《Electric Machinery 电机学 英汉双语 教学课件 ppt 作者 刘慧娟 中文课件 第5章 同步电机》由会员分享，可在线阅读，更多相关《Electric Machinery 电机学 英汉双语 教学课件 ppt 作者 刘慧娟 中文课件 第5章 同步电机（99页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1,第五章 同步电机,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 nns。 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； 同时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。,2,第一节 同步电机的分类、结构和工作原理 第二节 同步发电机的的空载和负载运行 第三节 同步发电机的电压方程、相量图和等效电路 第四节 同步发电机的功率方程和转矩方程 第五节 同步发电机的运行特性 第六节 同步发电机与电网的并联运行 第七节 同步电动机,第五章 同步电机,3,第
2、一节 同步电机的分类、 结构和工作原理,一、同步电机的分类 二、同步电机的基本结构 三、同步发电机的工作原理 四、同步电机的铭牌数据 五、同步电机的励磁方式,4,一、同步电机的分类,汽轮发电机：高速，转子隐极式, 细长形 水轮发电机：低速，转子凸极式, 短粗形,5,(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
3、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：包括定子铁心、定子绕组、机座、端盖等。,6,7,(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。,8,9,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
4、速、大容量水轮发电机和大型水泵用同步电机。,(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)、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。,10,11,(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。当发电机不对称运行时，起削弱负序旋转磁场的作用；当发电机发生振荡时，使振荡衰减。,(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。
5、,(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。,汽轮发电机由于整块铁心中的涡流同样可以起到阻尼作用，因此大部分汽轮发电机已不另设阻尼绕组了。,12,13,(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。,14,ns,定子上装有三相对称绕组互差12
6、0电角度。 转子上安放直流励磁绕组。,A,C,B,S,N,设转子 逆时针旋转,三、同步发电机的工作原理,15,(2)、同步发电机被原动机拖动以同步速旋转，恒定 主磁场变为以同步速旋转的气隙旋转磁场；,(1)、转子励磁绕组通入直流电流，建立恒定主磁场；,(3)、定子导体切割气隙旋转磁场，产生交流电动势。,若定子绕组带有负载，发电机将输出电功率， 从而完成机械能向电能的转换。,16,四、同步电机的铭牌数据,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
7、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50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。,17,五、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
8、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) 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。,18,重点： 1、同步发电机的工作原理。 2、汽轮发电机和水轮发电机的结构特点。 3、同步电机的额定值。,19,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,20,A
9、,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。,ns,设转子 逆时针旋转,21,主磁路包括气隙、电枢齿、电枢轭、磁极极身和转子轭五部分。,激磁电动势的有效值,1、空载时的电磁关系,同步电机转速与电网频率有着严格不变的关系， 即电网频率一定时，同步电机转速不变。,转子以同步速 ns 旋转，激磁电动势频率为 。,22,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。,2、空载特性,0,E0= f ( If ),E0,0,If , Ff,气
10、隙线,空载特性,If0,UN,电机的磁化曲线 0= f ( Ff ),E0,空载电压等于额定电压时主磁路的饱和系数为：,If0,23,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,1、负载时的电磁关系,(1)、同步发电机单机运行： 若不调节励磁电流 If ， Ff1 不变， 合成磁动势 F 改变， 0 ，E E0 ， 发电机端电压 U 变化。,(2)、同步发电机并网运行： 电网电压不变，发电机端电压 U = UN 不变， 0 基本不变，此时必须调节励磁电流 If 。,24,(1)、磁动势矢量与产生它的电流系统中的该相电流 相量重合； (2)、忽略磁滞和
11、涡流损耗时，旋转磁场的磁密矢量 与产生它的磁动势矢量重合； (3)、该相绕组交链的磁通相量与产生它的磁密矢量 重合。,同步发电机的时空矢量图,复习时空矢量图：,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，若每一相都把自己的时轴取在各自的相轴上，则存在下列关系：,s,25,电枢反应的性质（增磁、去磁或交磁）取决于电枢磁动势基波 与励磁磁动势基波 的空间相对位置。,把激磁电动势 与电枢电流 的时间相位差定义为内功率 因数角，用0 表示。它与电机的内阻抗和负载性质有关。,2、对称负载时的电枢反应,一般情况下同步发电机的时空矢量图,电枢反应的性质与内功率因数角0
12、有关。,s,26,三种典型的电枢反应,27,时轴,(1)、电枢电流 与激磁电动势 同相 (0 = 0) 时,d 轴,(a) 空间矢量图,(c) 时空矢量图,(b) 时间相量图,q 轴,d 轴,A轴,q 轴,时轴,取主极轴线超前 A 相轴线 90 的时刻绘图,s,设电流尾进 首出为正,使气隙磁场轴线从空载时的直轴处逆转向后移了一个锐角，,主极上受到制动的电磁转矩，实现了机电能量转换。,28,交轴电枢反应使气隙磁场轴线从空载时的直轴处逆转向后移了一个锐角 ，即磁通从主极发出后向后扭斜，所产生的切向力使转子受到一个制动的电磁转矩， 角越大，磁场所产生的切向力及电磁转矩和电磁功率就越大。,发电机旋转时
13、，原动机必须输入驱动转矩来克服制动电磁转矩，从而将机械能转变成电能，所以交轴电枢反应与电磁转矩的产生和机电能量转换直接相关。,29,时轴,(a) 空间矢量图,(c) 时空矢量图,(b) 时间相量图,d 轴,A轴,q 轴,时轴,(2)、电枢电流 滞后激磁电动势 90 (0 = 90) 时,使气隙磁场被削弱,s,30,(c) 时空矢量图,d 轴,A轴,q 轴,时轴,(3)、电枢电流 超前激磁电动势 90 (0 = -90) 时,使气隙磁场被增强,s,31,(4)、一般情况下 电枢电流 滞后激磁电动势 一个锐角 (0090 )时,(c) 时空矢量图,d 轴,A轴,q 轴,时轴,32,重点： 1、内功
14、率因数角0 。 2、0 分别为0 、90、-90 时电枢反应 的性质以及对电机的影响。 3、交轴电枢反应是产生电磁转矩及实现 机电能量转换的关键。,33,一、隐极同步发电机的电压方程、 相量图和等效电路,二、凸极同步发电机的电压方程 和相量图,第三节 同步发电机的电压方程、 相量图和等效电路,34,(一) 、不考虑饱和时 (磁路线性，可应用叠加原理),1、负载时各物理量之间的电磁关系：,一、隐极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路,同步发电机正方向的规定,2、电压方程：,35,为简化计算，引入一个反映电枢反应磁通 a 的参数， 将电枢反应电动势 Ea 与电枢电流 I 直接联系起来 。,不计饱
15、和，磁路线性化，可用气隙线代替空载特性,36,激磁电动势 与端电压 的夹角称为功率角,3、相量图和等效电路：,相量图, = 0 ,37,等效电路,38,(二) 、考虑饱和时 (磁路非线性，不能应用叠加原理),1、负载时各物理量之间的电磁关系：,2、电压方程：,39,等效电路,3、相量图和等效电路：,相量图,40,一般情况下，电枢反应既不作用在直轴也不作用在交轴，此时电枢磁场分布是不对称的，且无法用解析式来表达，电枢反应难于直接确定。,凸极同步电机的气隙是不均匀的，极弧下气隙较小，极间气隙较大，即气隙磁导是变化的，同样大小的电枢磁动势作用在不同位置时电枢反应将不相同。,(一) 、双反应理论,二、凸极同步发电机的电压方程、相量图和等效电路,41,当电枢磁动势恰好作用在直轴或交轴位置时，电枢磁场波形是对称的，电枢反应不难确定。,当电枢磁动势既不作用在直轴也不作用在交轴时，可把电枢磁动势分解成直轴和交轴两个分量，然后分别求出直轴和交轴电枢磁动势的电枢反应，最后再把它们的效果叠加起来。 这种把电枢反应
