電機(jī)學(xué)52-同步電機(jī)的運(yùn)行原理

目錄第二章變壓器

第一章緒論第五章同步電機(jī)第四章異步電機(jī)第三章交流電機(jī)的基本理論1目錄第二章變壓器

第一章緒論第五章同步電機(jī)第四章異步電機(jī)第三章交流電機(jī)的基本理論2了解同步電機(jī)的用途和主要分類熟練掌握同步電機(jī)的基本工作原理熟悉同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，熟練掌握隱極和凸極電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)熟練掌握同步電機(jī)的額定值熟練掌握同步發(fā)電機(jī)標(biāo)幺值系統(tǒng)第一節(jié)同步電機(jī)的基本知識(shí)學(xué)習(xí)目標(biāo)3

第一節(jié)同步電機(jī)的基本知識(shí)定義：

同步電機(jī)是指電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速相同的交流電機(jī)。同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速為運(yùn)用范圍：

同步電機(jī)主要用來(lái)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行；同步電機(jī)也可作為電動(dòng)機(jī)應(yīng)用，用于拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械，一般使用在不需要調(diào)速的低速大功率機(jī)械中；此外，同步電機(jī)還可以作為同步補(bǔ)償機(jī)，他能夠?qū)ｉT用來(lái)向電網(wǎng)輸送感性和容性無(wú)功功率。4同步電機(jī)的用途和分類5同步電機(jī)的用途和分類62.同步電機(jī)的分類7同步發(fā)電機(jī)按原動(dòng)機(jī)分類2.同步電機(jī)的分類82.同步電機(jī)的分類9同步電機(jī)基本結(jié)構(gòu)10111213同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)形式同步電機(jī)的定子和異步電機(jī)相同，定子鐵芯上有齒和槽，槽內(nèi)設(shè)置三相繞組。轉(zhuǎn)子上裝有磁極和勵(lì)磁繞組。同步電機(jī)的磁極通常裝在轉(zhuǎn)子上，而電樞繞組放在定子上，通常稱為旋轉(zhuǎn)磁極式電機(jī)。旋轉(zhuǎn)磁極式電機(jī)同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子有凸極和隱極兩種結(jié)構(gòu)形式。用汽輪機(jī)作為原動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)的稱為汽輪發(fā)電機(jī)，一般采用隱極式結(jié)構(gòu)；用水輪機(jī)作為原動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)的稱為水輪發(fā)電機(jī)，一般采用凸極式結(jié)構(gòu)。同步電動(dòng)機(jī)、由內(nèi)燃機(jī)拖動(dòng)的同步發(fā)電機(jī)以及同步補(bǔ)償機(jī)大多做成凸極式。14同步電機(jī)的構(gòu)造特點(diǎn)定子同步電機(jī)的定子大體上和異步電機(jī)相同，是由鐵芯、繞組、機(jī)座以及固定這些部分的其他構(gòu)件組成。轉(zhuǎn)子（以同步發(fā)電機(jī)為例）

1、汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)現(xiàn)代汽輪發(fā)電機(jī)一般都是二極的，同步轉(zhuǎn)速為3000或3600r/min。這是因?yàn)樘岣咿D(zhuǎn)速可以提高汽輪機(jī)的運(yùn)行效率，減小整個(gè)機(jī)組的尺寸、降低機(jī)組的造價(jià)。轉(zhuǎn)子不能做得過(guò)大，所以汽輪發(fā)電機(jī)的直徑較小，長(zhǎng)度較長(zhǎng)。汽輪發(fā)電機(jī)均為臥式結(jié)構(gòu)。

2、水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)大型水輪發(fā)電機(jī)通常都是立式結(jié)構(gòu)，它的轉(zhuǎn)速低、極數(shù)多，要求轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，故其特點(diǎn)是直徑大、長(zhǎng)度短。15同步電機(jī)的額定值16同步電機(jī)的額定值（銘牌值）由以下幾種：額定容量或額定功率額定電壓是指同步電機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)其定子三相的線電壓額定電流是指同步電機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)流過(guò)其定子繞組的線電流同步發(fā)電機(jī)同步電動(dòng)機(jī)同步調(diào)相機(jī)額定容量發(fā)電機(jī)出線端的額定視在功率（VA）額定功率發(fā)電機(jī)輸出的額定有功功率（電功率）（W）轉(zhuǎn)軸上輸出的有效機(jī)械功率（W）發(fā)電機(jī)出線端輸出的無(wú)功功率（Var）同步電機(jī)的額定值17同步電機(jī)的額定值額定功率因數(shù)是指同步電機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)。額定效率是指額定運(yùn)行時(shí)的效率。額定轉(zhuǎn)速和額定頻率是指同步電機(jī)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速（r/min）和定子繞組中電流與電壓的工作頻率（Hz）。額定勵(lì)磁電壓和額定勵(lì)磁電流是指同步電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)加到勵(lì)磁繞組上的直流電壓和電流。發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)18同步電機(jī)的額定值19同步電機(jī)的額定值20小結(jié)21小結(jié)22第二節(jié)同步電機(jī)的運(yùn)行原理（基本電磁關(guān)系）23第二節(jié)同步電機(jī)的運(yùn)行原理（基本電磁關(guān)系）24同步電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)同步電機(jī)運(yùn)行時(shí)，必須在其轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組中通入直流電流，以便建立磁場(chǎng)，這個(gè)直流稱為勵(lì)磁電流，供給勵(lì)磁電流的整個(gè)系統(tǒng)稱為勵(lì)磁系統(tǒng)。勵(lì)磁系統(tǒng)是同步電機(jī)的重要組成部分，勵(lì)磁系統(tǒng)和勵(lì)磁元件的性能對(duì)電機(jī)的運(yùn)行性能有重要影響。分類，勵(lì)磁系統(tǒng)主要有兩大類：一類是直流發(fā)電機(jī)作為勵(lì)磁電源的直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)；另一類是用整流裝置將交流變成直流后供給勵(lì)磁的交流勵(lì)磁機(jī)整流勵(lì)磁系統(tǒng)。25同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行26同步電機(jī)的空載運(yùn)行空載運(yùn)行時(shí)，電樞電流為零，僅有由勵(lì)磁電流所建立的主極磁場(chǎng)。主極磁通分為主磁通和主極漏磁通，主磁通所經(jīng)過(guò)的路徑稱為主磁路，包括：空氣隙、電樞齒、電樞軛、磁極極身和轉(zhuǎn)子軛五個(gè)部分。

主極磁通是否通過(guò)氣隙交鏈主磁通通過(guò)于定子繞住相交鏈主極漏磁通不通過(guò)僅與勵(lì)磁繞組相交鏈27同步電機(jī)的空載運(yùn)行

當(dāng)轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，主磁場(chǎng)就在氣隙中形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，它“切割”對(duì)稱的三相定子繞組后，就將在定子繞組內(nèi)感應(yīng)出頻率為的一組對(duì)稱三相空載電動(dòng)勢(shì)：忽略高次諧波時(shí)，勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)的有效值為式中：為每極的主磁通量28同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行29同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行30（1）勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)31（1）勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)32（1）勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)33定義磁極磁動(dòng)勢(shì)的基波分量振幅與實(shí)際磁動(dòng)勢(shì)最大幅值之比為，稱為電機(jī)的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)波形系數(shù)，即隱極式同步電機(jī)的空載磁動(dòng)勢(shì)

隱極式同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組為分布繞組，在每極下有一個(gè)大齒和若干個(gè)小齒，轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)的空間分布波形為階梯波形，如下圖所示，幅值為（其中為勵(lì)磁電流，為勵(lì)磁繞組的每極匝數(shù)）

大齒34（1）勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)35凸極式同步電機(jī)的空載磁動(dòng)勢(shì)

凸極同步電機(jī)的繞組式集中繞組，它所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)是矩形波，幅值為，基波分量的振幅為勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)的波形系數(shù)362.基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)37（2）基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)38（2）基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)39（2）基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)40同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行413.基波氣隙磁通密度423.基波氣隙磁通密度43同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行444.電樞繞組的磁鏈、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)454.電樞繞組的磁鏈、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)464.電樞繞組的磁鏈、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)47同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行48畫(huà)在同一坐標(biāo)平面上的時(shí)間相量圖和空間矢量圖稱為時(shí)空矢量圖。參考軸的選取是任意的。但一般把相繞組軸線作為空間矢量參考軸令時(shí)間相量參考軸與空間矢量參考軸重合相繞組軸線－相軸；轉(zhuǎn)子繞組軸線－直軸；與直軸正交（90度電角度）－交軸時(shí)間相量與空間矢量直軸相軸，交軸時(shí)軸495.時(shí)空相矢量圖505.時(shí)空相矢量圖515.時(shí)空相矢量圖525.時(shí)空相矢量圖53同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行546.空載特性55對(duì)稱負(fù)載時(shí)的電樞反應(yīng)56對(duì)稱負(fù)載時(shí)的電樞反應(yīng)空載：I≈0，F(xiàn)a≈0，氣隙磁場(chǎng)只由轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生；負(fù)載時(shí)：I≠0，F(xiàn)a≠0，F(xiàn)a對(duì)Ff的影響稱電樞反應(yīng)同步電機(jī)電樞磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子磁勢(shì)間的相對(duì)位置取決于負(fù)載電流的性質(zhì)。同步和空載電勢(shì)電機(jī)輸出電流之間的相角定義為內(nèi)功率因數(shù)角。時(shí)，電流滯后于；端電壓和之間的相位角稱為外功率因數(shù)角

。

57同步發(fā)電機(jī)負(fù)載時(shí)的電樞反應(yīng)58同步發(fā)電機(jī)負(fù)載時(shí)的電樞反應(yīng)59同步發(fā)電機(jī)負(fù)載時(shí)的電樞反應(yīng)60電樞反應(yīng)的性質(zhì)61電樞反應(yīng)的性質(zhì)（內(nèi)功率因數(shù)角）

62電樞反應(yīng)的性質(zhì)63電樞反應(yīng)的性質(zhì)64電樞反應(yīng)的性質(zhì)65Fa在交軸，所以稱交軸電樞反應(yīng)，因合成磁勢(shì)有增磁作用因?yàn)镮、E同相，所以不發(fā)無(wú)功功率

電樞反應(yīng)的性質(zhì)（內(nèi)功率因數(shù)角）66

同步發(fā)電機(jī)的剖面簡(jiǎn)圖磁勢(shì)的空間展開(kāi)圖直軸相軸，交軸直軸交軸電樞反應(yīng)的性質(zhì)（內(nèi)功率因數(shù)角）67

Fa在交軸，所以稱交軸電樞反應(yīng)，因合成磁勢(shì)有增磁作用因?yàn)镮、E反相，所以不發(fā)無(wú)功功率電樞反應(yīng)的性質(zhì)（內(nèi)功率因數(shù)角）68電樞反應(yīng)的性質(zhì)（內(nèi)功率因數(shù)角）

同步發(fā)電機(jī)的剖面簡(jiǎn)圖磁勢(shì)的空間展開(kāi)圖直軸相軸，交軸直軸交軸A相軸69電樞反應(yīng)的性質(zhì)70電樞反應(yīng)的性質(zhì)（內(nèi)功率因數(shù)角）

時(shí)間相量圖時(shí)空矢量圖時(shí)軸相軸交軸時(shí)軸直軸71電樞反應(yīng)的性質(zhì)72

同步發(fā)電機(jī)的剖面簡(jiǎn)圖磁勢(shì)的空間展開(kāi)圖直軸相軸，交軸直軸交軸電樞反應(yīng)的性質(zhì)（內(nèi)功率因數(shù)角）73

時(shí)間相量圖時(shí)空矢量圖時(shí)軸相軸，交軸時(shí)軸直軸電樞反應(yīng)的性質(zhì)（內(nèi)功率因數(shù)角）74電樞反應(yīng)的性質(zhì)75小結(jié)

☆結(jié)論：同步電機(jī)的運(yùn)行方式可以由內(nèi)功率因數(shù)角來(lái)判斷。同步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)將較定子磁場(chǎng)超前同步電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，定子磁場(chǎng)將較轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)超前76電樞反應(yīng)的性質(zhì)77同步發(fā)電機(jī)負(fù)載時(shí)的電樞反應(yīng)78同步發(fā)電機(jī)負(fù)載時(shí)的電樞反應(yīng)79隱極同步發(fā)電機(jī)的時(shí)空相矢量圖和相量圖80隱極同步發(fā)電機(jī)的時(shí)空相矢量圖和相量圖81（1）飽和時(shí)的電磁關(guān)系82（1）飽和時(shí)的電磁關(guān)系831.考慮飽和時(shí)的情況84（2）飽和時(shí)的電壓方程式、相量圖85（2）飽和時(shí)的電壓方程式、相量圖861.考慮飽和時(shí)的情況87（3）飽和時(shí)的時(shí)空相矢量圖88（3）飽和時(shí)的時(shí)空相矢量圖89（3）考慮飽和時(shí)的時(shí)空相矢量圖90隱極同步發(fā)電機(jī)的時(shí)空相矢量圖和相量圖91（1）不計(jì)飽和時(shí)的電磁關(guān)系92（1）不計(jì)飽和時(shí)的電磁關(guān)系93（1）不計(jì)飽和時(shí)的電磁關(guān)系942.不計(jì)飽和時(shí)的情況95（2）不計(jì)飽和時(shí)的電壓方程式、相量圖、等效電路96（2）不計(jì)飽和時(shí)的電壓方程式、相量圖、等效電路97（2）不計(jì)飽和時(shí)的電壓方程式、相量圖、等效電路98（2）不計(jì)飽和時(shí)的電壓方程式、相量圖、等效電路99（2）不計(jì)飽和時(shí)的電壓方程式、相量圖、等效電路100（2）不計(jì)飽和時(shí)的電壓方程式、相量圖、等效電路101

小結(jié)（電磁關(guān)系）當(dāng)不考慮磁路飽和現(xiàn)象時(shí)，認(rèn)為轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與電樞磁場(chǎng)分別在定子繞組中感應(yīng)電勢(shì)。轉(zhuǎn)子感應(yīng)的電勢(shì)稱為空載電勢(shì)，用表示；電樞磁場(chǎng)感應(yīng)的電勢(shì)稱為電樞反應(yīng)電勢(shì)，用表示。電磁關(guān)系如下：102小結(jié)（電路方程與等效電路）二、電路方程

三、等效電路等效電路，如右圖所示。隱極同步發(fā)電機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的等效電路是簡(jiǎn)單的獨(dú)立回路，沒(méi)有次級(jí)側(cè)回路和其它耦合回路。103小結(jié)（電樞反應(yīng)電抗）四、電樞反應(yīng)電抗比例系數(shù)是與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，稱為電樞反應(yīng)電抗。寫(xiě)成相量形式：上式說(shuō)明了電樞反應(yīng)電抗的物理意義：可以把電樞反應(yīng)磁場(chǎng)在定子每相繞組中所感應(yīng)的電樞反應(yīng)電勢(shì)看成相電流所產(chǎn)生的一個(gè)電抗電壓降，這個(gè)電抗就是電樞反應(yīng)電抗。104五、同步電抗▲定子回路電壓平衡式改寫(xiě)為

其中

為同步電抗

為同步阻抗▲實(shí)際應(yīng)用中主要關(guān)心同步電抗：在計(jì)算同步電機(jī)的各種性能時(shí)，一般僅需應(yīng)用同步電抗；測(cè)量同步電抗較為方便?！刃щ娐纷兓[極同步發(fā)電機(jī)的等效電路小結(jié)（同步電抗）105六、隱極發(fā)電機(jī)的相量圖

同步電機(jī)的三個(gè)角：外功率因數(shù)角

內(nèi)功率因數(shù)角

功角小結(jié)（相量圖）106凸極同步發(fā)電機(jī)的雙反應(yīng)理論和相量圖107凸極同步發(fā)電機(jī)的雙反應(yīng)理論和相量圖1081.凸極同步發(fā)電機(jī)的雙反應(yīng)理論1091.凸極同步發(fā)電機(jī)的雙反應(yīng)理論1101.凸極同步發(fā)電機(jī)的雙反應(yīng)理論111凸極同步發(fā)電機(jī)的雙反應(yīng)理論和相量圖1122.凸極同步發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)相量圖113（2）電壓方程式114（2）電壓方程式1152.凸極同步發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)相量圖116（3）電動(dòng)勢(shì)相量圖117（3）電動(dòng)勢(shì)相量圖1182.凸極同步發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)相量圖119凸極同步發(fā)電機(jī)的雙反應(yīng)理論和相量圖120凸極同步發(fā)電機(jī)的雙反應(yīng)理論和相量圖121凸極同步發(fā)電機(jī)的雙反應(yīng)理論和相量圖122凸極同步發(fā)電機(jī)的雙反應(yīng)理論和相量圖123凸極同步發(fā)電機(jī)的雙反應(yīng)理論和相量圖124同步發(fā)電機(jī)的電磁關(guān)系和分析方法125同步發(fā)電機(jī)的電磁關(guān)系和分析方法126同步發(fā)電機(jī)的電磁關(guān)系和分析方法127同步發(fā)電機(jī)的電磁關(guān)系和分析方法128小結(jié)（雙反應(yīng)理論）一、凸極同步電機(jī)的電樞反應(yīng)——雙反應(yīng)理論

由于凸極同步機(jī)的氣隙不均勻，氣隙各處的磁阻不同，在極面下的磁導(dǎo)大，兩極之間的磁導(dǎo)小，所以在分析電樞反應(yīng)時(shí)，采用雙反應(yīng)法，即把電樞基波磁動(dòng)勢(shì)分解為作用在直軸上的和作用在交軸上的，還可以將電樞電流分解為和，即129小結(jié)（電磁關(guān)系）二、電磁關(guān)系當(dāng)不計(jì)磁路飽和現(xiàn)象時(shí)，在定子繞組中分別成立直軸電樞反應(yīng)電勢(shì)和交