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1、第五章 同步电机第五章 同步电机一、同步电机原理与结构 二、同步电机磁场分析 三、同步电机的电磁关系与等效电 路 四、同步电机运行特性第一节 同步电机的原理与结构同步电机的原理与结构 基本工作原理 主要结构 运行状态 额定值一、同步电机的基本原理同步发电机模型n0n0 转子直流励磁 原动机拖动转子磁场以 速度n0旋转 定子导体感生电动势,定 子带负载则有电流流过 定子电流产生旋转磁场 ，速度为n0 转子导体受电磁力，形 成电磁转矩，和拖动转 矩平衡同步电机特点： 转子转速与磁场转速相等（同步）； 转子电流频率为零（直流） 用途 发电 无功调节 电动机 定子 铁心：0.5mm硅钢片 绕组：电枢绕
2、组，产生感应电势和电磁转矩 机座及固定部件 端盖 转子（凸极、隐极） 转子铁心 励磁绕组 阻尼绕组 轴承 护环、中心环、滑环和风扇等二、同步电机的基本结构结构相关 旋转结构 转枢式：电枢旋转 转场式：磁场旋转 结构形式 隐极式：气隙均匀 凸极式：气隙不均匀磁极冲片 凸极同步电机磁极装配 1阻尼绕祖；2磁极铁心； 3励磁绕组；4磁轭； 5磁极T形尾固定部分。定子转子（励磁）滑环 凸极转子：制造方便，但机械强度较差 ，因此多用在离心力较小，转速较低的 中小型电机中或用在水轮发电机中。 隐极转子：机械强度好，但制造工艺较 复杂，因此多用在离心力较大、转速较 高的电机中。例如汽轮发电机多采用隐 极结构
3、。隐极、凸极比较汽轮发电机定子结构 同步电动机的转子结构图三、同步电机的励磁方式同步电机运行时，必须在励磁绕组中通入直流电流 ，建立励磁磁场。将供给励磁电流的整个装置称为励磁 系统。 (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励磁绕组(3) 旋转整流器励磁 交流励磁机整流直流电励磁绕组旋转励磁，无电刷四 、同步电机的冷却方式随着单机容量的不断提高，大型同步电机的发热和冷却问题日趋严重，冷却方式也不断改进。同步 电机的冷却方式主要有以下几种。空气冷却 氢气冷却 水冷却 五、同步电机的运行状态理想空载调相机发电机状态电动机状态00功角六、额定
4、值 额定容量SN(kVA)或额定功率PN 额定电压UN 额定电流IN 额定功率因数cosN 额定效率N 额定频率fN、额定转速nN、额定励磁电流 IfN、额定励磁电压UfN等第二节 同步电机的磁场分析 电枢反应1 、空载运行： 额定转速n，电机极对数p 转子励磁绕组通直流电流If，产生磁通0 定子绕组感应电势E0，定子开路，电流Ia0 电机中仅存在直流励磁电流If同步电机运行分析感应电势频率：感应电势有效值：凸极同步发电机的空载磁场2、空载特性 空载特性 磁化曲线负载对称 三相电流对称 产生圆形旋转磁 场3 、负载运行（电枢反应）电枢反应*实质：研究同步发电机负载时内部的电磁情况。负载以后，除
5、转子磁势外，定子三相电流也 产生电枢磁势。电枢磁势的存在，将使气 隙中磁场的大小及位置发生变化，这种现 象称之为电枢反应。电枢反应的性质主要 决定于空载电势和负载电流之间的夹角 ，亦即决定于负载的性质。电枢反应几个概念内功率因数角：E0和Ia之间的夹角， 与电机本身参数和负载性质有关； 外功率因数角：与负载性质有关； 功率角（功角）：E0和U之间的夹角 ；且有=+ （电感性负载） 直轴（d轴）：主磁极轴线（纵轴）； 交轴（q轴）：转子相临磁极轴线间的 中心线为交轴（横轴） 下面从三种极限情况出发进行研究，即（1） Ia和E0同相位，即=0；（2） Ia滞后E0 90电角度，即=90 ；（3）
6、Ia超前E0 90电角度，即=-90 ；凸极电机的双反应理论 双反应理论：Fa的轴线既不和直轴也不 和交轴重合时，可以把Fa 分解为直轴 分量Fad和交轴分量Faq ，之后求出直 轴和交轴各自的电枢反应值，最后把它 们的效果叠加起来。 （1） Ia和 E0同相位（=0）时的电枢反应 感应电势为最大值。 电流也在此瞬间到达最大值。 电枢磁势与A相绕组中心线相重合。 电枢磁势滞后于转子磁势90 交轴电枢反应。（2）Ia滞后E090电角度（=90 ）时的电枢反应电枢磁势产生去磁作用，称为直轴去 磁电枢磁势。（2）Ia超前E090电角度（=90 ）时的电枢反应电枢磁势产生增磁作用，称为直轴增 磁电枢磁
7、势。（4）I与E0相差锐角相位时的电枢反应 电枢反应不仅存在交轴分量，还存在直轴分 量电枢磁势按角分解成作用在直轴磁路的磁势及作用在交轴磁路的磁势。 凸极机的磁通分布图第三节 同步发电机的电磁关系 与等效电路1、隐极发电机的电磁过程同步发电机电磁过程与电势方程2、隐极发电机的电势平衡方程其中同步电抗的物理意义：表征地对称负载下电枢 电流产生的电枢总磁场在电枢每相绕组中的 电磁效应。3、隐极发电机的等效电路：raxt注：去掉 ra 即可得到简化等效电路4、隐极发电机的相量图已知发电机的端电压、负载电流和功率因数cos 及参数ra 、xt当功率因数 cos滞后时 的相量图思考：隐极 同步电动机 有
8、何不同？5、凸极发电机的电磁过程6、凸极发电机的电势方程式其中：思考：xd与xq有何不同，大小关系？7、凸极发电机的相量图已知端电压、负载电流和功率因数及ra 、xd、xq。已知内功率因数角按照电势方程式的关系作出相量图未知内功率因数角1）利用方程式求出：2）利用公式求出：第四节 同步电机的运行特性 同步电机功率关系及功角特性 同步电机功率因数调节特性同步电机的运行特性的双重物理含义：励磁电动势 与定子所加相电压 之间的 夹角（时间电角度）励磁磁动势 与气隙合成磁动势 之间的 夹角（空间电角度）功角意义的图示A ：NSF NSFf T1 nTem n1 功角意义的图示B功角是转子磁极轴 线和定
9、子合成磁极轴 线的空间夹角P1pmecpadpFePempcu1P2一、功角特性思考：电动机与发电机有何区别？同步发电机功率关系：忽略同步电动机定子电阻Ra上的损耗从相量图中可知，电磁转矩：无功功率：（隐极电机）（凸极电机）有功功率功角特性并联于无穷大电网的同步发电机，当电网电压 和频率恒定、参数（xd、xq、xt）为常数、 空载电势E0不变（即 If 不变）时，Pem=f ()为有功功率功角特性。隐极电机的有功功率功角特性：矩角特性对隐极式同步电动机，Xd=Xq=Xt凸极电机的有功功率功角特性： 3U1E0 XdPem = sin Pem E0 ，当转子有励磁即 If 0 时存在。 1 Xq
10、Pem“ = ( ) sin2 3U12 21 Xd Pem“ 是由于 Xd Xq 而引起的，与 If 是否存在无关。 特点： Pe“ 使 PeM。 PeM 产生在90o 处。 功角特性与矩角特性 不再是正弦波。 基本分量 附加分量 （磁阻分量）OPe / T90oPeM (TM)PePe“ 凸极电机功率极限值(隐极)0 900PemPemmax1800发电机有功功率功角特性曲线Pem18000900Pemmax判据：隐极发电机的判据：比整步功率(kW/rad)概念：当电电网或原动动机方面出现现某些微小扰扰 动动时时，同步发电发电 机能在这这种干扰扰消失后，继继 续续保持原来的平衡运行状态态。
11、额定：功角2030稳定分析：静态稳定 最大转矩Tm与额定转矩TN之比，过载倍 数隐极同步电动机额定运行N=3016.5 。 凸极式同步电动机额定运行功率角更小。负载改变时，随之变化，使同步电动机 的电磁转矩或电磁功率跟着变化，以达 到平衡状态。而电机的转速却保持同步 转速不变。（静）过载倍数二.同步电机功率因数的调节同步电机的重要特性：同步电机在保持输 出有功不变的情况下，可以通过励磁电流 的调节，使电机的功率因数发生变化。1、同步电动机的V形曲线同步电动机的V形曲线是指当电源电压与频率均为额定值， 在输出功率不变的条件下，调节励磁电流If ，定 子电流 I 会相应变化，绘制成的I = f (
12、If) 曲线， 形状象“V”，故称V形曲线。 无功功率的调节：同步电动机可以通过励磁 电流的调节，使电机的输出 无功功率发生变化。 同步电动机输出有功功率P2恒定，改变励磁电流可以调节其无功功率 “正常”励磁时功率因数cos =1，电枢电流全部为有功电流，故数值最小 励磁电流小于正常励磁值(欠励)时， 电动机功率因数cos 滞后，同步电动机相当于感性负载，要从电网吸取滞后 无功。 励磁电流大于正常励磁值(过励)时，电动机功率因数cos 超前，同步电动机相当于容性负载，要从电网吸取超前无功 正常励磁 当 If = If0 时，I1 与U1 同相， cos = 1, 电机呈电阻性 。 欠励磁 当I
13、f If0时， I1 (I1 ) 滞后于U1，电机呈电感性。 If ，感性程度 。 过励磁 当 If If0 时， 电机呈电容性， If | | ， 容性程度 。I1 (I1“) 超前于U1， U1jXtI1E0 E0 aajXtI1I1 bbE0“ jXtI1I1“ I1同步电动机的V形曲线I=f(If) ：同步电动机在有功功率恒定、 励磁电流变化时，电枢电流随励磁电流变化的曲线(3)V形曲线每一功率（负载负载 ）对应对应 一条V形曲线线从欠励到正常励磁到过过励I 有最小值值每条曲线线的最低点：cos=1，连线连线 向右倾倾斜。 每条曲线线左边边均有不稳稳定区不稳稳定区域边缘边缘 ：=900，连线连线 向右倾倾斜 每条曲线线上的电电流I变变化量I 为为无功分量 V形曲线的几个特点2、同步发电机的V形曲线
