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1、技能培訓專題 同步電機（一）
第28章 同步電機 28.1 同步電機的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及額定值 28.1.1 同步電機的基本結(jié)構(gòu) (一) 隱極同步電機(以汽輪發(fā)電機為例) 為保證頻率f=50Hz,則發(fā)電機的極對數(shù)P少 特點:轉(zhuǎn)速高 (一般為二極,2P=2) 離心力大,需細長轉(zhuǎn)子(隱極式) 0.5mm硅鋼片疊壓而成 定子鐵心 大型電機由扇型片拼成圓形 矩形開口槽,徑向,軸向通風道 1.定子 定子繞組-三相雙層繞組,扁銅線繞制而成,采用成型線圈 外殼-用鋼板焊接而成 2.轉(zhuǎn)子 (1)由合金鋼鍛成,與轉(zhuǎn)軸制成一個整體
2、,外園開槽,大齒和小齒 (2)勵磁繞組為同心式繞組 (3)采用高強度鋁合金槽楔,端部采用保護環(huán)固定 3.滑環(huán)(集電環(huán))與電刷裝置.(二) 凸極同步電機 特點:轉(zhuǎn)速低 為保證f=50Hz,則需發(fā)電機的極對數(shù)P增大 為保證放置P對磁極,則需轉(zhuǎn)子的直徑大.1.定子 : 定子鐵心-硅鋼片疊成,直徑可達20多米,矩形開口槽. 定子繞組-雙層繞組 2.轉(zhuǎn)子: 凸極式鐵心由厚鋼板疊成 勵磁繞組由扁銅線繞制而成 阻尼繞組(起動繞組)-由銅條和端環(huán)構(gòu)成,用于同步電動機異步起動.28.1.2 同步發(fā)電機的基本工作原理 同步電動機工作時，定子的三相繞組中通入
3、三相對稱電流，轉(zhuǎn)子的勵磁繞組通入直流電流。在定子三相對稱繞組中通入三相交變電流時，將在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。在轉(zhuǎn)子勵磁繞組中通入直流電流時，將產(chǎn)生極性恒定的靜止磁場。若轉(zhuǎn)子磁場的磁極對數(shù)與定子磁場的磁極對數(shù)相等，轉(zhuǎn)子磁場因受定子磁場磁拉力作用而隨定子旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)，即轉(zhuǎn)子以等同于旋轉(zhuǎn)磁場的速度、方向旋轉(zhuǎn)，這就是同步發(fā)電機的基本工作原理。
定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子的速度為 ，稱為同步轉(zhuǎn)速。它的大小只決定于電頻率的大小和定、轉(zhuǎn)子的極對數(shù)p，不會因負載變化而改變。
28.1.3 同步電機的額定值 同步電機的額定值（銘牌值）有以下幾種：
1.額定容量SN或額定功率PN。對同步發(fā)電機來說，額定容量是指
4、發(fā)電機出線端的額定視在功率，一般以千伏安（kVA）或兆伏安（MVA，即百萬伏安）為單位；而額定功率是指發(fā)電機輸出的額定有功功率，一般以千瓦（kW）或兆瓦（MW，即百萬瓦）為單位。對同步電動機而言，是指其轉(zhuǎn)軸上輸出的有效機械功率，也用千瓦（kW）或兆瓦來表示。對于同步調(diào)相機，則用發(fā)電機出線端輸出的無功功率來表示其容量，以千乏（kvar）或兆乏（Mvar）來表示。
2.額定電壓UN是指同步電機在額定運行時其定子三相的線電壓，單位為伏(V)或千伏(kV)。
3.額定電流IN是指同步電機在額定運行時流過其定子繞組的線電流，單位為安（A）。
4.額定功率因數(shù)是指同步電機在額定運行時的功率因數(shù)。
5、5.額定效率是指額定運行時效率。
綜合定義1~5條，可以得出它們之間的基本關系。
即對三相交流發(fā)電機來說 對于三相交流電動機來說，則為 額定轉(zhuǎn)速nN和額定頻率fN、額定勵磁電壓UfN和額定勵磁電流IfN 28.2 同步電機的磁場和電樞反應 28.2.1 空載運行時同步電機的磁場 當原動機帶動發(fā)電機在同步轉(zhuǎn)速下運行,勵磁繞組通過適當?shù)膭畲烹娏?電樞繞組不帶任何負載時的運行情況，稱為空載運行?？蛰d運行是同步發(fā)電機最簡單的運行方式。
◆對于凸極發(fā)電機來說，由于定轉(zhuǎn)子間的氣隙沿整個電樞圓周分布不均勻，極面下氣隙較小，而極間氣隙較大，極面下的磁阻較小，而極間磁阻很大，而且在同一個極面下，在一個
6、極的范圍內(nèi)氣隙徑向磁通密度的分布近似于平頂?shù)拿毙?。極靴以外的氣隙磁通密度減少很快，相鄰兩極中線上的磁通密度為零。氣隙磁密可以用付立葉諧波分析^p 的方法分解出空間基波和一系列諧波。通常將極靴的極弧半徑做成小于定子的內(nèi)圓半徑，而且兩圓弧的圓心不重合(稱為偏心氣隙)，從而形成極弧中心處的氣隙最小，沿極弧中心線兩側(cè)方向氣隙逐漸增大，這樣可以使得氣隙磁通密度的分布較接近正弦波形。
◆隱極電機的勵磁繞組嵌埋于轉(zhuǎn)子槽內(nèi)，沿轉(zhuǎn)子圓周氣隙可視為是均勻的。勵磁磁勢在空間的分布為一個階梯形，受齒槽的影響,氣隙磁密呈現(xiàn)出波動變化。用諧波分析^p 法可求出其基波分量，合理地選擇大齒的寬度可以使氣隙磁密的
7、分布接近正弦波。
◆感應電勢的波形和大小與氣隙磁密的分布形狀及幅值大小緊密相關，在設計和制造電機時，應采取適當?shù)拇胧?，以獲得盡可能接近正弦分布的氣隙磁密，從而得到品質(zhì)較高的感應電勢。
28.2.2 負載運行時同步電機的磁場和電樞反應 空載時，同步電機中只有一個以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的勵磁磁勢 ，它在電樞繞組中感應出三相對稱交流電勢，稱為勵磁電勢 當電樞繞組接上三相對稱負載后，電樞繞組和負載一起構(gòu)成閉合通路，通路中流過的是三相對稱的交流電流 ，我們知道，當三相對稱電流流過三相對稱繞組時，將會形成一個以同步速度旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁勢。
由此可見，負載以后同步電機內(nèi)部將會產(chǎn)生又一個旋轉(zhuǎn)磁勢 --電樞旋轉(zhuǎn)磁勢。
8、因此，同步發(fā)電機接上三相對稱負載以后，電機中除了隨軸同轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁勢 (稱為機械旋轉(zhuǎn)磁勢)外，又多了一個電樞旋轉(zhuǎn)磁勢(稱為電氣旋轉(zhuǎn)磁勢) 氣隙磁場可以看成是由合成磁勢在電機的氣隙中建立起來的磁場。
也是以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場。
可見同步發(fā)電機負載以后，電機內(nèi)部的磁勢和磁場將發(fā)生顯著變化，這一變化主要由電樞磁勢的出現(xiàn)所致。
電樞反應 ▲電樞磁勢的存在，將使氣隙磁場的大小和位置發(fā)生變化，我們把這一現(xiàn)象稱為電樞反應。電樞反應會對電機性能產(chǎn)生重大影響。
▲電樞反應的情況決定于空間相量 和之間的夾角，而這一夾角又和時間相量E0 和Ia 之間的相位差相關連。稱為內(nèi)功率因數(shù)角，其大小由負載的性質(zhì)決定
9、。
（1）y=0或者180度 此時和Ff之間的夾 角為90度或者270度 ，即二者正交，轉(zhuǎn)子磁勢作 用在直軸上，而電樞磁勢作用在交軸上，電樞反應 的結(jié)果使得合成磁勢的軸線位置產(chǎn)生一定的偏移， 幅值發(fā)生一定的變化。這種作用在交軸上的電樞反 應稱為交軸電樞反應，簡稱交磁作用。
（2）y=90此時與之間的夾角為180度 ， 即二者反相，轉(zhuǎn)子磁勢和電樞磁勢一同作用在直軸上， 方向相反，電樞反應為純?nèi)ゴ抛饔?，合成磁勢的幅值減 小，這一電樞反應稱為直軸去磁電樞反應。
（3）y=-90此時與之間的夾角為0 ，即二者 同相，轉(zhuǎn)子磁勢和電樞磁勢一同作用在直軸上，方向相同， 電樞反應為純增磁作用，合成磁勢
10、的幅值加大，這一電樞反 應稱為直軸增磁電樞反應 （4）一般情況下(y為任意角度時)可將分解為直軸分量 和交軸分量 ，產(chǎn)生直軸電樞磁勢F ，與 同相或反相，起增磁或者去磁作用；產(chǎn)生交軸電樞磁勢 ，與正交，起交磁作用。
28.3 隱極同步發(fā)電機的電勢方程式、同步電抗和相量圖 同步電機空載時，氣隙中的同步旋轉(zhuǎn)主磁場僅由轉(zhuǎn)子勵磁電流（直流）建立；
負載時定子繞組流過電流產(chǎn)生磁勢（稱為電樞磁勢），它與勵磁磁勢共同作用產(chǎn)生合成氣隙磁場。因此存在電樞反應問題。電樞磁場和主極磁場都是相對靜止的，二者本身是旋轉(zhuǎn)的。
電樞反應：電樞磁勢基波對主磁場的影響。同樣包括去磁、助磁、交磁三種情況。它會使氣隙磁場畸變
11、。
電樞磁勢基波與勵磁磁勢同轉(zhuǎn)速、同轉(zhuǎn)向，相對靜止；因為勵磁磁勢轉(zhuǎn)速n1，定子對稱三相繞組產(chǎn)生電樞磁勢基波轉(zhuǎn)速 電樞電流滯后勵磁電動勢一個銳角時的電樞反應，即 0≤≤900 假設某時刻，A相繞組交鏈最大磁通，產(chǎn)生最大勵磁電動勢E0，此時刻作為時間起點。此時刻電流滯后ψ角，也達到最大值。主磁通超前感應電勢E0900。
令時軸與相軸重合，則（1）與重合，忽略磁滯渦流時，與重合。
（2）與重合 和 此時產(chǎn)生去磁磁勢，產(chǎn)生交磁磁勢。
特殊地：
ψ=0 =0 =Fa 只有交軸磁勢；ψ=90， 只有直軸磁勢。
只要知道時間相量的相位關系，便可以確定空間相量間的相位關系，進而分析^p 電樞反應的情況與性質(zhì)。
28.3.1 隱極同步發(fā)電機的電樞反應電抗和同步電抗 由于隱極同步電機氣隙均勻，電樞磁勢對主極磁場的影響在氣隙圓周上任何位置都一樣，可以整體考慮電樞反應的影響，不用分成交直軸分量考慮。
磁路不飽和：利用疊加原理，分別考慮負載時電樞磁勢Fa和勵磁磁勢Ff1的各自獨立作用，然后進行疊加。即 定子繞組上產(chǎn)生的三個感應電動勢、、各自滯后于產(chǎn)生它們的磁通90度電角度。
合成氣隙磁通 ， 氣隙電動勢 磁路飽和：不能使用疊加原理。電流產(chǎn)生磁勢，求合成磁勢，再求合成氣隙磁通及感應電動勢。即，
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