電機(jī)與拖動(dòng)技術(shù)項(xiàng)目化教程 課件 項(xiàng)目四　同步電機(jī)的應(yīng)用

同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理Thestructureandworkingprincipleofsynchronousmotors同步電機(jī)的銘牌NamePlateofsynchronousmotorcontents目錄同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)Basicstructureofsynchronousmotor同步電機(jī)的工作原理Theworkingprincipleofsynchronousmotors一、同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)包括：定子、轉(zhuǎn)子、氣隙。定子鐵芯機(jī)座

電樞繞組

定子(電樞)磁極

轉(zhuǎn)軸

勵(lì)磁繞組

轉(zhuǎn)

子旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子有凸極和隱極兩種結(jié)構(gòu)形式二、同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)汽輪發(fā)電機(jī)：一、同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)定子鐵心：硅鋼片疊制而成

國產(chǎn)200MW汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心機(jī)座：鋼板焊接而成，有足夠的強(qiáng)度和鋼度。二、同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)汽輪發(fā)電機(jī)：一、同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)電樞繞組：三相對(duì)稱繞組，由銅線制成。汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組端部結(jié)構(gòu)照片冷卻水軟管冷卻水匯流管二、同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)汽輪發(fā)電機(jī)：一、同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子鐵心：采用整塊的含鉻、鎳和鉬的合金鋼鍛成勵(lì)磁繞組：銅線制成護(hù)環(huán)：保護(hù)勵(lì)磁繞組受離心力時(shí)不甩出中心環(huán)：支持護(hù)環(huán)，阻止勵(lì)磁繞組軸向移動(dòng)滑環(huán)：引勵(lì)磁電流經(jīng)電刷、滑環(huán)進(jìn)入勵(lì)磁繞組二、同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)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（KVA）轉(zhuǎn)軸上輸出的有效機(jī)械功率（KW）調(diào)相機(jī)出線端輸出的無功功率（KVar）額定功率發(fā)電機(jī)輸出的額定有功功率（KW）二、同步電機(jī)的銘牌同步電機(jī)的額定值（名牌值）由以下幾種：1.

額定容量SN

或額定功率

PN

2.

額定電壓UN是指同步電機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)其定子三相的線電壓3.

額定電流IN是指同步電機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)流過其定子繞組的線電流7.

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。

6.

額定轉(zhuǎn)速

和額定頻率

是指同步電機(jī)額定運(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）。5.

額定效率

是指額定運(yùn)行時(shí)的效率。4.

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)二、同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)二、

同步電機(jī)的銘牌同步發(fā)電機(jī)額定值之間關(guān)系為：同步電動(dòng)機(jī)額定值之間關(guān)系為：同步電機(jī)的物理模型三、

同步電機(jī)的工作原理同步發(fā)電機(jī)的基本工作原理一、同步電機(jī)的原理1、定子上：三相繞組，空間互差1200電角度，匝數(shù)相等2、轉(zhuǎn)子上：If,由轉(zhuǎn)子N極出來氣隙定子鐵心氣隙轉(zhuǎn)子S極3、原動(dòng)機(jī)n逆時(shí)針恒速旋轉(zhuǎn)定子上導(dǎo)體切割磁力線產(chǎn)生E1、定子上：三相繞組，空間互差1200電角度，匝數(shù)相等，通入三相交流電，形成旋轉(zhuǎn)磁場2、轉(zhuǎn)子上：If,在轉(zhuǎn)子上形成N、S極3、轉(zhuǎn)子磁極在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩同步電動(dòng)機(jī)的基本工作原理三、

同步電機(jī)的工作原理一、同步電機(jī)的原理U2U1W2V1W1V2發(fā)電機(jī)的物理過程三、

同步電機(jī)的工作原理一、同步電機(jī)的原理U2U1W2V1W1V2電動(dòng)機(jī)的物理過程SN三、

同步電機(jī)的工作原理同步電機(jī)大多用在大型發(fā)電機(jī)的場合。而異步電機(jī)則幾乎全用在電動(dòng)機(jī)場合。同步電機(jī)可以通過勵(lì)磁靈活調(diào)節(jié)輸入側(cè)的電壓和電流相位，即功率因數(shù)；異步電機(jī)的功率因數(shù)不可調(diào)，一般在0.75-0.85之間，因此在一些大的工廠，異步電機(jī)應(yīng)用較多時(shí)，可附加一臺(tái)同步電機(jī)做調(diào)相機(jī)用，用來調(diào)節(jié)工廠與電網(wǎng)接口處的功率因數(shù)。同步電機(jī)造價(jià)高，維護(hù)工作量大，現(xiàn)在一般都采用電容補(bǔ)償功率因數(shù)。

另外，一些早期采用晶閘管的變頻器，由于器件沒有自關(guān)斷能力，需要依靠負(fù)載換流，這時(shí)需要用到同步電機(jī)。

一、同步電機(jī)的原理三、

同步電機(jī)的工作原理一、同步電機(jī)的原理同步電機(jī)的分類按運(yùn)行方式，同步電機(jī)分發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和調(diào)相機(jī)。按結(jié)構(gòu)型式，同步電機(jī)分旋轉(zhuǎn)電樞式和旋轉(zhuǎn)磁極式。旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機(jī)按磁極形狀，又分隱極式和凸極式兩種。按原動(dòng)機(jī)類別,同步電機(jī)分為汽輪發(fā)電機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)等。汽輪發(fā)電機(jī)一般做成隱極式，現(xiàn)代汽輪發(fā)電機(jī)均為2極，轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分鐘，水輪發(fā)電機(jī)采用凸極式，極數(shù)多，轉(zhuǎn)速低。同步電動(dòng)機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)和調(diào)相機(jī)一般作成凸極式。三、

同步電機(jī)的工作原理謝謝！同步電動(dòng)機(jī)V形曲線及功率因數(shù)調(diào)節(jié)V-shapecurveandpowerfactoradjustmentofsynchronousmotor同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的調(diào)節(jié)Regulationofpowerfactorofsynchronousmotorcontents目錄同步補(bǔ)償機(jī)Synchronouscompensator同步電動(dòng)機(jī)的V形曲線V-shapecurveofsynchronousmotor四、同步電機(jī)V形曲線及功率因數(shù)調(diào)節(jié)

同步電動(dòng)機(jī)的U形曲線是指當(dāng)電源電壓和電源的頻率均為額定值時(shí)，在輸出功率不變的條件下，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流If

時(shí)定子電流Is的相應(yīng)變化。一、同步電動(dòng)機(jī)的V形曲線

對(duì)每條V形曲線，定子電流有一最小值，這時(shí)定子僅從電網(wǎng)吸收有功功率，功率因數(shù)。把這些點(diǎn)連起來，稱為線。它微微向右傾斜，說明輸出為純有功功率情況下，輸出功率增大的同時(shí)，必須相應(yīng)地增加一些勵(lì)磁電流。這樣，線可作為分界線，在線的左邊是欠勵(lì)區(qū)，右邊是過勵(lì)區(qū)。當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)帶一定負(fù)載時(shí)，若減小勵(lì)磁電流If，電動(dòng)勢E0、電磁功率Pem減小。當(dāng)Pem減小到一定程度，電動(dòng)機(jī)就失去同步，如上一頁圖中虛線所示的不穩(wěn)定區(qū)。從這個(gè)角度來看，同步電動(dòng)機(jī)最好也不運(yùn)行于欠勵(lì)狀態(tài)。四、同步電機(jī)V形曲線及功率因數(shù)調(diào)節(jié)一、同步電動(dòng)機(jī)的V形曲線四、同步電機(jī)V形曲線及功率因數(shù)調(diào)節(jié)當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)接在交流電源上，可以認(rèn)為電源的電壓Us以及頻率f1都保持不變。另外，假設(shè)同步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩也保持不變，那么僅改變同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流If，就能調(diào)節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)。下面以隱極同步電動(dòng)機(jī)為例進(jìn)行分析。這說明當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)只改變勵(lì)磁電流If時(shí)，電動(dòng)勢E0的大小及相位也要跟著改變，以滿足上式的關(guān)系。

二、同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的調(diào)節(jié)四、同步電機(jī)V形曲線及功率因數(shù)調(diào)節(jié)當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，由于同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定不變，所以同步電動(dòng)機(jī)的輸出功率不變。在忽略電機(jī)中的各種損耗的情況下，同步電動(dòng)機(jī)的輸入功率與輸出功率相等。于是有上式的物理意義是：在只改變勵(lì)磁電流的情況下，同步電動(dòng)機(jī)定子繞組中電流的有功分量保持不變。

因此，可畫出隱極同步電動(dòng)機(jī)在三種不同勵(lì)磁電流時(shí)的相量圖，如圖所示。在電壓Us

不變的條件下，必有二、同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的調(diào)節(jié)當(dāng)改變同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流時(shí)，能夠改變同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)，這點(diǎn)是三相異步電動(dòng)機(jī)所不具備的。

當(dāng)改變勵(lì)磁電流時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)變化的規(guī)律可以分為三種情況，即正常勵(lì)磁狀態(tài)、欠勵(lì)狀態(tài)和過勵(lì)狀態(tài)。同步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，一般要過勵(lì)，至少運(yùn)行在正常勵(lì)磁狀態(tài)，不要讓它運(yùn)行在欠勵(lì)狀態(tài)。四、同步電機(jī)V形曲線及功率因數(shù)調(diào)節(jié)二、同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的調(diào)節(jié)過勵(lì)：欠勵(lì)：二、同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的調(diào)節(jié)ABCD正勵(lì)：當(dāng)改變同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流時(shí)，能夠改變同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)，這點(diǎn)是三相異步電動(dòng)機(jī)所不具備的。

當(dāng)改變勵(lì)磁電流時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)變化的規(guī)律可以分為三種情況，即正常勵(lì)磁狀態(tài)、欠勵(lì)狀態(tài)和過勵(lì)狀態(tài)。

1.調(diào)相機(jī)的額定容量指的是在過勵(lì)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(dòng)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(lì)磁線圈導(dǎo)線截面較大，但勵(lì)磁損耗仍然很大，對(duì)通風(fēng)冷卻要求較高。三、同步補(bǔ)償機(jī)根據(jù)同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)可調(diào)這種特性專門設(shè)計(jì)一種同步電動(dòng)機(jī)，使它在運(yùn)行時(shí)不拖動(dòng)任何機(jī)械負(fù)載，只是從電網(wǎng)吸收電感性或電容性無功功率，這種同步電機(jī)稱為同步補(bǔ)償機(jī)又叫調(diào)相機(jī)。特點(diǎn)：謝謝！同步電動(dòng)機(jī)的功率與轉(zhuǎn)矩ThePowerandtorqueofSynchronousMotors同步電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢平衡方程Thecreationofarotatingmagneticfieldcontents目錄同步電動(dòng)機(jī)的功角特性Electromotiveforcebalanceequationofsynchronousmotor同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩Torqueofsynchronousmotor同步電動(dòng)機(jī)功率平衡方程Powerbalanceequationofsynchronousmotor

輸入電功率P1電磁功率PM輸出機(jī)械功率P2定子銅損

定子鐵損機(jī)械損耗

功率平衡方程：一、同步電動(dòng)機(jī)的功率平衡方程功率流程圖

二、同步電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢平衡方程同步電機(jī)主磁場：轉(zhuǎn)子通以直流電產(chǎn)生磁場稱之為主磁場。定子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢，稱之為同步感抗電動(dòng)勢：則，電樞電路中的電壓平衡方程可以寫成電樞電流可以分成兩個(gè)分量，直軸分量與交軸分量。二、同步電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢平衡方程因此，得出同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程為畫出相應(yīng)的同步電機(jī)向量圖

二、同步電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢平衡方程三、同步電機(jī)的功率思考：同步電機(jī)的機(jī)械特性是什么？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)的電磁功率為由凸極同步電動(dòng)機(jī)的相量圖，，于是三、同步動(dòng)機(jī)的功角特性三、同步電機(jī)的功率此外，根據(jù)相量圖可得考慮以上這些關(guān)系，得三、同步電動(dòng)機(jī)的功角特性（10-20）勵(lì)磁電磁功率1凸極電磁功率2思考：反映的是電機(jī)的哪個(gè)具體角度？三、同步電機(jī)的功率三、同步電機(jī)的功角特性相量分析1.正常勵(lì)磁2.過勵(lì)磁3.欠勵(lì)磁三、同步電機(jī)的功角特性三、同步電機(jī)的功率

上式所示凸極同步電動(dòng)機(jī)的電磁功率Pem中，第一項(xiàng)與勵(lì)磁電流If

的大小有關(guān)，稱為勵(lì)磁電磁功率。第二項(xiàng)與勵(lì)磁電流If

的大小無關(guān)，是由參數(shù)引起的，這部分功率只有凸極同步電動(dòng)機(jī)才有，而對(duì)隱極同步電動(dòng)機(jī)則不存在，所以該電磁功率稱為凸極電磁功率。第一項(xiàng)勵(lì)磁電磁功率是主要的，第二項(xiàng)凸極電磁功率比第一項(xiàng)小得多。

曲線3是總的電磁功率Pem與θ

角的關(guān)系曲線，可見與Pem最大值所對(duì)應(yīng)的θ角小于90o。三、同步電機(jī)的功角特性為了結(jié)構(gòu)上的簡單，在某些小容量同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上不安放直流勵(lì)磁繞組，因此轉(zhuǎn)子就不能產(chǎn)生磁場，感應(yīng)電勢，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的電磁功率并不為零，仍有

有了電磁功率就有電磁轉(zhuǎn)矩，因此轉(zhuǎn)子沒有勵(lì)磁的凸極同步電動(dòng)機(jī)也能旋轉(zhuǎn)。三、同步電機(jī)的功率三、同步電機(jī)的功角特性同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩根據(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，因此將電磁功率的表達(dá)式代入上式得到的電磁轉(zhuǎn)矩為三、同步電機(jī)的功率三、同步電機(jī)的功角特性若是隱極式同步電動(dòng)機(jī)，因Xd=Xq

，功角特性和矩角特性的表達(dá)式為功角特性表達(dá)式與矩角特性表達(dá)式之間僅相差一個(gè)常數(shù)ω1

，所以功角特性曲線也可視為矩角特性曲線。三、同步電機(jī)的功率四、同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩角特性同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式中T0——負(fù)載轉(zhuǎn)矩。思考：同步電機(jī)如何適應(yīng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化？三、同步電機(jī)的功率四、同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定運(yùn)行問題

下面以隱極同步電動(dòng)機(jī)為例來討論同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行問題。由圖可見，當(dāng)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行在

=0

～90

的范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行在

=90

～180

的范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)不能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

三、同步電機(jī)的功率四、同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩如果與異步電動(dòng)機(jī)一樣，將最大電磁轉(zhuǎn)矩Tem與額定電磁轉(zhuǎn)矩TN之比，稱為過載倍數(shù)，用

表示?？梢?，為了滿足過載限制的要求，隱極同步電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)，。對(duì)于凸極同步電動(dòng)機(jī)，額定運(yùn)行時(shí)的功率角還要小些。三、同步電機(jī)的功率四、同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩同步電機(jī)的起動(dòng)WorkingprincipleofDCmotor同步電機(jī)輔助電機(jī)起動(dòng)法SynchronousMotorAuxiliaryMotorstartingmethodcontents目錄同步電機(jī)變頻起動(dòng)法VVariablefrequencystartingmethodofsynchronousmotor同步電機(jī)異步起動(dòng)法Asynchronousstartingmethodofsynchronousmotor一、同步電機(jī)異步起動(dòng)法U1U2

W2V1W1V2起動(dòng)繞組：電機(jī)的主極極靴上設(shè)有起動(dòng)繞組，相當(dāng)于感應(yīng)電機(jī)的鼠籠繞組。籠型起動(dòng)繞組五、同步電機(jī)的啟動(dòng)一、同步電機(jī)異步起動(dòng)法

起動(dòng)時(shí)，先把勵(lì)磁繞組通過電阻短接，轉(zhuǎn)子借助起動(dòng)繞組起動(dòng)，轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，把定子繞組接到三相交流電網(wǎng)，由旋轉(zhuǎn)磁場牽入同步。自耦變壓器＋－異步起動(dòng)時(shí)的線路圖起動(dòng)運(yùn)行

選用與同步電動(dòng)機(jī)極數(shù)相同的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)作為輔助電動(dòng)機(jī)，當(dāng)輔助電機(jī)把主機(jī)拖動(dòng)到接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，再用自整步法把主機(jī)投入電網(wǎng)。五、同步電機(jī)的啟動(dòng)二、同步電機(jī)輔助電機(jī)起動(dòng)法＋－輔助電機(jī)起動(dòng)時(shí)的線路圖三、同步電機(jī)變頻起動(dòng)法起動(dòng)時(shí)，加上勵(lì)磁，把變頻電源輸出頻率調(diào)的很低。緩慢提高變頻器的輸出頻率，直到額定頻率。

切除變頻器。＋－變頻起動(dòng)時(shí)的線路圖

變頻器謝謝！同步發(fā)電機(jī)的基本特性Basiccharacteristicsofsynchronousgenerator發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)Armaturereactionofgeneratorcontents目錄同步發(fā)電機(jī)的外特性Externalcharacteristicsofsynchronousgenerator發(fā)電機(jī)的空載特性No-loadcharacteristicofgenerator同步發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)特性Regulatingcharacteristicsofsynchronousgenerator一、發(fā)電機(jī)的空載特性定義：

空載特性是發(fā)電機(jī)的基本特性之一。它一方面表征了磁路的飽和情況，另一方面把它和短路特性、零功率因數(shù)負(fù)載特性配合，可確定電機(jī)的基本參數(shù)、額定勵(lì)磁電流和電壓變化率等。實(shí)際生產(chǎn)中，它還可以檢查三相電樞繞組的對(duì)稱性、匝間短路、判斷勵(lì)磁繞組和定子鐵心有無故障等。二、發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)電