资源描述
第九章 同步电机,第一节 同步电机的结构和运行方式,如果三相交流电机的转子转速 n 与定子电流的频率 f1满足方程式 （9-1） 的关系，这种电机就称为同步电机。同步电机多被用作发电机。随着工业的迅速发展，一些生产机械要求的功率越来越大，例如空气压缩机、鼓风机、电力推进装置和电动发电机组等，它们的功率达数千瓦甚至数万千瓦。如果采用同步电动机去拖动上述的生产机械，可能更为合适，这是因为大功率同步电动机与同容量的异步电动机相比较，功率因数高，在运行时它不仅不降低电网的功率因数，相反却能改善电网的功率因数，这点是异步电动机作不到的；其次，对于大功率低转速的电动机，同步电动机的体积比异步电动机要小一些。,一.同步电机的基本结构,定子:同异步电机没什么区别. 转子: 显(凸)极式，可用于同步电动机; 隐极式，既可用于同步电动机，也可用于同步发电机,图a)隐极式 图b) 显极式,1 凸极式：有上图可见，转子有明显的突出的磁极，气隙分布不均匀。 2 隐极式：转子作成圆柱形，气隙均匀分布。 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，故前者称为汽轮发电机，后者称为水轮发电机。 汽轮发电机：转速高，采用隐极式。 水论发电机：转速低，采用凸极式。,3. 同步电机的物理模型 同步电机的物理模型如图所示，定子三相绕组分别有 N1匝线圈，由线圈电流产生的磁场可以用等效的磁极来表示，如图中在空间上相隔 120的 A、 B、 C 三相磁轴。同样，对于转子 Nf匝线圈产生的磁场也可以用等效的旋转磁极来表示。,二.同步电动机的工作原理,可以看出：同步电机的定子绕组与异步电机的定子绕组完全相同，其作用是通入三相交流电后，可产生一个三相旋转磁场，来带动转子的固定磁场一起转动，利用两个磁场之间的相互吸引而产生电磁转矩 同步电机和其他类型的电机一样，也遵循可逆原理，可按电动机方式运行，也可按发电机方式运行,三、同步电机的运行方式,1 发电机运行模式（如图）,图中（a），N1、 S1、N2、 S2分别表示同步电机的定子合成磁场磁极和转子磁极，两对磁极间存在着磁拉力，从而形成电磁转矩。当原动机拖动同步电机转子作发电机运行时，原动机的拖动转矩克服电机电磁转矩的制动作用，转子不断地旋转。因原动机向同步电机输入机械功率，原动机拖动转子，磁力线斜着通过气隙，转子磁极用磁拉力拖动定子合成磁场磁极一起同步旋转，发电机将机械功率转换成电功率输出。由于转子磁极是拖动者，定子合成磁场的磁极是被拖动者，两者磁极的轴线存在一定的夹角 ，如果减小原动机对发电机输入的机械功率，发电机所产生的电磁功率以及输出的电功率也相应地减小。形象地说，因原动机拖动转矩的减小，使磁拉力和 均减小，所以 又称为功率角。,2 理想空载运行模式 当发电机所产生的电磁功率为零时，必然 =0，此时两磁极的轴线相重合，磁力线垂直通过气隙，两磁极间无切向的磁拉力、电磁转矩均为零，同步电机从发电机运行过渡到电动机运行的临界状态，如图b所示。该状态表示同步电机工作在理想空载运行模式。 3 电动机运行模式 若将原动机从同步电机上脱开，由于电机本身受轴承摩擦及风阻等阻力转矩的作用，将迫使转子磁极轴线落后于定子轴线一个微小的 角，如图c所示。这个 角相对于发电机的运行情况是负值，这意味着同步电机开始从电网吸收电功率，并从电机的轴上输出机械功率，用于摩擦风阻等损耗上。,磁力线又从另一个方向斜着通过气隙，又出现切向磁拉力而形成电磁转矩。显然，此时的电磁转矩的方向与转子旋转方向一致，是一个拖动转矩。若电机转子与负载相连，就能拖动机械负载而继续旋转。由于负载的增大，功率角必然增大，切向磁拉力和电磁转矩相应地增大，同步电机就处于同步电动机负载运行状态。这时电机的定子合成磁场的磁极是拖动者，转子磁极是被拖动者。两者仍同步旋转，而进行电功率向机械功率的转换。,第二节 同步电动机的电压方程和相量图,、同步电动机的磁动势,由 定子电流(电枢电流)产生的电枢磁动势的表达式为,将上式分解为 d、 q轴上的直轴电枢磁动势和交轴电枢磁动势，其表达式为,二、同步电动机的电压方程,1. 凸极同步电动机的电压方程,式中 Rs 定子绕组的一相电阻； Xs 定子绕阻一相的漏电抗,一般情况下，当同步电动机容量较大时，可忽略电阻 Rs，于是,式中 ：Xd直轴同步电抗， Xd= Xad+ Xs； Xq交轴同步电抗， Xq= Xaq+ Xs。 在一般凸极同步电动机中， Xd Xq。,2.隐极同步电动机的电压方程 对于隐极同步电动机，由于气隙均匀，因而直轴和交轴的同步电抗在数值上彼此相等 式中 Xc隐极同步电动机的同步电抗。 这样，由式 （9-10）可写出隐极同步电动机的电压方程为,三、同步电动机相量图,同步电机作为电动机运行时，电源必须向电机的定子绕组输入有功功率，这时输入电动机的有功功率 P1必须满足,图中 与 之间的夹角为 ，称为定子功率因数角； 与 之间的夹角为功率角 ；而 与 之间的夹角为。,第三节 同步电动机的功率方程和功角特性,同步电动机的功率方程,二、同步电动机的电磁功率与功角特性,根据向量图,考虑以上这些关系，得,接在电网上运行的同步电动机，已知电源电压 Us、电源的频率 f1都维持不变，如果保持电动机的励磁电流 If不变，则对应的电动势 E0的大小也是常数，此外电动机的参数 Xd、Xq又是已知的常数，这样同步电动机的电磁功率 PM就仅仅是的函数，当角变化时，电磁功率 PM也跟着变化。我们把 PM= 的关系定义为同步电动机的功角特性，由此所绘制出的曲线称为功角特性曲线3，如图 9-10所示。,9-20,9-19,励磁电磁功率与励磁电流 If的大小有关，曲线 2,凸极电磁功率与励磁电流 If的大小无关 ,曲线 3,三、同步电动机的电磁转矩与矩角特性,电磁转矩,将上式等号两边同除以 ，得到同步电动机的转矩平衡方程,凸极式同步电机电磁转矩为,隐机极式同步电机电磁转矩为,四、同步电动机的稳定运行,下面以隐极同步电动机为例来讨论同步电动机的稳定运行问题。,1.当电动机拖动负载运行在= 0 90的范围内,2.当电动机拖动负载运行在 = 90 180的范围内,如果与异步电动机一样，将最大电磁转矩 Tm与额定电磁转矩 TN之比，称为过载倍数，用 表示。这里,例 9-1,第四节 同步电动机的功率因数及 U 形曲线,假若同步电动机的负载保持不变，则电动机转轴上的输出转矩 T2也不变，如果忽略空载转矩，,在上式中，由于电源电压 Us，频率 f1以及同步电抗 Xd都是常数，所以,这说明当改变励磁电流 If时，电动势 E0的大小也要跟着改变，以满足上式的关系。,当负载转矩不变时，由于同步电动机的转速恒定不变，所以同步电动机的输出功率不变。在忽略电机中的各种损耗的情况下，同步电动机的输入功率与输出功率相等。于是有,在电压 Us不变的条件下，必有,上式的物理意义是：在只改变励磁电流的情况下，同步电动机定子绕组中电流的有功分量保持不变。, If ，所以 E0,二、同步电动机的 U 形曲线,
展开阅读全文