电机原理及拖动（第4版）课件：同步电机

《电机原理及拖动》

第4版同步电机

顾名思义，同步电机即转子运行在同步速度的电机。同步电机转子的转速与供电频率之间符合严格的同步关系。根据电机运行状态的不同，可分为同步发电机、同步电动机和同步补偿机。

根据转子励磁方式的不同，同步电机又可分为永磁式同步电机和转子直流绕组励磁的同步电机。与异步电机相比，同步电机除了在定子绕组结构以及定子多相绕组通以多相对称电流产生旋转磁场的机理上相同外，其转子结构、运行原理和运行特性等均具有明显的特征。

为此，本章将对有关同步电机的运行原理、电磁过程和运行特性进行详细讨论。同步电机第—节同步电机的基本结构、原理、运行状态及额定值第二节同步电机的电磁关系第三节同步电机的基本方程、等值电路及相量图第四节同步电机的功率、转矩和功（矩）角特性第五节同步电动机的励磁调节与V形特性曲线第六节同步电动机的转速特性第七节同步电动机的起动第八节同步发电机的运行特性第九节同步电抗、定子漏抗及电枢等效磁动势的测定同步电机第—节同步电机的基本结构、原理、运行状态及额定值第二节同步电机的电磁关系第三节同步电机的基本方程、等值电路及相量图第四节同步电机的功率、转矩和功（矩）角特性第五节同步电动机的励磁调节与V形特性曲线第六节同步电动机的转速特性第七节同步电动机的起动第八节同步发电机的运行特性第九节同步电抗、定子漏抗及电枢等效磁动势的测定第—节同步电机的基本结构、原理、运行状态及额定值按照结构形式，同步电机可以分为旋转电枢式和旋转磁极式两类。按电枢绕组位置的不同，永磁同步电动机可分为

内转子式（常规式）和

外转子式。按转子上有无起动绕组，可分为

无起动绕组的同步电动机

和

有起动绕组的同步电动机。旋转磁极式电机中，按照主极的形状，又可分成

隐极式

和

凸极式。一、同步电机的基本结构第—节同步电机的基本结构、原理、运行状态及额定值

现代的汽轮发电机一般都是两极的，同步转速为3000r/min（国家标准50Hz条件）。

由于转速高，所以汽轮发电机的直径较小，长度较长。汽轮发电机均为卧式结构。

汽轮发电机的定子铁心、定子绕组、机座、端盖等部件组成。定子铁心一般由0.35mm或0.5mm的冷轧无取向硅钢片叠成，每叠厚度为3-6cm，叠与叠之间留有宽度为0.6-0.8cm的通风沟，以便定子绕组和铁心的冷却。一、同步电机的基本结构图7-2汽轮发电机的定子第—节同步电机的基本结构、原理、运行状态及额定值

铁心的两端用非磁性压板压紧后，固定在机座上。定子绕组通常采用双层短距叠绕组。

为减小定子绕组内的涡流及其引起的杂散铜耗，定子线圈由多股包有股线绝缘的扁铜线并联组成，股线在槽内的位置要依次进行“换位”处理。

股线所组成的线棒在连续包绕多层环氧玻璃粉云母带作为槽绝缘后，经加热模压形成，使其在外形、尺寸、绝缘、耐热、电气和机械特性等方面均达到规定的要求后，方可嵌入定子槽内。一、同步电机的基本结构图7-2汽轮发电机的定子第—节同步电机的基本结构、原理、运行状态及额定值大容量汽轮发电机的转子周速可达170-180m/s。由于周速高，转子受到极大的机械应力，因此转子一般都用具有良好导磁性能的整块高强度合金钢锻造而成。

沿转子表面约2/3部分铣有轴向凹槽，以嵌放励磁绕组；不开槽的部分组成一个“大齿”，嵌线部分和大齿一起构成主磁极。

为把励磁绕组可靠地固定在转子槽内，转子采用非磁性的合金槽楔，绕组端部套上用高强度非磁性钢锻成的保护环。

由于汽轮发电机的机身比较长，转子和电机中部的通风比较困难，所以良好的通风冷却系统对汽轮发电机非常重要。一、同步电机的基本结构图7-3大型汽轮发电机的转子第—节同步电机的基本结构、原理、运行状态及额定值

凸极式同步电机通常可分为卧式（横式）和立式两种结构。

绝大部分的同步电动机、同步补偿机和用内燃机或冲击式水轮机拖动的同步发电机都采用卧式结构。

低速、大容量的水轮发电机和大型水泵电动机则采用立式结构。一、同步电机的基本结构图7-4卧式结构凸极式同步电机转子第—节同步电机的基本结构、原理、运行状态及额定值

卧式同步电机的定子结构与感应电机基本相同，定子由机座、铁心、电子绕组和端盖等部件组成；

转子由主磁极、极轭、励磁绕组、阻尼绕组、集电环和转轴等部件组成。一、同步电机的基本结构图7-4卧式结构凸极式同步电机转子第—节同步电机的基本结构、原理、运行状态及额定值大型水轮发电机通常都是立式结构。由于它的转速低、极数多、要求的转动惯量大，故其特点是直径大、长度短。

在历史水轮发电机中，整个机组转动部分的重量以及作用在水轮机转轮上的水推力，均由推力轴承来支撑，并通过机架和机座传递到地基上。一、同步电机的基本结构图7-5立式结构凸极式同步发电机转子二、同步电机的工作原理图7-6同步电机的结构示意图

若在同步电动机的定子三相对称绕组中分别通入如下三相对称电流：

在三相对称电流的作用下，定子三相对称绕组必然产生圆形旋转磁势和磁场。定子旋转磁场的转速为

二、同步电机的工作原理图7-6同步电机的结构示意图同步速既取决于电机自身的极对数，又取决于外部通电频率。此外，改变三相绕组的通电相序，定子旋转磁场将反向由此实现转子反转。同步电动机转子采用永磁或通过直流绕组中通以直流励磁电流产生磁场，其极对数与定子绕组组成的极对数相同。一旦同步电动机拖动机械负载稳定运行，则定、转子旋转磁势会因相对静止而叠加，从而形成以同步速旋转的气隙合成磁场，且转子磁极滞后气隙合成磁场一定角度。二、同步电机的工作原理图7-6同步电机的结构示意图同步速既取决于电机自身的极对数，又取决于外部通电频率。此外，改变三相绕组的通电相序，定子旋转磁场将反向由此实现转子反转。于是转子磁极在同步速的气隙合成磁场拖动下，必然产生有效的电磁转矩并以同步速旋转。因此，同步电动机的转子转速与定子绕组的通电频率之间保持严格的同步关系，同步电动机由此而得名。二、同步电机的工作原理同步电动机是与异步电动机相对应的。异步电动机表现为转子转速只有与同步速之间存在差异(即转差)才能产生有效电磁转矩。其根本原因在于，异步电机采用单边励磁，即仅靠定子三相绕组通以三相交流电流产生定子旋转磁势和磁场。转子绕组则是通过与定子旋转磁场的相对切割而感应转子电势和电流的，并由转子感应电流产生转子旋转磁势和磁场。同步电机则不同，由于采用的是双边励磁，即不仅定子绕组通以三相交流电产生旋转磁势和磁场，而且转子绕组也通以直流励磁(或采用永磁体)产生磁势和磁场，从而要求转子转速必须与定子旋转磁场保持同步(其转差为零)，才能产生有效的电磁转矩。正因为如此，同步电动机与异步电动机的运行原理、电磁过程才完全不同。三、同步电机的运行状态同步电机的定子（电枢）绕组中通有对称三相电流时，定子将产生一个以同步转速推移的旋转磁场。稳态状态条件下，转子也以同步转速旋转，所以定子旋转磁场与直流励磁的转子主极磁场总是保持相对静止，两者相互作用并产生电磁转矩，实现了机电能量间的转换。同步电机由三种运行状态：发电机状态，发电机把机械能转换为电能；电动机状态，电动机把电能转换为机械能；补偿机状态，补偿机没有功功率的转换，它专门用以发出或吸收无功功率、调节电网的功率因数。三、同步电机的运行状态

三、同步电机的运行状态

图7-7同步电机不同运行状态的示意图（b）补偿机（𝜃=0）若转子主极磁场与定子合成磁场的轴线重合，功率角𝜃=0，则电磁转矩为零。

此时电机内没有有功功率的转换，电机处于补偿机状态或空载状态。三、同步电机的运行状态

图7-7同步电机不同运行状态的示意图（b）补偿机（𝜃=0）

四、同步电机的额定值额定值（又称名牌值），它是选择同步电机的主要依据。同步电机在额定状态下可以获得最佳的运行性能。同步电机的额定值主要包括：

四、同步电机的额定值

四、同步电机的额定值现代同步电机向着标准化，系列化方向发展。常用的同步电动机型号有：TD系列是防护式，卧式结构一般同步电动机配直流励磁机或可控硅励磁装置。可拖动通风机、水泵、电动发电机组。TDK系列一般为开启式，也有防爆型或管道通风型拖动压缩机用的同步电动机，配可控硅整流励磁装置。用于拖动空压机，磨煤机等。TDZ系列是一般管道通风，卧式结构轧钢用同步电动机，配直流发电机励磁或可控硅整流励磁装置。用于拖动各种类型的轧钢设备。TDG系列是封闭式轴向分区通风隐极结构的高速同步电动机，配直流发电机励磁或可控硅整流励磁。用于化工、冶金或电力部门拖动空压机、水泵及其他设备。TDL系列是立式，开启式自冷通风同步电动机，配单独励磁机。用于拖动立式轴流泵或离心式水泵。同步电机第—节同步电机的基本结构、原理、运行状态及额定值第二节同步电机的电磁关系第三节同步电机的基本方程、等值电路及相量图第四节同步电机的功率、转矩和功（矩）角特性第五节同步电动机的励磁调节与V形特性曲线第六节同步电动机的转速特性第七节同步电动机的起动第八节同步发电机的运行特性第九节同步电抗、定子漏抗及电枢等效磁动势的测定第二节同步电机的电磁关系一、同步电机空载时的电磁关系同步电机负载后，内部存在两部分磁场，一部分是由转子直流励磁磁势所产生的主磁场；另一部分是由定子电枢绕组电流对应的电枢磁势所产生的电枢磁场。

与直流电机类似，在分析电机内部的合成磁场（即气隙磁场）时，通常把由定子绕组所产生的电枢磁场对主磁场的影响称为电枢反应。图7-8同步电机的空载磁路图（4极）

第二节同步电机的电磁关系一、同步电机空载时的电磁关系同步电机负载后，内部存在两部分磁场，一部分是由转子直流励磁磁势所产生的主磁场；另一部分是由定子电枢绕组电流对应的电枢磁势所产生的电枢磁场。

与直流电机类似，在分析电机内部的合成磁场（即气隙磁场）时，通常把由定子绕组所产生的电枢磁场对主磁场的影响称为电枢反应。图7-8同步电机的空载磁路图（4极）

第二节同步电机的电磁关系一、同步电机空载时的电磁关系同步电机负载后，内部存在两部分磁场，一部分是由转子直流励磁磁势所产生的主磁场；另一部分是由定子电枢绕组电流对应的电枢磁势所产生的电枢磁场。

与直流电机类似，在分析电机内部的合成磁场（即气隙磁场）时，通常把由定子绕组所产生的电枢磁场对主磁场的影响称为电枢反应。图7-8同步电机的空载磁路图（4极）

第二节同步电机的电磁关系一、同步电机空载时的电磁关系同步电机负载后，内部存在两部分磁场，一部分是由转子直流励磁磁势所产生的主磁场；另一部分是由定子电枢绕组电流对应的电枢磁势所产生的电枢磁场。

与直流电机类似，在分析电机内部的合成磁场（即气隙磁场）时，通常把由定子绕组所产生的电枢磁场对主磁场的影响称为电枢反应。图7-8同步电机的空载磁路图（4极）

忽略高次谐波时，激磁电动势（相电动势）的相量形式为

第二节同步电机的电磁关系一、同步电机空载时的电磁关系同步电机负载后，内部存在两部分磁场，一部分是由转子直流励磁磁势所产生的主磁场；另一部分是由定子电枢绕组电流对应的电枢磁势所产生的电枢磁场。

与直流电机类似，在分析电机内部的合成磁场（即气隙磁场）时，通常把由定子绕组所产生的电枢磁场对主磁场的影响称为电枢反应。图7-9典型同步电机的空载特性

二、同步电机负载时的电枢反应图7-10同步电机空载时的时空相量图

与空载运行相比，同步电机负载后的气隙磁场将发生改变，这一变化是由电枢磁势引起的。通常，把电枢磁势对主磁场的影响称为电枢反应，相应的电枢磁势又称为电枢反应磁势，其大小表示为

二、同步电机负载时的电枢反应图7-10同步电机空载时的时空相量图

二、同步电机负载时的电枢反应

通常定义转子轴线为d轴，电角度与d轴垂直且滞后的轴线（即两主极N、S之间的轴线）定义为q轴，它们与转子一起均以同步速旋转。二、同步电机负载时的电枢反应

二、同步电机负载时的电枢反应

二、同步电机负载时的电枢反应

对于这种电枢反应磁势，通常采用双反应理论。二、同步电机负载时的电枢反应图7-15双反应理论的物理意义及交、直轴电枢反应的磁路与等效磁路

其中，

二、同步电机负载时的电枢反应图7-15双反应理论的物理意义及交、直轴电枢反应的磁路与等效磁路

相应的电流分量为其中，

三、同步电机负载时的电磁关系1.隐极式同步发电机隐极式同步发电机负载后的电磁关系可总结为转子定子

三、同步电机负载时的电磁关系1.隐极式同步发电机

三、同步电机负载时的电磁关系2.凸极式同步发电机凸极式同步发电机负载后电磁关系可总结为：转子定子

三、同步电机负载时的电磁关系2.凸极式同步发电机

同步电机第—节同步电机的基本结构、原理、运行状态及额定值第二节同步电机的电磁关系第三节同步电机的基本方程、等值电路及相量图第四节同步电机的功率、转矩和功（矩）角特性第五节同步电动机的励磁调节与V形特性曲线第六节同步电动机的转速特性第七节同步电动机的起动第八节同步发电机的运行特性第九节同步电抗、定子漏抗及电枢等效磁动势的测定第三节同步电机的基本方程、等值电路及相量图一、隐极式同步电机的基本方程、等值电路及相量图图7-16不考虑饱和时，隐极式同步发电机的相量图和等效电路a)、b)相量图c)等效电路1.不考虑磁饱和时隐极同步电机的电压方程和相量图

第三节同步电机的基本方程、等值电路及相量图一、隐极式同步电机的基本方程、等值电路及相量图图7-16不考虑饱和时，隐极式同步发电机的相量图和等效电路a)、b)相量图c)等效电路1.不考虑磁饱和时隐极同步电机的电压方程和相量图

第三节同步电机的基本方程、等值电路及相量图一、隐极式同步电机的基本方程、等值电路及相量图图7-16不考虑饱和时，隐极式同步发电机的相量图和等效电路a)、b)相量图c)等效电路1.不考虑磁饱和时隐极同步电机的电压方程和相量图上述关系可表示为主极磁动势电枢磁动势漏磁磁动势第三节同步电机的基本方程、等值电路及相量图一、隐极式同步电机的基本方程、等值电路及相量图图7-16不考虑饱和时，隐极式同步发电机的相量图和等效电路a)、b)相量图c)等效电路1.不考虑磁饱和时隐极同步电机的电压方程和相量图

第三节同步电机的基本方程、等值电路及相量图一、隐极式同步电机的基本方程、等值电路及相量图图7-16不考虑饱和时，隐极式同步发电机的相量图和等效电路a)、b)相量图c)等效电路1.不考虑磁饱和时隐极同步电机的电压方程和相量图

第三节同步电机的基本方程、等值电路及相量图一、隐极式同步电机的基本方程、等值电路及相量图图7-16不考虑饱和时，隐极式同步发电机的相量图和等效电路a)、b)相量图c)等效电路1.不考虑磁饱和时隐极同步电机的电压方程和相量图

第三节同步电机的基本方程、等值电路及相量图一、隐极式同步电机的基本方程、等值电路及相量图

2.考虑磁饱和时隐极同步电机的电压方程和相量图

第三节同步电机的基本方程、等值电路及相量图一、隐极式同步电机的基本方程、等值电路及相量图

2.考虑磁饱和时隐极同步电机的电压方程和相量图上述关系可表示为

第三节同步电机的基本方程、等值电路及相量图一、隐极式同步电机的基本方程、等值电路及相量图图7-18隐极式同步发电机主极磁动势的分布2.考虑磁饱和时隐极同步电机的电压方程和相量图

第三节同步电机的基本方程、等值电路及相量图一、隐极式同步电机的基本方程、等值电路及相量图2.考虑磁饱和时隐极同步电机的电压方程和相量图

二、凸极式同步电机的基本方程、等值电路及相量图1.双反应理论

图7-19凸极式同步电机的气隙比磁导和直轴、交轴电枢反应a)电枢表面不同位置处的气隙比磁导b）直轴电枢磁动势所产生的直轴电枢反应c）交轴电枢反应磁动势所产生的交轴电枢反应二、凸极式同步电机的基本方程、等值电路及相量图1.双反应理论

图7-19凸极式同步电机的气隙比磁导和直轴、交轴电枢反应a)电枢表面不同位置处的气隙比磁导b）直轴电枢磁动势所产生的直轴电枢反应c）交轴电枢反应磁动势所产生的交轴电枢反应二、凸极式同步电机的基本方程、等值电路及相量图1.双反应理论

图7-19凸极式同步电机的气隙比磁导和直轴、交轴电枢反应a)电枢表面不同位置处的气隙比磁导b）直轴电枢磁动势所产生的直轴电枢反应c）交轴电枢反应磁动势所产生的交轴电枢反应二、凸极式同步电机的基本方程、等值电路及相量图1.双反应理论这种考虑到凸极式电机气隙的不均匀性，把电枢反应分成直轴和交轴电枢反应分别来处理的方法，称为双反应理论。图7-19凸极式同步电机的气隙比磁导和直轴、交轴电枢反应a)电枢表面不同位置处的气隙比磁导b）直轴电枢磁动势所产生的直轴电枢反应c）交轴电枢反应磁动势所产生的交轴电枢反应二、凸极式同步电机的基本方程、等值电路及相量图1.双反应理论

图7-19凸极式同步电机的气隙比磁导和直轴、交轴电枢反应a)电枢表面不同位置处的气隙比磁导b）直轴电枢磁动势所产生的直轴电枢反应c）交轴电枢反应磁动势所产生的交轴电枢反应二、凸极式同步电机的基本方程、等值电路及相量图2.不考虑磁饱和时凸极同步电机的电压方程和相量图

主极磁动势电枢磁动势漏磁磁动势再从气隙电动势减去电枢绕组的电阻压降和漏抗压降，可得电枢的端电压。二、凸极式同步电机的基本方程、等值电路及相量图2.不考虑磁饱和时凸极同步电机的电压方程和相量图采用发电机惯例时，电枢的电压方程为

于是有

二、凸极式同步电机的基本方程、等值电路及相量图2.不考虑磁饱和时凸极同步电机的电压方程和相量图

凸极式同步发电机的电压方程二、凸极式同步电机的基本方程、等值电路及相量图2.不考虑磁饱和时凸极同步电机的电压方程和相量图图7-20凸极同步发电机的相量图凸极式同步发电机的电压方程

二、凸极式同步电机的基本方程、等值电路及相量图2.不考虑磁饱和时凸极同步电机的电压方程和相量图

此电路实质上是凸极同步电机进行“隐极化”处理的一种方式，在计算凸极同步发电机的功率传输时比较方便，所以工程上应用很广泛。二、凸极式同步电机的基本方程、等值电路及相量图2.不考虑磁饱和时凸极同步电机的电压方程和相量图

由于电抗与绕组匝数的平方和所经磁路的磁导成正比，所以图7-23凸极同步电机电枢反应磁通和漏磁通所经磁路及其磁导a)直轴电枢磁导b)交轴电枢磁导

二、凸极式同步电机的基本方程、等值电路及相量图2.不考虑磁饱和时凸极同步电机的电压方程和相量图图7-23凸极同步电机电枢反应磁通和漏磁通所经磁路及其磁导a)直轴电枢磁导b)交轴电枢磁导

二、凸极式同步电机的基本方程、等值电路及相量图2.考虑磁饱和时凸极同步电机的电压方程和相量图

考虑磁饱和时，叠加原理不在适用，此时气隙内的合成磁场将取决于主极和电枢两者的合成磁动势。为简化分析，忽略交轴和直轴之间的相互影响，认为直轴方面的磁通仅仅取决于直轴上的合成磁动势；交轴方面的磁通仅仅取决于交轴上的合成磁动势。这样，可先确定直轴和交轴方面的合成磁动势，再利用电机的磁化曲线，即可得到直轴和交轴磁通及其相应的感应电动势；再计及电枢的电阻压降和漏抗压降，即可得到电枢的电压方程。

上述关系可表示为：二、凸极式同步电机的基本方程、等值电路及相量图2.考虑磁饱和时凸极同步电机的电压方程和相量图

图7-24凸极同步发电机主极的励磁磁动势二、凸极式同步电机的基本方程、等值电路及相量图2.考虑磁饱和时凸极同步电机的电压方程和相量图(a)相量图

空载曲线(b)发电机的磁化曲线（空载曲线）

图7-25考虑磁饱和时凸极同步发电机的相量图

同步电机第—节同步电机的基本结构、原理、运行状态及额定值第二节同步电机的电磁关系第三节同步电机的基本方程、等值电路及相量图第四节同步电机的功率、转矩和功（矩）角特性第五节同步电动机的励磁调节与V形特性曲线第六节同步电动机的转速特性第七节同步电动机的起动第八节同步发电机的运行特性第九节同步电抗、定子漏抗及电枢等效磁动势的测定第四节同步电机的功率、转矩和功（矩）角特性

一、功率方程图7-26同步发电机的功率流程图以发电机惯例说明，若同步电机的转子励磁功率由另外的直流电源供给，并忽略杂散损耗，则从发电机轴上输入的机械功率中扣除机械损耗和定子铁耗后，余下的功率将通过旋转磁场和电磁感应的作用，转换成定子的电动功率；此转换功率就是电磁功率，即再从电磁功率中扣除电枢铜耗，可得电枢端输出的电功率，即

同步发电机的功率方程二、电磁功率

，故同步发电机的电磁功率也可以写成与感应电机的电磁功率表达式相同与凸极式同步电机的等效电路相对应

在发电机中，交轴电枢反应使主极磁场超前于气隙合成磁场，使主极上受到一个制动性质的电磁转矩；在旋转过程中，原动机的驱动转矩克服制动的电磁转矩而作机械功，同时通过电磁感应在电枢绕组内产生电动势，并向电网送出有功电流，使机械能转换为电能。三、转矩方程

式中，为原动机的驱动转矩；

为发电机的电磁转矩；为发电机的空载转矩。四、矩角特性

考虑到实际同步电机的定子电枢电阻远小于同步电抗，故定子电枢电阻可忽略不计。图7-28忽略定子电阻时凸极同步电动机的相量图忽略定子绕组铜耗和铁耗时，则电磁功率与输入的电功率近似相等，于是有又因为四、矩角特性图7-29凸极式同步电动机的矩角特性图因此，于是，电磁功率变为又称为凸极式同步电动机的功角特性。

又称为凸极式同步电动机的矩角特性

四、矩角特性

四、矩角特性图7-30凸极同步电动机的磁阻转矩凸极效应产生电磁转矩的物理意义：

因此，转子自然要受到沿切线方向的电磁转矩即反应转矩的作用。在该电磁转矩的作用下，转子将随定子旋转磁场以同步速旋转。四、矩角特性

将上式两边同除以同步角速度，便可获得隐极式同步电动机的矩角特性为

图7-31隐极式同步电动机的矩角特性

六、同步电动机稳定运行与过载能力图7-33隐极式同步电动机转子直流励磁改变时的矩角特性同步电动机稳定运行的定义是，处于某一运行点的电力拖动系统，若在外界的扰动作用下，系统偏离原来的运行点，一旦扰动消除，系统若能够回到原来的运行点，则称系统是静态稳定的。

否则，系统是静态不稳定的，或称同步电动机处于“失步”状态。

六、同步电动机稳定运行与过载能力图7-33隐极式同步电动机转子直流励磁改变时的矩角特性同步电动机稳定运行的定义是，处于某一运行点的电力拖动系统，若在外界的扰动作用下，系统偏离原来的运行点，一旦扰动消除，系统若能够回到原来的运行点，则称系统是静态稳定的。

否则，系统是静态不稳定的，或称同步电动机处于“失步”状态。

六、同步电动机稳定运行与过载能力图7-33隐极式同步电动机转子直流励磁改变时的矩角特性对于同步电动机，还可采用稳定性判据进行判断。

六、同步电动机稳定运行与过载能力

同步电机第—节同步电机的基本结构、原理、运行状态及额定值第二节同步电机的电磁关系第三节同步电机的基本方程、等值电路及相量图第四节同步电机的功率、转矩和功（矩）角特性第五节同步电动机的励磁调节与V形特性曲线第六节同步电动机的转速特性第七节同步电动机的起动第八节同步发电机的运行特性第九节同步电抗、定子漏抗及电枢等效磁动势的测定第五节同步电机的励磁调节与V形特性曲线一、同步电动机的电流轨迹以隐极同步电动机为例，分析同步电动机的电流轨迹。根据隐极同步电动机电动势方程，可以写出

图7-34同步电动机的电流轨迹

第五节同步电机的励磁调节与V形特性曲线一、同步电动机的电流轨迹

图7-34同步电动机的电流轨迹

第五节同步电机的励磁调节与V形特性曲线一、同步电动机的电流轨迹

图7-34同步电动机的电流轨迹

二、同步电动机的励磁调节及V形曲线图7-35转子直流励磁改变时同步电动机的相量图与矩角特性

以隐极同步电动机为例，忽略定子铜耗、铁耗以及转子机械损耗，于是有对于在无穷大电网下运行的同步电动机，即当电网的容量远远大于同步电动机的容量，且电压和频率均保持不变时，存在以下关系二、同步电动机的励磁调节及V形曲线图7-35转子直流励磁改变时同步电动机的相量图与矩角特性将定子电枢电流与定子电压同相位时的励磁电流称为正常励磁电流，对应的运行状态称为正常励磁状态；超过正常励磁电流的运行状态称为过励状态；低于正常励磁电流的运行状态称为欠励状态。通过分析，可得出以下结论：

二、同步电动机的励磁调节及V形曲线图7-35转子直流励磁改变时同步电动机的相量图与矩角特性将定子电枢电流与定子电压同相位时的励磁电流称为正常励磁电流，对应的运行状态称为正常励磁状态；超过正常励磁电流的运行状态称为过励状态；低于正常励磁电流的运行状态称为欠励状态。通过分析，可得出以下结论：

二、同步电动机的励磁调节及V形曲线图7-36同步调相机的相量图（a）过励磁状态（b）欠励磁状态上述结论可以这样理解：由于同步电机采用双边励磁，建立气隙磁场所需的无功来自于定、转子两侧的绕组磁势，并且以转子侧的直流励磁为主。因此，当处于正常励磁状态时，同步电机建立气隙磁场所需无功全部由转子侧提供，无须再从定子侧获得，此时转子侧自然为单位功率因数；当同步电机处于过励磁状态时，由转子励磁磁势所发出的无功远超过同步电机自身建立气隙磁场所需的无功，因而有一部分无功从定子侧输出。此时定子侧的功率因数呈超前状态；当同步电机处于欠励磁状态时，仅由转子励磁所提供的无功已难以满足建立气隙磁场所需要，因而需要由定子侧的电网加以补充。此时，同异步电机类似，定子侧的功率因数呈滞后状态。二、同步电动机的励磁调节及V形曲线图7-37同步电动机的V形曲线

显然，对于输出功率一定的同步电动机，其定子电枢电流随转子直流励磁电流的变化曲线呈“V”字形状，因而又被称作V形曲线。同步电机第—节同步电机的基本结构、原理、运行状态及额定值第二节同步电机的电磁关系第三节同步电机的基本方程、等值电路及相量图第四节同步电机的功率、转矩和功（矩）角特性第五节同步电动机的励磁调节与V形特性曲线第六节同步电动机的转速特性第七节同步电动机的起动第八节同步发电机的运行特性第九节同步电抗、定子漏抗及电枢等效磁动势的测定第六节同步电机的转速特性

当电源频率一定，同步电动机稳定运行的转速必须为同步速，否则同步电动机将不会产生有效的平均电磁转矩。若同步电动机的三相定子合成旋转磁场与转子磁场之间存在相对运动，则其功率角可由下式得出

第六节同步电机的转速特性

步电动机所产生的瞬时电磁转矩为

很显然，同步电动机不能偏离同步速稳定运行。否则，所产生的平均电磁转矩为零。同步电机第—节同步电机的基本结构、原理、运行状态及额定值第二节同步电机的电磁关系第三节同步电机的基本方程、等值电路及相量图第四节同步电机的功率、转矩和功（矩）角特性第五节同步电动机的励磁调节与V形特性曲线第六节同步电动机的转速特性第七节同步电动机的起动第八节同步发电机的运行特性第九节同步电抗、定子漏抗及电枢等效磁动势的测定第七节同步电机的起动一、同步电动机常规起动方法

二、同步电动机异步起动同步电动机转子上都装有笼形绕组，主要靠它在起动的第一阶段把转子加速到正常的异步转速，这一转速通常大于同步转速的95%，也称为准同步转速。图7-39带有起动绕组的同步电动机

与异步电动机起动一样，同步电动机在异步起动阶段也要求足够大的起动转矩倍数，有尽量小的起动电流倍数。

此外，为了能够顺利地牵入同步，它也要求在准同步转速下有一定的转矩，该转矩称为牵入转矩。同步电动机的异步起动与笼形电动机起动过程完全一样，只是同步电动机的笼条比较细，容量也小一些。这是因为它只在异步起动过程中起作用，在同步运行时不切割磁场，不产生感应电动势也无电流，在同步电动机出现振荡时，笼形绕组感生的瞬时电流也会起稳定作用。二、同步电动机异步起动图7-40同步电动机异步起动时的线路图牵入同步进行得是否顺利，与以下几个因素有关：

同步电动