15第15章同步电动机和同步调相机讲解
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对于凸极同步电动机，由于存在磁阻转矩，很容易被拉入同步， 因此，为了改善起动性能，同步电动机大多采用凸极式结构。 注意：起动时励磁绕组不能开路，否则将产生高电压；
励磁绕组也不能直接短路，否则对起动将产生不利影响。
第15章 同步电动机和同步调相机
2. 辅助电动机起动
选用与同步电动机极数相同的异步电动机（容量为主机的5%～15%） 作为辅助电动机。首先给辅助电动机加交流电源，使其拖动同步电动机旋转， 当转速接近同步转速时，用自整步法将主机投入电源，并切断辅助电动机电源。 这种方法只适合于空载起动，所需设备较多，操作复杂。
可见： 90 有功电流为负值， 无功电流滞后电压90o
发出负的有功功率，即从电网吸收有功功率； 说明：发电机向电网
发出感性无功功率，即从电网吸收容性无功功率。
第15章 同步电动机和同步调相机
按电动机惯例画图，同步电动机的相量图：
电流相量 转过 180
隐极同步电动机
凸极同步电动机
同步电动机的电动势平衡方程
TPe1mpT00
电动机 空载
这是，合成磁场略超前转子磁场，若忽略空载损耗，则 0
第15章 同步电动机和同步调相机
3. 同步电动机运行
如果撤去原动机，并带上机械负载：
TL
n
0
Pem
Tem
0 吸收电功率 变为驱动转矩
P1 p0 P2 Tem T0 T2
一、同步电动机的功角特性
发电机运行时， 为正；电动机运行时， 为负。
按发电机来写电动机功角特性
Pem
m
E0U Xd
sin(
)
m
U2 2
(
1 Xq
1 Xd
) s in(2
)
m
E0U
sin
U2 m (
1
1
)sin 2
X d
2 Xq Xd
按电动机来写电动机功角特性：（设 为正）
同步电动机的电枢反应性质：
电动机输入电流与发电机输出电流方向相反， 过励时，发电机输出滞后的电流，电动机输入超前的电流，电枢反应有去磁作用； 欠励时，发电机输出超前的电流，电动机输入滞后的电流，电枢反应有增磁作用。
[例15.1.1]
第15章 同步电动机和同步调相机
15.2 同步电动机的功角特性与磁阻电动机
第15章 同步电动机和同步调相机
15.1 同步电动机的工作原理
一、同步电机的可逆原理
同步电机可作：发电机运行、电动机运行、调相机运行。
1. 发电机运行
P1 p0 Pem 机械功率→电功率
T1 T0 Tem 电磁转矩为制动转矩。
转子磁场在前 合成磁场在后
f 超前 u E0 超前U
3.变频起动
同步电动机采用变频电源供电。 起动时转子绕组加励磁建立磁极磁场，定子绕组接变频电源，以低频电压进行起动。 随着转速升高逐步上调电源频率，则转子转速将始终跟随定子磁场转速而同步上升， 直至额定转速。 变频起动过程平稳，性能优越。采用变频器供电的交流电动机还可以实现无级调速。
Pem
m
E0U Xd
sin
m
U2 2
(
1 Xq
1 Xd
) s in 2
发出负功率， 即吸收功率。
（吸收正功率）
第15章 同步电动机和同步调相机
二、磁阻电动机
在小容量凸极同步电动机中，转子上不安放励磁绕组，E0 0
此时电动机的电磁功率为：
Pem
m
U2 2
(
1 Xq
1 Xd
) s in 2
角
0
Pem 0
第15章 同步电动机和同步调相机
2. 空载运行
逐渐调节
P1
0
TPeemm
0
0
TP11
p0 T0
发电机 空载
如果撤去原动机:
T0
n
0
Pem
Tem
0 吸收电功率 变为驱动转矩
U E0 jIX s U E0 jId Xd jIq Xq
第15章 同步电动机和同步调相机
同步电动机Βιβλιοθήκη Baidu优点：
改变励磁电流，可以改变无功电流的大小，从而改变功率因数的性质及大小。 过励时，电动机输入的超前性（容性）无功电流增大； 欠励时，电动机输入的滞后性（感性）无功电流增大。 可见，过励运行的同步电动机，相当于电容器，可提高电网的功率因数。
第15章 同步电动机和同步调相机
二、同步电动机的起动方法
1. 异步起动 转子磁极表面装有导条短路绕组，称为起动绕组，实际上也是阻尼绕组。
起动时，把励磁绕组串联一个比自身电阻大5～10倍电阻后再短接起来。 当定子加上电压后，定子旋转磁场与转子起动绕组产生异步转矩，而使转子转动， 当转速上升到接近同步转速时，再给转子加上励磁，把转子拉入同步转速旋转。
第15章 同步电动机和同步调相机
[内容]
15.1 同步电动机的工作原理 15.2 同步电动机的功角特性与磁阻电动机 15.3 同步电动机的起动 15.4 同步调相机
第15章 同步电动机和同步调相机
[要求]
● 理解同步电机由发电机状态过渡到电动机状态的可逆原理。 ● 掌握同步电动机的电动势方程式、相量图和功率因数的可调原理。 ● 掌握同步电动机的功角特性和磁阻电动机的工作原理。 ● 掌握同步电动机的起动方法。 ● 掌握同步调相机的工作原理和特点。
该电磁功率对应的电磁转矩，称为磁阻转矩。
它是由于电机的交、直磁阻不等（ X d X q ）而产生的。 这种电动机称为磁阻电动机。
可见，凸极同步电动机的转子上无励磁时，也能拖动一定的机械负载工作。
第15章 同步电动机和同步调相机
15.3 同步电动机的起动
一、同步电动机不能自行起动
同步电动机定子接入电源时， 定子磁场立即以同步速旋转， 转子因惯性不能立即旋转起来， 转子时而受到逆时针方向的转矩， 时而又受到顺时针方向的转矩， 因此起动时转子上的平均转矩为零。 所以，同步电动机不能自行起动 。
合成磁场在前 转子磁场在后
u 超前 f U 超前 E0
角
电功率 → 机械功率 电磁转矩为驱动转矩
第15章 同步电动机和同步调相机
发电机
0
空载
0
电动机
0
第15章 同步电动机和同步调相机
二、同步电动机的电动势方程式及相量图
按发电机惯例画图，隐极同步电动机的相量图和等效电路：
励磁绕组也不能直接短路，否则对起动将产生不利影响。
第15章 同步电动机和同步调相机
2. 辅助电动机起动
选用与同步电动机极数相同的异步电动机（容量为主机的5%～15%） 作为辅助电动机。首先给辅助电动机加交流电源，使其拖动同步电动机旋转， 当转速接近同步转速时，用自整步法将主机投入电源，并切断辅助电动机电源。 这种方法只适合于空载起动，所需设备较多，操作复杂。
可见： 90 有功电流为负值， 无功电流滞后电压90o
发出负的有功功率，即从电网吸收有功功率； 说明：发电机向电网
发出感性无功功率，即从电网吸收容性无功功率。
第15章 同步电动机和同步调相机
按电动机惯例画图，同步电动机的相量图：
电流相量 转过 180
隐极同步电动机
凸极同步电动机
同步电动机的电动势平衡方程
TPe1mpT00
电动机 空载
这是，合成磁场略超前转子磁场，若忽略空载损耗，则 0
第15章 同步电动机和同步调相机
3. 同步电动机运行
如果撤去原动机，并带上机械负载：
TL
n
0
Pem
Tem
0 吸收电功率 变为驱动转矩
P1 p0 P2 Tem T0 T2
一、同步电动机的功角特性
发电机运行时， 为正；电动机运行时， 为负。
按发电机来写电动机功角特性
Pem
m
E0U Xd
sin(
)
m
U2 2
(
1 Xq
1 Xd
) s in(2
)
m
E0U
sin
U2 m (
1
1
)sin 2
X d
2 Xq Xd
按电动机来写电动机功角特性：（设 为正）
同步电动机的电枢反应性质：
电动机输入电流与发电机输出电流方向相反， 过励时，发电机输出滞后的电流，电动机输入超前的电流，电枢反应有去磁作用； 欠励时，发电机输出超前的电流，电动机输入滞后的电流，电枢反应有增磁作用。
[例15.1.1]
第15章 同步电动机和同步调相机
15.2 同步电动机的功角特性与磁阻电动机
第15章 同步电动机和同步调相机
15.1 同步电动机的工作原理
一、同步电机的可逆原理
同步电机可作：发电机运行、电动机运行、调相机运行。
1. 发电机运行
P1 p0 Pem 机械功率→电功率
T1 T0 Tem 电磁转矩为制动转矩。
转子磁场在前 合成磁场在后
f 超前 u E0 超前U
3.变频起动
同步电动机采用变频电源供电。 起动时转子绕组加励磁建立磁极磁场，定子绕组接变频电源，以低频电压进行起动。 随着转速升高逐步上调电源频率，则转子转速将始终跟随定子磁场转速而同步上升， 直至额定转速。 变频起动过程平稳，性能优越。采用变频器供电的交流电动机还可以实现无级调速。
Pem
m
E0U Xd
sin
m
U2 2
(
1 Xq
1 Xd
) s in 2
发出负功率， 即吸收功率。
（吸收正功率）
第15章 同步电动机和同步调相机
二、磁阻电动机
在小容量凸极同步电动机中，转子上不安放励磁绕组，E0 0
此时电动机的电磁功率为：
Pem
m
U2 2
(
1 Xq
1 Xd
) s in 2
角
0
Pem 0
第15章 同步电动机和同步调相机
2. 空载运行
逐渐调节
P1
0
TPeemm
0
0
TP11
p0 T0
发电机 空载
如果撤去原动机:
T0
n
0
Pem
Tem
0 吸收电功率 变为驱动转矩
U E0 jIX s U E0 jId Xd jIq Xq
第15章 同步电动机和同步调相机
同步电动机Βιβλιοθήκη Baidu优点：
改变励磁电流，可以改变无功电流的大小，从而改变功率因数的性质及大小。 过励时，电动机输入的超前性（容性）无功电流增大； 欠励时，电动机输入的滞后性（感性）无功电流增大。 可见，过励运行的同步电动机，相当于电容器，可提高电网的功率因数。
第15章 同步电动机和同步调相机
二、同步电动机的起动方法
1. 异步起动 转子磁极表面装有导条短路绕组，称为起动绕组，实际上也是阻尼绕组。
起动时，把励磁绕组串联一个比自身电阻大5～10倍电阻后再短接起来。 当定子加上电压后，定子旋转磁场与转子起动绕组产生异步转矩，而使转子转动， 当转速上升到接近同步转速时，再给转子加上励磁，把转子拉入同步转速旋转。
第15章 同步电动机和同步调相机
[内容]
15.1 同步电动机的工作原理 15.2 同步电动机的功角特性与磁阻电动机 15.3 同步电动机的起动 15.4 同步调相机
第15章 同步电动机和同步调相机
[要求]
● 理解同步电机由发电机状态过渡到电动机状态的可逆原理。 ● 掌握同步电动机的电动势方程式、相量图和功率因数的可调原理。 ● 掌握同步电动机的功角特性和磁阻电动机的工作原理。 ● 掌握同步电动机的起动方法。 ● 掌握同步调相机的工作原理和特点。
该电磁功率对应的电磁转矩，称为磁阻转矩。
它是由于电机的交、直磁阻不等（ X d X q ）而产生的。 这种电动机称为磁阻电动机。
可见，凸极同步电动机的转子上无励磁时，也能拖动一定的机械负载工作。
第15章 同步电动机和同步调相机
15.3 同步电动机的起动
一、同步电动机不能自行起动
同步电动机定子接入电源时， 定子磁场立即以同步速旋转， 转子因惯性不能立即旋转起来， 转子时而受到逆时针方向的转矩， 时而又受到顺时针方向的转矩， 因此起动时转子上的平均转矩为零。 所以，同步电动机不能自行起动 。
合成磁场在前 转子磁场在后
u 超前 f U 超前 E0
角
电功率 → 机械功率 电磁转矩为驱动转矩
第15章 同步电动机和同步调相机
发电机
0
空载
0
电动机
0
第15章 同步电动机和同步调相机
二、同步电动机的电动势方程式及相量图
按发电机惯例画图，隐极同步电动机的相量图和等效电路：