1、第5章 同步电机海南风光同步电机 第5章 同步电机5.2 5.2 空载和负载时同步发动机的磁场空载和负载时同步发动机的磁场5.3 5.3 同步发动机的基本方程式和相量图同步发动机的基本方程式和相量图5.4 5.4 同步发动机的并联运行同步发动机的并联运行5.5 5.5 同步发动机参数测定同步发动机参数测定5.6 5.6 同步发电机运行特性同步发电机运行特性5.7 5.7 同步电动机同步电动机5.1 同步电机的基本结构和工作原理同步电机的基本结构和工作原理第5章 同步电机5.1 5.1 同步电机的基本结构和工作原理同步电机的基本结构和工作原理 一、基本类型：一、基本类型：1 1、按用途分：发电机
2、、电动机、调相机（补偿机）、按用途分：发电机、电动机、调相机（补偿机）2 2、按转子结构分：凸极式、隐极式、按转子结构分：凸极式、隐极式3 3、按原动机类型（发电机）分：汽轮发电机、水轮发电机、按原动机类型（发电机）分：汽轮发电机、水轮发电机第5章 同步电机二、同步电机的基本结构二、同步电机的基本结构第5章 同步电机1 1、汽轮发电机结构、汽轮发电机结构 （1）定子铁心）定子铁心第5章 同步电机（2 2）定子绕组）定子绕组第5章 同步电机（3 3）转子）转子第5章 同步电机2 2、水轮发电机结构、水轮发电机结构(1)(1)立式水轮发电机立式水轮发电机(2)(2)卧式水轮发电机卧式水轮发电机第5
3、章 同步电机(3)(3)转子结构转子结构10000kw10000kw水轮机转子水轮机转子第5章 同步电机 同步补偿机实际是一台接在交流电网上空载的同步电动机，同步补偿机实际是一台接在交流电网上空载的同步电动机，电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目。电网电压的目。三、同步电机的用途三、同步电机的用途 同步电机主要用作发电机运行，把机械能转化成电能。向电网同步电机主要用作发电机运行，把机械能转化成电能
4、。向电网发出交流电，是同步电机最主要的运行方式发出交流电，是同步电机最主要的运行方式 同步电动机可以通过调节励磁电流来改善电网的功率因数。在同步电动机可以通过调节励磁电流来改善电网的功率因数。在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用第5章 同步电机四、额定值四、额定值 1、额定功率(kW)输出的额定功率 发电机：电功率；电动机：机械功率2 2、额定电压(V)：定子绕组额定线电压3 3、额定电流(A)：定子绕组额定线
5、电流4 4、额定转速(r/min)：额定运行时的转子转速 5 5、额定功率因数Cos：额定工况下发电机的功率因数6、励磁电压（V）和励磁电流(A)第5章 同步电机5.2 5.2 空载和负载时同步发动机的磁场空载和负载时同步发动机的磁场一、空载运行一、空载运行同步电机的空载磁路同步电机的空载磁路0 f第5章 同步电机 空载运行时，同步电机内仅有由励磁电流所建立空载运行时，同步电机内仅有由励磁电流所建立 的主极磁场。的主极磁场。前图表示一台四极电机空载时的磁通示意图。从图可前图表示一台四极电机空载时的磁通示意图。从图可见，主极磁通分成主磁通见，主极磁通分成主磁通0和漏磁通和漏磁通f两部分，前者通两
6、部分，前者通过气隙并与定子绕组相交链，后者不通过气隙，仅与励磁过气隙并与定子绕组相交链，后者不通过气隙，仅与励磁绕组相交链。主磁通所经过的主磁路包括空气隙、电枢齿、绕组相交链。主磁通所经过的主磁路包括空气隙、电枢齿、电枢轭、磁极极身和转子轭等五部分。电枢轭、磁极极身和转子轭等五部分。第5章 同步电机 当转子以同步转速旋转时，主磁场将在气隙中形当转子以同步转速旋转时，主磁场将在气隙中形成一个旋转磁场，在定子绕组内感应出对称三相电动成一个旋转磁场，在定子绕组内感应出对称三相电动势（激磁电动势）势（激磁电动势）0000000001201200EEEEEECBA第5章 同步电机二、对称负载时的电枢反应
7、二、对称负载时的电枢反应 负载时，电枢磁通势的基波在气隙中使气隙磁通的大负载时，电枢磁通势的基波在气隙中使气隙磁通的大小及位置均发生变化，这种影响称为电枢反应。电枢反应小及位置均发生变化，这种影响称为电枢反应。电枢反应的性质的性质(增磁、去磁或交磁增磁、去磁或交磁)取决于电枢磁动势和主磁场在取决于电枢磁动势和主磁场在空间的相对位置。分析表明，此相对位置取决于激磁电动空间的相对位置。分析表明，此相对位置取决于激磁电动势势E0和负载电流和负载电流I之间的相角差之间的相角差(称为内功率因数角称为内功率因数角)。afffaFFFFIFI第5章 同步电机励磁磁势和电枢磁势的区别励磁磁势和电枢磁势的区别基
8、波基波波形波形大小大小位置位置转速转速励磁磁励磁磁势势正弦正弦波波恒定，由励磁恒定，由励磁电流决定电流决定由转子位由转子位置决定置决定由原动机的由原动机的转速决定转速决定电枢反电枢反应磁势应磁势正弦正弦波波恒定，由电枢恒定，由电枢电流决定电流决定由电流瞬由电流瞬时值决定时值决定由电流的由电流的f和和P决定决定下面分成四种情况来分析电枢反应的性质下面分成四种情况来分析电枢反应的性质第5章 同步电机直轴（纵轴、d 轴）：主磁极轴线位置。交轴（横轴、q 轴）：与直轴成 900电角度的位置。相轴：每相绕组的轴线位置。时轴:时间相量在其上投影可得瞬时值 三个角：三个角：四个轴：四个轴：j j j j Y
9、 YY Y :.:)(;,:;,:00三者关系三者关系的时间相位角的时间相位角与与是是功角功角功率角功率角与负载有关与负载有关的时间相位角的时间相位角与与是是外功率因数角外功率因数角与电机参数及负载有关与电机参数及负载有关的时间相位角的时间相位角与与是是内功率因数角内功率因数角UEIUIE第5章 同步电机 1、内功率因数角、内功率因数角=00 BI.AI.CI.AE0.时轴时轴CE0.B0.E+90+900 0FFad轴轴q轴轴 A轴轴A AX X Z ZB BCYFfNS 交轴电枢反应交轴电枢反应第5章 同步电机 2、内功率因数角、内功率因数角=900时轴时轴AE0.CE0.BE0.AI.C
10、I.BI.d轴轴q 轴轴 A轴轴A AX XZ ZB BCYFfNS直轴去磁电枢反应直轴去磁电枢反应Fa第5章 同步电机 3、内功率因数角、内功率因数角=-900时轴时轴AE0.CE0.BE0.CI.BI.AI.d轴轴q轴轴 A轴轴A AX XZ ZB BCYFfNS直轴助磁电枢反应直轴助磁电枢反应Fa第5章 同步电机 4、内功率因数角、内功率因数角00900 时轴时轴AE0.CE0.BE0.AI.CI.BI.d轴轴q轴轴 A轴轴A AX XZ ZB BCYFfNS既有交轴又有直轴去磁电枢反应既有交轴又有直轴去磁电枢反应+90+900 0Fa第5章 同步电机凸极同步电机电枢反磁通及所经磁路及磁
11、导凸极同步电机电枢反磁通及所经磁路及磁导adF)(adad )()(aqaq adF)(直轴电枢磁导直轴电枢磁导交轴电枢磁导交轴电枢磁导第5章 同步电机当当角为不同值的电枢反应角为不同值的电枢反应 位置位置夹角夹角记作记作电枢反电枢反应性质应性质对电机的影响对电机的影响=负载性质负载性质n(f)n(f)U U=0=00 0q q轴轴+90+900 0交轴交轴波形波形畸变畸变下降下降不变不变R R=90=900 0d d轴轴+90+900 0直、去直、去削弱削弱不变不变下降下降L L=-90=-900 0d d轴轴+90+900 0直、助直、助增强增强不变不变上升上升C C0 00 090900
12、 0d d、q q轴轴+90+900 0交、直去交、直去削弱削弱下降下降下降下降 R R、L L-90-900 0000 0d d、q q轴轴+90+900 0交、直助交、直助增强增强下降下降上升上升R R、C CaFafFFaFaqFadFadFaqFadFadFaqFFj第5章 同步电机 电枢磁势和电枢电流分量电枢磁势和电枢电流分量 YYYYcoscossinsinIIFFIIFFIIIFFFqaaqdaadqdaqada交轴分量直轴分量第5章 同步电机三、电枢反应和机三、电枢反应和机电能量转换电能量转换1、有功电流产生电磁力，并形成电磁转矩、有功电流产生电磁力，并形成电磁转矩 当忽略电机
13、本身参数当忽略电机本身参数,=00,有功电流产生电磁力有功电流产生电磁力,并形成电磁转矩并形成电磁转矩Tem。n1TemaqII第5章 同步电机=900,无功电流产生电磁力无功电流产生电磁力,不形成电磁转矩不形成电磁转矩 adIIn1nadIfAZBXCYNS2、无功电流产生电磁力，不形成电磁转矩、无功电流产生电磁力，不形成电磁转矩第5章 同步电机1、凸极发电机的电磁过程、凸极发电机的电磁过程fIfF00EIqIdIadFaqFadaqadEaqEEEarI5.3 同步发电机的基本方程式和向量图同步发电机的基本方程式和向量图一、凸极同步发电机一、凸极同步发电机第5章 同步电机2、凸极发电机的电
14、势方程式、凸极发电机的电势方程式addadxI jEaqqaqxI jExI jEqqddaxIjxIjIrUE0其中其中：xxxxxxxxxqdaqqadd并且有称为交轴同步电抗称为直轴同步电抗第5章 同步电机3、凸极发电机的相量图和等效电路、凸极发电机的相量图和等效电路已知发电机的端电压、负载电流和功率因数及参数已知发电机的端电压、负载电流和功率因数及参数ra、xd、xq 。已知内功率因数角已知内功率因数角按照电势方程式的关系作出相量图按照电势方程式的关系作出相量图未知内功率因数角未知内功率因数角1）利用方程式求出）利用方程式求出：2）利用公式求出）利用公式求出：qaQxI jIrUEjj
15、cossinarctanUIrUIxaqY第5章 同步电机凸极同步发电机的向量图（凸极同步发电机的向量图（已知内功率因数角已知内功率因数角）0 qI 0 E j j UdI qdXI j IaRI ddXI j 第5章 同步电机jjcossinarctanUIrUIxaqY)(EE0QqddXXI j引入虚拟电动势引入虚拟电动势 ，使，使 可得可得角的确定：角的确定：QEqaqddqqddaXI jRIUXXI jXI jXI jRIU)()EQ（0 EQE qI)(qddXXI j qXI j aRI dI Ij j U QE第5章 同步电机凸极同步发电机的等效电路图凸极同步发电机的等效电路
16、图 QEaR I UqX第5章 同步电机1、隐极发电机的电磁过程、隐极发电机的电磁过程fIfF00EIaFaEEEaaRIaaxI jExI jE二、隐极同步发电机隐极同步发电机第5章 同步电机2、隐极发电机的电势方程式、隐极发电机的电势方程式taxIjIrUE0其中xxxxxxatat并且有称为同步电抗同步电抗的物理意义同步电抗的物理意义：表征地对称负载下单位电表征地对称负载下单位电枢电流三相联合产生的电枢总磁场在电枢每相绕枢电流三相联合产生的电枢总磁场在电枢每相绕组中感应电势组中感应电势txIjUE0简化方程式第5章 同步电机3、隐极发电机的等效电路、隐极发电机的等效电路raxt0EIU只
17、要去掉 ra 即可得到简化等效电路第5章 同步电机4、隐极发电机的相量图、隐极发电机的相量图已知发电机的端电压、负载电流和功率因数已知发电机的端电压、负载电流和功率因数cos及参数及参数ra、xtUIarItxI j0E当功率因数当功率因数cos 滞后时的滞后时的相量图相量图第5章 同步电机5.4 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行 1、提高供电的可靠性、提高供电的可靠性 2、提高供电的经济性、提高供电的经济性 3、提高电能、提高电能 的质量（主要是的质量（主要是U和和f）无穷大电网：无穷大电网：1）S 2）ZS 0 3）US=C 4）fS=C一、并联运行的优点一、并联运行的优点第5章
18、同步电机二、并联运行的条件和方法二、并联运行的条件和方法 条件：条件：1.电压大小相位相同电压大小相位相同 2.频率相同频率相同 3.电压波形相同电压波形相同 4.相序相同相序相同 方法方法 1.准同期法准同期法 2.自同期法自同期法第5章 同步电机 三、条件不满足时对电机的影响三、条件不满足时对电机的影响 电机和电网之间有环流，定子绕组端部受力变形。产生拍振电流和电压，引起电机内功率振荡。电机和电网之间有高次谐波环流，增加损耗，温度升高，效率降低。电网和电机之间存在巨大的电位差而产生无法消除的环流，危害电机安全运行。第5章 同步电机输入输入功率功率P1机械损机械损耗耗pmec附加损附加损耗耗
19、pad铁损铁损pFe电磁功电磁功率率Pem定子铜损定子铜损pcu1输出功输出功率率P2emcuemadFemecemPPPPPPPPPPP12011)(四、有功功率四、有功功率第5章 同步电机1、有功功率功角特性、有功功率功角特性定义：并联于无穷大电网的同步发电机，当电并联于无穷大电网的同步发电机，当电网电压和频率恒定、参数（网电压和频率恒定、参数（xd、xq、xt）为常数、空载电势为常数、空载电势E0不变（即不变（即 If 不变）不变）时，时，Pem=f()为有功功率功角特性为有功功率功角特性。第5章 同步电机凸极电机的有功功率功角特性凸极电机的有功功率功角特性：j2sin112sincos
20、202dqdemxxUmxUEmmUIPP隐极电机的有功功率功角特性：隐极电机的有功功率功角特性：jsincos0temxUEmmUIP第5章 同步电机功率极限值功率极限值(隐极隐极)temxUEmP0max0900PemPemmax1800发电机有功功率功角特性曲线发电机有功功率功角特性曲线Pem18000900Pemmax凸极凸极第5章 同步电机两种电机功角特性的区别0180)390)2sin)1:0max0ememememPPPP隐极0)40180)390)2sin)1:0max0附加不成正比与凸极emememememPPPPP第5章 同步电机2、功角、功角的双重物理意义的双重物理意义a
21、、是电动势 和电压 间的时间相角差b、是励磁磁势 和合成磁势 间的空间相角差0EUfFFEEEUEa00a00FFf第5章 同步电机0ExI jxI jEEaaUIFfF0a功角功角意义的图意义的图示示A A：第5章 同步电机NSFNSFfT1nTemn1功角意义的图示B功角功角是转子磁极轴是转子磁极轴线和定子合成磁极线和定子合成磁极轴线的空间夹角轴线的空间夹角第5章 同步电机判据：0ddPem隐极发电机的判据：比整步功率比整步功率(kW/rad)0cos0temsynxUEmddPP3、静态稳定的概念、静态稳定的概念 指电网或原动机方面出现某些微小扰动时，指电网或原动机方面出现某些微小扰动时
22、，同步发电机能在这种干扰消失后，继续保持原来同步发电机能在这种干扰消失后，继续保持原来的平衡运行状态的平衡运行状态第5章 同步电机过载能力过载能力隐极发电机的过载能力NemPPmaxNNttNemxUEmxUEmPPsin1sin00max第5章 同步电机五、无功功率五、无功功率定义：并联于无穷大电网的同步发电机当电网电并联于无穷大电网的同步发电机当电网电压和频率恒定、参数（压和频率恒定、参数（x xd d、x xq q、x xt t）为常数、空）为常数、空载电势载电势E E0 0不变（即不变（即 I If f 不变）时，不变）时，Q=f()Q=f()为无功为无功功率功角特性功率功角特性。第5
23、章 同步电机凸极发电机无功功率的功角特性j2sin112112cossin220dqdqdxxUmxxUmxUEmmUIQ 隐极发电机无功功率的功角特性ttxUmxUEmmUIQ20cossinj第5章 同步电机隐极发电机无功功率功角特性隐极发电机无功功率功角特性的几个特殊点的几个特殊点txUEUmQ)(0000arccos0QEUtxUmQ2090第5章 同步电机励磁电流改变时的有功功率和无功功励磁电流改变时的有功功率和无功功率功角特性率功角特性QPem1P1emP1Qaabb2Qb2emP增大励磁电流增大励磁电流第5章 同步电机UItxI j0E01E1I1txjI102E2ItxjI22
24、同步发电机不同运行方式同步发电机不同运行方式时的相量图时的相量图03E3ItxI j33第5章 同步电机V V形曲线形曲线:并联于无穷大电并联于无穷大电网的同步发电机，保持有网的同步发电机，保持有功功率不变时，表示电枢功功率不变时，表示电枢电流电流 I 和励磁电流和励磁电流 If 的关系的关系曲线曲线 I=f（If）0emPemPemPemP磁励常正IfI01cosj超前欠励滞后过励emememPPP区域不稳定090第5章 同步电机V V形曲线的几个特点形曲线的几个特点1 1、每条曲线的最低点：每条曲线的最低点：cos=1，连线向右倾斜连线向右倾斜2 2、不稳定区域边缘：不稳定区域边缘：=90
25、0，连线向右倾斜连线向右倾斜3 3、每条曲线上的电流变化量每条曲线上的电流变化量 I 为无功分量为无功分量4 4、励磁电流增大时，电枢电流变化规律为先增大励磁电流增大时，电枢电流变化规律为先增大后减小后减小第5章 同步电机5.5 同步发电机参数的测定同步发电机参数的测定一、用空载特性和短路特性确定一、用空载特性和短路特性确定Xd 空载特性可以用空载试验测出。试验时，电枢开空载特性可以用空载试验测出。试验时，电枢开路路(空载空载)，用原动机把被试同步电机拖动到同步转，用原动机把被试同步电机拖动到同步转速，改变励磁电流速，改变励磁电流If，并记取相应的电枢端电压，并记取相应的电枢端电压U0(空载时
26、即等于空载时即等于E0，直到，直到U01.25UN左右，可得空载左右，可得空载特性曲线特性曲线 。短路特性可由三相稳态短路试验测得，试验线路短路特性可由三相稳态短路试验测得，试验线路如图如图4-1所示。将被试同步电机的电枢端点三相短路，所示。将被试同步电机的电枢端点三相短路，用原动机拖动被试电机到同步转速，调节励磁电流用原动机拖动被试电机到同步转速，调节励磁电流If使电枢电流使电枢电流I从零起一直增加到从零起一直增加到1.2IN左右，便可得到左右，便可得到短路特性曲线，如图短路特性曲线，如图42所示。所示。)(0fIfE 第5章 同步电机 短路时，短路时，故，故 ，而，而 所以所以 因为短路试
27、验时磁路为不饱和，所以这里因为短路试验时磁路为不饱和，所以这里的的E0(每相值每相值)应从气隙线上查出，如图应从气隙线上查出，如图43所示，求出的所示，求出的Xd值为不饱和值。值为不饱和值。00900qIdIIdqqddaXI jXI jXI jRIUE0IEXd0 第5章 同步电机 Xd的饱和值与主磁路的饱和情况有关。主的饱和值与主磁路的饱和情况有关。主磁路的饱和程度取决于实际运行时作用在主磁路的饱和程度取决于实际运行时作用在主磁路上的合成磁动势，因而取决于相应的气磁路上的合成磁动势，因而取决于相应的气隙电动势；如果不计漏阻抗压降，则可近似隙电动势；如果不计漏阻抗压降，则可近似认为取决于电枢
28、的端电压，所以通常用对应认为取决于电枢的端电压，所以通常用对应于额定电压时的于额定电压时的Xd值作为其饱和值。为此，值作为其饱和值。为此，从空载曲线上查出对应于额定端电压从空载曲线上查出对应于额定端电压UN时的时的励磁电流励磁电流If0，再从短路特性上查出与该励磁，再从短路特性上查出与该励磁电流相应的短路电流，如图电流相应的短路电流，如图44所示，这样所示，这样即可求出即可求出 Xd(饱和饱和)IUXN)d(饱和第5章 同步电机5.6 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性一、同步发电机的运行特性一、同步发电机的运行特性 同步发电机的稳态运行特性包括外特性、调整特同步发电机的稳态运行特性包括
29、外特性、调整特性和效率特性。性和效率特性。外特性外特性外特性表示发电机的转速为同步转速，外特性表示发电机的转速为同步转速，且励磁电流和负载功率因数不变时，发电机的端电且励磁电流和负载功率因数不变时，发电机的端电压与电枢电流之间的关系：即压与电枢电流之间的关系：即nnS，If=常值，常值，cos=常值时，常值时，U=f(I)。图图45 表示带有不同功率因数的负载时，同步表示带有不同功率因数的负载时，同步发电机的外特性。发电机的外特性。第5章 同步电机 调整特性调整特性调整特性表示发电机的转速为同步调整特性表示发电机的转速为同步转速、端电压为额定电压、负载的功率因数不变时，转速、端电压为额定电压、
30、负载的功率因数不变时，励磁电流与电枢电流之间的关系；即励磁电流与电枢电流之间的关系；即nnS，U=UN，cos=常值时，常值时，If=f(I)。图图46表示带有不同功率因数的负载时，同步发表示带有不同功率因数的负载时，同步发电机的调整特性电机的调整特性 效率特性效率特性效率特性是指转速为同步转速、效率特性是指转速为同步转速、端电压为额定电压、功率因数为额定功率因数时，端电压为额定电压、功率因数为额定功率因数时，发电机的效率与输出功率的关系；即发电机的效率与输出功率的关系；即n nn nS S，U=UU=UNN，cos=coscos=cosN N时，时，=f(P=f(P2 2)。返回第5章 同步
31、电机短路实验接线图短路实验接线图A 励磁电枢AAA返回第5章 同步电机短路特性短路特性INIOfkIfI短路特性返回第5章 同步电机用空载和短路特性来确定用空载和短路特性来确定气隙 线空载载特短路特性IE,00EIofIfIdX返回第5章 同步电机 (饱和饱和)的确定的确定气隙 线空载载特短路特性IE,00EIofIfIdX返回第5章 同步电机同步发电机的外特性同步发电机的外特性IUNIONUcos=0.8滞后滞后cos=1cos=0.8超前超前返回第5章 同步电机同步发电机的调整特性同步发电机的调整特性IUcos=0.8滞后滞后cos=1cos=0.8超前超前ONU返回第5章 同步电机5.7
32、 同步电动机同步电动机一、三相异步电动机同步运行（异步电动机同步化）一、三相异步电动机同步运行（异步电动机同步化）和三相同步电动机的工作原理和三相同步电动机的工作原理 开关投向右边，直流电流开关投向右边，直流电流从从a端流入，端流入，b、c两端流两端流出。出。第5章 同步电机zcybaxIIIczbyzcybIIIIaxczbyIII21其三相绕组中的电流关系，与取其三相绕组中的电流关系，与取 这个瞬间时，建这个瞬间时，建立三相绕组合成磁动势的三相电流的关系相吻合，即立三相绕组合成磁动势的三相电流的关系相吻合，即0t第5章 同步电机mmmAXIItIi00coscosmmmBYIItIi211
33、20cos)120cos(00mmmCZIItIi21120cos)120cos(00AXCZBYiii21通入直流电流所建立的磁动势与磁场的基波分布图和三相通入直流电流所建立的磁动势与磁场的基波分布图和三相绕组合成磁动势一样。绕组合成磁动势一样。第5章 同步电机第5章 同步电机 从磁效应来看，通入直流电流后，就成为一个 电磁铁，根据异性相吸、同性相斥的基本物理特性，不论定子旋转磁极和电磁铁起始时的相对位置如何，定子旋转磁极必然以磁拉力拖着电磁铁，两者严格地同步转动，这时异步电动机就作同步运行。，。转子绕组内是不交变的电流，即直流电流，所以异步电动机同步运行是可能的，只要转子绕组内通过的电流是
34、直流电流，这种直流电流由另一个直流电源来供给。电枢磁动势与转子磁动势同步。0nn 0s012 sff第5章 同步电机第5章 同步电机二、同步电动机的基本方程式、相量图及功角特性二、同步电动机的基本方程式、相量图及功角特性 同步电动机的电势平衡方程式及相量图，可以通过同步电动机的电势平衡方程式及相量图，可以通过同步发电机的电势平衡方程式及相量图转化求得。同步发电机的电势平衡方程式及相量图转化求得。一、基本方程式：一、基本方程式：1、电动势：、电动势：同理可得出凸极式：同理可得出凸极式：saXIjEU.0.0.qqddXIjXIjEU第5章 同步电机2、相量图、相量图 相对与发电机，即可作出相应的
35、电动机的相量图。相对与发电机，即可作出相应的电动机的相量图。第5章 同步电机3、功角特性、功角特性 在同步发电机中，我们令电流流出的方向为正在同步发电机中，我们令电流流出的方向为正方向，而在电动机中，理论上，我们仍然可以方向，而在电动机中，理论上，我们仍然可以这样，但为了大家好理解，我们设电流流入的这样，但为了大家好理解，我们设电流流入的方向为正方向。这样，我们可以仿照同步发电方向为正方向。这样，我们可以仿照同步发电机列出同步电动机的功角特性表达示：机列出同步电动机的功角特性表达示：2sin)11(2sin20dqdMXXUmXUEmP第5章 同步电机2sin)11(2sin20dqdXXUm
36、XUEm2sin)11(2sin20dqdMXXUmXUEmP第5章 同步电机这样，我们就可以画出凸极同步电动机的功这样，我们就可以画出凸极同步电动机的功角特性曲线。为了结构上的简单，在某些小角特性曲线。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，此时电动机的电磁功率并不为零，仍有仍有 有了电磁功率就有电磁转矩，因此转子没有励磁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。的凸极同步电动机也能旋转。00E2si
37、n)11(22dqMXXUmP第5章 同步电机第5章 同步电机三、同步电动机无功功率的调节三、同步电动机无功功率的调节一、无功功率的调节一、无功功率的调节 同步电动机的功率因数是超前还是滞后，和发电机一样同步电动机的功率因数是超前还是滞后，和发电机一样决定于励磁状态。决定于励磁状态。先看一下同步电动机的先看一下同步电动机的V型曲线，注意型曲线，注意到：到：1、过励时，电动机从电网中吸入超前的无功电流。、过励时，电动机从电网中吸入超前的无功电流。2、欠励时，从电网中吸入滞后的无功功率电流。、欠励时，从电网中吸入滞后的无功功率电流。第5章 同步电机第5章 同步电机 显然，电动机的功率因数是可以通过
38、改变励磁显然，电动机的功率因数是可以通过改变励磁电电 流来进行调节的。流来进行调节的。我们知道，感应电动机必须从电网吸收激磁电流来建我们知道，感应电动机必须从电网吸收激磁电流来建立磁场，所以现代电网的功率因数经常是滞后性的。而同立磁场，所以现代电网的功率因数经常是滞后性的。而同步电动机在过励时，能够从电网吸入超前电流。因此，如步电动机在过励时，能够从电网吸入超前电流。因此，如将同步电动机在过励状态下和感应电动机接在同一电网上，将同步电动机在过励状态下和感应电动机接在同一电网上，便可以使供电系统的功率因数提高。同步电动机能够改善便可以使供电系统的功率因数提高。同步电动机能够改善电网的功率因数，这
39、是它最可贵的优点。电网的功率因数，这是它最可贵的优点。第5章 同步电机四、同步电动机的起动四、同步电动机的起动1、异步起动方法、异步起动方法 同步电动机的起动同步电动机的起动不同于异步电动机的不同于异步电动机的启动方式，它有非常启动方式，它有非常特殊的地方，如图所特殊的地方，如图所示：示：第5章 同步电机即：即：转子绕组加入直流励磁以后，在气隙中生成转子绕组加入直流励磁以后，在气隙中生成静止的转子磁场。当在定子绕组中能入三相交流静止的转子磁场。当在定子绕组中能入三相交流电以后，在气隙中则产生旋转磁场。定、转子磁电以后，在气隙中则产生旋转磁场。定、转子磁场之间存在有相对运动，转子上的平均转矩为零
40、，场之间存在有相对运动，转子上的平均转矩为零，所以同步电动机不产生起动转矩。因此，在同步所以同步电动机不产生起动转矩。因此，在同步电动机起动时，我们经常采用的是异步起动方法。电动机起动时，我们经常采用的是异步起动方法。第5章 同步电机异步启动法：异步启动法：在磁极表面上装设有类似感应电机笼型导条在磁极表面上装设有类似感应电机笼型导条的短路绕组，称为起动绕组。在起动时，电压施加于定子的短路绕组，称为起动绕组。在起动时，电压施加于定子绕组，在气隙中产生旋转磁场，如同感应电机工作原理一绕组，在气隙中产生旋转磁场，如同感应电机工作原理一样，这个旋转磁场将在转子上的起动绕组中感应电波经电样，这个旋转磁场
41、将在转子上的起动绕组中感应电波经电流和旋转磁场相互作用产生转矩，所以同步电机按照感应流和旋转磁场相互作用产生转矩，所以同步电机按照感应电机原理转动起来。待速度上升到接近同步转速时，再给电机原理转动起来。待速度上升到接近同步转速时，再给予直流励磁，产生转子磁场，此时它和定子磁场间得到转予直流励磁，产生转子磁场，此时它和定子磁场间得到转速已非常接近，依靠这两个磁场间相互吸引力，把转子拉速已非常接近，依靠这两个磁场间相互吸引力，把转子拉入同步速一起旋转。入同步速一起旋转。第5章 同步电机所以同步电动机的起动过程可以分为两个阶段：所以同步电动机的起动过程可以分为两个阶段：（1）首先按感应电机方式起动，使转子转速接近同步速；）首先按感应电机方式起动，使转子转速接近同步速；（2）加直流励磁，使转子拉入同步。）加直流励磁，使转子拉入同步。由于磁阻转矩的影响，凸极式同步电动机很容易拉由于磁阻转矩的影响，凸极式同步电动机很容易拉 入同入同步。甚至在未加励磁的情况下，有时转子也能拉入同步。步。甚至在未加励磁的情况下，有时转子也能拉入同步。因此，为了改善起动性能，同步电动机绝大多数采用凸极因此，为了改善起动性能，同步电动机绝大多数采用凸极式结构。式结构。注意：注意：当同步电动机按感应电机方式起动时，励磁绕组绝当同步电动机按感应电机方式起动时，励磁绕组绝 对不能开路对不能开路！必须短路！必须短路！
