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1、第4章 同 步 电 机,4.1 三相交流同步电机的基本结构、工作原理及铭牌数据 4.2 三相交流同步发电机运行特性 4.3 同步电动机,4.1.1 三相交流同步电机的基本结构,旋转电枢式同步电机图,三相交流同步电机由定子部分和转子部分构成,以转子绕组形式分类，有旋转电枢式和旋转磁极式。,旋转磁极式同步电动机,定子部分,定子是由定子铁心、定子三相绕组、机座以及固定这些部分的其他结构件组成。,定子铁心由硅钢片叠压而成。,定子铁心槽内嵌放三相依次相差120电角度（或120/P空间机械角度）的。绕组，称为三相电枢绕组，是交流电路部分。,转子部分,转子磁极有两种结构形式,隐极式,凸极式（也称显极式）,按
2、同步发电机的励磁电源的不同有两种基本类型，即自励的、他励的,4.1.2 三相交流同步发电机的基本工作原理,当转子由原动机以恒定转速驱动。极性相间的励磁磁场随轴一起旋转，并依次切割定子各相绕组（相当于绕组导体反向切割励磁磁场）。定子三相电枢绕组就会感应出大小和方向按周期性变化的交变正弦电动势。由于三相电枢绕组在空间相差120电角度，三相电动势相位也相差120。,其瞬时值为：,空载电动势的有效值为,式中o为每极下的总磁通.空载电动势的频率 f 与转子的转速n和磁极对数p成正比,即,由以上两式可得,Ke为电势常数,额定容量，连接方式,线电压,额定频率，磁极对数,额定转速,采用绝缘等级,冷却方式,设计
3、标准环境温度等。,4.1.3 铭牌数据,三相同步发电机额定值 同步发电机的主要额定值有：额定容量 SN 或额定功率PN 额定电压 UN额定电流 IN额定功率因数 cosN额定频率 fN额定转速 nN额定励磁电压（额定励磁电流）,通常把同步发电机转子转速为同步额定转速条件下，空载电动势E0与励磁电流的关系曲线称为同步发电机空载特性曲线E0=f（If）或称开路特性曲线。,Er：剩磁电压（在额定转速下使If=0时所测得的电枢开路电压）。,4.2 三相交流同步发电机运行特性,当同步发电机接通负载时,三相电枢绕组的三相电流将产生旋转磁场a,这种旋转磁场称为电枢反应磁场。电枢磁场对磁极主磁场的影响称为电枢
4、反应。,4.2.2 同步发电机对称负载运行,同步发电机定、转子之间的气隙同时出现两个旋转磁场。,电枢反应效应与负载性质有关。,a)定子绕组电动势、电流和磁动势的空间矢量图,1）电枢电流与空载电势同相位时(即=0)的电枢反应,交轴电枢反应,直轴(Direct Axis)：与主磁场同轴。,交轴(Quadrature Axis)：与主磁场相交的轴。,b)时间矢量图,c)时-空统一矢量图,直轴(Direct Axis)：与主磁场同轴。,交轴(Quadrature Axis)：与主磁场相交的轴。,直轴D轴,交轴Q轴,d)气隙合成磁场与主磁场的相对位置,2）电枢电流落后于空载电动势90时的电枢反应,直轴去
5、磁电枢反应：电枢磁场a与磁极磁场o在同一轴线上,但方向相反,起去磁效应使合成磁场o。,时-空统一矢量图,直轴增磁电枢反应：电枢磁场a与磁极磁场o在同一轴线上,且方向相同,起增磁效应使合成磁场大于主磁场o。,3）电枢电流超前于空载电动势90的电枢反应,时-空统一矢量图,4）通常情况下,发电机的负载多为一般电感性负载,即电枢电流落后于空载电动势的角度小于90。,一般电感性负载的电枢反应既有去磁效应又有交磁效应。,a)滞后于 时的空间矢量图,4）通常情况下,与 不同相,一般电感性负载的电枢反应既有去磁效应又有交磁效应。,b)滞后 时的时-空统一矢量图,一般电感性负载的电枢反应既有去磁效应又有交磁效应
6、。,c)超前 时得时-空统一矢量图,一般电容性负载的电枢反应既有增磁磁效应又有交磁效应。,同步发电机负载运行时物理量的关系：,一、隐极同步发电机,4.2.3 三相交流同步发电机电压平衡方程和相量图,正弦电动势e0、ea和e是分别由转子旋转磁通0、电枢旋转磁通a和电枢绕组漏磁通产生的.Ra是电枢绕组的电阻.其电压平衡方程式为,电压平衡方程,相量分别表示为,X=E/I 称为电枢漏电抗;Xa=Ea/I 称为电枢反应电抗。,相量分别表示为,和,电枢电路的相量电压方程可写为,通常RaXs,可忽略,最常用的简化电压方程为,二、凸极同步发电机,1、双反应理论,考虑到凸极电机气隙的不均匀性，把电枢反应分成直轴
7、和交轴电枢反应分别来处理的方法，就称为双反应理论。凸极同步电机的气隙是不均匀的，极面下气隙较小，两极之间气隙较大，故直轴下气隙磁阻要比交轴下气隙磁阻小许多。,2、凸极同步发电机的电压方程和相量图,不考虑磁饱和时同步发电机负载运行时物理量的关系：,称为电枢漏电抗,相量分别表示为,因为,式中，Xd和Xq分别称为直轴同步电抗和交轴同步电抗，它们是表征对称稳态运行时电枢漏磁和直轴或交轴电枢反应的一个综合参数。,上式相对应的相量图,功率角,功率因数角,内功率因数角,3、直轴和交轴同步电抗的意义,由于电抗与绕组匝数的平方成正比与所经磁路的磁阻成反比，所以,如图所示。对于凸极电机，由于直轴下的气隙较交轴下小
8、，Rq Rd，所以XadXaq，因此在凸极同步电机中，XdXq。对于隐极电机，由于气隙是均匀的，故XdXqXs,凸极同步电机电枢反磁通及所经磁路及磁导,直轴电枢磁导,交轴电枢磁导,4.2.4同步发电机的运行特性,表征同步发电机的运行特性有以下五种：同步发电机的空载特性 同步发电机的短路特性 同步发电机的外特性 同步发电机的调整特性 同步发电机的功角特性,空载特性可以用空载试验测出。试验时，电枢开路(空载)，用原动机把被试同步电机拖动到同步转速，改变励磁电流If，并记取相应的电枢端电压U0(空载时即等于E0，直到U01.25UN左右，可得空载特性曲线,1）同步发电机的空载特性,同步电机的空载特性
9、,2）同步发电机的短路特性 短路特性可由三相稳态短路试验测得，试验线路如图所示。将被试同步电机的电枢端点三相短路，用原动机拖动被试电机到同步转速，调节励磁电流If使电枢电流I从零起一直增加到1.2IN左右，便可得到短路特性曲线，如图所示。,短路实验接线图,短路特性,同步发电机的外特性是指在转速额定值nN下运行，励磁电流If不变，负载功率因数一定时，发电机端电压和负载电流的关系，即Uf(Ia),3)同步发电机的外特性 U=f(I),cos=0.8滞后,cos=1,cos=0.8超前,外特性,电压变化率,同步发电机在cos=0.8(滞后)的负载时,其电压变化率约为2040,一般不超过50。,不同负
10、载相量图,（根据电压方程做相量图）,a.电感性负载的简化相量图,相量E0和U之间的相位差角称为功率角,c.电容性负载的简化相量图,b.电阻性负载的简化相量图,同步发电机在额定转速和一定的负载功率因数下,为保持端电压基本不变,励磁电流If随负载电流I而变化的关系If=f(I)称为调节特性。,4)同步发电机调节特性 If=f(I),cos=0.8滞后,cos=1,cos=0.8超前,调节特性,5）三相交流同步发电机的功角特性,1)功率特性,同步发电机由原动机拖动，输入给发电机的功率为P1，而通过电磁感应作用，转换为定子上的电磁功率Pe。,Pm为机械损耗；pFe为定子铁损耗；pS为附加损耗。,PCU
11、定子绕组的铜损耗，P2发电机输出功率,定子电枢绕组Ra很小，若不计Ra影响,凸极式同步发电机简化相量图,凸极式同步发电机在磁路未饱和且不计电枢绕组电阻Ra时的相量图,内功率因数角,功率角,基本电磁功率,附加电磁功率,基本电磁功率,附加电磁功率,由于隐极式同步发电机气隙均匀，即Xd=Xq=XS，故有Pe0，那么，隐极式同步发电机的电磁功率Pe为：,6)、相同步发电机单机运行时的特点发电机输出的有功和无功功率完全决定于负载。首先是负载先发生变化，然后引起发电机的有功功率和无功功率的变化。用电负载不变，人为的改变原动机的输入（加大或关小油门），将使转速和频率发生相应的变化；而人为的改变发电机的励磁电
12、流，将使发电机的输出电压发生相应的变化。有功负载的变化可以引起发电机的频率的变化，变化的程度与原动机调速器的特性有关；无功负载的变化可以引起发电机的输出电压的变化，变化的程度与发电机外特性或自动调压系统的特性有关。,当发电机投入电网后,通过改变发电机的输入机械功率,来改变发电机输出的有功功率。假设经过调节发电机已输出有功功率为:,7)有功功率的调节,若忽略电枢电阻，发电机的电磁功率Pe=P。,当励磁电流保持不变时，上式中除功率角外均为不变的常数。在有功功率的调节中功率角起着自动平衡的调节作用。,电磁转矩与电磁功率成正比,即,发电机的有功功率随功率角的变化关系P=f(),称为功角特性。,矩角特性
13、T=f()曲线与功角特性曲线相似。,并联运行同步发电机应设逆功保护。,8)无功功率的调节,调节励磁电流可改变并联发电机输出的无功功率Q。,当增加励磁电流(过励磁)使E0U,发电机与电网之间出现了电压差和引起了电枢电流。根据电压方程,在相位上电流I总是落后于同步感抗压降U 900。发电机输出落后无功功率。,减少励磁电流(欠励磁)使E0U，电流I落后于U 900而超前于电压U 900。发电机输出超前的无功功率。,同步发电机不同运行方式时的相量图,4.3 同步电动机,同步电动机定、转子结构和同步发电机一样，转子也有隐极式和凸极式两种，转子上除了嵌放励磁绕组外，还安装有帮助起动用的笼型绕组（阻尼绕组）
14、，一般中小同步电动机多采用凸极结构。,4.3.1 同步电动机的基本原理,同步电动机是由三相电枢绕组通过三相对称电流而产生的旋转磁场拉着转子磁极以同步转速旋转，定子吸收电网有功功率，通过定、转子电磁关系转换为机械转矩。,同步电机由发电状态到电动状态过程示意图,发电机,补偿机,电动机,N,No,No,No,N,N,So,So,S,S,S,So,主极,主极,发电机,补偿机,电动机,同步电机的三种运行状态,4.3.2 同步电动机的相量,同步发动机电压方程,把同步电动机看成一输出负功率的的发动机。习惯上，总是将电动机看成是电网的负载。,同步电动机电压方程,同步电动机的电磁功率与发电机一样，可从相量图中推
15、导出，不同的是，在电动机中功角为负值，在计算电动机功率时，功角用负值带入发电机功率公式。,一般，隐极式同步电机不存在附加电磁功率。,4.3.3 同步电动机的特点,转速不随负载的变化而改变；与同步转速相同。,同步电动机的主要特点是：,旋转磁场拉着转子磁极以同步转速旋转。,功率因数可以调节（以隐极电机为例）,在电压一定，同步电动机有功功率不变的时：,同步电动机处于过激状态，电流超前于电压，相当于电容性负载。,同步电动机处于正常励磁状态，电流与电压同相，相当于纯电阻性负载。,A,B,C,D,同步电动机处于欠激状态，电流滞后于电压，相当于电感性负载。,调节同步电动机励磁从欠激到过激，电流相量的端点始终
16、沿着AB线，电动势相量的端点始终沿着CD线变化。同步电动机欠激时从电网吸收有功功率同时吸收滞后的无功电流。同步电动机过激时从电网吸收有功功率同时吸收超前的无功电流。通过调节同步电动机励磁电流，可调节无功电流和功率因数。,三相同步电动机的V形曲线,在保持电压U和负载TL不变的条件下,电枢电流ID与励磁电流If之间的关系曲线,即ID=(If)；不同的负载对应相应的曲线。V形曲线可通过试验测得。,不稳定区,PM=0.5PN,PM=PN,(容性),(感性),4.3.4 同步补尝机,由于电网上变压器、异步电动机都是感性负载，且功率因数cos比较低，为了减小线电流，降低线损功率，除了使用电容器进行无功功率
17、补偿外，有条件尽量使用同步电动机，使其处于过激状态，进行无功补偿，使线路的功率因数cos1。,轴上不带任何负载专用于改善功率因数的同步电机称为同步补偿机。,4.3.5 同步电动机起动,同步电动机不能产生起动转矩，必须通过其他辅助方法，使其拉入同步进行起动，这是因为转子有转动惯量，合闸瞬间，转子磁极极性无法紧跟定子旋转磁场的极性转动起来,同步电动机起动方法有拉入同步、异步起动方法和变频起动方法,(a)逆时针,(b)顺时针,合闸瞬间，转子(已经加励磁)处于(a)所示的位置，此时，电磁转矩T倾向于使转子逆时钟转动；在另一个瞬间(b所示)，定子磁场已转过180度，而转子由于机械惯性尚未启动，电磁转矩T
18、倾向于使转子顺时钟转动。,(a)逆时针,(b)顺时针,由于定子磁场以同步速旋转，作用于转子上的力矩随时间变化(f=50Hz)，那么转子上受到的平均转矩为0。因此同步电动机是不能自行起动的。,概括一下同步电动机没有启动转矩的原因是：（1）定、转子磁场之间相对运动速度很快；（2）转子本身转动惯量的存在。,同步电动机的缺点是没有自起动能力。同步电动机必须靠外力或辅助设备起动。目前仍被广泛采用的起动方法是异步起动法。而变频起动方法，是对于有调速要求的同步电动机拖动系统使用。,起动,正常运行,4.3.6 其他类型同步电动机,永磁同步电动机,永磁同步电动机采用永磁体作转子磁极，由于它没有电刷装置、滑环，成
19、为无刷同步电动机。,永磁式同步电动机与励磁式同步电动机的工作原理，电压平衡方程，功角特性和矩角特性都一样，只是把有刷变为无刷，用永磁体作磁极。但永磁式同步电动机就不能作为补偿机。,磁阻同步电动机,磁阻电动机是一种转子上没有装设励磁绕组的凸极同步电动机，它依靠直轴和交轴两条磁路上磁阻不等而产生电磁转矩，所以称为磁阻同步电动机。,对凸极转子，且当XdXd时，即使转子上不装设励磁绕组，也会存在电磁功率和对应的电磁转矩，其大小为,当=90度时，转矩等于零；=45度时，转矩最大；=45度时，转矩又会变为零，这种情况可由下页来说明。,图(a)是磁阻电动机的空载情况，不计机械损耗时，电机产生的电磁转矩TM0
20、，故定子磁场轴线与磁极轴线重合（即=0），磁力线不发生扭弯。,当电动机加上负载时，转子直轴将落后于定子旋转磁场轴线角，如图b可见，这个磁场被扭歪了。,由于磁通具有使其所经路径的磁阻为最小的性质，从而力图使转子直轴方向与定子磁场轴线取得一致,因此产生与定子旋转磁场同转向的磁阻转矩TM和负载转矩相平衡。,当角增大到90时，由图c可见，气隙磁场又对称分布，其合成转矩又变成零。,磁阻同步电动机只存在电枢反应磁场，故又称为反应式同步电动机。,磁阻电动机一般靠实心转子的感应涡流并借助于铝或铜所起笼型绕组的作用起动。当转子接近同步速时，借助凸极效应产生的磁阻转矩，转子会自动拉入同步。,磁阻电动机转子上既无励磁绕组也没有集电环而使得结构简单，工作可靠，在控制系统、自动记录装置、电钟等需要保持恒速的场合获得了广泛的应用。,
