同步電機課件

第五章同步電機§5—1．同步電機的結(jié)構(gòu)§5—2．同步發(fā)電機的基本特性§5—3．同步發(fā)電機的電壓、轉(zhuǎn)矩和功率的平衡§5—4．同步發(fā)電機的并聯(lián)運行§5—5．同步發(fā)電機的短路與振蕩§5—6．同步電動機§5—1.同步電機的結(jié)構(gòu)本節(jié)的主要內(nèi)容有兩部分基本結(jié)構(gòu)：

主要點：類型與轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)（同步電機的定子結(jié)構(gòu)與異步機相似）。銘牌數(shù)據(jù)：

主要點：額定容量表示（兩種），額定電壓和額定電流。一、同步電機結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)：由鐵心和繞組組成，與異步電機定子基本相同?！嗤瑱C座號時，若與異步機互換定子，則仍然可以運行。

區(qū)別：主要是尺寸方面，同步電機通常容量較大，而異步機的容量相對較小。因此，從表面上看同步機機殼無散熱片，異步機則有

接線：發(fā)電機定子繞組通常采用Y形連接，減小三次諧波影響。

定子結(jié)構(gòu)：轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)隱極式轉(zhuǎn)子大型機的轉(zhuǎn)子支架轉(zhuǎn)子鐵心硅鋼片轉(zhuǎn)子軸上的滑環(huán)一對極隱極式兩對極凸極式轉(zhuǎn)子：有凸極式和隱極式兩種。轉(zhuǎn)子繞組是直流繞組。二、同步發(fā)電機的基本類型

類型與勵磁方式

類型：同步發(fā)電機有轉(zhuǎn)樞式和轉(zhuǎn)極式兩種。同步發(fā)電機主要采用轉(zhuǎn)極式，∵磁極在轉(zhuǎn)子時，通過滑環(huán)引導(dǎo)的電流較小。

自勵：凡以發(fā)電機本身的電樞繞組或輔助繞組為勵磁電源的勵磁方式稱為自勵。

他勵：凡設(shè)有專用勵磁電源的稱為他勵。即，采用勵磁機進行勵磁的就是他勵。無刷同步發(fā)電機是他勵的一種形式。

無刷同步發(fā)電機是將這兩種形式的兩臺電機同時安裝在同一根軸上，是兩臺電機的組合。船上不采用直流勵磁機進行勵磁。無刷勵磁也是靠剩磁起壓的。

無刷同步發(fā)電機實際上是兩臺機同軸工作。定子：1和2，轉(zhuǎn)子：3和4；主發(fā)電機：2和4，勵磁發(fā)電機：1和3。說明P.46的圖4-1-4就是P.199的圖12-2-2。§5—2.同步發(fā)電機的基本特性

本節(jié)的主要內(nèi)容有三大部分：

空載特性：

主要點：掌握空載特性的實質(zhì)，分析工作過程知道空載電勢的計算式。

電樞反應(yīng)：

主要點：分析負(fù)載后，負(fù)載大小和性質(zhì)不同時，電樞磁場對氣隙磁場的影響。

外特性和調(diào)節(jié)特性：

主要點：知道特性的形狀和隨負(fù)載的變化情況。一、空載特性電勢計算式：

由工作過程分析知道同步發(fā)電機空載電勢E0：——書P.47式（4-2-2）

E0=4.44kfNΦ0空載特性：

保持額定轉(zhuǎn)速不變，空載電勢E0與空載勵磁電流If的關(guān)系曲線?！逧0∝Φ0∝B

，If∝H；∴空載特性的實質(zhì)就是磁化曲線?？蛰d特性實驗：

按如圖所示接線，起動原動機拖動同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，將勵磁回路電阻Rf調(diào)至最大，合上勵磁回路電源開關(guān)。觀察電流表A和電壓表V的數(shù)值并記錄?？蛰d特性實驗注意：只能單方向調(diào)節(jié)電阻。方法：

逐步將Rf調(diào)小，使電流逐步增大，記錄數(shù)據(jù)。然后逐步將Rf調(diào)大再記錄數(shù)據(jù)。三、外特性和調(diào)節(jié)特性

外特性：同步發(fā)電機外特性與變壓器相似，但電壓變化率計算式P.49.式(4-2-5)與P.17.式(2-3-3)不同。

注意：P.50思考題(4-2-4)。思考題(4-2-4)：同步發(fā)電機的電壓變化率的大小、正負(fù)與發(fā)電機所帶的負(fù)載的大小和性質(zhì)有關(guān)。因為負(fù)載大小影響了電樞反應(yīng)作用的大小，負(fù)載性質(zhì)決定了電樞反應(yīng)的去磁、增磁性質(zhì)。若電樞反應(yīng)去磁，電壓變化率為正；若電樞反應(yīng)增磁，則電壓變化率為負(fù)。此時，外特性為上翹的特性。電樞反應(yīng)越強，電壓變化率的值就越大（反之亦然）。

特性：為了保持電壓不變，在功率因數(shù)一定時，勵磁電流應(yīng)隨電樞電流進行變化調(diào)節(jié)的曲線。不同的功率因數(shù)，電樞反應(yīng)大小不一樣，性質(zhì)可能也可能不同。[第二節(jié)要點]：空載特性實質(zhì)；電樞反應(yīng)3種；外特性與Δu；調(diào)節(jié)特性。調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)特性曲線電樞反應(yīng)去磁，則勵磁電流應(yīng)增加，反之則減小?！?—3.同步發(fā)電機的電壓、轉(zhuǎn)矩和功率的平衡本節(jié)的主要內(nèi)容有三部分：電壓方程及相量圖：主要掌握：電樞電路的等效、相量圖和重要參數(shù)——同步電抗和功率角、功率因數(shù)角、內(nèi)功率因數(shù)角等概念。轉(zhuǎn)矩和功率的平衡：主要理清能量轉(zhuǎn)換關(guān)系。獨立運行特點：獨立運行特點單獨作為一點討論，目的是要求給予重視，與后續(xù)特點進行比較。電勢公式電勢公式可應(yīng)用三角計算公式從相量圖得到：三角形構(gòu)成——以E0為斜邊以U相量及其延長線為一條直角邊，構(gòu)造一個直角三角形。與電流I有關(guān)相量變換（投影）到直角邊都與功率因數(shù)角φ有關(guān)。電壓平衡方程：電勢公式：——P.51.式（4-6-3），忽略電樞電阻后：相量圖根據(jù)電壓平衡方程可畫出相量圖。負(fù)載分別為：感性、阻性和容性時：感性負(fù)載忽略電樞電阻電阻性負(fù)載容性負(fù)載二、轉(zhuǎn)矩和功率的平衡

功率平衡：

功率平衡關(guān)系就是能量平衡關(guān)系。P.52式(4-3-8)：Pin=Pe+P0，應(yīng)寫成：P1=Pe+△P0

其中，電磁功率：Pe=3E0Icosψ，內(nèi)功率因數(shù)角ψ

；空載損耗△P0(主要是機械損耗)。

轉(zhuǎn)矩平衡：

公式：P.52式(4-3-10)：T=3E0Icosψ/Ω?！?—4.同步發(fā)電機的并聯(lián)運行本節(jié)的主要內(nèi)容有兩部分：與無窮大電網(wǎng)并聯(lián)

：

主要掌握：并聯(lián)運行概念、有功功率和無功功率的計算與調(diào)節(jié)、功角特性矩角特性等概念和并聯(lián)特點。同容量發(fā)電機并聯(lián)

：

主要掌握：特點。一、與無窮大電網(wǎng)并聯(lián)

無窮大電網(wǎng)：電網(wǎng)與單機容量比非常大，U、f不受單機調(diào)節(jié)影響。

并聯(lián)運行：是指兩臺以上發(fā)電機同時向同一電網(wǎng)供電的工作狀態(tài)。

并聯(lián)條件：三個相等（電壓、頻率、相位）、一個（相序）一致。

有功功率的調(diào)節(jié)：調(diào)節(jié)發(fā)電機的油門，轉(zhuǎn)子瞬時加速，功角瞬時增大，輸出有功功率增加，電磁轉(zhuǎn)矩增大達到轉(zhuǎn)矩平衡（轉(zhuǎn)速恒定）。——θ＞180°失步。——注意：功角的概念。功角及功角特性

功角：是發(fā)電機磁極磁場與氣隙合成磁場之間的空間角度，也正好等于電勢E0與電壓U之間的相位角?！逫cosφ=E0sinθ/Xs，Pe=3UIcosφ，∴Pe=3UE0sinθ/Xs，即：

功角特性。凸極機∵直交軸方向氣隙不均勻.多一個“反應(yīng)轉(zhuǎn)矩”。

矩角特性：與功角特性相似。——書P.53式（4-4-2）。

1.調(diào)節(jié)油門，可以調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出的有功功率大??；

2.調(diào)節(jié)勵磁電流，可以調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出的無功功率大小；

3.調(diào)節(jié)一臺發(fā)電機的油門或者勵磁電流，電網(wǎng)的頻率和電壓不會發(fā)生變化。結(jié)論輸出感性無功等于消耗容性無功；輸出容性無功等于消耗感性無功。——通過附圖可以理解。未接電容之前消耗感性，電容輸出容性無功后，整個電路不消耗無功功率。二、同容量同步發(fā)電機的并聯(lián)并聯(lián)運行特點：

1.各并聯(lián)運行發(fā)電機輸出的總有功功率和無功功率分別等于負(fù)載的有功功率和無功功率。P=P1+P2；Q=Q1+Q2。

2.單獨調(diào)節(jié)一臺發(fā)電機的油門（輸入功率），負(fù)載不變時，電網(wǎng)的頻率將發(fā)生變化。

3.單獨調(diào)節(jié)一臺發(fā)電機的勵磁電流，負(fù)載不變時，電網(wǎng)的電壓將發(fā)生變化。

理解：一臺油門增加，負(fù)載不變，另一臺輸出有功減少，電網(wǎng)總輸入增加、有功輸出不變，頻率增加。（無功同理）[第四節(jié)要點]：理想合閘條件；功角特性；并聯(lián)運行特點（無窮大，同容量）。二、并聯(lián)運行發(fā)電機的振蕩種類：并聯(lián)運行時的振蕩有，1.自由振蕩；2.強迫振蕩。危害：嚴(yán)重時會損壞設(shè)備。自由振蕩：——只有并聯(lián)運行時才有，單機運行時沒有。

∵調(diào)節(jié)或者負(fù)載變化使機械轉(zhuǎn)矩（輸入）和電磁轉(zhuǎn)矩（輸出）失去平衡，發(fā)電機n將發(fā)生變化。而∵轉(zhuǎn)子慣性會出現(xiàn)以振蕩?！话闶撬p振蕩，問題不大。強迫振蕩：——單機和并聯(lián)運行時都有?；钊皆瓌訖C（四個沖程中既有做功沖程，也有不做功沖程）造成的振蕩。——一般在設(shè)計時已經(jīng)避開臨界轉(zhuǎn)速。解決辦法：發(fā)現(xiàn)長時間振蕩可通過適當(dāng)改變頻率使振蕩衰減。[第五節(jié)要點]：突然短路（各電抗大小及關(guān)系）；振蕩（種類，危害）。§5-6.同步電動機

本節(jié)的主要內(nèi)容有兩部分：轉(zhuǎn)動原理與起動：

主要點：同步電動機如何轉(zhuǎn)動、怎樣轉(zhuǎn)動。電動機的電流：

主要點：影響同步電動機電樞電流的因素。同步電動機的內(nèi)容不是重點，主要要求了解基本點。一、轉(zhuǎn)動原理與起動

轉(zhuǎn)動原理：

由并聯(lián)運行同步發(fā)電機的功角特性可知：當(dāng)同步發(fā)電機處于空載狀態(tài)并聯(lián)在電網(wǎng)時，若將原動機通過離合器脫開，此時轉(zhuǎn)子在機械阻轉(zhuǎn)矩的作用下將減速，電機的功角θ＜0，輸出的有功功率為負(fù)值，即表示從電網(wǎng)吸收有功功率。也就是說：同步發(fā)電機就變成了同步電動機。

結(jié)論：功角θ＜0，輸出P＜0，即輸入P，變成同步電動機?！D(zhuǎn)速仍然是同步轉(zhuǎn)速。同步電動機的起動

分析：若直接將靜止不動的同步電動機轉(zhuǎn)子進行勵磁，而在定子三相電樞繞組通入三相交流電，在氣隙中將有勵磁磁場（恒定不變）和電樞磁場（旋轉(zhuǎn)）同時存在，當(dāng)電樞磁場超前勵磁磁場時，將拖動勵磁磁場轉(zhuǎn)動，由于轉(zhuǎn)子存在著慣性，而電樞磁場轉(zhuǎn)速又很快，θ在180°內(nèi)電樞磁場不能及時將轉(zhuǎn)子拉入同步，而θ超過180°后，電樞磁場與勵磁磁場的相互作用力變成斥力，于是在一個周期內(nèi)，電磁轉(zhuǎn)矩的平均值為零。因此，同步電動機不能直接起動。

起動方法：主要有間接起動和異步起動。間接起動和異步起動

間接起動：通過其它機械（原動機）將同步電動機起動至額定轉(zhuǎn)速，然后定子電樞繞組接三相交流電，轉(zhuǎn)子勵磁繞組通入勵磁電流，通過機械離合器脫開原動機并帶上機械負(fù)載，同步電動機進入正常的電動運行狀態(tài)工作。

異步起動：依靠同步電動機磁極上的起動繞組（類似鼠籠繞組）起動。起動時，將轉(zhuǎn)子繞組串聯(lián)一個5～10倍勵磁繞組電阻值的電阻，定子接入三相交流電，起動繞組以異步機的原理起動，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時，勵磁繞組通過轉(zhuǎn)換開關(guān)斷開串聯(lián)的電阻，接入正常勵磁電流，此時由于電樞磁場與勵磁磁場的相對轉(zhuǎn)速很小，轉(zhuǎn)子在電樞磁場的作用下將被拉入同步。拉入同步后的電動機就可帶動機械負(fù)載正常工作。

異步法起動時注意：勵磁繞組既不能開路也不能短路，而應(yīng)在轉(zhuǎn)子繞組回路中串聯(lián)一個5～10倍勵磁繞組電阻值的電阻。

這是因為：由于勵磁繞組的匝數(shù)很多，起動時，若開路則會感應(yīng)出很高的電壓，造成設(shè)備損壞等后果。而若直接短路，則短路電流較大，會燒壞勵磁繞組。

轉(zhuǎn)子回路電阻的