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德国人怎么学电机——浅谈电机模型(十四):同步电机(一)隐极电机

作者:音曼顿 浏览: 发表时间:2022-07-27 10:32:43


本质上,同步电机的定子结构与异步电机相同。折叠槽上缠绕线圈,通入交流电后可产生同步转数旋转磁场。与异步电机最不同的是,线圈通向直流电励磁或永磁体励磁将布置在转子上。与转子相比,励磁产生的磁场是静止的。与固定定定子相比,转子和转子磁场的转速为。

只有当定子与转子基波的圆周速度相匹配时,才能满足上述旋转磁场中提到的恒定扭矩的频率条件。同步电机的转子必须与定子旋转磁场同步。


只有这样,转差率为0,转矩才不会横生摆动(Pendelmoment)。常见的同步电机有以下常见的结构:隐极旋转磁极电励磁(Vollpolrotor),凸极旋转磁极电励磁(Schenkpolrotor),永磁励磁结构(Per ** nent)。

根据同步电机的类型,有自己的应用场合。电励磁同步电机一般用作发电机(可达1300MVA),作为制造业领域的大功率(500-1000kW)机床、液压泵、传动带的动力源。凸极可用作低速驱动和发电机,隐极适用于高速驱动和发电机。永磁电机适用于伺服电机,广泛应用于机床、风扇和电动汽车领域。


励磁是同步电机与直流电机的交集。与电励磁直流电机正好相反,同步电机的励磁绕组一般都在转子上,所以要引入电流,就要用滑环和电刷。或无刷励磁,通过连接整流器的三相电绕组,感应励磁电压。绝大多数同步电机转子上都有一个";阻尼绕组"(D?mpferwicklung),用于提高电机的动态性能,阻碍摆动扭矩,同步电机自启动也可通过电网实现。同步电机的间隙允许大于异步电机,因为电机可以通过转子上的励磁直接实现,而不需要定子侧吸收的无功功率来构建磁场。


沿着电枢圆周,隐极电机的气隙是恒定的。它的工作方式有点像异步电机中的绕线转子电机。转子侧有两个滑环,通过电刷与定子电路连接,用于直流。一个特别典型的隐极转子同步电机的例子是汽轮机驱动的二极涡轮发电机。为了避免高速旋转时巨大的离心力,经常使用大量锻钢压成的整体细长转子。转子表面的槽内分布着励磁绕组,约占2/3圆周。无刷同步电机励磁系统也可以使用由外部极同步电机(即类似直流电机、定子励磁、转子进入三相交流电)和带有旋转整流电路的励磁同步电机组成的无刷同步电机励磁系统。涡轮电机的冷却可直接用水或氢冷却热绕组。


隐极电机模型


现在我们开始调查它的电机模型。它的电角,机械角度,隐极转子角,电角速度和机械角速度,则有


恒定的励磁电流将通入励磁绕组。


由于励磁电流会产生相对转子静态的磁动势,因此有恒定的励磁磁场不会随时间变化。



转子转子周围槽中的磁化安匝积分,将得到总磁动势分布。傅里叶可以扩展这些方形分布波形。首先,我们只考虑基波波形(Grundwellen)。


转子励磁绕组因数总合成在基波上这取决于磁场的形状,即励磁绕组的布局。根据惯用励磁绕组的均匀分布,占2/3极宽。因此,有转子系统的磁动势和磁通密度


在稳态工作中达到同步转数,即电角速度和机械旋转速度一样,转子角度


坐标转子角度转换为定子坐标,因此,定子坐标上的转子磁场


这里首先考虑同步电机的电机特性,采用消耗箭头系统(Verbraucherz?hlpfeil-system),假设间隙宽度恒定,磁饱和和磁损可以忽略,高谐波只表现为漏磁。三相定子线束上的电流对应三相(U,V,W)


有定子电压方程


定子线圈上的所有磁链都包含定子电流产生的自感磁链,定子漏磁产生的几何结构和高次谐波,转子和定子耦合磁链。


除了耦合磁链是由转子电流产生的,所有其他成分的磁链都可以与前几章的异步电机用定子电流相比


由转子励磁电流产生的耦合磁链可以通过积分获得


因此,磁链对应三个部分的感应电压分别是


结合上述所有类型,使用相量表示转子和定子的初始差异有


为了简化,将耦合磁链的转子电流转化为定子上的虚构电流相量


虚构电流也产生相应的感应电压,称为极轮电压(Polradspannung)


极轮电压的角度称为极轮角。

从电感到电抗表示,则进一步简化


同步电机的转子电路相对简单,只有直流电


与电抗相比,定子的欧姆电阻足以忽略不计。

隐极电机等效替代电路图

极轮的总磁动势和定子电流创造的合成气隙磁场感应到总电压


隐极同步电机的相量图也可以通过定子电压方程得到。极轮角(也称负载角)(Lastwinkel)) 励磁电流的励磁强度可以描述,因为它会影响同步电机。当电机带有外部机械负载时, 与空载相比,作为发电机。


当在定子电路上直接测量极轮电压。如果在空载的同步转数时,改变励磁电流,励磁电流电压的空载特性曲线。由于铁芯磁饱和,更高的励磁电流会出现非线性关系。


负载时,电机的磁饱和状态与合成的总磁动势成正比。该磁动势可以通过定子电流和转子励磁电流进行调整,实际上是磁化电流。可通过空载曲线提取,这样就可以确定主电抗,极轮电压也可以计算。

空载励磁电流为同步转数空载时,空载定子电压为


此时,如果同步电机定子电路短路,电路暂态响应消失后,空载短路电流稳定


因此,可以引入重要的电机参数短路比描述空载短路关系


隐极电机功率和转矩

隐极电机的扭矩也可以根据异步电机的功率平衡找到。同步电机将从定子侧的电网中吸收有效的电力,定子电压的角度是定子电流滞后


可以计算代入电压方程


所以定子铜损是可以知道的,剩余的是气隙功率


电机输出机械功率包出在电机轴上的机械功率 以及各种摩擦损失功率


同步速度时,转差率,因此,转子电路没有功耗,旋转磁场的气隙功率等于机械功率


可以找出内生转矩


因此,如果要求扭矩,必须首先确定定子电流。设定子短路阻抗为


共轭电流为


和一起代入等式,找出转矩


在大型电机中,电路电阻可以忽略不计,即,所以有最终的表达式


随着负载角的变化,同步电机的输出扭矩只发生了变化内部可以稳定工作,但在获得最大转矩。如果,同步电机作为电机工作,作为发电机工作。在实际工作中经常得到,当负载角超过时当转矩输出超过最大转矩输出时,电机不再同步或称为"失步"。如果是电机,如果是发电机,失去后会打滑。这会产生电流尖峰和强摆动扭矩,因此电机必须尽快从电网中断电。


我们希望电机具有足够的超载能力和超载系数描述。由于气隙较大,意味着需要较大的短路比。 隐极电机电流极限圆


当同步电机作为电机从电网中获得能量时,由于负载不同,其吸收功率也不同。恒定电网输入电压(频率不变,恒定励磁电流,忽略电阻和磁饱和,我们继续调查定子电流


显然此时定子电流只与负载角,即外加负载,有直接关系,使用之前的空载短路电流实际励磁工作时获得的短路电流,也可以重写定子电流表达


不难看出,复平面上的形状是一个圆,即隐极电机的电流极限圆。所以励磁电流决定了大小即电流极限圆的平移量。圆心的半径由定子电压和电抗决定。相量 与虚轴的夹角是负载角,所以如果相量 电机实际大于零,反之亦然。虚拟电流的大小与励磁电流有关。


若定子电流落在极限圆内,然后表现为“欠励磁”,电动机吸收感性虚电流;若定子电流落在极限圆上,然后,当无外力空载时,电机只吸收或发出无功功率,处于一种“移相”的工作状态;若定子电流落在极限圆外,则表现为过励磁


然而,定子电流不能落在极限圆上的任何位置,实际位置也有限,如励磁电流和定子电流不得超过额定值:。否则,如果电流过大,转子和定子就会过热。其次,电机的有效功率来自定子电流的实际部分,必须在稳定范围内工作:。最后,将所有约束的定子电流范围添加到下图中定的区域。


如果要使同步电机接入电网而不产生过大的电流冲击和周期性扭矩摆动,则必须确保电机的稳定同步运行。同步电机的同步条件为:


本章主要介绍了同步电机的基本知识,重点介绍了隐极电机的一系列常见特性。


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