1、第第27讲讲 同步电机同步电机 1、概述、概述 2、同步电机的电磁关系、同步电机的电磁关系 3、稳定运行状态、稳定运行状态 4、同步电机功率因数调节、同步电机功率因数调节一、同步电机概述一、同步电机概述1 1、同步电机、同步电机如果三相交流电机的转子转速如果三相交流电机的转子转速n与定子电流的频率与定子电流的频率f 满足方程式满足方程式的关系，就称为同步电机。由于电源频率的关系，就称为同步电机。由于电源频率50Hz不变，不变，p为整数，为整数，因此电机转速与极对数之间有严格的对应关系。因此电机转速与极对数之间有严格的对应关系。2 2、同步电机与异步电机相比，有下列优点、同步电机与异步电机相比，
2、有下列优点 1、同步电机功率因数高，能够改善电网的功率因数；、同步电机功率因数高，能够改善电网的功率因数；2、对大功率低转速的电动机，同步电机体积小。、对大功率低转速的电动机，同步电机体积小。3 3、结构、结构 转子分为凸极式和隐极式两种；转子上装有励磁绕组。转子分为凸极式和隐极式两种；转子上装有励磁绕组。60 fnp 一、同步电机概述一、同步电机概述NSNS+凸极式凸极式一、同步电机概述一、同步电机概述隐极式隐极式一、同步电机概述一、同步电机概述4 4、同步电机的分类（按运行方式）、同步电机的分类（按运行方式）发电机发电机把机械能转换为电能。把机械能转换为电能。电动机电动机把电能转换为机械能
3、；把电能转换为机械能；补偿机补偿机没有有功功率的转换，只发出或吸收无功功率；没有有功功率的转换，只发出或吸收无功功率；直流励磁机励磁直流励磁机励磁直流励磁机通常与同步发电机同轴，采直流励磁机通常与同步发电机同轴，采用并励或他励接法。用并励或他励接法。整流器励磁整流器励磁静止式静止式旋转式旋转式5 5、同步电机的励磁方式、同步电机的励磁方式一、同步电机概述一、同步电机概述GG副励磁机副励磁机主励磁机主励磁机同步发电机同步发电机一、同步电机概述一、同步电机概述交流副励磁机交流副励磁机交流主励磁机交流主励磁机不可控整不可控整流器流器电压调电压调整器整器主发电机主发电机电电压压互互感感器器电流互感器电
4、流互感器可控整可控整流器流器一、同步电机概述一、同步电机概述6 6、同步电机的额定数据、同步电机的额定数据额定容量额定容量PN 指额定运行时电机轴上的输出有功功率；指额定运行时电机轴上的输出有功功率；额定电压额定电压UN 指额定运行时定子的线电压；指额定运行时定子的线电压；额定电流额定电流IN 指额定运行时定子的线电流；指额定运行时定子的线电流；额定功率因数额定功率因数 指额定运行时电机的功率因数；指额定运行时电机的功率因数；额定频率额定频率fN 指额定运行时电枢的频率；指额定运行时电枢的频率；额定转速额定转速nN 指额定运行时电机的转速，即为同步转速；指额定运行时电机的转速，即为同步转速；额
5、定效率额定效率 同步电机额定运行时的效率。同步电机额定运行时的效率。还有额定励磁电压以及额定励磁电流等等。还有额定励磁电压以及额定励磁电流等等。N Ncos 二、同步电机的电磁关系二、同步电机的电磁关系1 1、同步电机的磁通势、同步电机的磁通势（1）同步电机的定子三相对称绕组通入三相对称电流，产）同步电机的定子三相对称绕组通入三相对称电流，产生合成旋转磁通势，称为生合成旋转磁通势，称为电枢磁通势电枢磁通势，用空间矢量，用空间矢量 表示。表示。转向为逆时针，转速为同步转速。转子以同步转速逆时针旋转向为逆时针，转速为同步转速。转子以同步转速逆时针旋转，转子上的直流励磁绕组，通入励磁电流转，转子上的
6、直流励磁绕组，通入励磁电流If产生产生励磁磁通励磁磁通势势 相对转子静止，但仍以同步转速和转子一起逆时针旋相对转子静止，但仍以同步转速和转子一起逆时针旋转。转。aF0F（2）励磁磁通势单独在电机主磁路产生磁通的情况）励磁磁通势单独在电机主磁路产生磁通的情况规定：把转子规定：把转子N、S极的中心线称极的中心线称纵轴或纵轴或d轴轴，与纵轴相距，与纵轴相距90空间电角度的地方称为空间电角度的地方称为横轴或横轴或q轴轴。二、同步电机的电磁关系二、同步电机的电磁关系由于电枢磁通势和励磁磁通势在空间位置不一定相同，经常由于电枢磁通势和励磁磁通势在空间位置不一定相同，经常变化，如何求总的磁通势以及分析呢？变
7、化，如何求总的磁通势以及分析呢？二、凸极同步电动机的双反应原理二、凸极同步电动机的双反应原理2、凸极同步电动机的双反应原理、凸极同步电动机的双反应原理如图，如果电枢磁通势和励磁磁通势的相对位置已定，可以把如图，如果电枢磁通势和励磁磁通势的相对位置已定，可以把电枢磁通势分解为两个分量：一个纵轴电枢磁通势电枢磁通势分解为两个分量：一个纵轴电枢磁通势 ，作用，作用在纵轴上；另一个称为横轴电枢磁通势在纵轴上；另一个称为横轴电枢磁通势 ，作用在横轴上。，作用在横轴上。即：即：adFaqFaadaqFFF二、凸极同步电机的双反应原理二、凸极同步电机的双反应原理 下面分别分析纵轴电枢磁通势下面分别分析纵轴电
8、枢磁通势 和横轴电枢磁通势和横轴电枢磁通势 在主磁路里产生的纵轴电枢磁通磁通在主磁路里产生的纵轴电枢磁通磁通 和横轴电枢磁通和横轴电枢磁通 ，从而分析电枢磁通势的作用，从而分析电枢磁通势的作用，这种分析问题的方法称为双反应这种分析问题的方法称为双反应原理。原理。电枢磁通势的大小为：电枢磁通势的大小为：则纵轴电枢磁通势和横轴电枢磁通势可以分别表示为：则纵轴电枢磁通势和横轴电枢磁通势可以分别表示为：因此，电流同样可以分为纵轴电枢电流和横轴电枢电流，即因此，电流同样可以分为纵轴电枢电流和横轴电枢电流，即adFaqFad aq 3 4222dpaNkFIp 3 42223 4222dpadddpaqq
9、NkFIpNkFIp dqIII三、凸极同步电动机的电压平衡方程式三、凸极同步电动机的电压平衡方程式 设励磁磁通设励磁磁通 在定子绕组里感应电动势用在定子绕组里感应电动势用 表示；纵轴表示；纵轴电枢磁通电枢磁通 在定子绕组感应电动势用在定子绕组感应电动势用 表示，横轴电枢磁通表示，横轴电枢磁通 在定子绕组产生感应电动势用在定子绕组产生感应电动势用 表示。表示。根据右图同步电动机定子绕组各电量正根据右图同步电动机定子绕组各电量正方向，可以列出方向，可以列出A相回路的电压平衡方程式：相回路的电压平衡方程式：其中，其中，R1为定子一相的电阻；为定子一相的电阻；X1为定子一相的漏电抗。为定子一相的漏电
10、抗。因磁路线性，因此纵轴因磁路线性，因此纵轴感应电动势和感应电动势和横轴电动势可以表示为：横轴电动势可以表示为：其中，其中，Xad、Xaq分别为纵轴电枢反应电抗和横轴反应电抗分别为纵轴电枢反应电抗和横轴反应电抗0 adEad 0E011(j)adaqUEEEI RXaq aqEjjaddadaqqaqEI XEI X 三、凸极同步电动机的电压平衡方程式三、凸极同步电动机的电压平衡方程式 因此，电压平衡方程式可以改写为：因此，电压平衡方程式可以改写为：把电流把电流 代入上式得：代入上式得：一般情况下，当同步电机容量较大时，可以忽略一般情况下，当同步电机容量较大时，可以忽略R1，于是，于是其中，其
11、中，Xd=Xad+X1 称为称为纵轴同步电抗纵轴同步电抗；Xq=Xaq+X1 称为称为横轴同步电抗横轴同步电抗。011jj(j)dadqaqUEI XI XI RX0jjddqqUEI XI XdqIII0110111jj()(j)=j()+j()+()dadqaqdqdadqaqdqUEI XI XIIRXEIXXI XXIIR四、凸极同步电动机的电动势向量图四、凸极同步电动机的电动势向量图 右图表示的是同步电机作电动运行的向量图。右图表示的是同步电机作电动运行的向量图。电压电压 和电流和电流 的夹角为的夹角为 称为功率因数角；称为功率因数角；电压电压 和励磁电动势和励磁电动势 的夹角为的夹
12、角为 ，而且被，而且被称为功率角；励磁电动势称为功率角；励磁电动势 和电流和电流 的夹角的夹角为为 ，而且，而且 sincosdqIIII UI 0EU0EII五、隐极同步电动机五、隐极同步电动机 由于隐极同步电机的气隙是均匀的，因此，纵轴和横轴同由于隐极同步电机的气隙是均匀的，因此，纵轴和横轴同步电抗相等，即步电抗相等，即 隐极同步电机的电压平衡方程式为：隐极同步电机的电压平衡方程式为：隐极同步电机的电动势向量图为：隐极同步电机的电动势向量图为：dqXX 000jjj()jddqqdqccUEI XI XEIIXEIX六、同步电机功率关系六、同步电机功率关系 同步电机从电源吸收有功功率同步电
13、机从电源吸收有功功率 ，除去消耗于，除去消耗于定子绕组的铜损耗定子绕组的铜损耗 后，就转变为电磁功率后，就转变为电磁功率PM，即，即扣除铁损耗扣除铁损耗pFe和机械损耗和机械损耗pm后，转变为机械功率后，转变为机械功率P2输出给负载，输出给负载，即即铁损耗铁损耗pFe和机械损耗和机械损耗pm之和称为空载损耗，即之和称为空载损耗，即电磁转矩电磁转矩T为为:则转矩平衡方程式：则转矩平衡方程式：1CuMPpP13cosPUI 213CupI R 2MFemPppP0FempppMPT 0220MpPPTTT七、同步电动机的电磁功率七、同步电动机的电磁功率03333Mcoscos(-)=coscoss
14、insinsin;coscos;sindqddqqPUIUIUIUIIIIII XEUI XU 当忽略定子绕组电阻当忽略定子绕组电阻R1后，电磁功率为：后，电磁功率为：从右图可以看出从右图可以看出 ，于是得到：，于是得到：13McosPPUI 从而得到：从而得到：八、功角特性八、功角特性 20332dqMddqsinsin2XXE UPUXX X 功角特性：从同步电机电磁功率可以看出当电机参数以及电源功角特性：从同步电机电磁功率可以看出当电机参数以及电源参数不变时，电磁功率的大小与角度参数不变时，电磁功率的大小与角度 有关，把有关，把 的关系称为同步电机的功角特性。的关系称为同步电机的功角特性
15、。M()Pf 从电磁功率公式可以看出，第一项与励磁从电磁功率公式可以看出，第一项与励磁电流有关，称为励磁电磁功率；第二项与励磁电流无关，电流有关，称为励磁电磁功率；第二项与励磁电流无关，是由参数是由参数Xd不等于不等于Xq引起的，也就是由于转子凸极引起的，引起的，也就是由于转子凸极引起的，若对隐极转子来说，二者相等，不存在第二项。若对隐极转子来说，二者相等，不存在第二项。励磁电磁功率：励磁电磁功率：，变化曲线如，变化曲线如103MfdsinE UPX 20332dqMddqsinsin2XXE UPUXX X 励磁电磁功率（基本电磁功率）附加电磁功率（磁阻功率）八、功角特性八、功角特性八、功角
16、特性八、功角特性 凸极电磁功率凸极电磁功率当当 凸极励磁功率最大，则：凸极励磁功率最大，则：凸极电磁功率与凸极电磁功率与 的关系如曲线的关系如曲线2，曲线，曲线3是合成的总电磁功率与的是合成的总电磁功率与的 关系。关系。232dqMTdqsin2XXPUX X 45 232dqMdqXXPUX X 当当 时，励磁电磁功率最大，即时，励磁电磁功率最大，即90 03MdE UPX 九、矩角特性九、矩角特性 矩角特性：指电磁转矩矩角特性：指电磁转矩T与与 的关系的关系对隐极同步电机，有对隐极同步电机，有右图即为隐极同步电机的矩角特性。对隐极同步电机来说，最右图即为隐极同步电机的矩角特性。对隐极同步电
17、机来说，最大转矩和功率分别为：大转矩和功率分别为：dqcXXX03MdsinE UPX 0033MmcMcE UPXE UTX 在电磁功率公式两边同除以机械角速度，可得：在电磁功率公式两边同除以机械角速度，可得：20332dqddqsinsin2XXE UTUXX X 十、稳定运行十、稳定运行90180-0090-1、当电动机拖动机械负载运行在、当电动机拖动机械负载运行在 范围内范围内电机原来运行在电机原来运行在 ，电磁转矩，电磁转矩T和负载转矩和负载转矩TL平衡，若负载突然增大到平衡，若负载突然增大到 ，此时电机减速，此时电机减速，增大，同时电磁转矩也增大到增大，同时电磁转矩也增大到 ,能够
18、稳定运行，反之相同。能够稳定运行，反之相同。1 LT LTT 2、当电动机拖动机械负载运行在、当电动机拖动机械负载运行在 范围内范围内 和上面分析相同，但同步电机不能稳定运和上面分析相同，但同步电机不能稳定运行。行。以以隐极同步电机隐极同步电机为例讲解同步电机稳定运行的问题：为例讲解同步电机稳定运行的问题：（）角的物理意义：角的物理意义：(1)励磁电动势励磁电动势E0与绕组端电压与绕组端电压U之间的夹角；之间的夹角；(2)励磁电动势励磁电动势E0与合成电动势与合成电动势E(U)之间的夹角，也就是转之间的夹角，也就是转子磁场和合成磁场之间的空子磁场和合成磁场之间的空间位移角。间位移角。如图所示，
19、合成磁场的等效如图所示，合成磁场的等效磁极在前，拖着转子磁极以磁极在前，拖着转子磁极以同步转速旋转。同步转速旋转。如果转子磁极在前，等效磁如果转子磁极在前，等效磁极在后，即转子拖着等效磁极在后，即转子拖着等效磁极旋转，是同步发电机运行极旋转，是同步发电机运行状态。状态。十、稳定运行十、稳定运行十、稳定运行十、稳定运行902 3 5mNNsin-sinT.T 最大转矩和额定转矩之比，称为过载倍数。最大转矩和额定转矩之比，称为过载倍数。隐极同步电机额定运行时，隐极同步电机额定运行时，当同步电机负载改变时，当同步电机负载改变时，随之改变，从而随之改变，从而电磁转矩或电磁功率也改变，以达到新的平电磁转
20、矩或电磁功率也改变，以达到新的平衡，从而使电机的转子转速与同步转速保持衡，从而使电机的转子转速与同步转速保持同步，因此电机特性较硬。同步，因此电机特性较硬。例例9-316 530N-.十一、同步电动机的功率因数调节十一、同步电动机的功率因数调节003dsinCONSTANTsinCONSTANTE UTEX 当同步电机的电源参数不变以及有功负载保持不变时，通当同步电机的电源参数不变以及有功负载保持不变时，通过改变励磁电流，就可以改变功率因数。过改变励磁电流，就可以改变功率因数。同步电机的负载不变指的是电动机转轴上输出的转矩同步电机的负载不变指的是电动机转轴上输出的转矩T2不变，不变，因此有因此
21、有T=T2，由电磁转矩公式可得，由电磁转矩公式可得当改变励磁电流当改变励磁电流If时，电动势时，电动势E0的大小也变化，必须满足上式。的大小也变化，必须满足上式。当负载转矩不变，电机的输入功率当负载转矩不变，电机的输入功率P1不变，因此有：不变，因此有：在电压在电压U不变的条件下，必有有功电流不变：不变的条件下，必有有功电流不变：13cosCONSTANTPUI cosCONSTANTI 十一、同步电动机的功率因数调节十一、同步电动机的功率因数调节 根据上述公式画出励磁电流分别为根据上述公式画出励磁电流分别为 时，所对应的电时，所对应的电动势动势 向量图，如右图。其中向量图，如右图。其中cos
22、1 fffI,I,I000E,E,Efff000IIIEEEIU从图中可以看出，当改变励磁电流时，从图中可以看出，当改变励磁电流时，电流的变化轨迹总是在与电压垂直的电流的变化轨迹总是在与电压垂直的虚线上。同时可以知道，改变励磁电虚线上。同时可以知道，改变励磁电流时，同步电机的功率因数变化规律：流时，同步电机的功率因数变化规律：（1）当励磁电流为）当励磁电流为If时，使定子电流时，使定子电流与与 同向，称为正常励磁状态。同步电机同向，称为正常励磁状态。同步电机从电网只吸收有功功率，同步电机像个纯从电网只吸收有功功率，同步电机像个纯电阻负载，有电阻负载，有（2）当励磁电流比正常励磁电流小时，称为欠
23、励状态。）当励磁电流比正常励磁电流小时，称为欠励状态。此时，此时，定子电流，定子电流 落后落后 为为 。同步电机从电网吸收有功功率和滞后性同步电机从电网吸收有功功率和滞后性的无功功率，此时，同步电机像个电阻的无功功率，此时，同步电机像个电阻电感负载。电感负载。UI 0EU 0EU UI （3）当励磁电流比正常励磁电流大时）当励磁电流比正常励磁电流大时，称为过励状态。，称为过励状态。此时，此时，定子电流，定子电流 领先领先 为为 。同步电机从电网吸收有功功率和领先同步电机从电网吸收有功功率和领先的无功功率，此时，同步电机像个电阻的无功功率，此时，同步电机像个电阻电容负载。电容负载。十一、同步电动
24、机的功率因数调节十一、同步电动机的功率因数调节十二、同步电动机的启动十二、同步电动机的启动1 1、同步电动机的异步启动、同步电动机的异步启动由于同步电机本身没有启动转矩，因此必须采用其他方法启动。由于同步电机本身没有启动转矩，因此必须采用其他方法启动。一般采用在转子磁极上加启动绕组，启动时由启动绕组产生启一般采用在转子磁极上加启动绕组，启动时由启动绕组产生启动转矩，当转速达到同步转速的动转矩，当转速达到同步转速的95%左右，然后给励磁绕组通左右，然后给励磁绕组通电，转子即可迁入同步。电，转子即可迁入同步。注意：在启动过程中，励磁绕组既不能开路也不能短路。注意：在启动过程中，励磁绕组既不能开路也不能短路。2 2、同步电动机的变频启动、同步电动机的变频启动大型同步电动机启动，在启动过程中改为自控式同步电动大型同步电动机启动，在启动过程中改为自控式同步电动机控制方式，启动完毕，将控制装置退出。机控制方式，启动完毕，将控制装置退出。
