第3章三相同步电机

同步电机转子转速是常值且与同步速相等，与负载的大小无关。min)/(60rpfnns同步电机主要用作发电机，也可以用作电动机和补偿机。3-1同步电机的基本结构和运行状态一、基本结构:0.35mm0.5:三相对称绕组绕组的冷轧硅钢片或铁心定子转子永磁励磁电励磁SNNNSSa)隐极式b)凸极式有明显的凸出的磁极，气隙不均匀，制作简单。适合于高速发电机适合于低速发电机转子圆柱形，气隙均匀，转子机械强度高，励磁绕组固定容易。同步电机又分为隐极式和凸极式两种同心式绕组。直流励磁绕组整体或低碳钢片迭成。，气隙不均匀凸极整块高强度合金钢。气隙均匀，隐极铁心:::电励磁永磁励磁：表面式，嵌入式，内置式。NNNNSSSS永磁体转子铁心转轴NNNNSSSS永磁体转子铁心转轴表面式结构（a）（b）表面式转子结构由于永磁体的磁导率与气隙相近，表面式结构的电机交、直轴磁路磁阻基本相同，因此是一种隐极式同步电动机。嵌入式结构NNNNSSSS永磁体转子铁心转轴嵌入式转子结构NNNNSSSS永磁体转子铁心转轴NNNNSSSS永磁体转子铁心转轴隔磁衬套内置式结构（a）永磁体径向充磁；（b）永磁体横向充磁内置式转子结构在嵌入式和内置式电机中，交、直轴磁路磁阻是不相等的。二、同步电机的运行状态感应电机的运行状态时由转差率s决定的。1010电磁制动发电机电动机sss同步电机：转子磁场同步速旋转：转子通入直流励磁电流，转子在原动机拖动下以ns旋转。定子磁场也以同步速旋转：定子三相对称绕组在转子磁场的作用下，产生三相对称电动势，接负载后流过三相对称电流，并在气隙中产生以同步速旋转的磁动势和磁场。定转、子磁场相对静止，并相互作用，产生电磁转矩，进行能量转换。三种运行状态是由转子磁场B0与合成磁场B的相对位置决定。aafBBBBIBI010同步电机的三种运行状态：发电机，电动机，补偿机。δ转子磁场轴线领先合成磁场轴线的夹角—功率角δ0时，Te为制动转矩，原动机的驱动转矩与电磁转矩Te平衡。转子吸收机械功率，定子发出电功率。Teδns主极SNoNSo主极a)发电机•发电机运行状态δ0时，Te为驱动转矩，带动负载运行。转子输出机械功率，定子吸收电功率。NSo•电动机运行状态δc)电动机SNonsTeδ=0时，不进行能量转换，仅发出或吸收无功功率，补偿机。•补偿机运行状态NoSnsTe=0NSob)补偿机四、额定值•额定电压UN单位为kV•额定电流IN单位为A,kA•额定功率因数Ncos•额定频率fN单位为Hz•额定转速nN单位为r/min•额定温升θN•额定励磁电流和电压IfN、UfN•额定容量SN或额定率PN单位为kW,kVA同步发电机的额定功率是指额定运行时，电枢绕组输出的视在功率或有功功率同步电动机的额定功率是指额定运行时，轴上输出的机械功率补偿机的额定功率是指额定运行时，电枢绕组输出的无功功率3-2同步发电机的磁场一、空载运行nsIfI=01、空载磁场——主磁场对称电动势在三相绕组中感应作用：转子轭极身磁极电枢轭电枢齿路径：气隙主磁通00BFIfff漏磁通If44.40110wkfNE60spnf0000000001201200EE-EEEECBA若主磁场B0在气隙中正弦分布，且以同步速ns旋转，则在定子绕组中产生对称三相电动势：空载电动势，激磁电动势有效值：频率：2、空载特性空载特性气隙线φUnφo,EoOIfoIf,Ffns=cE0=f(If)Ff∝IfE0∝0电机的磁化曲线0=f(Ff)同步电机的空载特性•o较小时，磁路不饱和，空载曲线的下部是一条直线；随o的增大，铁心逐渐饱和，空载曲线弯曲。•气隙线：不计铁心磁阻的空载特性曲线。•空载特性是同步电机的一条基本特性。二、负载运行接三相对称负载120-120---00000000IIEIIEIIECCBBAA三相对称电流3516011IkPN.FPfnFIwasa基波合成磁动势B气隙合成磁场空载时，同步电机的气隙磁场是由励磁磁动势所产生的主磁场B0。)pnf(s60空载磁场）电枢反应磁场(0BBa}(空载电动势或激磁电动势)电枢反应：电枢磁动势的基波对气隙磁场的影响•电枢反应使气隙磁场空间位置发生变化，直接关系到电机的机电能量转换。•电枢反应的去磁或增磁，对电机的运行性能产生影响电枢反应的性质（交磁，去磁或增磁）取决于电枢磁动势和主磁场在空间的相对位置。这一相对位置决定于空载电动势和负载电流的之间的相位差，称为内功率因数角。0EIo一台2极同步发电机定子三相对称绕组以集中绕组表示转子励磁绕组也以集中绕组表示。（转子直轴和交轴）电枢绕组中电动势和电流的正方向规定：从首端流出，尾端流入。图示瞬间，A相绕组电动势达正的最大值，方向从X入，A出。AE0•从导体切割磁力线分析。•从磁通的变化来分析。A相磁通为零，电动势滞后磁通90度。B相绕组、C相绕组电动势滞后A相电动势120度和240度。BE0CE0(直轴)(交轴)1.o=0时基波磁动势Fa轴线与A相绕组轴线重合电枢磁动势的轴线与转子直轴正交，与交轴重合电枢磁动势是交轴磁动势A相电流达最大值时间相量图NSnsnsZAYCXBBoFaA相轴线d轴q轴A相电动势达最大值相量在时轴上的投影为它的瞬时值时-空统一矢量图aqaFF)0(0电枢磁动势是一个交轴磁动势，由此所产生的电枢反应为交轴电枢反应。主磁场与电枢磁动势之间的空间相位关系，恰好与链过A相的主磁通与A相的电流之间的时间相位关系一致。0BaFA0AI时-空统一矢量图三相对称，因此把表示A相量的下标A省略，写成。00,,IE在时空矢量图中：aFI0fF•既代表主极基波磁动势的空间矢量，也表示时间相量的相位；既代表A相电流相量，又表示电枢磁动势的空间相位。•空间矢量是整个电枢（三相）或主极的作用，而时间相量仅指一相（A）而言。FaBBoAZBXCBaYTeNSns产生交轴电枢反应，使气隙磁场的空间相位改变，且幅值增加。转子磁极受到转矩作用，从而实现机电能量转换。气隙合成磁场与主磁场的相对位置对同步发电机，当0=0时，主磁场超前气隙合成磁场，主极上受到一个制动性质的电磁转矩。•交轴电枢反应使能量转换得以实现。•交轴电枢反应使气隙磁场增强。2.Ψ0=±90时Ψ0=90反相与faFF反相与faBB产生直轴电枢反应，使气隙磁场减弱，去磁。adaFFΨ0=-90同相与faFF同相与faBB产生直轴电枢反应，使气隙磁场增强，增磁。adaFF只有直轴电枢反应时，气隙磁场的空间相位不变，转子不受转矩的作用。3.0＜Ψ0＜90时cossin00交磁去磁aqaaqadaadBψFFBψFF电流滞后电动势4.-90＜Ψ0＜0时cossin00交磁增磁aqaaqadaadBFFBFF电流超前电动势发电机分别接纯电阻、纯电感和纯电容负载时的内功率因数角各为多少？•并网运行时，直轴电枢反应影响电机输出的无功功率。直轴电枢反应的影响：•电机单机运行时，直轴电枢反应将直接影响端电压的大小。负载时隐极同步发电机内的磁场分布图3-3隐极同步发电机的基本电磁关系隐极同步发电机的电压方程式、相量图和等效电路。一、磁路不饱和时(线性系统)磁路不饱和时，系统是线性的，可使用迭加原理进行分析，即主磁场和电枢反应磁场分别考虑。转子：00EFIff定子：aaaEFIE1、电压方程式采用发电机惯例规定正方向，可写出电压方程式aaRIUEEE0IFEaaaIEa90aaE滞后同相位与Ia90IEa滞后aaXI-jEXa：电枢反应电抗；：电枢漏电抗。XIjEXsaaσaXIjRIUXIjXIjRIUE0同步电抗—σasXXX•反映电枢反应磁场和电枢漏磁场综合效应的一个综合参数）超前（IE00直轴电枢反应去磁9000IaRIXIjaXIjaEEU0Ea02、相量图,,,000。的角度滞后功率角—的角度；滞后功率因数角—；的角度滞后内功率因数角—EUUIEIsaaσaXIjRIUXIjXIjRIUE0aaEEE00；，夹角为和）画出相量IU1平行；与，相量的末端画出电阻压降）在IIRIRUaa2；超前相量末端画相量）在090,3IXIjXIjIRssa。的末端得相量的首端和）连接04EXIjUs已知和电机参数，画相量图的步骤IU、UIaRIsXIj0E3、等效电路XXXassaaσaXIjRIUXIjXIjRIUE04、同步电抗a)反映了a和σ的作用b)磁路不饱和时为常数a211主磁路的磁导)N(kfLXwaac)awawaawawaaNkkIkINkIFNkINkIL2112111111)()(二、考虑磁路饱和时非线性，迭加原理不适用EBFFFafEoEOFFf或If空载曲线•已知磁动势F，由电机的空载特曲线求得电动势E。•励磁磁动势在空间是梯形波，Ff是其幅值，而电枢电动势在空间是正弦波，Fa是基波磁动势的幅值。为了利用空载特性，应把Fa换算到励磁磁动势。FFfxO对于汽轮发电机，ka=0.93~1.03，主要取决于大齿的宽度。ka的意义：产生同样大小的基波气隙磁场时，一安匝的电枢磁动势相当与多少安匝的梯形波励磁磁动势。aF：正弦波磁动势幅值；Fkaa：等效梯形波磁动势的幅值。1、电枢磁动势换算系数是kaEBFFkFaaf1ffaFFk2、电压方程和磁动势方程式aRIUxIjE)(jxRIUEaFFkFaaf•由于磁路饱和，不能单独的计算激磁电动势E0和电枢反应电动势Ea，而只有合成电动势E（气隙电动势）。•漏磁场路径主要为气隙，没有饱和问题。*考虑饱和的另一方法是根据运行点的饱和程度，找出相应的Xs(饱和)，即把空载特性在工作点线性化。aRIUEE3、电压相量图和磁动势矢量图)(jxRIUEaUaRIXIjEaaFkFfFIFFkFaafsaXIjRIUE00IaRIsXIjU0E)(jxRIUEaUaRIXIjEaaFkFfFIFFkFaaf3-4凸极同步发电机的基本电磁关系凸极同步电机的特点：气隙不均匀，直轴气隙小，交轴气隙大。相同大小的电枢磁动势作用于不同的气隙位置时，产生不同的磁密。采用双反应理论分析凸极同步电机。一.双反应理论气隙磁导：FFB00/凸极电机气隙不均匀，所以气隙磁导不是常数。φoφfo以主极轴线为坐标原点，表示为：4cos2cos420其中，为由原点开始度量的电角度。2cos20忽略4次级以上的谐波得：0直轴处气隙小，大；交轴处气隙大，小。同样大小的磁动势作用于直轴和交轴上产生的电枢磁场将有明显差别。aaFB电枢反应磁场Ba与电枢反应磁动势Fa及气隙磁导之间的关系为：1、当电枢磁动势作用于直轴时Fa=Fad基波磁场的幅值Bad1比直轴电枢反应磁场的幅值Bad减小不很多。正弦电枢反应磁动势Fa=Fad2、当电枢反应磁动势作用于交轴时Fa=Faq在极间区域，交轴电枢反应磁场有明显的凹陷，基波磁场幅值Baq1明显减小。正弦电枢反应磁动势Fa=Faq3、当