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1、大连理工大学电气工程系,*5.7 微型同步电动机,5.10 三相同步发电机的运行特性,第 5 章 同步电机的基本理论,5.2 三相同步电机的基本结构,5.1 三相同步电机的工作原理,第 5 章 同步电机的基本理论,5.2 三相同步电机的基本结构,5.3 三相同步电动机的运行分析,5.4 三相同步电动机的功率和转矩,5.5 三相同步电动机的的运行特性,5.6 三相同步电动机功率因数的调节,5.8 三相同步发电机的运行分析,5.9 三相同步发电机的功率和转矩,5.11 同步发电机与电网的并联运行,5.1 三相同步电机的工作原理,电机与拖动,*5.12 同步发电机的三相突然短路,返回主页,大连理工大
2、学电气工程系,N S,5.1 三相同步电机的工作原理,定子,转子,励磁 绕组,一、三相同步电动机,定子 旋转磁场。 转子 直流磁极。 转子转速,同步,第5章 同步电机的基本理论,大连理工大学电气工程系,同步电动机中的磁通势,定子 电枢。 电枢旋转磁通势 Fam 转子旋转磁通势 F0m,气隙旋转磁通势 F m,电枢反应, Fam 对 Fm 的影响。,电动机状态,理想空载状态,功角,5.1 三相同步电机的工作原理,大连理工大学电气工程系,同步电动机中的感应电动势,5.1 三相同步电机的工作原理,大连理工大学电气工程系,二、三相同步发电机,励磁机,F0m,旋转的 F0 m和0,E0,发电机运行,5.
3、1 三相同步电机的工作原理,大连理工大学电气工程系,三相同步发电机空载运行时,电枢(定子): I1 (Fam ) = 0 转子每极磁通: 0 空载电动势: E0 = 4.44 kw1 N1f1 0 或,电枢相电压: U0P = E0 电枢线电压(Y 形联结):,E0 的频率:,如果: f1 = 50Hz,则: pn = 3 000,5.1 三相同步电机的工作原理,大连理工大学电气工程系,三相同步发电机负载运行时,电枢旋转磁通势 Fam 转子旋转磁通势 F0m,气隙旋转磁通势 Fm,同步电动机中的感应电动势,5.1 三相同步电机的工作原理,大连理工大学电气工程系,三、三相同步电机的可逆运行,5.
4、1 三相同步电机的工作原理,大连理工大学电气工程系,5.2 三相同步电机的基本结构,一、主要部件 1. 定子(电枢) 2. 转子,由硅钢片叠成。 对称三相绕组。,(1)定子铁心: (2)定子绕组: (3)机座和端盖等。,(1)转子铁心: 由整块铸(锻)钢制成。 (2)励磁绕组: 工作时施加直流励磁。 (3)阻尼绕组和转轴等。,阻尼绕组,第5章 同步电机的基本理论,大连理工大学电气工程系,二、励磁方式,1. 直流励磁机励磁 励磁绕组由小型直流发电机供电。 2. 静止整流器励磁 交流励磁机整流直流电 3. 旋转整流器励磁 交流励磁机整流直流电励磁绕组。,5.2 三相同步电机的基本结构,大连理工大学
5、电气工程系,1. 按能量转换的方式不同: 同步发动机、同步电动机。 2. 按相数的不同: 三相、单相。 3. 按转子结构的不同:隐极式、凸极式。,三、主要种类,N S,+ ,+ ,N S,5.2 三相同步电机的基本结构,大连理工大学电气工程系,励磁机,发电机,水轮机,卧式、立式。 5. 按原动机的不同: 汽轮发电机、水轮发电机。,4. 按安装方式的不同:,5.2 三相同步电机的基本结构,大连理工大学电气工程系,5.2 三相同步电机的基本结构,大连理工大学电气工程系,小浪底电站水轮机组安装,5.2 三相同步电机的基本结构,大连理工大学电气工程系,三峡电站首台机组安装,5.2 三相同步电机的基本结
6、构,大连理工大学电气工程系,水力发电,5.2 三相同步电机的基本结构,大连理工大学电气工程系,火力发电厂,5.2 三相同步电机的基本结构,大连理工大学电气工程系,燃烧室,燃料,锅炉的炉膛,循环水,汽轮机,发电机,3 600 r/min,升压变压器,超热高压蒸汽,电能输出,电能的产生,5.2 三相同步电机的基本结构,大连理工大学电气工程系,热电厂 1 煤传送带 2 加煤机 3 粉碎机 4 锅炉 5 煤渣 6 空气预热器 7 静电除尘 8 烟囱 9 汽轮机 10 冷凝器 11变压器 12 冷却塔 13 发电机 14 输电线,5.2 三相同步电机的基本结构,大连理工大学电气工程系,三相同步电机,5.
7、2 三相同步电机的基本结构,更多的图片,大连理工大学电气工程系,三相同步电机,5.2 三相同步电机的基本结构,更多的图片,大连理工大学电气工程系,同步发电机,5.2 三相同步电机的基本结构,更多的图片,大连理工大学电气工程系,小型同步电机,5.2 三相同步电机的基本结构,更多的图片,大连理工大学电气工程系,四、额定值,1. 额定电压 UN :线电压的额定值。 2. 额定电流 IN :线电流的额定值。 3. 额定功率 PN :输出功率的额定值。 三相同步电动机:,三相同步发电机:,4. 额定转速 nN :额定运行时的转速。 5. 额定频率 fN : 50Hz。,5.2 三相同步电机的基本结构,大
8、连理工大学电气工程系,一、三相隐极同步电动机的运行分析,第5章 同步电机的基本理论,1. 基本方程式,Uf If F0m,F,U1 I1Fam,合成 磁通势, 漏磁感应电动势: R1、X 定子每相绕组的电阻、漏电抗。,5.3 三相同步电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,(励磁电动势不变) (电枢反应电动势随负载变化),如果不计磁路饱和,则,Uf If F0m,0,U1 I1 Fam,E0,a,Ea,所以, Xa 电枢反应电抗。,5.3 三相同步电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系, Xs = XXa 同步电抗。 一般:R1 Xs ,忽略 R1 ,则,2. 等效电路,5.3 三相同步电
9、动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,3. 相量图,(a) 电感性, 功率因数角。 内功率因数角。 已知:,(b) 电阻性,(c) 电容性, = ,5.3 三相同步电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,(a) 电感性,如果忽略 R1 ,则有,同样有关系 = ,(b) 电阻性,(c) 电容性,5.3 三相同步电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,【例5.3.1】 某三相隐极同步电动机, PN = 50 kW,UN = 380 V,Y 形联结, IN = 90 A,N = 0.8(电感性),R1 = 0.2 , Xs = 1.2 。求在上 述条件下运行时的 E0、 、 和 。,解:电枢相
10、电压和相电流为,I1 = IN = 90 A = arccos0.8 = 36.87o 取参考相量:,则,5.3 三相同步电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,由此求得 E0 = 159.72 V = 28.34o = = 8.53o,5.3 三相同步电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,二、三相凸极同步电动机的运行分析,特点:气隙不均匀。 同样的 Fam 产生不同的a 对应不同的 Xa 。,如果磁路不饱和:,直轴分量:Id = I1 sin 交轴分量:Iq = I1 cos, 双反应理论。,5.3 三相同步电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,1. 基本方程式,Uf IfF0m0
11、E0 U1 I1,Fad Faq,ad aq,Ead Eaq, Xad 直轴电枢反应电抗。 Xaq 交轴电枢反应电抗。,5.3 三相同步电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系, Xd = XadX 直轴同步电抗。 Xq = XaqX 交轴同步电抗。 如果忽略 R1,则,5.3 三相同步电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,设虚拟电动势,2. 等效电路,5.3 三相同步电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系, 隐极电动机可视为凸极电动机的特例: Xd = Xq = Xs,5.3 三相同步电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,3. 相量图,设已知 U1、I1、Xd、Xq 。 取,5.3
12、 三相同步电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,(a) 电感性,(b) 电阻性,5.3 三相同步电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,忽略 R1 时的相量图(简化相量图),(a) 电感性,(b) 电阻性,(c) 电容性,5.3 三相同步电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,由相量图求得 = 由简化相量图还可以求得, 电感性时取“”,电容性时取“”。,5.3 三相同步电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,【例 5.3.2】 一台三相凸极同步电动机, UN = 6 000 V,IN = 57.8 A,Y 形联结。当电枢电 压和电流为额定值、功率因数 = 0.8 (电容性) 时,相电
13、动势 E0 = 6 300 V, = 58o,R1 忽略不 计。求该电动机的 Xd 和 Xq。 解:电枢相电压和相电流为,I1 = IN = 57.8 A 由此求得 Id = I1sin = 57.8sin58o A = 49.02 A Iq = I1cos = 57.8cos58o A = 30.63 A = = 58o 36.87o = 21.13o,5.3 三相同步电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,5.3 三相同步电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,5.4 三相同步电动机的功率和转矩,一、功率 1. 输入功率(不计励磁功率) P1 = 3U1I1cos 2. 电枢铜损耗 P
14、Cu = 3R1I12 3. 电磁功率 Pe = P1PCu,5.4 三相同步电动机的功率和转矩,大连理工大学电气工程系,在隐极同步电动机中 Pe = 3E0 I1cos 在凸极同步电动机中,Pe = 3EQ I1cos,5.4 三相同步电动机的功率和转矩,4. 空载损耗 P0 = PFePmePad,铁损耗,机械损耗,附加损耗,大连理工大学电气工程系,5. 输出功率 P2 = PeP0 6. 总损耗 Pal = PCuPFe PmePad 7. 功率平衡方程式 P1 P2 = Pal 8. 效率,P1,Pe,P2,5.4 三相同步电动机的功率和转矩,大连理工大学电气工程系,二、转矩 1. 转
15、矩平衡方程式 T2 = TT0,4. 空载转矩,2. 输出转矩,5.4 三相同步电动机的功率和转矩,3. 电磁转矩,大连理工大学电气工程系,5.4 三相同步电动机的功率和转矩,稳定运行时,T2 = TL,忽略T0, 则,T=T2=TL,大连理工大学电气工程系,【例 5.4.1】 已知某三相同步电动机, n = 1 500 r/min, Xd = 6,Xq = 4, Y 形联结。当定子加额定电压 UN = 380 V,转子加负载转矩 TL = 30 Nm时,电枢电流 I1 = 10 A,功率因数 = 0.8 (电容性), = 40o,E0 = 228 V。求 P1、Pe、 P2、PCu、P0 和
16、 T2、T、T0 。 解:P1 = 3U1I1cos,Id = I1sin = 10 sin40o A = 6.43 A EQ = E0(XdXq) Id =228 (64)6.43V = 215.14 V,5.4 三相同步电动机的功率和转矩,大连理工大学电气工程系,Pe = 3EQ I1cos = 3215.1410cos40o W = 4 944.2 W PCu = P1Pe = ( 5 259.24 944.2 ) W = 315 W P0 = PeP2 = ( 4 944.24 710 ) W = 234.2 W T2 = TL = 30 Nm T0 = TT2 = ( 31.4930
17、 ) Nm = 1.49 Nm,5.4 三相同步电动机的功率和转矩,大连理工大学电气工程系,5.5 三相同步电动机的运行特性,运行特性 当 U1 = UN ,f1 = fN , If = 常数时, I1 、T、 、 = f (P2) 的关系。 当 U1与 E0 (即n 和 If )为常数时: Pe = f () T = f (), 功角特性 矩角特性,一、隐极同步电动机的功角特性和矩角特性 如果忽略 R1,则有,第5章 同步电机的基本理论,U1sin = Xs I1 cos,大连理工大学电气工程系,当 = 90o 时: Pe = PeM ,T = TM,5.5 三相同步电动机的运行特性,代入P
18、e和T的公式,可得,大连理工大学电气工程系,电动机为电容性时 U1sin = XqI1cos Xd Id = E0U1cos EQ = E0(Xd Xq)Id,二、凸极同步电动机的功角特性和矩角特性,5.5 三相同步电动机的运行特性,电动机为电感性时 U1sin = XqI1cos Xd Id = U1cosE0 EQ = E0(Xd Xq)Id,大连理工大学电气工程系,Pe,代入Pe 和T 的公式可得,Pe = Pe Pe“,T = T T ,5.5 三相同步电动机的运行特性,大连理工大学电气工程系,讨论: (1),Pe E0 ,当转子有励磁即 If 0 时存在。 (2),Pe“ 是由于 X
19、d Xq 而引起的,与 If 是否存在无关。 结论: (1) Pe“ 使 PeM。 (2) PeM 产生在90o 处。 (3) 功角特性与矩角特性 不再是正弦波。, 基本分量。, 附加分量。,5.5 三相同步电动机的运行特性,大连理工大学电气工程系,5.6 三相同步电动机功率因数的调节,同步电动机的主要优点 调节If, 调节 cos, 90o 90o,(纯电容性) (纯电感性) 调节 If 改变 cos 的原理 以隐极同步电动机为例,并忽略 R1 和 T0。 调节 If 时,U1、f1、TL都不变,则 T 和 Pe 不变, 即 T 和 P1 不变。 根据:,= 3U1I1cos,第5章 同步电
20、机的基本理论,大连理工大学电气工程系,可得如下关系:,E0 sin = 常数 I1cos = 常数 另一方面:,因此,改变 If 而使 E0 改变时,I1、 和 均要改变。 当 If E0 。 当 If E0 。,5.6 三相同步电动机功率因数的调节,大连理工大学电气工程系,(1) 正常励磁 当 If = If0 时,, = 1, 电机呈电阻性。,(2) 欠励磁 当If If0时,,电机呈电感性。,If ,感性程度 。 (3) 过励磁 当 If If0 时, 电机呈电容性, If | | , 容性程度 。,5.6 三相同步电动机功率因数的调节,大连理工大学电气工程系,同步电动机的 V 形曲线
21、当 U1 = UN、f1 = f N、TL 不变时: I1 = f (If ),5.6 三相同步电动机功率因数的调节,大连理工大学电气工程系,*5.7 微型同步电动机,微型同步电动机的额定功率: 零点几瓦至数百瓦。 应用 电报传真机、磁带录音机、精确计时或记录装置。 分类 按定子绕组电源的相数分:单相、三相。 按转子结构的不同分:永磁式、磁阻式、磁滞式。 一、永磁式同步电动机 转子:永久磁钢,隐极式或凸极式。 特点:结构简单、制造方便、 和 高、成本也高。,第5章 同步电机的基本理论,大连理工大学电气工程系,*5.7 微型同步电动机,二、磁阻式同步电动机 又称为反应式同步电动机。 转子:由导磁
22、材料制成,凸极式。 特点:结构简单、价格便宜、运行可靠、 和 较低。,磁阻式同步电动机的转子结构型式,(a) 外反应式 (b) 内反应式 (c) 内外反应式,大连理工大学电气工程系,*5.7 微型同步电动机,三、磁滞式同步电动机 简称电动机。 转子:由硬磁材料制成,转子外表呈光滑圆柱形。 1. 涡流转矩 转子导电感应涡流 涡流转矩 当n = n0 时,涡流转矩 = 0。 2. 磁滞转矩 转子导磁被磁化磁极 转子磁极轴线滞后于合成旋转磁场轴线 3. 特点 可以运行于同步转速,也可以运行于异步转速。 自身具有起动转矩。,大连理工大学电气工程系,5.8 三相同步发电机的运行分析,1. 基本方程式,U
23、f If F0m 0 E0,I1,Fam,a Ea,第5章 同步电机的基本理论,一、三相隐极同步发电机的运行分析,大连理工大学电气工程系, Xa 电枢反应电抗。 X 电枢漏电抗。, Xs = XaX 同步电抗。 忽略 R1,则,5.8 三相同步发电机的运行分析,大连理工大学电气工程系,2. 等效电路,3. 相量图 根据负载的功率因数和电路方程作相量图。,5.8 三相同步发电机的运行分析,大连理工大学电气工程系,(c) 电容性,(a) 电感性,(b) 电阻性,忽略 R1 时:,5.8 三相同步发电机的运行分析,大连理工大学电气工程系,【例 5.8.1】 某三相同步发电机, PN = 50 kW,
24、UN = 400 V,Y 形联结,N = 0.8(电感性)。R1 = 0.2 , Xs = 1.2 。求空载电压等于额定电压,电枢电流等于额定电 流,内功率因数角 = 53.1o 时的相电压U1 、线电压U1L、 功率因数角 和功角。 解:,取参考相量: 则,5.8 三相同步发电机的运行分析,大连理工大学电气工程系,由此求得 U1 = 143 V, = 32.36o = = 53.1o 32.36o = 20.74o,5.8 三相同步发电机的运行分析,大连理工大学电气工程系,1. 基本方程式,Uf IfF0m0E0,I1,Fad Faq,ad aq,Ead Eaq,二、三相凸极同步发电机的运行
25、分析,5.8 三相同步发电机的运行分析,大连理工大学电气工程系, Xad 直轴电枢反应电抗。 Xaq 交轴电枢反应电抗。 X 电枢漏电抗。,5.8 三相同步发电机的运行分析,将,得,大连理工大学电气工程系, Xd = Xad + X 直轴同步电抗。 Xq = Xaq + X 交轴同步电抗。 忽略 R1,则,5.8 三相凸极同步发电机的运行分析,大连理工大学电气工程系,2. 等效电路,设:,忽略 R1,则,3. 相量图,根据电路方程和 负载性质作相量图。,5.8 三相凸极同步发电机的运行分析,大连理工大学电气工程系,(c) 电容性,(a) 电感性,(b) 电阻性,忽略 R1 时,5.8 三相凸极
26、同步发电机的运行分析,大连理工大学电气工程系,【例 5.8.2】 某三相同步发电机, 已知 U1L = 11 kV,Y 形联结,I1 = 460 A, = 0.8(电感性),Xd = 16 ,Xq = 8 ,R1 忽略不计。求、E0 。 解:,= 1.47 = arctan1.47 = 55.84o = = 55.84o 36.87o = 18.97o E0 = U1cos XdId =(6358.38cos18.97o16460sin 55.84o )V = 12 103.25 V,5.8 三相凸极同步发电机的运行分析,大连理工大学电气工程系,5.9 三相同步发电机的功率和转矩,一、功率 1
27、. 输入功率 2. 空载损耗 3. 电磁功率 4. 铜损耗 5. 输出功率 6. 总损耗,P1 = T1 P0 = PFePmePad Pe = P1P0 PCu = 3R1I12 P2 = PePcu = 3U1I1cos Pal = PFePCuPadPme,第5章 同步电机的基本理论,7. 功率平衡方程式 P1P2 = Pal,大连理工大学电气工程系,8. 效率,P1,Pe,P2,二、转矩 1. 输入转矩 2. 空载转矩 3. 电磁转矩 4. 转矩平衡方程式,T1 = T + T0,5.9 三相同步发电机的功率和转矩,大连理工大学电气工程系,5.10 三相同步发电机的运行特性,一、外特性
28、 当 n = nN,If、 = 常数时,U1L 与 I1L 的关系, 即 U1L = f (I1L)。 调节If,使 I1L= IN、 = N、U1L = UN 时, If = IfN。 电压调整率: 保持 nN、N、IfN 时,,第5章 同步电机的基本理论,大连理工大学电气工程系,二、调节特性,保持 n = nN、U1L = UN、 = N 时, If 与 I1 的关系, 即 If = f ( I1 )。,三、功角特性 功角特性:保持 n、If 、U1 不变时,Pe 与 的关系,即 Pe = f ( ) 。 矩角特性:保持 n、If 、U1 不变时,T 与 的关系,即 T = f ( ) 。
29、 上述关系与同步电动机的关系相同。,5.10 三相同步发电机的运行特性,大连理工大学电气工程系,5.11 同步发电机与电网的并联运行,并联运行的优点 (1) 提高电力系统的经济指标。 (2) 减少发电厂备用机组的容量。 (3) 提高电能供应的可靠性。 (4) 提高电能供应的质量。 一、并联运行的条件 相序一致、频率相同、电压相等。 以避免电网与发电机之间产生大的冲击电流 和在发电机轴上产生大的冲击转矩。,第5章 同步电机的基本理论,大连理工大学电气工程系,1. 电压相等 如果 则,2. 频率相等 如果:AB,U = 0 2U1,5.11 同步发电机与电网的并联运行,大连理工大学电气工程系,3.
30、 相序相同 如果相序不同, 则,二、并联运行的方法 调节 If 调节 E0 ;调节 n 调节 f 。 1. 理想同步法 2. 自同步法,5.11 同步发电机与电网的并联运行,大连理工大学电气工程系,三、有功功率的调节,无穷大电网 容量很大、频率和电压基本不受负载与其他 干扰的影响,即恒频恒压的电网。 1. 有功功率的调节方法,5.11 同步发电机与电网的并联运行,调节,进水量,进汽量,T1(P1) , T1 T +T0, n , T ,T1 =T +T0为止,重新在n = n0下稳定运行。,大连理工大学电气工程系,2. 静态稳定,5.11 同步发电机与电网的并联运行,大连理工大学电气工程系,a
31、,T1= T + T0,a 点: T1 T T1 =T +T0 为止 ,在b 点重新稳定运行 0M 稳定运行区。,b,T1 = T + T0,a 点: T1 T T1更大于 T +T0 ,n再也回不到n0失步。 M180不稳定运行区。,5.11 同步发电机与电网的并联运行,稳定 运行区,大连理工大学电气工程系,振荡幅度过大,超过稳定区而引起的失步。 阻尼绕组可抑制振荡。,4. 过载能力,= 1.7 3.0,3. 动态稳定,5.11 同步发电机与电网的并联运行,大连理工大学电气工程系,四、无功功率的调节,1. 调节方法 调节 If 2. 调节原理 调节 If 时,因U1和 P2 不变,忽略R1和
32、T0,则,= 3U1I1cos,= P2,5.11 同步发电机与电网的并联运行,即:E0 sin = 常数 I1cos = 常数,大连理工大学电气工程系,(1) 正常励磁 当If = If0 时, = 0, = 1,Q2 = 0,发电机不输出无功功率。,5.11 同步发电机与电网的并联运行,大连理工大学电气工程系,2. 欠励磁 当If If0 时, 发电机输出电容性无功功率; If Q2 。 3. 过励磁 当If If0 时, 发电机输出电感性无功功率; If Q2 。,5.11 同步发电机与电网的并联运行,大连理工大学电气工程系,【例5.11.1】 一台 Y 形联结的水能发电机,并联在 UN
33、 = 10.5 kV 的电网上运行。发电机的 Xd = 1.3 ,Xq = 0.7 ,R1 忽略不计, = 18.09o 时,I1 = 3 990 A, E0 = 9 970 V。求该发电机输出的有功功率 P2 和无功功率 Q2(电容性 的还是电感性的)。 解:,忽略R1,则,= 64.87 MW,5.11 同步发电机与电网的并联运行,大连理工大学电气工程系,= 26.76o,= 47.56o,由于 ,,故输出电感性无功功率,,其值为 Q2 = 3U1I1sin = 36 069.363 990 sin26.76o var = 32.71 Mvar,5.11 同步发电机与电网的并联运行,大连理工大学电气工程系,*5.12 同步发电机的三相突然短路,使得突然短路电流远大于稳定短路 电流,会对电机造成损害。,Xd Xd Xd,Xq Xq,第5章 同步电机的基本理论,大连理工大学电气工程系,练 习 题,5.1.1 5.1.2 5.2.1 5.2.2 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.4.1 5.5.1 5.5.2 5.6.1 5.6.2 * 以教师画勾的题为准。,第5章 同步电机的基本理论,5.8.1 5.8.2 5.9.1 5.10.1 5.11.1,下一章,
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