《相同步电机》PPT课件.ppt

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1、电 机 与 拖 动 1三 相 同 步 电 机 第 7 章 电 机 与 拖 动 2 本 章 要 求掌 握 同 步 电 机 的 基 本 结 构 和 工 作 原 理 。 掌 握 同 步 电 动 机 的 分 析 方 法 及 分 析 结 果 。 掌 握 功 角 的 概 念 及 意 义 ， 矩 角 特 性 及 其 应 用 。 熟 练 掌 握 同 步 电 动 机 的 U型 曲 线 及 其 意 义 。 掌 握 工 作 特 性 中 的 cos=f（ P2） 曲 线 形 状 及 其意 义 。 了 解 同 步 电 动 机 的 起 动 方 法 ； 一 般 掌 握 同 步 调相 机 。 电 机 与 拖 动 3 第 一

2、节 同 步 电 动 机 的 基 本 结 构 和 工作 原 理 一 、 同 步 电 动 机 的 基 本 结 构 1. 定 子 ： 主 要 由 铁 心 和 电 枢 绕 组 构 成 定 子 铁 心 是由 硅 钢 片 叠 成 ，它 构 成 电 机 磁路 的 一 部 分 。 电 枢 绕 组 是三 相 对 称 绕 组 ，由 高 强 度 漆 包线 绕 成 ， 它 构成 电 机 的 电 路 。 电 机 与 拖 动 4 电 机 与 拖 动 5 电 机 与 拖 动 6 U V WU VWVWW UUV UUW VVW Y 接 法 接 法WW U VVU接 线 盒 注 意 ： 首 尾 端 不 能 接 反 ！定 子

3、三 相 绕 组 接 线 方 式WU VU VWU 定 子U VVW W 电 机 与 拖 动 7 2. 转 子 ： 由 铁 心 、 直 流 励 磁 绕 组 、 滑 环 和 电 刷 等 构 成 。 按 结 构 型 式 分 成 凸 极 式 转 子 和 隐 极 式 转 子凸 极 式 转 子 电 机 与 拖 动 8水 轮 发 电 机 电 机 与 拖 动 9 电 机 与 拖 动水 轮 发 电 机 的 特 点 ： 极 数 多 ， 直 径 大 ， 轴 向 长 度 短 ， 整 个 转 子 在 外 形 上与 汽 轮 发 电 机 大 不 相 同 。 大 多 数 水 轮 发 电 机 为 立 式 。 水轮 发 电 机

4、的 直 径 很 大 ， 定 子 铁 心 由 扇 形 电 工 钢 片 拼 装 叠成 。 为 了 散 热 的 需 要 ， 定 子 铁 心 中 留 有 径 向 通 风 沟 。 转子 磁 极 由 厚 度 为 1 2mm的 钢 片 叠 成 ； 磁 极 两 端 有 磁极 压 板 ， 用 来 压 紧 磁 极 冲 片 和 固 定 磁 极 绕 组 。 有 些 发 电机 磁 极 的 极 靴 上 开 有 一 些 槽 ， 槽 内 放 上 铜 条 ， 并 用 端 环将 所 有 铜 条 连 在 一 起 构 成 阻 尼 绕 组 ， 其 作 用 是 用 来 拟 制短 路 电 流 和 减 弱 电 机 振 荡 ， 在 电 动 机

5、 中 作 为 起 动 绕 组 用 。磁 极 与 磁 极 轭 部 采 用 T 形 或 鸽 尾 形 连 接 。 电 机 与 拖 动 10 隐 极 式 转 子 电 机 与 拖 动 11 汽 轮 发 电 机 电 机 与 拖 动 12 电 机 与 拖 动 13 电 机 与 拖 动 14 电 机 与 拖 动汽 轮 发 电 机 的 特 点 ： 定 子 大 体 上 与 异 步 电 机 相 同 ， 定 子 铁 心 由 0.35mm、0.5mm或 其 它 厚 度 的 电 工 钢 片 叠 成 。 定 子 外 径 较 小 时 ， 采用 圆 形 冲 片 ， 当 定 子 外 径 大 于 1m 时 ， 采 用 扇 形 冲

6、片 。 定子 铁 心 固 定 在 机 座 上 ， 机 座 常 由 钢 板 焊 接 而 成 ， 它 必 须 有足 够 的 强 度 和 刚 度 ， 同 时 还 必 须 满 足 通 风 和 散 热 的 需 要 。汽 轮 发 电 机 的 电 压 较 高 ， 要 求 定 子 绕 组 有 足 够 的 绝 缘 强 度 ，一 般 采 用 B 级 或 F 级 绝 缘 。 为 了 减 少 高 速 旋 转 引 起 的 离心 力 ， 一 般 采 用 隐 极 式 转 子 ， 其 外 形 常 做 成 一 个 细 长 的 圆柱 体 。 转 子 铁 心 表 面 圆 周 上 铣 有 许 多 槽 ， 励 磁 绕 组 嵌 放 在这

7、 些 槽 内 。 励 磁 绕 组 为 同 心 式 绕 组 ， 以 铜 线 绕 制 ， 并 用不 导 磁 的 槽 楔 将 绕 组 紧 固 在 槽 内 。 电 机 与 拖 动 15凸 极 转 子 隐 极 转 子 d轴 q轴 d轴 q轴特 点 ： 气 隙 不 均 匀 特 点 ： 气 隙 均 匀转 子 结 构 特 点 电 机 与 拖 动 16 定 子 三 相 对 称 绕 组 ， 加 三 相 对称 电 压 ， 流 入 三 相 对 称 电 流 ， 产 生旋 转 磁 场 N1、 S1 。 旋 转 磁 场 的 转 速为 pf60n 11 转 子 励 磁 绕 组 ， 加 直 流 电 压 ， 产 生 恒 定 磁

8、场 N2、 S2 。 定 子 磁 场 N1、 S1 与 转 子 磁 场 N2、 S2 之 间 产 生 磁 拉力 ， 从 而 产 生 电 磁 力 矩 拖 动 转 子 与 定 子 磁 场 同 步 旋 转 。 原 理 动 画 二 、 同 步 电 动 机 的 工 作 原 理 电 机 与 拖 动 17 *同 步 转 速 从 供 电 品 质 考 虑 ， 由 众 多 同 步 发 电 机 并 联 构 成 的交 流 电 网 的 频 率 应 该 是 一 个 不 变 的 值 ， 这 就 要 求 发 电机 的 频 率 应 该 和 电 网 的 频 率 一 致 。 我 国 电 网 的 频 率 为50Hz ， 故 有 ：

9、p3000p60fn 要 使 得 发 电 机 供 给 电 网 50Hz的 工 频 电 能 ， 发 电机 的 转 速 必 须 为 某 些 固 定 值 ， 这 些 固 定 值 称 为 同 步 转速 。 例 如 2极 电 机 的 同 步 转 速 为 3000r/min， 4极 电机 的 同 步 转 速 为 1500r/min， 依 次 类 推 。 只 有 运 行于 同 步 转 速 ， 同 步 电 机 才 能 正 常 运 行 ， 这 也 是 同 步 电机 名 称 的 由 来 。 电 机 与 拖 动 18 *同 步 机 运 行 方 式 同 步 电 机 的 主 要 运 行 方 式 有 三 种 ， 即 作

10、为 发 电 机 、电 动 机 和 补 偿 机 运 行 。 作 为 发 电 机 运 行 是 同 步 电 机 最 主 要 的 运 行 方 式 ，作 为 电 动 机 运 行 是 同 步 电 机 的 另 一 种 重 要 的 运 行 方 式 。同 步 电 动 机 的 功 率 因 数 可 以 调 节 ， 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 。 同 步 电 机 还 可 以 接 于 电 网 作 为 同 步 补 偿 机 。 这 时电

11、 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 的 。 电 机 与 拖 动 19 三 、 同 步 电 动 机 的 额 定 数 据 额 定 容 量 是 指 轴 上 输 出 的 有 功 功 率 ， 单 位 为 。 NP KW 额 定 电 压 指 加 在 定 子 绕 组 上 的 线 电 压 ， 单 位 为 或 。 NU VKV 额 定 电 流 电 动 机 额 定 运 行 时 ， 流 过 定 子 绕 组 的 线

12、 电 流 ， 单 位 为 。NI A 额 定 功 率 因 数 电 动 机 额 定 运 行 的 功 率 因 数 。 Ncos 额 定 转 速 电 动 机 额 定 运 行 时 转 子 转 速 ， 单 位 为 。 Nn min/r 额 定 效 率 电 动 机 额 定 运 行 效 率 。 N 此 外 ， 同 步 电 动 机 铭 牌 上 还 给 上 额 定 频 率 ； 额定 励 磁 电 压 ； 额 定 励 磁 电 流 等 数 据 。 )(Hzf N)(VU fN )(AI fN 电 机 与 拖 动 20 一 、 隐 极 同 步 电 动 机 电 磁 分 析 和 相 量 图定 子 的 电 磁 关 系 (磁

13、路 不 饱 和 时 ） ：转 子 If定 子 F =F 0 + Fa 1、 电 磁 分 析 由 于 定 、 转 子 磁 场 在空 间 相 对 静 止 ， 故同 步 电 动 机 带 负 载 运 行 ，定 转 子 电 流 产 生 两 个 旋 转磁 场 ， 它 们 相 对 静 止 ， 只在 定 子 中 感 应 电 势 。第 二 节 同 步 电 动 机 内 部 的 电 磁关 系 FF EIa EaFa aF0 E00 电 机 与 拖 动 21 2、 基 本 方 程 aaa 000 FE FE 磁 路 不 饱 和 时气 隙 磁 场 在 定 子 中 的 感 应 电 势故 aaa xjIE 而 漏 感 电

14、势 r1aI1U 0EaEE定 子 一 相 绕 组 电 阻 为 r 1 a xIjE a0 EEE 电 机 与 拖 动 22 在 给 定 的 参 考 方 向 下 ， 定 子一 相 绕 组 的 电 压 平 衡 方 程 式为 1aa01 rIEEEU 1aa d rIxjIE r1aaaa0 IxjIxjIE 式 中 xa称 为 电 枢 反 应 电 抗 ， 对 应 旋 转 磁 势 磁 路 .x 定 子 漏 电 抗 ， 与 定 子 漏 磁 通 的 磁 路 对 应 。xa x r1 0EEaEaI1U 电 机 与 拖 动 23 3、 等 效 电 路 和 相 量 图定 子 一 相 等 效 电 路 为一

15、般 同 步 电 动 机 容 量 都 较 大 ， 电 阻 r1很 小 ， 忽 略 之 ， 得aaa0 xjIxjIE ca0 xjIE 式 中 xc 称 为 隐 极 同 步 电 机 的 同 步 电 抗 。与 等 效 电 路 对 应 的 相 量 图(忽 略 r1） 为 ：+ r1- jxc0E ca xIj 1U 1E-aI 电 机 与 拖 动 24 一 、 功 率 、 转 矩 方 程 ra.1I. 1U+- . 0Ejxccu1em pPP cosmUIP1输 入 ： 定 子 铜 耗 ： a2cu rmIp 电 磁 功 率 ： 输 出 功 率 ： 0emFesmecem2 pPpppPP 摩 擦

16、 损 耗 附 加 损 耗 空 载 损 耗铁 损 耗第 三 节 同 步 电 动 机 的 功 率 方 程 及 功角 特 性 电 机 与 拖 动 25 2sin)x1x1(2UmsinxUEmP dq2d 0em隐 极 机 xd=xq =xc sinxUEmP c 0em隐 极 机可 见 电 磁 功 率 是 的 函 数 。 sinxUEmT c 01em隐 极 机 电 机 与 拖 动 26 三 、 功 角 特 性 和 矩 角 特 性功 角 的 概 念 ： 功 角 在 时 间 上 表 示 端 电 压 和 励 磁 磁 势 之 间 的 相 位 差 ，在 空 间 上 表 现 为 合 成 磁 场 轴 线 与

17、转 子 磁 场 轴 线 之 间 夹角 。 并 网 运 行 时 ， 为 电 网 电 压 ， 其 大 小 和 频 率 不 变 ，对 应 的 合 成 磁 势 总 是 以 同 步 速 度 旋 转 ， 因 此 功 角 的大 小 只 能 由 转 子 磁 势 的 角 速 度 决 定 。 稳 定 运 行时 ， 和 之 间 无 相 对 运 动 ， 具 有 固 定 的 值 。 y为 内 功 率 因 数 角 ， y定 义 为 功 角 。 它 表 示 发 电机 的 励 磁 电 势 和 端 电 压 之 间 相 角 差 。 功 角 对 于 研究 同 步 电 机 的 功 率 变 化 和 运 行 的 稳 定 性 有 重 要

18、意 义 。 电 机 与 拖 动 27 功 角 的 空 间 概 念 ： 电 机 与 拖 动 28 功 角 特 性 和 矩 角 特 性 曲 线在 U、 E0不 变 时 ， Pem、 Tem与 成 正 弦 关 系BATLTm 180900 Pem(Tem) 隐 极 机 180900 Pem(Tem) 凸 极 机 电 机 与 拖 动 29 一 、 励 磁 调 节 保 持 同 步 电 动 机 的 U1、 f、 P2不 变 ， 调 节 励 磁 电流 If ， 会 引 起 电 枢 电 流 和 电 机 功 率 因 数 的 改 变 。第 三 节 同 步 电 动 机 的 励 磁 调 节 及 V形 曲 线 结 论

19、： 调 节 If ， 可 以 改 变 电 机 功 率 因 数 ； 正 常励 磁 时 ， 为 纯 阻 性 ； If正 常 励 磁 时 ,为 容 性 ； If C2 C1 0欠励 过励I IfP2=C1P2=C2P2=C3正 常励 磁 V形 曲 线 是 一 簇 曲 线 ， 每 一 条 V形 曲 线 对 应 一 定 的有 功 功 率 。 V形 曲 线 上 都 有 一 个 最 低 点 ， 对 应 cos =0 的 情 况 。 将 所 有 的 最 低 点 连 接 起 来 ， 将 得 到 与 cos =0对 应 的 曲 线 ， 该 线 左 边 为 欠 励 状 态 ， 功 率 因 数 超 前 ，右 边 为

20、过 励 状 态 ， 功 率 因 数 滞 后 。 电 机 与 拖 动 31 三 、 cos=f(P2)曲 线 保 持 同 步 电 动 机 的 U1、 f、 If不 变 ， 调 节 输 出 功 率P2 ， 电 机 功 率 因 数 的 改 变 . P 2*cos0 0.510.80.8容 性感 性 电 机 与 拖 动 32Tem S1S2N2 N1n1 N1S2N2S1n1 Tem 同 步 电 动 机 起 动 时 n=0,由 于 转 子 的 惯 性 ， 其 速 度不 能 突 变 ， 而 气 隙 磁 场 速 度 n1很 快 。 所 以 转 子 所 受 的T方 向 来 回 变 化 ， 转 子 无 法 直

21、 接 起 动 。第 四 节 同 步 电 动 机 的起 动 电 机 与 拖 动 33 同 步 电 动 机 的 起 动 方 法 同 步 电 机 在 电 源 频 率 恒 定 使 定 子 合 成 磁 场 转速 恒 定 的 条 件 下 ， 其 转 速 必 为 同 步 转 速 n0， 是 不可 调 节 的 。 平 均 电 磁 转 矩 Temav = Tem(t)dt = 0 因 为 同 步 电 机 仅 在 运 行 时 才 有 平 均 电 磁 转 矩 ，而 起 动 过 程 是 非 同 步 运 行 状 态 ， 所 以 同 步 电 动 机不 能 自 行 起 动 ， 可 采 用 异 步 起 动 启 动 电 机 与

22、 拖 动 34 同 步 电 动 机 的 起 动 方 法1、 辅 助 起 动 法 ： 用 同 极 数 异 步 电 动 机 拖 动 其 起 动 。2、 变 频 起 动 法 ： 将 电 源 频 率 从 0fN随 n逐 渐 升 高 。3、 异 步 起 动 法 ： 利 用 阻 尼 绕 组 作 起 动 绕 组 ， 实 现 异 步 起 动 ， 最 后 被 牵 入 同 步 。 电 机 与 拖 动 35 1、 一 隐 极 同 步 电 动 机 ， N=30。 求 ： （ 1） 过 载能 力 ； （ 2） TL不 变 ， 提 高 =4， 励 磁 电 流 应提 高 到 原 来 的 几 倍 （ E0If） ?2、 一

23、隐 极 同 步 电 动 机 ， PN=6300KW, UN=10000V(Y), IN=417A, cosN=0.9 (超 前 ), IfN=404A,xc=14 （ E0If） 求 ： （ 1） 额 定 效 率 N ； （ 2） 额 定 无 功 功 率 ； N ； 习 题 课（ 3） 保 持 PN不 变 ， 如 何 调 节 ， 使 cos =1?求 此 时 I和 If（ 不 变 ） 。 （ 4） 额 定 工 作 时 ， 保 持 If不 变 ，下 降 P N=4000KW， 求 I和 cos ？ （ 不 变 ） 电 机 与 拖 动 36 4、 单 相 变 压 器 的 额 定 数 据 ， SN=

24、500VA，U1N/U2N=220/110V， 短 路 阻 抗 标 么 值 ZK*=0.05 60 ，I10N=0.2A。 将 两 台 相 同 的 变 压 器 串 联 ， 高 压 侧 接 220V电 网 ， 降 压 供 电 ， 试 求 ： 1） 分 别 计 算 第 一 和 第 二 台 变压 器 原 边 的 空 载 电 流 。 2） 空 载 供 电 电 压 。 3） 短 路 电流 。 （ 磁 路 线 性 ） 220 Tr1 Tr23. 一 台 三 相 变 压 器 ， SN=200KVA, U1N/U2N =6.3/0.38KV, Y/Y0连 接 。 现 为 一 台 Y接 380V的 三 相同 步

25、 电 动 机 供 电 。 同 步 数 据 ： PN=75kw, UN=380V, cosN=0.5（ 超 前 ） , N=88.2%， 求 同 步 电 动 机 额定 运 行 时 ： 电 网 的 输 出 电 流 ？ 电 机 与 拖 动 37 解 1： 230sin1sin1 N c 0Nmax xEUmT fNfN00 I2I;E2E;4 解 2： （ 1） %9.969.0417103 6300cosIU3 PNN 2N KVA3148sinUI3Q)2( NN .U .0Ec. jxI.I oA B C83551441784.25sin)3/10000( IxsinUBCABAC c 3.3

26、284.2551968355tg V983951968355OCE 5196cosUOA 1N 22N0 y 电 机 与 拖 动 38 .I .0E.U .0Ec. jxI.I oA B CA3.3759.0417cosII)3( NN V7806)Ix(UE 2c20 A5.320IEEI fNN00f 电 机 与 拖 动 39 .U .0E . N0E.I OA B(4)由 电 磁 功 率 可 以 计 算 出 功 角82.19 sinxmUE/4000P sinxmUE/6300P c1 NcN1 由 余 弦 定 理 求 AB=4823： AB=IxcI=344.5A由 正 弦 定 理 求

27、 B=23.95 69.0cos ;23.4682.1905.66 ;05.6695.2390 y 电 机 与 拖 动 40 3、 解 ： 电 动 机 额 定 运 行 ， 输 入 电 流 额 定A4.258I 5.0I3803882.075000 cosIU3PPN N NNNNNN1 58.163/38.0 3/3.6UUk N2N1 变 压 器 从 电 网 的 输 入 电 流 为 ： 258.4/k=15.59A 电 机 与 拖 动 41 4、 解 ： 空 载 等 效 电 路 ： U1N U220I10Zm 4ZmI1m I2m220 Tr1 Tr2I10 I20Zk 4ZkIkU 1N0.25A0.050.2III 0.2AIZU 2m1m10 10Nm1N 0.1A0.052IkI 2m20 55V2)220/(2U220 9.09A4.845 2205ZUI 4.84ZZZ 96.8IUZ k1Nk 1N*kk 1N1N1N 电 机 与 拖 动 42 END