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同步电机道理

文章作者:产品中心 上传时间:2020-03-13

  第四章 同步电机 第四章 同步电机 一、同步电机道理与构造 二、同步电机磁场判辨 三、同步电机的电磁干系与等效电道 四、同步电机运转性子 第一节 同步电机的道理与构造 同步电机的道理与构造 ? 基础职业道理 ? 合键构造 ? 运转状况 ? 额定值 一、同步电机的基础道理 ? 转子直流励磁 ? 原动机拖动转子磁场以 速率n0盘旋 ? 定子导体感生电动势,定 子带负载则有电流流过 ? 定子电流发作盘旋磁场, 速率为n0 ? 转子导体受电磁力,形 成电磁转矩,和拖动转 矩均衡 n0 n0 同步发电机模子 同步电机特性: ? 转子转速与磁场转速相称(同步); ? 转子电流频率为零(直流) ? 用处 –发电 –无功治疗 –电动机 二、同步电机的基础构造 ? 定子 –死心:0.5mm硅钢片 –绕组:电枢绕组,发作感觉电势和电磁转矩 –机座及固定部件 –端盖 ? 转子(凸极、隐极) –转子死心 –励磁绕组 –阻尼绕组 –轴承 –护环、中央环、滑环和电扇等 构造合连 ? 盘旋构造 –转枢式:电枢盘旋 –转场式:磁场盘旋 ? 构造情势 –隐极式:气隙匀称 –凸极式:气隙不匀称 磁极冲片 凸极同步电机磁极装置 1—阻尼绕祖;2—磁极死心; 3—励磁绕组;4—磁轭; 5—磁极T形尾固定部门。 定子 滑环 转子(励磁) 隐极、凸极较量 ? 凸极转子:修设利便,但机器强度较差, 所以众用正在离心力较小,转速较低的中小 型电机中或用正在水轮发电机中。 ? 隐极转子:机器强度好,但修设工艺较复 杂,所以众用正在离心力较大、转速较高的 电机中。比方汽轮发电机众采用隐极构造。 汽轮发电机定子构造 ? 同步电动机的转子构造图 三、同步电机的励磁形式 同步电机运转时,必需正在励磁绕组中通入直流电流, 设备励磁磁场。将供应励磁电流的全盘安装称为励磁系 统。 (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 互换励磁机→整流→直流电→励磁绕组 (3) 盘旋整流器励磁 互换励磁机→整流→直流电→励磁绕组 盘旋励磁,无电刷 四 、同步电机的冷却形式 跟着单机容量的无间提升,大型同步电机的发 热和冷却题目日趋主要,冷却形式也无间革新。同步 电机的冷却形式合键有以下几种。 氛围冷却 氢气冷却 冷却 五、同步电机的运转状况 功角 0 0 发电机状况 理思空载 调相机 电动机状况 同步发电机 分歧运转形式 ? ? ? ? E 01 ? jI 1 x jI x ? ? ? E ? U ? I ra ? j I x ? U? j I x ? ? E0 ? U I ? ? E02 I3 ? ? ? jI 2 x ? I1 ? I2 ? φ2 φ3 φ1 E 03 j I3 x 六、额定值 ? ? ? ? ? ? 额定容量SN(kVA)或额定功率PN 额定电压UN 额定电流IN 额定功率因数cos?N 额定效劳η N 额定频率fN、额定转速nN、额定励磁电流IfN、 额定励磁电压UfN等 发电机: PN ? 3U N I N cos? N 电动机: PN ? 3U N I N?N cos? N 第二节 同步电机的磁场判辨 -电枢反映 同步电机运转判辨 1 、空载运转: ? 额定转速n,电机极对数p ? 转子励磁绕组通直流电流If,发作磁通?0 ? 定子绕组感觉电势E0,定子开道,电流Ia=0 ? 电机中仅存正在直流励磁电流If pn 感觉电势频率: f ? 60 感觉电势有用值:E0 ? 4.44 f N 1k N 1?0 ?0 ? f? 凸极同步发电机的空载磁场 2、空载性子 ? 空载性子 E0 ? f ( I f ) ? 磁化弧线 ? f ( F f ) 3 、负载运转(电枢反映) 负载对称 ? 三相电流对称 ? 发作圆形盘旋磁场 60 f 磁场转速: n? p 空载磁场: F? ? Ff 负载磁场: F? ? F f ? Fa 电枢反映 **本色:琢磨同步发电机负载时内部的电磁情形。 电枢反映 负载往后,除转子磁势外,定子三相电流也 发作电枢磁势。电枢磁势的存正在,将负气 隙中磁场的巨细及处所爆发变更,这种现 象称之为电枢反映。电枢反映的性子合键 定夺于空载电势和负载电流之间的夹角ψ , 亦即定夺于负载的性子。 几个观点 ①内功率因数角:E0和Ia之间的夹角,与 电机自身参数和负载性子相合; ②外功率因数角φ:与负载性子相合; ③功率角(功角)θ:E0和U之间的夹角; 且有=φ+ θ (电感性负载) ④直轴(d轴):主磁极轴线(纵轴); ⑤交轴(q轴):转子相临磁极轴线间的中 心线为交轴(横轴) 下面从三种极限情形起程实行琢磨,即 (1) Ia和E0同相位,即ψ=0; (2) Ia滞后E0 90电角度,即ψ=90 °; (3) Ia超前E0 90电角度,即ψ=-90 °; 凸极电机的双反映外面 ? 双反映外面:Fa的轴线既不和直轴也不和 交轴重应时,能够把Fa 瓦解为直轴分量 Fad和交轴分量Faq ,之后求出直轴和交 轴各自的电枢反映值,最终把它们的成效 叠加起来。 (1) Ia和 E0同相位(ψ =0)时的电枢反映 ? 感觉电势为最大值。 ? 电流也正在此霎时来到最大值。 ? 电枢磁势与A相绕组中央线相重合。 ? 电枢磁势滞后于转子磁势90 ? 交轴电枢反映。 (2)Ia滞后E090电角度(ψ=90 °)时的电枢反映 电枢磁势发作去磁功用,称为直轴去 磁电枢磁势。 (2)Ia超前E090电角度(ψ=90 °)时的电枢反映 电枢磁势发作增磁功用,称为直轴增 磁电枢磁势。 (4)I与E0相差锐角相位时的电枢反映 ? 电枢反映不单存正在交轴分量,还存正在直轴分量 Faq ? Fa cos? Fa ? Fad ? Faq Fad ? Fa sin? Iaq ? I cos? ??I ? ?I ? I ad aq Iad ? I sin? 电枢磁势按ψ角瓦解胜利用正在直轴磁道的磁势 及功用正在交轴磁道的磁势。 ? 凸极机的磁通散布图 第三节 同步发电机的电磁干系 与等效电道 同步发电机电磁流程与电势方程 1、隐极发电机的电磁流程 If ? ? I? I a ? ? ? ? ? Ff Fa ?0 ?a ? ? E0 ? Ea E? ? ? E? ? ?? ? I ra ? E a ? ? j I xa ? ? E? ? ? j I x? ? ? 2、隐极发电机的电势均衡方程 E 0 ? U ? I ra ? E a ? E ? ? U ? j I xt 个中 xt ? xa ? x? 而且有 称为同步电抗 ? ? ? ? ? ? ? xt ? xa ? x? 同步电抗的物理意旨:外征地对称负载下电枢 电流发作的电枢总磁场正在电枢每相绕组中的 电磁效应。 3、隐极发电机的等效电道: E 0 ? U ? I ra ? j I xt ra xt ? ? ? ? ? E0 I ? U ? 注:去掉 ra 即可取得简化等效电道 4、隐极发电机的相量图 已知发电机的端电压、负载电流和功率因数cosφ 及参数ra 、xt ? j I xt 当功率因数 cosφ滞后时 的相量图 E0 ? I ra δU ? ? 思量:隐极 同步电动机 有何分歧? ? ψ φ I 5、凸极发电机的电磁流程 If Ia ? Ff I d ? Iq ? ?0 F ad ? E0 ? ? ad ? ?? ? F aq ? aq ? E ad ? E aq E? ? ? E? ? I ra ? 6、凸极发电机的电势方程式 Ead ? ? j I d xad ? ? ? ? ? Eaq ? ? j I q xaq ? ? ? ? E? ? ? j I x? ? ? E 0 ? U ? ra I ? j I d xd ? j I q xq 个中:xd ? xad ? x? 称为直轴同步电抗 称为交轴同步电抗 xq ? xaq ? x? 思量:xd与xq有何分歧,巨细干系? 7、凸极发电机的相量图 已知端电压、负载电流和功率因数及ra 、xd、xq。 已知内功率因数角ψ 遵循电势方程式的干系作出相量图 未知内功率因数角ψ ? ? ? ? ? ? E Q ? U ? ra I ? j I xq ? E 0 ? j I d ( xd ? xq ) 1)行使方程式求出ψ: 2)行使公式求出ψ:? ? arctan xq I ? U sin ? ra I ? U cos? E 0 ? U ? ra I ? j I d xd ? j I q xq ? ? ? ? ? 第四节 同步电机的运转性子 同步电机的运转性子 ? 同步电机功率干系及功角性子 ? 同步电机功率因数治疗性子 ? 同步发电机性子 ? 同步发电机并联运转 ? 同步电动机的起动 凸极电机的向量图 θ 的双重物理寄义: ①励磁电动势 E0 与定子所加相电压 U 之间的 夹角(工夫电角度) ②励磁磁动势 Ff 与气隙合成磁动势 F? 之间的 夹角(空间电角度) F? ? Ff ? Fa 功角θ 意旨的图示A: Ff ?0 ? F? ? ? ? ? ?? ? Ea ? ?a ? U ? E0 ? Ea ? Fa I ? 功角θ 意旨的图示B n1 Tem T1 n N S Fδ θ S N Ff 功角θ是转子磁极轴 线和定子合成磁极轴 线的空间夹角 一、功角性子 同步发电机功率干系: P1 Pem P2 pmec pad pFe pcu1 Pem ? P1 ? ( Pmec ? PFe ? Pad ) ? P1 ? P0 P2 ? Pem ? Pcu1 ? Pem 思量:电动机与发电机有何区别? 轻视同步电动机定子电阻Ra上的损耗 从相量图中可知,? P UI cos ? em ? P 1 ?3 ?? ?? Pem ? 3UI cos ? ? 3UI cos(? ? ? ) ? 3UI cos? cos ? ? 3UI sin? sin ? I d ? I sin? I q ? I cos? I d X d ? E0 ? U cos ? I q X q ? U sin ? Pem ? 3UI cos ? ? 3UI cos(? ? ? ) ? 3UI cos? cos ? ? 3UI sin? sin ? ? 3UI q cos ? ? 3UI d sin ? ( E0 ? U cos ? ) U sin ? ? 3U cos ? ? 3U sin ? Xq Xd E0U 1 1 2 ?3 sin ? ? 3U ( ? ) cos ? sin ? Xd Xq Xd E0U U2 1 1 ?3 sin ? ? 3 ( ? ) sin 2? Xd 2 Xq Xd 电磁转矩: mE0U U2 1 1 Tem ? sin ? ? m ( ? )sin 2? X d ?0 2?0 X q X d 无功功率: mE0U 1 1 2 2 Q? cos ? ? mU ( cos ? ? sin 2 ? )(凸极电机) Xd Xd Xq mE0U mU Q? cos? ? Xt Xt 2 (隐极电机) 有功功率功角性子 并联于无量大电网的同步发电机,当电网电压和 频率恒定、参数(xd、xq、xt)为常数、空载电 势E0稳定(即 If 稳定)时,Pem=f (θ)为有功功 率功角性子。 隐极电机的有功功率功角性子: E0U P sin ? em ? mUI cos ? ? m xt 矩角性子 mE0U U2 1 1 Tem ? sin ? ? m ( ? )sin 2? X d ?0 2?0 X q X d 对隐极式同步电动机,Xd=Xq=Xt 3E0U Pem ? sin ? Xt 3E0U Tem ? sin ? X t ?0 凸极电机的有功功率功角性子: Pem ? P2 ? mUI cos? ? mUI cos ?? ? ? ? ? mUI cos? cos ? ? mUI sin? sin ? ? mUI q cos ? ? mUI d sin ? I q xq ? U sin ? I d xd ? E0 ? U cos ? E0U U2 ? 1 1 ? Pem ? m sin ? ? m ? ? sin 2? ? ? xd 2 ? xq xd ? ? ? 凸极电机 mE0U U2 1 1 Pem ? sin ? ? m ( ? ) sin 2? Xd 2 Xq Xd 3U1E0 ① Pem = sin? —— 基础分量 Xd Pem ∝E0 ,当转子有励磁即 If ≠0 时存正在。 3U12 1 1 (X -X ) sin2? —— 附加分量 ② Pem = 2 d q (磁阻分量) Pem 是因为 Xd ≠Xq 而惹起的,与 If 是否存正在无合。 特性: ① Pe 使 PeM?。 o ② PeM 发作正在θ<90 处。 ③ 功角性子与矩角性子 不再是正弦波。 Pe / T PeM (TM) Pe O 90 o θ Pe 发电机有功功率功角性子弧线 Pem Pemmax Pem Pemmax θ 0 900 1800 θ 0 900 1800 功率极限值(隐极) Pem max E0 U ?m xt dTem ?0 d? dTem ?0 d? dTem ?0 d? 安靖判辨:静态安靖 观点:当电网或原动机方面闪现某些微细扰动 时,同步发电性能正在这种搅扰隐没后,不断保 持原本的均衡运转状况。 dP em ?0 判据: d? 隐极发电机的判据:比整步功率(kW/rad) P syn dP E0U em ? ?m cos ? ? 0 d? xt 额定:功角20~30 (静)过载倍数 ? 最大转矩Tm与额定转矩TN之比,过载倍数 ?T ? Pem max PN E0U m xt 1 ? ? E0U m sin ? N sin ? N xt Tm sin 90? ?T ? ? ? 2 ~ 3.5 TN sin ? N 隐极同步电动机额定运转θN=30°~16.5 °。同步电动机 凸极式同步电动机额定运转功率角更小。 负载更动时,θ 随之变更,使同步电动机的 电磁转矩或电磁功率随着变更,以到达均衡 状况。而电机的转速却依旧同步转速稳定。 二.同步电机功率因数的治疗 同步电机的紧急性子:同步电机正在依旧输 出有功稳定的情形下,能够通过励磁电流 的治疗,使电机的功率因数爆发变更。 1、同步电动机的V形弧线 同步电动机的V形弧线是指当电源电压与频率均 为额定值,U ? U N , f ? f N 正在输出功率稳定的要求下,治疗励磁电流If ,定 子电流 I 会相应变更,绘制成的I = f (If) 弧线, 式样象“V”,故称V形弧线。 ? 无功功率的治疗: 同步电动性能够通过励磁 电流的治疗,使电机的输出 无功功率爆发变更。 m E0U Pem ? sin ? ? m UI cos? ? 常数 即 Xt U稳定 X t ? C E0 sin ? ? 常数=I cos? ? 常数 ? 同步电动机输出有功功率P2恒定, 更动励磁电流能够治疗其无功功率 ? “平常”励磁时功率因数cos ? =1,电 枢电流整体为有功电流,故数值最小 ? 励磁电流小于平常励磁值(欠励)时, 电动机功率因数cos ? 滞后,同步电动 机相当于感性负载,要从电网吸收滞后 无功。 ? 励磁电流大于平常励磁值(过励)时,电动机功率因数cos ? 超 前,同步电动机相当于容性负载,要从电网吸收超前无功 ① 平常励磁 当 If = If0 时, I1 与U1 同相, cosφ = 1, 电机呈电阻性。 ② 欠励磁 当If <If0时,I1 (I1 ) 滞后于U1, 电机呈电感性。 If ? →? ? ,感性水准 ?。 b ③ 过励磁 当 If >If0 时,I1 (I1) 超前于 I1 U1, 电机呈电容性, If ? →? ? , 容性水准 ? 。 ? I1 θ U1 jXtI1 jXtI1 jXtI1 a I1 b -E0 -E0 -E0 a (3)V形弧线 同步电动机的V形弧线I=f(If) :同步电动机正在有功功率恒定、同步电动机 励磁电流变更时,电枢电流随励磁电流变更的弧线 V形弧线的几个特性 ①每一功率(负载)对应一条V形弧线 ②从欠励到平常励磁到过励I 有最小值 ③每条弧线, 连线向右倾斜。 ④每条弧线左边均有担心靖区 ⑤担心靖区域边际:θ=900, 连线向右倾斜 ⑥每条弧线上的电流I变更量ΔI 为无功分量 2、同步发电机的V形弧线U sin? ? mUI cos? ? 常数 Xt E0 sin? ? 常数= I cos? ? 常数 三、同步发电机性子 1、空载性子 发电机正在额定转速(n=nN)、 空载(I=0) 的要求下, 空载电压(U0=E0)与励磁电流If的 干系称为空载性子, 即U0=f(If)。 空载性子试验电道及空载性子 (a) 空载试验道理接线图; (b) 空载性子弧线、短道性子 短道性子 n?n1 U=0时,Ia=Ik=f(If)弧线 由空载及短道性子求取同步电抗 E01 Xd ? I k1 X q ? 0.65X d 3、 外性子 发电机正在n=nN、 If=常数、 cosφ=常数的要求下, 端电压U和负载电流I的干系弧线称为外性子, 即 U=f(I)。可用直接负载法测定。同步电动机 E0 ? U N ?U% ? ? 100% UN ? 纯电阻负载:合键是定子绕组电阻压降和漏 抗压降惹起输出电压降落,是以端电压随负 载电流增补而迟缓降落。 ? 感性负载: 因为电枢反映的直轴去磁功用, 再加上定子绕组电阻压降和漏抗压降,将使 端电压随负载电流增补而速捷降落。 ? 容性负载: 定子绕组电阻压降虽使输出电 压降落,但电枢反映的直轴分量为助磁, 同时漏抗压降亦使电压上升,若上升量大于 降落量则端电压随负载电流增补而上升。 ? 电压变更率 ? 凸极发电机的ΔU%: 18%~30%。 ? 隐极发电机的电枢反映较大, 故ΔU% 也 较 大 , 正在 30% ~ 50%( 以 上 均 为 cosφ=0.8滞后的数值)。 4、 调度性子 n=nN时,同步电动机U=常数,cosφ=常数, If=f(I)。 四、同步发电机的并联运转 1、并联运转便宜 ? 提升供电牢靠性。 ? 提升供电的经济性和灵敏性。 ? ? 水电厂与火电厂并联调配发电,旺水期水电众发电,枯水期火电众 发电; 用电岑岭期和低谷期可灵敏定夺进入电网的发电机数目,提升发电 效劳和供电灵敏性。 ? 提升供电质地。 ? 电网容量大(相对付单台发电机或局部负载可视为无量大),单台发 电机进入与停机、局部负载变更对电网影响甚微,量度供电质地的 电压和频率可视为恒定稳定的常数。 2、 同步发电机并结合闸的要求 把同步发电机并联至电网的流程称为进入并联(并列、并 车、整步、合闸)。合闸时必需避免发作壮大的打击电流, 以防卫同步发电机受到损坏(电磁打击、机器打击),电 网遭遇搅扰。 ? ? 两台同步发电机并联运转 Ⅰ是电力体例中若干台发 电机并联后的“等效”发 电机; Ⅱ是待并联的发电机。 Ⅰ Ⅱ ? 理思并结合闸要求 ① 波形好像——正弦波 ② 频率好像——f亲昵 ③ 幅值好像; ④ 相位好像——亲昵 ⑤ 相序好像——厉峻要求 若以上要求中的任何一个不餍足则正在开合两头会出 现差额电压,假如闭合开合,正在发电机和电网构成的回 道中一定会闪现瞬态打击电流。 上述要求中相序相似是绝对要求,其它要求是相对 的,由于时时电性能够承袭少许小的打击电流。 3、 同步发电机并结合闸方式及判辨 (1)确切同步法(确切整步法) ? ? 将发电机调度到一律符团结联要求后的合闸操作。 调度流程常用同步指示器来决断要求的餍足情形。 (A)暗灯法 1)接法:三只灯胆直接跨接于电网与发电机的对应相之间。 同步指示器 电网 发电机 ?最简陋的同步指 示器由三相相灯 构成。 (B)灯光盘旋法 灯Ⅰ接正在A1、A2之间,灯Ⅱ和灯Ⅲ交叉接正在B1、C2和C1、B2 之间。 发电机和电网电压相量图 4.同步电动机的起动 ? 题目: 由同步电动机基础职业道理可知,若将 同步电动机同时双边励磁,因为定子旋 转磁场转速为同步转速n1,而起动霎时转 子处于静止,气隙磁场与转子磁极之间 存正在相对运动,不行产一生均的同步电 磁转矩,即同步电动机自身没有起动转 矩,使电动机自行起动。 ? 方式: (1)辅助电动机起动法 选用一台与同步电动机极数好像的小型异步 电动机动作辅助电动机,起动时,先起动辅 助电动机将同步电动机拖动到异步转速,然 后将同步电动机进入电网,到场励磁,行使 同步转矩把同步电动机转子牵入同步,同时 切除辅助电动机电源,这种方式实用于同步 电动机的空载起动。 (2)变频起动法 因为恒频起动时,功用正在转子上的均匀转 矩为零,使电动机无法自行起动。变频起 动法是正在起动前将转子到场直流,行使变 频电源使频率从零迟缓升高,盘旋磁场牵 引转子迟缓同步加快,直至到达额定转速, 起动完毕。这种方式众用于大型同步电动 机的起动。 (3)异步起动法 正在转子上加装起动绕组,其构造坊镳异步机 的鼠笼绕组。起动时,先不给励磁绕组励 磁,同步电动机定子绕组接电源,通过起 动绕组功用,发作起动转矩,使同步电动 机自行起动,当转速达95%同步转速支配 后,给同步电动机的励磁绕组通入直流, 转子自愿牵入同步。

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