电机及应用第二版第七章-同步电机课件

1、第七章 同步电机第一节 同步电机的工作原理、用途及分类第二节 同步电机的基本结构第三节 同步电动机的功率第四节同步电动机旋转过程第五节 同步电动机功率因数调节第六节 同步电动机的起动第七章 同步电机第一节 同步电机的工作原理、用途及分类内容提要 本章以隐极式三相同步电动机为主要对象，简要地介绍了同步电动机的基本结构和基本工作原理。简要地分析了同步电动机中的电磁关系并导出了其电压平衡方程式、相量图、功角特性及V形曲线。简要地说明了同步电动机的起动方法。内容提要第一节 同步电机的工作原理、用途及分类 一、同步电机的工作原理 在交流电机中，转子转速严格等于同步转速n1=60f1/p的电机称为同步电机

2、。它包括同步发电机、同步电动机和同步补偿机。 三相同步电机的主要用途是发电，全世界的电力网几乎都是三相同步发电机供电的。 用作电动机时，因为它的结构比异步电动机复杂，没有起动转矩，以及不能调速，应用范围受到限制。但是它具有改善电网的功率因数、转速稳定、过载能力强等优点，常用于不需调速的大型设备上。同步补偿机又称同步调相机，它相当于一台空载的同步电动机，通过改变励磁电流可以调节电网的无功功率，提高电力系统的功率因数。 第一节 同步电机的工作原理、用途及分类 一、同步1. 同步电动机 三相同步电动机的定子和三相异步电动机的定子结构是相同的，在定子铁心中装有三相对称交流绕组。转子也称为磁极，有凸极和

3、隐极两种结构形式，隐极式用于高速( 1500 rmin)，而凸极用于低速。同步电动机通常做成凸极式，在转子铁心中绕有励磁绕组，通过电刷，滑环引入直流电，凸极式同步电动机基本结构示意如图所示。 在同步电动机定子三相绕组内通入对称三相交流电时，对称的三相绕组中就产生一个旋转磁场，当转子的励磁绕组已加上励磁电流时，则转子就好像一个“磁铁”，于是旋转磁场就带动这个 “磁铁”并按旋转磁场转速旋转，这时转子转速等于旋转磁场的同步转速 。 1. 同步电动机 三相同步电动机的定1. 同步电动机 这就是同步电动机的基本工作原理。 由于同步电动机转子的转矩是旋转磁场与转子磁场不同极性间的吸引力所产生的，所以转子的

4、转速始终等于旋转磁场转速，不因负载改变而改变。1. 同步电动机 这就是同步电动机的基 图中所示是具有两个磁极的凸极式同步发电机，它的定子和三相异步电动机一样对称地安放着三相绕组。转子则是由磁极铁心和套在磁极上的励磁绕组构成，励磁绕组中加入直流电流后，就会在气隙中产生一个恒定的主极磁场。若用原动机拖动发电机转子以同步转速旋转，主磁极产生的恒定主极磁场随着转于的转动形成一个旋转磁场，在定子绕组中就会感应出交变电动势。因为结构设计使主磁场在空间按正弦规律分布，所以各相绕组中产生的交变电动势也随时间按正弦规律变化。 2.同步发电机 图中所示是具有两个磁极的凸极式同步发电机，即 E=Emsint 式中

5、Em绕组相电动势的最大值，V； 交变电动势的角频率，rad/s; =2f 由于三相绕组在空间彼此互差120电角度，在图示旋转方向下，N极磁通将依次切割U相、V相、W相绕组。因此，定子三相电势大小相等，相位彼此互差120电角度。设U相绕组的初相角为零，则三相电动势的瞬时值为： eU=Emsint eV= Emsin(t120) eW= Emsin(t+120)即 由于三相绕组在空间彼此互差120电角度 同步发电机的定子绕组中就产生了三相对称电动势，若在定子绕组上接上负载，则同步发电机就会向负载输出三相交流电流。 三相电动势的频率由发电机的磁极数和转速决定：当转子为一对磁极时，转子旋转一周，绕组中

6、的感应电动势变化一个周期；当电机有户对磁极时，则转子转过一周，感应电动势变化p个周期。设转子每分钟转数为n，则每秒钟旋转n/60转，因此感应电动势每秒变化pn/60个周期，即电动势的频率f为： 同步发电机的定子绕组中就产生了三相对称电动势返回 我国国家标准规定工业交流电的频率为50Hz，汽轮发电机在高转速下运行比较经济，转速一般为n=3 000r/min或n=1500r/min，发电机对应为一对磁极或为两对磁极。相反，水轮发电机为低速发电机，它的转子磁极对数很多，如n=100r/min时，发电机磁极对数有30对。 返回 我国国家标准规定工业交流电的频率为50H二、同步电机的分类 同步电机按结构

7、分，可分为旋转磁极式和旋转电枢式，高压、大容量电机大多采用旋转磁极式。在旋转磁极式电机中，同步电机又分为隐极式和凸极式两种基本形式。从安装结构上可分为立式和卧式两种。 按防护型式分，有开启式、防护式和封闭式。 按冷却方式分，有空气冷却、氢冷与水冷、混合冷却等。 按同步电机的用途分，有发电机、电动机和调相机。 按拖动发电机的原动机类型分，可分为汽轮发电机、水轮发电机、柴油发电机、汽油发电机、风力发电机等。二、同步电机的分类 同步电机按结构分按同步电机的用途可分为以下各类 1同步发电机 (1)汽轮发电机 以汽轮机或燃气轮机等高速动力机械作为原动机，拖动同步发电机而产生交流电的设备，称为汽轮发电机。

8、通常转速为3000 rmin或1500 rmin。功率在300600 000 kW以上，电压在40027 000 V之间。国产系列汽轮发电机有QFQQFN、QFS。QF表示汽轮发电机，第三个字母Q表示氢外冷，N表示氢内冷，S表示双水内冷。 (2)水轮发电机 它是以水轮机为原动机拖动同步电机而产生交流电的设备。功率从几千瓦到90万千瓦以上，电压从400 V到20 000 V，转速一般较低，从50rmin到1500rmin。国产大型水轮发电机是TS系列，T表示同步，S表示水轮。按同步电机的用途可分为以下各类 1同1同步发电机 (3)柴油发电机它是用柴(汽)油机作为原动机拖动同步电机而发电的设备。其

9、发电成本较高，一般只是作为备用发电机组或无电网的边远地区，或临时移动电源。功率从几千瓦到数千千瓦，电压一般为2206300 V，转速从250 rmin到3000 rmin。 (4)中频发电机中频发电机的频率范围从400 Hz到20 000 Hz，功率从2kW到1000 kW，电压有115 V、230 V、375 V、750 V及1500 V等，转速一般为3000 rmin。小功率的中频发电机用作超高速电动机及雷达等设备的特种电源。大功率的一般作为中频感应加热用电源。所用动力源根据情况而定。中频发电机系列有BP、BPT、BLZ及BPS等。1同步发电机 (3)柴油发电机它2同步电动机 从电网吸收电

10、能转变为其他机械动力的同步电机，称为同步电动机。同步电动机的功率因数，可通过调节励磁电流进行调节。它不但可把功率因数调节到1，还可以调节到超前，对改善电网的功率因数有重要意义。同步电动机转速为恒定值，不受负载变动的影响。功率范围一般在250 kW到1万kW以上，电压有3kV、6kV和10 kV几种，转速范围从100 rmin到3000 rmin。一般用于不调速(或恒速)机械。TD表示同步电动机，TDL表示立式同步电动机。2同步电动机 从电网吸收电能转变为 3调相机(同步补偿机) 同步电动机可以通过调节励磁电流专门改善电网功率因数，这种电机又称为同步补偿机。同步调相机的功率范围约为500060

11、000 kVA，电压为66 kV、11 kV等。一般用于电网中。TT表示同步调相机。 3调相机(同步补偿机) 同步电机有旋转磁极式和旋转电枢式两种结构形式。由于旋转磁极式具有转子重量小、制造工艺较简单、通过电刷和滑环的电流较小等优点，大中容量的同步电动机多采用旋转磁极式结构。根据转子形状的不同，旋转磁极式又可分为凸极式和隐极式两种，如图所示。凸极式多用于要求低转速的场合，其转子粗而短，气隙不均匀。隐极式多用于要求高转速的场合，其转子细而长，气隙均匀。（a）凸极式 （b）隐极式 同步电动机的结构示意图第二节 同步电机的基本结构 同步电机有旋转磁极式和旋转电枢式两第二节 同步电机的基本结构 同步电

12、机与其他旋转电机一样，由定子和转子两大部分组成。旋转磁极式同步电机的定子主要由机座、铁心和定子绕组构成。为减小磁滞和涡流损耗，定子铁心采用薄硅钢片叠装而成，定子铁心的内表面嵌有在空间上对称的三相绕组。转子主要由转轴、滑环、铁心和转子绕组构成。为兼顾导磁性能和机械强度的要求，转子铁心常采用高强度合金钢锻制而成。转子铁心上装有励磁绕组，其两个出线端与两个滑环分别相接。为便于起动，凸极式转子磁极的表面还装有用黄铜制成的导条，在磁极的两个端面分别用一个铜环将导条连接起来构成一个不完全的笼形起动绕组。第二节 同步电机的基本结构 同步电机与其他旋转电第三节 同步电动机的功率 一、同步电动机的功率 同步电动

13、机接上电网运行后，它从电网吸收电功率 ， ,在轴上输出机械功率 。同步电动机和其他所有电机一样其内部也不可避免地存在着功率损耗。从电网输入的电功率 ，一部分消耗于定子绕组的铜损耗 和定子铁损耗 ，剩下大部分功率即为电磁功率 ，它通过气隙传送到转子，所以电磁功率 再从电磁功率中减去由于通风和摩擦等引起的机械损耗则得出电动机轴上输出有用的机械功率:，同步电动机功率平衡关系如图所示。 第三节 同步电动机的功率 一、同步电动二、同步电机的额定值 (1)额定容量 (kVA)或额定功率 (kW)是指电机输出功率的保证值。对同步发电机来说，通过额定容量 可确定额定电流，通过额定功率 可确定与之配套的原动机(

14、水轮机，汽轮机)的容量。对同步电动机来说额定容量用 (kW)表示轴上输出的机械功率。对调相机来说通常用 (kVA)表示。 (2)额定电压 (V)，电机在额定运行时定子三相线电压。 (3)额定电流 (A)，电机在额定运行时定子的线电流。 (4)额定频率 ，我国标准工频为50 Hz。 (5)额定转速 (r/min)。 (6)额定功率因数cos 。 (7)额定励磁电压 和额定励磁电流 。 (8)额定温升。二、同步电机的额定值 (1)额定容量 (第四节同步电动机旋转过程 当三相交流电通过定子绕组时产生旋转磁场，转子绕组中通入直流电，产生极性固定的磁极，磁极的对数与旋转磁场的磁极对数相等。当转子上的N极

15、与旋转磁场的S极对齐时，转子的S极与旋转磁场的N极也对齐，异性磁极相互吸引，转子就随着旋转磁场转动了。理想空载时，如图7-6 (a)所示。转子磁极与定子旋转磁场磁极时时对正，转子磁极的轴线与定子旋转磁场磁极的轴线重合。第四节同步电动机旋转过程 当三相交流 电动机空载时，转子的轴承及空气对转子总有一些阻力，实际上转子上的磁极总要比旋转磁场的磁极落后一个小小的角度，如图7-6 (b)所示。角。称为功率角，简称功角，是同步电动机的一个基本参数，如同转差率s是异步电动机的基本参数一样。功角的大小随电动机轴上的负载增加而增大。我们可把磁吸引力比作弹簧的作用，功角增大，气隙间磁感应线拉长，犹如弹簧被拉长一

16、样。但转子转速不变，随旋转磁场一起转动。 当电动机加上部分负载(轻载情况)，转子磁极落后于旋转磁场的角度增大了，但转速仍不变，随旋转磁场一起转动，如图7-6 (c)所示。 电动机空载时，转子的轴承及空气对转子 如果电动机负载增大，则转子磁极落后的角度更大了。到达满载时，转子还能以同步转速随旋转磁场转动。 如果负载太大，落后角度更大，当负载力矩超过磁拉力力矩时，旋转磁场就无法拖着转子一起旋转，犹如弹簧被拉断一样，转子就不随旋转磁场转动了。这种现象称为失步，电动机不能稳定工作，这时电动机就要停止转动。这就是同步电动机运行过程中的功角关系，即功角特性。 如果电动机负载增大，则转子磁极落后的第五节 同

17、步电动机功率因数的调整 与异步电动机相似，同步电动机接至电网运行时，其外加电源电压将由定子绕组产生的反电动势和内阻抗压降 来平衡。它们之间的电压平衡关系可用公式表示为= -+第五节 同步电动机功率因数的调整 与 为定子绕组切割转子旋转磁场产生的反电动势； 为定子电流在定子绕组内产生的内阻抗压降。 当忽略定子绕组电阻时， 即为定子绕组的感抗压降，这时，定子绕组电流将滞后于 900。 对应的矢量图如图7-7所示。电动势- 与外加电压 之间的夹角称为同步电动机的功角；电压 与电流 之间的夹角 即为功率因数角。 为定子绕组切割转子旋转磁场产生的反电动势； 更深入的分析表明：在外加电压 一定，并忽略定子

18、绕组电阻时，同步电动机的电磁功率P与反电动势E和功角 的正弦的乘积成正比，即：式中，K为与电动机结构和外加电压有关的常数。 更深入的分析表明：在外加电压 进一步分析当外加电压和电动机的机械负载功率一定时，同步电动机的无功功率随励磁电流变化的规律。 当同步电动机的负载功率不变时，如果忽略定子绕组电阻的影响，则电动机的输入功率、电磁功率均为常数，即： =常数， =常数，也就是 和 为常数。这时，改变励磁电流的大小，可使同步电动机处于正常励磁、过励和欠励三种励磁状态。图7-8是对应于这三种状态下的矢量图。 进一步分析当外加电压和电动机的机械负载功 图7-8（a）表示同步电动机正常励磁时的情况。由 =

19、 + 可知，这时，定子电流 与电压 同相，为纯有功电流，同步电动机仅从电网吸取有功功率，电动机表现为电阻性负载。 若在正常励磁的基础上，增大励磁电流，则电动机将处于过励磁状态，电动势将从 增大至 。由于 =常数，故 的端点a/将落在过 端点a所作的平行于 的直线CD上，如图7-8（b）所示。这时 将超前于 ，电动机除向电网吸取一定的有功功率外，同时还向电网吸取一定的容性无功功率，电动机表现为电容性负载。 图7-8（a）表示同步电动机正常励磁时的情况若在正常励磁的基础上，减小励磁电流使电动机处于欠励磁状态，则 将减小至 ， 的端点a/也将落在直线CD上，如图7-8（c）所示。这时 将滞后于 一个

20、角度，电动机除向电网吸取有功功率外，还向电网吸取一定的感性无功功率，电动机表现为电感性负载。若在正常励磁的基础上，减小励磁电流使电动机处于欠励磁状态，则 综上所述可知，改变同步电动机的励磁电流，即可改变其功率因数。正常励磁时，电动机为电阻性负载，功率因数为1；欠励磁时，电动机为感性负载，向电网吸取一定的感性无功功率。这是很不利的，同步电动机一般不允许欠励磁运行，过励磁时，电动机为容性负载，向电网吸取一定的容性无功功率，换句话说，即电动机向电网输出感性无功功率，这一点对电网十分有利，因为电网上通常有大量的感性负载(如异步电动机)，需要吸收大量的感性无功功率，使输电线的电流增大，增加了线路损耗。如

21、果在同一工厂中使用了大功率的同步电动机，而且令其在过励磁状态下工作，则同步电动机能向附近的感性负载提供感性无功功率，使负载所需的感性无功功率不必从发电厂送来，于是减小了输电线的电流，降低了线路损耗，充分发挥了发电机的利用率。 综上所述可知，改变同步电动机的励磁电流第六节 同步电动机的起动 在同步电动机的定子三相绕组中通入频率为50Hz的三相对称电流时，气隙中所产生的旋转磁场以同步转 速 旋转，旋转磁场与静止的转子磁极之间有很大的转差，旋转磁场与转子磁极之间的吸引和排斥频繁交替，使平均转矩为零，不可能产生稳定的磁拉力使转子以同步转速n1旋转，同步电动机的起动必须采用其他方法。常用的同步电动机起动方法为异步起动法、辅助电机起动法、变频起动法。 起动时，先将同步电动机加速到接近同步转速，然后再通入励磁电流，依靠同步电机定、转子磁场的磁拉力而产生电磁转矩，把转子牵入同步。异步起动法分两个阶段：异步起动和牵入同步。1、异步起动法第六节 同步电动机的起动 在同步电动机的定子三 采用以上两种起动方法起动时，转子绕组不能直接短接、也不能开路，应串接一定阻值（通常为转子绕组电阻值的510倍）的电阻后可靠闭合，以防止起动失败或损坏转子绕组的绝缘。 3、变频起动法 起动时，先在转子绕组中通入直流励磁电流，借助变频器逐步升高加在定子上的电源频