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1、,1,*5.7 微型同步电动机,5.10 三相同步发电机的运行特性,5.2 三相同步电机的基本结构,5.1 三相同步电机的工作原理,第 5 章 同步电机的基本理论,5.2 三相同步电机的基本结构,5.3 三相同步电动机的运行分析,5.4 三相同步电动机的功率和转矩,5.5 三相同步电动机的的运行特性,5.6 三相同步电动机功率因数的调节,5.8 三相同步发电机的运行分析,5.9 三相同步发电机的功率和转矩,5.11 同步发电机与电网的并联运行,5.1 三相同步电机的工作原理,2,N S,5.1 三相同步电机的工作原理,定子,转子,励磁 绕组,一、三相同步电动机,定子 旋转磁场。 转子 直流磁极
2、。 转子转速,同步,3,同步电动机中的磁通势,定子 电枢。 电枢旋转磁通势 Fam 转子旋转磁通势 F0m,气隙旋转磁通势 F m,电枢反应, Fam 对 Fm 的影响。,电动机状态,理想空载状态,功角,4,同步电动机中的感应电动势,5,二、三相同步发电机,励磁机,F0m,旋转的 F0 m和0,E0,发电机运行,6,三相同步发电机空载运行时,电枢（定子）： I1 (Fam ) = 0 转子每极磁通： 0 空载电动势： E0 = 4.44 kw1 N1f1 0 或,电枢相电压： U0P = E0 电枢线电压（Y 形联结）：,E0 的频率：,如果： f1 = 50Hz，则： pn = 3 000,
3、7,三相同步发电机负载运行时,电枢旋转磁通势 Fam 转子旋转磁通势 F0m,气隙旋转磁通势 Fm,同步电动机中的感应电动势,8,三、三相同步电机的可逆运行,9,同步电机与异步电机主要结构部件对比：从结构上看，二者定子绕组和定子铁心完全一样，而且转子铁心也也都由导磁材料构成，二者的区别就在于转子结构。,5.2 三相同步电机的基本结构,10,在同步电机中，转子是主磁 极，当外加的直流励磁电流流入转子绕组时，转子铁芯便表现出固定的极性，随转子一起旋转，相当于一块旋转的磁铁。,在异步电机中转子绕组是一个自行闭合的绕组，当气隙磁场切割转子绕组时，便会在转子绕组中感应电势产生电流，转子铁芯便表现为表面旋
4、转变化的磁极。,11,12,一、主要部件 1. 定子（电枢）,由硅钢片叠成。 对称三相绕组。,(1)定子铁心： (2)定子绕组： (3)机座和端盖等。,端盖,13,汽轮发电机的定子,14,机座,15,(1)转子铁心： 由整块铸（锻）钢制成。 (2)励磁绕组： 工作时施加直流励磁。 (3)阻尼绕组和转轴等。,阻尼绕组,在同步发电机中，阻尼绕组抑制转子机械振荡；在同步电动机中，阻尼绕组做起动绕组用。,2. 转子,16,N S,+ ,+ ,N S,按转子结构的不同：隐极式、凸极式。,(a)凸极式,(b)隐极式,磁极数多、直径大、气隙不均匀。多用于水轮发电机和一般中小型同步电机。,磁极数少，直径小，气
5、隙均匀。主要用于大型汽轮发电机。,17,(a)凸极式,(b)隐极式,18,区别：对于高速旋转的同步电机，在转子结构上，我们采用隐极式，而对于低速旋转的电机，由于转子的圆周速度较低，离心力较小，故采用制造简单、励磁绕组集中安放的凸极式结构。 大型同步发电机通常用汽轮机或水轮机作为原动机来拖动，前者称为汽轮发电机，后者称为水轮发电机。 汽轮发电机：由气轮机作为原动机，卧式安装、转速高、极对数少，采用隐极式。火电站和核电站采用。 水轮发电机：由水轮机作为原动机，立式安装、转速低、极对数多，采用凸极式。水电站采用。,19,励磁机,发电机,水轮机,20,21,转子铁芯,22,小浪底电站水轮机组安装,23
6、,三峡电站首台机组安装,24,25,大连理工大学电气工程系,水力发电,26,火力发电厂,27,燃烧室,燃料,锅炉的炉膛,循环水,汽轮机,发电机,3 600 r/min,升压变压器,超热高压蒸汽,电能输出,电能的产生,28,热电厂 1 煤传送带 2 加煤机 3 粉碎机 4 锅炉 5 煤渣 6 空气预热器 7 静电除尘 8 烟囱 9 汽轮机 10 冷凝器 11变压器 12 冷却塔 13 发电机 14 输电线,29,二、励磁方式,1. 直流励磁机励磁 励磁绕组由小型直流发电机供电。 2. 静止整流器励磁 交流励磁机整流直流电 3. 旋转整流器励磁 交流励磁机整流直流电励磁绕组。 由于这种励磁系统取消
7、了集电环和电刷装置，故又称为无刷励磁系统。,30,在中、小型电机中，都采用空气作为冷却介质。当电机的容量很大时，电机内部的损耗及发热量迅速增加，冷却问题显得格外重要，此时必须加强通风或采用其他的冷却方式。 在大型汽轮发电机中，为了提高其冷却效率，往往用氢气冷却，但是氢气与空气混合后，有爆炸危险，必须有一套控制设备来保证外界空气不会渗入到电机内部。 目前在更大容量的发电机中，可以采用导线内部直接冷却。例如采用空心导体（如图），冷却介质直接在导体中流通而把热量带走，这样能更有效地降低电机的温升。所采用的冷却介质一般有氢气 及水等。,三、冷却系统,31,同步发电机水系统,定子绕组导线采用空心与实心导
8、线的组合形式，冷却水进入发电机励端的汇水总管，经定子绕组空心导线，冷却定子绕组，然后，从汽端汇水总管流出，经水箱、水泵、水冷器、过滤器重新回到发电机励端的汇水总管。冷却水系统的作用是保证向定子绕组不间断地供水，监视水压、流量和电导率等参数。系统还设有自动水温调节器，以调节定子冷却水进水温度，使之保持基本稳定；设置了离子交换器，用以提高定子绕组冷却水的水质。,32,33,发电机氢冷系统为由发电机定子机座、端盖、氢气冷却器、密封瓦以及氢气管路构成全封闭气密结构，热氢通过发电机的氢气冷却器由循环水冷却。发电机氢冷系统及氢气控制装置应能满足发电机充氢、自动补氢、排氢及中间气体介质置换工作的要求，应能自
9、动监测和保持氢气的额定压力、规定纯度、冷氢温度、干燥度等。,34,补充：超导体发电机,近年来世界各国开始研制超导体气轮发电机，它是巨型气轮发电机的一种很有前途 的冷却方式。由于超导状态下电机绕组的电阻完全消失，从而彻底解决了电机的温升问题，也大大提高了电机的效率。所谓超导发电机是指常规发电机的励磁绕组导线采用超导体或励磁绕组与电枢绕组均采用超导体的发电机后者又叫做全超导发电机。现各国研制的超导发电机大多数是前者 。 世界首座高热超导体氢发电厂2006年11月在德国巴伐利亚一座水电厂安装。这座发电厂由Zenergy电力公司开发，装机为1.25兆瓦。据公司宣称，氢发电机以Zenergy公司有名的高
10、温超导体材料制造，它能使机器效率提高到98以上。,35,超群的超导磁体,由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性，因此只需消耗极少的电能，就可以获得10万高斯以上的稳态强磁场。而用常规导体做磁体，要产生这么大的磁场，需要消耗3.5兆瓦的电能及大量的冷却水，投资巨大。 超导磁体在电力方面的应用：可用于制作交流超导发电机、磁流体发电机和超导输电线路等。 超导发电机在电力领域，利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场强度提高到5万6万高斯，并且几乎没有能量损失，这种发电机便是交流超导发电机。超导发电机的单机发电容量比常规发电机提高510倍，达1万兆瓦，而体积却减少1/2，整机重量减轻1/3，发电效
11、率提高50。,36,磁流体发电机磁流体发电机同样离不开超导强磁体的帮助。磁流体发电，是利用高温导电性气体（等离子体）作导体，并高速通过磁场强度为5万6万高斯的强磁场而发电。磁流体发电机的结构非常简单，用于磁流体发电的高温导电性气体还可重复利用。 超导输电线路超导材料还可以用于制作超导电线和超导变压器，从而把电力几乎无损耗地输送给用户。据统计，目前的铜或铝导线输电，约有15%的电能损耗在输电线路上，光是在中国，每年的电力损失即达1000多亿度。若改为超导输电，节省的电能相当于新建数十个大型发电厂。有专家预测，按现在的电价和用电量计算，如果我国输电线路全部采用超导电缆，则每年可节约400亿元。,3
12、7,图：75m 、10.5kV/1.5kA交流高温超导电缆 云电英纳超导电缆公司也于2004年完成33m长、35kV/2kA 高温超导交流电缆的开发，安装在云南普吉变电站中运行。,38,四、额定值,1. 额定电压 UN ：线电压的额定值。 2. 额定电流 IN ：线电流的额定值。 3. 额定功率 PN ：输出功率的额定值。 三相同步电动机：,三相同步发电机：,4. 额定转速 nN ：额定运行时的转速。 5. 额定频率 fN ： 50Hz。,39,一、三相隐极同步电动机的运行分析,1. 基本方程式,Uf If F0m,Fm,U1 I1Fam,合成 磁通势, 漏磁感应电动势： R1、X 定子每相绕
13、组的电阻、漏电抗。,5.3 三相同步电动机的运行分析,40,(励磁电动势不变) (电枢反应电动势随负载变化),如果不计磁路饱和，则,Uf If F0m,0,U1 I1 Fam,E0,a,Ea, Xa 电枢反应电抗。,41,在同样大小电流情况下,如果 越大，电枢反应电势也越大，表示着电枢磁势所产生的电枢磁通很强。因此 的大小可以说明电枢反应的强弱。, Xa 电枢反应电抗。,42, Xs = XXa 同步电抗。 一般：R1 Xs ，忽略 R1 ，则,2. 等效电路,43,3. 相量图,(a) 电感性, 功率因数角。 内功率因数角。 已知：,(b) 电阻性,(c) 电容性, = ,44,(a) 电感
14、性,如果忽略 R1 ，则有,同样有关系 = ,(b) 电阻性,(c) 电容性,45,【例5.3.1】 某三相隐极同步电动机， PN = 50 kW，UN = 380 V，Y 形联结， IN = 90 A，N = 0.8（电感性），R1 = 0.2 ， Xs = 1.2 。求在上 述条件下运行时的 E0、 、 和 。,解：电枢相电压和相电流为,I1 = IN = 90 A = arccos0.8 = 36.87o 取参考相量：,则,46,由此求得 E0 = 159.72 V = 28.34o = = 8.53o,47,二、三相凸极同步电动机的运行分析,特点：气隙不均匀。 很显然，由于直轴处的气隙
15、比交轴处小，故直轴磁导比交轴磁导大。这样，同样大小的电枢磁动势作用在直轴和交轴上时，所产生的电枢磁场将有明显的差别。而不同的磁阻将对应着不同的电抗。,同样的 Fam 产生不同的a 对应不同的 Xa 。,分析方法：采用双反应原理。 即将电枢反应磁势分解成正交的两个向量。然后分别求出直轴和交轴的电枢反应。最后再把它们的效果叠加起来。,48,如果磁路不饱和：,直轴分量：Id = I1 sin 交轴分量：Iq = I1 cos, 双反应理论。,49,1. 基本方程式,Uf IfF0m0E0 U1 I1,Fad Faq,ad aq,Ead Eaq, Xad 直轴电枢反应电抗。 Xaq 交轴电枢反应电抗。,50, Xd = XadX 直轴同步电抗。 Xq = XaqX 交轴同步电抗。 如果忽略 R1，则,交轴方向的气隙大,51,设虚拟电动势,2. 等效电路,52, 隐极电动机可视为凸极电动机的特例： Xd = Xq = Xs,53,3. 相量图,设已知 U1、I1、Xd、Xq 。 取,54,(a) 电感性,(b) 电阻性,55,忽略 R1 时的相量图(简化相量图),(a) 电感性,(b) 电阻性,(c) 电容性,56,由相量图求得 = 由简化相量图还可以求得, 电感性时取“”，电容性时取“”。,57,5.4 三相同
