电机与拖动技术项目化教程 课件 项目四　同步电机的应用

同步电机的结构与工作原理Thestructureandworkingprincipleofsynchronousmotors同步电机的铭牌NamePlateofsynchronousmotorcontents目录同步电机的基本结构Basicstructureofsynchronousmotor同步电机的工作原理Theworkingprincipleofsynchronousmotors一、同步电机的基本结构基本结构包括：定子、转子、气隙。定子铁芯机座

电枢绕组

定子(电枢)磁极

转轴

励磁绕组

转

子旋转磁极式同步电机的转子有凸极和隐极两种结构形式二、同步电机的基本结构汽轮发电机：一、同步电机的基本结构定子铁心：硅钢片叠制而成

国产200MW汽轮发电机定子铁心机座：钢板焊接而成，有足够的强度和钢度。二、同步电机的基本结构汽轮发电机：一、同步电机的基本结构电枢绕组：三相对称绕组，由铜线制成。汽轮发电机定子绕组端部结构照片冷却水软管冷却水汇流管二、同步电机的基本结构汽轮发电机：一、同步电机的基本结构转子铁心：采用整块的含铬、镍和钼的合金钢锻成励磁绕组：铜线制成护环：保护励磁绕组受离心力时不甩出中心环：支持护环，阻止励磁绕组轴向移动滑环：引励磁电流经电刷、滑环进入励磁绕组二、同步电机的基本结构同步发电机同步电动机同步调相机额定容量发电机出线端的额定视在功率（KVA）转轴上输出的有效机械功率（KW）调相机出线端输出的无功功率（KVar）额定功率发电机输出的额定有功功率（KW）二、同步电机的铭牌同步电机的额定值（名牌值）由以下几种：1.

额定容量SN

或额定功率

PN

2.

额定电压UN是指同步电机在额定运行时其定子三相的线电压3.

额定电流IN是指同步电机在额定运行时流过其定子绕组的线电流7.

额定励磁电压和额定励磁电流是指同步电机额定运行时加到励磁绕组上的直

流电压和电流。

6.

额定转速

和额定频率

是指同步电机额定运行时的转速（r/min）和定子绕组中电流

与电压的工作频率（Hz）。5.

额定效率

是指额定运行时的效率。4.

额定功率因数是指同步电机在额定运行时的功率因数二、同步电机的基本结构二、

同步电机的铭牌同步发电机额定值之间关系为：同步电动机额定值之间关系为：同步电机的物理模型三、

同步电机的工作原理同步发电机的基本工作原理一、同步电机的原理1、定子上：三相绕组，空间互差1200电角度，匝数相等2、转子上：If,由转子N极出来气隙定子铁心气隙转子S极3、原动机n逆时针恒速旋转定子上导体切割磁力线产生E1、定子上：三相绕组，空间互差1200电角度，匝数相等，通入三相交流电，形成旋转磁场2、转子上：If,在转子上形成N、S极3、转子磁极在旋转磁场的作用下，产生旋转力矩同步电动机的基本工作原理三、

同步电机的工作原理一、同步电机的原理U2U1W2V1W1V2发电机的物理过程三、

同步电机的工作原理一、同步电机的原理U2U1W2V1W1V2电动机的物理过程SN三、

同步电机的工作原理同步电机大多用在大型发电机的场合。而异步电机则几乎全用在电动机场合。同步电机可以通过励磁灵活调节输入侧的电压和电流相位，即功率因数；异步电机的功率因数不可调，一般在0.75-0.85之间，因此在一些大的工厂，异步电机应用较多时，可附加一台同步电机做调相机用，用来调节工厂与电网接口处的功率因数。同步电机造价高，维护工作量大，现在一般都采用电容补偿功率因数。

另外，一些早期采用晶闸管的变频器，由于器件没有自关断能力，需要依靠负载换流，这时需要用到同步电机。

一、同步电机的原理三、

同步电机的工作原理一、同步电机的原理同步电机的分类按运行方式，同步电机分发电机、电动机和调相机。按结构型式，同步电机分旋转电枢式和旋转磁极式。旋转磁极式同步电机按磁极形状，又分隐极式和凸极式两种。按原动机类别,同步电机分为汽轮发电机、水轮发电机和柴油发电机等。汽轮发电机一般做成隐极式，现代汽轮发电机均为2极，转速为3000转/分钟，水轮发电机采用凸极式，极数多，转速低。同步电动机、柴油发电机和调相机一般作成凸极式。三、

同步电机的工作原理谢谢！同步电动机V形曲线及功率因数调节V-shapecurveandpowerfactoradjustmentofsynchronousmotor同步电动机功率因数的调节Regulationofpowerfactorofsynchronousmotorcontents目录同步补偿机Synchronouscompensator同步电动机的V形曲线V-shapecurveofsynchronousmotor四、同步电机V形曲线及功率因数调节

同步电动机的U形曲线是指当电源电压和电源的频率均为额定值时，在输出功率不变的条件下，调节励磁电流If

时定子电流Is的相应变化。一、同步电动机的V形曲线

对每条V形曲线，定子电流有一最小值，这时定子仅从电网吸收有功功率，功率因数。把这些点连起来，称为线。它微微向右倾斜，说明输出为纯有功功率情况下，输出功率增大的同时，必须相应地增加一些励磁电流。这样，线可作为分界线，在线的左边是欠励区，右边是过励区。当同步电动机带一定负载时，若减小励磁电流If，电动势E0、电磁功率Pem减小。当Pem减小到一定程度，电动机就失去同步，如上一页图中虚线所示的不稳定区。从这个角度来看，同步电动机最好也不运行于欠励状态。四、同步电机V形曲线及功率因数调节一、同步电动机的V形曲线四、同步电机V形曲线及功率因数调节当同步电动机接在交流电源上，可以认为电源的电压Us以及频率f1都保持不变。另外，假设同步电动机拖动的负载转矩也保持不变，那么仅改变同步电动机的励磁电流If，就能调节同步电动机的功率因数。下面以隐极同步电动机为例进行分析。这说明当同步电动机只改变励磁电流If时，电动势E0的大小及相位也要跟着改变，以满足上式的关系。

二、同步电动机功率因数的调节四、同步电机V形曲线及功率因数调节当负载转矩不变时，由于同步电动机的转速恒定不变，所以同步电动机的输出功率不变。在忽略电机中的各种损耗的情况下，同步电动机的输入功率与输出功率相等。于是有上式的物理意义是：在只改变励磁电流的情况下，同步电动机定子绕组中电流的有功分量保持不变。

因此，可画出隐极同步电动机在三种不同励磁电流时的相量图，如图所示。在电压Us

不变的条件下，必有二、同步电动机功率因数的调节当改变同步电动机的励磁电流时，能够改变同步电动机的功率因数，这点是三相异步电动机所不具备的。

当改变励磁电流时，同步电动机功率因数变化的规律可以分为三种情况，即正常励磁状态、欠励状态和过励状态。同步电动机拖动负载运行时，一般要过励，至少运行在正常励磁状态，不要让它运行在欠励状态。四、同步电机V形曲线及功率因数调节二、同步电动机功率因数的调节过励：欠励：二、同步电动机功率因数的调节ABCD正励：当改变同步电动机的励磁电流时，能够改变同步电动机的功率因数，这点是三相异步电动机所不具备的。

当改变励磁电流时，同步电动机功率因数变化的规律可以分为三种情况，即正常励磁状态、欠励状态和过励状态。

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。三、同步补偿机根据同步电动机功率因数可调这种特性专门设计一种同步电动机，使它在运行时不拖动任何机械负载，只是从电网吸收电感性或电容性无功功率，这种同步电机称为同步补偿机又叫调相机。特点：谢谢！同步电动机的功率与转矩ThePowerandtorqueofSynchronousMotors同步电动机电动势平衡方程Thecreationofarotatingmagneticfieldcontents目录同步电动机的功角特性Electromotiveforcebalanceequationofsynchronousmotor同步电动机的转矩Torqueofsynchronousmotor同步电动机功率平衡方程Powerbalanceequationofsynchronousmotor

输入电功率P1电磁功率PM输出机械功率P2定子铜损

定子铁损机械损耗

功率平衡方程：一、同步电动机的功率平衡方程功率流程图

二、同步电动机的电动势平衡方程同步电机主磁场：转子通以直流电产生磁场称之为主磁场。定子绕组中产生的感应电动势，称之为同步感抗电动势：则，电枢电路中的电压平衡方程可以写成电枢电流可以分成两个分量，直轴分量与交轴分量。二、同步电动机的电动势平衡方程因此，得出同步电动机的电压方程为画出相应的同步电机向量图

二、同步电动机的电动势平衡方程三、同步电机的功率思考：同步电机的机械特性是什么？对于凸极同步电动机，当忽略定子绕组的电阻Rs

时，同步电动机的电磁功率为由凸极同步电动机的相量图，，于是三、同步动机的功角特性三、同步电机的功率此外，根据相量图可得考虑以上这些关系，得三、同步电动机的功角特性（10-20）励磁电磁功率1凸极电磁功率2思考：反映的是电机的哪个具体角度？三、同步电机的功率三、同步电机的功角特性相量分析1.正常励磁2.过励磁3.欠励磁三、同步电机的功角特性三、同步电机的功率

上式所示凸极同步电动机的电磁功率Pem中，第一项与励磁电流If

的大小有关，称为励磁电磁功率。第二项与励磁电流If

的大小无关，是由参数引起的，这部分功率只有凸极同步电动机才有，而对隐极同步电动机则不存在，所以该电磁功率称为凸极电磁功率。第一项励磁电磁功率是主要的，第二项凸极电磁功率比第一项小得多。

曲线3是总的电磁功率Pem与θ

角的关系曲线，可见与Pem最大值所对应的θ角小于90º。三、同步电机的功角特性为了结构上的简单，在某些小容量同步电动机的转子上不安放直流励磁绕组，因此转子就不能产生磁场，感应电势，此时电动机的电磁功率并不为零，仍有

有了电磁功率就有电磁转矩，因此转子没有励磁的凸极同步电动机也能旋转。三、同步电机的功率三、同步电机的功角特性同步电机的转矩根据功率与转矩的关系，同样可以导出电磁转矩及转矩平衡方程。与异步电动机一样，电磁转矩Te等于电磁功率Pem与电机角速度ω之比，但对于同步电动机，其转速即为同步转速，因此将电磁功率的表达式代入上式得到的电磁转矩为三、同步电机的功率三、同步电机的功角特性若是隐极式同步电动机，因Xd=Xq

，功角特性和矩角特性的表达式为功角特性表达式与矩角特性表达式之间仅相差一个常数ω1

，所以功角特性曲线也可视为矩角特性曲线。三、同步电机的功率四、同步电机的转矩角特性同步电动机的转矩平衡方程式中T0——负载转矩。思考：同步电机如何适应负载转矩的变化？三、同步电机的功率四、同步电机的转矩稳定运行问题

下面以隐极同步电动机为例来讨论同步电动机的稳定运行问题。由图可见，当电动机拖动负载运行在

=0

～90

的范围内，电动机能够稳定运行；当电动机拖动负载运行在

=90

～180

的范围内，电动机不能够稳定运行。

三、同步电机的功率四、同步电机的转矩如果与异步电动机一样，将最大电磁转矩Tem与额定电磁转矩TN之比，称为过载倍数，用

表示。可见，为了满足过载限制的要求，隐极同步电动机额定运行时，。对于凸极同步电动机，额定运行时的功率角还要小些。三、同步电机的功率四、同步电机的转矩同步电机的起动WorkingprincipleofDCmotor同步电机辅助电机起动法SynchronousMotorAuxiliaryMotorstartingmethodcontents目录同步电机变频起动法VVariablefrequencystartingmethodofsynchronousmotor同步电机异步起动法Asynchronousstartingmethodofsynchronousmotor一、同步电机异步起动法U1U2

W2V1W1V2起动绕组：电机的主极极靴上设有起动绕组，相当于感应电机的鼠笼绕组。笼型起动绕组五、同步电机的启动一、同步电机异步起动法

起动时，先把励磁绕组通过电阻短接，转子借助起动绕组起动，转速接近同步转速时，把定子绕组接到三相交流电网，由旋转磁场牵入同步。自耦变压器＋－异步起动时的线路图起动运行

选用与同步电动机极数相同的感应电动机作为辅助电动机，当辅助电机把主机拖动到接近同步转速时，再用自整步法把主机投入电网。五、同步电机的启动二、同步电机辅助电机起动法＋－辅助电机起动时的线路图三、同步电机变频起动法起动时，加上励磁，把变频电源输出频率调的很低。缓慢提高变频器的输出频率，直到额定频率。

切除变频器。＋－变频起动时的线路图

变频器谢谢！同步发电机的基本特性Basiccharacteristicsofsynchronousgenerator发电机的电枢反应Armaturereactionofgeneratorcontents目录同步发电机的外特性Externalcharacteristicsofsynchronousgenerator发电机的空载特性No-loadcharacteristicofgenerator同步发电机的调节特性Regulatingcharacteristicsofsynchronousgenerator一、发电机的空载特性定义：

空载特性是发电机的基本特性之一。它一方面表征了磁路的饱和情况，另一方面把它和短路特性、零功率因数负载特性配合，可确定电机的基本参数、额定励磁电流和电压变化率等。实际生产中，它还可以检查三相电枢绕组的对称性、匝间短路、判断励磁绕组和定子铁心有无故障等。二、发电机的电枢反应电