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

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7.1.1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7-5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：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：与之间的夹角。根据式（7-11）可以画出隐极式同步电动机的等值电路，见图7-12。2、相量图：图7-12隐极式同步电动机等值电路当电枢电流超前于电网电压的角度为时，根据式（7-11）可画出隐极式同步电动机的相量图，如图7-13所示。7.3.2三相凸极式同步电动机的电势平衡方程式、等值电路与相量图图7-14凸极式同步电动机的电磁关系当磁路不饱和时，凸极式同步电动机的电枢磁势可用双反应理论分解成直轴电枢反应磁势和交轴电枢反应磁势、由它们分别产生的直轴磁通和交轴磁通及相应的直轴电枢反应电势和交轴电枢反应电势。其电磁关系可用图7-14表示。按图7-7所规定的定子各相电势的正方向，将式（7-8）中的电枢反应电势分解为直轴电枢反应电势和交轴电枢反应电势即可得到凸极式同步电动机的电势平衡方程式为式中，称为凸极式同步电机的直轴同步电抗；称为交轴同步电抗。它们分别综合反映了直轴、交轴电枢反应磁通和电枢漏磁通所经过的磁路情况。1、凸极式同步电动机的电势平衡方程式将、、及代入式7-12，得（7-12）（7-15）图7-16凸极式同步电动机的相量图2、凸极式同步电动机的相量图凸极式同步电动机的相量图见图7-167.4三相同步发电机的电势平衡方程式、等值电路与相量图图7-17按照发电机惯例规定各参量正方向对于三相同步发电机可按照发电机惯例规定各个参量的正方向，这时电功率趋向于流出电机，如图7-17所示。与同步电动机惯例所规定的各参量正方向图7-7（a）相比较，只是电枢电流改变了方向，考虑到这个改变，仿照同步电动机的方法，可得出三相同步发电机的电势平衡方程式、等值电路与相量图。将同步电动机电势方程式（7-11）中电流的的各项都加以负号，便可获得隐极式同步发电机的电势平衡方程式为7.4.1三相隐极式同步发电机的电势平衡方程式、等值电路与相量图由式（7-17）可得其等值电路，如图7-18ａ所示，假定电枢电流滞后于定子端电压一个时间电角度，仿照同步电动机的分析方法，便可得隐极式同步发电机的时空相量图，见图7-18b。由于与的正方向相同，故有，滞后于电角度。（7-17）（7-11）（a）等值电路（b）时空相量图图7-18隐极式同步发电机的等值电路及相量图*7.4.2三相凸极式同步发电机的电势平衡方程式与相量图图7-19凸极式同步发电机的时空相量图将式（7-15）的电枢电流的各项都加以负号，得凸极式同步发电机的电势平衡方程式为仿照凸极式同步电动机的分析方法，当电枢电流滞后于定子端电压时，凸极式同步发电机的时空相量图如图7-19所示。7.5三相同步电动机的矩角特性7.5.2功角特性和矩角特性矩角特性：定子电压一定、转子外加直流励磁电流一定条件下，电磁转矩与功率角之间的关系曲线，即矩角特性反映了负载改变时电磁转矩的变化情况，它相当于三相异步电动机的机械特性。忽略定子电阻时的凸极式同步电动机的相量图如图7-20所示。图7-20忽略时的凸极式同步电动机的相量图忽略定子绕组的铜耗后，同步电动机从三相交流电网吸收的输入功率和电磁功率相同，即又由相量图7-20得：将式（7-23）代入式（7-22），整理得：（7-24）式（7-24）又称为凸极式同步电动机的功角特性。（7-23）（7-22）图7-20忽略时的凸极式同步电动机的相量图将式（7-24）两边同除以同步角速度便可得到凸极式同步电动机的矩角特性为（7-25）将式（7-25）所对应的特性曲线画在坐标图上，如图7-21所示。图7-21凸极式同步电机的矩角特性结论：凸极式同步电动机的电磁转矩由两部分组成：一部分为基本电磁转矩，它是由转子直流励磁磁势和定子气隙磁场相互作用产生的。另一部分为是附加电磁转矩，它是由于凸极式同步电机d轴电抗和q轴电抗不同（又称为凸极效应）引起的，也称为磁阻转矩。*(a)电动机运行(b)发电机运行图7-22同步电机不同运行状态下的功率角和电磁转矩在图7-21中的第Ⅰ象限，为正且为正，这时气隙合成磁场超前于转子励磁磁场电角度，根据两个电磁场异性相吸的原理，转子所产生的电磁转矩与转子转动方向相同为拖动转矩，同步电机运行于电动状态，见图7-22a；在图7-21中第Ⅲ象限，为负且为负，这时气隙合成磁场滞后于转子励磁磁场电角度，表示转子磁场拖动合成磁场，电磁转矩与转子转动方向相反为制动转矩，同步电机运行于发电机状态，见图7-22b。*7.5.3同步电动机的稳定运行区与过载能力以隐极式同步电动机为例:图7-25隐极式同步电动机的稳定运行区域在A‘点稳定运行，干扰消除后，能回到A点。原平衡运行在B’点，电动机进入失步状态。原平衡运行在A点，假设负载波动到， B‘点不是稳定运行点。结论： 同步电动机稳定运行的条件是,即隐极式同步电动机的稳定运行范围为； 当时，即，系统不能稳定运行； 当时，，这是系统稳定和不稳定运行的临界点，这时电磁转矩取得最大值，即最大电磁转矩与额定转矩之比，称为过载能力倍数，用来表示，对于隐极式同步电动机有由（式7-28）和式（7-29）可知，当，从而使得过载倍数增加，进而提高电动机的静态稳定性。一般情况下，隐极式同步电动机额定运行的功率角为，此时。（7-28）（7-29）*7.6三相同步电动机的功率因数调节与V形曲线例：某变电所，变压器容量为：10000KVA当时，它传输的有功功率为：9000KW无功功率为:4359当时，它传输的有功功率为：7000KW无功功率为：71417.6.1功率因数的调节工矿企业的大部分用电设备都是感性负载，如：变压器、异步电动机、感应炉等。它们从电网吸收滞后的无功电流，使得电网的功率因数降低，电网的无功功率大，占用的输变电设备容量大，影响有功功率的传输。功率因数太低，电业部门是不允许的。变电所的供电能量取决于变压器的视在功率，当视在功率一定时，功率因数越低，有功功率就越小。可见，功率因数的对输变电设备的有效利用影响是巨大的。同一台变压器，当功率因数从0.9降到0.7，它所传输的有功功率减少2000KW。以隐极式同步电动机为例：输出功率不变时，若忽略各种损耗的变化，有：根据上述条件，绘出不同转子励磁条件下同步电动机的相量图如图7-26所示。由于电网电压U与电动机的同步电抗均为常数，由此可得：在、以及电磁功率（或电磁转矩）一定的条件下，调节改变。7.6.1功率因数的调节分析：（1）调节使定子感应电势为时，定子电流为，与同相，功率角为。电动机从电网全部吸收有功功率，电动机相当于电阻负载挂在电网上。称这时的励磁状态为“正常励磁”（2）定子感应电势为，,定子电流为，相位上超前于一个角。电动机除从电网吸收有功功率外，还吸收超前的无功功率，电动机相当于容性负载。称这时的励磁状态为“过励”（3）定子感应电势为，,定子电流为，在相位上滞后于一个角。电动机除从电网吸收有功功率外，还吸收滞后的无功功率。电动机相当于感性负载。称这时的励磁状态为“欠励”图7-26不同励磁电流时隐极式同步电动机的相量图由上分析可知： 调节同步电动机的励磁电流可以改变定子电流的无功分量和功率因数； 正常励磁时，同步电动机从电网全部吸收有功功率； 欠励时，同步电动机除了从电网吸收有功功率外，还吸收滞后的无功功率； 过励时，同步电动机除了从电网吸收有功功率外，还吸收超前的无功功率；若调节同步电动机的励磁电流，使之工作在过励状态，则可以改善电网的功率因数。7.6.2同步电动机的V形曲线V形曲线：在、以及电磁功率（或电磁转矩）一定的条件下，定子电枢电流与转子励磁电流之间的关系曲线称为V形曲线。。由图7-26可见，当转子直流励磁电流由小到大（即由欠励→正常励磁→过励）变化时，则定子电枢电流首先逐渐减小，至正常励磁时降为最低。然后，电枢电流又逐渐增加。图7-27同步电动机的V形特性曲线V形曲线如图7-27所示。对于输出功率一定的同步电动机，其定子电枢电流与转子直流励磁电流之间的变化曲线呈“V字”形状，V形曲线由此而得名。分析：（1）对每一条特性，存在着最小电枢电流，这时，将连起来得到线。其线左边为欠励状态，右边为过励状态。当一定时，调节励磁电流，功率因数的大小和性质发生变化。（2）在欠励区，若减小到一定程度，随之很小，功率角增至后，电动机失步，欠励区存在不稳定运行区。（3）增加，当一定时，增加，特性上移。图7-27同步电动机的V形特性曲线7.7三相同步电动机的起动同步电动机仅在同步转速下才能产生恒定的同步电磁转矩。当转子的转速与合成磁场的转速不相等时，功率角随时间而变化，其表达式为式中：为合成磁场的角速度；为转子的角速度；且，初始功率角为。将上式带入凸极式同步电动机矩角特性式（7-25），同步电动机所产生的瞬时电磁转矩为：平均电磁转矩为：可见，只要，瞬时电磁转矩就是随着时间交变的。*由于作用在转子上的同步电磁转矩是交变的脉振转矩，其平均值为零。如果将同步电动机励磁后，直接投入电网，这时定子旋转磁场的转速为同步速，而转子处于静止状态（），定、转子磁场之间以同步转速作相对运动，由此，同步电动机不会起动，必须借助其他方法。同步电动机的主要起动方法有异步起动法、辅助电动机起动法和变频起动法。7.7.1异步起动法采用异步起动法时，在凸极式同步电动机磁极极靴上开有若干个槽，槽中装有黄铜导条，在两个磁极端面上，各用一个铜环将导条连接起来构成一个不完整的鼠笼绕组（又称起动绕组或阻尼绕组）。如图7-28所示。起动步骤：（1）首先将双向开关投向起动侧，转子直流励磁绕组通过电阻闭合。（2）然后闭合k1，将定子绕组投入到三相电源上，使同步电动机异步起动起来,可以采用自耦变压器、起动或串电抗器等降压起动方法。（3）当转子升至n1左右时，再将转子励磁绕组切换至直流励磁电源上，利用这两个的磁场之间的相互作用所产生的牵入同步转矩，将转子牵入同步，完成起动。图7-28同步电动机异步起动的线路7.7.2辅助电动机的起动对于大型同步电动机可采用辅助电动机的起动方法，选用另一台极数相同的感应电动机（其容量约为主机的10~15%）作为辅助电动机带动同步电动机旋转，一旦转子接近同步速，再在同步电动机转子绕组中加入直流励磁电流，利用牵入同步转矩将转子牵入同步。该方法设备投资大，很不经济。7.7.3变频起动起动前，首先将同步电动机的转子绕组通以直流励磁，使定子变频电源的频率从零逐渐增加，直到额定频率，从而使定子旋转磁场和转子转速随之逐渐升高，直至转子达到同步转速为止，最后切换至电网供电。**********