电机学 北京交通大学 5同步电机

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1、第六章 同步电机的稳态分析 同步电机和感应电机同属于交流电机，与感应电机 的区别是同步电机的转子转速 n 与电网频率 f 之间具有固定不变的关系 ，而感应电机的转子转速 n ns。 本章主要讲述同步发电机的工作原理、电磁关系，导出基本方程、等效电路和相量图； 分析同步发电机的运行特性，以及与电网的并联运行和功率调节问题。 最后介绍同步电动机和同步补偿机。 pfnns60第一节 同步电机的结构、工作原理和运行状态 第二节 同步发电机的的空载和负载运行 第三节 隐极同步发电机电压方程、相量图和等效电路 第四节 凸极同步发电机电压方程和相量图 第五节 同步发电机的功率和转矩方程 第六节 同步电机参数

2、的测定 第七节 同步发电机的运行特性 第八节 同步发电机与电网的并联运行 第九节 同步电动机与同步补偿机 第六章 同步电机的稳态分析 第一节 同步电机的结构 、工作原理和运行状态 一、同步电机的基本类型 二、同步电机的基本结构 三、同步发电机的工作原理 四、同步电机的运行状态 五、同步电机的励磁方式 六、同步电机的铭牌数据 一、 同步电机的基本类型 按结构形式分 转枢式：用于小容量同步电机 转极式：用于高压、大容量同步电机 按磁极形状分 隐极式：转子圆柱形，气隙均匀 凸极式：转子有明显凸出的磁极，气隙不均匀 发电机按原动机不同分 汽轮发电机：高速，转子隐极式 , 细长形 水轮发电机：低速，转子

3、凸极式 , 短粗形 按冷却介质和 冷却方式分 空冷 外冷：空气自然循环或风扇吹风强迫冷却 水冷 内冷：需进水管、出水管等 氢冷 外冷或内冷：需密封系统，防爆防漏 2)、 定子绕组 ：由许多线圈按一定规律连接而成。 大容量电机由于尺寸大，制成半匝式（线棒）， 每个线棒由若干铜线并在一起，分成一排或两排， 两个线棒的一端焊在一起，即成一个线圈。 3)、 机座 ：固定和支撑定子铁心，并形成风道。 二、 同步电机的基本结构 (一 )、 隐极同步电机（卧式） 1)、 定子铁心 ：由 0.5mm厚的硅钢片叠成，沿轴向分成好几叠，每叠 36cm， 叠与叠之间留有宽0.81cm的通风沟。 1、 定子 ：包括

4、定子铁心、定子绕组、机座、端盖等。 2)、 励磁绕组 ：用扁铜线绕成同心式线圈，嵌放在大齿两侧的转子槽中，并用非磁性硬铝槽楔压紧。 3)、 护环 ：为使励磁绕组可靠地固定在转子上，绕组端部还要套上用高强度非磁性钢锻成的护环。 1)、 转子铁心 ：一般用整块的导磁性好的高强度合金钢锻成，转子表面约 2/3部分铣有轴向凹槽，用于嵌放励磁绕组，不铣槽的约 1/3部分形成大齿，即磁极。 2、 转子 ：包括转子 铁心、励磁绕组、护环、风扇等。 2)、 定子绕组 ：大、中容量凸极电机采用波绕组，小容量凸极电机采用叠绕组。 3)、 机座 ：固定和支撑定子铁心，并形成风道。 因直径大，通常采用分瓣机座。 (二

5、 )、 凸极同步电机（卧式或立式） 1)、 定子铁心 ：由 0.5mm厚硅钢片叠成，因直径大，一般采用几片扇形硅钢片拼成一个圆形。 1、 定子 ：包括 定子铁心、定子绕组、机座等。 卧式 ：同步电动机、同步补偿机和用内燃机或冲击式水轮 机拖动的同步发电机。 立式 ：低速、大容量水轮发电机和大型水泵用同步电动机。 3)、 阻尼绕组 ：由插入磁极极靴槽中的铜条和两端的端环焊成一个闭合绕组。在发电机不对称运行时，起削弱负序旋转磁场，抑制转子机械振荡的作用。 2)、 转轴 ： 用高强度钢锻成。因 转速低，转子铁心与转轴分开锻造。 1)、 转子铁心 ：即磁极，采用 T尾或鸠尾与磁轭连接，磁轭与转轴间用转

6、子支架支撑着，转子支架固定在转轴上。 2、 转子 ：包括转子 铁心、转轴、励磁绕组、阻尼绕组等。 4)、 推力轴承 ： 悬式 ：推力轴承装在转子上面的上机架上，整个转子悬吊着。机械稳定性好，但机组的轴向高度大，转速较高的电机 (150r/min以上 )采用。 伞式 ：推力轴承装在转子下面的下机架上，整个转子被托架着。机械稳定性差，但机组的轴向高度小，转速较低的电机 (125r/min以下 )采用。 定子上装有三相对称绕组互差 120电角度。 转子上安放直流励磁绕组。 A C B S N 设转子 顺时针旋转 紫色为流入 红色为流出 ns 三、 同步发电机的工作原理 + - 集电环 电刷 当同步发

7、电机被原动机拖动 以同步转速旋转 ，转子励磁绕组通入 直流励磁电流 时，转子将产生 主极磁动势 及相应的 主极磁场 （ 包括 在气隙中 以同步转速旋转的主磁场 和 主极漏磁场 ）。 主磁场通过气隙并与定子绕组交链，在定子绕组中感应出 三相交流电动势 ，若定子绕组带有负载 ，发电机将 输出电功率 。 )2 4 0s in ()1 2 0s in (s intEetEetEemCmBmA2、 电动势的大小 三相定子绕组对称，因此三相电动势大小相等， 相位互差 120电角度。 设 Em为相电动势幅值， A相初相角为 0，则： tEtlvBb l ve s i n2s i n 111 1、 电动势的波

8、形 若主磁场的 气隙磁密 沿圆周 按正弦规律分布 ， 则定子导体 感应电动势 随时间 按正弦规律变化 ： 当 f =50Hz时， n =3000/p。 汽轮发电机： p 1 n=3000r/min； 水轮发电机：例 p 30 n=100r/min。 同步电机的转速与电网频率有严格不变关系， 即当电网频率一定时，电机转速不变 。 3、 电动势的频率 若转子每分钟转速为 n， 电动势频率为 当 p 1， 转子转一周，电动势交变一次； 当 p对极，转子转一周，电动势交变 p次； 60pnf 四、 同步电机的运行状态 当定子（电枢）绕组中流过 对称三相电流 时，定子将产生 电枢磁动势 及相应的 电枢磁

9、场 （ 包括 在气隙中 以同步转速旋转的电枢反应磁场 和 电枢漏磁场 ）。 在气隙中 均以同步转速旋转的主磁场和电枢反应磁场 共同合成为 气隙磁场 。气隙磁场在转子内部深处沿着主极轴线然后逐渐扭斜，在进入定子时其轴线已偏离主极轴线一个角度，再加上电枢漏磁场， 电枢合成磁场 （ 包括主磁场、电枢反应磁场和电枢漏磁场 ）与主磁场之间的夹角为 ， 称为功率角。它越大，则磁场所产生的切向力及电磁转矩和电磁功率也越大。 (a) 发电机 (b) 补偿机 (c) 电动机 S N 表征电枢合成磁场的等效磁极 ns N0 S0 主极 ns Te N0 S0 主极 ns S N 表征电枢合成磁场的等效磁极 ns

10、Te S N 表征电枢合成磁场的等效磁极 ns N0 S0 主极 ns Te= 0 五、 同步电机的励磁方式 指同步电机获得直流励磁电流的方式； 而供给励磁电流的整个系统，称为励磁系统。 (一 )、 直流励磁机励磁系统 ：用同轴直流发电机供给励磁。 (二 )、 整流器励磁系统 ： (用晶闸管取代直流发电机电刷和换向器 ) 1、 静止整流器励磁系统 ： 1)、 他励式 ：用同轴交流主励磁机发出交流电，经静止半导体整流器整流后供给励磁。 2)、 自励式 ： (取消了交流励磁机 ) 取自同步发电机输出的交流电，经晶闸管整流后供给励磁。 2、 旋转整流器励磁系统 ： (取消了同步发电机 集电环和电刷

11、) 用 同轴转枢式交流主励磁机发出交流电，经同步发电机转子上的半导体整流器整流后供给励磁 ， 称为无刷励磁系统。 六、 同步电机的额定值 1、 额定容量 SN (或额定功率 PN ) ： 额定运行时电机的 输出功率。 同步发电机 SN (kVA)或 PN (kW)； 同步电动机 PN (kW)； 同步补偿机 SN (kvar)。 2、 额定电压 UN： 额定运行时定子绕组的线电压，单位为伏 (V)。 3、 额定电流 IN： 额定运行时定子绕组中的线电流， 单位为安 (A)。 4、 额定功率因数 cosN： 额定运行时电机的功率因数。 5、 额定频率 fN： 额定运行时电枢的频率，我国工频为 5

12、0赫 (Hz)。 6、 额定转速 nN： 额定运行时电机的转速，为同步转速 ns； 单位为转 /分 (r/min)。 还有绝缘等级、允许温升、额定励磁电压和额定励磁电流等。 第二节 同步发电机的 空载和负载运行 一、同步发电机的空载运行 空载特性 二、同步发电机的负载运行 电枢反应 A C B S N 一、 同步发电机的空载运行 同步发电机被原动机拖动以同步转速旋转，励磁绕组通 入直流励磁电流，电枢绕组开路或电枢电流为零的情况。 设转子 顺时针旋转 紫色为流入 红色为流出 ns 0f主磁路包括气隙、电枢齿、电枢轭、磁极极身和转子轭五部分。 )2.01.0(0 f主极磁通 主磁通 0 主极漏磁通

13、 f 激磁电动势的有效值 0110 44.4 wkfNE 在同步转速下，激磁电动势 E0与励磁电流 If 之间的 关系曲线 E0= f ( If )， 称为同步电机的空载特性。 fI 0E0f1F1、 空载时的电磁关系 0B2、 空载特性 0 E0= f ( If ) E0,0 If , Ff 气隙线 空载特性 If0 UN 电机的磁化曲线 0= f ( Ff ) E0 25.11.1 0f0f0NUEIIk空载额定电压时主磁路饱和系数 If0不计饱和时： 对称负载时电枢磁动势的基波对主磁场基波的影响称为电枢反应。 二、 同步发电机的负载运行 fI f1F1、 负载时的电磁关系 I aF)(

14、0 )( 0EE fI 0E0I aEaaFf1FB0BaB把主磁场 和电枢反应磁场 叠加，即可得到负载时的气隙合成磁场 。 （ 教材中 把电枢磁动势的基波在气隙中所产生的磁场称为电枢反应 ） 0BaBBFA相相轴 (A相时轴 ) (1)、任一相的电流相量与该电流系统产生的合成磁动势矢量重合； (2)、旋转磁场与任一相绕组交链的磁通相量与旋转磁场的磁密波矢量重合； 再加上 (3)、忽略磁滞、涡流影响时，旋转磁场的磁密波矢量与产生它的磁动势矢量重合； (4)、 磁通与其感应电动势的正方向符合右手螺旋定则时，电动势相量滞后于产生它的磁通相量 90。 复习时空矢量图： aaBaFI把时间相量图和空间矢量图画在一起，称为时空矢量图。 对于对称多相系统，在时空矢量图中 ，若 每一相都取自己的相轴作为时轴 ，则 存在下列关系： aE同步发电机 A相电流 达最大值时的 时空矢量图 时轴 A轴 0BaFaB2、 对称负载时的电枢反应 B C轴 A C Z X Y B轴 2mI设电流尾进 首出为正， IaF0f1F，交轴电枢反应 000E(1)、电枢电流 与激磁电动势 同相时 (0=0 ) 0EIaB0Bf1FA