第八章同步电动机.ppt
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同步电动机的主要额定数据为：
额定容量PN： 指电动机轴上输出的有功功率，单位：kW
额定电压UN： 指定子三相绕组上的线电压，单位：V；
额定电流IN： 指电动机额定运行时，流过定子绕组的线电流，
单位：A； 额定转速nN：
指电动机额定运行时的同步转速，单位：r/min；
额定数据
额定功率因数cosφN： 指电动机额定运行时的功率因数；
电枢反应
在电机的主磁路上有两个磁势，它们相互叠加， 形成了合成磁场。我们把电枢磁场对主磁场的影 响称为电枢反应。
电枢反应：指电枢磁场对主磁场的影响。
1、隐极同步电动机电压方程式和相量图
气隙中的合成磁势为：
F F F
合成磁势、主磁势和电枢磁势分别切割电枢绕组，则 在电枢绕组上分别产生感应电势为：
第七章 同步电动机
本章基本教学要求（以自学为主）
1.熟悉同步电动机的结构； 2.熟悉工作原理，理解电枢反应的物理意义； 和电压方程、相量图、功角特性 3.了解同步电动机的异步启动方法。 思考题：P260 7-1、7-2、补充题：同步电动机
起动方法有哪些？
同步电动机分类应用
1.分类
同步电机可分同步发电机、同步电动机和同步补偿 机。
额定频率fN： 指电动机额定运行规定的频率，单位：Hz
额定效率ηN： 指电动机额定运行时的效率；
额定励磁电压UfN： 指电动机额定运行时的励磁电压，单位：V
额定励磁电流IfN： 指电动机额定运行时的励磁电流，单位：A
4.1.2同步电动机的电压方程式和相量图
说明：
为了分析方便，假设电动机主磁路未饱和，认为 磁路是线性的，且只考虑定、转子的基波磁势。
凸极同步电动机转子有明显的磁极，气隙不均匀， 转子磁极中心线附近气隙最小，磁阻最小，磁导最 大；而在转子磁极几何中心线处气隙最大，磁阻最 大，磁导最小，所以磁通所走的路径不同，所遇的 磁阻不同，对应的电抗参数也就不同。
凸极同步电动机电枢反应磁势
凸极同步电动机电枢反应磁势
电枢反应
当定子电流I1产生的电枢磁势Fa与主磁极轴线重合， 气隙最小，磁阻最小，相应的电抗为最大；这时所 对应的电枢电抗称为电枢反应直轴电抗，用xad表示；
E E E
隐极同步电动机的电磁关系
I f
F
ห้องสมุดไป่ตู้
E
E
I
F
E
E
电枢一相绕组的电压方程式
U1 E1 Iar1 jIa x1 E0 Ea Iar1 jIa x1 E0 Ea jIa x1
式中r1为电枢绕组电阻，一般同步电动机容量都 较大，电阻r1很小，常忽略；x1为电枢漏电抗。
化简
由于同步电动机能量交换是在定子侧，所以将定 子称为电枢，定子绕组称为电枢绕组。
分析
当同步电动机的电枢绕组通入三相对称交流电后， 就会产生以同步转速n1旋转的三相合成基波电枢磁 势Fa。当同步电动机稳定运行时，转子也以同步转 速n1旋转，在励磁绕组中通入直流励磁电流If，使 转子形成固定磁极，励磁电流产生励磁磁势F0，励 磁磁势F0与电枢磁势Fa同速同方向旋转，彼此在空 间是相对静止的，这样在电机的主磁路上有两个磁 势，它们相互叠加，形成了合成磁场。
与直流机、异步电动机一样，同步电动机也是由 定子和转子两大部分组成。
1、定子
同步电动机的定子与异步电动机的定子结构基本 相同，由机座、定子铁芯、电枢绕组等组成。对 于大型同步电动机，由于尺寸太大，硅钢片常制 成扇形，然后对成圆形。
2、转子
由磁极、转轴、阻尼绕组、滑环、电刷等组成， 在电刷和滑环通入直流电励磁，产固定磁极。
2.应用
在现代电力系统中，几乎所有的电能是由同步发电 机生产的；同步电动机应用于大型生产机械的拖动 系统中，随着电力电子技术和计算机控制技术的不 断发展，变频调速在同步电动机的调速系统中的实 现，使同步电动机的应用场合大为扩大；同步补偿 机则是空载运行的同步电动机，用以改善电网的功 率因数。
7.1.1同步电动机的结构
F F F
同两理个，分对 量应 ，产 即生 ：电I枢1 磁势IdFa的I电q枢电流I1也可分解成
这种分析问题的方法是以叠加理论为基础的“双反应 法”。
根据“双反应法”，凸极同步电动机电磁关系如 下：
I f
F
E
I
F
E
E
I
E
I
F
E
E
直轴电枢磁势Fad和交轴电枢磁势Faq在气隙圆周 上同样以同步转速n1旋转，它们切割定子绕组在 其上产生的感应电势Ead和Eaq，正是电枢磁势Fa 在定子绕组上产生的感应电势Ea的两个分量，所
式中xc=x1+xa 为隐极同步电动机的同步电抗。
隐极同步电动机等值电路和相量图
分析
从相量图中可见，定子电流I1超前电源电压U1， 它可通过调节直流励磁电流使同步电动机工作在 这种状态，目的是使同步电动机在拖动负载的同 时，对电网呈容性，起电容补偿作用，以提高电 网的功率因数。
2、凸极同步电动机电压方程式和相量图
仿变压器或异步电动机中使用的将漏电抗电势写成漏 阻抗压降的方法，也可将电枢磁势Fa产生的电枢电势
Ea写成电抗压E 降的 形式jI ，x则有
式中xa为电枢电抗，或称电枢反应电抗，它对应于主 磁路，故xa>x1，一般有xa=(5~8)x1，这样上式可改写 成：
U E jI x jI x E jI x
当定子电流I1产生的电枢磁势Fa与主磁极轴线正交 时，气隙最大，磁阻最大，相应的电抗为小；这时 所对应的电枢电抗称为电枢反应交轴电抗，用xaq表 示；当电枢磁势位于直轴与交轴之间时，相应的气 隙、磁阻、和电枢反应电抗处于上面两种情况之间， 且随位置不同而变化。
为了解决电枢磁势Fa在不同位置时遇到不同气隙，其 磁阻计算困难的问题，可将电枢磁势分解成两个分量： 一个分量是直轴电枢磁势，用Fad表示，它作用在直 轴方向；另一个分量是交轴电枢磁势，用Faq表示， 它作用在交轴方向，则有：
根据容量大小和转速高低转子结构分凸极和隐极 两种。
凸极特点：气隙不均匀，有明显的磁极，转子铁 芯短粗，适用于转速低于1000r/min，极对数p≥3 的电动机。
隐极特点：气隙均匀，无明显的磁极，转子铁芯 长细，适用于转速高于1500r/min，极对数p≤2的 电动机。
同步电动机转子结构
3、额定数据
额定容量PN： 指电动机轴上输出的有功功率，单位：kW
额定电压UN： 指定子三相绕组上的线电压，单位：V；
额定电流IN： 指电动机额定运行时，流过定子绕组的线电流，
单位：A； 额定转速nN：
指电动机额定运行时的同步转速，单位：r/min；
额定数据
额定功率因数cosφN： 指电动机额定运行时的功率因数；
电枢反应
在电机的主磁路上有两个磁势，它们相互叠加， 形成了合成磁场。我们把电枢磁场对主磁场的影 响称为电枢反应。
电枢反应：指电枢磁场对主磁场的影响。
1、隐极同步电动机电压方程式和相量图
气隙中的合成磁势为：
F F F
合成磁势、主磁势和电枢磁势分别切割电枢绕组，则 在电枢绕组上分别产生感应电势为：
第七章 同步电动机
本章基本教学要求（以自学为主）
1.熟悉同步电动机的结构； 2.熟悉工作原理，理解电枢反应的物理意义； 和电压方程、相量图、功角特性 3.了解同步电动机的异步启动方法。 思考题：P260 7-1、7-2、补充题：同步电动机
起动方法有哪些？
同步电动机分类应用
1.分类
同步电机可分同步发电机、同步电动机和同步补偿 机。
额定频率fN： 指电动机额定运行规定的频率，单位：Hz
额定效率ηN： 指电动机额定运行时的效率；
额定励磁电压UfN： 指电动机额定运行时的励磁电压，单位：V
额定励磁电流IfN： 指电动机额定运行时的励磁电流，单位：A
4.1.2同步电动机的电压方程式和相量图
说明：
为了分析方便，假设电动机主磁路未饱和，认为 磁路是线性的，且只考虑定、转子的基波磁势。
凸极同步电动机转子有明显的磁极，气隙不均匀， 转子磁极中心线附近气隙最小，磁阻最小，磁导最 大；而在转子磁极几何中心线处气隙最大，磁阻最 大，磁导最小，所以磁通所走的路径不同，所遇的 磁阻不同，对应的电抗参数也就不同。
凸极同步电动机电枢反应磁势
凸极同步电动机电枢反应磁势
电枢反应
当定子电流I1产生的电枢磁势Fa与主磁极轴线重合， 气隙最小，磁阻最小，相应的电抗为最大；这时所 对应的电枢电抗称为电枢反应直轴电抗，用xad表示；
E E E
隐极同步电动机的电磁关系
I f
F
ห้องสมุดไป่ตู้
E
E
I
F
E
E
电枢一相绕组的电压方程式
U1 E1 Iar1 jIa x1 E0 Ea Iar1 jIa x1 E0 Ea jIa x1
式中r1为电枢绕组电阻，一般同步电动机容量都 较大，电阻r1很小，常忽略；x1为电枢漏电抗。
化简
由于同步电动机能量交换是在定子侧，所以将定 子称为电枢，定子绕组称为电枢绕组。
分析
当同步电动机的电枢绕组通入三相对称交流电后， 就会产生以同步转速n1旋转的三相合成基波电枢磁 势Fa。当同步电动机稳定运行时，转子也以同步转 速n1旋转，在励磁绕组中通入直流励磁电流If，使 转子形成固定磁极，励磁电流产生励磁磁势F0，励 磁磁势F0与电枢磁势Fa同速同方向旋转，彼此在空 间是相对静止的，这样在电机的主磁路上有两个磁 势，它们相互叠加，形成了合成磁场。
与直流机、异步电动机一样，同步电动机也是由 定子和转子两大部分组成。
1、定子
同步电动机的定子与异步电动机的定子结构基本 相同，由机座、定子铁芯、电枢绕组等组成。对 于大型同步电动机，由于尺寸太大，硅钢片常制 成扇形，然后对成圆形。
2、转子
由磁极、转轴、阻尼绕组、滑环、电刷等组成， 在电刷和滑环通入直流电励磁，产固定磁极。
2.应用
在现代电力系统中，几乎所有的电能是由同步发电 机生产的；同步电动机应用于大型生产机械的拖动 系统中，随着电力电子技术和计算机控制技术的不 断发展，变频调速在同步电动机的调速系统中的实 现，使同步电动机的应用场合大为扩大；同步补偿 机则是空载运行的同步电动机，用以改善电网的功 率因数。
7.1.1同步电动机的结构
F F F
同两理个，分对 量应 ，产 即生 ：电I枢1 磁势IdFa的I电q枢电流I1也可分解成
这种分析问题的方法是以叠加理论为基础的“双反应 法”。
根据“双反应法”，凸极同步电动机电磁关系如 下：
I f
F
E
I
F
E
E
I
E
I
F
E
E
直轴电枢磁势Fad和交轴电枢磁势Faq在气隙圆周 上同样以同步转速n1旋转，它们切割定子绕组在 其上产生的感应电势Ead和Eaq，正是电枢磁势Fa 在定子绕组上产生的感应电势Ea的两个分量，所
式中xc=x1+xa 为隐极同步电动机的同步电抗。
隐极同步电动机等值电路和相量图
分析
从相量图中可见，定子电流I1超前电源电压U1， 它可通过调节直流励磁电流使同步电动机工作在 这种状态，目的是使同步电动机在拖动负载的同 时，对电网呈容性，起电容补偿作用，以提高电 网的功率因数。
2、凸极同步电动机电压方程式和相量图
仿变压器或异步电动机中使用的将漏电抗电势写成漏 阻抗压降的方法，也可将电枢磁势Fa产生的电枢电势
Ea写成电抗压E 降的 形式jI ，x则有
式中xa为电枢电抗，或称电枢反应电抗，它对应于主 磁路，故xa>x1，一般有xa=(5~8)x1，这样上式可改写 成：
U E jI x jI x E jI x
当定子电流I1产生的电枢磁势Fa与主磁极轴线正交 时，气隙最大，磁阻最大，相应的电抗为小；这时 所对应的电枢电抗称为电枢反应交轴电抗，用xaq表 示；当电枢磁势位于直轴与交轴之间时，相应的气 隙、磁阻、和电枢反应电抗处于上面两种情况之间， 且随位置不同而变化。
为了解决电枢磁势Fa在不同位置时遇到不同气隙，其 磁阻计算困难的问题，可将电枢磁势分解成两个分量： 一个分量是直轴电枢磁势，用Fad表示，它作用在直 轴方向；另一个分量是交轴电枢磁势，用Faq表示， 它作用在交轴方向，则有：
根据容量大小和转速高低转子结构分凸极和隐极 两种。
凸极特点：气隙不均匀，有明显的磁极，转子铁 芯短粗，适用于转速低于1000r/min，极对数p≥3 的电动机。
隐极特点：气隙均匀，无明显的磁极，转子铁芯 长细，适用于转速高于1500r/min，极对数p≤2的 电动机。
同步电动机转子结构
3、额定数据