数学第5章.

5.1同步电机的基本结构和额定值5.2三相同步电机的工作原理5.3三相同步发电机的稳态分析5.4三相同步发电机的功率和转矩5.5三相同步发电机的运行特性5.6同步发电机与电网的并联运行5.7三相同步电动机与同步补偿机第5章同步电机第5章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pfn60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。第5章同步电机同步电机工作原理图第5章同步电机其结构与异步电机相同，由定子铁心、电枢绕组、机座和端盖等组成。一、定子（电枢）1.定子铁心是磁路的一部分，由硅钢片叠装而成。内圆槽安放电枢绕组。定子铁心沿轴向每隔一段，留有径向通风沟，以利于散热。大型同步发电机定子铁心由扇形片拼合叠装成定子铁心。2.电枢绕组双层叠绕组，由扁铜线绕制成型后，包以绝缘而成。采用实心导线，空心与实心导线组合绕组，加强冷却。3.机座、端盖、轴承、轴承座及电刷等。5.1.1同步电机的基本结构第5章同步电机三相绕组结构示意图第5章同步电机由转子铁心、励磁绕组、阻尼绕组、护环和中心环、滑环和风扇等组成。根据磁极的外部结构，可分为隐极式和凸极式两种。二、转子a)隐极式同步电机1.隐极式转子由转子铁心、励磁绕组、集电环和风扇等组成。转子铁心与转轴为一个整体，使用高机械强度和导磁性能好的整块合金钢锻造而成。没有明显的磁极，圆周没有开槽的1/3部分称为大齿，是磁极的中心区域；制造工艺复杂，但其机械强度好，用于极数少、转速高的同步电机。发电厂中的汽轮发电机多为隐极式转子结构。气隙均匀，磁阻变化不大，对应的电抗参数基本相同。第5章同步电机第5章同步电机2.凸极式转子由主磁极（转子铁心）、励磁绕组、集电环、阻尼绕组和转轴等组成。主磁极使用普通薄钢片冲压后叠成，然后再装上成形的集中直流励磁绕组。凸极式转子结构简单，制造方便，但是机械强度较低，适用于低速、多极的同步电机。b)凸极式同步电机发电厂中的水轮发电机多为凸极式转子结构。另外，凸极电机的气隙不均匀，转子磁极中心附近气隙最小，磁阻也就比较小。而在转子磁极的几何中心线处气隙最大，磁阻也比较大。第5章同步电机第5章同步电机由扁铜线绕成同心式绕组。槽内导体靠槽楔压紧，端部用合金钢护环固定。3．励磁绕组4．阻尼绕组由铜条和端环焊接而成，是短路绕组。类似于异步机的笼形绕组。在隐极转子中，由放在槽楔下的铜条和转子两端的铜环焊接而成；在凸极转子中，由插入主极极靴槽中铜条和转子两端的铜环焊接而成。在同步发电机中，阻尼绕组起抑制转子机械振荡作用；在同步电动机和调相机中，作为起动绕组。电刷和滑环将直流励磁电流引入到转子励磁绕组中。5．滑环(集电环)第5章同步电机5.1.4同步电机的基本类型1．按结构型式分隐极式凸极式旋转磁极式旋转电枢式~旋转电枢式（小容量同步电机采用）旋转磁极式（大容量同步电机采用）隐极式（火电机组）凸极式（水电机组）第5章同步电机2．按用途分类：发电机、电动机和补偿机2p=2，n=3000r/min；隐极转子:细长，卧式安装；用在火力发电厂中。汽轮发电机：原动机为汽轮机。特点：水轮发电机：原动机为水轮机。极数多，转速低，几十转到数百转；凸极转子:短粗，立式安装；用在水力发电厂中。特点：柴油发电机：原动机为柴油机。n=500~1500r/min；容量较小；主要作为自备电源、移动电源。特点：其中发电机按原动机类型又可分为：第5章同步电机汽轮发电机转子汽轮发电机定子水轮发电机外形水轮发电机转子第5章同步电机水轮发电机工作原理图上游水水轮发电机下游水水轮机第5章同步电机水轮发电机转子水轮机转轴第5章同步电机3．按冷却介质和冷却方式分空气冷却(空冷)：主要采用内扇式轴向和径向混合通风系统。氢气冷却(氢冷)：定、转子绕组采用空心导线，将氢气压缩进导体带走热量。水冷却(水冷)：主要是定子绕组水内冷。冷却组合方式：①定、转子绕组和定子铁心均氢外冷；②定子绕组水内冷、转子绕组氢内冷、定转子铁心氢外冷(水一氢一氢)；③定、转子绕组水内冷，定子铁心氢冷(水一水一氢)；④定、转子绕组水内冷、定子铁心空冷(水一水一空)。第5章同步电机5.1.2同步发电机的励磁系统同步发电机运行时，转子主磁场是由转子励磁绕组通入直流电流建立的。提供励磁电流的装置称为励磁系统。主要有三种：1、直流励磁机励磁系统用直流发电机作为励磁电源向同步发电机提供励磁电流。主励磁机（他励直流发电机）供给同步发电机励磁电流；副励磁机（并励直流发电机）供给主励磁机励磁电流。三者同轴旋转第5章同步电机2、交流励磁机-静止整流器励磁系统整流器是静止的。分为：他励式、自励式。1）．他励式发电机的励磁，由主励磁机（旋转磁极式同步发电机）发出的交流经整流后供给。主励磁机的励磁，由副励磁机（中频同步发电机）发出的交流经整流后供给。副励磁机的励磁，开始时由外部直流电源供给，待电压建起后再转为自励。交流主励磁机交流副励磁机同步发电机同轴第5章同步电机2）．自励式发电机的励磁电流，由励磁变压器取自自身输出端,经三相可控硅整流变换为直流后提供。这种励磁系统没有旋转的励磁机,便于维护,反应速度快,目前已得到广泛应用。静止整流器励磁系统缺点：由于发电机励磁电流是通过电刷和滑环引入励磁绕组的，当励磁电流过大时，将使滑环产生高温而极易损坏。第5章同步电机3、旋转整流器励磁系统（无刷励磁系统）主励磁机发出的三相交流电经过整流后直接送入发电机励磁绕组。不需要电刷和滑环，提高了发电机运行可靠性。将主励磁机改为旋转电枢式同步发电机，且将整流器装在发电机转子上。主励磁机三相绕组整流器发电机励磁绕组同轴旋转在他励式静止整流器励磁系统基础上，第5章同步电机5.1.5同步发电机的额定值1．额定功率NP（kW、MW）：额定运行时发电机的输出电功率。2．额定电压NU（V、kV）：额定运行时定子三相绕组上的线电压。3．额定电流NI（A、kA）：额定运行时流过定子绕组的线电流。50Nf4.额定频率HZ5．额定功率因数Ncos:额定运行时输出有功功率和视在功率比值。6.额定转速Nn(r/min):额定运行时的转速，为同步转速。此外，还包括：转子额定励磁电压、额定励磁电流以及额定温升等。fNUfNI对于三相同步发电机：对于三相同步电动机：cos3cosNNNNNNPSUIcos3cosNNNNNNNNPSUI第5章同步电机第5章同步电机第5章同步电机第5章同步电机0第5章同步电机第5章同步电机第5章同步电机交磁直轴去磁直轴增磁交磁直轴去磁交磁直轴增磁第5章同步电机09090900090内功率因数角电枢反应性质电枢反应的效应交轴使气隙磁场轴线偏移，幅值增大直轴去磁使气隙磁场削弱，电枢端电压降低直轴增磁使气隙磁场增强，电枢端电压升高交轴及直轴去磁使气隙磁场轴线偏移，幅值减小，电枢端电压降低交轴及直轴增磁使气隙磁场轴线偏移，幅值增强，电枢端电压升高同步发电机电枢反应的性质第5章同步电机第5章同步电机第5章同步电机第5章同步电机:::U0E0E与夹角，(外)功率因数角与夹角，内功率因数角与夹角，功率角（功角）aIaIaI第5章同步电机同步电机的电枢反应如右图所示，电枢磁动势与励磁磁动势的相对位置已知。为了求解磁场，把电枢磁动势分解成两个分量：纵轴（d轴）电枢磁动势和横轴（q轴）电枢磁动势。二．凸极同步电机的稳态分析0Fd轴q轴aFYAZSNCBX同步电机的电枢反应aF0FaFadFaqFadFaqF1.双反应理论第5章同步电机aadaqFFFsincosadaaqaFFFF即作用在纵轴方向，其磁路为对称磁路；作用在横轴方向，其磁路亦对称。这样，就将上述不对称磁路adFaqF即第5章同步电机的求解转化为两个独立的对称磁路的求解，问题得以简化。这种方法，称为双反应原理。双反应原理的理论基础实质上就是叠加原理。实践证明，若不计饱和，应用双反应原理分析凸极同步电机的确可以得到令人满意的结果。第5章同步电机adFadn（a）纵轴图5-13电枢反应磁动势及磁通由单独作用产生的磁通称为纵轴电枢磁通，如图5-13(a)所示。adFadaqFaqn（b）横轴如图5-13(b)所示。由单独作用产生的磁通称为横轴电枢磁通，aqFaq第5章同步电机生磁动势,产生磁动势。，其中产即把电枢电流也分解成两个分量aadaqFFFdqIIIIdIqIdIadFqIaqFsincosdqIIII仿照，将电枢电流进行分解和第5章同步电机第5章同步电机第5章同步电机第5章同步电机第5章同步电机第5章同步电机第5章同步电机第5章同步电机第5章同步电机第5章同步电机第5章同步电机第5章同步电机磁阻转矩的产生原理：合成磁动势对应磁极对转子磁极转矩；反应转矩，与和的差异有关。(a)凸极同步电动机，，磁力线无扭斜，无反应转矩；(b)，磁力线发生扭斜，转子受到附加转矩作用；(c)(d)，隐极同步电动机气隙磁场分布均匀，无附加转矩。同步电动机反应转矩示意图09002sin11231212dqexxUTsin31011dexEUTdxqx第5章同步电机第5章同步电机第5章同步电机第5章同步电机第5章同步电机第5章同步电机第5章同步电机第5章同步电机第5章同步电机第5章同步电机第5章同步电机第5章同步电机第5章同步电机第5章同步电机第5章同步电机第5章同步电机第5章同步电机第5章同步电机第5章同步电机第5章同步电机第5章同步电机