第2章同步电机.ppt

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1、第2章同步电机,同步电机的基本类型,汽轮发电机：高速，转子隐极式, 细长形 水轮发电机：低速，转子凸极式, 短粗形,同步电机的用途,同步电机主要用作发电机运行，把机械能转化成电能。向电网发出交流电，是同步电机最主要的运行方式 同步电动机可以通过调节励磁电流来改善电网的功率因数。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，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用 同步补偿机实际是一台接在交流电网上空载的同步电动机，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。,同步电机与异步电机的根本区别

2、是旋转的转子通入直流电流励磁,S,N,n,ea,eb,ec,If,三相同步发电机的基本工作原理,同步电机的额定值,同步电机的额定值有： 额定电压：是指在正常运行时，按照制造厂的规定，定子三相绕组上的线电压。电压的单位用V或kV表示。 额定电流：流过定子绕组的线电流 。 额定功率：是指在正常运行时，电机的输出功率 。 A：对于发电机而言：输出的是电功率。,B：对于电动机而言：输出的是机械功率。 相数m：一般m=3。 额定频率:我国额定工业频率规定 f N=50Hz. 额定转速：额定转速即为电机的同步速，在一定极数及频率时，它的转速是定值。 额定励磁电压 额定励磁电流,同步电机是交流旋转电机的一种

3、, 因其转速恒等于同 步转速而得名。,概 述,同步电机-n=ns(ns为同步转速） 异步电机-nns,交流旋转电机,旋转磁场的转速, 同步电机主要用作发电机，用来生产交流电能。现代 电力网中巨大的电能几乎全部由同步发电机提供。, 同步电动机多用在不需调速的场合。,同步电机的结构,1.定子部分,定子铁心：由导磁性能很好的硅钢片叠成导磁部分。,定子绕组：放在定子铁心内圆槽内导电部分。,机座：固定定子铁心及端盖，具有较强的机械强度和刚度。,定子和转子两大部分,同步电机的结构,1）三相绕组对称；,2）力求获得最大的电动势和磁动势；,对绕组的要求：,同步电机的结构,转子部分,转子铁心：由硅钢片叠成。,凸

4、极式,隐极式,同步电机的结构,同步电机的结构,同步电机的结构,9.1 同步电机的结构,10000kW水轮发电机转子,9.1 同步电机的结构,9.2 同步电机的工作原理,一. 同步电动机的转动原理,(1)电生磁：三相对称绕组通往三相对称电流产生圆形旋转磁场。,(2)电生磁：转子励磁绕组上通直流电，使转子铁心成为有固定磁极的电磁铁。,(3)异极相吸，同极相斥：转子受磁场力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转，将电能转化为机械能。,同步电机的工作原理,同步电机的工作原理,二. 同步发电机的基本工作原理,(2)电磁铁转动：原动机拖动转子以转速n旋转，形成旋转的磁场。,(1)电生磁：转子励磁绕组上通直流电

5、，使转子铁心成为有固定磁极的电磁铁。,(3)磁生电：旋转的磁场切割定子绕组而感应出交流电动势。,频率：,大小：,同步发电机必须需要励磁： 直流发电机 可控硅励磁 大容量场合不提倡永磁发电机。,发电机发出的交流电频率是50Hz,转速为500r/min。则此发电机有几对极？,同步电机的工作原理,常用的起动方法有以下几种： 异步起动法、辅助起动法、变频起动法。,1. 异步起动法,利用转子上的启动绕组产生异步转矩，使转子转动。,异步起动法,励磁绕组先不接直流电源。,同步电动机的起动,牵入同步：当起动速度接近同步转速时，再在励磁绕组中通入直流励磁电流，产生固定极性的磁场，定子旋转磁场与转子励磁的相互作用

6、，便可把转子拉入同步，结束起动过程。,同步电动机的起动,汽轮发电机转速高、离心力大(p=1,p=2)隐极式,四.同步电机的分类,水轮发电机转速低、极数多凸极式,四.同步电机的分类,一、隐极同步发电机的基本结构,汽轮发电机转子铁心的铣槽,二、水轮发电机结构,(1)立式水轮发电机,(2)卧式水轮发电机,(3)灯泡贯流式水轮发电机,10000kW水轮机转子,左江24MW发电机转子在吊装,三峡左岸水电站转子的安装,水轮发电机模型,发电机各主要部件尺寸,发电机定子总装配,VGS 发 电 机 定 子 铁 芯,发电机定子总装配,发电机定子绕组,发电机转子,发电机转子,无功功率的调节和V形曲线,电力系统，除了

7、要供给负载有功功率以外，还要供给负载大量的无功功率，电网的总无功功率由电网中全部发电机共同负担。,1.正常励磁：空载运行时，电枢电流 ，发电机既没有有功功率输出，也没有无功功率输出，此时电机励磁电流为正常励磁。,一、无功功率的调节,3.欠励磁(进相运行)：（保持原动机输出不变）减小励磁电流 ，发电机送出领先的无功电流，产生助磁电枢反应。,2.过励磁(迟相运行)：（保持原动机输出不变）增加励磁电流 ，发电机送出落后的无功电流，产生去磁电枢反应。,一、无功功率的调节,同步电动机无功功率的调节,一、无功功率的调节： 同步电动机的功率因数是超前还是滞后，和 发电机一样决定于励磁状态。 先看一下同 步电

8、动机的V型曲线，注意到： 1）过励时，电动机从电网中吸入超前的无 功电流， 2）欠励时，从电网中吸入滞后的无功功率电流， 显然，电动机的功率因数是可以通过改变励磁,电动机U形曲线,对于一个给定的有功功率输出就有一条U形曲线，有功功率越大，曲线向上移，因此可是以得到一簇“U”形曲线。特点如下：,发电机U形曲线,(1)每条曲线的最低点, cos=1 ,定子电流最小，且全为有功电流，这些点的连线向右倾斜；,表明要输出纯有功功率，必须相应增加励磁电流。,表明输出有功功率越多，维持稳定所需的励磁电流也越大。,而在其左方，发电机处于欠励运行状态，功率因数是超前的，发电机向电网输出容性的无功功率。,以cos

9、=1为基准的曲线右方，发电机处于过励运行状态，功率因数是滞后的，发电机向电网输出感性的无功功率。,(2)不稳定区域边缘：=90，连线向右倾斜;,(3)励磁电流从零开始增大时，定子电枢电流变化规律为先减小后增大。,同步功率随功率角而变化，且有一极限值Pmax，隐极式同步电机在额定运行时的功率角为N，则,N越小，则过载能力km愈大，从相量图可见，在一定的负载情况下，如要减少N就必须减小同步电抗xs。,1. 有功功率的调节,要改变发电机输出的有功功率，必须相应地改变由原动机输入的机械功率。,(1)从能量守恒观点来看有功功率,这个过程从能量守恒观点来看，发电机输出有功功率是由原动机输入的机械功率转换来

10、的。,cos =1时的励磁电流 If 称为正常励磁电流。 If 时正常励磁状态：只输出有功功率； If If ，过励状态： 输出有功功率和感性无功功率； If If ，欠励状态： 输出有功功率和容性无功功率。 可见，调节励磁电流就可以调节同步发电机的无功功率。,三种状态相比，欠励状态下功率角较大，同步电机稳定性差，90时为不稳定区，欠励区域靠近不稳定区，因此同步电机一般不宜在欠励状态下运行。,同步发电机,三、同步补偿机,同步补偿机：实际上是一台空载（过励）运行的同步电动机，用于向电网输出无功功率，改善电网功率因数。,特点：无原动机拖动，无机械功率输出 过励运行，输出感性无功功率 机械结构要求低

11、 极数少，转速高，气隙小，提高材料利用率 安装在用户端,发电机的功用,二、发电机的分类,汽车用发电机可分为直流发电机和交流发电机，交流发电机在许多方面优于直流发电机，直流发电机已被淘汰，目前所有汽车均采用交流发电机，交流发电机按照不同的分类方法分为以下几类：,第二章 交流发电机及调节器,发电机插图,(2)风扇： 1)作用：在发电机工作时强制进行抽风冷却。 2)材料：一般用1.5mm钢板冲制或用铝合金压铸。,交流发电机的构造,五、带轮与风扇 (1)带轮： 1)作用：通过皮带将发动机的动力传给发电机。 2)材料、类型与定位方法：由铸铁或铝合金制成，分单槽和双槽两种，与风扇共用一个半圆键和转子轴连接

12、，用弹簧垫片和螺母紧固。,交流发电机发电原理图,中性点作用,带有中性点接线柱的发电机可用中性点电压来控制各种用途的继电器。 有的发电机没有中性点接线柱，但是也把中性点电压充分的利用了（如夏利、桑塔纳发电机），这些发电机在中性点处接上两只整流二极管，和三相绕组的六只整流二极管一道输出，可提高发电机功率。,交流发电机一般由转子、定子、皮带轮、风扇、整流器、前后端盖和电刷组件等部分组成。 JF132型交流发电机组件图见图,交流发电机的构造,一、转子 1.功用：转子的功用是产生旋转磁场。 2.组成：转子由爪极、磁轭、磁场绕组、滑环、转子轴组成。,交流发电机的构造,二、定子（电枢） 1.功用：定子是用来

13、产生交流电的。 2.组成：定子由定子铁芯和定子绕组组成。,整流器电路,一、转子,转子的功用是产生旋转磁场。 转子由爪极、磁轭、磁场绕组、集电环、转子轴组成，见图。,转子结构图,转子,转子轴上压装着两块爪极，两块爪极各有六个鸟嘴形磁极,爪极空腔内装有磁场绕组 (转子线圈)和磁轭。 集电环由两个彼此绝缘的铜环组成，集电环压装在转子轴上并与轴绝缘，两个集电环分别与磁场绕组的两端相连。,整流器,交流发电机整流器的作用是将定子绕组的三相交流电变为直流电 6管交流发电机的整流器是由6只硅整流二极管组成三相全波桥式整流电路 6只整流管分别压装（或焊装）在两块板上。,整流器电路,二极管安装示意图,整流管的安装

14、,在正整流板上有一个输出接线柱B（发电机的输出端）。 负整流板上直接搭铁。负整流板上一定和壳体相联接。 整流板的形状各异，有马蹄形、长方形、半圆形等见图,整流管的安装,五、磁场绕组的内搭铁型和外搭铁,内搭铁型发电机：磁场绕组负电刷直接搭铁的发电机（和壳体直接相连）。外搭铁型发电机：磁场绕组的两只电刷都和壳体绝缘的发电机。 外搭铁型发电机的磁场绕组负极（负电刷）接调节器，通过后再搭铁。,磁场绕组的内搭铁型和外搭铁,六、8管交流发电机,8管交流发电机（如夏利车用）和6管交流发电机的基本机构是相同的，所不同的是整流器有8只硅整流二极管,8管交流发电机,其中6只组成三相全波桥式整流电路，还有2只是中性

15、点二极管，1只正极管接在中性点和正极之间，1只负极管接在中性点和负极，对中性点电压进行全波整流。 试验表明：加装中性点二极管的交流发电机在结构不变的情况下可以提高发电机的功率10%15%。之间。,9管交流发电机,9管交流发电机的基本结构和6管交流发电机相同，所不同的是整流器。9管交流发电机的整流器是由6只大功率整流二极管和3只小功率励磁二极管组成的交流发电机。,9管交流发电机,其中6只大功率整流二极管组成三相全波桥式整流电路，对外负载供电 3只小功率管二极管与三只大功率负极管也组成三相全波桥式整流电路专门为发电机磁场供电。所以称3只小功率管为励磁二极管。,11管交流发电机,11管交流发电机的整流器由8只大功率整流二极管（其中2只中性点二极管）和3只磁场二极管组成。其它结构和6管交流发电机相同。,11管交流发电机,11管交流发电机的整流器，相当于9管交流发电机的整流器加2只中性点整流管。 由于11管交流发电机既能提高率又使充电指示灯电路简化，因此应用较广。,第一节 交流发电机的构造,三、整流器 1.作用：将定子绕组的三相交流电变为直流电。 2.组成：6管交流发电机的整流器是由6只硅整流二极管组成三相全波桥式整流电路。 3.结构：6只整流管分别压装（或焊装）在两块板上。,