第第3 3章章 三相三相同步电机同步电机3-1 同步电机的基本结构和运行状态同步电机的基本结构和运行状态3-2 同步发电机的磁场同步发电机的磁场3-3 隐极同步发电机的基本电磁关系隐极同步发电机的基本电磁关系3-4 凸极同步发电机的基本电磁关系凸极同步发电机的基本电磁关系3-5 同步发电机的功率方程和转矩方程同步发电机的功率方程和转矩方程3-6 同步发电机的功角特性同步发电机的功角特性3-7 三相同步电动机三相同步电动机3-8 永磁同步电机设计中的几个问题永磁同步电机设计中的几个问题同步电机转子转速是常值且与同步速相等，与负载的大小无关。同步电机主要用作发电机，也可以用作电动机和补偿机。3-1 同步电机的基本结构和运行同步电机的基本结构和运行状态状态一、基本结构一、基本结构定子转子a)隐极式b)凸极式有明显的凸出的磁极，气隙不均匀，制作简单。适合于高速发电机适合于低速发电机转子圆柱形，气隙均匀，转子机械强度高，励磁绕组固定容易。同步电机又分为隐极式和凸极式两种电励磁永磁励磁：表面式，嵌入式，内置式。表面式结构（a）（b）表面式转子结构由于永磁体的磁导率与气隙相近，表面式结构的电机交、直轴磁路磁阻基本相同，因此是一种隐极式同步电动机。嵌入式结构嵌入式转子结构内置式结构（a）永磁体径向充磁；（b）永磁体横向充磁内置式转子结构在嵌入式和内置式电机中，交、直轴磁路磁阻是不相等的。二、同步电机的运行状态二、同步电机的运行状态感应电机的运行状态时由转差率s决定的。同步电机：转子磁场同步速旋转：转子通入直流励磁电流，转子在原动机拖动下以ns旋转。定子磁场也以同步速旋转：定子三相对称绕组在转子磁场的作用下，产生三相对称电动势，接负载后流过三相对称电流，并在气隙中产生以同步速旋转的磁动势和磁场。定转、子磁场相对静止，并相互作用，产生电磁转矩，进行能量转换。三种运行状态是由转子磁场B0与合成磁场B的相对位置决定。同步电机的三种运行状态：发电机，电动机，补偿机。转子磁场轴线领先合成磁场轴线的夹角功率角功率角0时，Te为制动转矩，原动机的驱动转矩与电磁转矩Te平衡。转子吸收机械功率，定子发出电功率。Tens主极SNoNSo主极a)发电机发电机运行状态 Xq，隐极同步电机有隐极同步电机有 X d = X q = Xs直轴电枢磁导交轴电枢磁导一、功率方程一、功率方程I f B0 pFe铁心损耗（转子铁心中磁场恒定，无铁耗）P1-p-pFe=Pens励磁损耗由另外的直流电源供给Pe-pcua=P2同步发电机的功率方程：3-5 同步发电机同步发电机的功率方程和转矩方程的功率方程和转矩方程机械能损耗电能二二. 转矩方程转矩方程P1(p+pFe)=PeT1T0=Te两边同时除以同步角速度s=2ns/60三三. 电磁功率电磁功率Pepcua=P2Pe=P2+pcua=mI (Ucos+I Ra)=m IEQcos0=mU Icos+mI2Ra=m I Ecos=mEQIqO Raj XQ00AB其中：E气隙电动势隐极同步发电机中因为：EQ=E0Pe=m I Ecos =m IEQcos0 =mEQIq=mE0Iq 要想进行能量转换，电枢电流中必须有有功分量要想进行能量转换，电枢电流中必须有有功分量对E来说，Icos 就是电流的有功分量对EQ来说，Icos0=Iq就是电流的有功分量与前面的分析相符，交轴电流产生交轴电枢反应，使气隙磁与前面的分析相符，交轴电流产生交轴电枢反应，使气隙磁 场轴线移位，气隙磁场与主极磁场轴线间有相位差。场轴线移位，气隙磁场与主极磁场轴线间有相位差。 Iq 决定了决定了（功率角）的大小（功率角）的大小 图6-21凸极同步发电机的相量图0d0qRajqXq0：功率角交轴电枢反映越强，即交轴电流交轴电枢反映越强，即交轴电流越大，越大， 也就越大。也就越大。在一定的范围内，功率角越在一定的范围内，功率角越大，同步电机的电磁转矩和大，同步电机的电磁转矩和电磁功率也就越大。电磁功率也就越大。交轴电枢电流对产生电磁转交轴电枢电流对产生电磁转矩和进行能量转换具有直接矩和进行能量转换具有直接关系关系 。qqXq3-6 同步发电机的功角特性同步发电机的功角特性同步发电机的电磁功率Pe的大小由激磁电动势E0、端电压U、E0和U之间的相角差（称为功率角）以及电机的参数决定。同步发电机的功角特性：当E0和U保持不变时，发电机发出的电磁功率与功率角之间的关系Pef()。d轴一、功角特性一、功角特性d轴功角特性的表达式功角特性的表达式为基本电磁功率为基本电磁功率称为附加电磁功率称为附加电磁功率附加电磁功率与励磁（或E0）的大小无关，且仅当时才存在，它是由凸极效应（即交、直轴磁阻不相等）所引起，故亦称为磁阻功率。在隐极同步电机中附加电磁功率等于零。基本电磁功率与励磁电动势成正比，与电机的端电压成正比，与功角的正弦成正比，与直轴同步电抗成反比。当时，达到最大值。当时达到最大值。0时电磁功率为正值，对应于发电机状态电磁功率为负值，对应于电动机的状态时总的电磁功率，发电机运行时，在为4590之间达到最大值Pe(max),其具体位置和数值视Pe1(max)和Pe2(max)的相对大小而定。对于隐极电机，由于XdXqXs，附加电磁功率为零，故Pe就等于基本电磁功率对于凸极电机，电磁功率Pe亦可以写成上式形式比较简单，但是要注意，式中的EQ为虚拟电动势，EQ本身也是功角的函数。d轴二、功率角的空间含意二、功率角的空间含意功率角是时间相量E0与U之间的相角差电压U（即电网电压）可认为由合成磁场Bu（包括主磁场、电枢反应磁场）感应产生。激磁电动势E0由主磁场B0感应产生B0和Bu分别超前于E0和U以90度的电角度E可认为是电枢的合成磁场B感应产生功率角 亦可近似的看作是合成磁场滞后空载磁场的角度。功率角功率角 也是主磁场也是主磁场B0与电枢合成磁场与电枢合成磁场Bu之间的空间相位差之间的空间相位差对于同步发电机，B0总是领先Bu，若采用发电机惯例，这时角定为正值，电磁功率也为正值。功率角是同步电机的基本变量之一，近似地赋予功率角以空间含意，这对掌握负载变化时主磁场和合成磁场之间地相对位移，以及理解负载时同步电机内部所发生的物理过程，是很有帮助的。 一、同步电动机的电压方程和向量图一、同步电动机的电压方程和向量图3-7 三相同步电动机三相同步电动机同步电动机由电网输入电功率，轴端输出机械功率。1.用发电机惯例来分析用发电机惯例来分析同步电动机是把交流电能转换成机械能，特点是转子转速与负载大小无关，始终保持为同步转速，且其功率因数可以调节。电动机向电网发出负的电功率，即电磁功率Pe90。 2.用电动机惯例来分析用电动机惯例来分析改变电枢电流的参考方向，以输入电流作为电枢电流的正方向，记为IM，此时输入电功率为正值，电压方程式为凸极同步电动机隐极同步电动机画凸极同步电动机向量图时，需要先确定0M角。注：在分析电枢反应的性质时,要注意是采用哪种惯例。若采用发电机惯例：电枢电流I滞后于激磁电动势E0时，直轴电枢反应是去磁的；电枢电流I超前于激磁电动势E0时，直轴电枢反应是助磁的。若采用电动机惯例：（电枢电流的正方向已发生变化）电枢电流IM滞后于激磁电动势E0时，直轴电枢反应是助磁的；电枢电流IM超前于激磁电动势E0时，直轴电枢反应是去磁的。二、二、 同步电动机的功角特性，功率方程和转矩方程同步电动机的功角特性，功率方程和转矩方程按发电机惯例导出的功角特性直接用于电动机，因为功角为负，电磁功率Pe也是负，用起来不方便。如采用电动机惯例，把把空空载电动势滞后滞后端端电压的功率角规定为正，用的功率角规定为正，用 M表示，即表示，即这时电磁功率为正，表示从电能转换为机械能电磁功率为正，表示从电能转换为机械能。将上式除以同步角速度s，便得电动机的电磁转矩电磁转矩同步电动机的电磁转矩是驱动性质电磁转矩是驱动性质的。电动机正常工作时，同步电动机从电网输入的电功率P1，除小部分消耗于定子铜耗pCua外，大部分通过定、转子磁场的相互作用传递到转子，传递到转子的功率就是电磁功率Pe，故有P1=pcua+Pe从电磁功率Pe中扣除定子铁耗pFe和机械损耗p后，可得轴上输出的机械功率P2，即 Pe=pFe+p+P2除以同步角速度s，可得转矩方程Te=T0+T2式中:Te为电动机的电磁转矩T0为空载转矩T2为输出转矩三、同步电动机的运行特性三、同步电动机的运行特性同步电动机的运行特性包括工作特性工作特性和V形曲线形曲线两部分。同步电动机的工作特性是指，定子电压U=UN、励磁电流If=IfN时，电磁转矩、电枢电流、效率、功率因数与输出功率之间的关系，即Te、IM、cosM=f(P2)。当输出功率P2=0时，电枢电流为很小的空载电流；随着输出功率的增加，电枢电流也随之增大，电枢电流也随之增大，IM=f(P2)近似为一直线近似为一直线。Te=f(P2)是一条直线是一条直线同步电动机的效率特性与其他电机基本相同。空载时，=0，随着输出功率的增加，效率逐步增加，达到某个最大之后开始下降。同步电动机的最大电磁功率与额定功率之比，称为过载能力。和发电机一样，增加电动机的励磁，可以提高最大电磁功率Pe(max)，从而提高过载能力。同步电动机的功率因数特性与额定功率因数有关，图示为空载功率因数等于1时的功率因数特性特性曲线。00.25 0.50 0.75 1.00不同励磁时同步电动机的功率因数特性：从图可见，改变励磁电流，可使电动机在任意特定负载下的功率因数达到1，甚至变成超前。曲线1励磁电流较小曲线2励磁电流稍大曲线3励磁电流更大00.250.500.751.000.20.40.60.81.00.80.6滞后超前123四、同步电动机的起动四、同步电动机的起动同步电动机仅在同步转速时才产生恒定的同步电磁转矩。起动时若把定子直接投入电网，转子加上直流励磁，则定子旋转磁场以同步转速旋转，而转子磁场静止不动，定、转子磁场之间具有相对运动，所以作用在转子上的同步电磁转矩正、负交变，平均转矩为零，电机不能自行起动。因此，要把同步电动机起动起来，必须借助其他方法。起动方法:异步起动法辅机起动法变频起动法1、异步起动法、异步起动法起动绕组：电机的主极极靴上设有起动绕组，相当于感应电机的鼠笼绕组。起动方法：起动时起动时，先把励磁绕组通过电阻短接，然后把定子绕组接到三相交流电网。依靠定子旋转磁场和转子绕组中感应电流所产生的异步电磁转矩，电机便能转起来。电机便能转起来。待转速上升到接近于同步转速时待转速上升到接近于同步转速时，再将励磁电流接入励磁绕组，使转子建立主极磁场。此时依靠定、转子磁场相互作用所产生的同步电磁转矩，再加上由于凸极效应所引起的磁阻转矩，便可能将转子牵入同步。将转子牵入同步。通常选用与同步电动机极数相同的感应电动机作为辅助电动机，当辅助电机把主机拖动到接近同步转速时，再用自整步法把主机投入电网。2、辅机起动方法、辅机起动方法3 3、变频起动法、变频起动法（1）起动时，加上励磁，把变频电源输出频率调的很低依靠定转子磁场之间的相互作用产生同步电磁转矩，起动电机，并在很低的同步转速下运转。变频器（2）调节变频器的输出频率，使定子旋转磁场和转子的转速逐步加快，一直到额定转速。（3）切除变频器。3-8永磁同步电机设计中的几个问题主要性能要求：调速范围宽，转矩和转速平稳，动态响应快，单位电流产生的转矩大。调速范围：0恒转矩调速；恒转矩调速。运行周期：一般1.主要尺寸的确定电机定子铁心内径（cm），铁心有效长度（cm）。为气隙磁密,；为线负荷，。一定时，电机的体积。受永磁体及磁路饱和的限制；A受电机发热及电枢反应的限制。一定时，电机动态性能，成本，效率。二.转子结构形式的选择表面形式：漏磁系数小，同步电抗小，适合于中低速电机。内置式：漏电系数大，同步电抗大，易于弱磁扩速，适合于高速电机。三.永磁体的设计为永磁体充磁方向厚度；永磁体宽度；为计算气隙长度；为转子极距。为极弧系数。影响气隙磁密波形；影响齿槽转矩。一般的选取还应保证电机电流最大时，不产生不可逆去磁。四.相电动势的选取电机主要尺寸一定时，通过调节槽导体数改变对电机的运行状态有重要影响。五.减小齿槽转矩和纹波的措施减小齿槽转矩定子斜槽。转子斜极。减小定子槽口宽度或采用磁性槽楔。采用分数槽绕组。例如减小纹波转矩空载磁场正弦分布：调；永磁体不同厚。采用双层分布绕组。