同步电机

注意，轴线关系是根据统一矢量重合的先后顺序定的，而物理量的
相位关系则是由它们在空间中的前后关系决定。
d
d
B
Z
与直流电机不同
发电机简化模型
B
Z
n1
S
X
N
C
Y
Ea 2E0 sin t Eb 2E0 sin(t 120o) Ec 2E0 sin(t 120o)
E0 ?
A E 04.44f1N 1kw 1 m
2
n1p 60
2
f1
当发电机端接上三相对称负载，
定子就有三相电流流通，发电机就
将轴上输入的机械能转换成电能向
这种负载时电枢磁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。
正方向的规定：
U & 与 I& 为关联参考方向；
电流与由其产生的磁动势符合右手
螺旋关系，磁动势与磁通方向相同。
F rf1 & 0E & 0
E& j 4 .4 4 f1 N 1k w1&
为便于分析，假设磁路不饱和，r 不考虑铁耗，转子为隐极，则电r
枢反应决定于电枢Βιβλιοθήκη Baidu动势基波F
在空间中的相对位置。
a
的大小及其与励磁磁动势基波F
f1
r 在时空矢量图中，电枢磁动势矢量F a
与产r 生它的电枢电流 I&
同相位，
而若不计铁耗，则基波励磁磁动势矢量F f 1 与励磁磁通 & 0 同相位，
主磁极铁心的构成
一般用作水轮发电 机，转速慢，极对 数多，轴短，电机 外径大。
三、同步机的额定值
(1) 额定容量SN和额定功率PN 额定容量SN是指同步发电机输出的额定视在功率，单位kVA或MVA PN是指输出的额定有功功率，对发电机而言是输出的额定有效电功 率，对电动机而言，是指轴上输出的有效机械功率。单位kW或MW (2)额定电压UN 额定运行时，加在定子绕组上的线电压，单位V或kV (3)额定电流IN 额定运行时，流过定子绕组的线电流，单位A (4)额定频率fN 额定运行时的频率，我国为50Hz。
但与旋转磁极所建立的磁动势在大小
C
Y
和相位上已不同。这种变化称为电枢
反应。
二、基本结构
定子、气隙、转子，一般都采用转极式。定子的结构和绕组形式 与感应电机定子基本一样。铁芯也是由硅钢片叠成。
定 子
转子有隐极式和凸极式两种。
隐极式是指转子磁极铁芯表面是个圆，气隙均匀，而凸极式，则气 隙不均匀。前者转子铁芯用整块合金钢锻造而成，适用于高转速的 汽轮发电机，轴长，电机外径小，转子励磁线圈匝数少，导线粗， 电流大。
而由励磁磁通产生的励磁电动势 E& 0 则超前90度电角度。
电枢电流与励磁电动势之间的相位差
就决定了电枢磁动势与励磁磁动势在空
间中的相对位置。
r Fa
r F f1
E& 0 I&
& 0
与直流电机相同，主磁极的轴线为直轴，称为d轴，与主磁极轴线 正交的轴线为交轴，称为q轴，一般来说，规定q轴滞后于d轴90度 电角度。
下好线的转子
大型汽轮发电机完工后的转子
为什么可以用整块钢而不是用硅钢片来用作转子铁芯？
电机稳定运行时，转子铁芯
中的主磁通不变。不会产生
涡流和磁滞损耗。
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Z
n1
S
X
A
N
C
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凸极同步电机的转子由主磁极、磁轭、励磁绕组、滑环和转轴构 成。通常在转子极靴槽内还嵌放阻尼绕组，阻尼绕组由槽内的铜 条和端部短路铜环焊接而成，防止运行中的振荡和用作起动绕组。
(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：
P N S N c o sN3 U N IN c o sN
对于三相同步电动机：
P N 3UNINNcosN
§6-2 同步电机的电枢反应
所谓电枢反应，就是电枢电流产生的磁动势对气隙中的主磁场 产生的影响。
负载时，对称三相电枢绕组中流过对称三相电流
r 圆形旋转的基波磁动势F a ，转向与转子磁极相同，转速为同步速
r
r
F a 会改r 变由r主磁极励磁磁动势F f 形成的气隙磁场的分布，气隙磁
场由F a 与的F 磁f 合场成不的同气，隙磁磁场动产势生建的立感，应与电转动子势励也磁不磁同动。势所产生
➢永磁同步电机不需励磁，没有励磁损耗，也不需从电网吸收无 功，效率和功率密度非常高，是一种非常有潜力的电机。
不足： 成本较高，难起动，存在失步问题，永磁存在失磁问题，电励磁 存在滑环和电刷，可靠性不如感应电机。
§6-1 基本工作原理和结构
一、基本工作原理 电动机简化模型
N
N
S
S
N
N
S
S
只有同步时才能产生平稳的电磁转矩，即正常运行时转 子处于同步转速。
r I&Fra
F
&a E&a & E&
感应电动势的正方向与产生它的磁通
r Frf1Fr & E& Fa
的正方向不符合右手螺旋关系。与电
流方向相反，为反电势。
E&0 j 4 .4 4 f1 N 1 k w1&0
E&a j 4 .4 4 f1 N 1k w1&a
对吗？
E& j 4 .4 4 f1 N 1k w1&
负载输出。
电枢
将机电能量转换的枢纽，称为电枢。与主磁极相对应。直流电机、 感应电机、同步电机不相同。
电枢电流在三相对称绕组中流通，
B
Z
会不会形成一个旋转磁场？转速
如何？转向如何？
n1
S
电枢产生的旋转磁动势与磁极的励
X
A 磁磁动势以相同的转速和转向旋转，
在空间中相对静止。可以合成。
N
合成气隙磁动势也是以同步速旋转，
第六章 同步电机
什么是同步电机？
同步是相对于异步而言，是指这种电机在正常工作时，电机的转 速始终保持同步速不变。而不是像异步电机一样，转速随负载的 变化而变化。
为什么要学习同步电机？
➢我们目前所用的电能，99%以上是同步发电机发出来的。 ➢电励磁的同步电机可以通过改变励磁来调节功率因数，可以运行 于功率因数为1的状态，甚至可以超前。
感应电动机增加负载以后，转速会下降，重新达到平衡。同步电动 机转速不下降，如何达到新的平衡？
电磁转矩的大小与两磁场夹角有关。
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真实的同步电动机，两个旋转磁场分别由真实的旋转磁极和三相对 称绕组中通入三相对称电流产生。即定子结构与感应电机完全一 致，转子磁极是由直流电励磁或永磁磁极。