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1、电机与拖动1三相同步电机三相同步电机第第 7 章章电机与拖动2本章要求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。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熟练掌握同步电动机的U型曲线及其意义。型曲线及其意义。掌握工作特性中的掌握工作特性中的cos=f（P2）曲线形状及其）曲线形状及其意义。意义。了解同步电动机的起动方法；一般掌握同步调了解同步电动机的起动方法；一般掌握同步调相机相机。电机与拖动3第一节 同步电动机的基本结构和工作原理
2、 一、同步电动机的基本结构一、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：主要由铁心和电枢绕组构成 定子铁心是定子铁心是由硅钢片叠成，由硅钢片叠成，它构成电机磁它构成电机磁路的一部分。路的一部分。电枢绕组是电枢绕组是三相对称绕组，三相对称绕组，由高强度漆包由高强度漆包线绕成，它构线绕成，它构成电机的电路。成电机的电路。电机与拖动4电机与拖动5电机与拖动6UV WU VWVWWUUVUUWVVW Y 接法接法 接法接法WWUVVU接线盒接线盒注意：首尾端不能接反！注意：首尾端不能接反！定定 子子 三三 相相 绕绕 组组 接接 线线 方方 式式WUVU VWU 定定 子子UVVW
3、W电机与拖动72.转子：由铁心、直流励磁绕组、滑环和电刷等构成。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按结构型式分成凸极式转子和隐极式转子凸凸 极极 式式 转转 子子电机与拖动8水轮发电机水轮发电机电机与拖动9电机与拖动电机与拖动水轮发电机的特点：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。水轮发电机的直径很大，定子铁心由扇形电工钢片拼装叠轮发电机的直径很大，定子铁心由扇形电工钢片拼装叠成。为了散
4、热的需要，定子铁心中留有径向通风沟。转成。为了散热的需要，定子铁心中留有径向通风沟。转子磁极由厚度为子磁极由厚度为12mm的钢片叠成；磁极两端有磁的钢片叠成；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，在电动机中作为起动绕组用。短路电流和减弱电机振荡，在电动机中作为起动绕组用。磁极与磁极轭部采用磁极与磁极轭部采用 T
5、形或鸽尾形连接。形或鸽尾形连接。电机与拖动10隐隐 极极 式式 转转 子子电机与拖动11汽轮发电机汽轮发电机电机与拖动12电机与拖动13电机与拖动14电机与拖动电机与拖动汽轮发电机的特点：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，当定子外径大于用圆形冲片，当定子外径大于1m 时，采用扇形冲片。定时，采用扇形冲片。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
6、刚度，同时还必须满足通风和散热的需要。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，汽轮发电机的电压较高，要求定子绕组有足够的绝缘强度，一般采用一般采用 B 级级或或 F 级绝缘。级绝缘。为了减少高速旋转引起的离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，励磁绕组嵌放在柱体。转子铁心表面圆周上铣有许多槽，励磁绕组嵌放在这些槽内。这些槽内。励磁绕组为同心式绕组，以铜线绕制，并用励磁绕组为同心式绕组，以铜线绕制，并用不导磁的槽楔
7、将绕组紧固在槽内。不导磁的槽楔将绕组紧固在槽内。电机与拖动15凸凸 极极 转转 子子隐隐 极极 转转 子子d轴q轴d轴q轴特点：气隙不均匀特点：气隙不均匀特点：气隙均匀特点：气隙均匀转转 子子 结结 构构 特特 点点电机与拖动16 定子三相对称绕组，加三相对定子三相对称绕组，加三相对称电压，流入三相对称电流，产生称电压，流入三相对称电流，产生旋转磁场旋转磁场N1、S1。旋转磁场的转速。旋转磁场的转速为为pf60n11 转子励磁绕组，加直流电压，产生恒定磁场转子励磁绕组，加直流电压，产生恒定磁场N2、S2。定子磁场定子磁场N1、S1 与转子磁场与转子磁场N2、S2 之间产生磁拉之间产生磁拉力，从
8、而产生电磁力矩拖动转子与定子磁场力，从而产生电磁力矩拖动转子与定子磁场同步旋转同步旋转。原理动画原理动画二、同步电动机的工作原理二、同步电动机的工作原理电机与拖动17*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：，故有：p3000p60fn 要使得发电机供给电网要使得发电机供给电网50Hz的工频电能，发电的工频电能，发电机的转速必须为某些固
9、定值，这些固定值称为同步转机的转速必须为某些固定值，这些固定值称为同步转速。例如速。例如2极电机的同步转速为极电机的同步转速为3000r/min，4极电极电机的同步转速为机的同步转速为1500r/min，依次类推。只有运行，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。机名称的由来。电机与拖动18*同步机同步机运行方式运行方式 同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、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。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，作为发电机运行是同步电
10、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。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，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小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。用。同步电机还可以接于电网作为同步补偿机。这时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，靠调节转子中的励磁电流向电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
11、者容性无功功率，以达到改善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三、同步电动机的额定数据额定容量额定容量 是指轴上是指轴上输出输出的有功功率，单位为的有功功率，单位为 。NPKW额定电压额定电压 指加在定子绕组上的指加在定子绕组上的线电压线电压，单位为，单位为 或或 。NUVKV额定电流额定电流 电动机额定运行时，流过定子绕组的电动机额定运行时，流过定子绕组的 线电流线电流，单位为单位为 。NIA额定功率因数额定功率因数 电动机额定运行的功率因数。电动机额定运行的功率因数。N
12、cos额定转速额定转速 电动机额定运行时转子转速，单位为电动机额定运行时转子转速，单位为 。Nnmin/r额定效率额定效率 电动机额定运行效率。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此外，同步电动机铭牌上还给上额定频率 ；额；额定励磁电压定励磁电压 ；额定励磁电流；额定励磁电流 等数据。等数据。)(HzfN)(VUfN)(AIfN电机与拖动20一、隐极同步电动机电磁分析和相量图一、隐极同步电动机电磁分析和相量图定子的电磁关系定子的电磁关系(磁路不饱和时）：磁路不饱和时）：转子转子If定子定子F=F0+Fa1、电磁分析、电磁分析 由于定、转子磁场在由于定、转子磁场在空间相对
13、静止，故空间相对静止，故同步电动机带负载运行，同步电动机带负载运行，定转子电流产生两个旋转定转子电流产生两个旋转磁场，它们相对静止，磁场，它们相对静止，只只在定子中感应电势在定子中感应电势。第二节第二节 同步电动机内部的电磁同步电动机内部的电磁关系关系FFEIaEaFaaF0E00电机与拖动212、基本方程、基本方程aaa000FEFE 磁路不饱和时磁路不饱和时气隙磁场在定子中的感应电势气隙磁场在定子中的感应电势故故aaaxjIE 而漏感电势而漏感电势r1aI1U0EaE E定子一相绕组电阻为定子一相绕组电阻为r1axIjEa0EEE电机与拖动22在给定的参考方向下，定子在给定的参考方向下，定
14、子一相绕组的电压平衡方程式一相绕组的电压平衡方程式为为1aa01rIEEEU 1aa d drIxjIE r1aaaa0IxjIxjIE 式中式中xa称为电枢反应电抗，对应旋转磁势磁路称为电枢反应电抗，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。定子漏电抗，与定子漏磁通的磁路对应。xa x r10EE aEaI1U电机与拖动233、等效电路和相量图、等效电路和相量图定子一相等效电路为定子一相等效电路为一般同步电动机容量都较大，电阻一般同步电动机容量都较大，电阻r1很小，忽略之，得很小，忽略之，得aaa0 xjIxjIE ca0 xjIE 式中式中 xc称为隐极同步电机的同步电抗。
15、称为隐极同步电机的同步电抗。与等效电路对应的相量图与等效电路对应的相量图(忽略忽略r1）为：）为：+r1-jxc0EcaxIj1U1E-aI电机与拖动24一、功率、转矩方程一、功率、转矩方程 ra.1I.1U+-.0Ejxccu1empPP cosmUIP1输入：输入：定子铜耗：定子铜耗：a2curmIp 电磁功率：电磁功率：输出功率：输出功率：0emFesmecem2pPpppPP 摩擦损耗摩擦损耗附加损耗附加损耗空载损耗空载损耗铁损耗铁损耗第三节第三节 同步电动机的功率方程及功同步电动机的功率方程及功角特性角特性电机与拖动25 2sin)x1x1(2UmsinxUEmPdq2d0em隐极机
16、隐极机xd=xq=xc sinxUEmPc0em隐隐极极机机可见电磁功率是可见电磁功率是 的函数。的函数。sinxUEmTc01em隐隐极极机机电机与拖动26三、功角特性和矩角特性三、功角特性和矩角特性功角的概念：功角的概念：功角功角在时间上表示端电压和励磁磁势之间的相位差，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转子磁场轴线之间夹在空间上表现为合成磁场轴线与转子磁场轴线之间夹角。并网运行时，角。并网运行时，为电网电压，其大小和频率不变，为电网电压，其大小和频率不变，对应的合成磁势对应的合成磁势 总是以同步速度旋转，因此功角的总是以同步速度旋转，因此功角的大小只能由转子磁势大小只能由转子磁势 的角速度决定。稳定运行的角速度决定。稳定运行时，时，和和 之间无相对运动，之间无相对运动，具有固定的值。具有固定的值。y y为内功率因数角，为内功率因数角，yy定义为功角。它表示发电定义为功角。它表示发电机的励磁电势机的励磁电势 和端电压和端电压 之间相角差。功角之间相角差。功角对于研对于研究同步电机的功率变化和运行的稳定性有重要意义。究同步电机的功率变化和运行的稳定
