Chpt514同步電機(jī)原理 (2)課件

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)來看，與異步電機(jī)的定子沒有多大區(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。凸極式隱極式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)于定子來說是一個(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)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)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220-17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)榭捎懈鶕?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ω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