电机学_第4篇_同步电机

1、电 机 学,电气工程学院,2019/1/16,河 海 大 学,2,目 录,第一篇 变 压 器,第一章 绪 论,第四篇 同 步 电 机,第三篇 异 步 电 机,第二篇 交流电机的共同问题,2019/1/16,河 海 大 学,3,第四篇 同 步 电 机,第十三章 同 步 发 电 机 在 大 电 网 上 运 行,第十四章 同 步 发 电 机 的 不 对 称 运 行,第十二章 同步电机的基本理论和运行特性,第十五章 同步发电机的突然短路与振荡,2019/1/16,河 海 大 学,4,第十二章 同步电机的基本理论 和运行特性,1.同步电机的结构,2.同步电机的励磁系统,3.同步电机的空载运行,4.对称负载时的电枢 反映,5.隐极同步发电机的分 析方法,6.凸极同步发电机的分 析方法,7.电枢绕组的漏抗,8.同步发电机的空载、 短路和负载特性,9.同步发电机的参数 及测定,10.同步发电机的稳态运行特性,2019/1/16,河 海 大 学,5,第一节 同步电机的结构,1.定义： 同步电机是指电机转子的转速与磁场转速相同的交流电机。同步 电机的转速为 2.运用范围：,2019/1/16,河 海 大

2、学,6,第一节 同步电机的结构,一、同步电机的基本结构形式 同步电机的定子和异步电机相同，定子铁芯上有齿和槽，槽内设置三相绕组。转子上装有磁极和励磁绕组。同步电机的磁极通常装在转子上，而电枢绕组放在定子上，通常称为旋转磁极式电机。 旋转磁极式电机同步电机的转子有凸极和隐极两种结构形式。 用汽轮机作为原动机来拖动的称为汽轮发电机，一般采用隐极式结构；用水轮机作为原动机来拖动的称为水轮发电机，一般采用凸极式结构。同步电动机、由内燃机拖动的同步发电机以及同步补偿机大多做成凸极式。,2019/1/16,河 海 大 学,7,第一节 同步电机的结构,二、同步电机的构造特点 同步电机一般由定子、转子、端盖和轴承等部件构成。 （一）定子 同步电机的定子大体上和异步电机相同，是由铁芯、 绕组、机座以及固定这些部分的其他构件组成。 （二）转子 （以同步发电机为例） 1、汽轮发电机转子结构 现代汽轮发电机一般都是二极的，同步转速为3000或3600r/min。这是因为提高转速可以提高汽轮机的运行效率，减小整个机组的尺寸、降低机组的造价。转子不能做得过大，所以汽轮发电机的直径较小，长度较长。汽轮发电机均为卧式

3、结构。 2、水轮发电机转子结构 大型水轮发电机通常都是立式结构，它的转速低、极数多，要求转动惯量大，故其特点是直径大、长度短。,2019/1/16,河 海 大 学,8,2019/1/16,河 海 大 学,9,中国制造的30万千瓦双水内冷汽轮发电机,2019/1/16,河 海 大 学,10,同步电机转子结构,2019/1/16,河 海 大 学,11,隐极同步电机剖面图,2019/1/16,河 海 大 学,12,第一节 同步电机的结构,三、同步电机的额定值 同步电机的额定值（名牌值）由以下几种： （1）额定容量 或额定功率 （2）额定电压 是指同步电机在额定运行时其定子三相的线电压 （4）额定电流 是指同步电机在额定运行时流过其定子绕组的线 电流,2019/1/16,河 海 大 学,13,第一节 同步电机的结构,（4）额定功率因数 是指同步电机在额定运行时的功率因数。 （5）额定效率 是指额定运行时的效率。 （6）额定转速 和额定频率 是指同步电机运行时的转速（r/min）和定子绕组中电流与电压的工作频率（Hz）。 （7）额定励磁电压 和额定励磁电流 是指同步电机额定运行时加到励磁绕组上的

4、直流电压和电流。,(对三相交流发电机),(对三相交流电动机),2019/1/16,河 海 大 学,14,第二节 同步电机的励磁系统,同步电机运行时，必须在其转子励磁绕组中通入直流电流，以便建立磁场，这个直流称为励磁电流，供给励磁电流的整个系统称为励磁系统。励磁系统是同步电机的重要组成部分，励磁系统和励磁元件的性能对电机的运行性能有重要影响。 分类，励磁系统主要有两大类： 一类是直流发电机作为励磁电源的直流励磁机励磁系统； 另一类是用整流装置将交流变成直流后供给励磁的交流励磁机整流励磁系统。,2019/1/16,河 海 大 学,15,第二节 同步电机的励磁系统,一、直流励磁机励磁系统 直流励磁机通常与同步发电机 同轴，当发电机转起来以后， 励磁机就可以为其供给直流电 流。最常用的是 直流并励发电机（如图所示）； 直流他励发电机； 直流复式励磁发电机。 二、交流励磁机整流励磁系统 当发电机容量较大时，由于换向困难不适宜采用直流励磁机，这时一般采用交流励磁机与整流装置相配合来共同构成励磁系统。,2019/1/16,河 海 大 学,16,第二节 同步电机的励磁系统,根据装置的放置位置可以分为静

5、止整流励磁和旋转整流励磁两种 1、静止整流励磁 静止整流励磁分为他励式和自励式两种，下图为他励式静止整流 励磁系统。 1发电机；2交流主励磁机；3交流副励磁机；4硅整流机； 5可控硅整流机；6自动电压调整器 （主励为100Hz同步发电机，副励为500Hz中频同步发电机）,2019/1/16,河 海 大 学,17,第二节 同步电机的励磁系统,他励式静止整流器励磁系统 原理：主励(2)经整流(4)向发电机(1)提供If ;主励的励磁电流由副励磁机(3)提供 优点：运行、维护方便，用硅整流代替换向器不仅提高了励磁容量，而且大大提高了发电机运行可靠性； 缺点：接线设备复杂，起动时需要另外的直流起励电源向副 励磁机供给励磁电流。 自励式系统 优点：便于维护，电压稳定性较高，动态特性好。,2019/1/16,河 海 大 学,18,第二节 同步电机的励磁系统,2、旋转整流励磁 旋转电枢式。 交流主励磁机:电枢、整流装置与主发电机的励磁绕组均装设在同一旋转体上，不需要集电环和电刷装置，所以这种系统又称为无刷励磁系统。 1交流副励磁机；2交流主励磁机；3同步发电机； 4自动电压调节器,2019/1/16

6、,河 海 大 学,19,第二节 同步电机的励磁系统,旋转整流励磁系统 优点：由于取消了电刷和集电环，所以这种励磁方式的运行比较 可靠，维护简单，尤其适合于要求防燃、防爆的特殊场合。 缺点：发电机励磁回路的灭磁时间常数较大，对迅速消除主发电 机的内部故障不利；转子绕组保护困难。,2019/1/16,河 海 大 学,20,第三节 同步电机的空载运行,一、隐极式同步电机的空载磁动势 隐极式同步电机的转子绕组为分布绕组，在每极下有一个大齿和 若干个小齿，转子磁动势的空间分布波形为阶梯波形，如下图所示 它的幅值为 （其中 为励磁电流， 为励磁绕组的每极匝数） 定义磁极磁动势的基波 分量振幅 与实际磁动 势最大幅值 之比为 ， 称为 电机的励磁磁动势 波形系数，即,2019/1/16,河 海 大 学,21,第三节 同步电机的空载运行,二、凸极式同步电机空载磁势 凸极同步电机的绕组式集中 绕组，它所产生的磁动势是矩形 波，幅值为 ， 基波分量的振幅为 励磁磁动势的波形系数,2019/1/16,河 海 大 学,22,第三节 同步电机的空载运行,三、时间相量与空间矢量 画在同一坐标平面上的时间相量图和空

7、间矢量图称为时空矢量图。 参考轴的选取是任意的。但一般 把相绕组轴线作为空间矢量参考轴 令时间相量参考轴与空间矢量参考轴重合 相绕组轴线相轴； 转子绕组轴线直轴； 与直轴正交（90度电角度）交轴,2019/1/16,河 海 大 学,23,第三节 同步电机的空载运行,四、空载电动势相量 空载运行时，电枢电流为零，仅有由励磁电流所建立的主极磁场。 主极磁通分为主磁通和主极漏磁通，主磁通所经过的路径称为 主磁路，包括：空气隙、电枢齿、电枢轭、磁极极身和转子轭五个部分。,2019/1/16,河 海 大 学,24,同步发电机工作原理,2019/1/16,河 海 大 学,25,第三节 同步电机的空载运行,当转子以同步转速旋转时，主磁场就在气隙中形成一个旋转磁 场，它“切割”对称的三相定子绕组后，就将在定子绕组内感应出频 率为 的一组对称三相空载电动势： 忽略高次谐波时，励磁电动势的有效值为 式中： 为每极的主磁通量,2019/1/16,河 海 大 学,26,第三节 同步电机的空载运行,五、电压波形正弦畸变率 改善发电机发出电势波形的基本途径： 励磁电流产生接近与正弦分布的气隙磁密波形； 定子每相绕

8、组采用分布和短距线圈； 三相绕组采用Y接法。 恒量指标：电压波形正弦畸变率 实际空载线电压波形与正弦波形的偏差程度一般用电压波形正 弦畸变率来表示，即,2019/1/16,河 海 大 学,27,第四节 对称负载时的电枢反应,空载：I0，Fa 0，气隙磁场只由转子电流产生； 负载时：I0，Fa 0,Fa对Ff的影响称电枢反应 同步电机电枢磁势与转子磁势间的相对位置取决于负载电流的性质。 同步和空载电势 电机输出电流 之间的相角 定义为内功率因数角。 时， 时，电流 滞后于 ； 端电压 和 之间的相位角 称为外功率因数角 。 下面将分析各种不同 角时的电枢反应。,2019/1/16,河 海 大 学,28,第四节 对称负载时的电枢反应,一、内功率因数角,2019/1/16,河 海 大 学,29,第四节 对称负载时的电枢反应,Fa在交轴，所以称交轴电枢反应，因合成磁势 有增磁作用 因为I、E同相，所以不发无功功率,2019/1/16,河 海 大 学,30,第四节 对称负载时的电枢反应,二、内功率因数角 同步发电机的剖面简图 磁势的空间展开图,2019/1/16,河 海 大 学,31,第四节 对

9、称负载时的电枢反应,二、内功率因数角 时间相量图 时空矢量图,2019/1/16,河 海 大 学,32,2019/1/16,河 海 大 学,33,第四节 对称负载时的电枢反应,三、内功率因数角 同步发电机的剖面简图 磁势的空间展开图,2019/1/16,河 海 大 学,34,第四节 对称负载时的电枢反应,三、内功率因数角 Fa在交轴，所以称交轴电枢反应，因合成磁势 有增磁作用 因为I、E反相，所以不发无功功率,2019/1/16,河 海 大 学,35,第四节 对称负载时的电枢反应,四、内功率因数角 同步发电机的剖面简图 磁势的空间展开图,2019/1/16,河 海 大 学,36,第四节 对称负载时的电枢反应,四、内功率因数角 时间相量图 时空矢量图,2019/1/16,河 海 大 学,37,2019/1/16,河 海 大 学,38,第四节 对称负载时的电枢反应,结论： 同步电机的运行方式可以由内功率因数角 来判断。 同步电机作为发电机运行时，转子磁场将较定子磁场超前 同步电机作为电动机运行时，定子磁场将较转子磁场超前,2019/1/16,河 海 大 学,39,第五节 隐极同步发电机的分析方法,一、电磁关系 当不考虑磁路饱和现象时，认为转子磁场与电枢磁场分别在定 子绕组中感应电势。转子感应的电势称为空载电势，用表 示；电 枢磁场感应的电势称为电枢反应电势，用 表示。电磁关系如下：,2019/1/16,河 海 大 学,40,第五节 隐极同步发电机的分析方法,二、电路方程 三、等效电路 等效电路，如右图所示。 隐极同步发电机在稳态运行时的 等效电路是简单的独立回路， 没有次级侧回路和其它耦合回路。,2019/1/16,河 海 大 学,41,第五节 隐极同步发电机的分析方法,四、电枢反应电抗 比例

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