第5章同步电机的基本理论
华南理工大学电机学第五章思考题
5-1 汽轮发电机和水轮发电机在结构上有何区别，原因何在？【答】 在结构上，汽轮发电机为隐极转子，水轮发电机为凸极转子。
原因：汽轮发电机的原动机为汽轮机，转速高，离心力大。
故采用整块钢通过锻压工艺把转子制成一个整体。
水轮发电机的原动机为水轮机，转速低，离心力小。
故采用相对简单的焊接工艺把转子制成由多个部分组成的组合件。
5-2 同步电机有哪几种运行状态，如何区分？【答】 同步电机有发电机、电动机和补偿机三种运行状态。
可以通过功率角δ来表征，功率角定义为相量0E 超前相量U 的角度。
可以等价为主磁场空间矢量1F 超前合成磁场F 的角度。
具体区分如下：0>δ时，转子主磁场超前于合成磁场，转子上受到一个制动性质的电磁转矩，转子输入机械功率，定子绕组向电网或负载输出电功率，电机作发电机运行；0=δ时，转子主磁场与合成磁场的轴线重合，电磁转矩为零，电机内没有有功功率的转换，电机处于补偿机状态（或空载状态）；0<δ时，转子主磁场滞后于合成磁场，转子上受到一个驱动性质的电磁转矩，定子绕组从电网吸收电功率，转子可拖动负载输出机械功率，电机作电动机运行。
5-4 何谓同步电机的电枢反应？电枢反应的性质取决于什么？试讨论下列各种情况下的电枢反应（发电机惯例）：（1）电枢电流超前于励磁电势以0ψ角时；（2）电枢电流滞后于励磁电势以()0ψπ-角时，其中︒<900ψ。
【答】 同步电机在空载时，气隙中仅存在着转子磁动势。
负载以后，除转子磁动势外，定子三相电流也产生电枢磁动势。
电枢磁动势的存在，使气隙中磁场的大小及位置发生变化，这种现象成为电枢反应。
电枢反应的性质取决于电枢磁动势和主磁场在空间的相对位置，空载电动势•0E 和负载电流•a I 之间的夹角0ψ，即取决于负载的性质。
（1）电枢电流•a I 超前于励磁电势•0E 以0ψ角，产生直轴增磁电枢磁动势和交轴电枢磁动势。
（2）电枢电流滞后于励磁电势以()0ψπ-角，产生直轴去磁电枢磁动势和交轴电枢磁动势。
同步电机原理简述
同步电机原理简述(转载)结构模型◆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。
◆转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场(也称主磁场、转子磁场)。
◆气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性能有重大影响。
◆除了转场式同步电机外,还有转枢式同步电机，其磁极安装于定子上，而交流绕组分布于转子表面的槽内，这种同步电机的转子充当了电枢。
图中用AX、BY、CZ三个在空间错开120电角度分布的线圈代表三相对称交流绕组。
工作原理◆主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。
◆载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。
◆切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。
◆交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。
通过引出线，即可提供交流电源。
◆感应电势有效值：由第11章可知，每相感应电势的有效值为(15.1)◆感应电势频率：感应电势的频率决定于同步电机的转速n 和极对数p ，即(15.2)◆交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。
同步转速◆同步转速从供电品质考虑，由众多同步发电机并联构成的交流电网的频率应该是一个不变的值，这就要求发电机的频率应该和电网的频率一致。
电力系统分析第五章(1)
a
d
y D
g α c
Q
5.1同步电机三相短路物理过程分析 5.1同步电机三相短路物理过程分析
5.1.2 无阻尼绕组同步电机空载三相短路的物理过程
b
a
ω
D
o
f
z
f
D
x
c
g Q
b
2．转子短路电流分量分析 短路后，定子电流将对转子产生强烈的电枢反应作用。定子三相对称基频电流产生 的电枢旋转磁场，对转子相对静止。当定子绕组的电阻略去不计时，定子电流产生 的电枢旋转磁场的方向恰好与转子d轴反向，并产生纯去磁性的电枢反应。 为了抵消该电枢反应，维持励磁绕组磁链初值不变，励磁绕组将产生一项直流电流， 它的方向与原有的励磁电流相同，使励磁绕组的磁场得到加强。这项附加的直流分 量产生的磁通也有一部分要穿过定子绕组，激起定子基频电流的更大增长。这就是 同步电机在突然短路时的暂态过程中，定子电流大大地超过其稳态短路电流的原因。
短路前定子 开路，即
q
& Eq & & EQ X q I t &′ & Eq X ′I & Uq
& Ud
Ψ d = − X d I d + Eq Ψ q = − X q Iq
I d[0] = 0
I q[0] = 0
Eq[0] = U q[0]
Ψ 0 = U q[0] = U t[0]
当转子以同步转速旋转时，定子各相绕组 的磁链将随转子位置角作正弦变化
a
d
y
D
g α
c
5.1同步电机三相短路物理过程分析 5.1同步电机三相短路物理过程分析
5.1.2 无阻尼绕组同步电机空载三相短路的物理过程 1．定子短路电流分量分析 ∆ψ a = ψ a0 −ψ a = Ψ 0 cos α 0 −Ψ 0 cos(ωt + α 0 )
第5章三相永磁同步电动机直接转矩控制
第5章 三相永磁同步电动机直接转矩控制
te p
1 f s sin sf Ls
(5-5)
式(5-5)中， 转子磁链矢量 ψ f 的幅值不变， 若能控制定子磁链矢量 ψ s 的 幅值为常值，电磁转矩就仅与 sf 有关， sf 称负载角，通过控制 sf 可 以控制电磁转矩，这就是 PMSM 直接转矩控制基本原理。 在 ABC 轴系中，定子电压矢量方程为
便成为式(5-5)的形式。虽然插入式和内装式 PMSM 产生了磁阻转矩，但是两者直 接转矩控制原理相同。 电动机电磁功率可表示为
p e t e Ωs
(5-23)
式中， Ωs 为机械角速度， Ωs ωs p 。
13
现代电机控制技术
第5章 三相永磁同步电动机直接转矩控制
在正弦稳态下， ωr ωs ， e0 ωs f ；在忽略定子电阻 Rs 情况下，
第5章 三相永磁同步电动机直接转矩控制
5.1 控制原理与控制方式
5.1.1 转矩生成与控制 5.1.2 滞环比较控制与控制系统 5.1.3 磁链和转矩估计 5.1.4 电机参数和转速影响 5.1.5 预期电压直接转矩控制
3
现代电机控制技术
第5章 三相永磁同步电动机直接转矩控制
5.1.1 转矩生成与控制
δsr 为定子磁链矢量 ψ s 与转子磁链矢量 ψ r 间的相位差。
10
现代电机控制技术
第5章 三相永磁同步电动机直接转矩控制
2. 插入式和内装式 PMSM
对于插入式和内装式 PMSM，由式(3-57)已知，电磁转矩方程为
t e p[ f iq ( Ld Lq )id iq ]
(5-15)
(5-16) (5-17)
同步电机的基本工作原理和结构
同步电机的基本工作原理和结构第一节精编资料本章主要介绍同步电机的结构和基本工作原理,同步电机的电动势和磁动势,异步电动...二,同步电机的工作原理1磁场:三相同步电机运行时存在两个旋转磁场: 定子旋转磁场...原理,结构同步电机的基本工作原理和结构本章主要介绍同步电机的结构和基本工作原理、同步电机的电动势和磁动势、异步电动机的电势平衡，磁势平衡、等值电路及相量图、功率转矩、同步发电机运行原理等内容。
本章共有10节课，内容和时间分配如下:1.掌握同步电机的结构特点及工作原理。
(2节)2.掌握同步电机绕组有关的结构、额定参数(1节)3.掌握同步电机机绕组的磁动势、等效电路，一般掌握相量图。
(3节)4.掌握同步电机功率、转矩和同步电机启动特性。
(2节)5.了解同步发电机的运行原理。
(2节)一、简介交流电机，根据用途，可以分为同步发电机、同步电动机和同步补偿机三类。
(交流电能几乎全部是由同步发电机提供的。
目前电力系统中运行的发电机都是三相同步发电机。
同步电动机可以通过调节其励磁电流来改善电网的功率因数，因而在不需要调速的低速大功率机械中也得到较广泛的应用。
随着变频技术的不断发展，同步电动机的起动和调速问题都得到了解决，从而进一步扩大了其应用范围。
同步补偿机实质上是接在交流电网上空载运行的同步电动机，其作用是从电网汲取超前无功功率来补偿其它电力用户从电网汲取的滞后无功功率，以改善电网的供功率因数。
) 二、同步电机的工作原理1磁场:三相同步电机运行时存在两个旋转磁场: 定子旋转磁场和转子旋转磁场。
定子旋转磁场—又常称为电枢磁势，而相应的磁场称为电枢磁场60f1n,速度:同步速度，即 1p方向:从具有超前电流的相转向具有滞后电流的相。
形成原因:以电气方式形成。
(当对称三相电流流过定子对称三相绕组时,将在空气隙中产生旋转磁通势。
它的旋转速度60f1n,1p为同步速度，即;它的旋转方向是从具有超前电流的相转向具有滞后电流的相;当某相电流达到最大值的瞬间，旋转磁势的振幅恰好转到该相绕组轴线处。
电机学复习重点整理
第一章变压器1.变压器基本工作原理，基本结构、主要额定值变压器是利用电磁感应原理将一种电压等级的交流电能变换为另一种同频率且不同电压等级的交流电能的静止电气设备，它在电力系统，变电所以及工厂供配电中得到了广泛的应用，以满足电能的传输，分配和使用。
变压器的原理是基于电磁感应定律，因此磁场是变压器的工作媒介变压器基本结构组成：猜测可能出填空题或选择题三相变压器按照磁路可分为三相组式变压器和三相芯式变压器两类变压器的型号和额定值~考法：例如解释S9-1250/10的各项数值的含义2.变压器空载和负载运行时的电磁状况；空载电流的组成、作用、性质。
变压器一次侧接到额定频率和额定电压的交流电源上，其二次侧开路，这种运行状态称为变压器的空载运行。
变压器空载运行原理图、变压器一次绕组接交流电源，二次绕组接负载的运行方式， 称为变压器的负载运行方式。
变压器负载运行原理图实际运行的电力变压器的磁路总是工作在饱和状态下。
通过磁化曲线推得的电流波形可以发现： 空载电流（即励磁电流）呈尖顶波，除了基波外， 还有较强的三次谐波和其他高次谐波。
；产生主磁通所需要的电流称为励磁电流，用m i 表示； 同理产生主磁通的磁动势称为励磁磁动势，用 m F 表示。
变压器铁芯上仅有一次绕组空载电流0i 所形成的磁动势0F ，即空载电流0i 建立主磁通，所以空载电流0i 就是励磁电流m i ，即m 0i i = 同理，空载磁动势0F 就是励磁磁动势，即m 0F F =或m 101i N i N = 因为空载时，变压器一次绕组实际上是一个铁芯线圈， 空载电流的大小主要决定于铁芯线圈的电抗和铁芯损耗。
铁芯线圈的电抗正比于线圈匝数的平方和磁路的磁导。
2121N N E E =因此，空载电流的大小与铁芯的磁化性能，饱和程度有密切的关系。
3. }4. 变压器变比的定义；磁动式平衡关系的物理含义，用此平衡关系分析变压器的能量传递；变压器折算概念和变压器折算方法，变压器基本方程组、等效电路和相量图 在变压器中，一次绕组的感应电动势1E 与二次绕组的感应电动势2E 之比称为变比，用k 表示，即k =变压器负载运行时，作用于变压器磁路上111N I F •=和222N I F •=两个磁动势。
同步电机习题
第五章同步电机
5-1 什么是同步电机？极数是怎样决定它的转速的？75r/min、50Hz
的电机有几极？
答：同步电机是一种交流电机。其特点是转子的旋转速度必须与旋转磁场旋转速 度(即同步转速）严格同步。在频率一定时，其转速为一系列固定值。同步电机
的转速与电流频率成
f
正比，与极对数
p
成反比，满足关系 n n1
由题可知： sinN 0.6 ， cosN 0.（8 滞后），
N 36.87 ， X*d 1.002 ， X*q 0.647 。
由相量图计算如下：
*
EQ
（I*
X
q*cos
N）2
（U
*
I* X q*sinN）2
（1 0.647 0.8）2 （11 0.647 0.6）2 1.482
省电站投资适用于低转速，大容量的低水头电站。 缺点：转子重心在推力轴承上方，机组稳定性差，推力轴承直径大，损耗大。
5-7 一台转枢三相同步发电机，以转速逆时针旋转，主磁极对电枢是 什么性质的磁场？对称负载运行时，电枢反应对电枢的转速和转向如 何？对定子上主磁极的相对转速又是多少？主极绕组感应出电势 吗？
ZB
UB IB
U I
UN
U
2 N
cosN
3I N
PN
6.32 0.8 21.168 1.5
直轴同步电抗的标幺值
X*d
Xd ZB
21.2 21.168
1.002 ;
交轴同步电抗的标幺值
X*q
Xq ZB
13.7 21.168
0.647
额定相电压的标幺值
U
*
1.0
，额定相电流的标幺值
同步电动机原理
同步电动机原理
同步电动机是一种根据电磁原理工作的电机，其工作原理是利用电磁感应现象。
当三相交流电通过定子绕组时，会在定子中形成一个由电流产生的旋转磁场，这个磁场的旋转速度正好与电源频率相关。
同时，在转子中也存在一个磁场，其旋转速度由定子磁场的旋转速度决定。
在正常运行时，两个磁场会保持同步运动，使得转子旋转与定子磁场的旋转速度相同。
这样，转子就会随着定子磁场的旋转而旋转，达到同步转速。
当转子达到同步转速时，同步电动机的运行就稳定了。
同步电动机的同步转速与电源频率和极对数有关，可以通过改变电源频率或改变转子极对数来控制同步电动机的转速。
同时，同步电动机还具有良好的功率因数，可以在运行过程中自动调整，提高电能的利用效率。
总之，同步电动机的工作原理是利用定子与转子之间形成的旋转磁场，使得转子能够同步运动。
通过控制电源频率或转子极对数，可以实现对同步电动机的转速控制。
同步电机
㈡ 转速特性与启动步骤 当在定子绕组中通入三相交流电以后， 当在定子绕组中通入三相交流电以后，在气隙中则产生旋转磁 转子绕组加入直流励磁以后，在气隙中生成静止的转子磁场。 场。转子绕组加入直流励磁以后，在气隙中生成静止的转子磁场。 定、转子磁场之间存在较大的相对运动，转子上的平均转矩为零， 转子磁场之间存在较大的相对运动，转子上的平均转矩为零， 所以同步电动机不产生起动转矩。因此，在同步电动机起动时， 所以同步电动机不产生起动转矩。因此，在同步电动机起动时，我 们经常采用的是异步起动方法。 们经常采用的是异步起动方法。 异步启动法： 异步启动法：在磁极表面上装设有类似异步电机笼型导条的短路绕 称为起动绕组。在起动时， 组，称为起动绕组。在起动时，气隙旋转磁场将在转子上的起动绕 组中感应电流，电流和磁场相互作用产生电磁矩转， 组中感应电流，电流和磁场相互作用产生电磁矩转，使同步电机转 动起来（如同感应电机）。待速度上升到接近同步转速时， ）。待速度上升到接近同步转速时 动起来（如同感应电机）。待速度上升到接近同步转速时，再给转 子绕组通入直流电流，产生转子磁场， 子绕组通入直流电流，产生转子磁场，此时它和定子磁场间得到转 速已非常接近，依靠这两个磁场间相互吸引力， 速已非常接近，依靠这两个磁场间相互吸引力，使转子与定子磁场 同步旋转。所以同步电动机的起动过程可以分为两个阶段： 同步旋转。所以同步电动机的起动过程可以分为两个阶段： 首先按异步电机方式起动，使转子转速接近同步转速。 （1）首先按异步电机方式起动，使转子转速接近同步转速。 转子绕组通入直流电流，产生转子磁场，使转子牵入同步。 （2）转子绕组通入直流电流，产生转子磁场，使转子牵入同步。
大小及位置均发生变化, 这种影响称为电枢反应. 大小及位置均发生变化, 这种影响称为电枢反应.
永磁同步电机
第5章 永磁同步电动机系统及其S P W M 控制 除一些利用异步转矩或磁阻转矩起动的永磁同步电动机之外，绝大多数的永磁同步电动机(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)需要逆变器驱动以平稳起动及稳定运行。
因此一般意义上的永磁同步电动机系统是指具有位置传感的、SPWM 逆变器驱动的永磁同步电动机，或称为正弦波驱动的无刷直流电动机，很多的文献也直接将之简称为永磁同步电动机。
本章主要阐述永磁同步电动机即正弦波无刷直流电动机的原理及其SPWM 控制。
5.1永磁同步电动机系统的构成及设计特点5.1.1永磁同步电动机系统的构成与前一章的方波无刷直流电动机相比较，虽然两者都是自同步运行的永磁同步电动机，均由永磁同步电动机、转子位置传感器和控制驱动电路三部分组成，但在运行原理上存在较大的差异。
方波无刷直流电动机中，只需要若干个磁极位置处的开关信号就可以形成换相逻辑，从而产生在空间跳跃旋转的定子磁动势；通过平顶波反电动势的设计及矩形电流波形的控制，可以产生近似恒定的电磁转矩，转矩平稳性较差。
而在永磁同步电动机中，为产生恒定的电磁转矩，一般采用SPWM 信号驱动功率电路，在电动机三相绕组中产生正弦波的电流，从而形成连续旋转的定子圆形旋转磁场，因此需要检测连续的转子位置信息。
图5-1所示框图为永磁同步伺服电动机的基本结构之一。
转子位置传感器为旋转变压器或编码器等，通过轴角变换电路或计数器等可以将连续位置传感器的输出信号变换为转角位置信号p θ。
之后，在相电流指令合成电路中产生各相的电流指令信号j u ，如式（5-1）所示。
)32)1((sin )(πθθ--=j p V P u er j 3,2,1=j （5-1） 式中，V er −输入控制指令，为速度误差信号或转矩指令信号。
相电流指令与电流负反馈信号经电流调节器处理后，生成SPWM 信号控制逆变功率电路，驱动永磁同步电动机自同步运行。
第五篇 同步电机1
同步电机也是一种常用的交流电机。其特点： 同步电机也是一种常用的交流电机。其特点： 转子的转速与电网频率f之间具有固定不变的关系， 转子的转速与电网频率 之间具有固定不变的关系，即 之间具有固定不变的关系
60 f1 n = n1 = p
若电网的频率不变， 若电网的频率不变， 同步电机的转速恒为常值而与负 载的大小无关。 载的大小无关。 应用：发电机，电动机，调相机。 应用：发电机，电动机，调相机。
a d d q q
& & jIxa + jIxσ
& E 0 & Ira & U & E0 & Ea
& E0
& jI d xad
& jI q xaq
& jIxσ
I&ra
Ψ
& I
& E δ
I& q
Ψ
& U I&
θϕ
ϕ
I& d
& & & & & & 隐极 Eδ = E 0 + E a = U + I ⋅ ra + jIxσ & ≈ jIxσ
23－4 隐极同步发电机的负载运行 －
一、不考虑饱和时 • 不计磁路饱和， 磁路线性， 把主极磁势和电枢磁势 的作用分别考虑， 再利用叠加原理。
& 转子： I f
定子：
r & → F f → φ&0 → E 0
& Eδ
r & I& → F a → φ&a → E a & φ& → E
同步电机结构原理
同步电机
q轴 U 轴
00 时的电枢反应
F
V2
900
d轴
Fa W1
N
S U2 V1
W轴
记Fa为Faq
电枢反应性质：
Ff
V轴
U1
交轴电枢反应
W2
第６章
同步电机
超 E 0 I 900
q轴 U 轴
0 90 ６.3.2 时的电枢反应
第６章
同步电机
一般情况下，发电机既带有功负载，又带感性无功负 载，有功电流的变化影响发电机的转速及频率，无功电流 的变化影响发电机的电压。 为了保持发电机的频率和电压的稳定，必须随负载变 化及时调节发电机的输入功率和励磁电流。 综上所述，交轴电枢反应的存在是实现机——电能量转 换的关键。
第６章
同步电机
额定功率因数cos N 额定频率f N 额定效率 N 额定转速nN 额定励磁电流I fN 额定励磁电压U fN
PN SN cos N 3U N I N cos N
第６章
同步电机
６.2 同步发电机的空载运行
同步发电机被原动机拖动到同步转速，励磁绕组中通入直流 电流 I f ，定子绕组开路的运行称为空载运行。
第６章
同步电机
6.4.2隐极同步发电机的电动势方程、相量图和等效电路 一、电动势方程 电磁关系：
Φ f Φ 0
Φ a Φ
令 X t X a X
E 0
If
Ff
电动势平衡方程
E a E
I
Fa
U IR jIX E 0 a t
X t --同步电抗
同步发电机的基本知识及结构及工作原理
定子铁芯是电机的主要部件，它起着构成主 磁路和固定定子绕组的重要作用。
定子绕组又称电枢绕组，是发电机进行能量 转换的心脏部位。
精品课件
一、发电机的定子
精品课件
一、发电机的定子
精品课件
一、发电机的定子
精品课件
隐极式同步电机的转子
精品课件
隐极式同步电机的转子
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隐极式同步电机的转子
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隐极式同步电机的转子
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凸极式同步电机的转子
卧式凸极同步电机 转子的典型结构
精品课件
凸极式同步电机的转子
精品课件
凸极式同步电机的转子
精品课件
三峡电站
三峡70万机组左岸发电机由Alstom/ABB和 VGS联合体供货，右岸实现国产。采用推力 轴承置于下机架的三导轴承半伞式结构，由 转子、定子、上机架、下机架、推力轴承、 导轴承、空气冷却器和永磁机等部分组成。 额定容量777.8MVA/700MW，最大容量840MVA， 额定电压20kV，额定电流22453A，额定转速 75rpm，推力轴承总负荷5520吨，采用定子 绕组水冷、转子空冷的冷却方式，发电机总 重量达3443吨，是世界最大的水轮发电机。 一台机组1小时发电量约为55万度，足够10 万户家庭用一天。
三、同步发电机的冷却方式
空气冷 水氢氢：定子绕组—水内冷，转子绕组—
氢内冷，铁芯—氢冷却 双水内冷：定子绕组、转子绕组—水内冷，
铁芯—空气冷却 超导发电机
精品课件
5.3 大型同步电机的基本系统
励磁系统是指为同步发电机提供可调励磁电 流所需设备组成的系统。
(完整版)永磁同步电机的原理和结构
WORD文档可编辑第一章永磁同步电机的原理及结构1.1永磁同步电机的基本工作原理永磁同步电机的原理如下在电动机的定子绕组中通入三相电流，在通入电流后就会在电动机的定子绕组中形成旋转磁场，由于在转子上安装了永磁体，永磁体的磁极是固定的，根据磁极的同性相吸异性相斥的原理，在定子中产生的旋转磁场会带动转子进行旋转，最终达到转子的旋转速度与定子中产生的旋转磁极的转速相等，所以可以把永磁同步电机的起动过程看成是由异步启动阶段和牵入同步阶段组成的。
在异步启动的研究阶段中，电动机的转速是从零开始逐渐增大的，造成上诉的主要原因是其在异步转矩、永磁发电制动转矩、由转子磁路不对称而引等一系列的因素共同作用起的磁阻转矩和单轴转矩下而引起的，所以在这个过程中转速是振荡着上升的。
在起动过程中，质的转矩，只有异步转矩是驱动性电动机就是以这转矩来得以加速的，其他的转矩大部分以制动性质为主。
在电动机的速度由零增加到接近定子的磁场旋转转速时，在永磁体脉振转矩的影响下永磁同步电机的转速有可能会超过同步转速，而出现转速的超调现象。
但经过一段时间的转速振荡后，最终在同步转矩的作用下而被牵入同步。
1.2永磁同步电机的结构永磁同步电机主要是由转子、端盖、及定子等各部件组成的。
一般来说，永磁同步电机的最大的特点是它的定子结构与普通的感应电机的结构非常非常的相似，主要是区别于转子的独特的结构与其它电机形成了差别。
和常用的异步电机的最大不同则是转子的独特的结构，在转子上放有高质量的永磁体磁极。
由于在转子上安放永磁体的位置有很多选择，所以永磁同步电机通常会被分为三大类：内嵌式、面贴式以及插入式，如图1.1所示。
永磁同步电机的运行性能是最受关注的，影响其性能的因素有很多，但是最主要的则是永磁同步电机的结构。
就面贴式、插入式和嵌入式而言，各种结构都各有其各自的优点。
图1-1面贴式的永磁同步电机在工业上是应用最广泛的，其最主要的原因是其拥有很多其他形式电机无法比拟的优点，例如其制造方便，转动惯性比较小以及结构很简单等。
同步电机的工作原理
同步电机的工作原理引言概述：同步电机是一种常见的电动机类型，其工作原理基于电磁感应和磁场的相互作用。
本文将详细介绍同步电机的工作原理，包括磁场产生、转子与磁场的同步、转矩产生、调速控制以及应用领域。
一、磁场产生1.1 永磁同步电机：通过永磁体产生恒定磁场，磁场的极性和分布规律决定了电机的性能。
1.2 感应同步电机：通过电磁铁产生磁场，电磁铁的电流和磁场的强度成正比，可以实现磁场的调节。
1.3 混合型同步电机：同时利用永磁体和电磁铁产生磁场，结合了永磁同步电机和感应同步电机的优点。
二、转子与磁场的同步2.1 同步速度：同步电机的转子速度与磁场的旋转速度完全一致，这是同步电机的特点之一。
2.2 极对数：同步电机的极对数与磁场的极对数相等，极对数决定了同步电机的转速。
2.3 同步损耗：同步电机在运行过程中，由于转子与磁场的同步性，会产生一定的同步损耗。
三、转矩产生3.1 磁场转矩：同步电机的转子与磁场之间的相互作用会产生转矩，使电机能够输出功率。
3.2 电流转矩：通过控制电机的电流大小和相位，可以调节电机的转矩。
3.3 磁阻转矩：同步电机的转子具有一定的磁阻特性，磁阻转矩是由转子磁阻产生的。
四、调速控制4.1 感应同步电机的调速：通过调节电磁铁的电流大小和频率，可以实现感应同步电机的调速控制。
4.2 永磁同步电机的调速：通过调节永磁体的磁场强度，可以实现永磁同步电机的调速控制。
4.3 变频调速：利用变频器控制电机的供电频率，可以实现同步电机的精确调速。
五、应用领域5.1 工业领域：同步电机广泛应用于工业生产中的电动机械设备，如风力发电机组、水泵、压缩机等。
5.2 交通运输领域：同步电机被用于电动车辆、列车牵引等交通运输工具中，具有高效、低噪音等优点。
5.3 家用电器领域：同步电机在家用电器中的应用越来越广泛，如洗衣机、空调、冰箱等。
结论：同步电机是一种重要的电动机类型，其工作原理基于磁场产生、转子与磁场的同步、转矩产生、调速控制等方面。
同步电机知识点
同步电机知识点
同步电机是一种常用的交流电机，其动态性能对全电力系统的动态性能有极大影响。
以下是关于同步电机的知识点：
1. 同步电机是电力系统的心脏，它是一种集旋转与静止、电磁变化与机械运动于一体，实现电能与机械能变换的元件。
2. 同步电机的特点包括：稳态运行时，转子的转速和电网频率之间有不变的关系；若电网的频率不变，则稳态时同步电机的转速恒为常数而与负载的大小无关。
3. 同步电机分为同步发电机和同步电动机。
4. 同步发电机的转矩方程为T1=To+Te，其中T1为原动机的驱动转矩。
5. 同步发电机的运行特性以外特性为主U=f(I)。
6. 投入并联运行的条件包括：发电机的相序应与电网一致；发电机的频率应与电网相同；发电机的激磁电动势与电网电压大小相同、相位相同。
7. 投入并联的方法包括：准确整步法、自整步法。
8. 同步电机的特点包括：转速不随负载变化而变化；改变励磁电流可以改变功率因数；增大励磁电流，可以提高电磁功率，从而提高电动机的过载能力。
9. 有功功率的调节方法：增加发电机的输入功率，即增加原动机的驱动转矩，可以增加发电机向电网输入的有功功率。
10. 无功功率的调节方法：通过改变励磁电流的大小可以改变发电机对电网无功功率的需求。
11. 同步补偿机是同步电机的一种（同步电机不带载时），作用是改善电网功率因数。
电机学 第5章 同步电机
输出电压随转子转角变化而变化，两者呈成正弦、余弦函 数关系称为正余弦旋转变压器；成线性关系称为线性旋转 变压器，主要用于坐标变换、三角运算的角度测量等。
转子转速与磁场转速不相等。 n0=60f/p，n不等于n0。
退出
3、三相同步电动机的运行特性
（1）机械特性
转速与负载转矩之间的关系。
n
n=f（M）
n0
由于同步电动机转速恒定不随转
矩而变，这种特性成为绝对硬特
性，即恒转速特性。是同步电动
M
机的基本特性。
退出
（2）工作特性
指同步电动机外加电压、励磁电流为常数时电磁转矩、定 子电流、功率因数、效率、和输出机械功率P2之间的关系曲 线。
退出
额定容量SN 3U相I相；
输出有功功率 SNcos；
输出无功功率 SNsin；
额定电压：线电压U
；
L
额定电流：线电流I；
当Y形连接时，额定电流 SN SN 3U相 3UL
当形连接时，额定电流 SN SN 3U相 3UL
退出
解：(1)转子磁极对数p 3,旋转磁场转速为
n 60f 60 50 1000r/min
退出
例：一台三相Y形连接的隐极同步发电机，每相电抗 为2欧姆，每相电阻为0.1欧姆，当容量为500kvA， cosφ=0.8（滞后）时，端电压为2300v，求气隙磁场在 一相绕组中产生的电动势。
解：相电压U UL 2300 1327.9V
3
3
相电流I S 500103 125.（ 5 A） 3UL 3 2300
退出
3、微型同步电动机
将不变的交流电信号转变为转速恒定的机械运动。在自动 控制中作为执行元件。在恒速传动装置中广泛应用。分为永 磁式、反应式、磁滞式等类型。
发电机功率因数
U N
可确定电机的基本参数、额定励磁 电流和电压变化率等。
UN
实际生产中，它还可以检
查三相 电枢绕组的对称性、
匝间短路(Interturn short circuit)、判 断励磁绕组和
o
定子铁心有无故障等
If0
空载特性 If ,F
同步发电机的特性曲线
一、空载特性 n=nN，Ia=0，E0=f(If)
同步发电机的额定数据(铭牌)
F4049J铭牌数据(Nameplate data)：
额定功率：30000 kW
额定励磁电流：370A
额定电压：10500 V
额定功率因数： 0.8
额定电流：2062 A
接线法：YY型
额定频率：50Hz
额定转速: 3000 r/min
绝缘等级/使用等级：F/B
同步发电机的特性曲线
同步发电机的额定数据(铭牌)
13 额定励磁功率(Rated field power)：指发电机正常满负载发 电时，应提供其励磁绕组足够的励磁功率。 14 绝缘等级(Insulation class)： 规定以发电机所使用的绝缘材 料耐热等级(Heat resisting class)作为发电机的绝缘等级。同步 发电机常用的绝缘材料有E级、B级、F级，其允许温度依次分 别为115℃、130℃、155℃。
空载特性是发电机的基本特性之一。
它一方面表征了磁路的饱和
(Magnetic circuit saturation)情况， E0 , 0
另 一 方 把 它 和 短 路 特 性 (Short
气隙线
circuit characteristic)、零功率因数 负载特性(Load characteristic)配合，
《电机与拖动》教学大纲
《电机与拖动》教学大纲课程名称：电机与拖动英文名称：Motors and Electric Drives课程性质：专业教育必修课程课程编号：O131009所属院部：机电工程学院周学时：4学时总学时：75学时（理论学时60;实验学时15）学分：4学分教学对象（本课程适合的专业和年级）：机械设计制造及其自动化专业（专升本）2011级学生预备知识：高等数学、物理学、电工学、电子技术、工程力学、机械制图等。
课程在教学计划中的地位和作用：本课程为专业基础课，其作用是承前启后，为后续课程打基础，培养学生的动手能力、分析问题和解决问题的能力。
教学方法：讲授、讨论、实验教学的目的和要求：使学生掌握变压器与各种电机的基本结构、工作原理和运行性能，独立分析电力拖动系统各种运行状态，掌握有关计算方法，合理地选择和使用电动机，为毕业后从事专业技术工作做好基本培养和锻炼。
要求重点掌握变压器、异步电机、电动机的选择和电力拖动系统的动力学部分，同步电机、直流电机和控制电机部分作为一般掌握内容。
课程教材：唐介主编.电机与拖动（第二版）. 北京：高等教育出版社，2007参考书目：［1］彭鸿才主编.电机原理及拖动. 北京：机械工业出版社，2007年.［2］周顺荣编著.电机学.北京：科学出版社，2002年.［3］电机及电气技术实验装置实验指导书.杭州：浙江天煌科技实业有限公司考核形式：闭卷考试编写时间：2012年1月制定课程内容及学时分配：注：根据需要，课时可作适当调整。
绪论（2学时）学习要求：了解本课程的性质与特点，掌握学好这门课的方法。
教学重点：学习方法第1章磁路（4学时）学习要求：掌握常用基本物理量和基本定律，为学好本课程打好基础。
教学重点：铁磁材料与磁路。
第2章变压器（8学时）学习要求：1.了解变压器的主要结构、基本工作原理及主要额定值的意义。
2.掌握变压器负载运行时的等值电路、相量图、基本方程式以及运行性能。
3.熟悉三相变压器的联接组别。
电机学5.2_同步电机的运行原理
同步电机的构造特点
定子 同步电机的定子大体上和异步电机相同， 是由铁芯、绕组、机座以及固定这些部分的其 他构件组成。 转子 （以同步发电机为例）
1、汽轮发电机转子结构 现代汽轮发电机一般都是二极 的，同步转速为3000或3600r/min。这是因为提高转速 可以提高汽轮机的运行效率，减小整个机组的尺寸、降 低机组的造价。转子不能做得过大，所以汽轮发电机的 直径较小，长度较长。汽轮发电机均为卧式结构。 2、水轮发电机转子结构 大型水轮发电机通常都是立式 结构，它的转速低、极数多，要求转动惯量大，故其特 点是直径大、长度短。
81
（1）饱和时的电磁关系
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（1）饱和时的电磁关系
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1.考虑饱和时的情况
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（2）饱和时的电压方程式、相量图
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（2）饱和时的电压方程式、相量图
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1.考虑饱和时的情况
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（3）饱和时的时空相矢量图
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（3）饱和时的时空相矢量图
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（3）考虑饱和时的时空相矢量图
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隐极同步发电机的时空相矢量图和相量图
PN SN cosN 3U N I N cosN PN PNN 3UN I N cosNN 1
( P N --额定输入功率） 1
额定转速 nN 和额定频率 f N 是指同步电机运行时的转速 （r/min）和定子绕组中电流与电压的工作频率（Hz）。 额定励磁电压 U fN 和额定励磁电流 I fN 是指同步电机额 定运行时加到励磁绕组上的直流电压和电流。
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同步电机的额定值
19
同步电机的额定值
20
小 结
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第 5 章 同步电机的基本理论
5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 *5.7 5.8 5.9 5.10 5.11 *5.12
LFChun 制作
三相同步电机的工作原理 三相同步电机的基本结构 三相同步电动机的运行分析 三相同步电动机的功率和转矩 三相同步电动机的的运行特性 三相同步电动机功率因数的调节 微型同步电动机 三相同步发电机的运行分析 三相同步发电机的功率和转矩 三相同步发电机的运行特性 同步发电机与电网的并联运行 同步发电机的三相突然短路
I1
R1
jXs
－ +
E0
5.3 三相同步电动机的运行分析
3. 相量图
(a) 电 感 性
I1
θ Ψ －E0
U1 jXsI1
R1 I1
U1
(b) 电 阻 性 (c) 电 容 性
I1
U1 =－E0＋(R1＋jXs ) I1 —— 功率因数角。 Ψ —— 内功率因数角。 已知：
θ=Ψ
－E0
jXsI1 R1 I1
电枢相电压：
U0P = E0
电枢线电压（Y 形联结）： U0L =√3 E0 pn f1 = 60 E0 的频率： 如果： f1 = 50Hz，则： pn = 3 000
大连理工大学电气工程系
5.1 三相同步电机的工作原理
三相同步发电机负载运行时
电枢旋转磁通势 Fam 转子旋转磁通势 F0m
气隙旋转磁通势 Fm
I1
Ead =－jXad Id
Eaq =－jXaq Iq
※ Xad —— 直轴电枢反应电抗。
Xaq —— 交轴电枢反应电抗。
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5.3 三相同步电动机的运行分析
E =－jXσI1
I1 = Id＋Iq
U1 =－E0 ＋j Xad Id＋j Xaq Iq＋j XσI1＋R1I1 =－E0＋j (Xad＋X) Id＋j (Xaq＋X)Iq＋R1I1 U1 =－E0＋jXd Id＋jXq Iq＋R1I1
jId Iq －E0 Ψ
I1 EQ
Id jId
I1
Ψ
Iq －E0
Id
－j(Xd－Xq)Id
(a) I1 滞后于－E0 时
(b) I1 超前于－E0 时
结论： EQ 与 E0 同相位。 U1 =－E0＋R1I1＋jXd Id＋jXq Iq－jXq Id＋jXq Id U1 =－EQ＋(R1＋jXq )I1
※ Xd = Xad＋X —— 直轴同步电抗。
Xq = Xaq＋X —— 交轴同步电抗。 如果忽略 R1，则
U1 =－E0＋jXd Id＋jXq Iq
大连理工大学电气工程系
5.3 三相同步电动机的运行分析
2. 等效电路
设虚拟电动势 EQ = E0－j (Xd－Xq ) Id
－j(Xd－Xq)Id EQ
F0m
U1 V2
Fam
W2
Iq Ψ Id I1
－E0
交 轴
N
Fam
W1
S
U2
V1
直轴分量：Id = I1 sinΨ 交轴分量：Iq = I1 cosΨ
I1 = Id＋Iq —— 双反应理论。
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直轴
5.3 三相同步电动机的运行分析
1. 基本方程式
Uf →If→F0m→Φ0→E0 ＋ →Id →Fad →Φad →Ead U1 →I1 E0 E →Iq →Faq →Φaq →Eaq ad U1 E E Φ →E aq － R1I1 U1 =－E0－Ead－Eaq－E＋R1I1
U1 =－E1+(R1 ＋ j X )I1
如果不计磁路饱和，则 Uf →If →F0m →Φ0 →E0 (励磁电动势不变) U1 →I1 →Fam→Φa →Ea (电枢反应电动势随负载变化)
→E
R1I1 E1= E0 + Ea
U1 =－E0－Ea－E＋R1I1 所以 Ea =－j Xa I1 ※ Xa —— 电枢反应电抗。
＋ U1 －
I1
E1 E
磁通势
Uf →If →F0m
U1 →I1→Fam
F →Φ
漏磁通
电枢 感应
E1
U1 = R1I1－E－E1
※ 漏磁感应电动势： E =－j X I1
E R1I1
※ R1、X —— 定子每相绕组的电阻、漏电抗。
大连理工大学电气工程系
5.3 三相同步电动机的运行分析
(1) 画 I1 。 (2) 画 R1I1 和 j Xq I1 。 (3) 画(－EQ) ，确定(－E0)的方位。
(4) 由 I1 分解出 Id 和 Iq 。 (5) 画 j Xd Id 和 j Xq Iq 。
(6) 画 (－E0)。
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5.3 三相同步电动机的运行分析
－E0 滞后于－E1θ角，
U1 =－E1＋(R1＋j X) I1
≈－E1（忽略 R1 和 X） 因此－E0 滞后于 U1θ。 Ψ = 〒
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I1 Ψ
θ
U1
jXsI1
R1 I1
－E0
5.3 三相同步电动机的运行分析
如果忽略 R1 ，则有 U1 =－E0＋jXs I1 同样有关系 Ψ = 〒
大连理工大学电气工程系
5.3 三相同步电动机的运行分析
U1 =－E0＋(R1＋j X＋j Xa ) I1
U1 =－E0＋(R1＋jXs ) I1
※ Xs = X＋Xa —— 同步电抗。 一般：R1＜＜ Xs ，忽略 R1 ，则
U1 =－E0＋j Xs I1
2. 等效电路
+ U1 －
大连理工大学电气工程系
阻尼绕组
大连理工大学电气工程系
5.2 三相同步电机的基本结构
二、励磁方式
1. 直流励磁机励磁 励磁绕组由小型直流发电机供电。 2. 静止整流器励磁 交流励磁机→整流→直流电 电刷
集电环
励磁绕组。
3. 旋转整流器励磁 交流励磁机→整流→直流电→励磁绕组。
大连理工大学电气工程系
5.2 三相同步电机的基本结构
励磁机 发电机
5. 按原动机的不同： 汽轮发电机、水轮发电机。
水轮机
大连理工大学电气工程系
5.2 三相同步电机的基本结构
大连理工大学电气工程系
5.2 三相同步电机的基本结构
小浪底电2 三相同步电机的基本结构
三峡电站首台机组安装
大连理工大学电气工程系
5.2 三相同步电机的基本结构
I1 Ψ θ －E0 U1
I1 θ=Ψ －E0
U1
jXsI1
(b) 电阻性
I1 Ψ
jXsI1
U1
－E0
jXsI1
(a) 电感性
(c) 电容性
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5.3 三相同步电动机的运行分析
【例5.3.1】 某三相隐极同步电动机， PN = 50 kW，UN = 380 V，Y 形联结， IN = 90 A，N = 0.8（电感性），R1 = 0.2 Ω， Xs = 1.2 Ω。求在上 述条件下运行时的 E0、 、 和 。
Fm Fam
V2
同步电动机中的感应电动势
F0m Fm
电枢三相 绕组中感应 电枢三相
E0
绕组中感应
E1
F0m 在空间上 超前于Fmθ角
θ
F0m
U1
N
W2
E0 在时间上超前于 E1θ角
W1
S
U2
V1
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5.1 三相同步电机的工作原理
三、三相同步电机的可逆运行
N
n0 n0
N
S
N
n0 n0
同步电动机中的感应电动势
F0m Fm
电枢三相 绕组中感应 电枢三相 绕组中感应
E0 E1
F0m 在空间上 滞后于Fmθ角
Fm F0m θ
U1 V2
E0 在时间上滞后于 E1θ角
Fam
W2
－E0 在时间上滞后于－ E1θ角
N
W1
S
U2
V1
大连理工大学电气工程系
5.1 三相同步电机的工作原理
二、三相同步发电机
励磁机→F0m
N
原动机
旋转的 F0 m和Φ0
N
电枢三相 绕组中感应
E0
n0 n0
S
N
n0 n0
Fm Fam
V2
θ
F0m
U1
θ
S
S 理想空载状态
N
W2
发电机运行
W1
S
U2
V1
大连理工大学电气工程系
5.1 三相同步电机的工作原理
三相同步发电机空载运行时 电枢（定子）： I1 (Fam ) = 0 转子每极磁通： Φ0 空载电动势： E0 = 4.44 kw1 N1f1 Φ0 或 E0 = －j4.44 kw1 N1f1 Φ0
同步电动机中的磁通势 定子 —— 电枢。 电枢旋转磁通势 Fam 气隙旋转磁通势 F 转子旋转磁通势 F0m 电枢反应 —— Fam 对 Fm 的影响。
N
m
Fm
n0
N S
n0
功 角
n0 n0
V2
F0m θ
U1
Fam
W2
N
N
S
θ
S
理想空载状态
W1
S
U2
V1
电动机状态
大连理工大学电气工程系
5.1 三相同步电机的工作原理
解：电枢相电压和相电流为 UN 380 = V = 220 V U1 = 3 3 I1 = IN = 90 A = arccos0.8 = 36.87o