电机与拖动 教学课件 ppt 作者 刘玫 孙雨萍_ 第7章 三相同步电机1

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1、内容简介,7.1 三相同步电机的基本运行原理、结构与定额。 7.2 三相同步电动机的电枢反应。 7.3 三相同步电动机的电动势平衡方程式、等效电路与相量图。 7.4 三相同步发电机的电动势平衡方程式、等效电路与相量图。 7.5 三相同步电动机的矩角特性。 7.6 三相同步电动机的功率因数调节与V形曲线。 7.7 三相同步电动机的起动。,第7章三相同步电机,三相同步电机也是一种三相交流电机，它的转子转速和定子电流的频率之间满足方程式,同步电机主要作为发电机使用 ，作为电动机使用主要用来拖动功率较大、转速不需要调节的生产机械 。（如：空气压缩机、矿井送风机、球磨机及电动发电机组等。）,大功率的同步

2、电动机和同容量的异步电动机相比，具有特殊的优点： （1）同步电动机的功率因数较高，且可以做到是超前的，故运行时能够改善电网的功率因数。而异步电动机的功率因数只能是滞后的，不能改善电网的功率因数。 （2）对大功率低转速的电动机，同步电动机的体积比异步电动机的要小些。,7.1三相同步电机的结构、工作原理及额定数据,1、定子：三相同步电机的定子结构与三相异步电动机定子相同，也是由定子铁心、定子绕组、机座和端盖等部件组成。,a)凸极式同步电机,b)隐极式同步电机,2、转子：同步电机的转子结构与异步电机不同，它有两种结构型式，即凸极式和隐极式，如图7-1所示。,图7-1 三相同步电机的转子结构,7.1.

3、1同步电机的结构,1、同步发电机的工作原理：,三相同步电机具有可逆性，亦即接在同一电网上的同步电机即可以运行在电动机状态，也可以运行在发电机状态，或是同步调相机状态。,由原动机拖动转子以恒速n1旋转，转子通入直流励磁电流励磁，在旋转过程中磁场切割定子三相对称绕组，在三相绕组中产生三相对称电动势，成为三相交流电源。三相交流电势的有效值相等，为 ；频率相同，为 ；在相位上互差 电角度；相序取决于电机的旋转方向。此时，原动机输入的机械能通过内部的电磁作用转换成电功率输出。,图7-2 三相同步发电机运行原理,7.1.2 三相同步电机的工作原理,接直流电源,2、同步电动机的工作原理：,定子对称三相绕组接

4、到三相电源上, 产生一个在空间以同步速旋转的旋转磁动势 。,转子绕组接在直流电源上，产生励磁磁动势 。,假设同步电动机以某种方式使转子升至同步速， 合成磁势 以同步速在气隙中旋转。,转子的转速始终与定子旋转磁场的同步速 相同，故称为同步电动机。,转子磁极的轴线滞后于异性气隙合成磁极的轴线 空间角度，此角度由转子轴上负载转矩的大小决定，当负载转矩改变时， 的大小随之改变。,7.1.2 三相同步电机的工作原理,等效合成磁极将与转子磁极异性相吸，转子在气隙合成磁极的磁拉力下以同步速 旋转。同步电动机将输入的电功率转换成机械功率输出。,接三相交流 电源,接直流电源,图7-4 同步调相机运行原理,3、同

5、步调相机：,若同步电机的定子边加三相交流电，转子边接直流电源励磁，转子轴上未带任何机械负载，则同步电机将工作在同步调相机状态，此时，通过调节同步调相机的转子直流励磁电流，便可以改变向电网输出无功功率的大小和性质。,7.1.2 三相同步电机的工作原理,接直流电源,接三相交流电,7.1.4 同步电机的额定数据,额定功率 ：对于同步电动机，额定功率是指额定状态下转子轴上输出的机械功率；对于同步发电机，额定功率是指额定状态下定子侧输出的有功电功率；,此外，还包括：转子额定励磁功率 、额定励磁电压 以及额定温升等。,额定效率 ：额定状态下同步电机的输出功率与输入功率之比。,额定转速 (r/min) ：即

6、为同步速 ；,额定频率 (Hz) ：我国规定的额定频率为50HZ;,额定功率因数 ：额定状态下定子侧的功率因数；,额定电流 ：额定状态下定子绕组的线电流 ；,额定电压 ：额定状态下定子绕组的线电压 ；,对于三相同步电动机：,对于三相同步发电机：,额定数据之间满足下列关系式：,7.1.4 同步电机的额定数据,7.2三相同步电动机的电枢反应,7.2.1三相同步电动机空载时的磁场,空载：同步电机空载运行时，电枢电流基本为零。,若在转子绕组内通以直流励磁电流 ，则转子的直流 励磁磁势 （或安匝数） 为： ，称为励磁磁势，它产生 的磁场称为主磁场。,由励磁磁势 建立主磁场并产生主磁通 和漏磁通 .,图7

7、-5同步电动机空载时的磁场分布,其中， 为定子绕组的匝数和绕组系数， 为定子绕组感应电势的频率，它由下式确定：,主磁通 以同步速切割定子绕组，在其中产生感应电势 其值由下式表示,磁势和磁场是空间分布函数，磁通、 电势和电流是时间函数。由于只考虑 基波分量，因此，可以分别用空间矢 量和时间相量表示。又因为二者都有 相同的角速度，所以可以将二者画在 同一坐标平面图上，这种图称为 时空相量图，,图7-6同步电动机空载时的时空相量图,图中，+A表示A相绕组的轴线。+j表示时间轴。,7.2.2三相同步电动机负载时的电枢反应,电枢反应： 三相同步电动机带上负载后，定子绕组中有了对称三相电流，产生了一个幅值

8、不变、转速为同步速 的旋转磁势 ，电枢磁势的出现，将改变原有空载时由励磁磁势 单独产生的气隙主磁场的分布状况和大小。通常，把定子电枢磁势对主磁场的影响称为电枢反应。相应的电枢磁势又称为电枢反应磁势。,既然励磁磁势 和电枢磁势 均以同步速旋转，两者相对静止，因而可以相互叠加共同产生气隙磁势 。于是，气隙磁势可以表示为：,电枢反应与电枢磁势 和主磁势 之间的空间相对位置有关，这一空间相对位置又与主磁极产生的励磁感应电动势 与电枢电流 之间的夹角 （称为内功率因数）有关，随 着 的不同，电枢反应所起的作用也不尽相同。下面以同步电动机为例，分述 为三种不同情况下的电枢反应。,1、当 与 同相（即 ）时

9、：,要解决的问题： 与 的相位和幅值关系。,交轴（q轴）,直轴（d轴）,当转子通以直流电流，且原动机拖动转子磁极以同步速 逆时针旋转时，气隙中便产生以同步速逆时针旋转的转子励磁磁动势 和主磁场，在定子电枢绕组中产生感应电势 和感应电流 。当转子磁极轴线转至水平位置时，A相绕组的的感应电势达最大值，方向由右手定则判定。,在 和 同相位的情况下，A相绕组的电枢电流同时也达到最大值。根据交流 旋转磁场的理论，定子三相电流产生的旋转磁势的幅值轴线总是与电流达到最大 值相的绕组轴线相重合，所以此时电枢磁势 的幅值位于A相绕组的轴线处，它与 主磁极磁势 相垂直，将 和 两矢量相加，便可得到合成磁势 .,通

10、常将转子轴线定义为d轴（又称为直轴），电角度上与d轴垂直且滞后的轴线（即两主磁极N、S之间的轴线）定义为q轴，也称作交轴。它们均与转子一起以同步速旋转。,与 空间上相互垂直，此时电枢反应表现为交磁作用。由于电枢磁势 沿交轴（即q轴）方向，相应的电枢反应又称为交轴电枢反应。一般用 来表示。,同步发电机的交轴电枢反应使得气隙合成磁势 从主磁极轴线（d轴）逆转向偏移了一个空间电角度 ，且合成磁势的幅值有所增加。,结论：,（a）按照电动机惯例规定各参量正方向,(b) 空间矢量图,（c）时间相量图,(d)时空相量图,图7-7 电枢电流 与励磁电动势 同相位时的电枢反应,电枢电流 与励磁电动势 同相位时的

11、电枢反应所对应的空间矢量图、时间相量图及将两个图合成的时空相量图见图7-7。,2、电枢电流 滞后于励磁电动势 一个锐角 时的电枢反应（即 ）,图7-8电枢电流 滞后于励磁电动势 一个锐角 时的电枢反应,电枢电流 滞后于 一个角度 ，即逆转向（顺时针）偏移一个时间电角度 ，根据旋转磁场理论，电流在时间上经过多少时间电角度，旋转磁场就在空间上转过多少空间电角度。因此，电枢磁势 也顺时针偏移q轴空间电角度 。将 和 两矢量相加，便可得到合成磁势 。其空间矢量图、时间相量图及时空相量图见图7-8.,对于这种电枢反应磁势 ，通常采用双反应理论将其分解为直轴电枢反应磁势 （具有去磁作用）和交轴电枢反应磁势

12、 两个分量。,a)空间矢量图,b）时间相量图,c)时空矢量图,然后再对这两个磁势分量分别作用于直轴和交轴磁路所产生的磁场情况进行讨论。,其中，,相应的电流分量为：,其中，,结论：气隙合成磁势 仍从主磁极轴线（d轴）逆转向偏移了一个电角度 ，电枢磁势 除了一部分 产生交轴电枢反应外，还有一部分 产生直轴去磁作用。,3、电枢电流 超前于励磁电动势 一个锐角 时的电枢反应（即 ）,电枢电流 超前于 一个角度 ，即顺转向（逆时针）偏移一个时间电角度 ，电枢磁势 也逆时针偏移q轴空间 电角度 。见图7-9（a）。,同理将 分为直轴电枢反应磁势 和交轴电枢反应磁势 两个分量。交轴电枢反应磁势 的作用与 时

13、相同，这时直轴电枢磁势 对主磁极起助磁作用。,将 和 两矢量相加，便可得到合成磁势 。见图7-9（a）。,结论：气隙合成磁势仍从主磁极轴线（d轴）逆转向偏移了一个电角度 ，电枢磁势除了一部分产生交轴电枢反应外，还有一部分产生直轴助磁作用。,(a) 空间矢量图,(b) 时间相量图,(c)时空相量图,图7-9电枢电流 超前于励磁电动势 一个锐角 时的电枢反应,电枢电流 超前于励磁电动势 一个锐角 时的电枢反应所对应的空间矢量图、时间相量图及时空相量图见图7-9,同步电动机空载时主磁通由励磁磁势所产生的，其磁密及基波的分布波形如图7-10a所示。 图b、c分别为直轴电枢磁势和交轴电枢磁势所产生的磁密

14、和及其基波磁密的分布波形。由图b、c可见，虽然直轴和交轴电枢反应磁势都是正弦波，但由于气隙不均匀，它们所产生的电枢反应磁密波形不再是正弦波，直轴电枢磁势所产生的磁密波形基本上是斗笠帽形的；而交轴电枢磁势所产生的磁密波形基本上是马鞍形的。直轴电枢磁密的基波幅值比交轴电枢磁密的基波幅值大得多。,4、双反应理论,（a） (b) (c) 图7-10凸极式同步电机中的磁动势和磁场,7.3三相同步电动机的电势平衡方程式、等值电路与相量图,7.3.1三相隐极式同步电动机的电势平衡方程式、等值电路与相量图,图7-11隐极式同步电动机的电磁关系,忽略磁路饱和的影响，励磁磁势 和电枢磁势 分别产生相应的励磁主磁通

15、 和电枢反应磁通 ，并在定子每相绕组中分别产生相应的励磁电动势 和电枢反应电动势 ，另外还有 所产生的漏磁通 在定子每相绕组中产生漏感电动势 及电枢电流 在定子每相绕组电阻 上的压降 ，其电磁关系如图7-11所示。,由图7-11所表示的电磁关系及图7-7（a）所规定的定子各电势的正方向，根据基尔霍夫电压定律，可写出定子一相的电势平衡方程式,式中， 又称为隐极式同步电机的同步电抗。它综合反映了电枢反应磁通和电枢漏磁通所经过的磁路情况。,1、隐极式同步电动机的电势平衡方程式及等值电路,将 及 代入式7-8，得,（7-8）,（7-11）,图7-13 隐极式同步电动机的相量图,功率角： 与 之间的夹角，也是 与 的夹角。同步电机的一个很重要的物理量。,内功率因数角： 与 之间的夹角。,功率因数角： 与