同步电机的基本理论.ppt

大连理工大学电气工程系,*5.7 微型同步电动机,5.10 三相同步发电机的运行特性,第 5 章 同步电机的基本理论,5.2 三相同步电机的基本结构,5.1 三相同步电机的工作原理,第 5 章 同步电机的基本理论,5.2 三相同步电机的基本结构,5.3 三相同步电动机的运行分析,5.4 三相同步电动机的功率和转矩,5.5 三相同步电动机的的运行特性,5.6 三相同步电动机功率因数的调节,5.8 三相同步发电机的运行分析,5.9 三相同步发电机的功率和转矩,5.11 同步发电机与电网的并联运行,5.1 三相同步电机的工作原理,电机与拖动,*5.12 同步发电机的三相突然短路,返回主页,大连理工大学电气工程系,NS,5.1 三相同步电机的工作原理,定子,转子,励磁绕组,一、三相同步电动机,定子 旋转磁场。转子 直流磁极。转子转速,同步,第5章 同步电机的基本理论,大连理工大学电气工程系,同步电动机中的磁通势,定子 电枢。电枢旋转磁通势 Fam转子旋转磁通势 F0m,气隙旋转磁通势 F m,电枢反应,Fam 对 Fm 的影响。,电动机状态,理想空载状态,功角,5.1 三相同步电机的工作原理,大连理工大学电气工程系,同步电动机中的感应电动势,5.1 三相同步电机的工作原理,大连理工大学电气工程系,二、三相同步发电机,励磁机,F0m,旋转的 F0 m和0,E0,发电机运行,5.1 三相同步电机的工作原理,大连理工大学电气工程系,三相同步发电机空载运行时,电枢（定子）：I1(Fam)=0转子每极磁通：0 空载电动势：E0=4.44 kw1 N1f1 0 或,电枢相电压：U0P=E0电枢线电压（Y 形联结）：,E0 的频率：,如果：f1=50Hz，则：pn=3 000,5.1 三相同步电机的工作原理,大连理工大学电气工程系,三相同步发电机负载运行时,电枢旋转磁通势 Fam转子旋转磁通势 F0m,气隙旋转磁通势 Fm,同步电动机中的感应电动势,5.1 三相同步电机的工作原理,大连理工大学电气工程系,三、三相同步电机的可逆运行,5.1 三相同步电机的工作原理,大连理工大学电气工程系,5.2 三相同步电机的基本结构,一、主要部件1.定子（电枢）2.转子,由硅钢片叠成。对称三相绕组。,(1)定子铁心：(2)定子绕组：(3)机座和端盖等。,(1)转子铁心：由整块铸（锻）钢制成。(2)励磁绕组：工作时施加直流励磁。(3)阻尼绕组和转轴等。,阻尼绕组,第5章 同步电机的基本理论,大连理工大学电气工程系,二、励磁方式,1.直流励磁机励磁 励磁绕组由小型直流发电机供电。2.静止整流器励磁 交流励磁机整流直流电3.旋转整流器励磁 交流励磁机整流直流电励磁绕组。,5.2 三相同步电机的基本结构,大连理工大学电气工程系,1.按能量转换的方式不同：同步发动机、同步电动机。2.按相数的不同:三相、单相。3.按转子结构的不同：隐极式、凸极式。,三、主要种类,NS,+,+,NS,5.2 三相同步电机的基本结构,大连理工大学电气工程系,励磁机,发电机,水轮机,卧式、立式。5.按原动机的不同：汽轮发电机、水轮发电机。,4.按安装方式的不同：,5.2 三相同步电机的基本结构,大连理工大学电气工程系,5.2 三相同步电机的基本结构,大连理工大学电气工程系,小浪底电站水轮机组安装,5.2 三相同步电机的基本结构,大连理工大学电气工程系,三峡电站首台机组安装,5.2 三相同步电机的基本结构,大连理工大学电气工程系,水力发电,5.2 三相同步电机的基本结构,大连理工大学电气工程系,火力发电厂,5.2 三相同步电机的基本结构,大连理工大学电气工程系,燃烧室,燃料,锅炉的炉膛,循环水,汽轮机,发电机,3 600 r/min,升压变压器,超热高压蒸汽,电能输出,电能的产生,5.2 三相同步电机的基本结构,大连理工大学电气工程系,热电厂1 煤传送带2 加煤机3 粉碎机4 锅炉5 煤渣6 空气预热器 7 静电除尘8 烟囱9 汽轮机10 冷凝器11变压器12 冷却塔13 发电机14 输电线,5.2 三相同步电机的基本结构,大连理工大学电气工程系,三相同步电机,5.2 三相同步电机的基本结构,更多的图片,大连理工大学电气工程系,三相同步电机,5.2 三相同步电机的基本结构,更多的图片,大连理工大学电气工程系,同步发电机,5.2 三相同步电机的基本结构,更多的图片,大连理工大学电气工程系,小型同步电机,5.2 三相同步电机的基本结构,更多的图片,大连理工大学电气工程系,四、额定值,1.额定电压 UN：线电压的额定值。2.额定电流 IN：线电流的额定值。3.额定功率 PN：输出功率的额定值。三相同步电动机：,三相同步发电机：,4.额定转速 nN：额定运行时的转速。5.额定频率 fN：50Hz。,5.2 三相同步电机的基本结构,大连理工大学电气工程系,一、三相隐极同步电动机的运行分析,第5章 同步电机的基本理论,1.基本方程式,Uf If F0m,F,U1 I1Fam,合成磁通势,漏磁感应电动势：R1、X 定子每相绕组的电阻、漏电抗。,5.3 三相同步电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,(励磁电动势不变)(电枢反应电动势随负载变化),如果不计磁路饱和，则,Uf If F0m,0,U1 I1 Fam,E0,a,Ea,所以,Xa 电枢反应电抗。,5.3 三相同步电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,Xs=XXa 同步电抗。一般：R1 Xs，忽略 R1，则,2.等效电路,5.3 三相同步电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,3.相量图,(a)电感性,功率因数角。内功率因数角。已知：,(b)电阻性,(c)电容性,=,5.3 三相同步电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,(a)电感性,如果忽略 R1，则有,同样有关系=,(b)电阻性,(c)电容性,5.3 三相同步电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,【例】某三相隐极同步电动机，PN=50 kW，UN=380 V，Y 形联结，IN=90 A，N=0.8（电感性），R1=0.2，Xs=1.2。求在上述条件下运行时的 E0、和。,解：电枢相电压和相电流为,I1=IN=90 A=arccos0.8=36.87o 取参考相量：,则,5.3 三相同步电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,由此求得 E0=159.72 V=28.34o=8.53o,5.3 三相同步电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,二、三相凸极同步电动机的运行分析,特点：气隙不均匀。同样的 Fam 产生不同的a 对应不同的 Xa。,如果磁路不饱和：,直轴分量：Id=I1 sin 交轴分量：Iq=I1 cos,双反应理论。,5.3 三相同步电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,1.基本方程式,Uf IfF0m0E0U1 I1,FadFaq,adaq,Ead Eaq,Xad 直轴电枢反应电抗。Xaq 交轴电枢反应电抗。,5.3 三相同步电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,Xd=XadX 直轴同步电抗。Xq=XaqX 交轴同步电抗。如果忽略 R1，则,5.3 三相同步电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,设虚拟电动势,2.等效电路,5.3 三相同步电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,隐极电动机可视为凸极电动机的特例：Xd=Xq=Xs,5.3 三相同步电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,3.相量图,设已知 U1、I1、Xd、Xq。取,5.3 三相同步电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,(a)电感性,(b)电阻性,5.3 三相同步电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,忽略 R1 时的相量图(简化相量图),(a)电感性,(b)电阻性,(c)电容性,5.3 三相同步电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,由相量图求得=由简化相量图还可以求得,电感性时取“”，电容性时取“”。,5.3 三相同步电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,【例】一台三相凸极同步电动机，UN=6 000 V，IN=57.8 A，Y 形联结。当电枢电压和电流为额定值、功率因数=0.8（电容性）时，相电动势 E0=6 300 V，=58o，R1 忽略不计。求该电动机的 Xd 和 Xq。解：电枢相电压和相电流为,I1=IN=57.8 A由此求得 Id=I1sin=57.8sin58o A=49.02 A Iq=I1cos=57.8cos58o A=30.63 A=58o 36.87o=21.13o,5.3 三相同步电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,5.3 三相同步电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,5.4 三相同步电动机的功率和转矩,一、功率1.输入功率（不计励磁功率）P1=3U1I1cos2.电枢铜损耗 PCu=3R1I123.电磁功率 Pe=P1PCu,5.4 三相同步电动机的功率和转矩,大连理工大学电气工程系,在隐极同步电动机中 Pe=3E0 I1cos 在凸极同步电动机中,Pe=3EQ I1cos,5.4 三相同步电动机的功率和转矩,4.空载损耗 P0=PFePmePad,铁损耗,机械损耗,附加损耗,大连理工大学电气工程系,5.输出功率 P2=PeP06.总损耗 Pal=PCuPFe PmePad7.功率平衡方程式 P1 P2=Pal 8.效率,P1,Pe,P2,5.4 三相同步电动机的功率和转矩,大连理工大学电气工程系,二、转矩1.转矩平衡方程式 T2=TT0,4.空载转矩,2.输出转矩,5.4 三相同步电动机的功率和转矩,3.电磁转矩,大连理工大学电气工程系,5.4 三相同步电动机的功率和转矩,稳定运行时,T2=TL,忽略T0，则,T=T2=TL,大连理工大学电气工程系,【例】已知某三相同步电动机，n=1 500 r/min，Xd=6，Xq=4，Y 形联结。当定子加额定电压 UN=380 V，转子加负载转矩 TL=30 Nm时，电枢电流 I1=10 A，功率因数=0.8（电容性），=40o，E0=228 V。求 P1、Pe、P2、PCu、P0 和 T2、T、T0。解：P1=3U1I1cos,Id=I1sin=10 sin40o A=6.43 AEQ=E0(XdXq)Id=228(64)6.43V=215.14 V,5.4 三相同步电动机的功率和转矩,大连理工大学电气工程系,Pe=3EQ I1cos=3215.1410cos40o W=4 944.2 WPCu=P1Pe=(5 259.24 944.2)W=315 WP0=PeP2=(4 944.24 710)W=234.2 WT2=TL=30 NmT0=TT2=(31.4930)Nm=1.49 Nm,5.4 三相同步电动机的功率和转矩,大连理工大学电气工程系,5.5 三相同步电动机的运行特性,运行特性 当 U1=UN，f1=fN，If=常数时，I1、T、=f(P2)的关系。当 U1与 E0（即n 和 If）为常数时：Pe=f()T=f(),功角特性 矩角特性,一、隐极同步电动机的功角特性和矩角特性 如果忽略 R1，则有,第5章 同步电机的基本理论,U1sin=Xs I1 cos,大连理工大学电气工程系,当=90o 时:Pe=PeM，T=TM,5.5 三相同步电动机的运行特性,代入Pe和T的公式，可得,大连理工大学电气工程系,电动机为电容性时 U1sin=XqI1cos Xd Id=E0U1cos EQ=E0(Xd Xq)Id,二、凸极同步电动机的功角特性和矩角特性,5.5 三相同步电动机的运行特性,电动机为电感性时 U1sin=XqI1cos Xd Id=U1cosE0 EQ=E0(Xd Xq)Id,大连理工大学电气工程系,Pe,代入Pe 和T 的公式可得,Pe=Pe Pe,T=T T,5.5 三相同步电动机的运行特性,大连理工大学电气工程系,讨论：(1),Pe E0，当转子有励磁即 If 0 时存在。(2),Pe 是由于 Xd Xq 而引起的，与 If 是否存在无关。结论：(1)Pe 使 PeM。(2)PeM 产生在90o 处。(3)功角特性与矩角特性 不再是正弦波。,基本分量。,附加分量。,5.5 三相同步电动机的运行特性,大连理工大学电气工程系,5.6 三相同步电动机功率因数的调节,同步电动机的主要优点 调节If,调节 cos,90o 90o,(纯电容性)(纯电感性)调节 If 改变 cos 的原理 以隐极同步电动机为例，并忽略 R1 和 T0。调节 If 时，U1、f1、TL都不变，则 T 和 Pe 不变，即 T 和 P1 不变。根据：,=3U1I1cos,第5章 同步电机的基本理论,大连理工大学电气工程系,可得如下关系：,E0 sin=常数 I1cos=常数另一方面:,因此，改变 If 而使E0 改变时，I1、和 均要改变。当 If E0。当 If E0。,5.6 三相同步电动机功率因数的调节,大连理工大学电气工程系,(1)正常励磁 当 If=If0 时，,=1,电机呈电阻性。,(2)欠励磁 当If If0时，,电机呈电感性。,If，感性程度。(3)过励磁 当 If If0 时，电机呈电容性，If|，容性程度。,5.6 三相同步电动机功率因数的调节,大连理工大学电气工程系,同步电动机的 V 形曲线 当 U1=UN、f1=f N、TL 不变时：I1=f(If),5.6 三相同步电动机功率因数的调节,大连理工大学电气工程系,*5.7 微型同步电动机,微型同步电动机的额定功率：零点几瓦至数百瓦。应用 电报传真机、磁带录音机、精确计时或记录装置。分类 按定子绕组电源的相数分：单相、三相。按转子结构的不同分：永磁式、磁阻式、磁滞式。一、永磁式同步电动机 转子：永久磁钢，隐极式或凸极式。特点：结构简单、制造方便、和 高、成本也高。,第5章 同步电机的基本理论,大连理工大学电气工程系,*5.7 微型同步电动机,二、磁阻式同步电动机 又称为反应式同步电动机。转子：由导磁材料制成，凸极式。特点：结构简单、价格便宜、运行可靠、和 较低。,磁阻式同步电动机的转子结构型式,(a)外反应式(b)内反应式(c)内外反应式,大连理工大学电气工程系,*5.7 微型同步电动机,三、磁滞式同步电动机 简称电动机。转子：由硬磁材料制成，转子外表呈光滑圆柱形。1.涡流转矩 转子导电感应涡流 涡流转矩 当n=n0 时，涡流转矩=0。2.磁滞转矩 转子导磁被磁化磁极 转子磁极轴线滞后于合成旋转磁场轴线3.特点 可以运行于同步转速，也可以运行于异步转速。自身具有起动转矩。,大连理工大学电气工程系,5.8 三相同步发电机的运行分析,1.基本方程式,Uf If F0m 0 E0,I1,Fam,a Ea,第5章 同步电机的基本理论,一、三相隐极同步发电机的运行分析,大连理工大学电气工程系,Xa 电枢反应电抗。X 电枢漏电抗。,Xs=XaX 同步电抗。忽略 R1，则,5.8 三相同步发电机的运行分析,大连理工大学电气工程系,2.等效电路,3.相量图 根据负载的功率因数和电路方程作相量图。,5.8 三相同步发电机的运行分析,大连理工大学电气工程系,(c)电容性,(a)电感性,(b)电阻性,忽略 R1 时：,5.8 三相同步发电机的运行分析,大连理工大学电气工程系,【例】某三相同步发电机，PN=50 kW，UN=400 V，Y 形联结，N=0.8（电感性）。R1=0.2，Xs=1.2。求空载电压等于额定电压，电枢电流等于额定电流，内功率因数角=53.1o 时的相电压U1、线电压U1L、功率因数角 和功角。解：,取参考相量：则,5.8 三相同步发电机的运行分析,大连理工大学电气工程系,由此求得 U1=143 V,=32.36o=53.1o 32.36o=20.74o,5.8 三相同步发电机的运行分析,大连理工大学电气工程系,1.基本方程式,Uf IfF0m0E0,I1,Fad Faq,ad aq,Ead Eaq,二、三相凸极同步发电机的运行分析,5.8 三相同步发电机的运行分析,大连理工大学电气工程系,Xad 直轴电枢反应电抗。Xaq 交轴电枢反应电抗。X 电枢漏电抗。,5.8 三相同步发电机的运行分析,将,得,大连理工大学电气工程系,Xd=Xad+X 直轴同步电抗。Xq=Xaq+X 交轴同步电抗。忽略 R1，则,5.8 三相凸极同步发电机的运行分析,大连理工大学电气工程系,2.等效电路,设：,忽略 R1，则,3.相量图,根据电路方程和 负载性质作相量图。,5.8 三相凸极同步发电机的运行分析,大连理工大学电气工程系,(c)电容性,(a)电感性,(b)电阻性,忽略 R1 时,5.8 三相凸极同步发电机的运行分析,大连理工大学电气工程系,【例】某三相同步发电机，已知 U1L=11kV，Y 形联结，I1=460 A，=0.8（电感性），Xd=16，Xq=8，R1 忽略不计。求、E0。解：,=1.47=arctan1.47=55.84o=55.84o 36.87o=18.97o E0=U1cos XdId=(6358.38cos18.97o16460sin 55.84o)V=12 103.25 V,5.8 三相凸极同步发电机的运行分析,大连理工大学电气工程系,5.9 三相同步发电机的功率和转矩,一、功率1.输入功率2.空载损耗3.电磁功率4.铜损耗5.输出功率6.总损耗,P1=T1P0=PFePmePadPe=P1P0PCu=3R1I12 P2=PePcu=3U1I1cosPal=PFePCuPadPme,第5章 同步电机的基本理论,7.功率平衡方程式 P1P2=Pal,大连理工大学电气工程系,8.效率,P1,Pe,P2,二、转矩1.输入转矩2.空载转矩3.电磁转矩4.转矩平衡方程式,T1=T+T0,5.9 三相同步发电机的功率和转矩,大连理工大学电气工程系,5.10 三相同步发电机的运行特性,一、外特性 当 n=nN，If、=常数时，U1L 与 I1L 的关系，即 U1L=f(I1L)。调节If，使 I1L=IN、=N、U1L=UN 时，If=IfN。电压调整率：保持 nN、N、IfN 时，,第5章 同步电机的基本理论,大连理工大学电气工程系,二、调节特性,保持 n=nN、U1L=UN、=N 时，If 与 I1 的关系，即 If=f(I1)。,三、功角特性 功角特性：保持 n、If、U1 不变时，Pe 与 的关系，即 Pe=f()。矩角特性：保持 n、If、U1 不变时，T 与 的关系，即 T=f()。上述关系与同步电动机的关系相同。,5.10 三相同步发电机的运行特性,大连理工大学电气工程系,5.11 同步发电机与电网的并联运行,并联运行的优点(1)提高电力系统的经济指标。(2)减少发电厂备用机组的容量。(3)提高电能供应的可靠性。(4)提高电能供应的质量。一、并联运行的条件 相序一致、频率相同、电压相等。以避免电网与发电机之间产生大的冲击电流 和在发电机轴上产生大的冲击转矩。,第5章 同步电机的基本理论,大连理工大学电气工程系,1.电压相等 如果则,2.频率相等如果：AB,U=0 2U1,5.11 同步发电机与电网的并联运行,大连理工大学电气工程系,3.相序相同 如果相序不同，则,二、并联运行的方法 调节 If 调节 E0；调节 n 调节 f。1.理想同步法2.自同步法,5.11 同步发电机与电网的并联运行,大连理工大学电气工程系,三、有功功率的调节,无穷大电网 容量很大、频率和电压基本不受负载与其他干扰的影响，即恒频恒压的电网。1.有功功率的调节方法,5.11 同步发电机与电网的并联运行,调节,进水量,进汽量,T1(P1),T1 T+T0,n,T,T1=T+T0为止，重新在n=n0下稳定运行。,大连理工大学电气工程系,2.静态稳定,5.11 同步发电机与电网的并联运行,大连理工大学电气工程系,a,T1=T+T0,a 点：T1 T T1=T+T0为止，在b 点重新稳定运行0M 稳定运行区。,b,T1=T+T0,a 点：T1 T T1更大于T+T0，n再也回不到n0失步。M180不稳定运行区。,5.11 同步发电机与电网的并联运行,稳定运行区,大连理工大学电气工程系,振荡幅度过大，超过稳定区而引起的失步。阻尼绕组可抑制振荡。,4.过载能力,=1.7 3.0,3.动态稳定,5.11 同步发电机与电网的并联运行,大连理工大学电气工程系,四、无功功率的调节,1.调节方法 调节 If2.调节原理 调节 If 时，因U1和 P2 不变，忽略R1和T0，则,=3U1I1cos,=P2,5.11 同步发电机与电网的并联运行,即：E0 sin=常数 I1cos=常数,大连理工大学电气工程系,(1)正常励磁 当If=If0 时，=0，=1，Q2=0，发电机不输出无功功率。,5.11 同步发电机与电网的并联运行,大连理工大学电气工程系,2.欠励磁 当If If0 时，发电机输出电容性无功功率；If Q2。3.过励磁 当If If0 时，发电机输出电感性无功功率；If Q2。,5.11 同步发电机与电网的并联运行,大连理工大学电气工程系,【例】一台 Y 形联结的水能发电机，并联在 UN=10.5 kV 的电网上运行。发电机的 Xd=1.3，Xq=0.7，R1 忽略不计，=18.09o 时，I1=3 990 A，E0=9 970 V。求该发电机输出的有功功率 P2 和无功功率 Q2（电容性的还是电感性的）。解：,忽略R1，则,=64.87 MW,5.11 同步发电机与电网的并联运行,大连理工大学电气工程系,=26.76o,=47.56o,由于，,故输出电感性无功功率，,其值为 Q2=3U1I1sin=36 069.363 990 sin26.76o var=32.71 Mvar,5.11 同步发电机与电网的并联运行,大连理工大学电气工程系,*5.12 同步发电机的三相突然短路,使得突然短路电流远大于稳定短路电流，会对电机造成损害。,Xd Xd Xd,Xq Xq,第5章 同步电机的基本理论,大连理工大学电气工程系,练 习 题,5.3.1 5.3.2 5.4.1 5.5.1 5.5.2*以教师画勾的题为准。,第5章 同步电机的基本理论,下一章,