1、第五章同步電機(jī)第五章同步電機(jī).23n了解同步電機(jī)的用途和主要分類n熟練掌握同步電機(jī)的基本工作原理n熟悉同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，熟練掌握隱極和凸極電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)n熟練掌握同步電機(jī)的額定值n熟練掌握同步發(fā)電機(jī)標(biāo)幺值系統(tǒng)學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)4定義：定義： 同步電機(jī)是指電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速相同的交流電機(jī)。同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速為運(yùn)用范圍：運(yùn)用范圍： n同步電機(jī)主要用來(lái)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行；n同步電機(jī)也可作為電動(dòng)機(jī)應(yīng)用，用于拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械，一般使用在不需要調(diào)速的低速大功率機(jī)械中；n此外，同步電機(jī)還可以作為同步補(bǔ)償機(jī)，他能夠?qū)ｉT用來(lái)向電網(wǎng)輸送感性和容性無(wú)功功率。pfnn10605678l同步發(fā)電機(jī)按同步發(fā)電機(jī)按原動(dòng)機(jī)原動(dòng)機(jī)分

2、類分類91011121314n同步電機(jī)的定子和異步電機(jī)相同，定子鐵芯上有齒和槽，槽內(nèi)設(shè)置三相繞組。轉(zhuǎn)子上裝有磁極和勵(lì)磁繞組。同步電機(jī)的磁極通常裝在轉(zhuǎn)子上，而電樞繞組放在定子上，通常稱為旋轉(zhuǎn)磁極式電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁極式電機(jī)。n旋轉(zhuǎn)磁極式電機(jī)同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子有凸極凸極和隱極隱極兩種結(jié)構(gòu)形式。n用汽輪機(jī)作為原動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)的稱為汽輪發(fā)電機(jī)汽輪發(fā)電機(jī)，一般采用隱極式隱極式結(jié)構(gòu)；用水輪機(jī)作為原動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)的稱為水輪發(fā)電機(jī)水輪發(fā)電機(jī)，一般采用凸極式凸極式結(jié)構(gòu)。同步電動(dòng)機(jī)、由內(nèi)燃機(jī)拖動(dòng)的同步發(fā)電機(jī)以及同步補(bǔ)償機(jī)同步補(bǔ)償機(jī)大多做成凸極式。151617181920212223l定子 同步電機(jī)的定子大體上和異步電機(jī)相同，是由鐵芯

3、、繞組、機(jī)座以及固定這些部分的其他構(gòu)件組成。l轉(zhuǎn)子 （以同步發(fā)電機(jī)為例） 1、汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 現(xiàn)代汽輪發(fā)電機(jī)一般都是二極的，同步轉(zhuǎn)速為3000或3600r/min。這是因?yàn)樘岣咿D(zhuǎn)速可以提高汽輪機(jī)的運(yùn)行效率，減小整個(gè)機(jī)組的尺寸、降低機(jī)組的造價(jià)。轉(zhuǎn)子不能做得過大，所以汽輪發(fā)電機(jī)的直徑較小直徑較小，長(zhǎng)度較長(zhǎng)長(zhǎng)度較長(zhǎng)。汽輪發(fā)電機(jī)均為臥式結(jié)構(gòu)臥式結(jié)構(gòu)。 2、水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 大型水輪發(fā)電機(jī)通常都是立式立式結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，它的轉(zhuǎn)速低、極數(shù)多，要求轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，故其特點(diǎn)是直徑大直徑大、長(zhǎng)度短長(zhǎng)度短。2425同步電機(jī)的額定值（銘牌值）由以下幾種：l額定容量額定容量 或額定功率或額定功率l額定電壓額定電壓 是指同

4、步電機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)其定子三相的線電壓l額定電流額定電流 是指同步電機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)流過其定子繞組的線電流同步發(fā)電機(jī)同步電動(dòng)機(jī)同步調(diào)相機(jī)額定容量發(fā)電機(jī)出線端的額定視在功率（VA）額定功率發(fā)電機(jī)輸出的額定有功功率（電功率）（W）轉(zhuǎn)軸上輸出的有效機(jī)械功率（W）發(fā)電機(jī)出線端輸出的無(wú)功功率（Var）NSNPNUNI26l額定功率因數(shù)額定功率因數(shù) 是指同步電機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)。l額定效率額定效率 是指額定運(yùn)行時(shí)的效率。l額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速 和額定頻率額定頻率 是指同步電機(jī)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速（r/min）和定子繞組中電流與電壓的工作頻率（Hz）。l額定勵(lì)磁電壓額定勵(lì)磁電壓 和額定勵(lì)磁電流額定勵(lì)磁電流 是指同步電

5、機(jī)額定運(yùn)行時(shí)加到勵(lì)磁繞組上的直流電壓和電流。NnNcosNNNNNNNIUSPcos3cos13cosNNNNNNNPPU I n發(fā)電機(jī)n電動(dòng)機(jī)NffNUfNI1(NP -額定輸入功率）27282930313233n同步電機(jī)運(yùn)行時(shí)，必須在其轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組中通入直流電流，以便建立磁場(chǎng)，這個(gè)直流稱為勵(lì)勵(lì)磁電流磁電流，供給勵(lì)磁電流的整個(gè)系統(tǒng)稱為勵(lì)磁系勵(lì)磁系統(tǒng)統(tǒng)。勵(lì)磁系統(tǒng)是同步電機(jī)的重要組成部分，勵(lì)磁系統(tǒng)和勵(lì)磁元件的性能對(duì)電機(jī)的運(yùn)行性能有重要影響。n分類，勵(lì)磁系統(tǒng)主要有兩大類： 一類是直流發(fā)電機(jī)作為勵(lì)磁電源的直流勵(lì)磁機(jī)直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)勵(lì)磁系統(tǒng)； 另一類是用整流裝置將交流變成直流后供給勵(lì)磁的交流勵(lì)磁機(jī)整

6、流勵(lì)磁系統(tǒng)交流勵(lì)磁機(jī)整流勵(lì)磁系統(tǒng)。3435空載運(yùn)行時(shí)，電樞電流為零，僅有由勵(lì)磁電流所建立的主極磁場(chǎng)。主極磁通主極磁通分為主磁通主磁通和主極漏磁通主極漏磁通，主磁通所經(jīng)過的路徑稱為主磁路，主磁路，包括：空氣隙、電樞齒、電樞軛、磁極極身和轉(zhuǎn)子軛五個(gè)部分。 主極磁通是否通過氣隙 交鏈主磁通通過于定子繞住相交鏈主極漏磁通不通過僅與勵(lì)磁繞組相交鏈0f36 當(dāng)轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，主磁場(chǎng)就在氣隙中形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，它“切割”對(duì)稱的三相定子繞組后，就將在定子繞組內(nèi)感應(yīng)出頻率為 的一組對(duì)稱三相空載電動(dòng)勢(shì)：忽略高次諧波時(shí)，勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)的有效值為 式中： 為每極的主磁通量12000EEC00120BEE011044

7、. 4wkfNE000AEE f0373839404142定義定義磁極磁動(dòng)勢(shì)的基波分量振幅 與實(shí)際磁動(dòng)勢(shì)最大幅值 之比為 ，稱為電機(jī)的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)波形系數(shù)形系數(shù)，即 隱極式同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組為分布繞組，在每極下有一個(gè)大齒和若干個(gè)小齒，轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)的空間分布波形為階梯波形，如下圖所示，幅值為 （其中 為勵(lì)磁電流， 為勵(lì)磁繞組的每極匝數(shù)） fffNIF fIfNfffFFk11fFfFfkfx1fFfFff1ff大齒04344 凸極同步電機(jī)的繞組式集中繞組，它所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)是矩形波，幅值為 ，基波分量的振幅為勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)的波形系數(shù)波形系數(shù)14ffFF4fkfF4546474849505152

8、5354555657n畫在同一坐標(biāo)平面上的時(shí)間相量圖和空間矢量圖稱為時(shí)空矢量圖時(shí)空矢量圖。n參考軸的選取參考軸的選取是任意的。但一般 把相繞組軸線作為空間矢量參考軸 令時(shí)間相量參考軸與空間矢量參考軸重合 相繞組軸線相軸； 轉(zhuǎn)子繞組軸線直軸； 與直軸正交（90度電角度）交軸直軸相軸，交軸時(shí)軸, ,EI UF B 時(shí)間相量：空間矢量：112 f5859606162636465n空載：I0，F(xiàn)a 0，氣隙磁場(chǎng)只由轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生；n負(fù)載時(shí)：I0，F(xiàn)a 0，F(xiàn)a對(duì)Ff的影響稱電樞反應(yīng)n同步電機(jī)電樞磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子磁勢(shì)間的相對(duì)位置取決于負(fù)載電流的性質(zhì)。n同步和空載電勢(shì) 電機(jī)輸出電流 之間的相角 定義為內(nèi)功率因數(shù)角

9、內(nèi)功率因數(shù)角。 時(shí)，電流 滯后于 ；n端電壓 和 之間的相位角 稱為外功率因數(shù)角外功率因數(shù)角 。 0EII0EIU06667686970717273Fa在交軸，所以稱交軸電樞反應(yīng)，因合成磁勢(shì) 有增磁作用因?yàn)镮、E同相，所以不發(fā)無(wú)功功率 90,000afaaaffFFEFIEFI同方向與同方向，與定，有：相矢圖中，按參考軸設(shè)aafFF0fFF074 Fa在交軸，所以稱交軸電樞反應(yīng)，因合成磁勢(shì) 有增磁作用因?yàn)镮、E反相，所以不發(fā)無(wú)功功率fFF1807576 時(shí)間相量圖 時(shí)空矢量圖112 f時(shí)軸AE0AIBIBE0CE0CI相軸交軸時(shí)軸直軸112 f0EEaE01fFaIaF907778 時(shí)間相量圖

10、 時(shí)空矢量圖時(shí)軸112 fAE0AIBE0BICE0CI相軸，交軸時(shí)軸直軸112 f0EEaEaF1fFF0aI907980818283848586878889909192939495969798991001011021031041051061071081091101111121131141151161171181191201211221231241251261271281291301311321、定義2、用途 說明同步發(fā)電機(jī)的特性 測(cè)定同步電機(jī)的參數(shù)3、短路特性 同步發(fā)電機(jī)在短路時(shí)的量相量圖。 U0 很小 很小（ 很小） 電機(jī)磁路處于不飽和又 ，所以，短路特性為一直線（ ）。0aIIkdkx

11、I jE0EkIEFkaffIFFFI1FkaIF NnnUfkIfI, 0jxrIUEEEaa01331341351361371381391. 定義：定義： 右圖為不同的 和不同的 時(shí)的負(fù)載特性，其中(1)空載特性，(2)零功率因數(shù)特性， 通過零功率因數(shù)曲線和空載特性曲線可以求取飽和同步電抗及電樞電抗。UfINUec012345Icos0I 900cosNII ConstConstIfIfUcos,140141142143144145146147148149150151152對(duì)供電的要求主要是：對(duì)供電的要求主要是：保證足夠的用電量，高的供電質(zhì)量（電壓和頻率為額定值），以及經(jīng)濟(jì)、可靠。u電力系

12、統(tǒng)中有許多發(fā)電廠并聯(lián)供電，可以合理地利用動(dòng)力資源，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)有很大意義。同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，是同步發(fā)電機(jī)最基本地運(yùn)行方式，研究和掌握它地運(yùn)行性能是有主要意義的。u當(dāng)單臺(tái)發(fā)電機(jī)滿足U=const，f=const時(shí)，稱為無(wú)窮大電網(wǎng)或無(wú)窮無(wú)窮大電網(wǎng)或無(wú)窮大母線大母線。u同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行與變壓器并聯(lián)運(yùn)行的區(qū)別同步發(fā)電機(jī)變壓器初級(jí)、次級(jí)電壓必須相等，繞組阻抗決定負(fù)載電流的分配，負(fù)載電流能與容量成正比額定電壓、額定頻率相等，并聯(lián)后有共同的端電壓，空載電勢(shì)可不相同，同步電抗的數(shù)值不能決定負(fù)載電流的分配1531541551561571581591601611621631641651661671681691701711721731741751761771781791801811821831841851861871881891901911921931941951961971981992002012022032042052062072082092102112122132142、其他起動(dòng)方法 同步電動(dòng)機(jī)也可以用其他的輔助電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)而起動(dòng)，通常選用與同步電動(dòng)機(jī)極數(shù)相同的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（容量為主機(jī)的10%15%）作為輔助電動(dòng)機(jī)。 在具有三相變頻電源的場(chǎng)合，也可以采用變頻起動(dòng)法。三、