《电机与拖动基础 第2版 教学课件 ppt 作者 汤天浩 第08章－同步电机原理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电机与拖动基础 第2版 教学课件 ppt 作者 汤天浩 第08章－同步电机原理（48页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、-1-,第八章 同步电机原理,电机与拖动基础（第2版）,第一节 同步电机的结构和运行方式,第二节 同步电动机的电压方程和相量图,第三节 同步电动机的功率方程和功角特性,第四节 同步电动机的功率因数及U形曲线,第五节 永磁同步电动机*,-2-,引 言 本章主要阐述同步电机的工作原理，利用双反应理论建立同步电机的基本电磁关系，在此基础上对同步电机的功角特性、矩角特性及功率因数的调节进行深入分析。本章还对迅速发展的永磁同步电机做了简要介绍。,第八章 同步电机原理,-3-,第一节 同步电机的结构和运行方式,第八章 同步电机原理,如果三相交流电机的转子转速n与定子电流的频率f1满足下面的方程式关系，这种
2、电机就称为同步电机。同步电机多被用作发电机，当今作为动力用的强大电力几乎全是由三相同步发电机发出的，因此它是各类发电厂的核心设备之一。同步电机也可以作电动机使用，例如空气压缩机、鼓风机、电力推进装置和电动发电机组等。,（8-1）,-4-,一、同步电机的基本结构 1. 定子 同步电机的定子，就其基本结构来看，与异步电机的定子没有多大区别，也是由定子铁心、定子绕组以及机座、端盖等附件组成。,第八章 同步电机原理,-5-,2. 转子 同步电机的转子有两种结构形式：一种有明显的磁极， 称为凸极式，如图8-1a所示；另一种转子为一个圆柱体，表面上开有槽，无明显的磁极，称为隐极式，如图8-1b所示。 同步
3、发电机的转子可以采用凸极式，也可以采用隐极式。对于水轮发电机，由于水轮机的转速较低，把发电机的转子做成凸极式的；对于汽轮发电机，由于汽轮机的转速较高，为了很好地固定励磁绕组，把发电机的转子做成隐极式的。同步电动机一般都做成凸极式的，在结构上与凸极式同步发电机类似，为了能够自起动，在转子磁极的极靴上装了起动绕组。 同步电机的励磁电源有两种：一种是由励磁机供电， 另一种是由交流电源经过整流而得到。 每台同步电机应配备一台励磁机或整流励磁装置，可以很方便地调节它的励磁电流。,第八章 同步电机原理,-6-,二、同步电机的基本工作原理 1. 同步电机的物理模型,第八章 同步电机原理,-7-,2. 同步电
4、机的工作原理 现以同步发电机为例来说明同步电机的工作原理。当同步发电机的转子在原动机的拖动下达到同步转速n0时，由于转子绕组是由直流电流If 励磁，所以转子绕组在气隙中所建立的磁场相对于定子来说是一个与转子旋转方向相同，转速大小相等的旋转磁场。该磁场切割定子上开路的三相对称绕组，在三相对称绕组中产生三相对称空载感应电动势E0 。若改变励磁电流的大小则可相应地改变感应电动势的大小，此时同步发电机处于空载运行。 当同步发电机带负载后，定子绕组构成闭合回路，产生定子电流，该电流是三相对称电流，因而要在气隙中产生与与转子旋转方向相同，转速大小相等的旋转磁场。此时定、转子间旋转磁场相对静止，气隙中的磁场
5、是定、转子旋转磁场的合成。由于气隙中磁场的改变，定子绕组中感应电动势的大小也 发生变化。,第八章 同步电机原理,-8-,3. 同步电机的运行方式,第八章 同步电机原理,-9-,第二节 同步电动机的电压方程和相量图 一、同步电动机的磁动势 当同步电动机的定子三相对称绕组连接到三相对称电源上时，就会产生三相合成旋转磁动势，简称电枢磁动势，用空间矢量Fa表示。设电枢磁动势Fa 的转向为逆时针方向，转速为同步转速。在同步电动机负载运行时，其转子也是逆时针方向以同步转速旋转。由直流励磁电流If 产生的磁动势称为励磁磁动势，用Ff 表示，它也是一个空间矢量。电枢磁动势Fa 与励磁磁动势Ff ，两者都以同步
6、转速按逆时针方向旋转，但是两者在空 间的位置不一定相同。 这里规定两个轴方向：转子N极和S极的中心线称为直轴或纵轴，简称d 轴；与直轴相距90空间电角度的方向称为交轴或横轴，简称q 轴。直轴和交轴随转子一同旋转，如图8-4所示。,第八章 同步电机原理,-10-,先考虑励磁磁动势Ff单独在电机主磁路中产生磁通时的情况。励磁磁动势Ff总是在直轴方向，产生的磁通如图8-5所示。将由励磁磁动势Ff单独产生的磁通叫励磁磁通，用f 表示。f 经过的磁路是以直轴为对称的。,第八章 同步电机原理,-11-,二、凸极同步电动机的双反应原理 对于电枢磁动势Fa 单独在电机主磁路中产生磁通时的情况，则比励磁磁动势F
7、f 产生磁通时的情况复杂。由于Fa 与Ff 的空间位置不一定相同，所以只要Fa 与Ff 的空间位置不相同，就必然使Fa的方向不在直轴方向。对于凸极式同步电动机，由于气隙的不均匀，即使知道电枢磁动势Fa 的大小和位置，也无法 求得磁通。 如果电枢磁动势Fa 与励磁磁动势Ff 的相对位置给定，如图8-6，由于电枢磁动势Fa与励磁磁动势Ff 无相对运动，可以把电枢磁动势Fa分解成两个分量： 一个分量叫直轴电枢磁动势，用Fad 表示，作用在直轴方向；另一个分量叫交轴电枢磁动势，用 Faq 表示，作用在交轴方向，即,第八章 同步电机原理,（8-2）,-12-,第八章 同步电机原理,-13-,根据前一章的
8、分析，这里可以写出由定子电流产生的电枢磁动势的表达式,第八章 同步电机原理,（8-3）,将上式分解为d、q轴上的直轴电枢磁动势和交轴电枢磁动势：,（8-4）,（8-5）,-14-,考虑到式（8-2）的关系，即有,第八章 同步电机原理,（8-6）,即把电枢电流 按相量的关系分解成两个分量： 一个分量是 ，另一个分量是 ，其中 产生磁动势 ； 产生磁动势 。,-15-,三、同步电动机的电压方程 1. 凸极同步电动机的电压方程 不管是励磁磁通 f ， 还是直轴磁通 ad 和交轴磁通 aq，都是以同步转速逆时针旋转，因此都要在定子绕组中产生相应的感应电动势。根据图8-7给出的同步电动机定子绕组各电量正
9、方向， 可以列出A相回路的电压方程,第八章 同步电机原理,（8-7）,Rs 定子绕组的相电阻； Xs 定子绕阻的相漏电抗。,-16-,感应电动势 、 可以写成,第八章 同步电机原理,（8-9）,（8-8）,式中 Xad 直轴电枢反应电抗； Xaq 交轴电枢反应电抗。 把式（8-8）、式（8-9）代入式（8-7），得,在将式（8-6）代入上式，得,-17-,一般情况下，当同步电动机容量较大时，可忽略电阻Rs，于是,第八章 同步电机原理,（8-10）,式中 直轴同步电抗， ； 交轴同步电抗 。 在一般凸极同步电动机中， 。 2. 隐极同步电动机的电压方程 对于隐极同步电动机，由于气隙均匀，因而直轴
10、和交轴的同步电抗在数值上彼此相等，即有,（8-11）,式中 隐极同步电动机的同步电抗。,-18-,这样，由式（8-10）可写出隐极同步电动机的电压方程为,第八章 同步电机原理,（8-12）,四、同步电动机相量图 同步电机作为电动机运行时，电源必须向电机的定子绕组输入有功功率，这时输入电动机的有功功率P1必须满足,（8-13）,这就是说，定子相电流的有功分量 应与相电压 同相位。 由此可见， 与 二者之间的功率因数角 必须小于90 ，才能使电机运行于电动机状态。图8-8a是根据凸极同步电动机的电压方程，在 （超前）时， 电机运行于电动机状态的相量图。,-19-,图8-8b是根据隐极同步电动机的电
11、压方程式画出的相量图。,第八章 同步电机原理,-20-,第三节 同步电动机的功率方程和功角特性 一、同步电动机的功率方程 同步电动机从电源吸收有功功率P1 ，在扣除消耗于定子绕组的铜损耗 后，转变为电磁功率Pem ，即有,第八章 同步电机原理,（8-14）,从电磁功率Pem里再扣除铁损耗 和机械摩擦损耗 后，得到输出给负载的机械功率P2,（8-15）,其中，铁损耗 与机械损耗 之和称为空载损耗P0 ，即,（8-16）,-21-,图8-9是同步电动机的功率流程图。,第八章 同步电机原理,-22-,二、同步电动机的电磁功率与功角特性 对于凸极同步电动机，当忽略定子绕组的电阻Rs 时，同步电动机的电
12、磁功率为,第八章 同步电机原理,（8-17）,由凸极同步电动机的相量图（图8-8）可见， ，于是,此外，根据相量图可得,（8-18）,-23-,考虑以上这些关系，得,第八章 同步电机原理,（8-19）,接在电网上运行的同步电动机，已知电源电压Us、 电源的频率f1都维持不变，如果保持电动机的励磁电流If 不变，则对应的电动势E0 的大小也是常数，此外电动机的参数Xd 、Xq又是已知的常数，这样同步电动机的电磁功率Pem 就仅仅是的函数， 当角变化时，电磁功率Pem也跟着变化。 我们把 的关系定义为同步电动机的功角特性， 由此所绘制出的曲线称为功角特性曲线，如图8-10所示。,（8-20）,-2
13、4-,上式所示凸极同步电动机的电磁功率Pem 中，第一项与励磁电流If 的大小有关，称为励磁电磁功率。第二项与励磁电流If 的大小无关，是由参数 引起的，这部分功率只有凸极同步电动机才有，而对隐极同步电动机则不存在，所以该电磁功率称为凸极电磁功率。第一项励磁电磁功率是主要的，第二项凸极电磁功率比第一项小得多。,第八章 同步电机原理,（8-21）,（8-22）,-25-,三、同步电动机的电磁转矩与矩角特性 首先根据电磁转矩的通用公式推导同步电动机的电磁转矩表达式。第一章的式（1-46）即是电磁转矩的通用公式：,第八章 同步电机原理,式中 电机极对数； 每极合成磁通； 定子磁动势幅值； 定子磁动势
14、与合成磁动势间的夹角。,这里，因为 ，由式（8-3）可得,-26-,根据第七章的式（7-7）以及图8-11所示的磁动势关系，可以得到如下关系,第八章 同步电机原理,-27-,把上述三式代入电磁转矩的通用公式，可得,第八章 同步电机原理,式中 同步角速度。 不计定子电阻时， ，且 ，因此上式可以写成,（8-23）,（8-24）,根据功率与转矩的关系，同样可以导出电磁转矩及转矩平衡方程。与异步电动机一样，电磁转矩Te等于电磁功率Pem与电机角速度之比，但对于同步电动机，由式（8-1）知道其转速即为同步转速。因此，同步电动机的电磁转矩应为,-28-,第八章 同步电机原理,（8-25）,（8-26）,此式与式（8-24）是完全一致的。 将式（8-15）等号两边同除以1，得到同步电动机的转矩平衡方程,式中 T0空载转矩。 将电磁功率的表
