第六章-同步电机

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。
Ff 1 0 E0
控制，甚至对于整个电气领域的其它问题 C 的分析都是很有意义的。实际上，一百多 年以前，这一思路及理论分析就已成熟。
变换过程中，统一 时间相量是纽带。
将ABC坐标系中的正弦量，先变换成αβ坐标系下的量(Clarke变换 或3S/2S变换或3/2变换)，再变换成dq坐标系下的量(PARK变换或 3S/2r变换或同步旋转坐标变换），进行分析计算，最后得到的结 果再经过反变换，变换到ABC坐标系中的量。
Байду номын сангаас
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。
B
Z
n1 S
X
A
N
C
Y
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。
不计饱和时，直流电机的交轴电枢反应是去磁还是助磁？计及饱和 呢？
不助磁也不去磁，去磁。
为什么不计饱和，同步电机的交轴电枢反应会助磁呢？
由于电刷和换向器的作用，使得电流的流向以电刷为分界，有效的 每极磁通中的“每极”所包含的范围是固定的，而同步电机则不是。
二、电枢电流滞后于励磁电动势一个锐角时的电枢反应
而由励磁磁通产生的励磁电动势 E0 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。
Fa
Ff 1
E0 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。
电枢反应使气隙合成磁动势的轴线向前移了一个电角度，幅值有 所增加。
此时感应电动势瞬时值的方向？电枢电流的瞬时值方向？ 参考方向相反，相位相同，瞬时值的方向恰好相反。 此时电磁转矩的方向及电机的运行状态？ 先判断电枢导体受力，根据作用与反作用，磁极受力恰好相反。 也可以根据e与i的乘积的符号确定。交轴电枢电流产生电磁转矩。
直轴电枢电流对电磁转矩的贡献
B
Z
B
C
Y
C
Id在A轴上的投影为0，此时尽管A相导体处于磁密最大位置，但不 产生电磁转矩。
Id在B、C轴上的投影为不为0，但产生的电磁转矩之和为零。是不 是意味着对电磁转矩没有贡献？
直轴电枢电流不直接产生电磁转矩，但影响磁场，通过影响磁场影 响电磁转矩。
直轴电枢电流与励磁磁动势方向相同，起助磁作用。 如果主磁路不饱和，磁密增大，在相同交轴电流情况下，电磁转矩 增大。但如果主磁路已接近饱和，磁密增加很小，直轴电流对电磁 转矩贡献很小。
Fa

Fad

Faq

Fad Fa sin
Faq

Fa
cos

I Id Iq

Id I sin
Iq

I
cos

Fa
1.35
N1kw1 p
I
Fad

Fa
sin
1.35
N1kw1 p
I sin
1.35
N1kw1 p
Id
Faq

Fa
cos
N
合成气隙磁动势也是以同步速旋转，
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。
发电机简化模型
B
Z
n1 S
X
N
C
Y
Ea 2E0 sin t Eb 2E0 sin(t 120 ) Ec 2E0 sin(t 120 )
E0 ?
A E0 4.44 f1N1kw1m


2
n1 p 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
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。
I


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
类似于电路中的叠加原理。
课堂练习：6-1，6-3， 6-4 ， 6-5
§6-3 同步电动机的电动势平衡方程式、同步 电抗和相量图
一、隐极同步电动机的电动势平衡方程式、同步电抗和相量图
If
Ff 1
0
E0
F
E
Fa
a
Ea
I

E
不计磁路饱和，可分别计算励磁磁动势产生的磁场及磁场产生的 感应电动势；考虑饱和，应先进行磁动势合成，再求出相应的气 隙合成磁通和气隙电动势。
交轴电枢反应对电磁转矩的贡献
B
Z
B
C
Y
C
此时，电机吸收还是发出无功？
E0
E0
E0
助磁，肯定是从电网吸收无功；关联参考方向下的电流滞后于 电压降。
电机从电网吸收无功，也吸收有功。
三、电枢电流超前于励磁电动势一个锐角时的电枢反应
交轴电枢反应与前面一样，助磁，产生驱动性质电磁转矩。 直轴电枢反应起去磁作用，尽管不直接产生电磁转矩，但它的去磁 作用会对电磁转矩产生间接影响。 去磁，应向电网发出无功，从图中也可以看出。
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
的是，由于直流
q n1 N
电机的主磁极不 动，所以，交直
q
X
A 轴是不动的，但
S
同步电机的交直
轴随主磁极旋转
C
Y
而旋转
一、电枢电流和励磁电动势同相位时的电枢反应
各相绕组的轴线方向与该相绕组的电流正方向符合右手螺旋关系。 直轴即主磁极轴线，方向与磁力线方向相同，交轴与直轴垂直，且 滞后90度电角度。主磁极旋转，dq轴也以相同的转速旋转，励磁电 动势同步旋转，且超前于主极磁通90度电角度，始终在交轴上。 电枢电流与励磁电动势同相位，也是在交轴上，由其产生的电枢磁 动势也在交轴上。
(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
对于三相同步电动机：
PN 3UN INN cosN
§6-2 同步电机的电枢反应
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。
d
Im
A
C
交流电机之所以难分析、难控制，就是
j
因为我们面对的是交流量，不仅仅要考 虑物理量的大小关系，而且还要考虑相
q
B

位关系。
T

CM
1
m
I
' 2
cos
2
T CM Ia
如果通过选择合适的参考坐标系，将交流 量的复杂关系变成直流量的简单的大小关
d
Im 1
A
系，对于分析交流电机的运行及对其进行
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。
1.35
N1kw1 p
I
cos
1.35
N1kw1 p
Iq
Iq产生的磁动势是交轴磁动势，作用与前面一样。Id产生的是直轴 磁动势，是助磁还是去磁？
如果电枢电流的大小、频率不变，那么Id和Iq是正弦量还是一个固 定的常数（直流量）？ 常数（直流量）！ 三相对称正弦量每一相的瞬时值可以用一 个在复平面中恒速等幅旋转的统一时间相 量在三相参考轴上的投影来表示。
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
圆形旋转的基波磁动势Fa ，转向与转子磁极相同，转速为同步速
Fa 会改变由主磁极励磁磁动势Ff 形成的气隙磁场的分布，气隙磁 场由Fa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
因为三相参考轴不正交，所以在三相ABC
坐标系下描述三相对称正弦量的统一时间
相量在时空矢量图中的运动，很不方便。
通常用两种直角坐标系来描述统一时间相 q
量。一种是静止直角坐标系(αβ坐标系)， B

一种是同步旋转直角坐标系(dq坐标系)。
在两相静止坐标系中，统一相量在两轴上分 量仍为交流。但在同步旋转坐标系中，两个 分量是直流。
当电枢电流与励磁电动势之间的夹角为锐角时，电枢磁动势超前于 励磁磁动势，电机交轴电枢电流产生驱动性质电磁转矩，电机处于 电动状态。
何时处于发电状态？
当电枢电流与励磁电动势之间的夹角为钝角时，电枢磁动势滞后于 励磁磁动势，电机交轴电枢电流将产生制动性质的电磁转矩，电机 处于发电状态。
四、双反应理论
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。
n1
N
N
N
N
S
S
S
S
N
N
S
S
N
N
N
S
N
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。
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 H
B
0H

0
F

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别求出来，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。
第六章 同步电机
中国石油大学（华东）信控学院
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。
电压平衡方程式


U E0 Ea E I Ra E E I Ra
E0
E jIX E与 I 参考方向相反
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
枢反应决定于电枢磁动势基波 在空间中的相对位置。
Fa
的大小及其与励磁磁动势基波Ff
1
在时空矢量图中，电枢磁动势矢量Fa 与产生它的电枢电流 I 同相位，
而若不计铁耗，则基波励磁磁动势矢量Ff 1与励磁磁通 0同相位，