技能培訓(xùn)專(zhuān)題 同步電機(jī)（一）

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1、技能培訓(xùn)專(zhuān)題 同步電機(jī)（一） 第28章 同步電機(jī) 28.1 同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及額定值 28.1.1 同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) (一) 隱極同步電機(jī)(以汽輪發(fā)電機(jī)為例) 為保證頻率f=50Hz,則發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)P少 特點(diǎn):轉(zhuǎn)速高 (一般為二極,2P=2) 離心力大,需細(xì)長(zhǎng)轉(zhuǎn)子(隱極式) 0.5mm硅鋼片疊壓而成 定子鐵心 大型電機(jī)由扇型片拼成圓形 矩形開(kāi)口槽,徑向,軸向通風(fēng)道 1.定子 定子繞組-三相雙層繞組,扁銅線(xiàn)繞制而成,采用成型線(xiàn)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(gè)整體

2、,外園開(kāi)槽,大齒和小齒 (2)勵(lì)磁繞組為同心式繞組 (3)采用高強(qiáng)度鋁合金槽楔,端部采用保護(hù)環(huán)固定 3.滑環(huán)(集電環(huán))與電刷裝置.(二) 凸極同步電機(jī) 特點(diǎn):轉(zhuǎn)速低 為保證f=50Hz,則需發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)P增大 為保證放置P對(duì)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(dá)20多米,矩形開(kāi)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(lì)磁繞組由扁銅線(xiàn)繞制而成 阻尼繞組(起動(dòng)繞組)-由銅條和端環(huán)構(gòu)成,用于同步電動(dòng)機(jī)異步起動(dòng).28.1.2 同步發(fā)電機(jī)的基本工作原理 同步電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，定子的三相繞組中通入

3、三相對(duì)稱(chēng)電流，轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁繞組通入直流電流。在定子三相對(duì)稱(chēng)繞組中通入三相交變電流時(shí)，將在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。在轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組中通入直流電流時(shí)，將產(chǎn)生極性恒定的靜止磁場(chǎng)。若轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的磁極對(duì)數(shù)與定子磁場(chǎng)的磁極對(duì)數(shù)相等，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)因受定子磁場(chǎng)磁拉力作用而隨定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)，即轉(zhuǎn)子以等同于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度、方向旋轉(zhuǎn)，這就是同步發(fā)電機(jī)的基本工作原理。 定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子的速度為 ，稱(chēng)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(duì)數(shù)p，不會(huì)因負(fù)載變化而改變。 28.1.3 同步電機(jī)的額定值 同步電機(jī)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(duì)同步發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，額定容量是指

4、發(fā)電機(jī)出線(xiàn)端的額定視在功率，一般以千伏安（kVA）或兆伏安（MVA，即百萬(wàn)伏安）為單位；而額定功率是指發(fā)電機(jī)輸出的額定有功功率，一般以千瓦（kW）或兆瓦（MW，即百萬(wàn)瓦）為單位。對(duì)同步電動(dòng)機(jī)而言，是指其轉(zhuǎn)軸上輸出的有效機(jī)械功率，也用千瓦（kW）或兆瓦來(lái)表示。對(duì)于同步調(diào)相機(jī)，則用發(fā)電機(jī)出線(xiàn)端輸出的無(wú)功功率來(lái)表示其容量，以千乏（kvar）或兆乏（Mvar）來(lái)表示。 2.額定電壓UN是指同步電機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)其定子三相的線(xiàn)電壓，單位為伏(V)或千伏(kV)。 3.額定電流IN是指同步電機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)流過(guò)其定子繞組的線(xiàn)電流，單位為安（A）。 4.額定功率因數(shù)是指同步電機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)。

5、5.額定效率是指額定運(yùn)行時(shí)效率。 綜合定義1~5條，可以得出它們之間的基本關(guān)系。 即對(duì)三相交流發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō) 對(duì)于三相交流電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，則為 額定轉(zhuǎn)速nN和額定頻率fN、額定勵(lì)磁電壓UfN和額定勵(lì)磁電流IfN 28.2 同步電機(jī)的磁場(chǎng)和電樞反應(yīng) 28.2.1 空載運(yùn)行時(shí)同步電機(jī)的磁場(chǎng) 　當(dāng)原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)在同步轉(zhuǎn)速下運(yùn)行,勵(lì)磁繞組通過(guò)適當(dāng)?shù)膭?lì)磁電流,電樞繞組不帶任何負(fù)載時(shí)的運(yùn)行情況，稱(chēng)為空載運(yùn)行?？蛰d運(yùn)行是同步發(fā)電機(jī)最簡(jiǎn)單的運(yùn)行方式。 ◆對(duì)于凸極發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，由于定轉(zhuǎn)子間的氣隙沿整個(gè)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(gè)極面下，在一個(gè)

6、極的范圍內(nèi)氣隙徑向磁通密度的分布近似于平頂?shù)拿毙巍O靴以外的氣隙磁通密度減少很快，相鄰兩極中線(xiàn)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(chēng)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(xiàn)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(jī)的勵(lì)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(lì)磁磁勢(shì)在空間的分布為一個(gè)階梯形，受齒槽的影響,氣隙磁密呈現(xiàn)出波動(dòng)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(yīng)電勢(shì)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(guān)，在設(shè)計(jì)和制造電機(jī)時(shí)，應(yīng)采取適當(dāng)?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(yīng)電勢(shì)。 28.2.2 負(fù)載運(yùn)行時(shí)同步電機(jī)的磁場(chǎng)和電樞反應(yīng) 空載時(shí)，同步電機(jī)中只有一個(gè)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的勵(lì)磁磁勢(shì) ，它在電樞繞組中感應(yīng)出三相對(duì)稱(chēng)交流電勢(shì)，稱(chēng)為勵(lì)磁電勢(shì) 當(dāng)電樞繞組接上三相對(duì)稱(chēng)負(fù)載后，電樞繞組和負(fù)載一起構(gòu)成閉合通路，通路中流過(guò)的是三相對(duì)稱(chēng)的交流電流 ，我們知道，當(dāng)三相對(duì)稱(chēng)電流流過(guò)三相對(duì)稱(chēng)繞組時(shí)，將會(huì)形成一個(gè)以同步速度旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)。 由此可見(jiàn)，負(fù)載以后同步電機(jī)內(nèi)部將會(huì)產(chǎn)生又一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁勢(shì) --電樞旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)。

8、因此，同步發(fā)電機(jī)接上三相對(duì)稱(chēng)負(fù)載以后，電機(jī)中除了隨軸同轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁勢(shì) (稱(chēng)為機(jī)械旋轉(zhuǎn)磁勢(shì))外，又多了一個(gè)電樞旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)(稱(chēng)為電氣旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)) 氣隙磁場(chǎng)可以看成是由合成磁勢(shì)在電機(jī)的氣隙中建立起來(lái)的磁場(chǎng)。 也是以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。 可見(jiàn)同步發(fā)電機(jī)負(fù)載以后，電機(jī)內(nèi)部的磁勢(shì)和磁場(chǎng)將發(fā)生顯著變化，這一變化主要由電樞磁勢(shì)的出現(xiàn)所致。 電樞反應(yīng) ▲電樞磁勢(shì)的存在，將使氣隙磁場(chǎng)的大小和位置發(fā)生變化，我們把這一現(xiàn)象稱(chēng)為電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)會(huì)對(duì)電機(jī)性能產(chǎn)生重大影響。 ▲電樞反應(yīng)的情況決定于空間相量 和之間的夾角，而這一夾角又和時(shí)間相量E0 和Ia 之間的相位差相關(guān)連。稱(chēng)為內(nèi)功率因數(shù)角，其大小由負(fù)載的性質(zhì)決定

9、。 （1）y=0或者180度 此時(shí)和Ff之間的夾 角為90度或者270度 ，即二者正交，轉(zhuǎn)子磁勢(shì)作 用在直軸上，而電樞磁勢(shì)作用在交軸上，電樞反應(yīng) 的結(jié)果使得合成磁勢(shì)的軸線(xiàn)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(yīng)稱(chēng)為交軸電樞反應(yīng)，簡(jiǎn)稱(chēng)交磁作用。 （2）y=90此時(shí)與之間的夾角為180度 ， 即二者反相，轉(zhuǎn)子磁勢(shì)和電樞磁勢(shì)一同作用在直軸上， 方向相反，電樞反應(yīng)為純?nèi)ゴ抛饔茫铣纱艅?shì)的幅值減 小，這一電樞反應(yīng)稱(chēng)為直軸去磁電樞反應(yīng)。 （3）y=-90此時(shí)與之間的夾角為0 ，即二者 同相，轉(zhuǎn)子磁勢(shì)和電樞磁勢(shì)一同作用在直軸上，方向相同， 電樞反應(yīng)為純?cè)龃抛饔?，合成磁?shì)

10、的幅值加大，這一電樞反 應(yīng)稱(chēng)為直軸增磁電樞反應(yīng) （4）一般情況下(y為任意角度時(shí))可將分解為直軸分量 和交軸分量 ，產(chǎn)生直軸電樞磁勢(shì)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(shì) ，與正交，起交磁作用。 28.3 隱極同步發(fā)電機(jī)的電勢(shì)方程式、同步電抗和相量圖 同步電機(jī)空載時(shí)，氣隙中的同步旋轉(zhuǎn)主磁場(chǎng)僅由轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流（直流）建立； 負(fù)載時(shí)定子繞組流過(guò)電流產(chǎn)生磁勢(shì)（稱(chēng)為電樞磁勢(shì)），它與勵(lì)磁磁勢(shì)共同作用產(chǎn)生合成氣隙磁場(chǎng)。因此存在電樞反應(yīng)問(wèn)題。電樞磁場(chǎng)和主極磁場(chǎng)都是相對(duì)靜止的，二者本身是旋轉(zhuǎn)的。 電樞反應(yīng)：電樞磁勢(shì)基波對(duì)主磁場(chǎng)的影響。同樣包括去磁、助磁、交磁三種情況。它會(huì)使氣隙磁場(chǎng)畸變

11、。 電樞磁勢(shì)基波與勵(lì)磁磁勢(shì)同轉(zhuǎn)速、同轉(zhuǎn)向，相對(duì)靜止；因?yàn)閯?lì)磁磁勢(shì)轉(zhuǎn)速n1，定子對(duì)稱(chēng)三相繞組產(chǎn)生電樞磁勢(shì)基波轉(zhuǎn)速 電樞電流滯后勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)一個(gè)銳角時(shí)的電樞反應(yīng)，即 0≤≤900 假設(shè)某時(shí)刻，A相繞組交鏈最大磁通，產(chǎn)生最大勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)E0，此時(shí)刻作為時(shí)間起點(diǎn)。此時(shí)刻電流滯后ψ角，也達(dá)到最大值。主磁通超前感應(yīng)電勢(shì)E0900。 令時(shí)軸與相軸重合，則（1）與重合，忽略磁滯渦流時(shí)，與重合。 （2）與重合 和 此時(shí)產(chǎn)生去磁磁勢(shì)，產(chǎn)生交磁磁勢(shì)。 特殊地： ψ=0 =0 =Fa 只有交軸磁勢(shì)；ψ=90， 只有直軸磁勢(shì)。 只要知道時(shí)間相量的相位關(guān)系，便可以確定空間相量間的相位關(guān)系，進(jìn)而分析^p 電樞反應(yīng)的情況與性質(zhì)。 28.3.1 隱極同步發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)電抗和同步電抗 由于隱極同步電機(jī)氣隙均勻，電樞磁勢(shì)對(duì)主極磁場(chǎng)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(yīng)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(fù)載時(shí)電樞磁勢(shì)Fa和勵(lì)磁磁勢(shì)Ff1的各自獨(dú)立作用，然后進(jìn)行疊加。即 定子繞組上產(chǎn)生的三個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、、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(dòng)勢(shì) 磁路飽和：不能使用疊加原理。電流產(chǎn)生磁勢(shì)，求合成磁勢(shì)，再求合成氣隙磁通及感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。即， 第 8 頁(yè) 共 8 頁(yè)