d軸）將落后于電樞旋轉(zhuǎn)磁場軸線一個角度（圖中表示=45）。由于直軸磁路的磁阻遠(yuǎn)小于交軸磁路的磁阻，故磁力線仍由極靴處進(jìn)入轉(zhuǎn)子，使磁場發(fā)生扭斜，并因此產(chǎn)生與電樞磁場轉(zhuǎn)向相同方向的磁阻轉(zhuǎn)矩T與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡。如果角繼續(xù)增大，則磁場的畸變開始減小，因為部分磁通開始直接沿轉(zhuǎn)子交軸方向通過，從而使穿過轉(zhuǎn)子極面的磁力線數(shù)減少。當(dāng)轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角=90時，磁阻雖最大，但磁力線卻未被扭曲，全部磁力線沿轉(zhuǎn)子交軸方向穿過，如圖d所示，這時氣隙磁場又是對稱分布，故合成轉(zhuǎn)矩又變成零當(dāng)90時，轉(zhuǎn)矩將改變方向，如圖e所示。=180時，轉(zhuǎn)矩又等于零 反應(yīng)式同步電動機(jī)接入電網(wǎng)后，從電網(wǎng)吸取感性的無功電流，并建立直軸電樞反應(yīng)磁場。在理想的空載情況下，電動機(jī)不需要產(chǎn)生與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡的電磁轉(zhuǎn)矩，此時轉(zhuǎn)子保持其直軸方向的軸線與定子磁場軸線一致（=0），并隨定子磁場同步旋轉(zhuǎn)。 反應(yīng)式同步電動機(jī)的最大