《電機(jī)技術(shù)》課件-第9章 同步電機(jī)

新世紀(jì)高職高專電氣自動(dòng)化技術(shù)類課程規(guī)劃教材電機(jī)與拖動(dòng)技術(shù)DIANJIYUTUODONGJISHU新世紀(jì)高職高專教材編審委員會(huì)組編主編張晶鄭立平王文一（基礎(chǔ)篇）（第五版）第9章同步電機(jī)9.1同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理9.2同步發(fā)電機(jī)9.3同步電動(dòng)機(jī)9.4同步調(diào)相機(jī)9.1同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理9.1.1同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)

同步電機(jī)按結(jié)構(gòu)可分為旋轉(zhuǎn)磁極式和旋轉(zhuǎn)電樞式兩種。1．旋轉(zhuǎn)磁極式

勵(lì)磁繞組安裝在轉(zhuǎn)子上，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)磁極旋轉(zhuǎn)；其電樞繞組安裝在定子上。定子也是由硅鋼片疊壓而成，在內(nèi)圓上開(kāi)有均勻分布的槽，嵌放三相對(duì)稱交流繞組a．凸極式化b．隱極式1．定子2．凸極轉(zhuǎn)子3．隱極轉(zhuǎn)子4．滑環(huán)旋轉(zhuǎn)磁極式又有兩種結(jié)構(gòu)：凸極式和隱極式9.1同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理9.1.1同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)勵(lì)磁繞組安裝在定子上，電樞繞組安裝在轉(zhuǎn)子上2．旋轉(zhuǎn)電樞式9.1同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理9.1.2同步電機(jī)的分類同步電機(jī)按結(jié)構(gòu)分有旋轉(zhuǎn)磁極式和旋轉(zhuǎn)電樞式,旋轉(zhuǎn)磁極式又分為凸極式和隱極式兩種；按防護(hù)型式分有開(kāi)啟式、防護(hù)式和封閉式；按冷卻方式分有空氣冷卻、氫冷與水冷和混合式；按用途分有發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和調(diào)相機(jī)。發(fā)電機(jī)按拖動(dòng)發(fā)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)類型又可分為汽輪發(fā)電、水輪發(fā)電機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等等。9.1同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理9.1.3同步發(fā)電機(jī)的工作原理同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組通電產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)在原動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)下，轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)該磁場(chǎng)切割定子三相繞組，在繞組中產(chǎn)生交變的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，氣隙磁場(chǎng)在空間都是按正弦規(guī)律分布的，所以在定子繞組中產(chǎn)生按正弦規(guī)律分布的三相對(duì)稱電動(dòng)勢(shì)。即：同步發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?．旋轉(zhuǎn)磁極式

9.1同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理9.1.3同步發(fā)電機(jī)的工作原理同步發(fā)電機(jī)的定子勵(lì)磁繞組通電產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)轉(zhuǎn)子在原動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)下，以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子（電樞）對(duì)稱繞組切割磁場(chǎng)產(chǎn)生交變的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由于氣隙磁場(chǎng)在空間也是按正弦規(guī)律分布的，所以在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的交變電動(dòng)勢(shì)也是按正弦規(guī)律分布。所以產(chǎn)生的三相電動(dòng)勢(shì)同樣為對(duì)稱電動(dòng)勢(shì)通過(guò)滑環(huán)向外界輸送電能2．旋轉(zhuǎn)電樞式

9.1同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理9.1.4同步電動(dòng)機(jī)的工作原理

在同步電動(dòng)機(jī)的三相對(duì)稱繞組中通入三相交流電流后，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組中通入直流電流后，會(huì)形成一個(gè)恒定磁場(chǎng)當(dāng)轉(zhuǎn)子的磁極N與定子磁極S對(duì)齊時(shí)，產(chǎn)生吸引力，使得轉(zhuǎn)子跟著定子磁極旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的速度與定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速（即同步速）相同，故稱同步電動(dòng)機(jī)同步電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。9.1.5同步電機(jī)的銘牌（3）額定容量是指電機(jī)的視在功率，包括有功功率和無(wú)功功率，單位是k·VA；額定功率一般指有功功率，單位是kW。（1）額定電壓UN:是指電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)加在電動(dòng)機(jī)定子端口上的三相線電壓，單位為V或kV。（2）額定電流IN:是指電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，流過(guò)電動(dòng)機(jī)定子三相對(duì)稱繞組的線電流，單位為A。（4）額定功率

:流過(guò)定子繞組交流電的頻率，我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)是電頻率為50Hz。9.1同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理（5）額定功率因數(shù)：是指電動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)。（6）額定轉(zhuǎn)速：是指電動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，也就是同步轉(zhuǎn)速，單位為。三相同步發(fā)電機(jī)三相同步電動(dòng)機(jī)9.1.5同步電機(jī)的銘牌9.1同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理９.2同步發(fā)電機(jī)9.2.1同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁方式1．直流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)同軸直流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁原理線路a．并勵(lì)直流電機(jī)b．他勵(lì)直流電機(jī)９.2同步發(fā)電機(jī)9.2.1同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁方式1）自勵(lì)式晶閘管勵(lì)磁系統(tǒng)2．交流整流勵(lì)磁系統(tǒng)是利用晶閘管的整流特性，對(duì)同步發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電進(jìn)行整流后又供給同步發(fā)電機(jī)作為勵(lì)磁電流。（1）晶閘管整流勵(lì)磁系統(tǒng)９.2同步發(fā)電機(jī)9.2.1同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁方式2）他勵(lì)式晶閘管勵(lì)磁系統(tǒng)他勵(lì)式晶閘管勵(lì)磁系統(tǒng)由一臺(tái)交流主勵(lì)磁機(jī)、一臺(tái)交流副勵(lì)磁機(jī)、三套整流裝置、自動(dòng)電壓調(diào)整器等構(gòu)成。同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，由與它同軸的交流勵(lì)磁機(jī)經(jīng)晶閘管整流后提供，交流勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流則由副勵(lì)磁機(jī)經(jīng)晶閘管整流后提供。副勵(lì)磁機(jī)的電流，開(kāi)始由直流電源提供，建立起電壓后，再改為由自勵(lì)恒壓裝置提供，并保持恒壓。通過(guò)調(diào)節(jié)電壓互感器、電流互感器和自動(dòng)調(diào)整器改變晶閘管的控制角，實(shí)現(xiàn)對(duì)主勵(lì)磁機(jī)進(jìn)行勵(lì)磁電流的自動(dòng)調(diào)節(jié)。９.2同步發(fā)電機(jī)2）他勵(lì)式晶閘管勵(lì)磁系統(tǒng)９.2同步發(fā)電機(jī)（2）三次諧波勵(lì)磁系統(tǒng)三次諧波將產(chǎn)生頻率為基波頻率3倍的電動(dòng)勢(shì)，將該電動(dòng)勢(shì)經(jīng)整流后，提供給發(fā)電機(jī)作為勵(lì)磁電流三次諧波的單相橋式整流電路圖1．同步發(fā)電機(jī)2．勵(lì)磁繞組3．諧波繞組4．硅橋式整流5．調(diào)節(jié)電阻6．集電環(huán)7．直流電源９.2同步發(fā)電機(jī)9.2.2同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性電樞磁場(chǎng)對(duì)主磁極的影響稱為同步電機(jī)的電樞反應(yīng)1．同步發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)（1）當(dāng)ψ=0時(shí)的電樞反應(yīng)ψ為同步發(fā)電機(jī)空載電勢(shì)與電樞電流間的相位角，當(dāng)ψ=0，cosψ=1時(shí)，電樞反應(yīng)磁通的方向與轉(zhuǎn)子主磁通方向垂直，稱為交軸（或橫軸）電樞反應(yīng)，具有去磁作用，９.2同步發(fā)電機(jī)9.2.2同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性1．同步發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)（2）當(dāng)ψ=+90°時(shí)的電樞反應(yīng)cosψ=0，相當(dāng)于發(fā)電機(jī)只帶有感性負(fù)載，這時(shí)電樞反應(yīng)磁通與轉(zhuǎn)子主磁通方向相反，使得氣隙磁通減少，起去磁反應(yīng)，稱為直軸（或稱縱軸）去磁電樞反應(yīng)。９.2同步發(fā)電機(jī)9.2.2同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性1．同步發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)（3）當(dāng)ψ=-90°時(shí)的電樞反應(yīng)cosψ=0，相當(dāng)于發(fā)電機(jī)只帶有容性負(fù)載，這時(shí)電樞反應(yīng)磁通與轉(zhuǎn)子主磁通方向相同，使氣隙磁通增加，起增磁作用，稱為直軸增磁電樞反應(yīng)。９.2同步發(fā)電機(jī)9.2.2同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性2．同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性電壓平衡方程為：９.2同步發(fā)電機(jī)9.2.2同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性2．同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性以電壓為參考的同步發(fā)電機(jī)的相量圖（假定負(fù)載為感性）從相量圖可以得到，當(dāng)發(fā)電機(jī)的負(fù)載為感性時(shí)，電樞反應(yīng)有去磁作用，發(fā)電機(jī)的端電壓變低，感性負(fù)載越大，去磁作用越大，端電壓下降就越多。如果發(fā)電機(jī)的負(fù)載為容性時(shí)，電樞反應(yīng)有增磁作用，使得端電壓升高。９.2同步發(fā)電機(jī)9.2.3同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行1．并聯(lián)運(yùn)行的意義①可以根據(jù)負(fù)載的變化，來(lái)合理的調(diào)整發(fā)電機(jī)運(yùn)行的臺(tái)數(shù)，提高機(jī)組的運(yùn)行效率。②便于輪流安排檢修，提高供電的可靠性，同時(shí)可以減少系統(tǒng)的備用容量。③實(shí)現(xiàn)各地能源的合理、充分利用。④能更好地調(diào)節(jié)電能，提高電能質(zhì)量。９.2同步發(fā)電機(jī)9.2.3同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行2．同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的條件（1）同步發(fā)電機(jī)的端電壓應(yīng)等于電網(wǎng)的電壓

（2）同步發(fā)電機(jī)電壓的相位（或極性）應(yīng)與電網(wǎng)電壓的相位（或極性）相同（3）發(fā)電機(jī)的頻率應(yīng)與電網(wǎng)的頻率相同（4）發(fā)電機(jī)的電壓波形應(yīng)與電網(wǎng)的電壓波形相同，即均應(yīng)為正弦波。（5）發(fā)電機(jī)的相序應(yīng)與電網(wǎng)的相序相同。９.2同步發(fā)電機(jī)9.2.3同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行3．并聯(lián)運(yùn)行的投入方法（1）準(zhǔn)同期法準(zhǔn)同期法是將發(fā)電機(jī)完全調(diào)整到符合并聯(lián)運(yùn)行條件后再并入電網(wǎng)運(yùn)行。這種方法需要采用同步指示器。

９.2同步發(fā)電機(jī)9.2.3同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行3．并聯(lián)運(yùn)行的投入方法（2）自同期法先將發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組用電阻短接，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速升高到接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，將發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)，并立即進(jìn)行直流勵(lì)磁。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子依靠定子和轉(zhuǎn)子主磁極形成的自同期作用把轉(zhuǎn)子自動(dòng)投入同步。9.3同步電動(dòng)機(jī)9.3.1同步電動(dòng)機(jī)的基本方程式和相量圖1．同步電動(dòng)機(jī)的電樞反應(yīng)（1）當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)為感性時(shí)，電樞反應(yīng)有磁化作用（2）當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)為容性時(shí)，電樞反應(yīng)為去磁作用（3）當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)為阻性時(shí)，電樞反應(yīng)略有去磁作用，使磁場(chǎng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)9.3同步電動(dòng)機(jī)9.3.1同步電動(dòng)機(jī)的基本方程式和相量圖2．隱極式同步電動(dòng)機(jī)的方程式和相量圖9.3同步電動(dòng)機(jī)9.3.1同步電動(dòng)機(jī)的基本方程式和相量圖3．凸極式同步電動(dòng)機(jī)的方程式和相量圖9.3同步電動(dòng)機(jī)9.3.2同步電動(dòng)機(jī)的功角特性和機(jī)械特性1．同步電動(dòng)機(jī)的功率及轉(zhuǎn)矩平衡方程式同步電動(dòng)機(jī)的功率流程圖轉(zhuǎn)矩平衡方程式為功率平衡方程式為9.3同步電動(dòng)機(jī)9.3.2同步電動(dòng)機(jī)的功角特性和機(jī)械特性2．同步電動(dòng)機(jī)的功角特性（1）凸極式同步電動(dòng)機(jī)的功角特性為：同步電動(dòng)機(jī)功角特性是指電磁功率（電磁轉(zhuǎn)矩）隨功率角變化的關(guān)系9.3同步電動(dòng)機(jī)9.3.2同步電動(dòng)機(jī)的功角特性和機(jī)械特性2．同步電動(dòng)機(jī)的功角特性（2）隱極式同步電動(dòng)機(jī)的功角特性為：凸極式為實(shí)線，隱極式為虛線9.3同步電動(dòng)機(jī)9.3.2同步電動(dòng)機(jī)的功角特性和機(jī)械特性（3）穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)分析1）同步電動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)在0°～90°之間為穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)。2）同步電動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)在90°～180°之間為不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)。9.3同步電動(dòng)機(jī)9.3.2同步電動(dòng)機(jī)的功角特性和機(jī)械特性（4）穩(wěn)定運(yùn)行條件同步功率PS>09.3同步電動(dòng)機(jī)9.3.3同步電動(dòng)機(jī)的工作特性和V形曲線1．同步電動(dòng)機(jī)的工作特性同步電動(dòng)機(jī)的工作特性是指在外加電壓U1、勵(lì)磁電流If均為常數(shù)時(shí)，電樞電流I、電磁轉(zhuǎn)矩、功率因數(shù)和效率η與輸出功率P2之間的關(guān)系。同步電動(dòng)機(jī)在不同勵(lì)磁下的功率因素特性

9.3同步電動(dòng)機(jī)曲線1是在較小勵(lì)磁電流下，只能在空載時(shí)才會(huì)使=1；當(dāng)負(fù)載增大，功率因數(shù)會(huì)降低且滯后曲線2為較大的勵(lì)磁電流下，當(dāng)負(fù)載小于半載時(shí)，功率因數(shù)為超前（過(guò)勵(lì)狀態(tài)），大于半載時(shí)，為滯后（欠勵(lì)狀態(tài)）曲線3為更大的勵(lì)磁電流下，電動(dòng)機(jī)滿載時(shí)，功率因數(shù)為1因此，可以通過(guò)調(diào)節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流來(lái)達(dá)到在任意負(fù)載下，使功率因數(shù)為1的目的9.3同步電動(dòng)機(jī)9.3.3同步電動(dòng)機(jī)的工作特性和V形曲線2．V形曲線同步電動(dòng)機(jī)的V形曲線是指在電網(wǎng)電壓、頻率和電動(dòng)機(jī)輸出功率恒定的情況下，電樞電流I和勵(lì)磁電流If之間的關(guān)系曲線I=f（If）。因其形狀像“V”字，故稱“V”形曲線9.3同步電動(dòng)機(jī)9.3.4同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方法1．異步啟動(dòng)法9.3同步電動(dòng)機(jī)9.3.4同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方法2．輔助啟動(dòng)法輔助啟動(dòng)法是用輔助的動(dòng)力機(jī)械將同步電動(dòng)機(jī)加速到接近同步轉(zhuǎn)速，在脫開(kāi)動(dòng)力機(jī)械的同時(shí)，立即給轉(zhuǎn)子繞組加上電源，將同步電動(dòng)機(jī)拉入同步。3．調(diào)頻啟動(dòng)法同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組通電形成磁場(chǎng)后，如果定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)從0開(kāi)始逐漸升高，利用異性相吸的原理，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)就能將轉(zhuǎn)子逐漸升速至同步轉(zhuǎn)速，這樣轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速始終與定子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速相同，即同步。但這種方法需要變頻電源9.3同步電動(dòng)機(jī)9.3.5同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法1．他控變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)使用獨(dú)立的變壓變頻裝置給同步電動(dòng)機(jī)供電的調(diào)速系統(tǒng)稱做他控變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。分為交-直-交和交-交變頻兩大類。2．自控變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)自控變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)是一種閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。它利用檢測(cè)裝置，檢測(cè)出轉(zhuǎn)子磁極位置的信號(hào)，并用來(lái)控制變壓變頻裝置換相，類似于直流電動(dòng)機(jī)中電刷和