第6章：三相同步电动机
第六章-同步发电机
同步电机知识点（整理：王子铟、包振）1.同步电机概述：主要用于发电机，也可用于电动机，其定子结构与异步电机相同，区别主要在转子侧。
同步电机的转子装有磁极，通入直流电流励磁，具有确定的极性。
“同步”的体现：转子旋转的速度必须严格和定子磁场同步。
2.同步电机的转速与负载的大小无关，计算公式为pfn 60=，当同步电机并入无穷大电网时，其转速固定，无法通过各类调节来改变。
3.同步电机的结构和分类：同步电机有旋转电枢式（磁极装在定子上，用于小容量同步电机中）和旋转磁极式（磁极装在转子上，为大中型同步电机的基本形式）两种，主要以旋转磁极式为主。
旋转磁极式同步电机又分为隐极式和凸极式两种隐极式电机的代表：汽轮发电机；凸极式代表：水轮发电机。
4.同步发电机的额定值①额定电压UN （V 、kV ）：额定运行时定子三相绕组上的线电压。
②额定电流IN （A 、kA ）：额定运行时流过定子绕组的线电流。
③额定功率因数cos φN:额定运行时输出有功功率和视在功率比值。
④额定效率ηN ：额定运行时的效率⑤额定容量S N =NN I U 3对发电机是出线端额定视在功率，单位为VA ，kVA 或MVA 对调相机是出线端额定无功功率，单位为var ，kvar 或Mvar ⑥额定功率P N对发电机是额定输出有功电功率P N =S N cos ϕN =N N I U 3cos ϕN对电动机是轴上输出额定机械功率P N =S N cos ϕN ηN =N N I U 3cos ϕN ηN5.同步发电机的空载运行（1）过程建立：转子励磁绕组通以直流励磁电流→形成静止磁场→转子由原动机拖动以同步转速旋转→静止磁场跟随转子一起转动，形成运动的磁场→交变的磁场在定子的三相对称绕组中感应出电动势。
因为定子电枢绕组开路，电枢电流为零，磁场全部由转子电流建立，因此漏磁通仅与转子励磁绕组交链。
感应电动势的计算：若主磁场B0在气隙中正弦分布，且以同步速n1旋转，则在定子绕组中产生对称三相电动势：︒∙︒∙︒∙∠=∠=∠=240,120,0000000E E E E E E C B A 有效值：0111044.4φN k N f E =(601pn f =)隐极机的励磁磁动势是矩形波，凸极机的励磁磁动势是阶梯波。
电机学第五版课件汤蕴璆编著 第6章3同步发电机的电压方程、相量图和等效电路
X
E
0
0
～
E
E
I
U
E
I Ra jI X
s
0
U
a
E E0 E
I
7
E U I R a jX
电机学
隐极同步发电机 相量图的求解方法
d
已知：U, I, φ, Ra, Xs 求：E0, δ
E
0
c
0
U
I Ra
jI X
s
I
为了确定 ψ0，画出相量图，定义一个虚拟电动势： 与E0同相
d
EQ E0 j I
X
d
d
X
q
q
jI
d
d
X
d
X
q
U I Ra j I
X
d
jI
d
X
q
jI
X
d
X
q
E
U
E
Q
0
U I Ra j I q I
：
A
0
d
q
隐
11
极
凸
极
电机学
凸极同步发电机的电枢磁场
ψ0=90°
d轴 Fad Bad1 Bad Baq1 ψ0=0° q轴
电机学第六章同步电机
交流主励磁机（100Hz）
～
自励 恒压器
可控 整流器
～
不可控 整流器
主发电机 ～
电流互感器
电压互感器
静止整流器励磁
电压 调整器
优点：运行、维护方便，没有直流励磁机，使励磁容量得以提高，因而在大 容量汽轮发电机 中得到了广泛的应用。
缺点：存在电刷、集电环的滑动接触（薄弱环节）。
• 自励式 主发电机发出的功率经静止整流器整流为直流，然后通过电刷和集电环通入到主发电机的励磁 绕组中。
当ψ角为不同值的电枢反应
Ψ=00 Ψ=900 Ψ=-900 00<Ψ<900 -900<Ψ<00
位置 q轴 d轴 d轴 d、q轴 d、q轴
电枢反应性质 交轴
直、去 直、增 交、直去 交、直增
负载性质 R L C
R、L R、C
励磁磁动势和电枢磁动势的区别
基波波形
幅值大小
位置
转速
励磁 磁动势
正弦波
恒定，由励磁电流决 由转子位置决定 由原动机的转速
Z
N
ns S
B
X
Fa
Y n s A相轴线 C Faq
电流超前电动势的向量图
FaqFacoψs 交磁
Fad Fa sin ψ 与Ff同 向，对 d轴磁场有加 强作用称之为助磁。
直轴电枢反应的影响 • 电机单机运行时，直轴电枢反应将直接影响端电压的大小。去磁时，端电压降低；助磁时 端电压升高。
• 并网运行时，直轴电枢反应影响电机输出的无功功率。
D2 5 ~ 7 L2
• 励磁绕组为集中绕组
• 立式结构
• 阻尼绕组
水轮发电机的转子结构
三相同步电动机原理
三相同步电动机原理
一、旋转磁场的产生
二、转子磁场的同步
三相同步电机的转子是由永磁体或电磁绕组组成的。
当转子在三相旋转磁场的作用下转动时，转子磁场会受到旋转磁场的作用而同步运动，形成转子磁场与旋转磁场之间的相对运动。
这种相对运动使得转子受到一个大小和方向与旋转磁场相对应的力矩作用，从而实现了同步转动。
三、同步转动的稳定
为了使三相同步电机能够稳定地同步转动，必须满足电动机的电磁回路和机械特性之间的匹配条件。
其中包括电磁回路的阻抗与电源电压的匹配、电磁回路的漏电感与电源频率的匹配、转子磁场的强度与旋转磁场的强度的匹配等。
只有满足这些匹配条件，电机才能实现稳定的同步转动。
四、调速控制
五、应用领域
总结起来，三相同步电机通过旋转磁场与转子磁场之间的相对运动实现同步转动。
它具有转速稳定、运行平稳和可靠性高的特点，广泛应用于工业自动化系统中。
掌握三相同步电机的原理对于了解和应用这种电机具有重要意义。
三相同步发电机工作原理
三相同步发电机工作原理
三相同步发电机是一种将机械能转化为电能的设备。
它基本上由转子和定子两部分组成。
转子是旋转部分，通常由强磁性材料制成，如永磁体或电磁体。
转子上的磁极与定子上的磁极相匹配，以产生磁场。
定子是静止部分，通常由绕组和磁极组成。
绕组通常是由绝缘电线绕成的线圈，每个线圈代表一个相位。
在三相同步发电机中，一共有三个线圈，分别对应三个相位。
工作原理如下：
1. 初始状态下，转子上的磁极和定子上的磁极相互吸引，使得转子开始旋转。
2. 当转子旋转时，转子上的磁极经过定子绕组时，会在绕组中产生电流。
3. 根据法拉第电磁感应定律，当电流通过定子绕组时，会产生一个磁场，该磁场与转子上的磁场相互作用，产生一个力矩，将转子继续推动。
4. 因为绕组被划分为三个相位，所以当转子旋转时，三个相位的绕组会分别产生电流。
这三个相位的电流之间存在120度的相位差，这使得输出的电流是三相交流电。
5. 通过适当的连接方式，可以将输出的三相交流电进行整流和变压处理，以满足各种应用的电能需求。
总体而言，三相同步发电机的工作原理是利用磁场相互作用和电磁感应的原理，将机械能转化为电能输出。
三相同步电动机工作原理
三相同步电动机工作原理
三相同步电动机是电动机的一种，具有结构简单、运转稳定等优点，
广泛应用于各种工业生产中。
三相同步电动机的工作原理是怎样的呢？下面我们来一一讲解。
第一部分：电机结构
三相同步电动机由定子、转子和开关器件组成。
定子上绕有三个相间120 度的交流电绕组，称为 A、B、C 相绕组。
转子上有凸极，凸极数
目等于定子相数，且与定子相间距离相等。
开关器件是为了控制转子磁极与定子磁场相位同步，使电机正常运转。
当定子绕组通电时，形成旋转磁场，因转子凸极数目与定子相数相等，所以转子凸极必定被旋转磁场捕捉，形成同步转速的转子转矩。
第二部分：工作原理
三相同步电动机工作原理是基于电磁感应定理，通过定子的三绕组中
流过三相电流，会形成旋转磁场，旋转磁场与转子中的凸极作用，产
生匹配的电磁力使得电机正常运转。
通过这样的工作原理，电机产生的转矩可以通过调整定子中的电流大
小和相位，以及改变转子中凸极磁场分布来调整。
当所输入的电流频
率与电机自身同步电动机频率相等时，电机会保持同步，稳定地运行。
第三部分：适用范围
三相同步电动机适用于各种场合，特别是适用于高功率电机和需要精
确控制设备的应用。
例如矿山、造纸、钢铁等工业生产领域。
另外，三相同步电动机还常常用于水泵载荷、压缩机负载和静止负载
等轴加载有严格的要求的应用。
总结
以上就是三相同步电动机的工作原理。
通过定子的电流产生旋转磁场，通过转子的凸极产生匹配的磁场，从而使得电机持续转动。
我们可以
根据需要调整电流和相位，使电机保持正常的旋转速度。
电机学答案第6章《同步电机》
第六章 同步电机6．1 同步电机和异步电机在结构上有哪些区别？同步电机：转子直流励磁，产生主磁场，包括隐极和凸极异步电机：转子隐极，是对称绕组，短路，绕组是闭合的，定子两者都一样。
6．2 什么叫同步电机？怎样由其极数决定它的转速？试问75r/min 、50Hz 的电机是几极的？同步电机：频率与电机转速之比为恒定的交流电机601f pn =，16060507540f n P ⨯===（极）6．3 为什么现代的大容量同步电机都做成旋转磁极式？∵励磁绕组电流相对较小，电压低，放在转子上引出较为方便，而电枢绕组电压高 ，电流大，放在转子上使结构复杂，引出不方便，故大容量电机将电枢绕组作为定子，磁极作为转子，称为旋转磁极式。
6．4汽轮发电机和水轮发电机的主要结构特点是什么？为什么有这样的特点？气轮发电机：转速高，一般为一对极，min 3000r n =，考虑到转子受离心力的作用，为很好的固定励磁绕组，转子作成细而长的圆柱形，且为隐极式结构。
转子铁心一般由高机械强度和磁导率较高的合金钢锻成器与转轴做成一个整体，铁心上开槽，放同心式励磁绕组。
水轮发电机：n 低，2P 较多，直径大，扁平形，且为立式结构，为使转子结构和加工工艺简单，转子为凸极式，励磁绕组是集中绕组，套在磁极上，磁极的极靴行装有阻尼绕组。
6．6 为什么水轮发电机要用阻尼绕组，而汽轮发电机却可以不用？水轮发电机一般为凸极结构，为使转子产生异步转矩，即能异步起动，加阻尼绕组。
汽轮发电机一般为隐极结构，它起动时的原理与异步机相同，∴不必加起动绕组。
6．7 一台转枢式三相同步发电机，电枢以转速n 逆时针方向旋转，对称负载运行时，电枢反应磁动势对电枢的转速和转向如何？对定子的转速又是多少？对电枢的转速为n ，为定子的转速为0，方向为顺时针。
原因是：要想产生平均转矩，励磁磁势与电枢反应磁势必然相对静止，而现在励磁磁势不变。
∴电枢反应磁势对定子也是相对静止的，而转子逆时针转，∴它必须顺时针转，方能在空间静止。
三相同步电机
5
应用领域
应用领域
永磁同步电机(PMSM)
永磁同步电机广泛应用于以下领域 电动汽车和混合动力汽车：由于其高效节能和调速 性能，适合用作动力源 工业自动化：用于高精度、高效率的生产线驱动 风机和水泵：在节能和宽范围调速方面具有优势 医疗器械和高精度仪器：需要高精度控制和低噪音 的环境
三相异步电机(ASM)
4
性能特点
性能特点
永磁同步电机(PMSM)
永磁同步电机具有以下性能特点 高效节能：由于转子上嵌有永磁体，无需励磁电流 ，因此电机效率高，特别是低速时 调速性能：通过控制定子绕组中的电流，可以实现 宽范围、高精度的调速 体积小、重量轻：由于采用永磁体，电机的体积和 重量相对较小 高温适应性：由于没有励磁电流产生的热量，电机 在高温环境下也能保持稳定运行
性能特点
三相异步电机(ASM)
三相异步电机具有以下性能特点
结构简单、维护方便：由于结构简单，制造成本较 低，且维护方便
宽广的调速范围：通过调节电源频率或使用变频器 ，可以实现宽范围、高精度的调速
较高的启动转矩：在启动时，具有较高的启动转矩 ，适用于需要重载启动的场合
环境适应性：由于结构简单，对环境适应性较强。 但在高温环境下，效率PMSM)
永磁同步电机的工作 原理基于磁场同步控 制。转子上的永磁体 产生一个恒定的磁场 ，与定子绕组中的电 流相互作用，产生力 矩。通过控制定子绕 组中的电流，可以精 确控制电机的转速和 转矩
工作原理
工作原理
三相异步电机(ASM)
三相异步电机的工作原理基于磁场异步控制 。定子绕组中的电流产生一个旋转磁场，与 转子上的励磁绕组相互作用，产生力矩。电 机的转速略低于旋转磁场的转速，这是因为 转子上的励磁绕组与电源同步，而电枢绕组 与电源频率不同步
电机第liu章习题答案
第六章 同步电机
5. 同步发电机与无穷大电网并联运行，过励时向电网输出 感性无功功率，欠励时向电网输出容性无功功率。
6. 一台汽轮发电机并联于无穷大电网运行，欲增加有功功 率输出，应增大进汽量，欲增加感性无功功率输出，应增加励 磁电流。（填如何调节）
7. 汽轮发电机气隙增稳定性能增加。
第六章 同步电机
（三）选择题：
1. 同步发电机带容性负载时，其调整特性是一条：（ ③ ） ① 上升的曲线； ② 水平直线； ③ 下降的曲线。
2. 同步发电机的V形曲线在其欠励时有一不稳定区域，而 对同步电动机的V形曲线，这一不稳定区应该在（ ③ ）区域。
① If>If0；
② If=If0；
③ If<If0。
3. 同步发电机过励运行较欠励运行稳定，满载运行较轻载 运行稳定。（ × ）
4. 同步发电机采用准同期法并车，当其他条件已满足，只 有频率不同时，调节发电机的转速，使其频率与电网频率相等 时，合上并联开关，即可并车成功。（ × ）
5. 汽轮同步发电机与无穷大电网并联运行，只调节气门开 度，既可改变有功功率又可改变无功功率输出。（ √ ）
3. 工作于过励状态的同步调相机，其电枢反应主要是： （②）
① 交轴电枢反应；
② 去磁的直轴电枢反应；
③ 增磁的直轴电枢反应。
第六章 同步电机
4. 与无穷大容量电网并联运行的同步发电机，过励时欲增 加励磁电流，则（ ② ）。
① 发出的容性无功功率增加，功角减小；
② 发出的感性无功功率增加，功角减小；
6.16 一台50MW，13.8kV，Y联结，cosφ= 0.8（滞后）的 水轮发电机并联于一无穷大电网上，其参数Ra≈0，Xd*=1.15， Xq*=0.7，不计饱和的影响，试求：当输出功率为10000kW， cosφ= 1.0时发电机的励磁电动势E0*及功角δ；（2）若保持此 输入有功功率不变，当发电机失去励磁时的δ，此时发电机还 能稳定运行吗？ （答案）
三相同步发电机的组成及工作原理
三相同步发电机的组成及工作原理三相同步发电机是一种将机械能转换为电能的装置，它由主枢绕组、励磁绕组和磁电枢构成。
在三相同步发电机中，主枢绕组和励磁绕组是通过旋转的转子以同步速度与电网同步运行的，利用电网的磁场感应产生电势，从而发电。
主枢绕组是发电机的发电部分，它由若干个线圈组成，线圈的数量根据具体的设计要求和功率大小而定。
这些线圈分布在整个转子上，通过转子的旋转与磁电枢的磁场相互作用，产生感应电动势。
每个线圈都与电网的一个相位相连，通过线圈的电流形成旋转的磁场，从而与电网同步运行。
励磁绕组是发电机的励磁部分，它用于产生磁场，以驱动主枢绕组产生电压。
励磁绕组一般由直流电源供电，电源通过励磁线圈产生磁场，使得转子产生感应电势。
励磁绕组的电流大小和方向决定了转子的磁场强度和极性，进而决定了发电机的输出电压。
磁电枢是发电机的静止部分，它由一组磁钢片组成，磁钢片之间通过绝缘材料隔开。
磁电枢的作用是固定主枢绕组，使其能够旋转。
磁电枢的磁场与主枢绕组的磁场相互作用，产生感应电势。
磁电枢由于静止不动，所以也被称为静磁枢。
1.励磁绕组通电：通电后，励磁绕组产生磁场，使得转子的磁电枢也产生磁场。
2.转子旋转：由于机械的旋转驱动，转子开始旋转。
3.主枢绕组感应：转子的磁场与主枢绕组的磁场相互作用，产生感应电势。
这种感应电势是由转子的旋转和励磁绕组的磁场共同决定的。
4.输出三相交流电：主枢绕组的每个线圈与电网的一个相位相连，通过线圈中的电流形成的旋转磁场产生三相交流电。
5.与电网同步运行：主枢绕组产生的交流电与电网的频率和相位一致，使发电机与电网同步运行。
通过上述步骤，三相同步发电机能够将机械能转化为电能，将电能输出到电网中供应给用户使用。
三相同步发电机具有体积小、效率高、功率稳定等优点，在电力系统中起着重要的作用。
第六章 同步电机
电枢反应：电枢磁动势对主极磁场的影响。 电枢反应除使气隙磁场发生畸变，从而直接关 联到机电能量转换外，还有去磁或增磁作用， 对同步电机的运行性能产生重要的影响。同步 电动机的励磁系统分为直流发电机励磁系统和 半导体 励磁系统。 电枢反应的性质取决与电枢磁动势和主磁场在 空间的相对位置。分析表明，这一相对位置与 激磁电动势
即
P M
m ax
UE 0 m Xs
它正比于E0（即励磁电流）,反比于同步电 抗。从功角特性可以决定电磁转矩与功角 之间的关系，由此可以得出相应的电磁 转矩，为 mUE 0 PM T s in 1 1 X s 式 中 ， 单 位 是 W； 单 位 是 rad/s； 单 位 是 N· m。
PM mUI a cos muI a cos( ) mUI a cos cos mUI a sin sin
从图得：
U sin I a X s cos
E0 U cos I a X s sin
U sin I a cos Xs 所以有 E 0 U cos I a sin Xs
6.1.3 冷却问题简述 ： 在中、小型电机中，都采用空气作为冷却介质。 当电机的容量很大时，电机内部的损耗及发热 量迅速增加，冷却问题显得格外重要，此时必 须加强通风或采用其他的冷却方式。 1）在大型汽轮发电机中，为了提高其冷却效 率，往往用氢气冷却，是氢气与空气混合后， 有爆炸危险，必须有一套控制设备来保证外界 空气不会渗入到电机内部。 目前在更大容量的发电机中，可以采用导线内 部直接冷却。例如采用空心导体（如图），冷 却介质直接在导体中流通而把热量带走，这样 能更有效地降低电机的温升。所采用的冷却介 质一般有氢气 及水等。
简述三相同步电动机的工作原理
简述三相同步电动机的工作原理一、前言三相同步电动机是一种广泛应用于工业生产中的电动机，其具有结构简单、运行可靠、效率高等优点。
本文将对三相同步电动机的工作原理进行详细介绍，包括其基本构造、磁场转速和运行特性等方面。
二、基本构造三相同步电动机的基本构造包括定子和转子两部分。
其中定子由三个互相120度的定子绕组组成，每个定子绕组上都有一个交流电源接入。
转子则由永磁体或电枢组成，其轴线与定子轴线重合。
三、磁场转速当三个交流电源接通后，会在每个定子绕组内产生一个旋转磁场。
这些旋转磁场之间存在一定的差异，导致在转子内也会产生旋转磁场。
当这个旋转磁场与永磁体或电枢内部的磁场达到同步时，就会出现稳态运行状态。
此时，由于旋转磁场的速度与定子绕组内交流电源频率相关，因此称为“同步速度”。
而永磁体或电枢内部的旋转速度也随之同步，称为“磁场转速”。
三、运行特性三相同步电动机的运行特性主要包括启动、稳态和失速三个阶段。
1. 启动阶段在启动阶段，由于转子内部的磁场速度低于同步速度，因此会出现滑差。
此时，电机无法实现同步运转，需要通过外界力矩作用使其加速到同步速度。
2. 稳态阶段当电机达到同步速度后，就会进入稳态运行阶段。
此时，电机的输出功率与输入功率相等，且转矩恒定。
由于其结构简单、效率高等优点，在工业生产中得到广泛应用。
3. 失速阶段在失速阶段，由于外界因素的影响或负载变化等原因导致转子内部的磁场无法与旋转磁场达到同步状态。
此时电机无法继续正常运行，并出现振荡或停止等现象。
四、总结三相同步电动机是一种广泛应用于工业生产中的电动机。
其基本构造包括定子和转子两部分，当交流电源接通后会在定子绕组内产生旋转磁场，从而驱动转子旋转。
在运行过程中，电机会出现启动、稳态和失速三个阶段。
由于其结构简单、效率高等优点，三相同步电动机在工业生产中得到广泛应用。
同步电机(第六章)
列出电压方程：
E 0 E ad E aq U I Ra j I X
Fad Fa sin 0 Faq Fa cos 0
I f Ff 0 E 0
I
Id
Fad ad E ad Faq aq E aq
U E I ( Ra jX )
Ea a Fa I
所以：
Ea j I Xa
Xa是电枢反应磁通相应的电抗，称为电枢反应电抗。 （电枢电流产生电枢反应磁场，在定子每相绕组中感应 电势可以表示为电枢绕组相电流与电枢反应电抗的乘积） 所以：
E 0 U E a I ( Ra jX ) U I Ra jI ( X X a ) U I Ra j I X s
(3) 灯泡贯流式水轮发电机
(4)转子结构
10000kw水轮机转子
凸极极通常有卧式和立式两种结构，通常同步电动机、 同步补偿机、内燃机和冲击式水轮机拖动同步发电机采用 卧式结构，而大型水轮发电机采用立式结构，立式水轮发 电机的推力轴承是关键部件。
除了转子励磁绕组，通常在转子上还装有阻尼绕组。 起抑制转子转速的作用。在同步电动机和补偿机中，主要
汽轮发电机一般采用细长结构
（国产200MW汽轮发电机）
（国产600MW汽轮发电机）
Stator of Turbo-dynamo with 330MW Made in China （国产330MW汽轮发电机）
Stator Core of Turbo-dynamo with 330MW Made in China （国产330MW汽轮发电机定子铁心）
华中科技大学 电机学 第六章 同步电机 ppt
求解方法：先求合成磁势（折算到励磁磁势） F Ff 1 Fa ，
E ( E0 Ea )
再利用空载特性（磁化曲线）求 E
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四、凸极同步发电机的负载运行
1.不计饱和
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与隐极同步电机相似，可以得到一相等效电路为：
?dddffi?i?fi?ffddde?f??e?e电气工程与自动化学院28daqaee?e?e?e?e?u?ir???电动势平衡方程式adfdff1f磁动势平衡方程式adaqqfi??i?aqaqe??e??63同步电机的基本运行特性?空载特性?短路特性?零功率因数负载特性电气工程与自动化学院29?同步发电机稳态参数的计算与测定方法?外特性及电压调整率?xdxq的低转差测试法一空载特性ia0nnn时u0fif曲线fifi相似相似和和电气工程与自动化学院300f二短路特性nnnu0三相稳态短路时短路电流ik与与励磁电流if的关系ikfif电气工程与自动化学院31fadfaifeifff?fad?iifi即ikfif是直线三零功率因数负载特性负载特性ufif
2）原理：在If＝0时，E0=0
Ra≈0
电枢磁场轴线与 Iq＝0, Id＝ I 转子直轴重合
n≠n1
电枢磁场轴线与 转子交轴重合 Id＝0, Iq＝ I
不同时刻，Xd > Xq,
Id < Iq
因为此时外加电压U 很小，磁路不饱和， 此法测得的Xd、Xq为不饱和值。
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6.4 同步发电机的并联运行
而定子绕组开路时的运行工况。
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12
1. 空载感应电动势的大小与频率
三相永磁同步电机原理
三相永磁同步电机原理一、引言三相永磁同步电机（PMSM）是一种高效、环保的电机，广泛应用于工业自动化、新能源汽车、风力发电等领域。
其具有高转矩密度、高效率、高可靠性等优点，是现代电机控制技术的重要发展方向之一。
本文将对三相永磁同步电机的原理、结构、数学模型、控制策略等方面进行详细介绍。
二、三相永磁同步电机结构和工作原理三相永磁同步电机主要由定子和转子两部分组成。
定子部分包括三相绕组、铁芯等，转子部分则由永磁体构成。
其工作原理基于磁阻最小原理，即磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合。
当电机运行时，转子永磁体产生的磁场与定子绕组产生相互作用，从而使电机旋转。
三相永磁同步电机的旋转速度与电源频率成正比，其转矩与电流和磁通之间的相位差成正比。
通过控制定子电流的相位和幅值，可以实现对电机的速度和转矩的精确控制。
三、数学模型与动态分析为了更好地分析和控制三相永磁同步电机，需要建立其数学模型。
其数学模型主要包括电压方程、电流方程、磁链方程等。
通过这些方程，可以描述电机的动态行为，为进一步的控制策略提供基础。
四、控制策略与调速系统控制策略是三相永磁同步电机的重要组成部分，直接影响其性能和运行稳定性。
目前常用的控制策略包括矢量控制、直接转矩控制等。
这些控制策略可以根据电机的运行状态和需求，对电机的输入电压、电流等进行调节，从而实现高精度的速度和转矩控制。
调速系统是实现电机速度调节的关键部分，其主要作用是根据控制策略对电机的输入电压、电流等进行调节，以达到所需的转速和转矩。
调速系统的性能直接影响到电机的性能和运行稳定性。
目前常用的调速系统包括电压调节器、电流调节器等。
这些调节器可以根据控制策略的要求，对电机的输入电压、电流等进行调节，从而实现对电机的速度和转矩的精确控制。
五、技术挑战与发展趋势尽管三相永磁同步电机具有许多优点，但在实际应用中也面临着一些技术挑战，例如温度对电机性能的影响、电机弱磁扩速等问题。
为了克服这些挑战，需要进一步研究和改进电机的设计、制造和控制技术。
电机与拖动大学课程 第六章 同步电机
Fa
a
Ea
F E
Ff
1
F
E
Fa
感应电动势的正方向与产生它的磁通 的正方向不符合右手螺旋关系。与电 流方向相反，为反电势。
E0 j4.44 f1N1kw10 Ea j4.44 f1N1kw1a
对吗？
E j4.44 f1N1kw1
E j4.44 f1N1kw1
为便于分析，假设磁路不饱和，不考虑铁耗，转子为隐极，则电
Ea与
a
符合左手螺旋关系，Ea超前
90
a
度电角度，即超前 I 90度电角度。
Fa
a
Ea
I
Ea jIa X a
Xa为电枢反应电抗，相当于感应电机的励磁电抗，当磁路不饱和
气隙磁动势是由电枢磁动势与励磁磁动势的合成，当电机为隐极， 气隙均匀，若不计饱和，可根据气隙磁动势求出气隙磁场的分布。F HB0H0F
当电机为凸极，气隙不均匀，无法用解析表达式来求解。双反应理 论应运而生。
利用合成磁动势的方法走不通，在不计磁路饱和的情况下，先把 交直轴电枢磁动势及励磁磁动势各自形成的磁场分布求出来，然后 把我们所关心的基波磁场的效果进行叠加。这种分别计算交轴和直 轴电枢反应的方法，就是双反应理论。
(5)额定转速nN 是指同步电机的同步转速，单位r/min (6)额定效率ηN 额定运行时的效率 (7)额定功率因数cosφN 额定运行时的同步电机的功率因数
对于三相同步发电机：
PN SN cosN 3UN IN cosN
对于三相同步发电机：
PN 3UN INN cosN
§6-2 同步电机的电枢反应
这种负载时电枢电动势对主极基波磁场的影响称为电枢反应。
电枢反应与电流的大小、主磁路的饱和程度有关，与电枢磁动势与 励磁磁动势在空间中的相对位置有关，还与转子结构有关。
第六章学习指南
第六章学习指南熊永前一、内容及要求同步电机的结构型式，励磁方式，冷却方式、额定值。
同步电机的运行原理。
同步电机的电枢反应，隐极同步发电机的负载运行。
凸极同步电机的负载运行。
同步发电机的空载特性，零功率因数负载特性，短路比，外特性。
稳态参数的测定。
投入并联运行的条件和方法。
同步发电机的功率和转矩平衡方程式。
同步发电机的功角特性。
同步发电机与大电网并联运行时有功功率的调节和静态稳定。
无功功率的调节和V形曲线。
同步电动机的基本方程式矢量图和功角特性，无功功率的调节，同步电动机起动方法，同步调相机。
同步发电机不对称运行时的各相序阻抗和等效电路，三相同步发电机的不对称稳定短路。
不对称运行对电机的影响。
1.了解同步电机的主要结构型式及其应用特点、励磁方式和冷却方式；掌握同步电机的额定值。
2.了解同步发电机空载运行的原理，掌握空载运行时的时空矢量图。
掌握同步电机电枢反应的特点。
了解双反应理论。
3.掌握隐极和凸极同步发电机负载运行时的方程式和相量图以及同步电抗等参数。
掌握不饱和时同步发电机的计算。
4.掌握同步发电机各特性的原理和方法。
掌握利用各特性测量有关参数的方法。
掌握低转差法测量同步电抗的原理和方法。
5.掌握并联运行的条件，并网的方法。
掌握同步发电机的功率平衡和转矩平衡，功角特性。
掌握静态稳定，有功调节和无功调节的方法。
6.了解同步电动机的基本电磁关系。
了解同步电动机的起动和调速方法。
掌握同步调相机的原理和特点。
7.掌握各相序阻抗的物理概念极其大小关系，了解不对称稳定短路的分析方法，掌握稳定短路电流大小，了解负序和零序参数的测量方法，了解不对称运行的影响。
二、学习指导同步电机的一个基本特点是电枢电流的频率与转速之间的严格关系。
汽轮发电机由于转速高和容量大等特点必须采用隐极结构且转子直径不能太大，各零部件机械强度要求高。
水轮发电机则由于水轮机多为立式低转速，因此一般采用凸极结构，且极数很多，直径较大。
在分析同步电机内部的物理情况时，电枢反应占有重要地位。
第6章 同步电机
即
1.功率方程和电磁功率
由图6—27可见 故同步电机的电磁功率亦可写成
上式的第一部分与感应电机的电磁功率 表达式相同，第二部分则是同步电机常用的。 对于隐极同步电机，由于EQ＝E0，故有
图6-27 从相量图导出 Ecosψ=Ucosφ+IRa
2.转矩方程
把功率方程(6—18)除以同步角速度，可得转矩方程
和 E 可以用相应的负电抗压降来表示 E ad aq
（6-15） 式中，Xad和Xaq分别称为直轴电枢反应电抗和交轴电枢反应电抗，将 I I ，可得 式(6-15)代入式(6-13)，并考虑I
d q
式中，Xd和Xq分别称为直轴同步电抗和交轴同步电抗，它们是表征对 称稳态运行时电枢漏磁和直轴或交轴电枢反应的一个综合参数。上式就 是凸极同步发电机的电压方程。图6-20表示与上式相对应的相量图。
1.不考虑磁饱和
采用发电机惯例，以输出电流作为电枢电流的正方向时，电枢的电压 方程为 (6—6) 因为电枢反应电动势Ea正比于电枢反应磁通Φa，不计磁饱和时，Φa 又正比于电枢磁动势Fa和电枢电流I，即
与I 滞后于 Φ 以90°电角度，若不计定子铁耗,Φ 在时间相位上， E a a a 以90°电角度，于是亦可写成负电抗压降的 同相位，则 E 将滞后于 I a 形式，即
1.双反应理论
图6-19 凸极同步电机的气隙比磁导和直轴、交轴电枢反应 a)电枢表面不同位置处的气隙比磁导 b)直轴电枢磁动势所产生的直轴 电枢反应 c)交轴电枢磁动势所产生的交轴电枢反应
2.不考虑磁饱和时凸极同步发电机的电压方程和相 量图
不考虑磁饱和时同步发电机负载运行时物理量的关系：
If
第六章 三相同步电机
可见，在同步电动机中，励磁磁势F0、 电枢磁势Fa和合成磁势F在空间的相对位置 如图（a）所示。 F0的方向是由S极指向N极的。Fa超前 于F0，使得F也超前于F0θ角。 它们在以同步转速旋转时，励磁磁势 F0和合成磁势F将分别在定子每相绕组中产 生励磁电动势E0和合成电动势E1。 当F转到U相绕组时，U相绕组中的合 成电动势达到最大值，转子再转过θ角时， 励磁电动势E0达到最大值。
若图（a）中，用外面的一对N极和S极 代表旋转磁场，只要旋转磁场的极对数与 转子磁极的极对数相同，按照磁极间同性 相斥，异性相吸的原理，会产生电磁转矩， 旋转磁场会牵引着转子磁极以相同的转速 旋转。所以，同步电动机的转子转速与旋 转磁场的转速相同，即 n=n0=60f1/p 这就是“同步”名称的来历。
如大型同步发电机的励磁电流可达数 千安，通过电刷和滑环引入转子励磁绕组 有困难，所以可以采用这种励磁方式。 3．主要种类 同步电机按相数的不同，可分为单相 同步电机和三相同步电机。 按能量转换的不同，可分为同步电动 机和同步发电机。 按转子结构的不同，可分为隐极式和 凸极式。
隐极式转子如图（a）所示。铁心成圆 柱形，其上开槽，槽内嵌放励磁绕组。它 与定子铁心之间的气隙较均匀。 凸极式转子如图（b）所示。励磁绕组 集中绕在两磁极之间的铁心柱上，它与定 子铁心之间的气隙是不均匀的。 转子磁极的中心轴线称为纵轴或直轴， 相邻两磁极之间的轴线称为横轴或交轴。
（2）静止整流器励磁 这种励磁方式是将同轴的交流励磁机 （小型同步发电机）发出的交流电经静止 的整流器整流成直流电后，再供给同步发 电机作励磁电流。 （3）旋转整流器励磁 这种励磁方式是将整流器装在同步电 机的转轴上，随同步电机一起旋转，将同 轴旋转的交流励磁发电机电枢输出的交流 电整流后，直接供给励磁绕组，这样可以 省去滑环和电刷等装置。
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（一）、异步起动法
在转子磁极的极掌上 装着类似于异步电动 机笼型绕组的起动绕 组，让同步电动机靠 异步转矩起动。
起动前，先将励磁绕 组经过电阻短接。
当电动机转速接近 亚同步转速(约 0．95n1)时，给转 子通入励磁电流， 将转子牵入同步。
电机拖动与控制
第6章 三相同步电机
6.1三相同步电机的概述
一.结构
同步电机的定子和三相异步机的定子完全一 样。同步电机的转子是磁极，按照其磁极结
构不同：可分为凸极式和隐极式两种。
二.励磁方式
供给同步电机励磁的直流电源及附属装置称为励磁系统。 1. 直流励磁机励磁：由小型直流发电机供电。 2. 静止的整流器励磁 电刷
6.2同步电动机工作原理
当同步电动机的定子三相 绕组通入三相交流电流时， 将产生旋转磁场，如果在 转子绕组内通入直流励磁 电流则形成固定的磁极。 根据磁极异性相吸原理， 这时转子磁极就会被旋转 磁场的磁极所吸引，而作 同步旋转，故称为同步电 动机。
同步电动机的转速为
n
பைடு நூலகம்
n1
60 f1 p
同步电动机的转速n恒等于同步转速。电源频率为50Hz，故 当p＝1时，n＝3000r／min，p=2，n＝1500r／min， p=3,n=1000r/min等。可见，同步电动机转子转速不随负载 而变化，其机械特性是一条水平直线，属于绝对硬特性。
交流励磁机→整流→直流电 集电环 励磁绕组。
3. 旋转的交流整流器励磁（无刷励磁） 交流励磁机→整流→直流电→励磁绕组。
三峡电站首台机组安装
三、同步电机的三种工作状态
1. 发电状态：原动力输入的机械功率通过电机内部的 电磁作用而转换为电功率输出。
2.电动状态：将电功率变为机械功率输出。
3.同步调相状态：转子上未带任何负载，则同步电机将 工作在同步调相机状态。此时，通过调节转子的直流励 磁，便可改变向电网输出无功功率的大小和性质。
三、同步电动机的功角特性
同步电动机的电磁功率等于定子绕组输入的电功率减 去定子铜损和铁芯损耗，即定子经气隙传递到转子上 的功率。
Pem P1 3U1I1 cos1
I1 cos1 E0 sin
T Pem 3U1E0 sin
1 1xs
T Pem 3U1E0 sin
1 1xs
当电源电压不变，励磁电流 也不变，则电磁转矩只与功 角有关，它们之间的关系称 为功角特性。
当θ ＝0时，T＝0，这表明合成磁场的轴线与转子主磁 场的轴线重合，不产生磁拉力，所以电磁转矩为零。 当θ ＝90°时，转矩达到最大值θ ＞90°时，会出现 “失步”现象，同步电动机不能正常工作。
I1 cos1 E0 sin 常数
增大励磁电流，E0变大，θ 减小，电动机功率因数角
减小。
（1）基准励磁状态：调节励磁电流至某值，恰使同步电 动机功率因电动机相当于纯电阻性负载。 （2）欠励磁状态:相当于感性负载。
（3）过励磁状态：相当于容性负载。同步补偿机
五、起动
在电流一个周期内，同 步电动机产生的平均起 动转矩为零。
电抠反应电势Ea与定子电流
I1成正比，在定子绕组中形 成电抗压降，可表示为
Ea j I1 xa
xa -定子磁场引起的电抗，称为电枢反应电抗。
U1 E0 I1r1 j I1(x xa ) E0 I1r1 jI1 xs
xs–同步电抗，xs≈xa
E1 E0 Ea
额定功角θ 一般为20°-30°，所以过载能力为
Tmax sin 90 2 ~ 2.9 TN sinN
四、同步电动机的功率因数调节
当外加三相交流电电压一定时,合成磁场基本为定值
当负载转矩不变时，同步电动机的输出功率不变， 则输入功率也基本不变。
I1 cos1 常数
可见，改变励磁电流引起I1改变时，功率因数也随之改变。
二、同步电动机的电路分析
同步电动机接至电网，电源电压=感应电动势+阻抗压降。
U1 =－E1+(r1 ＋ j X )I1
定子绕组中的感应电势E1是由合成磁场Ф (定子磁场
和转子主磁场Ф0)共同感应产生的，因此可分解为
E1 E0 Ea
E0 -转子主磁场Ф0在定子绕组中产生的电动势
Ea-定子磁场在定子绕组产生的电势，称电抠反应电势
（二）、变频起动法
起动时，首先给转子直流励磁，然后在定子三相绕组 上加低频交流电，低频旋转磁场可以拖动转子起动， 然后逐渐提高电源频率，将电机起动到要求转速为止。
这种方法耗能少，起动平稳 不足之处是需要一个变频电源，且励磁机必须是非同轴 的，否则在低速时，励磁机无法提供所需的励磁电流。
适用隐极式同步电机。对凸 极式，气隙分布不均匀，需 用双反应理论。
同步电动机的相量图
U1 E0 I1r1 j I1(x xa ) E0 I1r1 jI1 xs
简化相量图
U1 E1 E0 j I1 xs
U1与E0之间的相位角称为功角θ 。合成磁场滞后E1 90º，主磁场滞后(-E0) 90º，所以合成磁场与主磁 场之间的夹角也近似等于功角θ 。 可见功角还是合成磁场轴线与主磁场轴线的夹角。功 角既是时间角又是空间角，它是表示同步电机情况的 重要参数。