第六章同步电机

1、1第六章第六章 同步电机同步电机 一、 三相异步电动机同步运行和同步电动机的工作原理 1、理由 转子电流既可感应产生，也可由传导产生 2、实现方法第一节 三相同步电动机2 如图 3、原理分析 Iax=Iyb+Izc Iyb=Izc=Iby =Icz = Iax 交流电流t=0时 iax=Imcost=Imcos0=Im iby=Imcos(t120)=Imcos120= Im icz=Imcos(t+120)=Imcos120= Im212121直流电流磁场与交流 电 流t=0建立的磁场相同3转子绕组作转子绕组作“两并一串两并一串”联接，联接，并且通入直流后所建立的磁动并且通入直流后所建立的磁

2、动势和磁场的基波分布图势和磁场的基波分布图axmiIby12miI cz12miI 4 注：异步电动机的同步运行可看做异步电动机的一种特殊状态，s=0，f2=0。 结论：采用双边励磁的方式可以实现异步电动机的同步运行55.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构一、主要部件一、主要部件1. 定子（电枢）定子（电枢）2. 转子转子由硅钢片叠成。由硅钢片叠成。对称三相绕组。对称三相绕组。(1)定子铁心：定子铁心：(2)定子绕组：定子绕组：(3)机座和端盖等。机座和端盖等。(1)转子铁心：转子铁心： 由整块铸（锻）钢制成。由整块铸（锻）钢制成。(2)励磁绕组：励磁绕组： 工作时施加直流励磁。

3、工作时施加直流励磁。(3)阻尼绕组和转轴等。阻尼绕组和转轴等。阻尼绕组阻尼绕组第第5章章 同步电机的基本理论同步电机的基本理论二、励磁方式二、励磁方式1. 直流励磁机励磁直流励磁机励磁 励磁绕组由小型直流发电机供电。励磁绕组由小型直流发电机供电。2. 静止整流器励磁静止整流器励磁 交流励磁机交流励磁机整流整流直流电直流电3. 旋转整流器励磁旋转整流器励磁 交流励磁机交流励磁机整流整流直流电直流电励磁绕组。励磁绕组。电刷电刷集电环集电环励磁绕组。励磁绕组。 5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构1. 按能量转换的方式不同：按能量转换的方式不同： 同步发动机、同步电动机。同步发动机、

4、同步电动机。2. 按相数的不同按相数的不同: 三相、单相。三相、单相。3. 按转子结构的不同：按转子结构的不同：隐极式、凸极式隐极式、凸极式。三、主要种类三、主要种类NS+3 3 +NS5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构凸极式凸极式隐极式隐极式V1V2W2W1U1U2NS直轴直轴交交轴轴励磁机励磁机发电机发电机水轮机水轮机 卧式、立式。卧式、立式。5. 按原动机的不同：按原动机的不同： 汽轮发电机、水轮发电机。汽轮发电机、水轮发电机。4. 按安装方式的不同：按安装方式的不同：5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结

5、构小浪底电站水轮机组安装小浪底电站水轮机组安装5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构三峡电站首台机组安装三峡电站首台机组安装5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构水力发电水力发电5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构火力发电厂火力发电厂励励磁磁机机发发电电机机汽汽轮轮机机5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构燃燃烧烧室室燃燃料料锅炉的锅炉的炉膛炉膛循环水循环水汽轮机汽轮机发电机发电机3 000 r/min升压变升压变压器压器超热高压蒸汽超热高压蒸汽电能输出电能输出电能的产生电能的产生5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构 热

6、电厂热电厂1 煤传送带煤传送带2 加煤机加煤机3 粉碎机粉碎机4 锅炉锅炉5 煤渣煤渣6 空气预热器空气预热器 7 静电除尘静电除尘8 烟囱烟囱9 汽轮机汽轮机10 冷凝器冷凝器11变压器变压器12 冷却塔冷却塔13 发电机发电机14 输电线输电线5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构三相同步电机三相同步电机5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构 更多的图片更多的图片 三相同步电机三相同步电机5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构 更多的图片更多的图片 同步发电机同步发电机5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构 更多的图片更多的图片 小型

7、同步电机小型同步电机5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构 更多的图片更多的图片 22 三、电动势平衡方程式及相量图 1、磁动势种类及特点 Fa+Ff 两者无相对运动 负载时合成气隙磁场会发生变化 2、运行分析 分析方法：叠加原理磁路线性气隙大 电磁关系： 转子-励磁 定子-电枢23 电动势平衡方程式 电枢反应电抗Xa 与漏抗 X合并用同步电抗Xt 表示。 Xt= X+ Xa 相矢图：如右图aaaaRIXI jXI jERIEEEU00不计凸极效应时同不计凸极效应时同步电动机矢量图步电动机矢量图24 3、凸极效应 分析方法：考虑到凸极效应，为了便于分析，采用所谓双反应理论，即把电

8、枢磁动势矢量 Fa 分解成d分量和q分量。凸极式同步电凸极式同步电动机的矢量图动机的矢量图 前提：线性 电磁量的分解：qdIIIaqadaFFFaddadXI jEaqqaqXI jE25 凸极同步电动机电动势平衡方程式 直轴同步电抗Xd=Xad+X 交轴同步电抗Xq=Xaq+XaqadaFFF凸极式同步电动机凸极式同步电动机的电枢磁动势分布的电枢磁动势分布波及其磁密分布波波及其磁密分布波aqqddRIXI jXI jEU026 四、运行特性 定义：在U=UN，If=常数的情况下，Te、I、cos、n与输出功率P2之间的关系，即Te=f(P2)、I =f(P2) 、cos=f(P2) 、=f(

9、P2) 、n=f(P2) 。 但仅有以上描述不足，须有以下才能全面了解同步电动机的运行特性 （一）功角特性和V 形曲线 1、功角特性 功率与电磁转矩：P1=Pe+pcua Pe=P2+(pFe+pmech+p)= P2+ p0 Te= T2+ T0 pcua为定子铜耗s与n无关27 功角特性表达式： 忽略定子电阻，有 PeP1=mUIcos mUIcos() =mUIcoscos+ mUIsinsinsincos0UxIUExIqqdd考虑凸极效应，不计定子电阻考虑凸极效应，不计定子电阻的同步电动机电动势相量图的同步电动机电动势相量图20e11sinsin22dqdUEUPmmXXX eePP

10、 20e11sinsin22dssqdUEUTmmXXX eeTT 附加分量基本分量28 为功率角 为内功率因数角 为功率因数角 （或 ）称为基本分量； （或 ）称为附加分量； 功角特性图：当电源电压U=UN ，励磁电流不变时，同步电动机的电磁功率（或电磁转矩）与功率角的关系如右图所示。eP ePeT eT29 附加分量产生的原因 A.结构须为凸极式 B.旋转磁极的磁回路总是经过磁阻最小的路径30 功率角的范围 A.空载运行时 P2=00sin0etsUETmX 0eMtsUETmX理想空载理想空载电动机运行电动机运行p0=0sin00 B.负载运行时 P2 Pe 当=90时电磁转矩最大值 （

11、隐极式） 当P2 90时电机停转 =259031 由Pe和Te的计算式改变If，可以改变Pe和Te 负载突增时，增加If，提高电机的稳定性，避免失步 2、V形曲线 定义：当电源U=UN、f=fN，在输出功率P2=不变时，调节励磁电流If ，定子电流I 会相应地变化，I=f(If) 曲线形状像英文字母V，称为V 形曲线。 产生原因：恒功率、变励磁、不恒功率、变励磁、不计凸极效应时同步电计凸极效应时同步电动机的电动势相量图动机的电动势相量图 A.简化相量图：如右图 B.电磁关系： P1=mUIcos=m sin =常数 Icos=常数， E0sin =常数tXUE03233 在If=If1时， I

12、f0E0 I ，但Icos=常数 超前 If0E0 I ，但Icos=常数 滞后 结论：改变If ，可改变cos的大小和性质E0sin =常数34 （二）转速特性及起动步骤 1、从功角特性分析同步运行原理 =(s)t+0 平均转矩：02002sin112sintXXUmtXUEmTsdqsssde无平均电磁无平均电磁转矩的情况转矩的情况 00TeeavdttTT35与其它起动方法。机不能起动。必须借助转矩，电能产生恒定方向的电磁场有相对运动，所以不与转子磁网，这时定子旋转磁场励磁电流后直接投入电动机通入换。如将静止的同步电稳定地实现机电能量转磁转矩，止时，才能得到平均电与转子旋转磁场相对静旋转

13、磁场而产生的。只有在定子与转子磁场的相互作用转磁场是由定子电流建立的旋同步电动机的电磁转矩36备多，操作复杂。空载起动，而且所需设，这种方法只适合于并切断辅助电动机电源电源）将其投入电网，（自整步：给励磁，合然后用自整步法动至接近于同步转速，助电动机将主机拖为辅助电动机，先用辅）作机的电动机（容量一般为主极数相同的异步通常选用与同步电动机辅助电动机起动%15%5. 137转速。额定上升而同步上升，直至随定子旋转磁场的转速速将至额定频率，则转子转动旋转，然后逐渐上调子起的频率尽量调低，使转通入励磁且把定子电源组即在开始起动时，转子绕而是由变频电源供电，网，中，定子不是直接接电起动的方法。起动过程

14、矩磁场转速，利用同步转这是一种改变定子旋转变频起动. 238牵入同步。可以用自整步法将电机，就速，此时，再加入励磁并不断加速至接近同步转矩，产生使转子转动的异步定子接通电源时，便能，当称为阻尼绕组），因此型绕组的起动绕组（通笼上装有类似于异步电机同步电动机多数在转子异步起动. 339 2、起动过程 起动存在的问题：起动时转速是变化的，同步电动机在同步转速状态下才有平均电磁转矩 解决方法：采用异步起动法，依靠转子磁极的笼型绕组 起动步骤：如图 A.将励磁绕组接入Rt B.定子接入交流电源 C.转速上升到95%ns时将励磁绕组换接到励磁电源 注：起动时励磁绕组既不可开路也不可短路同步补偿机（调相机

15、） 同步补偿机，也称同步调相机，是一台不带机械负载的同步电动机，专门用于发出（吸收）无功功率。一、两种运行方式一、两种运行方式IU1.过励过励： 领先于领先于 ，吸收容性无功功率，即发出感性，吸收容性无功功率，即发出感性无功功率。无功功率。UI2.欠励欠励： 落后于落后于 ，吸收感性无功功率，吸收感性无功功率。过励、欠励时过励、欠励时-空矢量图（空矢量图（按照电动机惯例按照电动机惯例 ） d轴 q轴0EIUSjIX过励状态，电动机吸收容性无功欠励状态，电动机吸收感性无功 d轴 q轴0EIUSjIX二、用途1受控补偿 （1）当负荷较大时，为了改善功率因素，同步补偿机应过励运行.（2）当电网负荷很

16、轻时，高压长输电线路将呈现较大的电容作用，使受端电网电压升高，此时，同步补偿机应运行在欠励状态，吸收电网中多余的无功功率。2、中间补偿 （1）0sin()E UPpuX（2）当）当 时对稳定有利，因为时对稳定有利，因为 ， 角减小，稳定角减小，稳定 提高提高X0E UX（3）当保持原过载能力时，输送的功率将增大。）当保持原过载能力时，输送的功率将增大。（4）中间加补偿机相当于线路的）中间加补偿机相当于线路的 减小，提高了稳减小，提高了稳定性或增加输出。定性或增加输出。X升压变压器升压变压器变变压压器器降压变压器降压变压器调相机调相机发电机发电机 因不带机械负载，补偿机转轴可以比细因不带机械负载

17、，补偿机转轴可以比细.由于没有稳定问题，短路比由于没有稳定问题，短路比Kc 可较小，可较小，Xd大，大，使得气隙较小，励磁也较小，转子用铜量少使得气隙较小，励磁也较小，转子用铜量少. 额定容量对应过励而言额定容量对应过励而言. 也存在起动问题，一般利用异步起动，加起动绕也存在起动问题，一般利用异步起动，加起动绕组组。三、特点 水电站在枯水期间，水轮发电机可作调相运行水电站在枯水期间，水轮发电机可作调相运行 在同时有水轮机和汽轮发电机的电网，丰水期间，在同时有水轮机和汽轮发电机的电网，丰水期间，水轮发电机发有功功率，汽轮发电机作调相机运水轮发电机发有功功率，汽轮发电机作调相机运行。行。四、说明4

18、6第二节 无换向器电动机自控式同步电动机 特点：频率闭环控制的同步电动机，若是永磁铁励磁，则称为无刷直流电机 一、一、自控式同步电动机运行方式分类分类 1、交-直-交系统的自控式同步电动机 构成：主要由同步电动机+可控整流器+逆变器+位置检测器+控制线路等 工作原理：交流电源直流电交流电电机转动47 2、交-交系统的自控式同步电动机 构成：主要由同步电动机+变频器+位置检测器+控制线路等 工作原理：50Hz交流电源其他频率交流电电机转动48 二、工作原理 1、类比 自控式同步电动机可看做是定、转子位置互换的直流电动机 理由：自控式同步电动机转子采用直流励磁；定子通过逆变器(变频器)供电，转轴上

19、的位置传感器测定定子和转子磁场和位置，以控制电力电子开关元件的通断保证定子脉冲步进磁动势（即电枢磁动势）与转子磁动势（即励磁磁动势）同步转动。 直流电动机定子励磁，而转子绕组内的电流是49 交流电流，而且转速不同时 其交变的频率不同，且两者产生的磁动势始终垂直，如右图 假想：将磁极装在转子上，电枢绕组和换向器装在定子上，如下图。直流电动机工直流电动机工作原理示意图作原理示意图有最大电有最大电磁转矩磁转矩无电磁转矩无电磁转矩有最大电有最大电磁转矩磁转矩反装电动机50 图a中电磁转矩为最大值，磁极沿反时针方向转动 图b中无电磁转矩 但若电刷和磁极同时旋转，那么电机将继续旋转 故自控式同步电动机可看

20、做是定、转子位置互换的直流电动机，只是用晶闸管与位置检测器代替了换向器和电刷。 自控式同步电动机实质是以电子换向代替机械换向。磁极也可采用永磁磁极51 2 、 工 作 分析 选择t=0， t=120， t=240， t=360时分析电机转动52第三节第三节 其他同步电动机其他同步电动机 一、磁阻同步电动机 1、结构 转子凸极式，无励磁绕组，圆柱形，由钢片和非磁材料镶嵌而成，如图53 2、工作原理 工作时气隙磁场沿钢片进入转子直轴磁路，故XdXq 3、特点 结构简单、成本 低廉、运行可靠211sin22esqdUTmXX磁阻同步电动机磁阻同步电动机的电动势相量图的电动势相量图54 二、永磁同步电

21、动机 采用永磁体励磁的同步电动机 1、转子结构问题 结构形式众多，多采用埋藏式或内藏式，不采用凸极式涡轮式涡轮式串并联式串并联式纵向式纵向式横向式横向式永磁同步电动机的转子结构图永磁同步电动机的转子结构图55 2、磁路与参数问题 转子结构形式不同磁路组成部分各异永磁体为横向结构的永磁同步电动机磁路示意图永磁体为横向结构的永磁同步电动机磁路示意图56 磁通路径：N极软铁极靴套环的磁性材料段气隙定子铁芯套环的磁性材料段软铁极靴S极 参数关系：在稀土永磁电机中，永磁体的导磁性能近似于空气，故直轴Xd较小，在q轴磁路中主要为软铁极靴和套环的磁性材料段，Xq较大， XdXq 3、起动问题 特点：永磁同步

22、电动机运行时总存在励磁，永磁体磁场与旋转磁场同时运行，但启动时非同步运行571异步转矩异步转矩2发电机制动转矩发电机制动转矩3磁阻转矩磁阻转矩4合成转矩合成转矩 起动转矩的种类：叠加原理 永磁体磁场作用于定子绕组，产生电动势和电流，频率为(1-s)f1，为发电机制动转矩 两轴磁阻不等，将在定子绕组中产生频率为(1-2s)f1电动势和电流，为磁阻转矩 笼型绕组提供的异步起动转矩步进电动机一、概述：混合式步进电机永磁式步进电机反映式步进电机分类：式有关转向和脉冲的给出的方脉冲数角位移转过一个角度一个脉冲信号角位移输出将输入的脉冲电信号功能：对应 下面介绍反应式步进电动机 步进电动机二、基本结构：

23、：片叠成由硅钢，定子磁极极靴宽度相等转子：转子齿。齿宽与极上。两磁每一相绕组绕在相对的即，相对的励磁绕组为一相组，每个磁极上套有控制绕定子磁极数相数定子 262mm 步进电动机三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）设表示、分别用：转子齿数表示、分别用：定子磁极相数4321 4CBACBA 623mm 步进电动机三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 磁力线分布磁轭磁极、AA轴线重合。、转子齿，即正对和转子齿正对和转子齿AA31A3A1运行过程分析：. A相通直流脉冲信号，B、C相绕组不通电：如图示： 步进电动机三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 轴线重合。、转子齿即

24、AA31运行过程分析：. A相通直流脉冲信号，B、C相绕组不通电：说明：若二者轴线开始不重合，小的路径磁力线力图通过磁阻最、AA转子将受到磁阻转矩（即反应转矩）的作用，使转子转到轴线重合的位置。 步进电动机三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 轴线重合。、转子齿即AA31运行过程分析：. A相通直流脉冲信号，B、C相绕组不通电：说明：反应转矩：又称磁阻转矩， 不同于电磁转矩；反应转矩的作用：一方面可带动转子转动，另一方面，又可防止转子自由转运。分析。 步进电动机三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 轴线重合。、转子齿即AA31运行过程分析：. A相通直流脉冲信号，B、C相绕

25、组不通电：说明：图中位置转子只受到径向力作用，反映转矩为零。运行过程分析：.A、C相绕组断电，B相加脉冲信号，如图 步进电动机三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距） 切换瞬间，磁力线以B相磁极轴线对称分布，如图。 32B 14B的距离要近过转子齿和转子齿的距离要近过转子齿和转子齿轴线不重合、此时通过磁力线力图沿24BBB42B磁阻最小使轴线重合 因产生反应转矩使转子逆时针转过30所以运行过程分析：.B、A相绕组断电，C相加脉冲信号，如图 步进电动机三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）切换瞬间，磁力线以C相磁极轴线对称分布，如图。C13C31CC、磁力线路径：类似上述分析，可知

26、转子又转过30使轴线重合。运行过程分析：. C、B相绕组断电，A相加脉冲信号，如图 步进电动机三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）切换瞬间，磁力线以A相磁极轴线对称分布，如图。A24A42AA、磁力线路径：类似上述分析，可知转子又转过30使轴线重合。运行过程分析： 步进电动机三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）结论：（1）.ACBA 按顺序轮流加电脉冲（2）若改变通电顺序，转子转向改变。信号，则转子齿按逆时针方向一步步地转运。 步进电动机三、工作原理： 利用反应转距（不同于电磁转距）2、基本概念：一拍：控制绕组从一种通电状态切换到另一种通电状态，称为一拍。即改变一次通电方式为一拍。步距角：每一拍转过的角度。s三拍：经过三次通电状态的转换完成一次通电状态的循环。转过一个转子齿对应的空间角度。三相：定子有三相绕组。单：每次只有一相绕组通电。双