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第 5 章 同步电机的基本理论

电机与拖动. 第 5 章 同步电机的基本理论. 第 5 章 同步电机的基本理论. 5.1 三相同步电机的工作原理. 5.1 三相同步电机的工作原理. 5.2 三相同步电机的基本结构. 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. *5.7 微型同步电动机. 5.8 三相同步发电机的运行分析.

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第 5 章 同步电机的基本理论

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  1. 电机与拖动 第 5 章 同步电机的基本理论 第 5 章 同步电机的基本理论 5.1 三相同步电机的工作原理 5.1 三相同步电机的工作原理 5.2 三相同步电机的基本结构 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 *5.7 微型同步电动机 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 5.10 三相同步发电机的运行特性 5.11 同步发电机与电网的并联运行 *5.12 同步发电机的三相突然短路 返回主页 许昌学院电信学院

  2. U1 V2 W2 + Uf － If W1 V1 60 f1 p n = n0 = U2 第5章 同步电机的基本理论 转子 5.1 三相同步电机的工作原理 定子 • 定子 • 旋转磁场。 • 转子 • 直流磁极。 • 转子转速 N S 一、三相同步电动机 励磁 绕组 同步

  3. N n0 Fm S N U1 F0m θ S n0 n0 n0 V2 Fam N W2 θ N S W1 V1 S N S U2 5.1 三相同步电机的工作原理 • 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 F m • 电枢反应 —— Fam 对 Fm的影响。 功角 理想空载状态 电动机状态

  4. 电枢三相 绕组中感应 F0m E0 F0m 在空间上 滞后于Fmθ角 Fm 电枢三相 绕组中感应 Fm E1 U1 F0m θ V2 Fam E0 在时间上滞后于 E1θ角 W2 N S －E0 在时间上滞后于－E1θ角 W1 V1 U2 5.1 三相同步电机的工作原理 • 同步电动机中的感应电动势

  5. N N S N S N n0 Fm U1 n0 S S n0 n0 V2 F0m W2 θ θ Fam N S W1 V1 电枢三相 绕组中感应 原动机 理想空载状态 U2 5.1 三相同步电机的工作原理 二、三相同步发电机 E0 励磁机 →F0m 旋转的 F0 m和Φ0 发电机运行

  6. E0= －j4.44 kw1N1f1 Φ0 U0L=√3 E0 pn 60 f1= 5.1 三相同步电机的工作原理 • 三相同步发电机空载运行时 电枢（定子）： I1 (Fam) = 0 转子每极磁通： Φ0 空载电动势： E0= 4.44 kw1N1f1 Φ0 或 电枢相电压： U0P= E0 电枢线电压（Y 形联结）： E0的频率： 如果： f1= 50Hz，则： pn = 3 000

  7. 电枢三相 绕组中感应 F0m E0 F0m 在空间上 超前于Fmθ角 电枢三相 绕组中感应 Fm E1 Fm U1 V2 F0m W2 θ Fam N S W1 V1 E0 在时间上超前于 E1θ角 U2 5.1 三相同步电机的工作原理 • 三相同步发电机负载运行时 电枢旋转磁通势 Fam 转子旋转磁通势 F0m 气隙旋转磁通势 Fm • 同步电动机中的感应电动势

  8. N N n0 S N S N n0 n0 S S n0 n0 n0 N θ θ S N S 理想空载状态 电动机状态 发电机运行 5.1 三相同步电机的工作原理 三、三相同步电机的可逆运行

  9. 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 一、主要部件 1. 定子（电枢） 2. 转子 (1)定子铁心： (2)定子绕组： (3)机座和端盖等。 由硅钢片叠成。 对称三相绕组。 (1)转子铁心： 由整块铸（锻）钢制成。 (2)励磁绕组： 工作时施加直流励磁。 (3)阻尼绕组和转轴等。 阻尼绕组

  10. 电刷 集电环 励磁绕组。 5.2 三相同步电机的基本结构 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。

  11. 3 ~ 3 ~ · × · × · × · × · × 5.2 三相同步电机的基本结构 三、主要种类 1. 按能量转换的方式不同： 同步发动机、同步电动机。 2. 按相数的不同: 三相、单相。 3. 按转子结构的不同：隐极式、凸极式。 N S N S + － + － ×

  12. 5.2 三相同步电机的基本结构 励磁机 4. 按安装方式的不同： 卧式、立式。 5. 按原动机的不同： 汽轮发电机、水轮发电机。 发电机 水轮机

  13. 5.2 三相同步电机的基本结构

  14. 5.2 三相同步电机的基本结构 小浪底电站水轮机组安装

  15. 5.2 三相同步电机的基本结构 三峡电站首台机组安装

  16. 5.2 三相同步电机的基本结构 水力发电

  17. 汽轮机 发电机 励 磁 机 5.2 三相同步电机的基本结构 火力发电厂

  18. 5.2 三相同步电机的基本结构 电能输出 3 600 r/min 超热高压蒸汽 升压变压器 燃烧室 发电机 汽轮机 燃料 电能的产生 锅炉的炉膛 循环水

  19. 5.2 三相同步电机的基本结构 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

  20. 5.2 三相同步电机的基本结构 三相同步电机 更多的图片

  21. 5.2 三相同步电机的基本结构 三相同步电机 更多的图片

  22. 5.2 三相同步电机的基本结构 同步发电机 更多的图片

  23. 5.2 三相同步电机的基本结构 小型同步电机 更多的图片

  24. PN=√3 UNINN N PN=√3 UNINN 5.2 三相同步电机的基本结构 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： 三相同步发电机： 4. 额定转速nN ：额定运行时的转速。 5. 额定频率 fN： 50Hz。

  25. 一、三相隐极同步电动机的运行分析 I1 ＋ U1 － 电枢 感应 E1 E1 E 漏磁通  E R1I1 U1 = R1I1－E－E1 E=－jXI1 第5章 同步电机的基本理论 5.3 三相同步电动机的运行分析 1. 基本方程式 合成 磁通势 Uf →If →F0m F →Φ U1 →I1→Fam ※ 漏磁感应电动势： ※ R1、X —— 定子每相绕组的电阻、漏电抗。

  26. →E R1I1 E1= E0+ Ea U1 =－E0－Ea－E＋R1I1 U1 =－E1+(R1 ＋ jX)I1 Ea=－jXaI1 5.3 三相同步电动机的运行分析 如果不计磁路饱和，则 →Φ0 →E0 Uf →If →F0m (励磁电动势不变) (电枢反应电动势随负载变化) →Φa U1 →I1 →Fam →Ea 所以 ※ Xa—— 电枢反应电抗。

  27. U1 =－E0＋(R1＋jX＋jXa)I1 U1 =－E0＋(R1＋jXs)I1 U1 =－E0＋jXs I1 + U1 － I1 R1 jXs － + E0 5.3 三相同步电动机的运行分析 ※ Xs = X＋Xa —— 同步电抗。 一般：R1＜＜Xs ，忽略 R1 ，则 2. 等效电路

  28. U1 =－E0＋(R1＋jXs)I1 U1 jXsI1 －E0 I1 θ R1 I1 Ψ Ψ I1 U1 －E0 滞后于－E1θ角，  θ=Ψ jXsI1 －E0 U1 =－E1＋(R1＋jX)I1 R1 I1 ≈－E1（忽略 R1 和 X） I1  U1 因此－E0 滞后于U1θ。 jXsI1 θ R1 I1 －E0 5.3 三相同步电动机的运行分析 3. 相量图 (a) 电感性  —— 功率因数角。 Ψ —— 内功率因数角。 已知： (b) 电阻性 (c) 电容性 Ψ=  ±

  29. U1 θ  jXsI1 U1 =－E0＋jXs I1 Ψ －E0 Ψ I1 I1 I1 U1  U1 θ=Ψ jXsI1 jXsI1 －E0 －E0 5.3 三相同步电动机的运行分析 如果忽略 R1 ，则有 同样有关系 Ψ =  ± (b) 电阻性 (c) 电容性 (a) 电感性

  30. UN 3 380 3 U1 = = V = 220 V U1 = 220 0o V I1 = 90 －36.87o A 5.3 三相同步电动机的运行分析 【例5.3.1】 某三相隐极同步电动机， PN = 50 kW，UN = 380 V，Y 形联结， IN = 90 A，N = 0.8（电感性），R1 = 0.2 Ω， Xs = 1.2 Ω。求在上 述条件下运行时的 E0、 、  和  。 解：电枢相电压和相电流为 I1 = IN = 90 A  = arccos0.8 = 36.87o 取参考相量： 则

  31. －E0 = U1－( R1＋jXs ) I1 =［220 0o －( 0.2＋j1.2)×90 －36.87o ］V = 159.72 －28.34o V 5.3 三相同步电动机的运行分析 由此求得 E0 =159.72 V θ =28.34o Ψ = －θ= 8.53o

  32. U1 将 I1 分解为两个分量。 Iq －E0 V2 Fam F0m W2 Ψ Fam 交轴 N S Id I1 W1 V1 U2 直轴 I1 =Id＋Iq 5.3 三相同步电动机的运行分析 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 Fam →产生不同的Φa →对应不同的 Xa 。 • 如果磁路不饱和： 直轴分量：Id= I1 sinΨ 交轴分量：Iq= I1 cosΨ —— 双反应理论。

  33. I1 ＋ U1 － →Id →Iq E0 Ead E Eaq Φ→E R1I1 U1 =－E0－Ead－Eaq－E＋R1I1 Ead=－jXadId Eaq=－jXaqIq 5.3 三相同步电动机的运行分析 1. 基本方程式 Uf →If→F0m→Φ0→E0 U1 →I1 →Fad →Faq →Φad →Φaq →Ead →Eaq ※ Xad——直轴电枢反应电抗。 Xaq——交轴电枢反应电抗。

  34. E =－jXσI1 I1 = Id＋Iq U1 =－E0 ＋jXadId＋jXaqIq＋jXσI1＋R1I1 =－E0＋j(Xad＋X)Id＋j(Xaq＋X)Iq＋R1I1 U1 =－E0＋jXdId＋jXqIq＋R1I1 U1=－E0＋jXdId＋jXqIq 5.3 三相同步电动机的运行分析 • ※ Xd=Xad＋X —— 直轴同步电抗。 • Xq=Xaq＋X —— 交轴同步电抗。 • 如果忽略 R1，则

  35. EQ= E0－j (Xd－Xq) Id I1 －j(Xd－Xq)Id Id Iq jId －E0 Ψ Iq jId －E0 EQ Ψ Id I1 EQ －j(Xd－Xq)Id (a) I1 滞后于－E0 时 (b) I1 超前于－E0 时 结论： EQ与 E0 同相位。 U1=－E0＋R1I1＋jXdId＋jXqIq－jXqId＋jXqId U1 =－EQ＋(R1＋jXq)I1 5.3 三相同步电动机的运行分析 2. 等效电路 • 设虚拟电动势

  36. + U1 － I1 R1 jXq － + EQ EQ = E0 5.3 三相同步电动机的运行分析 ※隐极电动机可视为凸极电动机的特例： Xd = Xq = Xs

  37. U1 = U1 0o (1) 画 I1 。 (2) 画 R1I1和 j XqI1 。 (3) 画(－EQ)，确定(－E0)的方位。 (4) 由 I1 分解出 Id和 Iq 。 (5) 画 j XdId和 j XqIq 。 (6) 画 (－E0)。 5.3 三相同步电动机的运行分析 3. 相量图 • 设已知 U1、I1、、Xd、Xq。 • 取

  38. jXdId jXqIq Id I1 Id R1I1 R1I1 I1 U1  Iq  Id U1 U1 jXdId jXqI1 Iq R1I1 jXqI1 －E0 Iq jXqIq I1 －EQ jXqI1 jXdId －EQ －E0 －EQ (c) 电容性 jXqIq －E0 5.3 三相同步电动机的运行分析 (a) 电感性 (b) 电阻性

  39. jXqIq jXdId U1 =－EQ＋jXqI1 U1 =－E0＋jXd Id＋jXqIq U1  Id Iq jXqI1 －E0 I1 －EQ I1 Id Id I1 U1 jXdId Ψ  U1 jXdId jXqI1 Iq θ jXqI1 Iq jXqIq －EQ jXqIq －EQ －E0 －E0 5.3 三相同步电动机的运行分析 • 忽略 R1 时的相量图(简化相量图) (a) 电感性 (b) 电阻性 (c) 电容性

  40. U1sin  ±XqI1 U1cos E0－U1cosθ Id tanΨ = Xd = I1 Id Ψ  U1 jXdId θ U1sinθ Iq jXqI1 Iq Xq = jXqIq －EQ －E0 5.3 三相同步电动机的运行分析 • 由相量图求得 • Ψ =  ±θ • 由简化相量图还可以求得 ※ 电感性时取“－”，电容性时取“＋”。

  41. UN 3 U1 = 6 000 1.732 = V = 3 468.21 V 5.3 三相同步电动机的运行分析 【例 5.3.2】一台三相凸极同步电动机， UN = 6 000 V，IN = 57.8 A，Y 形联结。当电枢电 压和电流为额定值、功率因数 = 0.8 （电容性） 时，相电动势 E0 = 6 300 V，Ψ = 58o，R1 忽略不 计。求该电动机的 Xd和 Xq。 解：电枢相电压和相电流为 I1 = IN = 57.8 A 由此求得 Id = I1sinΨ = 57.8×sin58o A = 49.02 A Iq = I1cosΨ = 57.8×cos58o A = 30.63 A  =Ψ－ = 58o－ 36.87o = 21.13o

  42. E0－U1cosθ Id Xd = 6 300－3 468.21×cos21.13o 49.02 = Ω = 62.52 Ω U1sinθ Iq Xq = 3 468.21×sin21.13o 30.63 = Ω = 40.82 Ω 5.3 三相同步电动机的运行分析

  43. 5.4 三相同步电动机的功率和转矩 5.4 三相同步电动机的功率和转矩 一、功率 1. 输入功率（不计励磁功率） P1 = 3U1I1cos 2. 电枢铜损耗 PCu = 3R1I12 3. 电磁功率 Pe= P1－PCu

  44. U1  jXsI1 Ψ －E0 I1 R1I1 I1  U1 Ψ jXsI1 －E0 R1I1 5.4 三相同步电动机的功率和转矩 • 在隐极同步电动机中 • Pe = 3E0 I1cosΨ • 在凸极同步电动机中 Pe = 3EQ I1cosΨ 附加损耗 机械损耗 铁损耗 4. 空载损耗 P0= PFe＋Pme＋Pad

  45. P2 P1 = ×100% P0 PCu 5.4 三相同步电动机的功率和转矩 5. 输出功率 P2 = Pe－P0 6. 总损耗 Pal =PCu＋PFe ＋Pme＋Pad 7. 功率平衡方程式 P1－ P2 =Pal 8. 效率 P2 P1 Pe

  46. P2 n 60 P2 2 n P2 Ω = = 9.55 T2= Pe Ω Pe n 60 Pe 2 n = = 9.55 T= 60 P0 2 n P0 Ω P0 n = = 9.55 T0= 5.4 三相同步电动机的功率和转矩 二、转矩 1. 转矩平衡方程式 T2 = T－T0 2. 输出转矩 3. 电磁转矩 4. 空载转矩

  47. 5.4 三相同步电动机的功率和转矩 稳定运行时 T2 = TL 忽略T0，则 T=T2=TL

  48. UN 3 380 1.732 = 3×I1cos = 3××10×0.8 W = 5 295.2 W 5.4 三相同步电动机的功率和转矩 【例 5.4.1】已知某三相同步电动机， n = 1 500 r/min， Xd= 6Ω，Xq= 4Ω， Y 形联结。当定子加额定电压 UN = 380 V，转子加负载转矩 TL = 30 N·m时，电枢电流 I1 = 10 A，功率因数 = 0.8 （电容性），Ψ = 40o，E0 = 228 V。求 P1、Pe、 P2、PCu、P0 和 T2、T、T0 。 解：P1 = 3U1I1cos Id = I1sinΨ = 10 sin40o A = 6.43 A EQ = E0－(Xd－Xq) Id =［228－ (6－4)×6.43］V = 215.14 V

  49. 2 60 2 60 =TLn P2 =T2n 2×3.14 60 = ×30×1 500 W = 4 710 W 60 4 944.2 6.281 500 60 Pe 2 n = N·m = 31.49 N·m T= 5.4 三相同步电动机的功率和转矩 Pe =3EQ I1cosΨ = 3×215.14×10×cos40o W = 4 944.2 W PCu = P1－Pe = ( 5 259.2－4 944.2 ) W = 315 W P0 = Pe－P2 = ( 4 944.2－4 710 ) W = 234.2 W T2 = TL = 30 N·m T0 = T－T2 = ( 31.49－30 ) N·m = 1.49 N·m

  50. 第5章 同步电机的基本理论 5.5 三相同步电动机的运行特性 —— 功角特性 —— 矩角特性 运行特性 当 U1 = UN ，f1 = fN ，If = 常数时， I1 、T、  、= f (P2) 的关系。 当 U1与 E0 （即n和 If ）为常数时： Pe= f (θ) T= f (θ) 一、隐极同步电动机的功角特性和矩角特性 如果忽略 R1，则有 U1sinθ = XsI1 cosΨ

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