第八章-同步电机汇总课件

8）功率因数技术手册中会给出功率因数参数，是指电动机在额定运行状态下，定子电路的功率因数。异步电动机空载运行时定子电路的功率因数很低，只有0.20.3，随着负载的增加，功率因数也增加，在额定负载时一般为0.70.9，因此要避免空载运行9）效率 效率是指电动机在额定状态下运行时输出的功率对定子输入功率的比值。交流电动机基本结构及工作原理交流电动机基本结构及工作原理 同步电机是交流旋转电机中的一种，因其转速恒等于同步转速而得名。同步电机主要用作发电机，也可用作电动机和调相机。交流电动机基本结构及工作原理交流电动机基本结构及工作原理 同步补偿机实际是一台接在交流电网上空载的同步电动机，电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目。同步电机主要用作发电机运行，把机械能转化成电能。向电网发出交流电，是同步电机最主要的运行方式 同步电动机可以通过调节励磁电流来改善电网的功率因数。在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。交流电动机基本结构及工作原理交流电动机基本结构及工作原理n按结构形式分转枢式：用于小容量同步电机转极式：用于高压、大容量同步电机n按磁极形状分隐极式：转子圆柱形，气隙均匀凸极式：转子有明显凸出的磁极，气隙不均匀n发电机按原动机不同分汽轮发电机：高速，转子隐极式,细长形水轮发电机：低速，转子凸极式,短粗形同步电机的基本类型同步电机的基本类型：交流电动机基本结构及工作原理机械端口机械端口转子转子定子绕组定子绕组定子铁心定子铁心电端口电端口ABC交流电动机基本结构及工作原理交流电动机基本结构及工作原理交流电动机基本结构及工作原理1.同步电机的基本结构同步电机的基本结构 1）定子）定子 定子铁心上有齿和槽，槽内设置三相对称绕组，这种同定子铁心上有齿和槽，槽内设置三相对称绕组，这种同步电机的定子又称为步电机的定子又称为电枢电枢。交流电动机基本结构及工作原理 2）转子 转子铁芯上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组。交流电动机基本结构及工作原理返回10000kw水轮机转子 旋转磁极式同步电机按磁极的形状，又可分为隐极式和凸极式两种类型，如图5-9所示。隐极式气隙是均匀的，转子做成圆柱型。凸极式气隙是不均匀的，极弧底下气隙较小，极间部分气隙较大。图图5-9 旋转磁极式同步电机旋转磁极式同步电机交流电动机基本结构及工作原理交流电动机基本结构及工作原理2.同步电机工作原理 以凸极式同步电机为例，凸极式定子铁心内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。这种同步电机的定子又称为电枢。转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场。交流电动机基本结构及工作原理交流电动机基本结构及工作原理图图5-12 凸极式同步电动机模型凸极式同步电动机模型交流电动机基本结构及工作原理交流电动机基本结构及工作原理 同步电动机是属于交流电机，定子绕组与异步电动机相同。同步电动机的定子三相绕组接通三相交流电源，流过三相对称电流，产生一个在空间以同步转速n1旋转的旋转磁动势Fa，称为电枢磁动势。同步电动机的励磁绕组通入直流励磁电流，产生一个与电枢旋转磁场极对数 相同的直流励磁磁场。两磁场相互作用，使转子被电枢旋转磁场以同步转速拖着一起旋转。交流电动机基本结构及工作原理交流电动机基本结构及工作原理1）同步电动机同步电动机基本工作原理基本工作原理1）同步发电机同步发电机基本工作原理基本工作原理交流电动机基本结构及工作原理 旋转磁极式发电机旋转磁极式发电机（适用于大容量）：通过原（适用于大容量）：通过原动机带动转子磁极的旋转，定子线圈切割磁力线，动机带动转子磁极的旋转，定子线圈切割磁力线，而产生感应电流向外提供电力而产生感应电流向外提供电力(从定子侧输出从定子侧输出）。）。旋转电枢式发电机旋转电枢式发电机（适用于小容量）：定子产（适用于小容量）：定子产生磁场，原动机带动电枢旋转，使闭合线圈的磁生磁场，原动机带动电枢旋转，使闭合线圈的磁通量变化从而产生感应电流（通量变化从而产生感应电流（从转子电枢绕组输从转子电枢绕组输出出）同步电机现场实例 引进引进600MW汽轮发电机汽轮发电机国产国产300MW汽轮发电机汽轮发电机国产国产200MW汽轮发电机定子汽轮发电机定子国产国产200MW汽轮发电机定子铁心汽轮发电机定子铁心感应电动势的频率 当发电机的转子由原动机驱动以转当发电机的转子由原动机驱动以转速速n n做恒定旋转时，定子中的三相绕组做恒定旋转时，定子中的三相绕组的导体依次切割磁力线，三相绕组便的导体依次切割磁力线，三相绕组便感应出各相大小相等、相位彼此相差感应出各相大小相等、相位彼此相差120120的交流电动势。的交流电动势。E E=4.44fN=4.44fNfkw 因发电机在制造过程中气隙磁通因发电机在制造过程中气隙磁通密度按正弦波分布，所以感应电动势密度按正弦波分布，所以感应电动势的波形也是正弦波。其频率为的波形也是正弦波。其频率为式中式中 p p-为磁极对数为磁极对数 n n-为发电机转速为发电机转速 可见，发电机定子中的三相绕组感应电动势的频率取决于它的极对数和转子的转速。交流电动机基本结构及工作原理详细分析过程U2U1W2V1W1V2演示模型 我国标准规定电网的频率为50Hz,当P=1时，所以 n=3000 r/min 同步电机的转速与电网频率有严格不变关系，即当电网频率一定时，电机转速应不变。交流电动机基本结构及工作原理额定功率PN(KW)：是指额定运行时输出的额定有功功率；对于发电机：电功率；对于发电机：电功率；对于电动机：机械功率；对于电动机：机械功率；对于调相机：无功功率；（对于调相机：无功功率；（kvar、Mvar）额定容量 SN(KVA)：是指额定运行时出线端的额定视在功率；额定电压UN(V)：是指额定运行时三相定子绕组额定线电压；额定电流IN(A)：是指额定运行时流过三相定子绕组额定线电流交流电动机基本结构及工作原理3、同步电机铭牌数据、同步电机铭牌数据3、同步电机铭牌数据、同步电机铭牌数据额定功率因数额定功率因数 ：额定工况下发电机的功率因数额定工况下发电机的功率因数 额定效率额定效率N N：电机额定运行时的效率额定励磁电流额定励磁电流I IfNfN(A(A)额定励磁电压额定励磁电压U UfNfN(V(V)对发电机为额定输出有功电功率：对电动机是轴上输出的额定机械功率：额定转速额定转速n nN N：电机额定运行时的转速交流电动机基本结构及工作原理交流电动机基本结构及工作原理额定频率额定频率f f(Hz)(Hz)同步电机铭牌型号电机型号电机型号额定容量额定容量 SN(VA,kVA,MVA等等)或额定功率或额定功率PN (W,kW,MW等等)：指电机：指电机输出功率输出功率的保证值。的保证值。额定电压额定电压(V,kV等等)：额定时定子输出端线电压。：额定时定子输出端线电压。额定电流额定电流(A)：指额定运行时定子的线电流。：指额定运行时定子的线电流。额定功率因数额定功率因数 ：额定运行时输出电功率的功率因：额定运行时输出电功率的功率因数。数。额定频率额定频率 ：额定运行时电机电枢输出端电能的频：额定运行时电机电枢输出端电能的频率，我国标准工业频率规定为率，我国标准工业频率规定为50Hz。额定转速额定转速 ：额定运行时电机的转速，即同步转速。：额定运行时电机的转速，即同步转速。同步电机名牌上还有其它的运行数据，如额定负载时的温升同步电机名牌上还有其它的运行数据，如额定负载时的温升 、励磁容量、励磁容量 和励磁电压和励磁电压UfN、电流、电流IfN，定子绕组连接等。，定子绕组连接等。我国生产的汽轮发电机有我国生产的汽轮发电机有QFQ、QFN、QFS等系列。等系列。前两个字母表示汽轮发电机；第三个字母表示冷却方式，前两个字母表示汽轮发电机；第三个字母表示冷却方式，Q表示氢表示氢外冷，外冷，N表示氢内冷，表示氢内冷，S表示双水内冷。表示双水内冷。系列：系列：TS系列，系列，T表示同步，表示同步，S表示水轮。表示水轮。举例：举例：QFS-300-2 表示容量为表示容量为300MW双水内冷双水内冷2极汽轮发电机。极汽轮发电机。TSS1264/160-48表示双水内冷水轮发电机，定子外径为表示双水内冷水轮发电机，定子外径为1264厘米，厘米，铁心长为铁心长为160厘米，极数为厘米，极数为48。同步电动机系列有同步电动机系列有TD、TDL等，等，TD表示同步电动机，后面的字母表示同步电动机，后面的字母指出其主要用途。如指出其主要用途。如TDG表示高速同步电动机；表示高速同步电动机；TDL表示立式同步表示立式同步电动机。同步补偿机为电动机。同步补偿机为TT系列。系列。交流电动机基本结构及工作原理交流电动机基本结构及工作原理交流电机电枢绕组（1 1）线圈）线圈 定子绕组是由线圈按一定的规律嵌入定子槽中，定子绕组是由线圈按一定的规律嵌入定子槽中，并按一定的方式联接起来的。并按一定的方式联接起来的。（2 2）极距）极距 极距是指沿定子铁心内圆每个磁极所占的范围，极距是指沿定子铁心内圆每个磁极所占的范围，如用槽数表示。如用槽数表示。交流电机电枢绕组（3 3）电角度）电角度 一台电机转子铁心的端面是个圆，从几何的角度一台电机转子铁心的端面是个圆，从几何的角度来说可以分为，这样划分的角度为机械角度，即电机来说可以分为，这样划分的角度为机械角度，即电机铁心圆周为机械角度。铁心圆周为机械角度。电角度电角度=P=P 机械角度机械角度（4 4）线圈节距）线圈节距 一个线圈的两根有效边之间所跨的槽数之间的距一个线圈的两根有效边之间所跨的槽数之间的距离为节距。线圈的节距一般总是等于或稍小于极距，离为节距。线圈的节距一般总是等于或稍小于极距，如果节距与极距相等，称为整距线圈，如果节距小于如果节距与极距相等，称为整距线圈，如果节距小于极距，则称为短距线圈。极距，则称为短距线圈。5.2 交流电机电枢绕组（5 5）单层及双层绕组）单层及双层绕组 根据定子绕组在槽中的分布情况，可分为单层及根据定子绕组在槽中的分布情况，可分为单层及双层绕组。双层绕组。容量较大的异步电动机都采用双层绕组容量较大的异步电动机都采用双层绕组。双层绕组在每个槽内的导线分为上下两层，上层和下双层绕组在每个槽内的导线分为上下两层，上层和下层线圈之间需要用层间绝缘隔开。对于层线圈之间需要用层间绝缘隔开。对于小容量异步电小容量异步电动机常采用单层绕组动机常采用单层绕组，这时每槽中只有一层导线。本，这时每槽中只有一层导线。本节介绍几种单层绕组，根据每极每相槽数的大小，单节介绍几种单层绕组，根据每极每相槽数的大小，单层绕组分成层绕组分成链式、交叉式和同心式链式、交叉式和同心式三种。三种。5.2 交流电机电枢绕组【例例5-25-2】绘制，并联支路数的三相单层链式绕组展绘制，并联支路数的三相单层链式绕组展开图开图 （1）参数计算）参数计算5.2 交流电机电枢绕组【例例5-25-2】绘制，并联支路数的三相单层链式绕组展绘制，并联支路数的三相单层链式绕组展开图开图 （3）按）按60相带法分相相带法分相链式链式叠式绕组叠式绕组三相单层同心式绕组展开图三相单层同心式绕组展开图同心式绕组优点：下线同心式绕组优点：下线方便，端部互相错开，方便，端部互相错开，重叠层数较少，散热较重叠层数较少，散热较好。好。缺点：线圈大小不等，缺点：线圈大小不等，工艺不便。工艺不便。5.2 交流电机电枢绕组【例例5-3】绘制绘制Z=36，2p=4，a=1的单层交叉式的单层交叉式绕组展开图。绕组展开图。图图5-16 Z=36,2P=4槽电动势星形图槽电动势星形图图图5-17 单层交叉式单层交叉式A相绕组展开图相绕组展开图5.6同步电动机 5.6.1 同步电动机的启动 在同步电动机的定子三相绕组中通入频率为50Hz的三相对称电流时，气隙中所产生的旋转磁场以同步转速n1=(60f1)/p 旋转，旋转磁场与静止的转子磁极之间有很大的转差，旋转磁场与转子磁极之间的吸引和排斥频繁交替，使平均转矩为零，不可能产生稳定的磁拉力使转子以同步转速n1旋转，同步电动机的启动必须采用其他方法。常用的同步电动机启动方法为辅助电动机启动法、异步启动法、变频启动法。5.6同步电动机5.6.2 同步电动机的电压方程式和相量图 1、同步电动机的电枢反应 为分析方便，不考虑电机饱和的影响，并只考虑电枢磁动势和励磁磁动势的基波。通常把转子一个N极和一个S极的中心线称为直轴，又称为d 轴，与直轴相距90度空间电角度的轴称为交轴，又称为q轴。d轴和q轴均随转子一同旋转，而励磁磁动势Ff总是作用在直轴方向，如图5-53所示。5.6同步电动机图图5-53 凸极同步电动机的直轴和交轴凸极同步电动机的直轴和交轴5.6同步电动机 凸极同步电动机，气隙不均匀，同一电枢磁动势作用在不同位置，电枢反应就不一样。设Fa的位置如图5-54所示，可见Fa所遇的磁阻即不均匀也不对称，且当Fa的位置变化时其不均匀不对称的程度亦随之变化，要求其产生的电枢磁密分布和电枢反应磁通的大小很困难。解决这一困难的方法是将电枢磁动势分解为两个分量，即直轴电枢磁动势Fad和交轴电枢磁动势Faq，如图5-54所示。5.6同步电动机图图5-54 Fa分解为分解为Fad和和Faq5.6同步电动机 2、隐极式同步电动机的电动势方程式和相量图 隐极式电动机转子与旋转磁场同步旋转，所以转子绕组中不会产生电动势。求其电动势平衡电动势方程式。根据此式可以画出隐极同步电动机的相量图根据此式可以画出隐极同步电动机的相量图为图为图5-565-56所示所示 图图5-56 隐极式同步电动机相量图隐极式同步电动机相量图5.6同步电动机3、凸极式同步电动机的电动势方程式和相量图 凸极同步电动机的电动势平衡方程式为：5.6同步电动机根据上式可以得到凸极同步电动机的相量图如图 图图5-57 凸极式同步电动机的相量图凸极式同步电动机的相量图5.6同步电动机 5.6.3 同步电动机的运行特性 1功率平衡关系 同步电动机输入的电功率P1，除去一小部分定子铜损耗pcu，其余部分通过气隙传给转子，称为电磁功率。电磁功率电磁功率Pem扣除机械损耗扣除机械损耗pm、铁损耗、铁损耗pFe，及，及附加损耗附加损耗pad剩下的就是轴上输出的机械功率，即剩下的就是轴上输出的机械功率，即 5.6同步电动机 2转矩平衡关系 将上式两边同时除以1，得T2为输出转矩，为输出转矩，T为电磁转矩，为电磁转矩，T0为空载转矩为空载转矩 5.5 实例（应用）略