电机学 课件 第08章－同步电机原理及拖动

-1-第八章同步电机原理电机与拖动基础（第3版）第一节同步电机的结构和运行方式第二节同步电动机的电压方程和相量图第三节同步电动机的功率方程和功角特性第四节同步电动机的功率因数及U形曲线第五节永磁同步电动机*-2-第一节同步电机的结构和运行方式

第八章同步电机原理

如果三相交流电机的转子转速n与定子电流的频率f1满足下面的方程式关系，这种电机就称为同步电机。

同步电机多被用作发电机，当今作为动力用的强大电力几乎全是由三相同步发电机发出的，因此它是各类发电厂的核心设备之一。

同步电机也可以作电动机使用，例如空气压缩机、鼓风机、电力推进装置和电动发电机组等。（8-1）-3-一、同步电机的基本结构1.定子：三相对称绕组+三相交流电源，产生旋转磁场

与异步电机类似，由铁心、绕组、机座、端盖等组成。2.转子：励磁绕组+直流电源，产生磁极凸极式--有明显的磁极；隐极式--圆柱体，表面上开有槽，无明显的磁极。第八章同步电机原理-4-2.转子

同步发电机水轮机转速较低-凸极式；汽轮机转速较高-隐极式。

同步电动机凸极式，转子磁极极靴上装起动绕组。第八章同步电机原理-5-二、同步电机的基本工作原理1.同步电机的物理模型2.同步电机的工作原理第八章同步电机原理-6-第八章同步电机原理二、同步电机的基本工作原理

3.同步电机的运行方式θ：两磁极轴线夹角，又称为功率角-7-第二节同步电动机的电压方程和相量图一、同步电动机的磁动势这里规定两个轴方向：转子N极和S极的中心线称为直轴或纵轴，简称d轴；与直轴相距90

空间电角度的方向称为交轴或横轴，简称q轴。直轴和交轴随转子一同旋转。第八章同步电机原理-8-励磁磁动势Ff单独在电机主磁路中产生磁通时的情况。Ff总是在直轴方向，将其单独产生的磁通叫励磁磁通，用

f表示。

f经过的磁路是以直轴为对称的。第八章同步电机原理电枢磁动势Fa

单独在电机主磁路中产生磁通时的情况比较复杂。由于Fa

与Ff

的空间位置不一定相同，所以只要Fa

与Ff

的空间位置不相同，就必然使Fa的方向不在直轴方向。-9-二、凸极同步电动机的双反应原理

如果Fa

与Ff

的相对位置给定，由于Fa与Ff

无相对运动，可以把Fa分解成两个分量：一个分量叫直轴电枢磁动势，用Fad

表示，作用在直轴方向；另一个分量叫交轴电枢磁动势，用Faq

表示，作用在交轴方向，它们的相量关系为第八章同步电机原理（8-2）（8-6）-10-

根据前一章的分析，这里可以写出由定子电流产生的电枢磁动势的表达式第八章同步电机原理（8-3）将上式分解为d、q轴上的直轴电枢磁动势和交轴电枢磁动势：（8-4）（8-5）-11-三、同步电动机的电压方程1.凸极同步电动机的电压方程不管是励磁磁通

f，还是直轴磁通

ad

和交轴磁通

aq，都是以同步转速逆时针旋转，因此都要在定子绕组中产生相应的感应电动势。第八章同步电机原理直轴同步电抗交轴同步电抗-12-第八章同步电机原理2.隐极同步电动机的电压方程对于隐极同步电动机，由于气隙均匀，因而直轴和交轴的同步电抗在数值上彼此相等，即有（8-11）式中——隐极同步电动机的同步电抗。这样，由式（8-10）可写出隐极同步电动机的电压方程为（8-12）-13-第八章同步电机原理四、同步电动机相量图同步电机作为电动机运行时，电源必须向电机的定子绕组输入有功功率，这时输入电动机的有功功率P1必须满足（8-13）这就是说，定子相电流的有功分量应与相电压同相位。由此可见，与二者之间的功率因数角必须小于90

，才能使电机运行于电动机状态。图8-8a是根据凸极同步电动机的电压方程，在（超前）时，电机运行于电动机状态的相量图。-14-图8-8b是根据隐极同步电动机的电压方程式画出的相量图。第八章同步电机原理Ψ：Is与Iq夹角。φ：Us与Is夹角，功率因数角。θ：-E0与Us夹角，功率角。-15-第三节同步电动机的功率方程和功角特性一、同步电动机的功率方程

第八章同步电机原理-16-二、同步电动机的电磁功率与功角特性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第八章同步电机原理（8-17）由凸极同步电动机的相量图（图8-8）可见，，于是此外，根据相量图可得（8-18）-17-考虑以上这些关系，得第八章同步电机原理（8-20）

我们把的关系定义为同步电动机的功角特性，由此所绘制出的曲线称为功角特性曲线，如图8-10所示。励磁电磁功率凸极电磁功率（8-21）电磁功率-18-三、同步电动机的电磁转矩与矩角特性首先根据电磁转矩的通用公式推导同步电动机的电磁转矩表达式。第一章的式（1-46）即是电磁转矩的通用公式：第八章同步电机原理式中——电机极对数；

——每极合成磁通；

——定子磁动势幅值；

——定子磁动势与合成磁动势间的夹角。这里，因为，由式（8-3）可得-19-把上述三式代入电磁转矩的通用公式，可得第八章同步电机原理式中——同步角速度。不计定子电阻时，，且，因此上式可以写成（8-23）（8-24）-20-第八章同步电机原理（8-25）（8-26）此式与式（8-24）是完全一致的。将式（8-15）等号两边同除以ω1，得到同步电动机的转矩平衡方程式中T0——空载转矩。

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，由式（8-1）知道其转速即为同步转速。因此，同步电动机的电磁转矩应为-21-第八章同步电机原理将电磁功率的表达式（8-20）代入式（8-25），得到的电磁转矩为（8-27）

上式说明，在电源电压Us

、电源的频率f1、励磁电流If

都保持不变时，同步电动机的电磁转矩Te也仅是θ的函数。即当θ角变化时，电磁转矩Te也跟着变化。把的关系定义为同步电动机的矩角特性，由此所绘制出的曲线称为矩角特性曲线。功角特性与矩角特性的表达式相互之间仅相差一个比例常数

1

，所以图8-10和图8-11中的曲线也可视为矩角特性曲线。-22-第八章同步电机原理

若是隐极式同步电动机，因Xd=Xq

，则功角特性和矩角特性的表达式为-23-第八章同步电机原理四、同步电动机的稳定运行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。-24-第八章同步电机原理

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。这里（8-30）

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。当负载改变时，θ角随之变化，就能使同步电动机的电磁转矩Te或电磁功率Pem跟着变化，以达到新的平衡状态。在同步电动机稳定运行时，电机的转子转速n是严格按照同步转速旋转，不发生任何变化。

所以，同步电动机的机械特性为一条水平的直线。-25-第八章同步电机原理第四节同步电动机的功率因数及U形曲线一、同步电动机的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有功负载也保持不变，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。为分析方便起见，以隐极同步电动机为例，并忽略电机中的各种损耗。

-26-第八章同步电机原理一、同步电动机的功率因数调节假若同步电动机的负载保持不变，则电动机转轴上的输出转矩T2也不变，如果忽略空载转矩，由式（8-26），有。可见，当T2不变时，可以认为电磁转矩Te也不变，由式（8-29）得，（8-31）这说明当改变励磁电流If时，电动势E0的大小也要跟着改变，以满足上式的关系。-27-第八章同步电机原理

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（8-32）

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。在电压Us

不变的条件下，必有-28-第八章同步电机原理

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。-29-第八章同步电机原理二、同步电动机的U形曲线同步电动机的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。以励磁电流If

为横座标，定子电流Is为纵座标，将两个电流数值变化关系绘制成曲线，由于其形状象英文字母“U”，故称其为U形曲线。-30-第八章同步电机原理

对每条U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，θ超过90

，电动机就失去同步，如图8-16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。-31-第八章同步电机原理第五节永磁同步电动机*世界上第一台电机就是永磁电机，但是早期的永磁材料磁性能很差，致使永磁电机体积很大，非常笨重，因而很快就为电励磁式电机所取代。近年来，随着稀土永磁材料的快速发展，特别是第三代稀土永磁材料钕铁硼（NdFeB）的问世，给永磁电机的研究和开发带来了新的活力。从上世纪八十年代初开始，各工业发达国家竟相研制高性能永磁电机，其中永磁同步电动机以其高效节能的优点而受到特别的关注。-32-第五节同步电动机的电力拖动*由