电机与拖动课程第5章同步电机的基本理论

电气工程与自动化系第5章（作者：贺晓蓉）*5.7微型同步电动机5.10三相同步发电机的运行特性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气工程与自动化系第5章（作者：贺晓蓉）V1V2W2W1U1U2NS5.1三相同步电机的工作原理定子+Uf－If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60f1pn=n0=电气工程与自动化系第5章（作者：贺晓蓉）V1V2W2W1U1U2NS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FmNSn0n0θ电枢反应——Fam对Fm的影响。NSSN电动机状态n0n0理想空载状态F0mFamFmθ功角电气工程与自动化系第5章（作者：贺晓蓉）同步电动机中的感应电动势V1V2W2W1U1U2NSF0mFamFmθF0m电枢三相绕组中感应E0Fm电枢三相绕组中感应E1E0在时间上滞后于E1θ角F0m在空间上滞后于Fmθ角－E0在时间上滞后于－E1θ角电气工程与自动化系第5章（作者：贺晓蓉）二、三相同步发电机励磁机→F0m旋转的F0m和Φ0E0原动机电枢三相绕组中感应n0NSn0θ发电机运行NSSNn0n0理想空载状态V1V2W2W1U1U2NSF0mFamFmθ闭合回路三相交流电电气工程与自动化系第5章（作者：贺晓蓉）三、三相同步电机的可逆运行NSn0n0θ电动机状态NSSNn0n0理想空载状态n0NSn0θ发电机运行电气工程与自动化系第5章（作者：贺晓蓉）同步电机与异步电机主要结构部件对比：从结构上看，二者定子绕组和定子铁心完全一样，而且转子铁心也都由导磁材料构成，二者的区别就在于转子结构。5.2三相同步电机的基本结构电气工程与自动化系第5章（作者：贺晓蓉）在同步电机中，转子是主磁极，当外加的直流励磁电流流入转子绕组时，转子铁芯便表现出固定的极性，随转子一起旋转，相当于一块旋转的磁铁。在异步电机中转子绕组是一个自行闭合的绕组，当气隙磁场切割转子绕组时，便会在转子绕组中感应电势产生电流，转子铁芯便表现为表面旋转变化的磁极。电气工程与自动化系第5章（作者：贺晓蓉）电气工程与自动化系第5章（作者：贺晓蓉）一、主要部件1.定子（电枢）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。定子铁芯端盖电气工程与自动化系第5章（作者：贺晓蓉）汽轮发电机的定子电气工程与自动化系第5章（作者：贺晓蓉）(1)转子铁心：由整块铸（锻）钢制成。(2)励磁绕组：工作时施加直流电励磁。(3)阻尼绕组和转轴等。阻尼绕组在同步发电机中，阻尼绕组抑制转子机械振荡；在同步电动机中，阻尼绕组做起动绕组用。2.转子电气工程与自动化系第5章（作者：贺晓蓉）NS+－3~×3~·····×××××+－NS按转子结构的不同：隐极式、凸极式。(a)凸极式(b)隐极式磁极数多、直径大、气隙不均匀。多用于水轮发电机和一般中小型同步电机。磁极数少，直径小，气隙均匀。主要用于大型汽轮发电机。电气工程与自动化系第5章（作者：贺晓蓉）转子铁芯(a)凸极式(b)隐极式电气工程与自动化系第5章（作者：贺晓蓉）区别：对于高速旋转的同步电机，在转子结构上，我们采用隐极式，而对于低速旋转的电机，由于转子的圆周速度较低，离心力较小，故采用制造简单、励磁绕组集中安放的凸极式结构。大型同步发电机通常用汽轮机或水轮机作为原动机来拖动，前者称为汽轮发电机，后者称为水轮发电机。汽轮发电机：由气轮机作为原动机，卧式安装、转速高、极对数少，采用隐极式。火电站和核电站采用。水轮发电机：由水轮机作为原动机，立式安装、转速低、极对数多，采用凸极式。水电站采用。电气工程与自动化系第5章（作者：贺晓蓉）水轮发电机：立式安装励磁机发电机水轮机电气工程与自动化系第5章（作者：贺晓蓉）小浪底电站水轮机组安装电气工程与自动化系第5章（作者：贺晓蓉）三峡电站首台机组安装电气工程与自动化系第5章（作者：贺晓蓉）大连理工大学电气工程系水力发电电气工程与自动化系第5章（作者：贺晓蓉）汽轮发电机：卧式安装励磁机发电机汽轮机电气工程与自动化系第5章（作者：贺晓蓉）火力发电厂电气工程与自动化系第5章（作者：贺晓蓉）燃烧室燃料锅炉的炉膛循环水汽轮机发电机3600r/min升压变压器超热高压蒸汽电能输出电能的产生电气工程与自动化系第5章（作者：贺晓蓉）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输电线电气工程与自动化系第5章（作者：贺晓蓉）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。由于这种励磁系统取消了集电环和电刷装置，故又称为无刷励磁系统。电刷集电环励磁绕组。电气工程与自动化系第5章（作者：贺晓蓉）•在中、小型电机中，都采用空气作为冷却介质。当电机的容量很大时，电机内部的损耗及发热量迅速增加，冷却问题显得格外重要，此时必须加强通风或采用其他的冷却方式。•在大型汽轮发电机中，为了提高其冷却效率，往往用氢气冷却，但是氢气与空气混合后，有爆炸危险，必须有一套控制设备来保证外界空气不会渗入到电机内部。•目前在更大容量的发电机中，可以采用导线内部直接冷却。例如采用空心导体（如图），冷却介质直接在导体中流通而把热量带走，这样能更有效地降低电机的温升。所采用的冷却介质一般有氢气及水等。三、冷却系统电气工程与自动化系第5章（作者：贺晓蓉）补充：超导体发电机•近年来世界各国开始研制超导体气轮发电机，它是巨型气轮发电机的一种很有前途的冷却方式。由于超导状态下电机绕组的电阻完全消失，从而彻底解决了电机的温升问题，也大大提高了电机的效率。所谓超导发电机是指常规发电机的励磁绕组导线采用超导体或励磁绕组与电枢绕组均采用超导体的发电机后者又叫做全超导发电机。现各国研制的超导发电机大多数是前者。•世界首座高热超导体氢发电厂2006年11月在德国巴伐利亚一座水电厂安装。这座发电厂由Zenergy电力公司开发，装机为1.25兆瓦。据公司宣称，氢发电机以Zenergy公司有名的高温超导体材料制造，它能使机器效率提高到98％以上。电气工程与自动化系第5章（作者：贺晓蓉）超群的超导磁体由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性，因此只需消耗极少的电能，就可以获得10万高斯以上的稳态强磁场。而用常规导体做磁体，要产生这么大的磁场，需要消耗3.5兆瓦的电能及大量的冷却水，投资巨大。超导磁体在电力方面的应用：可用于制作交流超导发电机、磁流体发电机和超导输电线路等。超导发电机在电力领域，利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场强度提高到5万～6万高斯，并且几乎没有能量损失，这种发电机便是交流超导发电机。超导发电机的单机发电容量比常规发电机提高5～10倍，达1万兆瓦，而体积却减少1/2，整机重量减轻1/3，发电效率提高50％。电气工程与自动化系第5章（作者：贺晓蓉）磁流体发电机磁流体发电机同样离不开超导强磁体的帮助。磁流体发电，是利用高温导电性气体（等离子体）作导体，并高速通过磁场强度为5万～6万高斯的强磁场而发电。磁流体发电机的结构非常简单，用于磁流体发电的高温导电性气体还可重复利用。超导输电线路超导材料还可以用于制作超导电线和超导变压器，从而把电力几乎无损耗地输送给用户。据统计，目前的铜或铝导线输电，约有15%的电能损耗在输电线路上，光是在中国，每年的电力损失即达1000多亿度。若改为超导输电，节省的电能相当于新建数十个大型发电厂。有专家预测，按现在的电价和用电量计算，如果我国输电线路全部采用超导电缆，则每年可节约400亿元。电气工程与自动化系第5章（作者：贺晓蓉）图：75m、10.5kV/1.5kA交流高温超导电缆云电集团、英纳超导公司于2004年完成33m长、35kV/2kA高温超导交流电缆的开发，安装在云南普吉变电站中运行。电气工程与自动化系第5章（作者：贺晓蓉）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：PN=√3UNINNN三相同步发电机：PN=√3UNINN4.额定转速nN：额定运行时的转速。5.额定频率fN：50Hz。电气工程与自动化系第5章（作者：贺晓蓉）一、三相隐极同步电动机的运行分析1.基本方程式＋U1－Uf→If→F0mFmU1→I1→FamE1电枢感应→Φ合成磁通势U1=R1I1－E－E1E=－jXI1※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R1I1E漏磁通E1ER1I1电气工程与自动化系第5章（作者：贺晓蓉）(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→Φ0U1→I1→Fam→E0→Φa→Ea→ER1I1E1=E0+EaU1=－E1+(R1＋jX)I1Ea=－jXaI1※Xa——电枢反应电抗。U1=－E0－Ea－E＋R1I1叠加定理忽略磁路饱和电气工程与自动化系第5章（作者：贺晓蓉）在同样大小电流情况下,如果越大，电枢反应电势也越大，表示着电枢磁势所产生的电枢磁通很强。因此的大小可以说明电枢反应的强弱。aXaX※Xa——电枢反应电抗。a1aEXI电气工程与自动化系第5章（作者：贺晓蓉）U1=－E0＋(R1＋jX＋jXa)I1U1=－E0＋(R1＋jXs)I1※Xs=X＋Xa——同步电抗。一般：R1＜＜Xs，忽略R1，则U1=－E0＋jXsI12.等效电路R1jXs+U1－I1－+E0电气工程与自动化系第5章（作者：贺晓蓉）3.相量图U1=－E0＋(R1＋jXs)I1U1(a)电感性I1R1I1jXsI1－E0Ψ——功率因数角。Ψ——内功率因数角。已知：－E0滞后于－E1θ角，U1=－E1＋(R1＋jX)I1θ因此－E0滞后于U1θ角。≈－E1（忽略R1和X）(b)电阻性U1I1－E0jXsI1R1I1θ=Ψ(c)电容性U1I1R1I1jXsI1－E0θΨ=±Ψ感性取负容性取正电气工程与自动化系第5章（作者：贺晓蓉）U1=－E0＋jXsI1(a)电感性U1I1jXsI1－E0如果忽略R1，则有同样有关系Ψ=±(b)电阻性U1I1－E0jXsI1θ=Ψ(c)电容性U1I1jXsI1－E0θΨΨ001111:,:,():.:EIUIEU内功率因数角是与的时间相位角与电机参数及负载有关外功率因数角是与的时间相位角与负载有关功率角功角是与的时间相位角三者关系θ电气工程与自动化系第5章（作者：贺晓蓉）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(I1)Fam→产生不同的Φa→对应不同的Xa。如果磁路不饱和：将I1分解为两个分量。－E0I1IqΨId直轴分量：Id=I1sinΨ交轴分量：Iq=I1cosΨI1=Id＋Iq——双反应理论。5.3三相同步电动机的运行分析V1V2W2W1U1U2NSFam直轴d交轴qF0mE0=－j4.44kw1N1f1Φ0电气工程与自动化系第5章（作者：贺晓蓉）1.基本方程式＋U1－I1Uf→If→F0m→Φ0→E0U1→I1→Id→Iq→Fad→Faq→Φad→Φaq→Ead→EaqΦ→ER1I1U1=－E0－Ead－Eaq－E＋R1I1Ead=－jXadId※Xad——直轴电枢反应电抗。Xaq——交轴电枢反应电抗。Eaq=－jXaqIqE0EEadEaqR1电气工程与自动化系第