电机原理与拖动基础电机原理与拖动基础下 页主讲人：包主讲人：包 蕾蕾宁波工程学院宁波工程学院第第7章章 同步电机同步电机同步电机的基本结构与运行状态同步电机的基本结构与运行状态7.1同步电机的工作原理同步电机的工作原理7.2同步电动机的电压方程式与相量图同步电动机的电压方程式与相量图7.3同步电动机的功率、转矩及功率特性同步电动机的功率、转矩及功率特性7.4同步电动机的工作特性和同步电动机的工作特性和V形曲线形曲线7.5同步电动机的起动同步电动机的起动7.6下 页上 页第第7章章本章教学基本要求（自学为主）n熟悉同步电机的基本结构基本结构。n熟悉同步电机工作原理，理解电枢反应电枢反应的物理意义。n熟悉同步电动机电压方程方程、相量图、矩角特性特性和功角特性。n熟悉同步电动机的工作特性，理解V形曲线形曲线。n熟悉同步电动机常用的起动起动方法，掌握同步电动机的异步起动法。下 页上 页返 回第第7章章本章教学重点和难点n重点：重点： 1.同步电动机的工作原理； 2.同步电动机的电压方程式； 3.同步电动机的特性； 4.同步电动机的起动；n 难点：难点： 同步发电机电枢反应的物理意义。下 页上 页返 回第第7章章n同步电机是交流电机的一种。普通同步电机与异步电机的根本区别是转子侧装有磁极并通入直流电流励磁转子侧装有磁极并通入直流电流励磁；由于由于定、转子磁场相对静止及气隙合成磁场恒定是所有旋转定、转子磁场相对静止及气隙合成磁场恒定是所有旋转电机稳定实现机电能量转换的两个前提条件电机稳定实现机电能量转换的两个前提条件，因此，同步电机的运行特点是转子的旋转速度必须与定子磁场旋转速度严格同步，即同步电机转速即同步电机转速n与定子电流频率与定子电流频率f和极和极对数对数p保持严格不变的关系保持严格不变的关系：下 页上 页返 回n我国电力系统的电网标准工作频率（简称工频）为50Hz，而极对数p=整数如1、2、3，即同步电机的转速对应为n=3000、1500、1000r/min。7.1 同步电机的基本结构与运行状态同步电机的基本结构与运行状态第第7章章7.1.1 同步电机的基本结构同步电机的基本结构下 页上 页返 回n与直流机、异步电机一样，同步电机也是由定子和转子与直流机、异步电机一样，同步电机也是由定子和转子两大部分组成，定、转子间是空气隙。两大部分组成，定、转子间是空气隙。n结构型式结构型式旋转电枢式：电枢装设在转子上，主磁极装设在定子上。这种结构应用在小容量同步电机中。(与直流电机相似)旋转磁极式旋转磁极式：主磁极装设在转子上，电枢装设在定子上。对于高压、大容量的同步电机，对于高压、大容量的同步电机，通常采用旋转磁极式结构通常采用旋转磁极式结构。第第7章章1、定子 同步电机的定子与异步电机的定子结构同步电机的定子与异步电机的定子结构基本相同，由机座、定子铁芯、定子绕组等基本相同，由机座、定子铁芯、定子绕组等组成。组成。 定子铁芯通常由定子铁芯通常由0.5mm厚度的电工钢片厚度的电工钢片叠成，叠成，于大型同步电机，由于尺寸太大，硅于大型同步电机，由于尺寸太大，硅钢片常制成扇形，然后对成圆形。钢片常制成扇形，然后对成圆形。下 页上 页返 回第第7章章2、转子、转子 由磁极、转轴、阻尼绕组、滑环、电刷等组成，在电由磁极、转轴、阻尼绕组、滑环、电刷等组成，在电刷和滑环通入直流电励磁，产生固定磁极。刷和滑环通入直流电励磁，产生固定磁极。 根据容量大小和转速高低转子结构分根据容量大小和转速高低转子结构分凸极和隐极凸极和隐极两种。两种。凸极特点凸极特点： 气隙不均匀，有明显的磁极，转子铁芯短粗，适用于气隙不均匀，有明显的磁极，转子铁芯短粗，适用于转速低于转速低于1000r/min，极对数极对数p3的电动机。如水轮发电机。的电动机。如水轮发电机。 同步电动机、由内燃机拖动的同步发电机以及同步补同步电动机、由内燃机拖动的同步发电机以及同步补偿机，多做成凸极式。偿机，多做成凸极式。隐极特点隐极特点： 气隙均匀，无明显的磁极，转子铁芯长细，呈圆柱气隙均匀，无明显的磁极，转子铁芯长细，呈圆柱形，适用于转速高于形，适用于转速高于1500r/min，极对数极对数p2的电动机，如的电动机，如汽轮发电机。汽轮发电机。下 页上 页返 回第第7章章同步电机转子结构n隐极式：隐极式：沿着转子本体圆周表面上，开有许多槽，槽中嵌放励磁沿着转子本体圆周表面上，开有许多槽，槽中嵌放励磁绕组。在转子表面约绕组。在转子表面约1/3部分没有开槽，构成部分没有开槽，构成所谓大齿，是磁极的中所谓大齿，是磁极的中心区。励磁绕组通入励磁电流后，沿转子圆周也心区。励磁绕组通入励磁电流后，沿转子圆周也会出现会出现 N 极和极和 S 极。极。n凸极式凸极式：转子铁心由转子铁心由厚度为厚度为13mm的钢片叠成；的钢片叠成；磁极两端有磁极压板，磁极两端有磁极压板，用来压紧磁极冲片和用来压紧磁极冲片和固定磁极绕组。有些发固定磁极绕组。有些发电机磁极的极靴上开有电机磁极的极靴上开有一些槽，槽内放上铜条，并用端环将所有铜条连在一起构成阻尼一些槽，槽内放上铜条，并用端环将所有铜条连在一起构成阻尼绕组，其作用是用来抑制短路电流和减弱电机振荡，在电动机中绕组，其作用是用来抑制短路电流和减弱电机振荡，在电动机中作为起动绕组用。励磁绕组励磁线圈中通过直流励磁电流后，每作为起动绕组用。励磁绕组励磁线圈中通过直流励磁电流后，每个磁极就出现一定的极性，相邻磁极交替为个磁极就出现一定的极性，相邻磁极交替为 N 极和极和 S 极。极。下 页上 页返 回第第7章章7.1.2 同步电机的运行状态1.分类分类同步电机可分同步发电机、同步电动机和同步补偿机；同步电机可分同步发电机、同步电动机和同步补偿机；主主要用作发电机要用作发电机。2.应用应用在现代电力系统中，几乎所有的电能是由同步在现代电力系统中，几乎所有的电能是由同步发电机发电机生产生产的；同步的；同步电动机电动机应用于大型生产机械的拖动系统中，随着应用于大型生产机械的拖动系统中，随着电力电子技术和计算机控制技术的不断发展，变频调速在电力电子技术和计算机控制技术的不断发展，变频调速在同步电动机的调速系统中的实现，使同步电动机的应用场同步电动机的调速系统中的实现，使同步电动机的应用场合大为扩大；同步合大为扩大；同步补偿机补偿机则是空载运行的同步电动机，用则是空载运行的同步电动机，用以改善电网的功率因数，使大功率同步电动机与同容量的以改善电网的功率因数，使大功率同步电动机与同容量的异步电动机比较，有明显的优点。异步电动机比较，有明显的优点。 下 页上 页返 回第第7章章7.1.3 铭牌数据同步电机的主要额定数据为：同步电机的主要额定数据为：n额定容量额定容量PN： 对发电机是指输出的有功电功率，对电动机是指轴上输出对发电机是指输出的有功电功率，对电动机是指轴上输出的机械功率。单位：的机械功率。单位：kW或或MW；n额定电压额定电压UN： 指额定运行时定子三相绕组上输出或输入的线电压，指额定运行时定子三相绕组上输出或输入的线电压，单位：单位：V或或KV；n额定电流额定电流IN： 指额定运行时，定子绕组上输出或输入的线电流，指额定运行时，定子绕组上输出或输入的线电流，单位：单位：A；n额定功率因数：额定运行时电机的功率因数额定功率因数：额定运行时电机的功率因数cosj jN； n额定转速额定转速nN： 指电机额定运行时的同步转速，单位：指电机额定运行时的同步转速，单位：r/min；n额定频率额定频率fN：我国标准工业频率规定为：我国标准工业频率规定为50Hz。下 页上 页返 回第第7章章n额定效率额定效率N： 指电机额定运行时的效率；指电机额定运行时的效率；n额定励磁电压额定励磁电压UfN： 指电机额定运行时的励磁电压，单位：指电机额定运行时的励磁电压，单位：Vn额定励磁电流额定励磁电流IfN： 指电机额定运行时的励磁电流，单位：指电机额定运行时的励磁电流，单位：A额定功率、电压、电流、效率、功率因数之间的关系为：额定功率、电压、电流、效率、功率因数之间的关系为：下 页上 页返 回第第7章章下 页上 页返 回7.2 同步电机的工作原理同步电机的工作原理7.2.1 同步发电机同步发电机工作原理工作原理参考同步电机结构模型。参考同步电机结构模型。1、定子定子上：三相绕组，空间上：三相绕组，空间互差互差1200电角度，匝数相等电角度，匝数相等 转子转子上：上：IfF F，由，由转子转子N极极出来出来气隙气隙定子铁心定子铁心气气隙隙转子转子S极极原动机原动机n逆时针恒速旋转逆时针恒速旋转定定子上导体切割磁力线子上导体切割磁力线产生产生三相感应对称电动势三相感应对称电动势 磁极定子铁芯定子绕组励磁绕组第第7章章2. 同步发电机的空载运行同步发电机的空载运行n空载气隙磁场空载气隙磁场 主磁通主磁通：既与转子交链，又经气隙与定子交链的磁通。：既与转子交链，又经气隙与定子交链的磁通。为一以同步转速旋转的旋转磁场，磁密波形沿气隙圆周近为一以同步转速旋转的旋转磁场，磁密波形沿气隙圆周近似作正弦分布，其基波分量的每极磁通用似作正弦分布，其基波分量的每极磁通用F F0表示，表示，F F0参与参与电机的机电能量转换。电机的机电能量转换。漏磁通漏磁通F F1 ：除：除F F0外的所有谐波成分，及励磁磁场中仅与外的所有谐波成分，及励磁磁场中仅与转子励磁绕组交链而不与定子交链的磁通。转子励磁绕组交链而不与定子交链的磁通。F F1 不参与电机不参与电机的机电能量转换。的机电能量转换。空载运行：原动机带动发电机在同步转速下运行,励磁（转子）绕组通过适当的励磁电流,电枢（定子）绕组不带任何负载（开路）时的运行情况，称为空载运行。空载运行是同步发电机最简单的运行方式，其气隙磁场由转子磁势Ff（励磁磁势）单独建立，称励磁磁场。下 页上 页返 回第第7章章n空载空载特性特性E0 = f(If)或或E0 = f(Ff) ：空载运行时空载运行时, 励磁电势随励磁电流变化的关系称为同步励磁电势随励磁电流变化的关系称为同步发电机的空载特性。发电机的空载特性。转子同步速为转子同步速为n1，每相基波电势有效值为，每相基波电势有效值为 E0=4.44fW1kW1F F0 E0 = f(Ff)：改变改变If，可改可改变变F F0及及E0，由此得空载特性由此得空载特性曲线如图。曲线如图。 空载特性空载特性与电机磁路的磁化与电机磁路的磁化曲线曲线具有具有类似类似的变化规律。的变化规律。空载特性曲线空载特性曲线励磁电流励磁电流较小较小时，由于磁通较小，电时，由于磁通较小，电机磁路没有饱和，空载特性机磁路没有饱和，空载特性呈直线呈直线（将（将其延长后的射线称其延长后的射线称气隙线气隙线）。）。下 页上 页返 回第第7章章随着励磁电流的增大，磁路逐渐饱随着励磁电流的增大，磁路逐渐饱和，磁化曲线开始进入饱和段。为合和，磁化曲线开始进入饱和段。为合理利用材料，理利用材料，空载额定电压一般设计空载额定电压一般设计在空载特性的弯曲处，在空载特性的弯曲处，如图中的如图中的a点。点。空载特性可以通过计算或试验得到。空载特性可以通过计算或试验得到。试验测定的方法与直流发电机类似。试验测定的方法与直流发电机类似。同步电机的空载特性也常用标么值表同步电机的空载特性也常用标么值表示，空载电势以额定电压为基值，此示，空载电势以额定电压为基值，此时的励磁电流时的励磁电流 (称为额定励磁电流称为额定励磁电流)为为励磁电流的基值。用标么值表示的空载特性具有典型性，不论电励磁电流的基值。用标么值表示的空载特性具有典型性，不论电机容量的大小，电压的高低，其空载特性彼此非常接近。机容量的大小，电压的高低，其空载特性彼此非常接近。 空载特性曲线空载特性曲线下 页上 页返 回第第7章章7.2.2 电枢反应电枢反应空载空载时，同步发电机中只有时，同步发电机中只有一个一个以同步转速旋转的以同步转速旋转的励磁磁势励磁磁势Ff ，它在定子对称三相绕组中感应出三相对称交流电势，称为励它在定子对称三相绕组中感应出三相对称交流电势，称为励磁电势。磁电势。当定子对称三相绕组接三相对称当定子对称三相绕组接三相对称负载负载后，定子对称三相绕组后，定子对称三相绕组和负载一起构成和负载一起构成闭合通路闭合通路，通路中流过的是三相对称的交流电，通路中流过的是三相对称的交流电流流 ，三相对称电流流过三相对称绕组时将会，三相对称电流流过三相对称绕组时将会产生产生一个以同步速一个以同步速度旋转的度旋转的旋转磁势。旋转磁势。结论：结论：同步发电机接三相对称负载以后，电机中除了随轴同同步发电机接三相对称负载以后，电机中除了随轴同转的转的转子励磁磁势转子励磁磁势Ff (由励磁电流由励磁电流If产生，称为产生，称为机械旋转磁势机械旋转磁势)外，外，又多了一个又多了一个电枢旋转磁势电枢旋转磁势Fa(由定子绕组中三相对称电流由定子绕组中三相对称电流I产生产生，称为电气旋转磁势称为电气旋转磁势) 。两旋转磁势的。两旋转磁势的转速均为同步速，转速均为同步速，相对静止相对静止状态，可以用矢量加法；而且状态，可以用矢量加法；而且转向一致转向一致，二者在空间合成为一，二者在空间合成为一个合成磁势个合成磁势F 。气隙磁场可以看成是由合成磁势在电机的气隙中。气隙磁场可以看成是由合成磁势在电机的气隙中建立起来的磁场。建立起来的磁场。 也是以同步转速旋转的旋转磁场。也是以同步转速旋转的旋转磁场。1.负载后磁势分析下 页上 页返 回第第7章章2.电枢反应电枢反应n电枢磁势的存在，将使气隙磁场的大小和位置发生变电枢磁势的存在，将使气隙磁场的大小和位置发生变化，化，这一现象称为电枢反应这一现象称为电枢反应。电枢反应会对电机性能。电枢反应会对电机性能产生重大影响。产生重大影响。n电枢反应的性质（去磁、助磁或交磁）电枢反应的性质（去磁、助磁或交磁）决定于空间相决定于空间相量量Fa 和和Ff之间的相对位置之间的相对位置，这一相对位置仅与，这一相对位置仅与时间相时间相量量E0 和和I 之间的相位差之间的相位差y y相关连。相关连。称为称为内功率因数角内功率因数角，其大小由负载的性质决定。其大小由负载的性质决定。 规定规定 时若时若E0超前，超前， y y大于大于0。 与与 正方向相同正方向相同 下 页上 页返 回第第7章章n以凸极同步电机为例，先规定两个轴，把转子一个N极和一个S极的中心线称直轴或纵轴或直轴或纵轴或d轴轴；与纵轴相距90空间电角度的地方称交轴或横轴或交轴或横轴或q轴轴。d轴、q轴随转子一同旋转，励磁磁动势作用在纵轴方向励磁磁动势作用在纵轴方向，产生的磁通如图所示。 同步电机的纵轴与横轴 由励磁磁通势Ff单独产生的磁通F0 下 页上 页返 回第第7章章Ff fFa a y y=00 (图图a) 0与与İ 同相同相Fa和和Ff之间的夹角为之间的夹角为900，即二者正交，转子磁势，即二者正交，转子磁势Ff作用在纵作用在纵轴上，而电枢磁势作用在横轴上，这种作用在横轴上的电枢轴上，而电枢磁势作用在横轴上，这种作用在横轴上的电枢反应称为反应称为横轴或交轴电枢反应横轴或交轴电枢反应，简称交磁作用。，简称交磁作用。 结论结论： Fa对对Ff 大小无影响，但合成磁势大小无影响，但合成磁势F的轴线位置从空载的轴线位置从空载时纵轴处逆转子转向后移一个锐角，幅值增大，气隙磁势发时纵轴处逆转子转向后移一个锐角，幅值增大，气隙磁势发生畸变。生畸变。a a、y y=00交直轴交直轴电枢磁动势作用电枢磁动势作用3.电枢反应的性质电枢反应的性质(双反应现象双反应现象)下 页上 页返 回第第7章章Fa和和Ff与之间的夹角为与之间的夹角为1800 ，即即二者反相二者反相，转子磁势和电枢，转子磁势和电枢磁势一同作用在直轴上，方向磁势一同作用在直轴上，方向相反，电枢反应为纯去磁作用，相反，电枢反应为纯去磁作用，合成磁势的幅值减小，这一电合成磁势的幅值减小，这一电枢反应称为枢反应称为直轴或纵轴去磁电直轴或纵轴去磁电枢反应枢反应。 y y=- -900 (图图c) İ 超前超前 0 900 Fa和和Ff1与之间的夹角为与之间的夹角为00 ，即，即二者同相二者同相，转子磁势和电枢磁，转子磁势和电枢磁势一同作用在直轴上，方向相势一同作用在直轴上，方向相同，电枢反应为纯助磁作用，同，电枢反应为纯助磁作用，合成磁势的幅值增大，这一电合成磁势的幅值增大，这一电枢反应称为枢反应称为直轴或纵轴助磁电直轴或纵轴助磁电枢反应。枢反应。 c、y y=- -900交直轴电枢磁动势作用交直轴电枢磁动势作用b b、y y=900交直轴电枢磁动势作用交直轴电枢磁动势作用y y=900 (图图b) 0超前超前İ 900Ff fFa aFE0 0Ea a. . . . . . . .Ff fFa aFE0 0Ea a. . . .下 页上 页返 回第第7章章y y=(0900 ) İ滞后滞后0一个锐角一个锐角Id=Isiny y Iq=Icosy y直轴分量直轴分量Id直轴去磁作用直轴去磁作用交轴分量交轴分量 Iq交磁作用交磁作用，合成，合成磁势的幅值减小磁势的幅值减小，其其轴线位轴线位置从空载时直轴处逆转子转向置从空载时直轴处逆转子转向后移一个锐角。后移一个锐角。. .Ff fFa aFE0 0I. .FadadFaqaqIq q(Id d).下 页上 页返 回第第7章章7.2.3 同步电动机的工作原理同步电动机的工作原理u当三相交流电源加在同步电动机的定子绕组时，便有三相对称电流流过定子的三相对称绕组，并产生旋转速度为n1的旋转磁场。 u以某种方法使转子起动，并使其转速接近同步转速n1，这时在转子励磁绕组中通以直流，产生极性和大小都不变的磁场，其极对数与定子的相同。 u当转子的S极与旋转磁场的N极对齐，转子的N极与旋转磁场的S极对齐时，根据磁极异性相吸、同性相斥的原理，定转子磁场（极）间就会产生电磁转矩（称同步转矩），促使转子的磁极跟随旋转磁场一起同步转动，即n= n1，称为同步电动机 理想空载时 下 页上 页返 回第第7章章u电动机空载运转时总存在阻力，因此转子磁极的轴线总要滞后旋转磁场轴线一个很小的角度q，以增大电磁转矩，图（b）所示。 实际空载时 u负载时，q角随之增大，电动机的电磁转矩也随之增大，使电动机转速仍保持同步状态，图（c）所示。 负载时 u当负载力矩超过同步转矩时，旋转磁场就无法拖着转子一起旋转，这种现象称为失步失步，电机不能正常工作。 下 页上 页返 回第第7章章7.3 同步电动机的电压方程式与相量图说明：n为了分析方便，假设电动机主磁路未饱和，认为磁路是线为了分析方便，假设电动机主磁路未饱和，认为磁路是线性的，且只考虑定、转子的基波磁势。性的，且只考虑定、转子的基波磁势。n同步电动机能量交换在定子侧，可将定子称为电枢，定子同步电动机能量交换在定子侧，可将定子称为电枢，定子绕组称为电枢绕组。绕组称为电枢绕组。下 页上 页返 回第第7章章1.凸极同步电动机 凸极同步电动机转子有明显的磁凸极同步电动机转子有明显的磁极，气隙不均匀，转子磁极中心线附近极，气隙不均匀，转子磁极中心线附近气隙最小，磁阻最小，磁导最大；而在气隙最小，磁阻最小，磁导最大；而在转子磁极几何中心线处气隙最大，磁阻转子磁极几何中心线处气隙最大，磁阻最大，磁导最小，所以磁通所走的路径最大，磁导最小，所以磁通所走的路径不同，所遇的磁阻不同，对应的电抗不同，所遇的磁阻不同，对应的电抗参数也就不同。参数也就不同。7.3.1 同步电动机的电压方程式下 页上 页返 回第第7章章凸极同步电动机电枢反应磁势下 页上 页返 回第第7章章电枢反应电抗n当定子电流当定子电流I产生的电枢磁势产生的电枢磁势Fa与主磁极轴线重合，气隙最与主磁极轴线重合，气隙最小，磁阻最小，相应的电抗为最大；这时所对应的电枢电小，磁阻最小，相应的电抗为最大；这时所对应的电枢电抗称为抗称为电枢反应纵轴电抗，用电枢反应纵轴电抗，用xad表示；表示；n当定子电流当定子电流I产生的电枢磁势产生的电枢磁势Fa与主磁极轴线正交时，气隙与主磁极轴线正交时，气隙最大，磁阻最大，相应的电抗为小；这时所对应的电枢电最大，磁阻最大，相应的电抗为小；这时所对应的电枢电抗称为抗称为电枢反应横轴电抗，用电枢反应横轴电抗，用xaq表示；表示；n当电枢磁势位于纵轴与横轴之间时，相应的气隙、磁阻、当电枢磁势位于纵轴与横轴之间时，相应的气隙、磁阻、和电枢反应电抗处于上面两种情况之间，且随位置不同而和电枢反应电抗处于上面两种情况之间，且随位置不同而变化。变化。 电枢磁势分解成两个分量：一个分量是纵轴电枢磁势，用电枢磁势分解成两个分量：一个分量是纵轴电枢磁势，用Fad表示，它作用在纵轴方向；另一个分量是横轴电枢磁势，表示，它作用在纵轴方向；另一个分量是横轴电枢磁势，用用Faq表示。表示。n对应产生电枢磁势对应产生电枢磁势Fa的电枢电流的电枢电流I也可分解成两个分量也可分解成两个分量下 页上 页返 回第第7章章n纵轴电枢磁势纵轴电枢磁势Fad和横轴电枢磁势和横轴电枢磁势Faq在气隙圆周上在气隙圆周上同样以同步转速同样以同步转速n1旋转，它们切割定子绕组在其上旋转，它们切割定子绕组在其上产生的感应电势产生的感应电势Ead和和Eaq，正是电枢磁势正是电枢磁势Fa在定子在定子绕组上产生的感应电势绕组上产生的感应电势Ea的两个分量，所以有：的两个分量，所以有： n式中式中Ead称为纵轴电枢反应电势，其对应的电抗是称为纵轴电枢反应电势，其对应的电抗是xad；Eaq称为横轴电枢反应电势；其对应的电抗是称为横轴电枢反应电势；其对应的电抗是xaq。这里这里xad和和xaq分别是纵轴电枢反应电抗和横轴分别是纵轴电枢反应电抗和横轴电枢反应电抗，若不考虑磁路饱和的影响电枢反应电抗，若不考虑磁路饱和的影响，xad和和xaq都是常数。都是常数。电枢磁势电枢磁势下 页上 页返 回第第7章章根据根据“双反应法双反应法”，凸极同步电动机电磁关系如下：，凸极同步电动机电磁关系如下： 电磁关系电磁关系下 页上 页返 回第第7章章凸极同步电动机的电压方程式=jxad =jxaq xd =xad+ x1称为纵轴同步电抗；称为纵轴同步电抗；xq =xaq+ x1称为横轴同步电抗称为横轴同步电抗 注意：注意：同步电机要想作为电动机运行同步电机要想作为电动机运行 ， 、 二者之间的功率因数角j必须小于90。 与与 正方向相反正方向相反 下 页上 页返 回第第7章章2.隐极同步电动机隐极同步电动机u电机气隙均匀，纵、横轴电枢反应电抗相等，统电机气隙均匀，纵、横轴电枢反应电抗相等，统称电枢反应电抗称电枢反应电抗xa；纵、横轴同步电抗也相等，统；纵、横轴同步电抗也相等，统称同步电抗称同步电抗xc。u气隙中的合成磁势为：气隙中的合成磁势为：u合成磁势、主磁势和电枢磁势分别切割电枢绕合成磁势、主磁势和电枢磁势分别切割电枢绕组，则在电枢绕组上分别产生感应电势为：组，则在电枢绕组上分别产生感应电势为：下 页上 页返 回第第7章章 u隐极同步电动机的电磁关系隐极同步电动机的电磁关系下 页上 页返 回第第7章章u定子一相绕组的电压方程式( )式中式中r1为定子绕组电阻，一般同步电动机容量都较大，为定子绕组电阻，一般同步电动机容量都较大，电阻电阻r1很小，常忽略；很小，常忽略；x1为电枢漏电抗。为电枢漏电抗。 与与 正方向相反正方向相反 下 页上 页返 回第第7章章u仿变压器或异步电动机中使用的将漏电抗电势写成漏阻抗仿变压器或异步电动机中使用的将漏电抗电势写成漏阻抗压降的方法，也可将电枢磁势压降的方法，也可将电枢磁势Fa产生的电枢电势产生的电枢电势Ea写成电抗写成电抗压降的形式，则有压降的形式，则有式中同步电抗式中同步电抗xc=x1+xa 。u电枢反应电抗电枢反应电抗xa 对应于主磁路，故对应于主磁路，故xax1，一般，一般xa=(58)x1，这样上式可改写成：这样上式可改写成：下 页上 页返 回第第7章章7.3.2 同步电动机的电动势相量图同步电动机的电动势相量图1.凸极同步电动机凸极同步电动机直轴和交轴电流分量为直轴和交轴电流分量为xd=xad+x1为纵轴同步电抗；为纵轴同步电抗；xq=xaq+x1为横轴同步电抗为横轴同步电抗下 页上 页返 回第第7章章2.隐极同步电动机xc=xa+x1为同步电抗为同步电抗下 页上 页返 回第第7章章分析 从相量图中可见，定子电流从相量图中可见，定子电流I1超前电源超前电源电压电压U1，它可通过调节直流励磁电流使同步它可通过调节直流励磁电流使同步电动机工作在这种状态，目的是使电动机工作在这种状态，目的是使同步电动同步电动机在拖动负载的同时，对电网呈容性机在拖动负载的同时，对电网呈容性，起电，起电容补偿作用，以提高电网的功率因数。容补偿作用，以提高电网的功率因数。 下 页上 页返 回第第7章章n前面在介绍直流电动机和三相异步电动机时，前面在介绍直流电动机和三相异步电动机时，都重点分析了对应的机械特性都重点分析了对应的机械特性n=(T)，而同步电而同步电动机由于以同步转速动机由于以同步转速n1转动，转速不随转矩变化，转动，转速不随转矩变化，其机械特性为一条直线。在其机械特性为一条直线。在同步电动机中，功同步电动机中，功率或转矩是随功角变化的，所以讨论功角特性率或转矩是随功角变化的，所以讨论功角特性PM=(q q)和矩角特性和矩角特性T=(q q)。7.4 同步电动机的功率、转矩及功角特性下 页上 页返 回第第7章章n功率平衡方程关系功率平衡方程关系 7.4.1 功率与转矩平衡关系输入有功电功率输入有功电功率定子铜耗定子铜耗电磁功率电磁功率输出功率输出功率空载损耗空载损耗下 页上 页返 回注意铁耗！注意铁耗！第第7章章n转矩平衡方程式转矩平衡方程式式中：式中：T为电磁转矩；为电磁转矩；T2为输出转矩；为输出转矩；T0为空载转矩为空载转矩电磁转矩 电动机的同步角速度 转矩平衡方程式转矩平衡方程式下 页上 页返 回第第7章章7.4.2 电磁功率和转矩表达式及功角特性电磁功率和转矩表达式及功角特性1.电磁功率表达式一般同步电动机的容量大效率高，可忽略定子的铜损一般同步电动机的容量大效率高，可忽略定子的铜损pCu，则有：，则有：下 页上 页返 回第第7章章n电磁功率分两部分：一部分是与励磁电流电磁功率分两部分：一部分是与励磁电流If产生的电势产生的电势E0成正比，称为成正比，称为励磁电磁功率（或称基本电磁功率）励磁电磁功率（或称基本电磁功率），可表，可表示为：示为： 功角特性功角特性n同步电动机的功角特性是指在外加电源电压和励磁电流同步电动机的功角特性是指在外加电源电压和励磁电流不变的条件下电磁功率不变的条件下电磁功率PM和功角和功角之间的关系曲线，即之间的关系曲线，即PM=()。下 页上 页返 回第第7章章当当U1=常数，改变励磁电流常数，改变励磁电流If可改变可改变E0的大小，即可改变的大小，即可改变PM的的大小，大小，PM1与功角之间的关系见曲线与功角之间的关系见曲线1所示；所示；n另一部分与励磁电流大小无关，称为另一部分与励磁电流大小无关，称为凸极电磁功率（或凸极电磁功率（或称附加电磁功率称附加电磁功率），可表示为：），可表示为：凸极电磁功率凸极电磁功率PM2与功角之间的与功角之间的关系如图曲线关系如图曲线2所示。所示。n图中曲线图中曲线3是凸极同步电动机是凸极同步电动机的功角特性，它是曲线的功角特性，它是曲线1和曲线和曲线2的合成。的合成。总的最大电磁功率PMm对应的q角小于90 下 页上 页返 回第第7章章n对于气隙均匀的隐极式同步电动机，转子同步电抗为对于气隙均匀的隐极式同步电动机，转子同步电抗为xc=xd=xq，隐极同步电动机功角特性表达式为：隐极同步电动机功角特性表达式为：隐极同步电动机没有凸极电磁功率这一项，功角特性曲线为曲线1所示。2.转矩表达式将功角特性表达式两边同除以同步角速度将功角特性表达式两边同除以同步角速度可得可得凸极同步电动机凸极同步电动机矩角特性矩角特性：隐极同步电动机矩角特性为：隐极同步电动机矩角特性为：下 页上 页返 回第第7章章n以隐极同步电动机为例。以隐极同步电动机为例。在在090范围内，范围内，同步电动机原同步电动机原运行运行A点，对应的功角为点，对应的功角为1，T=TL。现电动机所带负载出现。现电动机所带负载出现扰动，假设负载增大到扰动，假设负载增大到TL，这，这时转子减速使功角增大至时转子减速使功角增大至2，产产生新的电磁转矩生新的电磁转矩 T 与负载转矩平衡，即与负载转矩平衡，即 T =TL，使电动机继续同步运，使电动机继续同步运行，同理，如果负载扰动消失，行，同理，如果负载扰动消失，电动机要加速使功角恢复电动机要加速使功角恢复至至1，所以所以电动机能稳定运行。电动机能稳定运行。 7.4.3 稳定运行区和负载能力稳定运行区和负载能力下 页上 页返 回第第7章章n 在在90180范围内，同范围内，同步电动机运行对应的功角为步电动机运行对应的功角为3，T=TL，现电动机出现扰动，假设负现电动机出现扰动，假设负载增大到载增大到TL，这时转子减速使功，这时转子减速使功角增大至角增大至4，此时对应的转此时对应的转矩为矩为T，T TL，则功角继续，则功角继续增大，随着功角的增大，对应的电增大，随着功角的增大，对应的电磁转矩更小，这样下去，无法达到磁转矩更小，这样下去，无法达到新的平衡，电动机会出现失步。新的平衡，电动机会出现失步。n从上述分析可见，在从上述分析可见，在090范围范围内，同步电动机能稳定运行；在内，同步电动机能稳定运行；在90180范围内，同步电动机不范围内，同步电动机不能稳定运行，能稳定运行，=90是稳定运行和非是稳定运行和非稳定之间的转折点。稳定之间的转折点。下 页上 页返 回第第7章章n一般过载系数一般过载系数l lm=23.5，隐极同步电动机的额定功角，隐极同步电动机的额定功角N=2030，凸极同步电动机的额定功角则更小一些。，凸极同步电动机的额定功角则更小一些。n实际产生中要考虑同步电动机应具有一定的过载能力，过实际产生中要考虑同步电动机应具有一定的过载能力，过载能力为：载能力为：n同步电动机的机械特性为一条直线同步电动机的机械特性为一条直线 负载变化时，负载变化时，q q角变化，电磁转矩角变化，电磁转矩T或电磁功率或电磁功率PM也随也随之变化，但转子转速恒等于同步转速。之变化，但转子转速恒等于同步转速。n同步电机做电动机运行还是做发电机运行同步电机做电动机运行还是做发电机运行,要视转子磁极与要视转子磁极与等效磁极等效磁极(对应主磁路上合成磁动势对应主磁路上合成磁动势)之间的相对位置之间的相对位置(q q角角)决决定定 若转子磁极在前，等效磁极在后，转子拖着等效磁极旋转，若转子磁极在前，等效磁极在后，转子拖着等效磁极旋转，是同步发电机运行状态是同步发电机运行状态； 若若转子磁极在后，等效磁极在前，等效磁极拖着转子旋转，转子磁极在后，等效磁极在前，等效磁极拖着转子旋转，是同步电动机运行状态；是同步电动机运行状态；下 页上 页返 回第第7章章7.5.1 工作特性工作特性指U=UN、If=常数时，电磁转矩T、定子电流I、功率因数cosj、效率h和转速n与输出功率P2的关系，即T、I、cosj、h、n=f (P2)的关系曲线。 7.5 同步电动机的工作特性和同步电动机的工作特性和V形曲线形曲线n电力网的主要负载是变压器和三相异电力网的主要负载是变压器和三相异步电动机，它们都是感性负载，不仅要步电动机，它们都是感性负载，不仅要消耗有功功率，还要从电网中吸取滞后消耗有功功率，还要从电网中吸取滞后的无功功率，使电网功率因数下降。而的无功功率，使电网功率因数下降。而由于由于同步电动机同步电动机是双边励磁机，它是双边励磁机，它可通可通过调节励磁电流过调节励磁电流，来调节同步电动机的来调节同步电动机的无功电流和功率因数无功电流和功率因数，从而提高电网的，从而提高电网的功率因数。功率因数。n如功率因数特性，输出功率如功率因数特性，输出功率变化会引起功率因数变化变化会引起功率因数变化 下 页上 页返 回第第7章章在磁路不饱和情况下有：在磁路不饱和情况下有：E0FfIf，电网电压电网电压=U=常数，常数，同步电抗同步电抗xc=常数，则：常数，则：E0sinq q=常数、常数、Icosj j=常数。常数。n励磁调节励磁调节以隐极同步电动机为例分析，忽略定子绕组损耗以隐极同步电动机为例分析，忽略定子绕组损耗u设拖动恒转矩负载运行设拖动恒转矩负载运行定子边的有功电流维持不变定子边的有功电流维持不变下 页上 页返 回第第7章章n改变励磁电流，可改变功率改变励磁电流，可改变功率因数，图中画出了三种不同因数，图中画出了三种不同励磁电流情况下的相量，现励磁电流情况下的相量，现分析如下：分析如下：当正常励磁时当正常励磁时If，对应的感应电势为对应的感应电势为E0，定子相电流定子相电流I和定子相电压和定子相电压U同相位，电动机的功率因同相位，电动机的功率因数数cosj j=1，无功功率为零，无功功率为零，说明电动机只消耗有功功率，说明电动机只消耗有功功率，不消耗无功功率，电动机对不消耗无功功率，电动机对电网呈纯电阻性。电网呈纯电阻性。说明一说明一下 页上 页返 回第第7章章说明二当减小励磁电流为当减小励磁电流为If (If If)，对应的感应电势，对应的感应电势为为E0，电枢相电流，电枢相电流I超超前定子相电压前定子相电压U1j j相位相位角，这时电动机除从电网吸角，这时电动机除从电网吸收有功功率，同时也收有功功率，同时也从电网从电网吸收超前的无功功率吸收超前的无功功率，电动电动机对电网呈容性负载机对电网呈容性负载，这种这种励磁方式称为过励励磁方式称为过励，这种运，这种运行方式能提高电网的功率因行方式能提高电网的功率因数。数。下 页上 页返 回第第7章章7.5.2 V形曲线n同步电动机的同步电动机的V形曲线指：在保持电压形曲线指：在保持电压U和负载和负载TL不变的不变的条件下，电枢电流条件下，电枢电流I与励磁电流与励磁电流If之间的关系曲线，即之间的关系曲线，即I=(If)。V形曲线可通过试验测得。形曲线可通过试验测得。 下 页上 页返 回第第7章章同步电动机的V形曲线分析n从图中可见，不同的负载对从图中可见，不同的负载对应一条应一条V形曲线，对于每条形曲线，对于每条V形曲线，定子电流形曲线，定子电流I都有一都有一最小值，曲线最低点的功率最小值，曲线最低点的功率因数因数cosj j=1，是正常励磁点，是正常励磁点，以此点为界，左边是欠励，以此点为界，左边是欠励，右边是过励；右边是过励；n当电动机带一定负载减小励当电动机带一定负载减小励磁电流时，电动势磁电流时，电动势E0减小，减小，电磁功率电磁功率PM减小，当减小，当PM小小到一定程度时，到一定程度时，q q超过超过90，电动机会失去同步电动机会失去同步，如，如V形形曲线的左上半部分，是不稳曲线的左上半部分，是不稳定区。定区。同步电动机最好不要同步电动机最好不要运行于欠励状态运行于欠励状态。下 页上 页返 回第第7章章同步电动机的V形曲线分析n同步电动机的励磁电流应如同步电动机的励磁电流应如何调节则要视电动机运行时何调节则要视电动机运行时电网的实际情况而定，电网的实际情况而定，若电若电网功率因数未达到要求网功率因数未达到要求，需，需要同步电动机提供无功，则要同步电动机提供无功，则电动机应工作在过励状态电动机应工作在过励状态（但应以定子电流不超过额（但应以定子电流不超过额定值为极限），以提高电网定值为极限），以提高电网的功率因数；若的功率因数；若电网功率因电网功率因数已达到要求数已达到要求，则，则同步电动同步电动机应工作在正常励磁状态机应工作在正常励磁状态，这时电动机功率因数为这时电动机功率因数为1、定、定子电流子电流I最小、铜损最小、效最小、铜损最小、效率最高。率最高。下 页上 页返 回第第7章章n从同步电动机基本工作原理可知，若将同步电动机同时双从同步电动机基本工作原理可知，若将同步电动机同时双边励磁，由于定子旋转磁场转速为同步转速边励磁，由于定子旋转磁场转速为同步转速n1，而起动瞬间而起动瞬间转子处于静止，转子处于静止，气隙磁场与转子磁极之间存在相对运动，不气隙磁场与转子磁极之间存在相对运动，不能产生平均的同步电磁转矩能产生平均的同步电磁转矩，即同步电动机本身没有起动转，即同步电动机本身没有起动转矩，使电动机自行起动。矩，使电动机自行起动。 7.6 同步电动机的起动相互吸引相互吸引 n将同步电动机直接投入电网并加上励磁电流，由于转子磁场静止不动，而定子旋转磁场以同步转速n1对转子磁场作相对运动，如图（a）中所示，定、转子磁场间的相互作用产生的电磁转矩T会推动转子旋转 说明：说明：下 页上 页返 回第第7章章n转子的转动惯量使转子不可能立即加速到同步转速。于是在半个周期以后 ，定子磁场向前移动了一个极距，达到图（b）的位置，此时定子磁极对转子磁极的排斥力，将阻止转子的移动。由此可见，在一个周期内，作用在转子上的平均转矩为零，故同步电动机不能自行启动 相互排斥相互排斥 下 页上 页返 回第第7章章起动方法 为了解决起动问题，必须采取其它方法，常用的方法有：为了解决起动问题，必须采取其它方法，常用的方法有：辅助电动机起动法；辅助电动机起动法；异步起动法；异步起动法；变频起动法。变频起动法。下 页上 页返 回第第7章章辅助电动机起动法n辅助电动机起动法是选用一台与同步电动机辅助电动机起动法是选用一台与同步电动机极数相同极数相同的小的小型异步电动机作为辅助电动机，起动时，先起动辅助电动型异步电动机作为辅助电动机，起动时，先起动辅助电动机将同步电动机拖动到机将同步电动机拖动到接近接近同步转速，然后将同步电动机同步转速，然后将同步电动机投入电网，加入励磁，利用同步转矩把同步电动机转子牵投入电网，加入励磁，利用同步转矩把同步电动机转子牵入同步，同时切除辅助电动机电源，这种方法适用于同步入同步，同时切除辅助电动机电源，这种方法适用于同步电动机的空载起动。电动机的空载起动。下 页上 页返 回第第7章章异步起动法n异步起动法是在转子上加装起动绕组，其结构如同异步机异步起动法是在转子上加装起动绕组，其结构如同异步机的鼠笼绕组。起动时，先不给励磁绕组励磁，同步电动机的鼠笼绕组。起动时，先不给励磁绕组励磁，同步电动机定子绕组接电源，通过起动绕组作用，产生起动转矩，使定子绕组接电源，通过起动绕组作用，产生起动转矩，使同步电动机自行起动，当转速达同步电动机自行起动，当转速达95%同步转速左右后，给同步转速左右后，给同步电动机的励磁绕组通入直流，转子自动牵入同步。同步电动机的励磁绕组通入直流，转子自动牵入同步。下 页上 页返 回第第7章章注意 n起动过程中励磁绕组既不能开起动过程中励磁绕组既不能开路，也不能直接短接路，也不能直接短接。若励磁。若励磁绕组开路，在高转差率情况下，绕组开路，在高转差率情况下，旋转磁场会在励磁绕组中产生旋转磁场会在励磁绕组中产生较高的感应电势，易损坏绕组较高的感应电势，易损坏绕组绝缘；若励磁绕组直接短路，绝缘；若励磁绕组直接短路，将产生单轴转矩，有可能使电将产生单轴转矩，有可能使电动机起动不到接近同步转速，动机起动不到接近同步转速，解决的办法是解决的办法是：起动过程中在：起动过程中在励磁绕组回路串入励磁绕组回路串入510倍励倍励磁绕组电阻的附加电阻，电动磁绕组电阻的附加电阻，电动机起动到接近同步转速时，再机起动到接近同步转速时，再切除附加电阻，同时给励磁绕切除附加电阻，同时给励磁绕组通入直流，牵入同步，完成组通入直流，牵入同步，完成起动。起动。同步电动机异步起动法起动时原理接线图下 页上 页返 回第第7章章变频起动法n由于恒频起动时，作用在转子上的平均转矩为零，使电动由于恒频起动时，作用在转子上的平均转矩为零，使电动机无法自行起动。变频起动法是在起动前将转子加入直流，机无法自行起动。变频起动法是在起动前将转子加入直流，利用变频电源使频率从零缓慢升高，旋转磁场牵引转子缓利用变频电源使频率从零缓慢升高，旋转磁场牵引转子缓慢同步加速，直至达到额定转速，起动完毕。这种方法多慢同步加速，直至达到额定转速，起动完毕。这种方法多用于大型同步电动机的起动。用于大型同步电动机的起动。下 页上 页返 回第第7章章本章小结n同步电动机的转子转速与气隙旋转磁场转速有严格的同步同步电动机的转子转速与气隙旋转磁场转速有严格的同步关系。它的双边励磁结构使它存在电枢反应，电枢磁势对关系。它的双边励磁结构使它存在电枢反应，电枢磁势对主磁场的大小和分布产生一定影响，隐极结构电动机，电主磁场的大小和分布产生一定影响，隐极结构电动机，电枢反应用同步电抗，凸极结构电动机，用直轴和交轴同步枢反应用同步电抗，凸极结构电动机，用直轴和交轴同步电抗描述。矩角特性电抗描述。矩角特性T=()能反映同步电动机的机械性能。能反映同步电动机的机械性能。同步电动机在过励情况下，可以从电网吸取超前的无功电同步电动机在过励情况下，可以从电网吸取超前的无功电流，达到改善电网功率因数的目的。同步电动机不能自行流，达到改善电网功率因数的目的。同步电动机不能自行起动，解决的方法有：起动，解决的方法有：辅助电动机起动法；辅助电动机起动法；变频起动变频起动法；法；异步起动法。异步起动法。下 页上 页返 回第第7章章课后复习要点：n同步电动机的电压方程式n同步电动机的电动势相量图n同步电动机的矩角特性和功角特性、 V形曲线n同步电动机的异步起动法n作业：P234 7.2上 页返 回第第7章章