电机学课件-同步电机结构.ppt

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1、1 同步电机 同步发电机的基本电磁关系 同步发电机对称运行时的特性 同步发电机并网运行 2 同步电机的基本特点： n=n1 n1=60f1/P， f1电网频率 同步电机的用途：主要作发电机；电动 机；同步调相机。 主要介绍同步电机的结构、分析方法、 运行特性和它的各种参数。 3 同步发电机的基本电磁关系 16-1 同步电机的基本工作原理 转子绕组通以直流电流 形成分布磁场， 匝链定子上的各相绕组。 定子上嵌放有 对称 三 相绕组 a-x、 b-y、 c-z S N n If 同步电机的基本结构 同步电机与异步电机的根本区别是旋转的转子通入直流电流励磁 转子通直流电流 If 励磁磁场 Bf 电枢

2、感应 电势 tEe ma c o s )120c os ( tEe mb )120c os ( tEe mc f 2 60 pnf 随转子旋转 角速度 S N n ea 三相对称负 载运行时 旋转基波 磁势 aF 三相对称电 枢电流 iabc p fn 60 1 1nn (同步电机 ) eb ec If 5 16-2 同步电机的构造特点 同步电机一般采用 旋转磁极式结构 ，根据磁极 形状可分为 隐极 和 凸极 两种型式。 凸极同步电机气隙不均匀，适合于中速或低速旋转场合 隐极同步电机在不考虑齿槽效应时，气隙均匀，适合于 高速旋转 6 国产 300MW汽轮发电机 7 1、汽轮发电机结构 300M

3、W水氢冷发电机结构 8 隐极同步电机结构实物图 大型汽轮发电机定子铁心槽 汽轮发电机完工后的定子 9 1、汽轮发电机结构 （ 1）定子铁心 思考：定子铁心为什么要用 0.5mm的硅钢片叠裝？ 10 1、汽轮发电机结构 （ 2）定子绕组 11 1、汽轮发电机结构 12 13 14 汽轮发电机组 15 2、水轮发电机结构 (1)立式水轮发电机 (2)卧式水轮发电机 16 2、水轮发电机结构 (3)灯泡贯流式水轮发电机 17 凸极同步电机 结构实物图 带阻尼绕组的凸极同步电机转子 水轮发电机定子分段铁心 18 19 20 21 22 凸极同步电机 凸极同步电机转子由磁极、励磁线圈、磁轭和阻尼绕 组等

4、部分构成。 凸极同步电机的定子结构与隐极同步电机或异步电机的 基本相同，所不同的只是转子结构。 23 同步电机的构造特点 1、定子：铁心，绕组 2、转子：凸极式 隐极式 3 气隙： 比异步电机大 。 气隙处于电枢内圆和转 子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电机内部磁 场的分布和同步电机的性能有重大影响。 24 16-3 同步电机的 铭牌 及额定值 铭牌 我国生产的汽轮发电机有 QFQ、 QFN、 QFS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， Q表示氢外冷， N表示氢内冷， S表示双水内冷。 系列： TS系列， T表示同步， S表示水轮。 举例： QFS-300-2 表示容量

5、为 300MW双水内冷 2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 1264厘米，铁心长为 160厘米，极数为 48。 同步电动机系列有 TD、 TDL等， TD表示同步电动机，后 面的字母指出其主要用途。如 TDG表示高速同步电动 机； TDL表示立式同步电动机。同步补偿机为 TT系列。 25 额定值 一 额定容量 SN或 功率 PN：长期安全运行的最大允 许输出功率。 二 额定电压 UN： 额定工况时，线电压 三 额定电流 IN： 额定工况时，线电流 四 fn fn=50Hz 五 nN 额定运行时电机转速 六 额定功率因数（ cosN） 额定有功功

6、率和视在 功率的比值 七 额定效率 N 电机额定运行的效率 26 16-4 同步电机的空载运行 一 空载磁场 1 空载运行： 同步发电机空载运行是指同步发电 机被原动机拖动到同步转速，转子励磁绕组通 入直流励磁电流而定子绕组开路时的运行工况。 27 2 空载磁场 时气隙中的磁场仅有直 流励磁电流产生的励磁 磁场， 称为空载磁场 或主磁场。 3 主磁路 (0的路径 ) 主极铁心 气隙 电枢齿 电枢磁轭 电枢齿 气隙 另一主极铁心 转子磁轭。 凸极同步电机的空载磁势 励磁绕组为集中绕组，磁势波为 矩形波 对于凸极发电机来说，由于定转子间的 气隙沿整个电枢圆周分 布不均匀 ，极面下气隙较小，磁阻较小

7、；极间气隙较大，极间 磁阻很大。同一个极面下，气隙径向磁通密度的分布近似于平 顶的帽形。极靴以外的气隙磁通密度减少很快，相邻两极中线 上的磁通密度为零。 气隙磁密用付立叶谐波分析分解出 空间基波 和一系列谐波。 A X B C Y z 0 +A f +A 0 12 f f fF N i 1f f f F k F 29 感应电势的波形和大小与气隙磁密的分 布形状及幅值大小紧密相关。 在设计和制造电机时，应采取适当的措 施，以获得尽可能 接近正弦分布 的气隙 磁密，从而得到较高品质的感应电势。 30 二空载特性 1. 空载感应电势的大小与频率 n f ab c n fffff e IWFFI 定子

8、绕组产生感应电势 速旋转 0 1 基波电动势： E0=4.44fWkW10 0 ： 磁极的基波每极磁通。 W：每相定子绕组串联匝数。 31 2空载特性： )(0 fIfE 00 E )()( 00 ff IfFfE 当转子以恒定转速 n旋转时， 为磁路的磁化特性 与 曲线相似 (成比例 ) 0E ( ) 0 c 1 d 0 I f(Ff) 一般将发电机的空载额定电压 设计于弯曲部分 C点 32 3.电机磁路的饱和系数 气隙线 :将空载特性 的直线部分延长得线 段 2，称为气隙线。 )25.11.1(0 sfs KdcdnabacFFK 0E ( ) 0 a b c 1 2 n g d 0 Ff

9、0 F 设 oa代表额定电压 ， 则 ac为产生额定电压所需 磁势 : Fef FFbcabacF 0 33 0E ( ) 0 a b c 1 2 n g d 0 Ff0 F ab=F：不计饱和时产生 oa电压所需磁势，称为 气隙磁势 。 Fef FFbcabacF 0 bc=FFe：由于饱和，使得产生 oa电压的磁势增大的部分， FFe用以克服铁心磁阻所需磁势 。 且 FFe铁心越饱和越大 。 c 当 E0=UN 时 ： )25.11.1(0 sfs KdcdnabacFFK 34 0E 0 a b c 1 n g d 0 I f(Ff) Ff0 F 电机运行于曲线刚好弯曲除： 1、充分利用

10、材料； 2、不会过分饱和 ; 35 空载特性的工程应用 将设计好的电机的空载特性与常规空载特性相比 较，如果两者接近，说明电机设计合理，反之，则说 明该电机的 磁路 过于饱和或者材料没有充分利用。 如 太饱和 ，将使励磁绕组用铜过多，且电压调节 困难 如 饱和度太低 ，则负载变化时电压变化较大，且 铁心利用率较低，铁心耗材较多 结合短路特性可以求取同步电机的参数 。 发电厂通过测取空载特性来判断三相绕组的对称性 以及励磁系统的故障。 必须掌握 （ *） 36 三、对空载电势的要求 三相对称。 频率恒定。 波形接近正弦。 有一定幅值。 37 16-5 对称负载时的电枢反应 Armature re

11、action of synchronous generator 电枢反应 概念：内功率因数角 不同情况电枢反应分析 38 1、电枢反应的定义： 60)( 1011)1 PnfEnFFI fnff 基波随转子旋转（ aFfi 电枢磁势三相对称，或加三相对称电源 接三相对称负载 1 转向与转子同向 转速 大小 1 1 60 35.1 nPfn P IWKF W a af FFF 电枢反应 ：电枢电流产生的磁动势对励磁磁场的影响 39 aF 磁势分析 1、定子三相对称绕组中对称三相电流产生基波电 Fa枢磁势 1 1 11 35 dp a N I kF. p （ 1） 大小： 1 1 60 fn p

12、（ 2） 转速： (r/min) （ 3） 转向：沿通电相序 A、 B、 C的方向 ， 它与转子转向相同 1y（ 4） 极对数：和转子极对数相同 ， 决定于绕组的节距 y 1fF 2、 转子绕组通入直流产生每极基波励磁磁势 Ff1 1f 1 2f f fF k N i （ 1） 大小： （ 2） 转速：和转子转速一样为同步速 （ 3） 转向：和转子转向一致 （ 4） 极对数：和转子磁极的极对数相同 P IWKF W a 135.1 Pf601 40 励磁磁势和电枢磁势的区别 基波 波形 大小 位置 转速 励磁磁 势 正弦 波 恒定，由励 磁电流决定 由转子位 置决定 由原动机的 转速决定 电枢

13、反 应磁势 正弦 波 恒定，由电 枢电流决定 由电流瞬 时值决定 由电流的 f 和 P决定 41 42 准备工作 三个角 四个轴 ?:)( ;,: ;,: 0 0 的时间相位角与是功角功率角 与负载有关的时间相位角与是外功率因数角 与电机参数及负载有关的时间相位角与是内功率因数角 UE IU IE 直轴（纵轴、 d 轴）：主磁极轴线位置。 交轴（横轴、 q 轴）：与直轴成 90 0 电角度的位置。 相轴： 每相绕组的轴线位置。 时轴 : 时间相量在其上投影可得瞬时值 43 2. 电枢反应的性质 电枢反应的性质 (助磁、去磁或交磁）取决于 电 枢磁势基波与励磁磁势基波的空间位置 ；这 一相对位置

14、与 励磁电势 E0和电枢电流 I之间的 相位差 ，即角度 有关 44 一、 和 同相（ =0）时的电枢反应（ ： 内功率因数角） I 0E q轴 A轴 A X Z B C Y Ff N S d轴 BI . AI . CI . AE0 . 时轴 CE0 . B0 .E +90 0 F Fa 交轴电枢反应 45 1. 在轴 d上 。如图瞬间， A相励磁电势达到最大 值，由于 和 同相，故而 亦如图示方向。此时 A相 电流最大。三相合成电枢磁势 出现在 A相轴线上。 fF aF A X Z C B Y fF aF q轴 A轴 C轴 B轴 S N d轴 n 1 1 F AI BI CI 1 oAE o

15、BE oCE 时轴 I0E I A X Z C B Y AI BI CI fF aF q轴 A轴 C轴 B轴 S N d轴 n 1 1 1 F oAE oBE oCE 时轴 1 q轴 时轴 相轴 d轴 fF F aF I aE E 0E )( 0 )( )( a 47 aF可见 始终位于交轴上， 称为 （交轴磁势）。 qaF 2.时间向量图 将时间向量图的参考轴与 A相绕组轴线取重合 3时空相矢量图 三相电流对称， 仅以 A相代表。 1 q轴 时轴 相轴 d轴 fF F aF I aE E 0E )( 0 )( )( a 48 aE a aF fF : 在定子中感应电势。 ：交轴电枢反应 使

16、气隙磁势 增加，且由直 轴后移一个角度。 3、使得转子励磁绕组受一阻力矩（制动力矩）这 样要维持 n1，必须输入更多的有功。 1 q轴 时轴 相轴 d轴 fF F aF I aE E 0E )(0 )( )(a 49 时空相矢图的作法： 1、根据负载性质定出 4、画出与 对应的 I 2、选时轴、相轴和 q、 d轴 1 q轴 时轴 相轴 d轴 fF F aF I 0E )( 0 )( )( a3、画 F f1在 d轴上， E0在 q 轴上 5、 Fa与 I同“相”， 50 二、 滞后 （ =900 ）时电枢反应 I 0E 时轴 AE0 . CE0 . BE0 . AI . CI . BI . d

17、轴 q轴 A轴 A X Z B C Y Ff N S 直轴去磁电枢反应 Fa A X Z C B Y fF aF q轴 A轴 S N d轴 n 1 1 AI BI CI 1 oAE oBE oCE 时轴 1 q轴 时轴 相轴 d轴 fF F aFI aE E 0E )( 0 )( )(a 1、各相电流如图 52 1 q轴 时轴 相轴 d轴 fF F aFI aE E 0E )(0 )( )(a aF fF可见 , 与 方向相反 ，气 隙磁场被削弱，电枢反应纯去 磁作用，位于 d轴又称直轴电 枢磁势 2. 转子旋转不受影响，发 电机供给纯感性（ =900 ） 或纯容性（ =-900 ）无 功负载

18、时，不需原动机载 入功率。 adF 53 三、 超前 900 的电枢反应（ =-900 ） I 0E 时轴 AE0 . CE0 . BE0 . CI . BI . AI . d轴 q轴 A轴 A X Z B C Y Ff N S 直轴助磁电枢反应 Fa 54 A X Z C B Y fF aF q轴 A轴 S N d轴 n 1 1 AI BI CI 1 oAE oBE oCE 时轴 1 q轴 时轴 相轴 d轴 fF F aF I aE E 0E )(0 )( )(a 55 1 q轴 时轴 相轴 d轴 fF F aF I aE E 0E )(0 )( )(a 可见， 超前 900相 位时，电枢磁

19、势 的 方向总与励磁磁势 的方向相同。它们直接 相加得气隙中合成磁势 的电枢反应是 纯粹 助磁的 。 又位于 d轴 ，又称 aF fF aF F adF I 0E 56 四、 情况下的电枢反 :( 滞后励磁电 势 锐角 ）。 00 900 I 0E 时轴 AE0 . CE0 . BE0 . AI. CI . BI . d轴 q轴 A轴 A X Z B C Y Ff N S 既有交轴又有直轴去磁电枢反应 +900 Fa 57 可见此时电枢磁势 滞后 （ +900 ） 此时电枢应兼有 去磁 及 交磁 两种性质。 aF fF q轴 d轴 fF adF IqI 0E )( 0 时轴 相轴 aqF aF

20、 dI aqada FFF qd III s inaad FF s inII d cosaaq FF I Ic o sII q 的直轴分量（无功分量） 的交轴分量（有功分量） 58 电枢磁势和电枢电流分量 c o sc o s s i ns i n IIFF IIFF IIIFFF qaaq daad qdaqada 交轴分量 直轴分量 59 当 角为不同值的电枢反应 位置 夹角 记作 电枢反 应性质 对电机的影响 负载性质 n(f) U =0 0 q轴 +90 0 交轴 波形 畸变 下降 不变 R =90 0 d轴 +90 0 直、去 削弱 不变 下降 L = -900 d轴 +90 0 直

21、、助 增强 不变 上升 C 0090 0 d、 q 轴 +90 0 交、直去 削弱 下降 下降 R、 L -900xaq 3、隐极机 同步阻抗 sas jxRZ 凸极机 直轴同步阻抗 交轴同步阻抗 电枢电阻 aR dad jxRZ qaq jxRZ 2、 气隙越大，则磁阻越大，电枢反应电抗越小 75 同步电抗 主要受电枢反应电抗的影响，与电枢绕 组匝数平方 W2成正比，与磁导 成正比 铁心饱和程度提高，则磁导减小， 气隙增大，则磁导减小 激磁绕组匝数增加，如不改变磁路饱和 程度，则同步电抗不变 aqq add xxx xxx 76 电抗简单比较说明 变压器 激磁电抗标幺值为几十（无气隙，磁阻小，主磁 通大）， Im在 0.02-0.05标幺值 异步电机 激磁电抗标幺值为几（气隙小，磁阻小，对应空 载气隙主磁通）， Im在 0.2-0.5标幺值 同步电机 同步电抗标幺值：隐极机在 0.9-3.5，凸极机在 0.6- 1.6（交轴 0.4-1.0），由于气隙大，磁阻大