《电机与拖动技术》课件 第9章 同步电动机
合集下载
《电机及拖动第版许晓峰课件按节编辑同步电动机的电力拖动
《电机及拖动第版许晓峰课件按节编辑同步电动机的电力拖动》xx年xx月xx日•绪论•同步电动机的基本类型和主要结构•同步电动机的电力拖动特性•同步电动机的启动与调速目•同步电动机的控制系统•同步电动机常见故障及处理方法录01绪论电机及拖动课程的目的和任务掌握电机及拖动的基本概念、基本理论和基本分析方法；熟悉各类电机的性能特点、选用原则和使用场合；了解电机及拖动系统的基本组成、工作原理和应用范围；掌握电机及拖动系统的基本控制原理和方法，能够进行简单的分析和设计。
电机及拖动技术的发展传统电机及拖动技术的回顾和发展；新兴电机及拖动技术的产生和应用；电机及拖动技术的发展趋势和未来方向。
本课程的性质、任务和学习方法010203本课程的性质和特点；本课程的任务和学习目标；学习方法和建议。
02同步电动机的基本类型和主要结构交流同步电动机永磁同步电动机直流同步电动机电磁减速同步电动机•定子•槽•轭•端环•筋板•转子•磁极铁芯•集电环•机械负载额定功率额定电流额定转速额定电压同步电动机的额定值03同步电动机的电力拖动特性在稳态情况下，同步电动机的转速与电源频率保持恒定，与负载转矩无关。
稳态转速特性在稳态情况下，同步电动机的转矩与电源电压成正比，与负载转矩无关。
稳态转矩特性同步电动机的稳态拖动特性启动特性启动时，同步电动机的转速从零开始上升，达到同步转速需要一定时间。
制动特性在制动过程中，同步电动机的转速逐渐降低，直至停止。
制动时间与制动转矩、电源频率等因素有关。
同步电动机的暂态拖动特性同步电动机的调速特性通过改变定子绕组的极数实现调速，但需要改变电源频率，实现比较复杂。
变极调速串级调速直流调速变频调速将转子绕组分成若干段，通过改变转子段数实现调速，但效率较低，应用不广泛。
将交流电转换为直流电，通过调节直流电的电流实现调速，但需要使用换向器和电刷，维护成本较高。
通过改变电源频率实现调速，具有调速范围广、效率高、响应快等优点，是常用的调速方式之一。
《电机及拖动基础》第9章 同步电机
出了更高的要求。
以往，同步电动机通常用于运行速度恒定的场合，
随着电力电子技术和现代交流电机调速技术的发展进步
，由同步电动机组成的高性能调速系统的研发及应用也
越来越广泛。
第九章
同步电机
第一节 概述
第二节 同步电机的双反应原理
第三节 同步电动机电压平衡方程式及相量图
第四节 同步电动机的功角特性
第九章
在旋转磁极式结构中，
又分为隐极式和凸极式两种
型式(上页图9.1)，其定子部
分与三相异步电动机的完全
一样。
图9.2 旋转电枢式同步电机示意图
第一节
概述
二．同步电机的额定值
❖ 额定电压 U N ：电机额定运行时定子的线电压，单位为 V
或 kV。
❖ 额定电流 I N ：电机额定运行时定子的线电流，单位为 A。
PN SN cos N 3U N I N cos N
(9.1)
对电动机为轴上输出的额定机械功率
PN SN cos NN 3U N I N cos NN
(9.2)
此外，铭牌上还有额定频率 f N ，单位为 Hz；额定励
磁电压 U fN ，单位为 V；额定励磁电流 I fN ，单位为 A。
的确可以得到令人满意的结果。
第二节 同步电机的双反应原理
由 Fad 单独作用产生的磁通称为纵轴电枢磁通 ad ，如图
9.6(1)所示。
n
Fad
ad
（1）纵轴
图9.6电枢反应磁动势及磁通
第二节 同步电机的双反应原理
由 Faq 单独作用产生的磁通称为横轴电枢磁通 aq ，如图
9.6(2) 所示。
对数越多，转速愈低。
同步电机主要用作发电机，几乎所有的电力都由同
以往，同步电动机通常用于运行速度恒定的场合，
随着电力电子技术和现代交流电机调速技术的发展进步
，由同步电动机组成的高性能调速系统的研发及应用也
越来越广泛。
第九章
同步电机
第一节 概述
第二节 同步电机的双反应原理
第三节 同步电动机电压平衡方程式及相量图
第四节 同步电动机的功角特性
第九章
在旋转磁极式结构中，
又分为隐极式和凸极式两种
型式(上页图9.1)，其定子部
分与三相异步电动机的完全
一样。
图9.2 旋转电枢式同步电机示意图
第一节
概述
二．同步电机的额定值
❖ 额定电压 U N ：电机额定运行时定子的线电压，单位为 V
或 kV。
❖ 额定电流 I N ：电机额定运行时定子的线电流，单位为 A。
PN SN cos N 3U N I N cos N
(9.1)
对电动机为轴上输出的额定机械功率
PN SN cos NN 3U N I N cos NN
(9.2)
此外，铭牌上还有额定频率 f N ，单位为 Hz；额定励
磁电压 U fN ，单位为 V；额定励磁电流 I fN ，单位为 A。
的确可以得到令人满意的结果。
第二节 同步电机的双反应原理
由 Fad 单独作用产生的磁通称为纵轴电枢磁通 ad ，如图
9.6(1)所示。
n
Fad
ad
（1）纵轴
图9.6电枢反应磁动势及磁通
第二节 同步电机的双反应原理
由 Faq 单独作用产生的磁通称为横轴电枢磁通 aq ，如图
9.6(2) 所示。
对数越多，转速愈低。
同步电机主要用作发电机，几乎所有的电力都由同
电机与拖动pptppt课件
当电枢旋转到右图所示位置时
原N极性下导体ab转到S极 下，受力方向从左向右，原S 极下导体cd转到N极下，受力方 向从右向左。该电磁力形成逆 时针方向的电磁转矩。线圈在 该电磁力形成的电磁转矩作用 下继续逆时针方向旋转。
与直流发电机相同，实 际的直流电动机的电枢并非单一 线圈，磁极也并非一对。
直流电 动机的 工作原 理示意 图:
绪论
0.2 本课程的性质、任务和内容
本课程是自动化、电气工程及自动化（供用电技术方向）和 农业电气化与自动化等专业的一门专业基础课。
本课程的任务是让学生掌握电机的基本结构和工作原理， 以及拖动系统的运行性能、分析计算、电机选择及试验方法， 培养在电机及电力拖动方面分析和解决问题的能力，为今后学 习和工作打下坚实的基础。
6.掌握电枢电动势和电磁转矩的计算公式； 7.理解直流发电机和直流电动机中电枢电动势和电磁转 矩的性质； 8.了解直流电机的换向过程和改善换向的方法； 9.了解直流电机的各种励磁方式； 10.掌握电磁功率的关系式，并理解直流电机中机电能量 是可以彼此互相转换的； 11.了解电机的可逆原理。了解如何判断一台电机是电动 状态还是发电状态； 12.掌握根据发电机惯例和电动机惯例的稳态运行基本方 程式； 13.掌握自励直流发电机的自励建压过程和条件； 14.掌握直流发电机的运行特性； 15.掌握他励直流电动机运行时电机内的功率关系。
本课程的内容有直流电机、直流电动机的电力拖动、 变压器、三相异步电动机、三相异步电动机的电力拖动、同步 电机、驱动和控制微电机、电动机的选择八个部分。
绪论
0.3 本课程的特点及学习方法
电机与拖动是一门理论性很强的技术基础课，同时又具有专 业课的性质，涉及的基础理论和实际知识面广，是电磁学、动力 学、热力学等学科知识的综合。用理论分析电机及拖动的实际问 题时，必须结合电机的具体结构，采用工程观点和分析方法。掌 握基本理论的同时，还要注意培养实验操作技能和计算方法。
电机与拖动PPT课件
14
直流电 动机的 工作原 理示意 图:
15
1.1 直流电机的基本工作原理和结构
1.1.2 直流电机的主要结构
主磁极：产生恒定的气隙磁通，由铁心和励磁绕组构成 换向磁极：改善换向。 定子 电刷装置：与换向片配合,完成直流与交流的互换
本课程的内容有直流电机、直流电动机的电力拖动、变压 器、三相异步电动机、三相异步电动机的电力拖动、同步电机、 驱动和控制微电机、电动机的选择八个部分。
5
绪论
0.3 本课程的特点及学习方法
电机与拖动是一门理论性很强的技术基础课，同时又具有专 业课的性质，涉及的基础理论和实际知识面广，是电磁学、动力 学、热力学等学科知识的综合。用理论分析电机及拖动的实际问 题时，必须结合电机的具体结构，采用工程观点和分析方法。掌 握基本理论的同时，还要注意培养实验操作技能和计算方法。
10
当原动机驱动 电机转子逆时针旋 转时同，线圈abcd 将感应电动势。如 右图，导体ab在N极 下，a点高电位，b 点低电位；导体cd 在S极下，c点高电 位，d点低电位；电 刷A极性为正，电刷 B极性为负。
11
当原动机驱动电机转子逆时针
旋转1800 后，如右图。
导体ab在S极下，a点低电位， b点高电位；导体cd在N极下，c点 低电位，d点高电位；电刷A极性 仍为正，电刷B极性仍为负。
4
绪论
0.2 本课程的性质、任务和内容
本课程是自动化、电气工程及自动化（供用电技术方向）和 农业电气化与自动化等专业的一门专业基础课。
本课程的任务是让学生掌握电机的基本结构和工作原理， 以及拖动系统的运行性能、分析计算、电机选择及试验方法， 培养在电机及电力拖动方面分析和解决问题的能力，为今后学 习和工作打下坚实的基础。
直流电 动机的 工作原 理示意 图:
15
1.1 直流电机的基本工作原理和结构
1.1.2 直流电机的主要结构
主磁极：产生恒定的气隙磁通，由铁心和励磁绕组构成 换向磁极：改善换向。 定子 电刷装置：与换向片配合,完成直流与交流的互换
本课程的内容有直流电机、直流电动机的电力拖动、变压 器、三相异步电动机、三相异步电动机的电力拖动、同步电机、 驱动和控制微电机、电动机的选择八个部分。
5
绪论
0.3 本课程的特点及学习方法
电机与拖动是一门理论性很强的技术基础课，同时又具有专 业课的性质，涉及的基础理论和实际知识面广，是电磁学、动力 学、热力学等学科知识的综合。用理论分析电机及拖动的实际问 题时，必须结合电机的具体结构，采用工程观点和分析方法。掌 握基本理论的同时，还要注意培养实验操作技能和计算方法。
10
当原动机驱动 电机转子逆时针旋 转时同，线圈abcd 将感应电动势。如 右图，导体ab在N极 下，a点高电位，b 点低电位；导体cd 在S极下，c点高电 位，d点低电位；电 刷A极性为正，电刷 B极性为负。
11
当原动机驱动电机转子逆时针
旋转1800 后，如右图。
导体ab在S极下，a点低电位， b点高电位；导体cd在N极下，c点 低电位，d点高电位；电刷A极性 仍为正，电刷B极性仍为负。
4
绪论
0.2 本课程的性质、任务和内容
本课程是自动化、电气工程及自动化（供用电技术方向）和 农业电气化与自动化等专业的一门专业基础课。
本课程的任务是让学生掌握电机的基本结构和工作原理， 以及拖动系统的运行性能、分析计算、电机选择及试验方法， 培养在电机及电力拖动方面分析和解决问题的能力，为今后学 习和工作打下坚实的基础。
电机与拖动技术完整版课件全套ppt教学教程
第1章 绪论
1.2本课程在专业中的作用、任务及课程目标
（2）课程目标 本课程是一门用电磁理论解决复杂的、具体的、综合的实际问题的课程 。在电机运行中，电机内同时存在电、磁、力的相互作用。因此本课程的目 标是使学生牢固掌握基本概念、基本原理和主要特性，学会结合电机的具体 结构、应用电机基本理论分析电机及拖动的实际问题，应掌握一定的电磁计 算方法，培养学生运算能力。 要求学生重视在教学过程中安排的实验、实 习，包括参观电机厂等实践教学环节。 具体要求是：
我国的电机工业，从新中国成立以来的50多年间，建立了独立自主的完整 体系。早在1958年我国就研制成功当时世界上第一台1.2万kW双水内冷汽轮 发电机，显示了我国电机工业的迅速掘起。近些年来，随着对电机新材料的研 究以及计算机技术在电机设计、制造工艺中的应用，普通电机的性能得到提高 ，而控制电机的高可靠性、高精度、快速响应使控制系统完成各种人工无法完 成的快速复杂的精巧工作。
从20世纪20年代起，开始采用由一台电动机拖动一台生产机械的系 统，称为单电动机拖动系统。与成组拖动相比，它省去了大量的中间传动 机构，使机械结构大大简化，提高了传动效率，增强了灵活性。由于电机 与生产机械在结构上配合密切，因而可以更好地满足生产机械的要求。
第1章 绪论
1.1电机和电力拖动技术的发展及在经济技术领域中的作用
第1章 绪论
1.1电机和电力拖动技术的发展及在经济技术领域中的作用
电能是现代能源中应用最广的二次能源，它的生产、变换、传输、分配 、使用和控制都比较方便经济，而要实现电能的生产、变换和使用等都离不 开电机。电机就是一种将电能与机械能相互转换的电磁机械装置。因此，电 机一般有两种应用形式。第一种是把机械能转换为电能，称之为发电机，它 通过原动机先把各类一次能源蕴藏的能量转换为机械能，然后再把机械能转 换为电能，最后经输电、配电网络送往城市各工矿企业、家庭等各种用电场 合。第二种是把电能转换为机械能，称之为电动机，它用来驱动各种用途的 生产机械和其他装置，以满足不同的要求。电机是利用电磁感应原理工作， 它应用广泛，种类繁多，性能各异，分类方法也很多。常见的分类方法为： 按功能用途分，可分为常规电机和控制电机两大类。按照电机的结构或转速 分类，可分为变压器和旋转电机。根据电源的不同，旋转电机又分为直流电 机和交流电机两大类。交流电机又分为同步电机和异步电机两类。
第9章,电力拖动自动控制系统,运动控制系统,第5版,阮毅
9.3.2梯形波永磁同步电动 机的自控变频调速系统
图9 -12 梯形波永磁同步电动机的等效电路及逆变器主电 路原理图
9.3.2梯形波永磁同步电动 机的自控变频调速系统
图9 -13 PWM逆变 器输出电压 图9 -14 梯形波永磁同步 电动机的转矩脉动
9.3.2梯形波永磁同步电动 机的自控变频调速系统
电力拖动自动控制系统 —运动控制系统
第 9章
同步电动机变压变 频调速系统
同步电动机变压变频调速系统
同步电动机直接投入电网运行时， 存在失步与起动困难两大问题，曾 制约着同步电动机的应用。 同步电动机的转速恒等于同步转速， 所以同步电动机的调速只能是变频 调速。
同步电动机变压变频调速系统
变频技术的发展与成熟不仅实现了同 步电动机的调速，同时也解决了失步 与起动问题，使之不再是限制同步电 动机运行的障碍。随着变频技术的发 展，同步电动机调速系统的应用日益 广泛。 同步电动机调速可分为自控式和他控 式两种，适用于不同的应用场合。
Te max
图9 -3 隐极同步电动机的矩角特性
3U s Es m xd
9.1.4 同步电动机的稳定运 行
0
2
能够稳定运行
图9 -4 隐极同步电动机的矩角特性
9.1.4 同步电动机的稳定运 行
2
不能稳定运行， 产生失步现象。
图9 -5 隐极同步电动机的矩角特性
9.1.5 同步电动机的起动
9.3.1自控变频同步电动机
需要两套 可控功率 单元，系 统结构复 杂。
图9 -9 自控变频同步电动机调速原理图 UI——逆变器 BQ——转子位置检测器
9.3.1自控变频同步电动机
《电机及拖动第版许晓峰课件按节编辑同步电动机的电力拖动
分类
电机及拖动按照工作原理和应用 领域可以分为多种类型，如直流 电机、交流电机、步进电机、伺 服电机等。
电机及拖动的基本原理
电磁感应
电机及拖动的基本原理是电磁感应定 律，即磁场变化时会在导体中产生电 动势，从而产生电流。
控制原理
通过控制电机的输入电压、电流或磁 场，可以实现对电机输出转矩、转速 或位置的精确控制。
行。
变速控制
通过改变输入电压或励磁电流， 实现对同步电动机的调速控制。
软启动控制
利用软启动装置，逐步增加同步 电动机的输入电压，实现平稳启
动。
同步电动机的控制策略
转子磁场定向控制
通过控制转子磁场的旋转速度，实现对同步电动 机的矢量控制。
直接转矩控制
通过直接控制同步电动机的转矩，实现快速、准 确的调速控制。
磁场与电流相互作用
电机的旋转或直线运动是由磁场与电 流相互作用产生的力矩或推力实现的 。
电机及拖动的发展历程
早期发展
电机及拖动的发展始于19世纪初 ，随着工业革命的兴起，各种类
型的电机逐渐得到应用。
现代发展
进入20世纪后，随着电力电子技术 、控制理论和计算机技术的发展， 电机及拖动技术得到了迅速发展。
同步电动机在电力系统中的应用
发电厂
01
在发电厂中，同步电动机主要用于拖动发电机组，实现电力的
生产和输出。
输配电系统
02
同步电动机还用于输配电系统中，如用于驱动变压器和调相机
电
03
在风力发电系统中，同步电动机常用于驱动发电机组，将风能
转化为电能。
同步电动机的应用案例分析
同步电动机的未来发展方向
高性能化
通过改进设计和制造工艺，提高同步电动机的性能指标，如效率、 功率密度等。
电机及拖动按照工作原理和应用 领域可以分为多种类型，如直流 电机、交流电机、步进电机、伺 服电机等。
电机及拖动的基本原理
电磁感应
电机及拖动的基本原理是电磁感应定 律，即磁场变化时会在导体中产生电 动势，从而产生电流。
控制原理
通过控制电机的输入电压、电流或磁 场，可以实现对电机输出转矩、转速 或位置的精确控制。
行。
变速控制
通过改变输入电压或励磁电流， 实现对同步电动机的调速控制。
软启动控制
利用软启动装置，逐步增加同步 电动机的输入电压，实现平稳启
动。
同步电动机的控制策略
转子磁场定向控制
通过控制转子磁场的旋转速度，实现对同步电动 机的矢量控制。
直接转矩控制
通过直接控制同步电动机的转矩，实现快速、准 确的调速控制。
磁场与电流相互作用
电机的旋转或直线运动是由磁场与电 流相互作用产生的力矩或推力实现的 。
电机及拖动的发展历程
早期发展
电机及拖动的发展始于19世纪初 ，随着工业革命的兴起，各种类
型的电机逐渐得到应用。
现代发展
进入20世纪后，随着电力电子技术 、控制理论和计算机技术的发展， 电机及拖动技术得到了迅速发展。
同步电动机在电力系统中的应用
发电厂
01
在发电厂中，同步电动机主要用于拖动发电机组，实现电力的
生产和输出。
输配电系统
02
同步电动机还用于输配电系统中，如用于驱动变压器和调相机
电
03
在风力发电系统中，同步电动机常用于驱动发电机组，将风能
转化为电能。
同步电动机的应用案例分析
同步电动机的未来发展方向
高性能化
通过改进设计和制造工艺，提高同步电动机的性能指标，如效率、 功率密度等。
《同步发电机原理》PPT课件
运动的电产生磁，运动的磁产生电。
结构模型同步电机原理和结构
◆同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转 的转子两大部分组成。一般分为转场式同步电机和转枢式同步电机。
◆图15.1给出了最常用的转场式同步发电机的结构模型，其定子铁 心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称 交流绕组。这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为 电枢铁心和电枢绕组。
励磁方式简介
获得励磁电流的方法称为励磁方式。目 前采用的励磁方式分为两大类：一类是 用直流发电机作为励磁电源的直流励磁 机励磁系统；另一类是用硅整流装置将 交流转化成直流后供给励磁的整流器励 磁系统。现说明如下：
1 直流励磁机励磁 直流励磁机通常与 同步发电机同轴，采用并励或者他励接 法。采用他励接法时，励磁机的励磁电 流由另一台被称为副励磁机的同轴的直 流发电机供给。如图所示。
3 旋转整流器励磁 静止整流器的直流输出必须经 过电刷和集电环才能输送到旋转的励磁绕组，对 于大容量的同步发电机，其励磁电流达到数千安 培，使得集电环严重过热。因此，在大容量的同 步发电机中，常采用不需要电刷和集电环的旋转 整流器励磁系统，如所示。主励磁机是旋转电枢 式三相同步发电机，旋转电枢的交流电流经与主 轴一起旋转的硅整流器整流后，直接送到主发电 机的转子励磁绕组。交流主励磁机的励磁电流由 同轴的交流副励磁机经静止的晶闸管整流器整流 后供给。由于这种励磁系统取消了集电环和电刷 装置，故又称为无刷励磁系统。
◆空载特性在同步发电机理论中有着重要作用：①空载特性结合短路特 性(在后面介绍 )可以求取同步电机的参数。②发电厂通过测取空载特 性来判断三相绕组的对称性以及励磁系统的故障。
同步发电机负载运行和电枢反
应
结构模型同步电机原理和结构
◆同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转 的转子两大部分组成。一般分为转场式同步电机和转枢式同步电机。
◆图15.1给出了最常用的转场式同步发电机的结构模型，其定子铁 心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称 交流绕组。这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为 电枢铁心和电枢绕组。
励磁方式简介
获得励磁电流的方法称为励磁方式。目 前采用的励磁方式分为两大类：一类是 用直流发电机作为励磁电源的直流励磁 机励磁系统；另一类是用硅整流装置将 交流转化成直流后供给励磁的整流器励 磁系统。现说明如下：
1 直流励磁机励磁 直流励磁机通常与 同步发电机同轴，采用并励或者他励接 法。采用他励接法时，励磁机的励磁电 流由另一台被称为副励磁机的同轴的直 流发电机供给。如图所示。
3 旋转整流器励磁 静止整流器的直流输出必须经 过电刷和集电环才能输送到旋转的励磁绕组，对 于大容量的同步发电机，其励磁电流达到数千安 培，使得集电环严重过热。因此，在大容量的同 步发电机中，常采用不需要电刷和集电环的旋转 整流器励磁系统，如所示。主励磁机是旋转电枢 式三相同步发电机，旋转电枢的交流电流经与主 轴一起旋转的硅整流器整流后，直接送到主发电 机的转子励磁绕组。交流主励磁机的励磁电流由 同轴的交流副励磁机经静止的晶闸管整流器整流 后供给。由于这种励磁系统取消了集电环和电刷 装置，故又称为无刷励磁系统。
◆空载特性在同步发电机理论中有着重要作用：①空载特性结合短路特 性(在后面介绍 )可以求取同步电机的参数。②发电厂通过测取空载特 性来判断三相绕组的对称性以及励磁系统的故障。
同步发电机负载运行和电枢反
应
电机与电力拖动基础 (全)PPT教学课件
1
If —— 激磁绕组中的激磁电流； Rm —— 该段的磁组； Ф—— 磁通量
Φ
说明:当I较小时磁路的磁阻为气隙
2
磁阻且为常数,故If与Φ是线性的 If较大时铁心饱和,磁阻加大Φ增
加变慢If与Φ为非线性关系. 电机的饱和程度对电机的性能有很
0
大的影响.
If
二、主磁极磁势产生的气隙磁密在空间的分布
气隙磁密的概念：
本课程的性质、任务及学习方法
1、性质：在工业电气自动化专业中，《电机原 理及拖动》是一门十分重要的专业基础课或称 技术基础课。
2、任务：我们所从事的专业决定了我们是从使 用的角度来研究电机的。因此，我们着重分析 各种电机的工作原理和运行特性，而对电机设 计和制造工艺涉及得不多。但对电机的结构还 要有一定深度的了解。
1.静止部分 (1)主磁极:由极身和极掌组成,固定在磁轭
(机座)上.在磁极上套入激磁绕
组(线圈).主磁极总是偶数,且N
磁轭
极和S极相间出现.极掌对激磁
极掌极身
线圈 绕组起支撑作用,且使磁通在气
隙中有较好的分布波形.
(2)换向极:它位于相邻两主磁极之间,构造与主磁极相似,其 作用是为了消除在运行过程中换向器产生的火花.
自锁电路目录?第一章直流电机原理?第二章电力拖劢系统的劢力学基础?第三章直流电劢机的电力拖劢?第四章发压器?第五章三相异步电劢机原理?第六章三相异步电劢机的电力拖劢?第七章同步电劢机?第八章控制电机?第九章电力拖劢系统中电劢机的选择3学习方法
电机及拖动基础
电路
由金属导线和电气以及电子部件组成的导电回路称为电路。 电路导通叫做通路，只有通路才有电流通过。 电路在某一处位置断开，叫做断路或开路。
第九章 同步电动机
第九章 同步电机
10000kW水轮机转子
1.发电环节——各种电机
第九章 同步电机
引进600MW汽轮发电机
第九章 同步电机
国产300MW汽轮发电机
第九章 同步电机
国产200MW汽轮发电机定子
第九章 同步电机
国产200MW汽轮发电机定子铁心
第九章 同步电机
现场运行的水轮发电机
二、 同步电机的基本工作原理与分类
( 1 )根据已知条件绘出U和I;
( 2 )根 据E Q U IRa jIXq作 出E Q及E Q
与I的夹角 ; ( 3 )根据角将I分解成Id和Iq ;
( 4 )根 据E 0 U IRa jId X d jIq X q , 从M点 依 次 作 出jIq X q及jId X d ,得 到 末 端G ,连 接OG线 段 即 得E 0 .
功角在90~180度之间，电机拖动负载时，
当TL增大时，功角增大，T反而减小，转速减 小，功角更大， T更小，出现失步，不稳定。
∴稳定运行条件： dT 0
d
第九章 同步电机
二、有功功率功角特性
1、定义： 并联于无穷大电网的同步发电机，当电网电压和频率一定、
参数（ Xd）、X为q、常X数t 、空载电动势 不变（即E0 不变）时I f ， 为有功功率P功em角 特f (性 )。
sin
2
T' T"
第九章 同步电机
T ' : 基本电磁转矩 T" :凸极电磁转矩， 或称为磁阻转矩
凸极机中磁阻转矩的产生是 由于磁阻不等引起的。
隐极同步电动机，磁阻相同， 只有基本电磁功率和基本电磁 转矩：
基本电磁功率：PM
3UE0 sin
概述电机及其拖动PPT课件
（1—3）
磁场强度单位为安/米（A/m）。
第14页/共26页
(4)磁动势F
F I W （1—4）
磁动势的方向由产生它的线圈电流按右手螺旋定则确定。磁动势的单位是安匝或 安。
(5)磁阻Rm 磁阻与磁路的平均长l，磁路截面S及磁路的磁导率μ有关，即
（1—5）
R
l
S
第15页/共26页
2.磁性材料 可分为磁性材料与非磁性材料两大类。
描述磁场强弱及方向的物理量是 磁感应强度B。
第13页/共26页
（2）磁通
用Φ表示 Φ=BS 及 B=Φ/S （1—1）
当截面S与不垂直，S的法线与B的夹角
为α，则 BS cos
（1—2）
磁通的单位为韦伯（Wb） 1T=1Wb/m2
（3）磁场强度H
导介率质μ中之某比点。H的磁感B应强/ 度B与介质磁
律
m
F
i f
（1—11）
式中：Rm为l段的磁阻，单位为1/H；
Rm l / S, m 1/ Rm
为l段的磁导，单位为H。
第21页/共26页
m
6．电磁感应定律 当感应电动势的正方向与产生它的磁通正方向符合右手螺旋定则时，见图1-6（a）及
图1-7。感应电动势e可用下式表示： （1—12）
e W d dt
或
式中，将1穿入闭合面的2 磁
3
通取正号，穿出闭合面的
磁通取负号。
1 2 3 0
（1—8）
称为磁路基尔霍夫第一定
律 。 0
第20页/共26页
(2)磁路基尔霍夫第二定律
（1—9）
称为磁路基尔霍夫第二定律。
F
Hl
5．磁路的欧姆定律
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
旋转磁极式又有两种结 构：凸极式和隐极式
a．凸极式化 b．隐极式 1．定子 2．凸极转子 3．隐极转子 4．滑环
9.1同步电机的结构和工作原理
9.1.1同步电机的结构 2．旋转电枢式
励磁绕组安装在定子上，电枢绕组安装在转子上
9.1同步电机的结构和工作原理
9.1.2同步电机的分类
同步电机按结构分有旋转磁极式和旋转电枢式,旋转磁极式 又分为凸极式和隐极式两种； 按防护型式分有开启式、防护式和封闭式； 按冷却方式分有空气冷却、氢冷与水冷和混合式； 按用途分有发电机、电动机和调相机。 发电机按拖动发电机的原动机类型又可分为汽轮发电、水 轮发电机、柴油发电机、风力发电机等等。
９.2 同步发电机
9.2.1同步发电机的励磁方式
2）他励式晶闸管励磁系统
他励式晶闸管励磁系统由一台交流主励磁机、一台交流副 励磁机、三套整流装置、自动电压调整器等构成。同步发电机 的励磁电流，由与它同轴的交流励磁机经晶闸管整流后提供， 交流励磁机的励磁电流则由副励磁机经晶闸管整流后提供。副 励磁机的电流，开始由直流电源提供，建立起电压后，再改为 由自励恒压装置提供，并保持恒压。通过调节电压互感器、电 流互感器和自动调整器改变晶闸管的控制角，实现对主励磁机 进行励磁电流的自动调节。
1）同步电动机的工作点在0°～90°之间 为稳 定运行区。
2）同步电动机的工作点在90°～180°之间 为不稳定运行区。
9.3 同步电动机
9.3.2同步电动机的功角特性和机械特性 （4）稳定运行条件
同步功率PS>0
PS
Pem
9.3 同步电动机
9.3.3同步电动机的工作特性和V形曲线 1．同步电动机的工作特性 同步电动机的工作特性是指在外加电压U1、励磁电 流If均为常数时，电枢电流I、电磁转矩、功率因数 和效率η与输出功率P2之间的关系。
2．隐极式同步电动机的方程式和相量图
•
•
•
•
U1 E0 j I1 X a j I1 X σ
•
•
E0 j I1 X s
9.3 同步电动机
9.3.1同步电动机的基本方程式和相量图 3．凸极式同步电动机的方程式和相量图
•
•
•
•
•
•
U1 E0 j Id X ad j Iq X aq j Id X σ j Iq X σ
（1）准同期法 准同期法是将发电机完全调整到符合并联运行条件后 再并入电网运行。这种方法需要采用同步指示器。
９.2 同步发电机
9.2.3同步发电机的并联运行 3．并联运行的投入方法
（2）自同期法 先将发电机的励磁绕组用电阻短接，当发电机转速升 高到接近同步转速时，将发电机并入电网，并立即进 行直流励磁。发电机转子依靠定子和转子主磁极形成 的自同期作用把转子自动投入同步。
9.1同步电机的结构和工作原理
9.1.3同步发电机的工作原理
同步发电机将机械能转变为电能。
1．旋转磁极式
同步发电机的转子励磁绕组通电产生恒定磁场
在原动机的拖动下，转子以同步转速旋转，在气隙中产生旋转磁场
该磁场切割定子三相绕组，在绕组中产生交变的感应电动势，气隙磁 场在空间都是按正弦规律分布的，所以在定子绕组中产生按正弦规律 分布的三相对称电动势。即：
9.4 同步调相机
同步调相机也叫同步补偿机，实质上是一台空载运行 的同步电动机，专门用来改善输电电网的功率因素。
电压方程式为
9.3 同步电动机
9.3.4同步电动机的启动方法 1．异步启动法
9.3 同步电动机
9.3.4同步电动机的启动方法
2．辅助启动法 辅助启动法是用辅助的动力机械将同步电动机加速 到接近同步转速，在脱开动力机械的同时，立即给 转子绕组加上电源，将同步电动机拉入同步。
3．调频启动法 同步电动机转子绕组通电形成磁场后，如果定子旋 转磁场从0开始逐渐升高，利用异性相吸的原理，定 子旋转磁场就能将转子逐渐升速至同步转速，这样 转子的转速始终与定子磁场的转速相同，即同步。 但这种方法需要变频电源
９.2 同步发电机
9.2.3同步发电机的并联运行 1．并联运行的意义
①可以根据负载的变化，来合理的调整发电机运行的 台数，提高机组的运行效率。
②便于轮流安排检修，提高供电的可靠性，同时可以 减少系统的备用容量。
③实现各地能源的合理、充分利用。
④能更好地调节电能，提高电能质量。
９.2 同步发电机
9.2.3同步发电机的并联运行 2．同步发电机并联运行的条件
第9章 同步电机
9.1 同步电机的结构和工作原理 9.2 同步发电机 9.3 同步电动机 9.4 同步调相机
9.1同步电机的结构和工作原理
9.1.1同步电机的结构
同步电机按结构可分为旋转磁极式和旋转电枢式两种。 1．旋转磁极式 励磁绕组安装在转子上，转子转动带动磁极旋转；其电枢绕组安装在定 子上。 定子也是由硅钢片叠压而成，在内圆上开有均匀分布的槽，嵌放三相对 称交流绕组
9.3 同步电动机
9.3.2同步电动机的功角特性和机械特性
2．同步电动机的功角特性 同步电动机功角特性是指电磁功率（电磁转矩） 随功率角变化的关系
（1）凸极式同步电动机的功角特性为：
Pem
3E0U1 Xd
sin
3U12 2
1 Xq
1 Xd
sin 2
Tem
Pem 0
3U1E0 0 Xd
sin
3U12 20
•
E0 U I Ra j I (Ra X σ )
９.2 同步发电机
9.2.2同步发电机的运行特性 2．同步发电机的运行特性 以电压为参考的同步发电机的相量图（假定负载为感性）
从相量图可以得到，当发电机的负载为感性时，电枢反应有去 磁作用，发电机的端电压变低，感性负载越大，去磁作用越大， 端电压下降就越多。如果发电机的负载为容性时，电枢反应有 增磁作用，使得端电压升高。
eU Em sin t eV Em sin(t 120o ) eW Em sin(t 120o )
9.1同步电机的结构和工作原理
9.1.3同步发电机的工作原理
2．旋转电枢式
同步发电机的定子励磁绕组通电产生恒定磁场 转子在原动机的拖动下，以同步转速旋转 转子（电枢）对称绕组切割磁场产生交变的感应电动势，由于气 隙磁场在空间也是按正弦规律分布的，所以在转子绕组中产生的 交变电动势也是按正弦规律分布。所以产生的三相电动势同样为 对称电动势 通过滑环向外界输送电能
•
•
•
•
U1 E0 j Id X d j Iq X q
9.3 同步电动机
9.3.2同步电动机的功角特性和机械特性 1．同步电动机的功率及转矩平衡方程式
同步电动机的功率流程图
功率平衡方程式为
P1 Pem pCu1 Pem P2 ( pmec pFe pad ) P2 p0
转矩平衡方程式为 Tem T2 T0
9.1同步电机的结构和工作原理
9.1.4同步电动机的工作原理
同步电动机将电能转换为机械能。
在同步电动机的三相对称绕组中通 入三相交流电流后，会产生一个以 同步转速旋转的磁场
当转子绕组中通入直流电流后，会 形成一个恒定磁场
当转子的磁极N与定子磁极S对齐时， 产生吸引力，使得转子跟着定子磁 极旋转，旋转的速度与定子磁场转 速（即同步速）相同，故称同步电 动机
（4）额定功率 : 流过定子绕组交流电的频率，我国的标 准是电频率为50Hz。
9.1同步电机的结构和工作原理
9.1.5同步电机的铭牌
三相同步发电机 PN SN 3UNIN cosN 三相同步电动机 PN 3UNIN cosNN
（5）额定功率因数 率因数。
：是指电动机在正常运行时的功
（6）额定转速 ：是指电动机在正常运行时转子的转速，
（1）同步发电机的端电压应等于电网的电压
（2）同步发电机电压的相位（或极性）应与电网ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ压 的相位（或极性）相同
（3）发电机的频率应与电网的频率相同
（4）发电机的电压波形应与电网的电压波形相同，即 均应为正弦波。
（5）发电机的相序应与电网的相序相同。
９.2 同步发电机
9.2.3同步发电机的并联运行
3．并联运行的投入方法
9.3 同步电动机 9.3.1同步电动机的基本方程式和相量图
1．同步电动机的电枢反应
（1）当同步电动机为感性时，电枢反应有磁化作用 （2）当同步电动机为容性时，电枢反应为去磁作用 （3）当同步电动机为阻性时，电枢反应略有去磁作用， 使磁场发生偏转
9.3 同步电动机
9.3.1同步电动机的基本方程式和相量图
9.3 同步电动机
同步电动机在不同励磁下的功率因素特性
曲线1是在较小励磁电流下，只能在空 载时才会使=1；当负载增大，功率因 数会降低且滞后
曲线2为较大的励磁电流下，当负载小 于半载时，功率因数为超前（过励状 态），大于半载时，为滞后（欠励状 态）
曲线3为更大的励磁电流下，电动机满 载时，功率因数为1
9.3 同步电动机
9.3.5同步电动机的调速方法
1．他控变压变频调速系统 使用独立的变压变频装置给同步电动机供电的调速 系统称做他控变压变频调速系统。分为交-直-交和 交-交变频两大类。
2．自控变压变频调速系统 自控变压变频调速系统是一种闭环调速系统。它利 用检测装置，检测出转子磁极位置的信号，并用来 控制变压变频装置换相，类似于直流电动机中电刷 和换向器的作用。
9.1同步电机的结构和工作原理
9.1.5同步电机的铭牌
（1）额定电压UN:是指电动机正常运行时加在电动机定子 端口上的三相线电压，单位为V或kV。
（2）额定电流IN:是指电动机正常运行时，流过电动机定子 三相对称绕组的线电流，单位为A。
（3）额定容量是指电机的视在功率，包括有功功率和无功 功率，单位是k·VA；额定功率一般指有功功率，单位是kW。
a．凸极式化 b．隐极式 1．定子 2．凸极转子 3．隐极转子 4．滑环
9.1同步电机的结构和工作原理
9.1.1同步电机的结构 2．旋转电枢式
励磁绕组安装在定子上，电枢绕组安装在转子上
9.1同步电机的结构和工作原理
9.1.2同步电机的分类
同步电机按结构分有旋转磁极式和旋转电枢式,旋转磁极式 又分为凸极式和隐极式两种； 按防护型式分有开启式、防护式和封闭式； 按冷却方式分有空气冷却、氢冷与水冷和混合式； 按用途分有发电机、电动机和调相机。 发电机按拖动发电机的原动机类型又可分为汽轮发电、水 轮发电机、柴油发电机、风力发电机等等。
９.2 同步发电机
9.2.1同步发电机的励磁方式
2）他励式晶闸管励磁系统
他励式晶闸管励磁系统由一台交流主励磁机、一台交流副 励磁机、三套整流装置、自动电压调整器等构成。同步发电机 的励磁电流，由与它同轴的交流励磁机经晶闸管整流后提供， 交流励磁机的励磁电流则由副励磁机经晶闸管整流后提供。副 励磁机的电流，开始由直流电源提供，建立起电压后，再改为 由自励恒压装置提供，并保持恒压。通过调节电压互感器、电 流互感器和自动调整器改变晶闸管的控制角，实现对主励磁机 进行励磁电流的自动调节。
1）同步电动机的工作点在0°～90°之间 为稳 定运行区。
2）同步电动机的工作点在90°～180°之间 为不稳定运行区。
9.3 同步电动机
9.3.2同步电动机的功角特性和机械特性 （4）稳定运行条件
同步功率PS>0
PS
Pem
9.3 同步电动机
9.3.3同步电动机的工作特性和V形曲线 1．同步电动机的工作特性 同步电动机的工作特性是指在外加电压U1、励磁电 流If均为常数时，电枢电流I、电磁转矩、功率因数 和效率η与输出功率P2之间的关系。
2．隐极式同步电动机的方程式和相量图
•
•
•
•
U1 E0 j I1 X a j I1 X σ
•
•
E0 j I1 X s
9.3 同步电动机
9.3.1同步电动机的基本方程式和相量图 3．凸极式同步电动机的方程式和相量图
•
•
•
•
•
•
U1 E0 j Id X ad j Iq X aq j Id X σ j Iq X σ
（1）准同期法 准同期法是将发电机完全调整到符合并联运行条件后 再并入电网运行。这种方法需要采用同步指示器。
９.2 同步发电机
9.2.3同步发电机的并联运行 3．并联运行的投入方法
（2）自同期法 先将发电机的励磁绕组用电阻短接，当发电机转速升 高到接近同步转速时，将发电机并入电网，并立即进 行直流励磁。发电机转子依靠定子和转子主磁极形成 的自同期作用把转子自动投入同步。
9.1同步电机的结构和工作原理
9.1.3同步发电机的工作原理
同步发电机将机械能转变为电能。
1．旋转磁极式
同步发电机的转子励磁绕组通电产生恒定磁场
在原动机的拖动下，转子以同步转速旋转，在气隙中产生旋转磁场
该磁场切割定子三相绕组，在绕组中产生交变的感应电动势，气隙磁 场在空间都是按正弦规律分布的，所以在定子绕组中产生按正弦规律 分布的三相对称电动势。即：
9.4 同步调相机
同步调相机也叫同步补偿机，实质上是一台空载运行 的同步电动机，专门用来改善输电电网的功率因素。
电压方程式为
9.3 同步电动机
9.3.4同步电动机的启动方法 1．异步启动法
9.3 同步电动机
9.3.4同步电动机的启动方法
2．辅助启动法 辅助启动法是用辅助的动力机械将同步电动机加速 到接近同步转速，在脱开动力机械的同时，立即给 转子绕组加上电源，将同步电动机拉入同步。
3．调频启动法 同步电动机转子绕组通电形成磁场后，如果定子旋 转磁场从0开始逐渐升高，利用异性相吸的原理，定 子旋转磁场就能将转子逐渐升速至同步转速，这样 转子的转速始终与定子磁场的转速相同，即同步。 但这种方法需要变频电源
９.2 同步发电机
9.2.3同步发电机的并联运行 1．并联运行的意义
①可以根据负载的变化，来合理的调整发电机运行的 台数，提高机组的运行效率。
②便于轮流安排检修，提高供电的可靠性，同时可以 减少系统的备用容量。
③实现各地能源的合理、充分利用。
④能更好地调节电能，提高电能质量。
９.2 同步发电机
9.2.3同步发电机的并联运行 2．同步发电机并联运行的条件
第9章 同步电机
9.1 同步电机的结构和工作原理 9.2 同步发电机 9.3 同步电动机 9.4 同步调相机
9.1同步电机的结构和工作原理
9.1.1同步电机的结构
同步电机按结构可分为旋转磁极式和旋转电枢式两种。 1．旋转磁极式 励磁绕组安装在转子上，转子转动带动磁极旋转；其电枢绕组安装在定 子上。 定子也是由硅钢片叠压而成，在内圆上开有均匀分布的槽，嵌放三相对 称交流绕组
9.3 同步电动机
9.3.2同步电动机的功角特性和机械特性
2．同步电动机的功角特性 同步电动机功角特性是指电磁功率（电磁转矩） 随功率角变化的关系
（1）凸极式同步电动机的功角特性为：
Pem
3E0U1 Xd
sin
3U12 2
1 Xq
1 Xd
sin 2
Tem
Pem 0
3U1E0 0 Xd
sin
3U12 20
•
E0 U I Ra j I (Ra X σ )
９.2 同步发电机
9.2.2同步发电机的运行特性 2．同步发电机的运行特性 以电压为参考的同步发电机的相量图（假定负载为感性）
从相量图可以得到，当发电机的负载为感性时，电枢反应有去 磁作用，发电机的端电压变低，感性负载越大，去磁作用越大， 端电压下降就越多。如果发电机的负载为容性时，电枢反应有 增磁作用，使得端电压升高。
eU Em sin t eV Em sin(t 120o ) eW Em sin(t 120o )
9.1同步电机的结构和工作原理
9.1.3同步发电机的工作原理
2．旋转电枢式
同步发电机的定子励磁绕组通电产生恒定磁场 转子在原动机的拖动下，以同步转速旋转 转子（电枢）对称绕组切割磁场产生交变的感应电动势，由于气 隙磁场在空间也是按正弦规律分布的，所以在转子绕组中产生的 交变电动势也是按正弦规律分布。所以产生的三相电动势同样为 对称电动势 通过滑环向外界输送电能
•
•
•
•
U1 E0 j Id X d j Iq X q
9.3 同步电动机
9.3.2同步电动机的功角特性和机械特性 1．同步电动机的功率及转矩平衡方程式
同步电动机的功率流程图
功率平衡方程式为
P1 Pem pCu1 Pem P2 ( pmec pFe pad ) P2 p0
转矩平衡方程式为 Tem T2 T0
9.1同步电机的结构和工作原理
9.1.4同步电动机的工作原理
同步电动机将电能转换为机械能。
在同步电动机的三相对称绕组中通 入三相交流电流后，会产生一个以 同步转速旋转的磁场
当转子绕组中通入直流电流后，会 形成一个恒定磁场
当转子的磁极N与定子磁极S对齐时， 产生吸引力，使得转子跟着定子磁 极旋转，旋转的速度与定子磁场转 速（即同步速）相同，故称同步电 动机
（4）额定功率 : 流过定子绕组交流电的频率，我国的标 准是电频率为50Hz。
9.1同步电机的结构和工作原理
9.1.5同步电机的铭牌
三相同步发电机 PN SN 3UNIN cosN 三相同步电动机 PN 3UNIN cosNN
（5）额定功率因数 率因数。
：是指电动机在正常运行时的功
（6）额定转速 ：是指电动机在正常运行时转子的转速，
（1）同步发电机的端电压应等于电网的电压
（2）同步发电机电压的相位（或极性）应与电网ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ压 的相位（或极性）相同
（3）发电机的频率应与电网的频率相同
（4）发电机的电压波形应与电网的电压波形相同，即 均应为正弦波。
（5）发电机的相序应与电网的相序相同。
９.2 同步发电机
9.2.3同步发电机的并联运行
3．并联运行的投入方法
9.3 同步电动机 9.3.1同步电动机的基本方程式和相量图
1．同步电动机的电枢反应
（1）当同步电动机为感性时，电枢反应有磁化作用 （2）当同步电动机为容性时，电枢反应为去磁作用 （3）当同步电动机为阻性时，电枢反应略有去磁作用， 使磁场发生偏转
9.3 同步电动机
9.3.1同步电动机的基本方程式和相量图
9.3 同步电动机
同步电动机在不同励磁下的功率因素特性
曲线1是在较小励磁电流下，只能在空 载时才会使=1；当负载增大，功率因 数会降低且滞后
曲线2为较大的励磁电流下，当负载小 于半载时，功率因数为超前（过励状 态），大于半载时，为滞后（欠励状 态）
曲线3为更大的励磁电流下，电动机满 载时，功率因数为1
9.3 同步电动机
9.3.5同步电动机的调速方法
1．他控变压变频调速系统 使用独立的变压变频装置给同步电动机供电的调速 系统称做他控变压变频调速系统。分为交-直-交和 交-交变频两大类。
2．自控变压变频调速系统 自控变压变频调速系统是一种闭环调速系统。它利 用检测装置，检测出转子磁极位置的信号，并用来 控制变压变频装置换相，类似于直流电动机中电刷 和换向器的作用。
9.1同步电机的结构和工作原理
9.1.5同步电机的铭牌
（1）额定电压UN:是指电动机正常运行时加在电动机定子 端口上的三相线电压，单位为V或kV。
（2）额定电流IN:是指电动机正常运行时，流过电动机定子 三相对称绕组的线电流，单位为A。
（3）额定容量是指电机的视在功率，包括有功功率和无功 功率，单位是k·VA；额定功率一般指有功功率，单位是kW。