12同步电机的基本理论和运行特性.ppt

1、第12章回顾了同步电机的基本理论和运行特性，回顾了同步电机的原理，转子绕组通过直流电流形成分布磁场，并将定子上的各相绕组紧固。 在定子中嵌入有对称三相绕组a-x、b-y、c-z，磁场正弦分布在气隙中，使卷绕在定子绕组上的链以一定速度旋转的磁通量以正弦规则变化，其感应电位以正弦规则变化。 由于各相的匝数相等，所以各相电位的大小相等，各相绕组的空间分布相互离开120，所以三相电位时间相位差120满足三相电位对称的要求。 当对称的三相电流流过对称的三相绕组时，合成磁动势成为一转磁动势，定子绕组磁动势产生的气隙圆形旋转磁场和转子励磁产生的磁场具有相同的极对数，磁极吸引，驱动转子旋转同步电动机的构造、同

2、步电动机的型号和构造基本构造型涡轮水轮机、基本构造型磁极旋转式旋转磁极后，励磁电流通过集电环传送到励磁线圈。 旋转电子式为小容量同步电机、磁极旋转式同步电机、定子、转子、气隙、定子固定子铁心的内圆均匀分布有定子槽，槽内嵌入有以一定规则排列的三相对称交流绕组。 该同步电机的定子也称为电枢，定子铁心和绕组在也称为电枢铁心和电枢绕组的转子铁心上安装有形成为一定形状的一对磁极，在磁极上卷绕励磁绕组，当流过直流电流时，在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，在励磁磁场(主磁场、转子磁场都是气隙气隙位于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性能有很大影响。 发电机的原理显

3、示，主磁场的制作：向励磁线圈通入直流励磁电流，制作极性相间的励磁磁场，即制作主磁场。 通电导体：三相对称的电枢绕组作为功率绕组发挥作用，成为感应电位或感应电流的载体。 切断运动：原动机拉动转子使其旋转(向马达输入机械能)，极性相间的励磁磁场随轴旋转，依次切断定子的各相绕组(相当于绕组的导体反向切断励磁磁场)。 交变电位的产生：通过电枢绕组和主磁场之间的相对切断运动，在电枢绕组中感应出大小和方向周期性变化的三相对称交变电位。 通过引线，可以供给交流电源。 感应电位的频率：感应电位的频率通过同步电机的转速n和极对数p，即由交变性和对称性决定的电枢绕组的对称性，保证感应电位的三相对称性。 同步转速、

4、同步转速从供电质量考虑，许多同步发电机并联构成的交流电网的频率应该是一定的值，要求发电机的频率与电网的频率一致。 我国电网的频率为50Hz，所以发电机的转速必须是一定值的同步转速。 例如，依次类推两极电机的同步转速为3000r/min，四极电机的同步转速为1500r/min。 同步电机只有在以同步转速运行时才能正常运行。 电动机的原理是，将同步电动机的定子线圈与三相交流电源连接，频率f的三相交流电流与电动机气隙同步，产生转速n1的旋转磁场。 在一定的条件下旋转磁场使吸附的转子磁极一起旋转，它们能够调节相同的转速和没有旋转运动的转子转速为同步转速的n60fp同步电动机的功率因数，在不要求调速的情

5、况下，通过应用大型同步电动机能够提高运转效率。 近年来，小型同步电动机开始多次应用于变频调速系统。同步补偿机运行，达到电机无机负载，调节转子励磁电流，输出电网所需的感应性或电容性无功功率，改善电网功率因数，或调节电网电压的目的。 过激的时候，有先进的无功功率。 例如，电容器、凸极式转子、凸极式转子上明显突出的对磁极和励磁线圈使直流励磁电流流过励磁线圈时，各磁极出现一定的极性。 相邻的磁极对于n极和s极交替的水轮发电机来说，由于水轮的转速低，如果发出商用电力，发电机的极数增多，中小型同步机也多为凸极式。 向隐极式转子、隐极式转子突出的磁极沿转子主体的周面开设有多个槽，在这些槽中嵌入励磁绕组。 转

6、子表面的约1/3部分没有开槽，构成大齿，是磁极的中心区域。 在励磁线圈中通入励磁电流后，沿转子的圆周也会出现n极和s极。 在大容量高旋转涡轮发电机中，转子周线速度极高，最大达到170米/秒。 大型汽轮发电机，为了减小转子本体和转子上的各部件受到的大离心力，采用细长的隐极式圆柱体转子。 涡轮发电机以涡轮或燃气涡轮为原动机。 汽轮机的运行性能在高速时很经济，需要尽可能高的转速。 火力发电厂中的汽车发电机一般为两极隐极式。 核电站大型汽车发电机一般采用四极隐极式。 定子与异步电动机一样，定子铁心由0.35mm、0.5mm或其他厚度的电磁钢板层叠而成。 定子外径小时采用圆形冲头，定子外径超过1m时采用

7、扇形冲头。 转子隐极式转子的外形为细长的圆柱体，大多降低高速旋转产生的离心力。 在转子铁芯表面圆周上铣削加工有多个槽，在这些槽中嵌入励磁线圈。 励磁线圈用同心线圈用铜线缠绕，线圈用无导磁率的槽楔紧固在槽内。 通过旋转轴的联轴器与汽轮机连接的一端称为蒸汽机端，与励磁机连接的一端称为励磁机端。 总线环：励磁线圈的2个线端通过安装在励磁机侧的总线环，通过电刷和直流励磁电源接通。汽轮发电机图、汽轮发电机组、水轮发电机，特征极数多，直径大，轴向长度短，整个转子外形与汽轮发电机大不相同，具有扁平短形。 大部分的水轮发电机都是立式的。 定子铁心水车发电机直径大，定子铁心用扇形电磁钢板堆叠。 为了散热，在定子

8、铁心上留有径向通风槽。 定子绕组的各槽内只有一根棒，称为单层绕组。 为了改善电压波形，多采用分数槽绕组。 转子磁极由厚度12mm的钢板层叠而成的磁极的两端，具有用于按压磁极冲头和固定磁极绕组的磁极按压板。 有些发电机磁极极片有几个槽，槽内放置铜条，端环连接所有铜条构成阻尼绕组，其作用模拟短路电流，减弱电机振荡，在电机中用作启动绕组。 水轮发电机图，分数槽绕组的基本概念，原因：水轮发电机由于极数多，极间距离相对小，每极槽数q不大。 否则，总槽数过多，制造工艺困难。 如果q取小整数，则不能充分利用绕组分布的方法，减弱由非正弦波分布的磁场引起的电位中的高次谐波成分。 另外，q小时齿高次谐波电位的次数

9、低，数值大。 水轮发电机和低速同步电动机的每极每相槽数q不是整数而是分数，例如多采用q=b c/d。 分数槽绕组。 分数槽绕组表示分数槽绕组的意思，如果使各个极对重合，则各自不同的极对下的齿和槽分别不重合。 槽与槽之间存在位移角。 位于各极对之下的各相导体的感应电位必须进行几何学相加。分数槽实现了极对极间的分布，分布绕组与槽和槽的分布以及短绕组实现了层和层的分布相似，起到了削弱谐波成分的作用。 在求分数槽绕组的分布系数时，考虑极对和极对之间的分布。 将各极对重合成等效二极机，求出分布系数。同步电机铭牌、电机型号额定容量SN (VA、kVA、MVA等)或额定功率PN (W、kW、MW等) :指电

10、机输出的保证值。 额定电压(v、kV等) :额定时定子输出接线电压。 额定电流(a ) :额定运行时定子的线电流。 额定功率率：额定运行时输出功率的功率因数。 额定频率：额定运行时电机电枢输出端电能的频率，我国标准工业频率规定为50Hz。 额定转速：额定运转时的马达转速，即同步转速。 同步电机品牌还包括额定负载时的温度上升、励磁容量和励磁电压、定子线圈连接等其他运行数据。 我国生产的汽车发电机有QFQ、QFN、QFS等系列。 前两个字表示涡轮发电机，第三个字表示冷却方式，q表示氢外冷，n表示氢内冷，s表示二水内冷。 系列： TS系列，t是同步，s是水车。 例： QFS-300-2表示容量为30

11、0MW的二水内冷两极涡轮发电机。 TSS1264/160-48表示二水内冷水轮发电机，定子外径为1264厘米，铁芯长度为160厘米，极数为48。 外同步马达系列有TD、TDL等，TD表示同步马达，后面的字母表示其主要用途。 如TDG所示，高速同步电动机TDL表示立式同步电动机。 同步补偿机为TT系列。 思考题，为什么同步电机不能具有任意的转速？涡轮发电机和水轮发电机在外形上区分怎么办？ 定子电枢绕组配置的基本要求各相绕组感应电位对称、二、同步电机的励磁系统、基本概念励磁的要求励磁方式几个励磁系统、概念、励磁方式同步电机取直流励磁电流的方式励磁系统包括供给励磁电流的系统整体、装置和线路励磁机励磁

12、调整器(手动、自动)减磁装置， 对励磁系统的要求，正常运行的供给励磁电流为了维持端子电压或电网的电压值，根据负载状况而变化，励磁电流在系统电压大幅下降时(例如短路故障等)，能够强制励磁而提高电位，在稳定电压突然降低负载时，例如水轮机对励磁系统的要求是，在电动机内部发生短路故障时，能够迅速减磁减磁，降低故障破损的程度。 对于两台以上并联运行的发电机，可以分组调整无功功率，合理分配无功功率。 其他：快速反映，运行可靠，结构简单，损耗小，成本低，体积小等，强励指标，励磁电流增幅励磁电流增加速度，一般值，K=1.5-2，v=0.5-1.0，采用励磁方式他励法时，励磁机的励磁电流称为副励磁机交流励磁机静

13、止整流励磁，同轴上有3台交流发电机，即主发电机、交流主励磁机和交流副励磁机。 副励磁机的励磁电流开始时由外部直流电源供给，电压上升后变为自激(也有采用永久磁铁发电机的情况)。 副励磁机的输出电流由静止晶闸管整流器整流后供给至主励磁机，主励磁机的交流输出电流由静止的三相桥式硅整流器整流后供给至主发电机的励磁线圈。小型同步发电机也可以采用自激式整流系统、交流励磁机旋转整流系统，静止整流器的直流输出必须经由电刷和集电环传送到旋转的励磁线圈。 在大容量同步发电机中，励磁电流达到数千安培，集电环过热。 大容量同步发电机经常采用不需要刷子和集电环的旋转整流器励磁系统。 主励磁机是旋转电枢式三相同步发电机，

14、旋转电枢的交流电流通过与主轴一起旋转的硅整流器进行整流，直接输送到主发电机的转子励磁线圈。 交流主励磁机的励磁电流由同轴的交流副励磁机静止的晶闸管整流器整流后供给。 通过这种励磁系统，废除了集电环和刷装置的无刷励磁系统。 三、同步电机的无负载运行、无负载势时空矢量无负载势电压波形失真、1、无负载和无负载势、无负载运行：原动机使发电机以同步转速运行，励磁线圈通过适当的励磁电流，电枢线圈没有任何负载时。 空载运行是同步发电机最简单的运行方式，其气隙磁场由转子起磁力单独建立，分析比较简单，1.1隐极同步电机的空载起磁力、励磁绕组(分布绕组)嵌入转子槽内，沿转子周围的气隙基本均匀。 激磁势的空间分布呈

15、阶梯状，受齿槽的影响，气隙磁密度呈波动变化。 用高次谐波分析法可以求出的基波成分，通过合理选择较大的齿宽，可以使气隙磁密的分布接近正弦波。 只要没有特别说明，以后如果仅考虑磁通密度的基波成分，则1.2凸极同步电机的无负荷磁动势、励磁绕组为集中绕组、磁动势波为矩形波，在凸极发电机中，由于固定转子间的气隙在电枢圆周整体上不均匀，所以极面下气隙小，磁阻小在同一极面下，气隙径向的磁通密度分布近似于平顶帽形。 极片以外的气隙磁通密度急速减少，相邻两极的中线上的磁通密度为零。 气隙磁密用傅立叶高次谐波分析分解空间基波和一系列高次谐波。 感应电位的波形和大小与气隙磁密的分布形状和振幅的大小密切相关。 在修订

16、制造电动机时，为了获得尽可能接近正弦分布的气隙磁密度，获得高品质的感应电位，必须采取适当的措施。 2同步电机中的时空间量是将绕组轴线作为空间矢量基准轴(相轴)，使时相量基准轴(时轴)和空间矢量基准轴重合，将转子绕组轴线、两极间中心线、时相量绕组的感应电位、电压和电流、绕组链的磁通空间矢量磁力和磁通密度(经时变化)设为无负载以及额定电流影响：危害用电气设备(瞬时电压值可大大超过额定电压)、线路附加损耗、高频辐射影响通信。 对策：气隙磁密波形接近正弦波，定子采用分布和短距离绕组，三相y形接合法消除三次及其倍频谐波。 四、对称运行时的电枢反应、负荷后电动势分析、电枢反应概念：内力率角不同时的电枢反应

17、分析、4.1负荷后(气隙)电动势分析、无负荷时、以同步转速旋转的励磁磁力Ff与轴相同旋转的转子电动势(称为机械旋转电动势)与位于电枢绕组的电枢绕组为三相电枢绕组中流过三相对称的交流电流，形成以同步速度旋转的旋转磁势、电枢磁势Fa电枢旋转磁势(称为电旋转磁势)。 两个旋转势的转速都是同步速度，导向一致，两者处于在空间上相对静止的状态，矢量合成为一个合成势。气隙磁场是合成磁力在电动机的气隙中产生的磁场。 当使发电机的负载同步时，电动机内部的电动势、磁场及线圈中感应的电压发生显着变化，该变化主要是由于电枢电动势的出现。 电枢反应，4.2内力率角，说明：时间相量Ia和空间矢量Fa的同向电枢磁力Fa的三相电流产生的合成磁力，如果哪个相电流达到最大值，则位于其绕组轴线上的a相电流Ia为Ia最大，则Ia在相轴上，此时Fa正好在交轴上，4.3=4. 2 0，cos1，sin0，不发出无效