同步电机原理简述.docx

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同步电机原理简述

同步电机原理简述

（转载）

　结构模型

　◆同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成。

一般分为转场式同步电机和转枢式同步电机。

　◆图15.1给出了最常用的转场式同步发电机的结构模型，其定子铁心的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，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。

　◆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（也称主磁场、转子磁场）。

　◆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。

　◆除了转场式同步电机外,还有转枢式同步电机，其磁极安装于定子上，而交流绕组分布于转子表面的槽内，这种同步电机的转子充当了电枢。

图中用AX、BY、CZ三个在空间错开120电角度分布的线圈代表三相对称交流绕组。

　工作原理

　◆主磁场的建立：

励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。

　◆载流导体：

三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。

　◆切割运动：

原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。

　◆交变电势的产生：

由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。

通过引出线，即可提供交流电源。

　◆感应电势有效值：

由第11章可知，每相感应电势的有效值为　　　　　　　　　　（15.1）

　◆感应电势频率：

感应电势的频率决定于同步电机的转速n和极对数p，即

　　　　　　　　　　　　　　　　　（15.2）

　◆交变性与对称性：

由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。

同步转速

　◆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：

　　　　　　　　　　　　（15.3）　　　　　　◆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。

　运行方式

　◆同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、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。

这时电机不带任何机械负载，*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。

同步电机

1概述

同步电机特点：

同步电机转速与极对数、电流频率有严格的关系。

高压、大容量的同步电动机采用旋转磁极式结构；小容量采用旋转电枢式。

转枢式---转子绕组（电枢），定子磁极

转极式---转子磁极，定子电枢。

隐极式：

气隙均匀、转子高机械强度高转速。

适合细长汽轮发电机。

                    凸极式：

气隙不均匀，适合中速、低速运行。

短粗水轮发电机结构。

1．1同步电机的结构型式

一．  隐极电机

部件名称

作用

材料

结构

定子铁心

形成磁路

0.5mm硅钢片叠制。

直径大于1米的铁心用扇形片拼成

开口槽（大型）

定子绕组

电路部分，感应电势

圆铜线或扁铜线

三相双层短路叠绕组；高压大电流用多根并绕换位导线

机座

机械支撑

大型用钢板焊接

气隙

磁场耦合

绕线转子要利用滑环和电刷

转子铁心

磁路的一部分

整块的良导磁合金钢（导磁、承受高转速、大离心力）

高强度合金钢与转轴锻成一体

转子绕组

励磁绕组

流过电流建立磁场

电机用扁铜导线绕成同心线圈

同心线圈被槽楔压紧在槽里

护环

保护励磁绕组端部

中心环

阻挡励磁绕组轴向移动

滑环

引入励磁电流

端盖

封盖电机两端部

无磁性硅铝轻合金材料铸造

轴承

承受转子重量和离心力

二．  凸极同步电机

隐极式同步电机只有卧式一种；凸极式则分为卧式和立式结构。

卧式：

多数同步电动机、调相机、内燃机发电机、冲击式水轮发电机

立式：

低速、大型水轮发电机

1．卧式凸极同步电机的结构特点

磁极用1~3mm的钢板冲制叠成。

高速电机用实心磁极。

励磁绕组用扁铜线绕制成同心线圈套在极身上。

磁轭用铸钢或冲片叠制

阻尼绕组用铜条插在磁极极靴槽中。

作用是改善起动性能。

2．立式凸极同步电机的结构特点

定子分数槽波绕组

转子：

用高强度钢整体锻造，制成空心式以减轻重量；支架由轮毂和轮辐构成；磁极用1~1.5mm钢板叠压，用螺杆拉紧

1．2同步电机的励磁方式

励磁绕组中通入直流电流，建立磁场。

励磁系统有：

1）直流发电机励磁系统：

采用独立供电的直流并励发电机，与主发电机同轴。

输出的直流电经电刷、滑环引入同步发电机转子励磁绕组。

            2）静止式交流整流励磁系统：

为解决换相火花问题，采用交流励磁机取代直流励磁机，但是要经过半导体整流系统把交流电变成直流电供给同步机励磁绕组。

            3）旋转式交流整流励磁系统：

亦称无刷励磁系统。

转枢式的交流励磁发电机，与电机一起旋转，整流器也在轴上一起旋转，这样将整流输出直接供给同步发电机励磁，既不用直流励磁发电机的换向器又不用同步机的电刷滑环引入系统。

1．3同步电机的冷却方式

空气冷却、氢气冷却、水冷却、超导发电机

1．4同步电机的额定值

与异步电动机一样，额定电压、电流为线值，另外有：

额定容量：

发电机出线端额定视在功率，VA  kVA.

额定功率：

发电机输出电功率

          电动机输出机械功率

额定功率因数及额定效率

2同步电机的运行原理

研究三相同步电机在对称负载下稳态运行时的内部物理过程，包括基本方程式、矢量图、等效电路。

2．1同步发电机的空载运行

1．空载特性与饱和系数

空载时，定子绕组开路，电流为零，转子绕组通入直流励磁电流，发电机被拖动以同步速度旋转

转子以同步速度n1旋转时，主磁通切割定子绕组感应电势频率为f，则

  为主磁通：

由N极  气隙  定子齿  定子轭  定子齿  气隙  S极  转子轭  N极

            特点是经过气隙，同时与定转子交链的磁通。

漏磁通：

由N极    极间气隙      S极    转子轭    N极

            特点是不经过气隙，仅与励磁绕组自身交链，不与定子交链的磁通。

发电机空载特性，因为，经过适当比例变换，可得，它就是电机的磁化曲线。

根据磁化曲线求饱和系数=  （1.1~1.25）

F0空载额定电压所需要磁势；

Fδ负载额定电压气隙磁势；

  磁路不饱和时，对应F0磁势产生的感应电动势。

2．空载时-空相量图

  空间相量：

励磁磁势基波分量Ff1以及它产生的气隙磁密基波Bf1,波幅同处于直轴正方向，都以同步角频率旋转。

  时间相量：

定子绕组交链的磁通，以及它在绕组中感应的电动势。

在时间上滞后900电角度。

3.电压波形正弦性畸变率---各次谐波幅值平方和的平方根与基波幅值之比。

2．2同步电机的电枢反应

同步电机空载时，气隙中的同步旋转主磁场仅由转子励磁电流（直流）建立；

负载时定子绕组流过电流产生磁势（称为电枢磁势），它与励磁磁势共同作用产生合成气隙磁场。

因此存在电枢反应问题。

电枢磁场和主极磁场都是相对静止的，二者本身是旋转的。

电枢反应：

电枢磁势基波对主磁场的影响。

同样包括去磁、助磁、交磁三种情况。

它会使气隙磁场畸变。

电枢磁势基波与励磁磁势同转速、同转向，相对静止；因为励磁磁势转速n1，定子对称三相绕组产生电枢磁势基波转速

1．电枢电流滞后励磁电动势一个锐角时的电枢反应，即0≤≤900

假设某时刻，A相绕组交链最大磁通，产生最大励磁电动势E0，此时刻作为时间起点。

此时刻电流滞后ψ角，也达到最大值。

主磁通超前感应电势E0900。

令时轴与相轴重合，则，（图6.17）

（1）与重合，忽略磁滞涡流时，与重合。

（2）与重合

根据图6.17b得

            和    

此时产生去磁磁势，产生交磁磁势。

特殊地：

ψ=0=0=Fa只有交轴磁势；ψ=90，只有直轴磁势。

只要知道时间相量的相位关系，便可以确定空间相量间的相位关系，进而分析电枢反应的情况与性质。

2.隐极同步电机的电枢反应特点

由于隐极同步电机气隙均匀，电枢磁势对主极磁场的影响在气隙圆周上任何位置都一样，可以整体考虑电枢反应的影响，不用分成交直轴分量考虑。

      磁路不饱和：

利用叠加原理，分别考虑负载时电枢磁势Fa和励磁磁势Ff1的各自独立作用，然后进行叠加。

即

        直流励磁电流    励磁基波磁势      主磁通    感应电动势（定子绕组）

                                                  漏磁通（与转子交链）

          负载定子电流    电枢磁势基波        电枢磁通      电枢感应电动势

                                        定子漏磁通    定子感应漏电势

定子绕组上产生的三个感应电动势、、各自滞后于产生它们的磁通90度电角度。

合成气隙磁通，气隙电动势

磁路饱和：

不能使用叠加原理。

电流产生磁势，求合成磁势，再求合成气隙磁通及感应电动势。

即，

3.      凸极同步电机的双反应理论

凸极同步电机的气隙不均匀，同一电枢磁势作用在不同气隙位置时，电枢磁势对主极磁场的影响不同，所以气隙磁场会有变化。

（1）  ψ=90,正弦电枢磁势基波作用在d轴上。

（2）  ψ=0,正弦电枢磁势基波作用在q轴上。

（3）  0≤≤900电枢磁势作用在任意位置，电枢磁场分布不对称，磁场波形与ψ和Fa大小有关。

不能直接确定电枢反应的大小。

在这种情况下，为了分析电枢反应的影响，提出了双反应理论。

双反应理论：

当电枢磁势的轴线既不和直轴重合又不和交轴重合时，可以把电枢磁势分解成直轴分量和交轴分量。

分别求出直轴和交轴磁势的电枢反应，最后再把它们的效果叠加起来。

双反应理论适合饱和以及不饱和情况。

  4．直轴和交轴电枢磁势的折算

（1）    励磁磁密基波幅值（转子励磁磁势产生）（波形系数）

（2）    直轴电枢磁势产生的基波磁密幅值（电枢磁场波形系数）

（3）    交轴电枢磁势产生的基波磁密幅值

（4）    将正弦波电枢磁势折算为等效的励磁绕组方波磁势，折算前后的基波磁密幅值不变。

                      直轴交轴电枢磁势折算系数

（5）    根据查电机的空载特性曲线，可以得到产生的磁场在电枢绕组中的感应电动势。

2．3隐极同步发电机的负载运行

1．  不考虑饱和

        正像前面分析的那样，不计饱和时，可以利用叠加原理。

按照发电机惯例，如图6.20所示参考方向，得定子电动势平衡方程：

        其中，；电枢反应电势，

Xa电枢反应电抗：

数值上等于单位电流所感应的电枢反应电动势；物理意义表示对称三相电流产生的电枢反应磁场在定子绕组中感应电动势的能力。

；电枢感应漏电势，Xσ漏电抗总为常数。

所以，

    Xt=Xa+Xσ为隐极同步电机的同步电抗，它表征对称稳态远行时电枢反应基波磁场和漏磁场综合效应的电磁参数。

相量图：

6.21不计饱和时隐极同步发电机的时空矢量图和等效电路（任意波形）

        6.22不计饱和时用励磁电动势和同步电抗表示的隐极同步发电机的时空相量图和等效电路（正弦波形）

2．  考虑饱和

考虑饱和时，不能利用叠加原理。

应该由合成磁势求磁通，由磁通求电势

电势平衡方程：

根据图6.24知，饱和时漏抗压降的延长线不和空载励磁电动势闭合。

6．2．4凸极同步发电机的负载运行

1．不考虑饱和

    此时，转子直流励磁电流和定子绕组电流的交直轴分量各自作用产生磁势，在产生磁通，进一步会感应电势。

最终将所有电势叠加起来得到平衡方程式及相应的相量图。

  直流励磁电流    励磁基波磁势      主磁通    感应电动势（定子绕组）

                                                  漏磁通（与转子交链）

  负载定子电流    Id                φad          电枢感应电动势

                      Iq          Faq            φaq        Eaq

定子漏磁通    定子感应漏电势

则，相量图6.25

同时有：

  记

电抗Xad,Xaq是直轴电枢反应电抗和交轴电枢反应电抗，它们物理意义是反映定子电流产生的磁场在定子绕组中感应电动势的能力。

方程式进一步可以写出：

参数，Xd>Xq（）。

分别称为凸极同步电机直轴同步电抗和交轴同步电抗。

相量图6.26

2．考虑饱和

  考虑饱和后，首先要把作用在直轴上的磁势进行叠加，然后求各自的直轴磁通和电势以及交轴磁通和电势，最后再合成交直轴电势。

即：

          If              Ff        Fd        φd        Ed

Id      Fad

Iq      Faq                  φaq        Eaq

φσ        Eσ

平衡方程式：

交轴气隙大，可以认为磁路线性，交轴电枢反应电抗为常数，则

相量图6.

3同步发电机的运行特性

运行特性是指：

空载特性E0=f（If）；短路特性Ik=f（If）；零功率因数特性U=f（If）；外特性U=f（I）；调整特性If=f（I）。

两个重要参数：

短路比kc和电压调整率

采用标么值分析同步电机，基值选取如下：

容量基值：

单位VA

电压、电流基值：

阻抗基值：

转速基值：

励磁电流：

3．1同步发电机的运行特性

1．空载特性

空载特性是指电机在同步转速下空载运行时，励磁电势E0与励磁电流If的关系。

由于铁磁材料的磁滞现象，当励磁电流由If=0    Ifm    If=0时，上升和下降曲线不重合。

并且改变不同的Ifm值会得到不同的磁滞回线，工程上采用平均的磁化曲线。

实验室中完成的是U0=1.3UN到If=0的下降曲线，然后进行效正。

图6.28

作用：

（1）从空载特性曲线可以反映出电机设计合理性

（2）利用空载特性的短路特性可以求出同步电机的重要参数—同步电抗。

2．短路特性

电机定子三相稳态短路，同步旋转，U=0时电枢电流与励磁电流的关系。

首先看看方程：

隐极电机：

不饱和：

    凸极电机：

不饱和：

          饱和：

                饱和：

短路时，限制短路电流的只有发电机的同步阻抗，忽略电枢电阻只考虑同步电抗的话，短路电流可认为纯感性，电枢磁势基本是一个纯去磁作用的直轴磁势。

因此作用在直轴上的磁势有直流励磁磁势和电枢去磁磁势，合成磁势，其产生气隙感应电动势≈jIXσ。

气隙合成磁通小，磁路处于不饱和状态。

又线性短路特性。

特性三角形：

见图6.29a，线段AB表示直轴电枢反应磁势，线段AC反应漏电抗压降IXσ（可求漏电抗）

3．零功率因数负载特性

负载特性：

n=nN，I=constant,cosψ=constant,U=f（If）

零功率因数负载特性:

n=nN，I=constant,cosψ=0,U=f（If）；实验时电机要接三相纯电感负载。

两种方法求零功率因数负载特性：

试验法和空载特性结合特性三角形（短路三角形）法。

（1）    试验法：

保持I=IN，n=nN，调节励磁电流和负载电抗，测量电压，则U=f（If）

（2）    由空载特性利用特性三角形得到零功率因数负载特性

特性三角形左上角顶点沿着空载特性曲线移动时，其右下角顶点的轨迹即为所求的零功率因数负载特性。

因为：

接纯电感负载，电枢磁势就是直轴去磁磁势，同时负载电流也会产生漏磁通感应漏电势。

（笔记上讲的明白）换句话说，负载时要产生与空载同样的电压，直流励磁电流必须提供平衡直轴去磁磁势和感应漏电势所需要的电流。

4．外特性

当n=nN，If=constant,cosψ=constant,U=f（I）

（1）在感性负载和纯电阻负载情况下，电枢反应有去磁作用，空载电势。

定子电阻和漏抗引起电压下降，外特性是一条下降的曲线。

电机需要补偿较大的励磁电流，称其过励状态。

（2）容性负载时，电枢反应是助磁的，外特性上升。

电机需要减小励磁电流（与额定励磁电流比较），称其欠励状态

（3）从外特性求同步发电机的电压变化率（亦称为调整率）

    电机额定运行时，空载励磁电动势与额定电压差与额定电压的比值。

一般凸极电机18~30%，隐极电机30~48%（感性负载）

5．调整特性------它与外特性相反，感性和纯阻性负载，转子电流随着负载电流增加而增加（因为电枢反应去磁作用，需要增加补偿的励磁电流）；容性负载时则电枢反应的助磁作用要减小励磁电流。

  当n=nN，U=constant,cosψ=constant,If=f（I）

3．2特性曲线在参数计算中的作用

一、由空载特性和零功率因数负载特性确定定子漏电抗和电枢反应的等效励磁磁动势（见上节）

二、保梯电抗

当考虑转子漏磁影响时，此时的特性三角形由短路三角形变成保梯三角形，由保梯三角形求得得定子漏抗称为保梯电抗Xp（Xp>Xσ）（笔记或图6.35）

三、利用空载特性和短路特性确定Xd的不饱和值

在磁路不饱和的情况下，对应的直轴同步电抗Xd称为Xd不饱和值。

方法：

在同一个励磁电流下，从空载特性E0=f（If）曲线，求出气隙线上的E0

                  再从短路特性上Ik=f（If），求出电流Ik

则  Xd（不饱和）=E0/Ik  标么值

四、短路比

空载额定电压的历次电流下三相稳态短路时的短路电流与额定电流比值  

因为短路特性是一条直线，，，转化为励磁电流的比，即：

=kμ/X*d（不饱和）（要结合书上的图和笔记理解）

短路比：

就是用标么值表示的直轴同步电抗不饱和值的倒数与饱和系数之积。

短路比对电机的影响：

（1）    短路比大，同步电抗不饱和值效，过载能力大，负载电流引起的端电压变化小。

（2）    短路比小，负载变化时端电压变化大，电机成本低。

（3）    气隙加大，可减小Xd（不饱和）值，短路比增加，电机性能好，成本高

五、利用空载特性和零功率因数负载特性确定Xd的饱和值

磁路饱和时不能利用线性原理，必须先求合成磁势，再从空载特性上求出气隙电动势。

3．3同步发电机稳态参数的计算

对称稳定运行时，参数Xd,Xq,Xp,Xσ的实验测定法。

4同步发电机的并联运行

4．1投入并联的条件和方法

优点：

（1）提高电能供电的可靠性

（2）提高发电厂的运行效率

一、投入并联的条件

1．发电机频率与电网频率相同，f2=f1；否则，发电机输出电压与电网电压之间有相位差存在，并联运行时将产生环流。

2．发电机相电动势与电网电压波形要相同；否则，并联时将在电机与电网之间产生高次谐波环流，使运行损耗和温升增高。

3．发电机相电动势与电网电压幅值相等、相位相同；否则，产生环流高达20~30倍额定值。

4．二者相序相同；否则，产生环流。

上述条件中，2和4可以在设计、制造上保证；1和3要在并网运行时满足的条件。

二、投入并联的方法

1.准确同步法

（1）    直接接法亦称为灯光熄灭法

从连接图可见，每组灯上的电压就等于该相电网电压和发电机电压之差。

假设

      则：

显然，该电压差幅值随着时间以频率在0~2U1之间变化；变化频率为

讨论：

（1）若，则=0，三组灯上的电压为零，灯同时熄灭。

此时和上开关，并网

（2），则，且以频率变化，灯光亮而闪烁。

此时要调节电机转速，出现

（1）的情况，才能合闸。

（2）    交叉接法亦称为灯光旋转法

（1）    若电网电压幅值、相序、相位与发电机电压相同，则灯上的瞬时电压差分别为，此时灯A灭，达到最大，灯B，C最亮

（2）    若其它条件相同，只是频率不同，则有三种情况

（a）三个灯闪烁

（b）A，B灯亮，C灯熄灭

（c）A，C灯亮，B灯熄灭

在情况

（2）时，同样要调整电机转速，使f1=f2出现

（1）的情况，才能合闸。

2．自同步法

    用原动机将发电机拖动到接近同步转速，，并网后，立即投入励磁，此时可以由定转子间的电磁力将电机自动牵入同步。

但冲击电流比较大。

回忆发电机过励，输出有功功率和滞后无功功率，向电网输出滞后电流。

          欠励，输出有功功率和超前无功功率，向电网输出超前电流。

电动机  过励，从电网吸收超前电流，获得有功功率和超前无功功率。

        欠励，从电网吸收滞后电流，获得有功功率和滞后无功功率。

为什么说同步电动机在电网上运行时可以改善电网的功率因数？

电网上经常接有异步电动机、变压器等电力设备。

它们都属于电网的感性负载，就是说从电网吸收滞后的电流，造成电网的功率因数滞后。

如果接在电网上的同步电动机工作在过励状态，就可以从电网吸收超前的容性电流，补偿电网的功率因数，提高电网的功率因数。

通常同步电动机的额定功率因数设计为1~0.8超前。