三相交流同步电动机.ppt

1、2020/9/5,1,第六章 三相交流同步电动机,6-0 概述 6-1 同步电动机的工作原理 6-2 同步电动机的功率平衡、功角和矩角特性 6-3 同步电动机的励磁调节及V形曲线 6-4 同步电动机的起动 6-5 介绍几种特殊的同步电动机,2020/9/5,2,6-0 概述,同步电机 其转速不随负载转矩的变化而变化，且与电 源频率f成严格的比例关系。,同步电机的三种运行状态： 发电机：气轮发电机及水轮发电机等。 电动机：由电网输入电功率，轴端输出机械功率。 调相机：专门发出或吸收无功功率，调节电网功率因数 同步电动机的类型很多，工作原理各有特点，但基本原 理相同。 同步电动机的结构： 由定子和

2、转子组成,2020/9/5,3,（1）定子 和三相交流异步电动机定子完全一样。 电动机的定子又称为电枢。有定子铁心、三相对称 绕组、机座、端盖、电刷架等。其作用是产生磁场。 （2）转子 转子与异步电动机转子不同。 转子也需要励磁，且磁极对数与定子磁极对数相同。 转子磁极的励磁方式有电磁式和永磁式。转子结构分为 凸极式转子和隐极式转子。 除了转子磁极外，转子还包括转轴、滑环等。转子 的励磁绕组两个出线端接到两个滑环上，通过滑环上的 两个静止的电刷向外引出。 电磁式同步电动机的励磁方式 直流发电机励磁 整流器励磁,2020/9/5,4,2020/9/5,5,6-1 同步电动机的工作原理,同步电动机

3、工作原理,2020/9/5,6,6-1 同步电动机的工作原理,同步电动机工作原理,2020/9/5,7,6-1 同步电动机的工作原理,同步电动机工作原理,2020/9/5,8,6-1 同步电动机的工作原理,同步电动机工作原理,2020/9/5,9,6-1 同步电动机的工作原理,同步电动机工作原理,N,S,2020/9/5,10,6-1 同步电动机的工作原理,同步电动机工作原理,N,S,2020/9/5,11,6-1 同步电动机的工作原理,同步电动机工作原理,N,S,2020/9/5,12,6-1 同步电动机的工作原理,同步电动机工作原理,N,S,2020/9/5,13,6-1 同步电动机的工作

4、原理,同步电动机工作原理,N,S,2020/9/5,14,6-1 同步电动机的工作原理,同步电动机工作原理,N,S,2020/9/5,15,6-1 同步电动机的工作原理,同步电动机工作原理,N,S,同步电动机是 一种定子边用 交流电流励磁 以建立旋转磁 场，转子边用 直流电流励磁 所构成旋转磁 极的双边励磁 的交流电动机。,2020/9/5,16,同步电动机分为隐极式和凸极式。 6-1-1 隐极式同步电动机的分析 一、隐极式同步电动机的电磁关系,Fa电枢磁势； Ea电枢（反应）电势； Fj励磁磁势或空载磁势；Eo励磁电势或空载电势； Es漏感电势。,2020/9/5,17,同步电动机空载时，电

5、枢电流很小，可以认为没有电枢 磁势，气隙中仅有励磁磁势。所以励磁磁势又称为空载 磁势。 励磁磁场和电枢磁场之间无相对运动，且与转子也无 相对运动，所以转子内无感应电势。Ea 、 E0、 Es皆为 定子中的感应电势。,一、隐极式同步电动机的电势平衡方程式和向量图 一相绕组平衡方程式,2020/9/5,18,隐极式同步电动机一相等值电路图和向量图,2020/9/5,19,6-1-2 凸极式同步电动机的电势平衡方程式和 向量图,隐极式同步电动机的电枢反应和电枢磁势 同步电动机带负载运行时，定子电流增大，三相绕组 产生的电枢磁场会对励磁磁场产生影响，称为电枢反 应。 由于气隙磁阻均匀，且线性，所以电枢

6、磁势和磁密在 空间分布一致，都呈正弦分布，所以电枢反应电势 可用电枢反应电抗Xa的压降来反应。 凸极式同步电动机的电枢反应和电枢磁势 （1）同步电动机的凸极效应使得电枢反应磁场的磁感 应强度分布发生畸变。而且随着转子相对电枢磁势的 位置不同，电枢磁场的分布也不同。,2020/9/5,20,2020/9/5,21,2020/9/5,22,2020/9/5,23,2020/9/5,24,（2） 电枢磁势可分解为一个直轴磁势和一个交 轴磁势 将电枢电流分解为一个直轴分量和一个交轴分量,而且,2020/9/5,25,直轴、交轴电枢反应磁势分别产生直轴电枢反应 磁通和交轴电枢反应磁通，从而在电枢绕组中分

7、 别产生直轴电枢反应电势和交轴电枢反应电势。 若铁心不饱和，则有,其中 Xad为直轴电枢反应电抗，它与直轴磁路的磁 阻成反比； Xaq为交轴电枢反应电抗，它与交轴磁路的磁 阻成反比。,因为交轴处气隙大，磁阻大；而直轴处气隙 小，磁阻小，所以有Xad Xaq 。,2020/9/5,26,凸极式同步电动机电势平衡方程式和向量图 考虑到直轴磁势和交轴磁势分别产生漏磁通，因此,隐极式同步电动机的气隙均匀，可以由凸极式同步电 动机电压平衡方程式推导出隐极式电动机电压平衡方 程式，所以隐极式同步电动机是凸极式同步电动机的 一个特例。,2020/9/5,27,2020/9/5,28,6-2 同步电动机的功率

8、平衡、功角和矩角特性,6-2-1 同步电动机的功率和转矩 一、功率平衡关系和转矩平衡关系 功率平衡关系,2020/9/5,29,则同步电动机的效率为：,转矩平衡方程式,2020/9/5,30,二、电磁功率和电磁转矩表达式 同步电动机的铜耗和铁耗都很小，为分析方便 可予以忽略。则,向量图（忽略定子绕组电阻）,2020/9/5,31,将电流代入功率公式：,2020/9/5,32,对隐极式同步电动机不存在附加分量：,2020/9/5,33,6-2-2 功角特性和矩角特性 当电网电压U1和频率f不变，励磁电流Ij不变和、E0不 变时，同步电动机的电磁功率和电磁转矩仅取决于功角的 大小。 功角特性 电磁

9、功率Pm和功角的关系Pm=f() 称为同步电动机的功角特性。 矩角特性 电磁转矩Mem与功角的关系Mem=f()， 称为同步电动机的矩角特性。,2020/9/5,34,凸极和隐极同步电动机的功角和矩角特性曲线,2020/9/5,35,功角是同步电动机的一个重要参数。在时间上 表示电网电压1和励磁电压0之间的相位差； 在空间上表示励磁磁场和定子合成磁场之间的 空间夹角。同步电动机的运行状态完全取决于 功角。 （1）当0时，定子合成磁场超前励磁磁场，两 个磁场之间产生切向电磁力，其电磁转矩带 动转子以同步速度旋转，同步电动机处于电 动机运行状态。 （2）当=0时，两个磁极轴线重合，电磁转矩为 零。

10、 （3）当0时，转子磁极拖着合成磁极旋转，产 生的电磁转矩与转子转动方向相反，为制动,2020/9/5,36,转矩，此时转子必须外面有原动机带动转子转动，这 样同步电动机从轴上输入机械功率，从定子绕组端输 出电功率，同步电动机处于发电机工作状态。 6-2-3 同步电动机的稳定性和负载能力 隐极式同步电动机矩角特性 在0 90范围内，矩角特性OC段是稳定运行 区。 通常用最大转矩Mmax与额定电磁转矩MN之比定义为 同步电动机的过载倍数m,，增加励磁电流也可提高过载能力。,2020/9/5,37,失步现象 当负载转矩增大且超过最大电磁转矩Mmax 时，功角增大，并超过90，而电磁转矩继续下降，使

11、 电机不断减速而不能与定子磁极同步运行，这种现象称 为失步。 凸极同步电动机矩角特性 在U1 、 f和励磁电流相同的情况下，由于附加转矩 的影响，使矩角特性最大转矩Mmax有所增加，因而凸极 同步电动机过载能力比隐极式同步电动机要大。 同步电动机的机械特性,2020/9/5,38,例 一台隐极式同步电动机的额定数据为 （超前）定子绕组星形 接法，同步电抗 ，如忽略定子电阻 ，求 该电动机在额定运行时（1）励磁电势 ，（2） 功角 ，（3）电磁功率 ，（4）过载能力 。,解 励磁电势 。该同步电动机向量图如 图所示。,2020/9/5,39,由向量图可知：,2020/9/5,40,例 凸极式同步

12、电动机（自学）,2020/9/5,41,6-3 同步电动机的励磁调节及V形曲线,6-3-1 励磁调节 同步电动机在电网电压U1 、 电网频率f以及输 出功率P2保持不变的情况下，改变励磁电流的 大小，可以改变功率因数cosN的大小。 假设： （1）不计凸极效应，即,（2）不计电机的损耗，所以输入功率,为常数，则,2020/9/5,42,因为隐极式同步电动机电势平衡方程式为,所以当U1不变时，改变励磁电流Ij会引起励磁电势 、电枢电流 的大小和相位都改变，因此功率 因数也改变。,下面是以 为参考向量，当 为三种不同状态 时的向量图。,2020/9/5,43,2020/9/5,44,（1）当 。a

13、与1同相，为纯有 功电流， Ia值最小。此时电动机从电网只吸收有 功功率。这种励磁状态称为“正常”励磁状态。 （2）调节Ij使其小于正常励磁电流，此时电枢电 流 。此情况下电动机除从电 网吸收一定的有功功率外，还从电网吸收一定的 滞后的无功功率，这种励磁状态称为“欠励”状态。 （3）调节Ij使其大于正常励磁电流，此时电枢电 流 。此情况下电动机一方面 吸收一定的有功功率，同时还要从电网吸收一定 的超前无功功率，这种励磁状态称为“过励”状态。,2020/9/5,45,调节同步电动机的励磁电流即可方便而又灵活的调节 它的无功功率和功率因数，当处于过励状态时，同步电 动机在电网上是一个容性负载，它可

14、补偿电网一般处于 感性负载的不利状态，从而提高电网的功率因数。有时 为了改善供电系统的功率因数，而将同步电动机作空载 运行，专门用来调节系统的无功功率，这种运行状态的同步电动机称为同步补偿机或同步调相机。 6-3-2 V形曲线 同步电动机的V形曲线是指当电网电压、频率均 为额定值，即U1=UN ， f =fN时，在输出功率不 变情况下，电枢电流与励磁电流的关系曲线即 Ia =f(Ij) 曲线。,2020/9/5,46,不同输出功率下的励磁电流和电枢电流的关系曲 线,2020/9/5,47,（1）对应于每条双曲线的最低点，电枢电流Ia为 最小值，此时电枢电流只有有功电流， 。 电机为正常励磁。

15、（2）当Ij小于正常励磁电流时，电机为欠励。此时 电枢电流出现了感性无功电流，因此电枢电流增 大。 （3）当Ij大于正常励磁电流时，电机为过励。此时 电枢电流除有功电流外，还出现了超前无功电流 ，因此电枢电流也增大。 （4）输出功率增大，V形曲线向上向右移。因为 电枢电流的有功分量将增大，因此最低点上移； 另外励磁电势增大，因此励磁电流也增大。,2020/9/5,48,解 表示电流与电压之间的相位差，滞后表示 电流滞后电压。则,工厂原来所消耗功率情况为：,2020/9/5,49,（1）选用感应电动机时,2020/9/5,50,（2）选用同步电动机时,2020/9/5,51,6-4 同步电动机的

16、起动,若不采取措施，通常同步电动机是不能自行起动 的。,2020/9/5,52,起动绕组为短路绕组， 起动时，励磁绕组接上一 个电阻。然后再接入励磁 电源。,2020/9/5,53,同步电动机可以采取异步起动。 先使同步电动机在异步转矩的作用下转动 起来，待转速上升到接近同步转速时，再给转子 励磁绕组通入直流电源，使转子建立磁场。依靠 定、转子磁场相互作用所产生的电磁转矩，将转 子牵入同步。所以异步起动过程包括“异步起动” 和“牵入同步”两个阶段。 异步起动时励磁绕组决不能开路。否则在匝 数较多的励磁绕组端产生很高的感应电势，可能 使励磁绕组被击穿；或危及生命。 也不能将励磁绕组直接短路。因为

17、励磁绕组 感应产生的单相电流所产生的脉振磁场可分解为,2020/9/5,54,与转子旋转方向相同的正序磁场及与转子旋转方 向相反的负序磁场。正序磁场产生的转矩和负序 磁场产生的转矩的合成转矩即单轴转矩。同步电 动机在起动时，实际的起动转矩为单轴转矩与鼠 笼绕组产生的异步转矩之和。,2020/9/5,55,同步电动机重载起动时，必须设法减少单轴转矩 中的负序转矩，为此，通常在励磁回路中串入电 阻。使起动合成转矩的下凹部分提高。,2020/9/5,56,同步电动机也可以采用变频电源起动。起动时减 小电源频率，从而降低旋转磁场的转速，依靠定 、转子磁场之间相互作用所产生的同步电磁转矩 起动。然后逐渐升高电源频率。,2020/9/5,57,6-5 介绍几种特殊的同步电动机,6-5-1 永磁同步电动机 永磁同步电动机的转子磁场是由预先充磁的永 久磁钢所产生的。 永磁同步电动机有异步起动和磁滞起