电机与拖动 课件 第6章 同步电机

第六章同步电动机

三相同步电动机

其他同步电机§1

三相同步电动机三相同步电动机从电网输入电功率转化为机械功率由转轴输出。结构定子——三相对称绕组。转子——直流励磁绕组。分为隐极式和凸极式。特点：转速恒定，功率因数可调，无功电流可调，且能吸收超前的无功电流，即向电网输出滞后的无功电流。用途：长期工作，不需要调速，且负载较大的场合。同步是指转子的转速n与电网频率f之间保持着一个严格的比例关系，即一、同步电机的基本结构(一)、定子同步电机的定子和异步电机很相似。◆定子铁芯——硅钢片制成的定子冲片叠装而成。◆三相交流绕组◆机座◆端盖双层短距的迭绕组波绕组凸极式转子——隐极式转子——磁极数多、直径大、气隙不均匀。多用于水轮发电机和一般中小型同步电机。转子上装有直流励磁绕组，由直流电源提供励磁。磁极数少，直径小，气隙均匀。主要用于大型汽轮发电机。(二)、转子二、同步电机的励磁系统(一)、直流励磁机励磁采用直流发电机作为励磁电源的励磁方式。(二)、交流励磁机励磁产生的交流电流经整流后送到同步发电机的励磁绕组中。它励静止半导体励磁系统——自励式静止半导体励磁系统——(三)、旋转半导体励磁交流励磁机是一台旋转电枢式的同步发电机。并把半导体整流装置也固定在励磁机的电枢上。成为无刷励磁系统。主励磁机的励磁电流由交流副励磁机经整流来供给。励磁的交流电源直接取自发电机本身。三、同步电机的额定值①额定功率PN

：②额定电压UN

：③额定电流IN

：④额定功率因数cos

N：⑤额定转速nN：⑥额定效率

N：⑦额定频率fN：⑧额定励磁电压UfN：⑨额定励磁电流IfN

：同步发电机输出的有功功率，或同步电动机轴上输出的机械功率（kW）定子绕组的线电压（kV）定子绕组的线电流（A）对于发电机对于电动机对于三相同步电机：四、同步电动机的基本运行原理气隙中的磁势(一)同步电机的工作原理同步转矩只有在两个磁势完全同步时，才能发挥作用。同步电动机磁势关系电枢反应磁势直流磁势由定子三相绕组通入三相交流电流产生，是一个旋转磁势。由转子单相绕组通入励磁直流电流产生，是一个恒定磁势，但与转子同步旋转。.当电磁转矩和静负载转矩相等时，两个磁势的夹角不再变化，两个磁势同步前进。1.

电枢反应电枢磁势对电机磁场的影响叫做电枢反应。它们是一对转速、转向、极对数相同的空间旋转磁势。电枢反应的性质与励磁电动势、电枢负载电流之间的相位差（称为内功率因数角）有密切关系。只考虑励磁磁势的基波和电枢磁势的基波。同步发电机对称负载运行转子的励磁磁势定子的电枢磁势气隙磁场(1)和

同相时的电枢反应直轴——转子磁极轴线，以d表示。交轴——N、S极之间的中线，以q表示。因为负载电流与励磁电动势反相，所以负载电流产生的电枢磁势也与励磁电动势反相。即电枢磁势超前于励磁磁势90°。电枢磁势位于交轴的电枢反应，称为交轴电枢反应。结论：合成磁势偏离直轴一定角度，幅值也有所增加。(2)

超前时的电枢反应电枢磁势与转子的d轴重合，方向与励磁磁势相反。结论：合成磁势减小，电枢反应是直轴去磁的。

滞后时的电枢反应电枢磁势与转子的d轴也重合，方向与励磁磁势相同。结论：合成磁势增大，电枢反应是直轴助磁的。(4)一般情况下的电枢反应(教材172页图6-7)因此，负载电流也随着变化。将负载电流分解为两个正交的分量。一个是交轴分量，另一个是直轴分量。它们之间的关系为对应的各磁势关系五、同步电动机的电势平衡方程式及相量图⒈隐极式同步电动机∵

转子磁势与转子同步旋转∴

转子绕组中没有感应电势由合成磁势产生定子绕组中的反电势E1.若不计主磁路的饱和作用对于隐极机，气隙基本上是均匀的。则可以采用迭加原理磁路的磁阻（或磁导）与磁势作用点无关。定义电枢反应电抗xa由故xC：同步电抗一般情况下，同步电抗xc

是一个常数。由于同步电动机的容量较大，可以忽略定子电阻的作用。故隐极机常用的方程式为三个向量的关系(P174)：.⒉凸极式同步电动机凸极机的气隙不均匀，电枢反应磁势的位置不同，产生的结果也不同。分析方法：采用双反应原理。即将电枢反应磁势分解成正交的两个向量。.引入电枢反应电抗xad

和xaq直轴方向的电枢反应电抗交轴方向的电枢反应电抗.凸极机一相电路的电势平衡方程式为若忽略r1

，则∵交轴方向的气隙大直轴同步电抗交轴同步电抗.六、三相同步电机的运行特性和功角特性同步电动机的功率关系同步电动机的作用是将轴上输入的电功率通过电磁感应作用转化为输出的机械功率。电磁功率忽略ra同步电动机功率方程得凸极隐极代入转矩方程由相量图可以得出(175页图6-9)则基本电磁功率附加电磁功率功角特性就是电磁功率与功角之间的关系。(一)功角特性及在励磁电流和电网电压不变的条件下，电磁功率是随着角的变化而变化的，故称为功率角，简称功角。称为同步电机的功角特性。对于隐极式同步电机功角的物理意义：①空载电动势与电机端电压之间的空间相位角；②感应空载电动势产生的主磁通与产生电机端电压的电枢定子等效假想合成磁通之间的空间相位角。⒉功角的物理意义当U、E0、p、f、xd

均为常数时，电磁功率与功角有关。即一定的负载要求一定的功角。⒊功角特性及其稳定工作区功角特性就是电磁转矩与功角之间的关系，即.稳定工作区～

凸极效应使气隙磁场扭歪，产生切向磁拉力，形成电磁转矩(二)、同步电动机的功率因数调节和V

形曲线⒈同步电动机的功率因数调节由隐极机的电势平衡方程式

重点&由于负载不变，电磁转矩和电磁功率均不能变1)负载不变，改变励磁电流If

，即改变Ib设输入电压U恒定，忽略定子铜耗即定子电流I的轨迹为一条水平直线，-E0的轨迹为平行于U的直线。2)以隐极发电机为例，设定子电压保持额定值，电磁功率保持不变，则有相量末端的轨迹是一条垂直于电压相量的直线。相量末端的轨迹是一条平行于电压相量的直线。调节励磁电流，就可以调节电动机的无功功率和功率因数。调节If，则E0变化，因，则变化通常同步电动机多在过励状态下运行，以便从电网吸收超前电流改善电网的功率因数。

改变励磁电流If(E0)，即改变Ib若励磁为“正常励磁”，励磁电势为，则电动机的功率因数等于1，电枢电流全部为有功电流，且数值最小。若增大励磁，使励磁电势增加到，电动机处于“过励”状态；此时电枢电流超前电压，其数值；若减小励磁，使励磁电势减小到，电动机处于“欠励”状态；此时电枢电流滞后电压，其数值；

(参见177页图6-13)当励磁电流If

很大时，I=I1，产生超前电流，称为过励状态；当励磁电流If

较大时，I=I2，产生超前电流，称为过励状态；当励磁电流If

适中时，I=I3，与电压同相位，称为正常励磁；当励磁电流If

较小时，I=I4，产生滞后电流，称为欠励状态。当励磁电流If

由小到大变化时，定子电流I从大 小 大。滞后超前即调节励磁电流，就可以改变电网的功率因数。恒功率、变励磁条件下，以励磁电流和定子电流作为坐标轴，绘制出的曲线，称为V形曲线。改变负载，可以得到一簇V形曲线。(178页图6-14)..2.V形曲线③励磁电流不变，负载在变化励磁电流不变，则E0不变，也就是Ib不变，Ib的轨迹为一个圆弧。随着负载的增加，定子电流I由超前变成滞后。.七、同步电动机的起动⒈起动转矩同步电动机只有在同步运行时，才具有同步转矩在不同步运行时，转矩的平均值为零。因此，同步电动机不能自行起动。⒉起动方法常用的起动方法是异步起动法。

在起动过程中，转子绕组不加任何电源，而是将其串入一个RC=10Rf的电阻，且构成回路。否则，无法正常起动，甚至产生高压损坏设备，危及人身安全。End.

当转子转速上升到接近同步转速时，再将励磁电流接入励磁绕组，使转子建立主磁场，这样便可将转子牵入同步，完成起动过程。静态稳定的条件：在电磁功率为最大值时，有，该点是稳定运行与否的分界线。定义为比整步功率，单位为，其值越大，电机就越稳定。八、静态稳定的概念对于隐极同步发电机，其静态过载倍数为当忽略电枢电阻时，定义静态过载倍数几种功率及其关系（电机容量）视在功率

S

单位：kVA有功功率

P

单位：kW无功功率

Q单位：kVAR关系：例1例

2§3

其他同步电动机凸极同步电动机即使没有励磁绕组也会因直轴同步电抗与交轴同步电抗不等而产生电磁功率和转矩，这种型式的电动机称为磁阻式同步电动机。又称为反应式同步电动机。(一)结构与基本工作原理结构定子——三相或单相绕组。转子——普通转子加开反应槽，分为外反应式、内反应式和内外反应式三种。直轴和交轴的磁阻不相等，磁阻差别越大，容量也越大。转子上有笼型绕组，便于起动。一磁阻式同步电动机当转子的直轴与气隙磁场轴线的夹角为0°时，定、转子之间只有径向的磁拉力，而无切向的磁拉力，故转矩为零。当转子的直轴与气隙磁场轴线的夹角为180°时，定、转子之间又只有径向的磁拉力，而无切向的磁拉力，故转矩又为零。当转子加上负载时，转子将瞬时减速，使转子的直轴落后于气隙磁场轴线一角度，定、转子之间不仅有径向的磁拉力，而且有切向的磁拉力，故转矩不为零。当电磁转矩于负载转矩平衡时，电动机稳定运行。工作原理：二磁滞式同步电动机(一)基本结构定子——三相或单相绕组。转子——由硬磁材料制成。使其具有一定的剩磁和矫顽力。(二)工作原理电动机接通电源后，产生的旋转磁场，使转子磁滞层磁化，由于跟不上外磁场的变化，使转子磁畴的轴线滞后于气隙磁场轴线一角度。定、转子之间的磁拉力可分解为径向分量和切向分量，而切向分量产生磁滞转矩，带动转子运动。经过几次波动后，磁滞转矩与负载转矩达到平衡，电动机稳定运行。三步进电动机它是将输入的脉冲电信号变换为阶跃性的角位移或直线位移。（一）反应式步进电动机⒈结构定子和转子均由硅钢片或其他软磁材料做成凸极结构。★

定子绕组可以做成m=2、3、4、5、6相的形式，每相绕组安装一套控制线圈，通入脉冲信号。定子的磁极数为2m。★

转子以齿数ZR

表示。相邻两齿轴线之间的夹角称为齿距角，用

t

表示。⒉工作原理

每通电一次转子转动的角度叫做步距角。

每改变一次通电方式叫做一拍。单拍：每拍只有一相通电。双拍：每拍有两相通电。单三拍是指A