同步电机

同步电机同步补偿机实际是一台接在交流电网上空载的同步 电动机，电机不带任何机械负载，靠调节转子中的 励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率 ，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目 。第一节 同步电机的用途 同步电机主要用作发电机运行，把机械能转化成 电能。向电网发出交流电，是同步电机最主要的 运行方式同步电动机可以通过调节励磁电流来改善电网的功率因数。在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用主要特征： 定子铁心上有齿和槽，槽内设置三相对称绕 组 转子上装有磁极和励磁绕组。当励磁绕组通 以直流电流后，产生转子磁场同步发电机:原动机带动转子旋转，则磁场与定子绕组间有相对运动，在定子绕组中感应出三相交流电势电势的频率取决于电机的 极对数 转子的转速同步电动机：定子绕组接频率为f 的三相交流电源电机极对数为p气隙中产生转速为n1的旋转磁场旋转磁场将吸住转子磁极一起旋转它们有相同的转速和转向同步电机无论作为发电机或电动机，它的转子转速总等于由电机极对数和电枢电流频率所决定的同步转速“同步”机因而得名一、基本结构 同步电机分为旋转电枢式：磁极装在定子上，用于小容量同步电机中。旋转电枢式旋转磁极式旋转磁极式：磁极装在转子上，为大中型同步电机的基本形式。旋转磁极式同步电机的结构转子 定子 电刷和集电环同步电机又分为隐极式和凸极式两种。有明显的凸出的磁极，气隙不均匀，制作简单。适合于高速发电机适合于低速发电机转子圆柱形，气隙均匀，转子机械强度高，励磁绕组固定容易。NS+隐极式N S NS+凸极式汽轮发电机 由汽轮机驱动的同步发电机 p = 1 n = 3000r/min (50Hz) n = 3600r/min (60Hz) 采用隐极结构 转子细而长转子高速旋转，对铁心的强度要求很高，就目前材料，转 子直径不能超过1.1m。 基本采用卧式结构水轮发电机 由水轮机驱动的同步发电机 n = 几十 几百r/min 极对数多采用凸极结构 转子粗而短 励磁绕组为集中绕组 立式结构二、同步电机的运行状态 转子磁场 转子通入直流励磁电流产生，与转子同步旋转。定子磁场 定子三相对称绕组流过三相对称电流产生，以 同步速旋转（等于转子转速）。同步电机有发电机、电动机、补偿机三种运行状态。运行状态取决于磁场的相对位置合成磁场 定子磁场和转子磁场的合成，以同步速旋转。功率角 转子磁场轴线领先合成磁场轴线的夹角。 > 0时，Te为制动转矩，原动机的驱动转矩与电磁转矩Te 平衡 。转子吸收机械功率，定子发出电功率。 发电机运行状态 < 0 时，Te为驱动转矩，带动负载运行。转子 输出机械功率，定子吸 收电功率。 电动机运行状态 = 0 时，不进行能量转换，仅发出或吸收无功功率，补偿机。 补偿机运行状态三、额定值 1、额定功率 (kW) 输出的额定功率发电机：电功率；电动机：机械功率2、 额定电压(V)：定子绕组额定线电压 3、 额定电流(A)：定子绕组额定线电流 4、 额定转速 (r/min)：额定运行时的转子转速 5、 额定功率因数Cos：额定工况下发电机的功率因数 6、 励磁电压（V）和励磁电流(A)6.7 同步电机的运行特性一、运行特性包括外特性、调整特性和效率特性。1.外特性n=ns，If=常值时，cos常值时 U=f(I)外特性曲线（1）在感性负载和纯电阻负载时，外特性是下降的。原因：电枢反应的 去磁作用和漏阻抗压降所引起。（2）容性负载时，外特性有可能上升。外特性上升条件：直轴电枢反应的助磁作用能够抵消电枢漏抗压降。电压调整率定义：E0为保持额定励磁电流和同步转速不变，卸去负载（即空载I=0）时，发电机的空载相电压。对凸极同步发电机，u最好控制在1830%；对隐极同步发电机，由于电枢反应较强， u最好控制在 3048%。电压调整率是同步发电机的性能指标之一。2.调整特性n=ns，U=UN，cos=常值时，If=f(I)调整特性曲线（1）在感性负载和纯电阻负载时，调整特性是上升的。原因：随电枢电流的增大，电枢去磁和电枢漏抗压降增大，为保证端电压保持为额定值不变，必须提高励磁电流。 （2）容性负载时，调节特性有可能下降。外特性下降条件：内功率因数角超前较大，能够抵消电枢漏抗压降。从调整特性可以确定同步发电机的额定励磁电流IfN。n=ns，U=UN，cosc os N时3. 效率特性f(P2)同步电机的损耗 可以分为基本损耗和杂散损耗两部分。基本损耗：基本铁耗pFe电枢基本铜耗pCu,机械损耗p励磁损耗pCuf杂散损耗： 电枢漏磁通在电枢绕组和其他金属结构部件中 所引起的涡流损耗，高次谐波磁场掠过转子表 面所引起的表面的损耗等。现代空气冷却的大型水轮发 电机，额定效率大致在96 98.5这一范围内；额定效率亦是同步发电机的性能指标之一。空冷汽轮发电机的额定效率 大致在9497.8这一范围内；氢冷时，额定效率约 可增高0.8。6.8 同步发电机与电网的并联运行 电网的概念：现代电力系统（电网）通常总是由许多发电厂并联组成，每个电厂内又有多台发电机在一起并联运行 。 并联运行：把发电机并联到电网上运行的运行方式称为并 联运行。提高供电的质量； 并联运行的优待点： 提高供电的可靠性；提高供电的经济性。研究同步发电机与电网地并联运行问题，不仅具有理论意 义，而且还有很大的实际意义。一、同步发电机投入并联的条件和方法同步发电机投入并联时，为了避免电机和电网中产生冲击 电流，以及由此在电机转轴上产生的冲击转距，待投入并 联的发电机应当满足：1. 投入并联的条件（1） 发电机的相序应与电网一致；（2）发电机的频率应与电网相同；（3） 发电机的激磁电动势应与电网电压大小相同，相位 相同，分析：1）相序不同；2）频率不同；3）电压不同。第一个条件必须满足，其余两个条件允许有些差别。如何才能达到这些条件？关于相序问题：一般大型同步发电机的转向和相序在出厂以前都已经标定。对于没有表明转向和相序的电机，可以利用相序指示器来确定。要使发电机的频率、电压与电网相同，分别调节原动机的 转速和发电机的励磁电流就可以达到。关于电动势的频率和大小：发电机的频率和励磁电动势为：fpn/60和E04.44fN1kw10电动势的相位：可以调节发电机的瞬时速度来调整。3. 同步电动机的运行特性同步电动机的运行特性包括工作特性和V形曲线两部分。U=UN、If=IfN时，Te、IM、cosM=f(P2)。当输出功率P2=0时，电枢电流为很小的空载电流；随着输出功率的增加，电枢电流也随之增大，电枢电流也随之增 大，IM=f(P2)近似为一直线。（1）工作特性 Te=f(P2)是一条直线同步电动机的效率特性与其他电机基本相同。空 载时，=0，随着输出功率的增加，效率逐步增加，达到某个最大之后开始下降。同步电动机的功率因数特性与额定功率因数有关。曲线1对应励磁电流较小，空载时功率因数等于1。曲线2对应励磁电流稍大，半载时功率因数等于1。曲线3对应励磁电流更大，满载时功率因数等于1。改变励磁电流，可使电动机在任意特定负载下的功率因数达到1，甚至变成超前。同步电动机的最大电磁功率与额定功率之比，称为过载 能力。和发电机一样，增加电动机的励磁，可以提高最 大电磁功率Pe(max)，从而提高过载能力。U=UN，Pe=C时，IM=f(If)。 (2) V形曲线4. 同步电动机的起动同步电动机仅在同步转速时才产生恒定的同步电磁转矩。 起动时若把定子直接投入电网，转子加上直流励磁，则定 子旋转磁场以同步转速旋转，而转子磁场静止不动，定、转子磁场之间具有相对运动，所以作用在转子上的同步电 磁转矩正、负交变，平均转矩为零，电机不能自行起动。 因此，要把同步电动机起动起来，必须借助其他方法。起动方法异步起动法 辅机起动法 变频起动法（1）异步起动法起动绕组：电机的主极极靴上设 有起动绕组，相当于感应电机的 鼠笼绕组。起动方法： 起动时，先把励磁绕组通过电阻短接，然后把定子绕组接到三相交流电网。 依靠定子旋转磁场和转子绕组中感应电流所产生的异步电磁转矩，电机便能转起来。自耦变压 器笼形起动绕 组运行起动异步起动时的线路图 待转速上升到接近于同 步转速时，再将励磁电 流接入励磁绕组，使转 子建立主极磁场。 此时依靠定、转子磁场 相互作用所产生的同步 电磁转矩，再加上由于 凸极效应所引起的磁阻 转矩，便可能将转子牵 入同步。通常选用与同步电动机极数相同的感应电动机作为辅助 电动机，当辅助电机把主机拖动到接近同步转速时，再 用自整步法把主机投入电网。(2) 辅机起动方法(3) 变频起动法 起动时，加上励磁，把变频电源 输出频率调的很低。变频器缓慢提高变频器的输出频率，直 到额定频率。 切除变频器。5. 同步电动机的调速和控制方式(1)调速原理由改变供电电源的频率，可以方便地控制同步电动机的转速。 对于隐极同步电机 当转子励磁电流不变时，若采用恒电压/频率比控制同步电机的最大转矩保持不变。 (2)控制方式 同步电动机变频调速系统可分为它控式和自控式两种。 自控式 是从外部控制变频器频率来准确地控制转速。这种控制方式简单，但有失步和振荡问题，对急剧升、降速必须加以限制。自控式 是频率的闭环控制，采用转子位置传感器随时检测定、转子磁极相对位置和转子的转速，由位置传感器发出的位置信号去控制变频器中主开关元件的导通顺序和频率。电机的转速在任何时候都与变频器的供电频率保持严格的同步，故不存在失步和振荡现象， 三、同步补偿机1.同步补偿机的原理 同步补偿机可以看作为空载运行的同步电动机。在正常励磁时，电枢 电流极小，接近于零。过励时，从电网吸收超前的无功电流；欠励时 ，则从电网吸取滞后的无功电流。2.同步补偿机的额定容量和结构特点 同步补偿机的转子上装有起动绕组，供异步起动之用。 为提高材料利用率，大型补偿机常常采用氢冷。同步补偿机的额定容量是按过励时所能补偿的无功功率来 确定，其容量主要受定、转子绕组温升的限制。 由于补偿机不带任何机械负载，故可没有轴伸，对其机械结构 要求亦较低。 允许其同步电抗稍大，因而电机的用铜量较少、造价较低。