电机及电力拖动 第11章-同步电动机和同步调相机

(图中表示δ=45°).由于直轴磁路的磁阻 远小于交轴磁路的磁阻,故磁力线仍由极靴处 进入转子,使磁场发生扭斜,并因此产生与电 枢磁场转向相同方向的磁阻转矩T与负载转矩 相平衡.如果δ角继续增大,则磁场的畸变开 始减小,因为部分磁通开始直接沿转子交轴方 向通过,从而使穿过转子极面的磁力线数减少.
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优点: 优点:结构比较简单,转子无励磁,只需 要交流电源 反应式同步电动机的转速与电网频率保持恒定的关系.为了 增大反应式同步电动机的电磁转矩,应使Xd与Xq的差别尽可能 大,目前可以做到使Xd : Xq=5:1. 反应式电机通常作为电动机运行. 近年来容量为数十瓦至数百瓦的 小功率恒速反应式同步电动机广 泛地用于自动装置,遥控元件, 有声电影,电钟及同步随动系统 等.
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由于同步电动机的平均起动转矩为零,所不能自行起动, 必须借用其它方法.
同步电动机的异步起动方法: 同步电动机的异步起动方法: 第一步:把同步电动机的励磁绕组通过一个电阻短接(下图). 第一步: 起动时励磁绕组开路是很危险的,因为励磁绕组的匝数很多, 定子数很多,定子旋转磁场 同步电动机异步启动法原理线路图 将在该绕组中感应很高的电 压,可能击穿励磁绕组的绝 缘.短路电阻的大小约为励 磁绕组本身电阻的10倍左右. 第二步:将同步电动机的定子绕组接通三相交流电源.这时 第二步 定子旋转磁场将在阻尼绕组中感应一电流,此电流与定子旋 转磁场相互作用而产生异步电磁转矩,同步电动机便作为异 步电动机而起动. 第三步: 第三步:当同步电动机的转速达到同步转速的95%左右时,将 励磁绕组与直流电源接通,给予直流励磁.这时转子上增加 了一个频率很低的交流转矩,转子磁场与定子磁场之间的相 互吸引力便能把转子拉住,使它跟着定子旋转磁场以同步转 速旋转,即所谓牵入同步.
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E0U U2 1 1 T =m sin δ D + m sin 2δ D Xq Xd ω1 X d 2ω1
凸极同步电动机相量 图
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上式除以同步速度得同步 电动机的电磁转距: 电动机的电磁转距:
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11.1.3 同步电动机的V形曲线 同步电动机的V
与同步发电机相似,当同步 电动机的输入有功功率恒定而调 节励磁电流时,也有三种励磁状 态,"正常励磁"时,电动机没 "正常励磁" 有无功功率输出; 过励" 有无功功率输出;"过励"时 电动机从电网吸收容性无功 或发出感性无功) 欠励" (或发出感性无功);"欠励" 时电动机从电网吸收感性无功 或发出容性无功) (或发出容性无功).也可以调 节无功功率. 节无功功率. 调节励磁电流可以调节同步电动机的无功功率和功率因 这是同步电动最可贵的特点. 数,这是同步电动最可贵的特点. 为了改善电网的功率因数和提高电机的过载能力,现代同 步电动机的额定功率因数一般均设计为1-0.8(超前).
反应式同步电动机的工作原理 反应式同步电动机接入电网后,从电网吸取感性的无功电 流,并建立直轴电枢反应磁场.在理想的空载情况下,电动机 不需要产生与负载转矩相平衡的电磁转矩,此时转子保持其直 轴方向的轴线与定子磁场轴线一致(δ=0),并随定子磁场同 步旋转.
反应式同步电动机的最大转矩发生在δ=45°时,而在 δ=90°时电磁转矩为零.如果负载再增加,将使电动机失去 同步.
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在有负载的情况下,电动机的转子受到负载的制动力矩作 用,使得转子的直轴轴线对定子磁场轴线向后(逆转向)移动. 于是磁场便发生畸变,从而产生与负载转矩相平衡的附加电磁 转矩,并保持其转子直轴轴线滞后于定子磁场轴线一定的角度 δ而同步旋转.
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反应式同步电动机缺点: 反应式同步电动机缺点:功率因数较低 缺点
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同步电动机与感应电动机相比,其主要特点 同步电动机与感应电动机相比,其主要特点:
11.1 同步电动机的基本方程式和相量图
11.1.1 同步电机的可逆原理
同步电机的运行是可逆 的,既可以用作发电机,还 可以用作电动机. 同步电机运行于发电 发电 机状态时,如图所示. 机状态 转子磁极轴线超前定子 合成磁极轴线,δ>0 δ>0,电机 把机械能转变成电能. 电磁功率PeM和功率角 δ均为正值,励磁电动势E0 超前于电网电压U-δ角.
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第十一章 同步电动机和同步调相机
11.0 前 言
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11.1 同步电动机的基本方程式和相量图 11.2 同步电动机的启动 10.3 同步调相机 10.4 反应式同步电动机
前
言
同步电动机和调相机的转子一般都采用凸极结构,并在磁极的 极靴上装有起动绕组(即阻尼绕组). 1) 转速不随负载的变化而变化,而且有较高的功率因数(可 达到cosφ=1),特别在过励状态下,还可使功率因数超前, 从而提高了电网的功率因数. 2) 同步电动机的气隙较大,Xd较小,过载能力较高 (Km=2~3),静态稳定性好,且因为气隙大而使结构可靠性 提高,安装维护容易. 3) 在不需要调速而功率又较大的场合,如驱动大型的空气压 缩机,球磨机,鼓风机和水泵以及电动发电机组等,较多采 用同步电动机. 同步调相机只相当于空载运行的同步电动机,它不用来拖动 机械负载,而专门用来调节无功功率,提高电网的功率因数.
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PM 0
U2 1 1 =m sin 2δ D 2 Xq Xd
U2 1 1 T =m sin 2δ D Xq Xd 2ω1
电磁转矩是由于直轴和交轴磁路磁阻不等而使Xd和Xq不相等所 产生的,因此又称磁阻转矩 磁阻转矩
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隐极机: 隐极机:
& & & & U = E 0 + I D Ra + I D X t
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按照电动机惯例,把输出负电流看成是输入正电流即可, 其电动势方程: 电动势方程: 电动势方程
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& & & & & U = E 0 + I D Ra + jI dD X d + jI qD X q 凸极机: 凸极机: 同步电动机的功角特性与发电机的相似,用δM=-δ代替δ即可.
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过渡状态 逐步减少发电机的 输入功率,转子将瞬时 减速,δ角减小,相应 的电磁功率也减少. 当发电机的输入功率 只能满足空载损耗时,发 电机处于空载运行状态. 并不向电网输送功率
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电动机状态 继续减少发电机的输入功率,则δ和 Pem变为负值.卸动原 动机,电机从电网吸收功率满足空载损耗,成为空转的电动机. 电机轴上加上机械负载,负 负 值的δ增大,由电网向电机输入 值的δ增大 的电功率和相应的电磁功率增大, 转子磁极轴线落后定子合成磁极 轴线,转子受到驱动性质的电磁 转矩作用. 由同步发电机转变为同步电 动机时,功率角和相应的电磁功 率均由正值变为负值,电机由输 出电功率变为输入电功率,电磁 转矩由制动变为驱动.
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11.2 同步电动机的启动
同步电动机不能自行起动 假设定子磁场的运动方向由左向右,并在某瞬间转到图a 所示的位置,由图可见,此瞬间定子磁场和转子磁场相互作 用所产生的电磁转矩是推动转子旋转的;但由于转子具有转 动惯量,在此转矩作用下,并不可能立即加速到同步.于是 在半个周期以后(即1/100s以后),定子磁场向前移动了一 个极距,达到图b的位置,此时定子磁极对转子磁极的排斥力, 将阻止转子的转动.如此变化不已,可见转子上受到的平均 转矩为零
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11.3 同步调相机
同步调相机(或称同步补偿机) 同步调相机(或称同步补偿机)是专门发送无功功率的同 步电机,实质上是一台空载运行的同步电动机. 在电网的受电端接上同步调速相机,是减少线路中的损耗 和电压降,提高电网的功率因数,减轻发电机的负担的重要方 法. 受电端装有自动励磁调节的同步调相 机可以使各种工况下受电端的电压基本保 持不变.
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同步调相机的特点 1)调相机的额定容量指的是在过励状态下的额定视在功率. 2)由于转轴上不带机械负载,所以调相机的转轴比同容量的电 动机转轴细,没有过载能力的要求. 3)为了提高调相机提供感性无功的能力,励磁线圈导线截面较 大,但励磁损耗仍然很大,对通风冷却要求较高.
1 d
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当转子偏转角 δ=90°时,磁阻 虽最大,但磁力线 却未被扭曲,全部 磁力线沿转子交轴 方向穿过,如图d 所示,这时气隙磁 场又是对称分布, 故合成转矩又变成 零
当δ> 90°时, 转矩将改 变方向, 如图e所 示. δ=180° 时,转矩 又等于零
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11.1.2 同步电动机的基本方程式和相量图
按照发电机惯例,同步电动机可以看成是一台输出负的有功 功率的发电机,其电动势方程与发电机的方程相同,以隐极机发 电机为例: E = U + I R + jIX & & & &
0
=
+
a
+
t
发电机观点
电动机观点
等效电路
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同步电动机的电磁功率公式: 同步电动机的电磁功率公式:
E0U U2 1 1 PM = m sin δ D + m sin 2δ D Xq Xd Xd 2
同步发电机的过载能力,比整步功率所作的分析和结论,对 电动机也是完全适用的.在近代同步电动机中,其参数 Xd*=0.6~1.45,Xq*=1.0~1.4,额定功率角δDN=20°~30°, 过载能力Km=2~3.
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同步调相机的起动一般采用异步起动 法或辅助电动机法.选择起动方法时,首 先考虑限制起动电流,然后考虑满足起动 转矩的要求.
11.4 反应式同步电动机
反应式同步电动机是在没有直流励磁时的凸极式同步电动机. 反应式同步电动机 凸极同步电动机失去直流励磁时,主极磁通为零,由主磁 通所建立的电动势E0也就等于零,只产生附加电磁功率和相应 的附加电磁转矩
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相互吸引
相互排斥
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现代同步电动机多采用异步起动法来起动.它是通过在凸 极式同步电动机的转子上装置阻尼组和感应电动机的笼型绕组 相似,只是它装在转子磁极的极靴上,有时亦称同步电动机的 阻尼绕组为起动绕组.
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常用的起动方法有:辅助电动机起动法, 常用的起动方法有:辅助电动机起动法,变频起动法和异 步起动法.其中异步起动法应用最广泛. 步起动法
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反应式同步电动机转矩的产生可以用下图所示的简单模型来说 反应式同步电动机转矩的产生 明,图中N,S极表示电枢旋转磁场的磁极.
一个圆柱形隐极转子,因此当转子无 励磁时,无论其直轴和电枢旋转磁场 的轴线相差多大角度都不能产生切向 电磁力及电磁转矩.
凸极的反应式同步电动机的空转情况.由于电 动机的机械损耗可略去不计,故电动机产生的 电磁转矩T≈0,于是定子旋转磁转轴线与转子 磁极轴线重合(即δ=0),此时磁力线不发生 扭斜,空载电流近似为 U . 当电动机加上机械 X 负载时,则由于转矩不平衡,转子将发生瞬时 减速,于是转子的直轴(d轴)将落后于电枢 旋转磁场轴线一个角度δ