同步电机.ppt
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1、第六章 同步电机什么是同步电机?同步是相对于异步而言,是指这种电机在正常工作时,电机的转速始终保持同步速不变。而不是像异步电机一样,转速随负载的变化而变化。我们目前所用的电能,99%以上是同步发电机发出来的。为什么要学习同步电机?电励磁的同步电机可以通过改变励磁来调节功率因数,可以运行于功率因数为1的状态,甚至可以超前。永磁同步电机不需励磁,没有励磁损耗,也不需从电网吸收无功,效率和功率密度非常高,是一种非常有潜力的电机。不足:成本较高,难起动,存在失步问题,永磁存在失磁问题,电励磁存在滑环和电刷,可靠性不如感应电机。6-1 基本工作原理和结构一、基本工作原理电动机简化模型只有同步时才能产生平
2、稳的电磁转矩,即正常运行时转子处于同步转速。感应电动机增加负载以后,转速会下降,重新达到平衡。同步电动机转速不下降,如何达到新的平衡?电磁转矩的大小与两磁场夹角有关。1n真实的同步电动机,两个旋转磁场分别由真实的旋转磁极和三相对称绕组中通入三相对称电流产生。即定子结构与感应电机完全一致,转子磁极是由直流电励磁或永磁磁极。发电机简化模型0002sin2sin(120)2sin(120)abcEEtEEtEEt0?E 01114.44wmEf N k当发电机端接上三相对称负载,定子就有三相电流流通,发电机就将轴上输入的机械能转换成电能向负载输出。112260n pf1n电枢将机电能量转换的枢纽,称
3、为电枢。与主磁极相对应。直流电机、感应电机、同步电机不相同。电枢电流在三相对称绕组中流通,会不会形成一个旋转磁场?转速如何?转向如何?1n电枢产生的旋转磁动势与磁极的励磁磁动势以相同的转速和转向旋转,在空间中相对静止。可以合成。合成气隙磁动势也是以同步速旋转,但与旋转磁极所建立的磁动势在大小和相位上已不同。这种变化称为电枢反应。二、基本结构定子、气隙、转子,一般都采用转极式。定子的结构和绕组形式与感应电机定子基本一样。铁芯也是由硅钢片叠成。定子转子有隐极式和凸极式两种。隐式是指转子磁极铁芯表面是个圆,气隙均匀,而凸极式,则气隙不均匀。前者转子铁芯用整块合金钢锻造而成,适用于高转速的汽轮发电机,
4、轴长,电机外径小,转子励磁线圈匝数少,导线粗,电流大。下好线的转子大型汽轮发电机完工后的转子 为什么可以用整块钢而不是用硅钢片来用作转子铁芯?1n电机稳定运行时,转子铁芯中的主磁通不变。不会产生涡流和磁滞损耗。凸极同步电机的转子由主磁极、磁轭、励磁绕组、滑环和转轴构成。通常在转子极靴槽内还嵌放阻尼绕组,阻尼绕组由槽内的铜条和端部短路铜环焊接而成,防止运行中的振荡和用作起动绕组。主磁极铁心的构成一般用作水轮发电机,转速慢,极对数多,轴短,电机外径大。三、同步机的额定值(1)额定容量SN和额定功率PN额定容量SN是指同步发电机输出的额定视在功率,单位kVA或MVAPN是指输出的额定有功功率,对发电
5、机而言是输出的额定有效电功率,对电动机而言,是指轴上输出的有效机械功率。单位kW或MW(2)额定电压UN额定运行时,加在定子绕组上的线电压,单位V或kV(3)额定电流IN额定运行时,流过定子绕组的线电流,单位A(4)额定频率fN额定运行时的频率,我国为50Hz。(5)额定转速nN是指同步电机的同步转速,单位r/min(6)额定效率N额定运行时的效率(7)额定功率因数cosN额定运行时的同步电机的功率因数cos3cosNNNNNNPSU I对于三相同步发电机:3cosNNNNNPU I对于三相同步发电机:6-2 同步电机的电枢反应负载时,对称三相电枢绕组中流过对称三相电流圆形旋转的基波磁动势,转
6、向与转子磁极相同,转速为同步速aF回顾一下直流电机的电枢反应。磁动势大小、方向,气隙磁场的分布,交直轴电枢反应。会改变由主磁极励磁磁动势 形成的气隙磁场的分布,气隙磁场由 与 合成的气隙磁动势建立,与转子励磁磁动势所产生的磁场不同。磁场产生的感应电动势也不同。aFfFaFfF这种负载时电枢电动势对主极基波磁场的影响称为电枢反应。电枢反应与电流的大小、主磁路的饱和程度有关,与电枢磁动势与励磁磁动势在空间中的相对位置有关,还与转子结构有关。正方向的规定:100fFE 1faFFEF aaaFEIFE 电流与由其产生的磁动势符合右手螺旋关系,磁动势与磁通方向相同。与 为关联参考方向;UI感应电动势的
7、正方向与产生它的磁通的正方向不符合右手螺旋关系。与电流方向相反,为反电势。011101111111114.444.444.444.44wawawwEjf N kEjf N kEjf N kEjf N k对吗?为便于分析,假设磁路不饱和,不考虑铁耗,转子为隐极,则电枢反应决定于电枢磁动势基波 与励磁磁动势基波 在空间中的相对位置。aF1fF在时空矢量图中,电枢磁动势矢量 与产生它的电枢电流 同相位,而若不计铁耗,则基波励磁磁动势矢量 与励磁磁通 同相位,而由励磁磁通产生的励磁电动势 则超前90度电角度。aFI1fF00EaFI1fF00E电枢电流与励磁电动势之间的相位差 就决定了电枢磁动势与励磁
8、磁动势在空间中的相对位置。与直流电机相同,主磁极的轴线为直轴,称为d轴,与主磁极轴线正交的轴线为交轴,称为q轴,一般来说,规定q轴滞后于d轴90度电角度。dq1ndq与直流电机不同的是,由于直流电机的主磁极不动,所以,交直轴是不动的,但同步电机的交直轴随主磁极旋转而旋转注意,轴线关系是根据统一矢量重合的先后顺序定的,而物理量的相位关系则是由它们在空间中的前后关系决定。一、电枢电流和励磁电动势同相位时的电枢反应各相绕组的轴线方向与该相绕组的电流正方向符合右手螺旋关系。直轴即主磁极轴线,方向与磁力线方向相同,交轴与直轴垂直,且滞后90度电角度。主磁极旋转,dq轴也以相同的转速旋转,励磁电动势同步旋
9、转,且超前于主极磁通90度电角度,始终在交轴上。电枢电流与励磁电动势同相位,也是在交轴上,由其产生的电枢磁动势也在交轴上。电枢反应使气隙合成磁动势的轴线向前移了一个电角度,幅值有所增加。此时感应电动势瞬时值的方向?电枢电流的瞬时值方向?参考方向相反,相位相同,瞬时值的方向恰好相反。此时电磁转矩的方向及电机的运行状态?先判断电枢导体受力,根据作用与反作用,磁极受力恰好相反。也可以根据e与i的乘积的符号确定。交轴电枢电流产生电磁转矩。不计饱和时,直流电机的交轴电枢反应是去磁还是助磁?计及饱和呢?不助磁也不去磁,去磁。为什么不计饱和,同步电机的交轴电枢反应会助磁呢?由于电刷和换向器的作用,使得电流的
10、流向以电刷为分界,有效的每极磁通中的“每极”所包含的范围是固定的,而同步电机则不是。二、电枢电流滞后于励磁电动势一个锐角时的电枢反应sincosaadaqadaaqaFFFFFFFsincosdqdqIIIIIII111.35waN kFIp1111sin1.35sin1.35wwadadN kN kFFIIpp1111cos1.35cos1.35wwaqaqN kN kFFIIppIq产生的磁动势是交轴磁动势,作用与前面一样。Id产生的是直轴磁动势,是助磁还是去磁?如果电枢电流的大小、频率不变,那么Id和Iq是正弦量还是一个固定的常数(直流量)?常数(直流量)!三相对称正弦量每一相的瞬时值可
11、以用一个在复平面中恒速等幅旋转的统一时间相量在三相参考轴上的投影来表示。因为三相参考轴不正交,所以在三相ABC坐标系下描述三相对称正弦量的统一时间相量在时空矢量图中的运动,很不方便。通常用两种直角坐标系来描述统一时间相量。一种是静止直角坐标系(坐标系),一种是同步旋转直角坐标系(dq坐标系)。mIdqABC在两相静止坐标系中,统一相量在两轴上分量仍为交流。但在同步旋转坐标系中,两个分量是直流。mIdqABC交流电机之所以难分析、难控制,就是因为我们面对的是交流量,不仅仅要考虑物理量的大小关系,而且还要考虑相位关系。j1122cosMmTCIMaTCI如果通过选择合适的参考坐标系,将交流量的复杂
12、关系变成直流量的简单的大小关系,对于分析交流电机的运行及对其进行控制,甚至对于整个电气领域的其它问题的分析都是很有意义的。实际上,一百多年以前,这一思路及理论分析就已成熟。将ABC坐标系中的正弦量,先变换成坐标系下的量(Clarke变换或3S/2S变换或3/2变换),再变换成dq坐标系下的量(PARK变换或3S/2r变换或同步旋转坐标变换),进行分析计算,最后得到的结果再经过反变换,变换到ABC坐标系中的量。变换过程中,统一时间相量是纽带。直轴电枢电流对电磁转矩的贡献BCBYCZId在A轴上的投影为0,此时尽管A相导体处于磁密最大位置,但不产生电磁转矩。Id在B、C轴上的投影为不为0,但产生的
13、电磁转矩之和为零。是不是意味着对电磁转矩没有贡献?BCBYCZ交轴电枢反应对电磁转矩的贡献直轴电枢电流不直接产生电磁转矩,但影响磁场,通过影响磁场影响电磁转矩。直轴电枢电流与励磁磁动势方向相同,起助磁作用。如果主磁路不饱和,磁密增大,在相同交轴电流情况下,电磁转矩增大。但如果主磁路已接近饱和,磁密增加很小,直轴电流对电磁转矩贡献很小。此时,电机吸收还是发出无功?助磁,肯定是从电网吸收无功;关联参考方向下的电流滞后于电压降。0E0E电机从电网吸收无功,也吸收有功。0E三、电枢电流超前于励磁电动势一个锐角时的电枢反应交轴电枢反应与前面一样,助磁,产生驱动性质电磁转矩。直轴电枢反应起去磁作用,尽管不
14、直接产生电磁转矩,但它的去磁作用会对电磁转矩产生间接影响。去磁,应向电网发出无功,从图中也可以看出。当电枢电流与励磁磁动势之间的夹角为锐角时,电枢磁动势超前于励磁电动势,电机交轴电枢电流产生驱动性质电磁转矩,电机处于电动状态。何时处于发电状态?当电枢电流与励磁磁动势之间的夹角为钝角时,电枢磁动势滞后于励磁电动势,电机交轴电枢电流将产生制动性质的电磁转矩,电机处于发电状态。四、双反应理论气隙磁动势是由电枢磁动势与励磁磁动势的合成,当电机为隐极,气隙均匀,若不计饱和,可根据气隙磁动势求出气隙磁场的分布。FH00FBH当电机为凸极,气隙不均匀,无法用解析表达式来求解。双反应理论应运而生。利用合成磁动
15、势的方法走不通,在不计磁路饱和的情况下,先把交直轴电枢磁动势及励磁磁动势各自形成的磁场分布求出来,然后把我们所关心的基波基波磁场的效果进行叠加。这种分别计算交轴和直轴电枢反应的方法,就是双反应理论。类似于电路中的叠加原理。课堂练习:6-1,6-3,6-4,6-5,6-66-3 同步电动机的电动势平衡方程式、同步电抗和相量图一、隐极同步电动机的电动势平衡方程式、同步电抗和相量图不计磁路饱和,可分另计算励磁磁动势产生的磁场及磁场产生的感应电动势;考虑饱和,应先进行磁动势合成,再求出相应的气隙合成磁通和气隙电动势。fII1fFaFaaEEE0E0F电压平衡方程式0EaaaRIEERIEEEU0EjI
16、X 与 参考方向相反EI等效电路非常简单,但还不够理想,因为气隙电动势与电流有一部分关系,最好能用电流表示。0aEEEaRXIEUaaaEFI UI0EtXXa为电枢反应电抗,相当于感应电机的励磁电抗,当磁路不饱和时,Xa为常数。000aaaaatUEEEIREIRjI XjI XEIRjI XXt为隐极同步电机的同步电抗taXXX大容量的同步电机,电枢电阻很小,一般不计,等效电路可简化。不计铁耗,与 同相位,与 同相位,与 符合左手螺旋关系,超前 90度电角度,即超前 90度电角度。aaFaFIaEaaaEIIaFaaEaaaEjI X0aUEjI XjI X0aEU jI XjI X 已知
17、:、和Ra、Xa、X。UIcos0aEEjI XU jI X 1afFFF注意:(1).角度的定义与它们之间的关系 为电枢电流与励磁电动势之间的夹角端电压与电枢电流之间夹角为功率因数角 ,气隙磁动势与电枢电流之间的夹角为内功率因数角 。i端电压与励磁电动势之间夹角为功率角 ,气隙磁动势与励磁电动势之间的夹角为内功率角 。iii不是简单的角度相加,要根据相应的关系判断角度的正负。(2).各量在dq轴投影之间的关系0cossintUIXE0cosdtUI XEsincostqtUIXI X课堂练习:6-9(3).多个直角三角形共底边0coscoscosiEEU二、凸极同步电动机的电动势平衡方程式、
18、同步电抗和相量图磁路不饱和时,根据双反应理论,可分别求出交、直轴励磁磁动势及它们分别产生的基波磁通和感应电动势,将感应电动势进行叠加。正方向的规定如图所示,电流与由其产生的磁动势符合右手螺旋关系。.0adaqaUEEEEI RdadadaddaqaqaqqEFIEFI 不计铁耗,与 同相位,与 同相位,与 符合左手螺旋关系,超前 90度电角度,即超前 90度电角度。adadFadFdIadEadadadEdIaddadaqqaqEj IXEj I XIadFadadEdIqIq同理,超前于 90度电角度。aqEqIaqEXad为直轴电枢反应电抗,Xaq为交轴电枢反应电抗。电抗与哪些量有关系?频
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