第九章 同步电动机

第9章 同步电动机
分别考虑纵轴电枢磁势Fad ，横轴电枢磁势 Faq 单独在主磁路里 产生的纵轴电枢磁通 ad 和横轴电枢磁通 aq ，其结果就等于考虑了 电枢磁势 Fa 的作用。而 Fad 永远作用在纵轴方向， Faq 永远作用在 横轴方向，ຫໍສະໝຸດ Baidu管凸极气隙不均匀，但对纵轴或横轴来说，都分别为对 称磁路。这种处理问题方法，称为双反应原理。另外，还有定子绕组 漏磁路里产生的漏通。 Nk 的大小为 Fa 3 4 2 dp I 电枢磁通势 Fa
2
励磁电磁功率 凸极电磁功率
9.28
图9.12凸极同步电动机的 功角、矩角特性
第9章 同步电动机
3.功角特性
上式中凸极同步电动机的电磁功率中，第一项 与励磁电动势成正比，即与励磁电流的大小有 关，叫做励磁电磁功率。第二项与励磁电流无 关，是由电动机参数引起的（电机的转子是凸 极式引起）。若为隐极同步电动机，第二项为 零，即不存在凸极电磁功率。
9.10
d
N
S
q
N
S
第9章 同步电动机
9.2 同步电动机的电磁关系
2. 同步电动机的电磁关系 以隐极式同步电动机为例，给出的同步电动 机定子绕组各电量正方向，可列出U相回路的电 压平衡方程式(忽略定子绕组电阻)。 Fa 同步电动机中，同时环链着定子、转子绕组 的磁通是主磁通，主磁通一定通过气隙，其路径 为主磁路；只环链定子绕组不环链转子绕组的磁 通为定子漏磁通，漏磁通感应产生的电动势可以 用电流在电抗上的压降来表示。
第9章 同步电动机
第9章
同步电动机
返回总目录
9.1
第9章 同步电动机
本章内容
•概述
•同步电动机的电磁关系 •同步电动机的功率关系与矩角特性
•同步电动机功率因数的调节 •同步电动机的启动
9.2
第9章 同步电动机
9.1 概述
三相交流电机中的转子转速与定子电流的频率 满足n=60f/p的关系，这种电机就称为同步电机。 同步电机的负载改变时，只要电源频率不变， 转速就不变。 同步电机主要用作发电机，也可用作电动机。 优点：同步电动机功率因数较高，运行时可 改善电网的功率因数；对大功率低转速的电动机， 其体积小。
N N n1 S S 集流环 集流环
隐极转 子
n1
S
N
凸极式
9.7
隐极式
双边励磁的同步电动机两种结构
第9章 同步电动机
9.2 同步电动机电磁关系 从图中看出，同步电动机的主要结构由 定子和转子组成。定子部分与三相异步电 动机完全一样，是同步电动机的电枢。同 步电动机转子上装有磁极，分为凸极式和 隐极式两种。当励磁绕组通入电流If时，转 子上产生N、S极。 由于同步电机在工作中是可逆的，多 用于同步发电机发电场合，所以在此我们 只介绍同步电动机的基本工作原理。
9.9
第9章 同步电动机
总结： 1.三相定子绕组加入三相对称 交流电→旋转磁场 2.转子励磁绕组（永久磁铁） n1 →励磁磁场（永久磁场） 3.定子磁场拉着转子磁场旋 n1 转→同步电动机 工作原理是：定子通以交流电， 转子通以直流电，构成双极磁 极。转子磁极在旋转的定子磁 极的磁拉力的拖动下转动且达 到同步转速。
9.12
第9章 同步电动机
9.2 同步电动机的电磁关系
三、同步电动机的磁通势
作用在同步电动机的主磁路上一共 有两个磁通势，即电枢磁通势 Fa 和励 磁磁通势 F0 ，两者都以同步转速逆时 针方向旋转，即所谓同步旋转。
9.13
第9章 同步电动机
图中励磁磁通势 F0 作用在纵轴方向，产生的磁通 如图9.4所示。若把由励磁磁通势 F0 单独产生的 磁通叫励磁磁通，用 0 表示，显然 0 经过的磁 路是依纵轴对称的磁通，并且 0 随着转子一起旋 转。
9.3
第9章 同步电动机
9.2 同步电动机电磁关系
同步电动机也是交流电机。同步电机可以作 发电动机用，世界上各发电厂和发电站所发的三 相交流电能，都是三相同步发电机发出的；也可 以作电动机用。
三相同步电动机主要用于功率较大、转速不 要求调节的生产机械，例如拖动大型水泵、空气 压缩机和矿井通风机等。
一般情况下，当同步电动机容量较大时，可忽略电阻，于是
U E0 jI d X d jI q X q
式中
X d ( X ad X1) 称为纵轴同步电抗；
X q ( X aq X1) 称为横轴同步电抗。
9.19
第9章 同步电动机
四、凸极同步电动机的电动势向量图
X q I q U sin
第9章 同步电动机
2.电磁功率
3U ( X d X q ) 3E0U PM sin sin 2 Xd 2Xd Xq
2
励磁电磁功率 凸极电磁功率
3U ( X d X q ) 3E0U PM sin sin 2 Xd 2Xd Xq
2
其中铁损耗与机械摩擦损耗之和称为空载损耗 即 p0
PM p fe pm P2
，
p0 p fe pm
9.23
第9章 同步电动机
9.3 同步电动机的功率关系与矩角特性
电磁转矩与电磁功率的关系：T M 2n 其中 60 为同步电动机的同步角速度 同步电动机的转矩平衡等式，即
9.5
第9章 同步电动机
9.2 同步电动机电磁关系
结构：同步电动机有旋转电枢式和旋转磁极式两种。旋转 电枢式应用在小容量电动机中，而旋转磁极式用于大容量 电动机中。
9.6
(a) 隐极式 (b) 凸极式 三相旋转磁极式同步电动机结构示意图
1—定子 2—转子 3—集电环
第9章 同步电动机
定子 定子
凸极转子
E0 Ead Eaq I ( R1 jX1) U
9.17
第9章 同步电动机
五、凸极同步电动机的电压平衡方程式
Ead 因磁路线性， ad
,
ad Fad , Fad I d
与 E 正方向相反，故 I d 落后于 Ead 90°电角度 I Ead 可写成 E jI X 所以电动势 ad d ad

角称为功率角。
I q I cos
9.20
第9章 同步电动机
9.21
第9章 同步电动机
五、隐极同步电动机
如果是隐极式同步电动机，电机的气隙是均匀的，表 现的参数，如纵、横轴同步电抗 X d ， q ，两种在数值上 X 彼此相等，即
Xd Xq Xc
式中 X C为隐极同步电动机的同步电抗。
9.16
第9章 同步电动机
五、凸极同步电动机的电压平衡方程式
励磁磁通势 0 在定子绕组里感应电动势用 E0 表示，纵轴电枢磁通势 ad 在定子绕组里感应电 动势用Ead 表示，横轴电枢磁通势 aq在定子绕 组里感应电动势用 Eaq 表示。 根据图9.6给出的同步 电动机定子绕组各电量正 方向，可列出A相回路的 电压平衡等式为
对隐极同步电动机，
U E0 jI d X d jI q X q E0 j ( I d I q ) X c
9.22
E0 jIX c
第9章 同步电动机
9.3 同步电动机的功率关系与矩角特性
1.功率关系
同步电动机从电源吸收的有功功 率 P 3UI cos ，除去定子绕组铜耗 3I 2 R pcu 1 1 后，就变为电磁功率 PM ，即 P pcu PM 1 电磁功率 PM 再除去铁损耗 p fe 和机械摩擦损耗 p m 后变为机械功率 P 输出给负载，即
Eaq可写成 Eaq jIq X aq 同理， 式中 X ad 是纵轴电枢反应电抗（比例系数）
X aq 是横轴电枢反应电抗，
它们对同一台电机都是常数
9.18
Ead I d
第9章 同步电动机
上几式联立得出：
把
I I d I q 上式得出： U E jI X jI X
9.14
第9章 同步电动机
四、凸极同步电动机的双反应原理
从图9.5（a）中看出，电枢磁通势 Fa 与转子 之间无相对运动。它分成两个分量：一个纵轴电 枢磁通势 Fad，作用在纵轴方向。一个分量叫横轴 电枢磁通势 Faq，作用在横轴方向，即 F F F
a ad
aq
9.15
0 d ad q
U E0 jI d X ad jI q X aq I ( R1 jX1 )
Id Iq）R1 jX 1) ( aq （
E0 jId ( X ad X1) jIq ( X aq X1) ( Id Iq ) R1
从右图知道
PM P 3UI cos 1 从图9.7看出 ， 角是 E0 与 E0 是 与 U 之间的夹角，于是
当忽略同步电动机定子电阻时，电磁功率
I 之间的夹角；
I d X d E0 U cos
9.26
Id I sin I q I cos
2
9.27
第9章 同步电动机
3.功角特性
当同步电动机运行时，已知电源电压、频率不 变，若电动机励磁电流不变，则电动势也是常数， 另外电动机的参数也是已知数，则电磁功率与角度 关系称为同步电动机的功角特性 P f（） M
3U ( X d X q ) 3E0U PM sin sin 2 Xd 2Xd Xq
P
P2 PM p0
式中
T0
为空载转矩
T2 T - T0
9.24
第9章 同步电动机
P1
PM
Pm
P2
pcu1
pFe
pcu2
pm+ps
图9.11 同步电动机的功率流程图
异步电动机的功率流程图
9.25
第9章 同步电动机
2.电磁功率
PM 3UI cos 3UI cos( ) 3UI cos cos 3UI sin sin
9.4
第9章 同步电动机
9.2 同步电动机电磁关系
一、同步电动机的特点
同步电动机就是转子的转速始终与定子旋 转磁场的转速相同的交流电动机。 n=n1=60f1/p 上式表明，当定子电流频率f1不变时，同步 电动机的转速为常数，与负载大小无关(在不超 过其最大拖动能力时) 。 另外，同步电动机的功率因数可以调节，当 处于过励状态时，还可以改善电网的功率因数
9.8
第9章 同步电动机
1. 三相同步电动机的基本工作原理 三相交流电源加在三相同步电动机定子绕组时，产生速 度为n的旋转磁场。转子励磁绕组通电时建立固定磁场。假 如转子以某种方法起动，并使转速接近n1，这时转子磁场极 性与定子旋转磁场极性之间异性对齐(定子S极与转子N极对 齐)。根据磁极异性相吸原理，定转子磁场间就产生电磁转 矩，促使转子跟旋转磁场一起同步转动即n=n1，故称为同步 电动机。同步电机实际运行时，因空载总有阻力，因此转子 的磁极轴线总要滞后旋转磁场轴线一个很小角度θ，促使产 生一个异性吸力(电磁场转矩)；负载时，θ角增大，电磁场转 矩随之增大。电机仍保持同步状态。 当然，负载若超过同步异性吸力(电磁转矩)时，转子就 无法正常运转。
U E0 jI d X d jI q X q 的关系，当 90 图9.7是根据式
（领先性），电机运行于电动机状态画出的向量图。
图中
E0
U 与 I 之间的夹角为 （功率因数）； 与 U 之间的夹角是 ； 与 I 之间的 E0

，并且
夹角是
Id I sin
2 2
p
3 4 2 Nkdp F Id 纵轴电枢磁通势 ad 2 2 p 3 4 2 Nkdp Iq 横轴电枢磁通势 Faq 2 2 p
电枢电流
Fa Fad Faq
I Id Iq
其中 I d 产生磁通势 Fad ， I q 产生磁通势 Faq 。
9.11
第9章 同步电动机
9.2 同步电动机的电磁关系
三、同步电动机的磁通势 当同步电机中的定子三相对称绕组接到三相对 称电源上时，就会产生三相合成旋转磁通势，简称 电枢磁通势，用空间矢量 Fa 表示。设电枢磁通势 Fa 的转向为逆时针方向，转速为同步转速。刚启动时 转子以逆时针同步转速旋转，转子励磁绕组通入直 流励磁电流If，它产生的磁通势为励磁磁通势，用空 间矢量 F0 表示。 F0 相对于定子也以同步转速逆时 针方向旋转。