1、Exit第六章第六章 三相交流同步电动机三相交流同步电动机n6-0 概述n6-1 同步电动机的工作原理n6-2 同步电动机的功率平衡、功角和矩角特性n6-3 同步电动机的励磁调节及V形曲线n6-4 同步电动机的起动n6-5 介绍几种特殊的同步电动机11/19/20221Exit6-0 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。min)/(6011rpfn 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
2、相同。同步电动机的结构：由定子和转子组成11/19/20222Exit（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11/19/20223Exit11/19/20224Exit
3、6-1 同步电动机的工作原理定子定子同步电动机工作原理转转子子NSSNn1n111/19/20225Exit定子定子同步电动机工作原理转转子子SNNS11/19/20226Exit定子定子同步电动机工作原理转转子子SNNS11/19/20227Exit定子定子同步电动机工作原理转转子子SNNS11/19/20228Exit定子定子同步电动机工作原理转转子子SNNS11/19/20229Exit定子定子同步电动机工作原理转转子子SNNS11/19/202210Exit定子定子同步电动机工作原理转转子子SNNS11/19/202211Exit定子定子同步电动机工作原理转转子子SNNS11/19/2
4、02212Exit定子定子同步电动机工作原理转转子子SNNS11/19/202213Exit定子定子同步电动机工作原理转转子子SNNS11/19/202214Exit定子定子同步电动机工作原理转转子子SNNS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。11/19/202215Exit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一、隐极式同步电动机的电磁关系aaaaajjjXI jEFIUEFIU00aaassridtdiLFa电枢磁势；Ea电枢（反应）电势；Fj励磁磁势或空载磁势
5、；Eo励磁电势或空载电势；Es漏感电势。11/19/202216Exit 同步电动机空载时，电枢电流很小，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、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步电抗。隐极式同步电动机的同反应电抗；隐极式同步电动机电枢式中tasattaaaasaXXXXX,jXrIEUrIEEEU010111/19/202217Exit 隐极式同步电动机一相等值电路
6、图和向量图11/19/202218Exit6-1-2 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。11/19/202219Exit11/19/202220Exit11
7、/19/202221Exit11/19/202222Exit11/19/202223Exit（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qdaIII为交轴分量。为直轴分量；其中cosIIsinIIaqad而且qdaaqadcosFFsinFF FF FF F则为磁势交轴分量。为磁势直轴分量；F11/19/202224Exit 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 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aqqaqaddadXI jEXI jE其中 Xad为直轴电枢反应电抗，它
8、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。11/19/202225Exit 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，因此交轴同步电抗。直轴同步电抗；式中saqqsaddqqddaaXXXXXXXI jXI jrIEU01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。11/19/202226Exit11/19/202227Exit6-2 同步电动机
9、的功率平衡、功角和矩角特性同步电动机的功率平衡、功角和矩角特性1PmP2PCupFePjxpjfp6-2-1 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一、功率平衡关系和转矩平衡关系 功率平衡关系 为空载损耗。其中jxjfPPP011/19/202228Exit则同步电动机的效率为：01112100100PPPP%PPP%PPFecu式中 转矩平衡方程式空载转矩。电磁转矩；输出转矩式中有两边同除以同步角速度1001mem1220em20mjfjxm2/PM/PM;PMMMMPPPPPP11/19/202229Exit二、电磁功率和电磁转矩表达式二、电磁功率和电磁转矩表达式 同步电动机
10、的铜耗和铁耗都很小，为分析方便可予以忽略。则因数。相电压、相电流和功率、分别为定子绕组的相数、式中cosIUmcosImUPPaam111向量图（忽略定子绕组电阻）11/19/202230Exit。之间的夹角，称为功角和率因数角；之间的夹角，称为内功和因数角；之间的夹角，称为功率和式中001EUIEIUaasinsincoscosImUcosImUPaam11dadqaqddqqXcosUEsinIIXsinUcosIIcosUEXIsinUXI101101将电流代入功率公式：11/19/202231ExitMMsinXXmUsinXEmUMPPsinXXUmsinXEUmPqdd mmqdd
11、m 2112211212110112101，速度将上式两边除以同步角。为附加分量或磁阻分量，为基本分量；，MPMPmm 对隐极式同步电动机不存在附加分量：11/19/202232ExitsinXEmUMsinXEUmPddm101016-2-2 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。11/19/202233Exit 凸极和隐极同步电动机的功角和矩角特性曲线
12、11/19/202234Exit 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。（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 11/19/202235Exit 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
13、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mNNmaxmsinMM1，增加励磁电流也可提高过载能力。jmaxIM11/19/202236Exit 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 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M
14、max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11/19/202237Exit 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 。87.062I5000UNNNcosA,V,3.40Xtar0ENmPm 解 励磁电势 。该同步电动机向量图如图所示。0E11/19/202238Exit由向量图可知：V74.46523.406249.03500087.035000XIsinUcosUE1222teNN2NN0 79.275.
15、2929.5729.5787.0350003.406249.035000arctancosUXIsinUarctan2NNNNtNNNNe功角11/19/202239Exit kW71.46674.465279.27sin350003sinXEU3PP3Nt0Nmm电磁功率 14.279.27sin1sin14Nmm过载倍数 例 凸极式同步电动机（自学）11/19/202240Exit6-3 同步电动机的同步电动机的励磁调节及励磁调节及V形曲线形曲线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
16、。假设：（1）不计凸极效应，即tqdXXX（2）不计电机的损耗，所以输入功率2m1PPP为常数，则常数常数sinXEUmPcosImUPt01ma1111/19/202241Exit不变，则有1U常数常数sinEcosI0a因为隐极式同步电动机电势平衡方程式为ta0taaa01XI jEXI jrIEU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。0EaI 下面是以 为参考向量，当 为三种不同状态 时的向量图。1U1U11/19/202242Exit11/19/202243Exit（1）当 。a与1同相，为纯有 功电流，Ia值最小。此时电
17、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。1cos0II1jj，时，122UI,滞后且,II12,II13133UI,超前且11/19/202244Exit 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
18、步电动机在电网上是一个容性负载，它可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。11/19/202245Exit 不同输出功率下的励磁电流和电枢电流的关系曲 线11/19/202246Exit（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
19、功电流，。电机为正常励磁。（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。1cos11/19/202247Exit 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ImZIUr IXI jSQUIXIZXIZIXsinSPUIrIZrUIrcosmmm22PjQUIS 工厂原来所消耗功率情况为：18
20、00kvarsinSQAkV3000cosPSkW2400无功功率视在功率有功功率P11/19/202248Exit（1）选用感应电动机时滞后，不变。总功率因数总视在功率总无功功率总有功功率80cosAkV3500kvar210060804001800kW2800400240022SPQPSQPPjQSPQj S11/19/202249Exit（2）选用同步电动机时kvar150060804001800kW28004002400 QP总无功功率总有功功率滞后，提高。总功率因数总视在功率8815031762800cosAkV317622 SPQPSP SPjQQj S 11/19/202250E
21、xit6-4 同步电动机的同步电动机的起动起动 若不采取措施，通常同步电动机是不能自行起动 的。11/19/202251Exit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。11/19/202252Exit 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；
22、或危及生命。也不能将励磁绕组直接短路。因为励磁绕组 感应产生的单相电流所产生的脉振磁场可分解为11/19/202253Exit 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。11/19/202254Exit 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。11/19/202255Exit 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，
23、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。11/19/202256Exit6-5 介绍几种特殊的同步电动机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动两类。异步起动同样依靠转子上的笼型起动绕组；磁 滞起动依靠转子的磁滞材料，在磁化时，转子 磁场在空间滞后与旋转磁场一个磁滞角，从而 产生转矩。6-5-2 自控式同步电动机11/19/202257Exit 由同步电动机、变频器及转子位置检测器组成。变频器提供同步电动机定子绕组电源，其频率 通过检测转子位置来决定。使转子始终与旋转磁 场同步。11/19/202258Exit思考题（不交）：6-1，6-2，6-3，6-4，6-5，6-6，6-7，6-9，6-10，6-12作业题（29日交，学号21-40）：6-14，6-16，6-17，6-1811/19/202259
