电拖第六章 同步电动机

第六章 同步电动机同步电机可以分为同步发电机、同步电动机和同步补偿机三大类。

同步发电机应用十分广泛，现在世界上几乎所有的发电厂都用同步发电机发电，也就是说现在几乎所有的电能都是由同步发电机发出来的。

同步电动机过去虽然有启动比较困难、不易调速等缺点，限制了它的应用，但由于它可以通过调节励磁电流改善电网功率因数，所以多数用在大型不调速设备中。

近年来，由于交流变频技术的发展，解决了它的变频电源问题，从而使同步电动机的启动和调速问题都得到了解决，因此，同步电动机的应用场合大为增加，在矿井卷扬机、可逆轧机这样一些要求非常高的电力拖动系统中得到了广泛的应用，并且相当成功。

小功率的永磁同步电动机，由变频电源供电，组成了新一代的交流伺服系统，在数控机床和机器人等领域也越来越显示出它的优越性。

同步补偿机实际上是空载运行的同步电动机，只用来向电网发出电感性或电容性无功功率，以满足电网对无功功率的需求，从而改善电网的功率因数。

微型同步电动机则由于具有结构简单、成本低廉、运行可靠、体积小和同步特性，在控制领域中得到广泛应用。

第一节 同步电机的基本结构与工作原理一、同步电机的基本结构同步发电机、同步电动机和同步补偿机的基本结构完全一样，都是由定子和转子两大部分组成。

(一) 定子同步电机定子与异步电机定子结构基本相同，也是由铁心、定子绕组、机座和端盖等部分组成。

铁心也是由硅钢片叠成。

大型同步电机由于尺寸太大，硅钢片常制成扇形，然后对成圆形。

定子绕组也是三相对称绕组。

大型高压同步电机定子绕组绝缘性能要求较高，常用云母绝缘。

机座和端盖的作用也与异步电机相同，主要起支撑和固定作用。

(二) 转子同步电机转子与异步电机转子有所不同，它的转子有固定的磁极，是通过电刷和滑环送入的直流励磁电流励磁，产生固定极性的磁极。

同步电机转子结构有两种类型，即凸极式和隐极式。

凸极式转子如图6-1 (a)所示。

磁极的形状与直流机磁极相似，铁心常由普通薄钢片冲压后叠成，磁极上装有成形的集中直流励磁绕组。

绕组的连接应使N 极和S 极在电机圆周上交替排列。

凸极式转子结构简单，制造方便，制成多极比较容易，但机械强度较低，所以它适用于低速、多极同步电机。

在发电机中，水轮机属低速机械，由p f n /6011 可知，当工业频率为50H Z (个别国家为60H Z )时，低速必然多极，所以水轮发电机都是低速、多极的凸极式同步发电机。

同步电动机大多数也是容量较大、转速较低的凸极同步电机。

凸极电机的特点是气隙不均匀，转子磁极中心附近气隙最小，磁阻也小。

而在转子磁极的几何中线处气隙最大，磁阻也大，磁导最小。

因此，磁通所走路径不同，所遇磁导不同，对应的电抗参数也不一致，这是凸极电机结构决定的。

隐极式转子如图6-1 (b)所示，转子呈圆柱形，无明显磁极，通常由整块铸钢制成，在圆周的三分之二部分铣有槽和齿，槽中有分布式直流励磁绕组，转子圆周没开槽的三分之一部分称为大齿，是磁极的中心区域。

隐极式转子制造工艺比较复杂，但它的机械强度较好，适用于极数少、速度高的同步电机。

汽轮机本身是高速机械，所以汽轮发电机都是极数较少、转速较高的隐极同步电机。

隐极电机的气隙均匀，所以磁通无论走哪一条路径，不管是在磁极中心处还是在几何中性线处，所走路径的磁导相同，对应的电抗也无变化。

(a) 凸极式 (b) 隐极式图6-1 同步电机转子结构此外，同步电机转子磁极表面都装有类似笼型异步电机转子的短路绕组，在发电机中称为阻尼绕组，在正常运行时起稳定作用，在电动机中称为启动绕组，异步启动时它是启动绕组，同步运行时也起稳定作用。

以上讲的同步电机都是磁极旋转式的，在同步电机发展初期还有一种电枢旋转式同步电机，磁极在定子(定子结构与直流电机相似)上，转子上装三相电枢绕组，三相电流通过滑环和电刷引出(转子结构与绕线转子异步电机的转子相似)。

这种结构的同步电机仅在容量较小时工作，当容量增大时，因滑环和电刷流过的电流不能太大，所加电压也不能太高，因此，这种电枢旋转式同步电机不能适应大容量的要求，逐渐被现在的磁极旋转式所替代。

磁极旋转式转子加的是直流励磁电流，它的容量仅为电机容量的百分之几，电压不高，电流也不大，可使用电刷和滑环，因此现代的同步电机多为磁极旋转式，而电枢旋转式同步电机仅在小容量时偶尔遇到。

二、同步电机的简单工作原理同步发电机的作用是由原动机拖动旋转，把机械能转变成电能。

当转子直流励磁绕组送入直流励磁电流后，形成固定极性的磁场，这个转子固定磁场切割定子绕组(或者说定子绕组做切割磁力线运动)，在定子三相对称绕组中将感应出三相对称电动势，成为三相交流电源。

如果发电机作为电源单独给负载供电，对电源频率的要求并不十分严格，对原动机的转速要求也不很严格。

但现代的发电机，绝大多数都是向大电网并网供电，这就对同步发电机的频率要求严格了，我国电网频率为50H Z ，所以发电机发出的电动势频率也必须为50H Z ，如果发电机的频率与电网频率不等将会造成严重事故。

由60/1pn f 可知，为保证频率为50H Z ，电机的极对数p 与转速1n 的乘积必须等于常数(3000)，因此对应极对数p 为1、2、3的同步电机，转速1n 必须分别为3000、1500、1000……r／min 等同步转速。

同步电动机定子三相绕组接入三相电网后，定子三相对称绕组中流过三相对称电流，产生三相旋转磁场，转子励磁绕组接人直流励磁电流后产生固定极性的磁场，旋转磁场的磁极对转子异性磁极的磁拉力牵引转子与旋转磁场同速旋转，如图7—2所示，这就是同步电动机的简单工作原理。

由于转子转速与旋转磁场转速相同，故称同步电动机。

同步电动机转子转速与旋转磁场的转速必须相等(不能有转速差)。

否则，定、转子磁极的相对位置就不断变化，在一周期内定、转子磁极在前半周异性相吸引(转子受磁拉力)，后半周则是同性相排斥(转子受推力)，这样交替进行，转子所受平均力矩为零，电动机不能运转。

因此，同步电动机正常工作时转子转速必须与旋转磁场转速相等，定、转子磁场才能有稳定的磁拉力，形成固定的电磁转矩，拖动负载同步旋转。

第二节 同步电动机的电动势相量图一、隐极同步电动机的方程式和相量图在分析同步电动机方程式和相量图之前，先来复习一下同步电动机主磁路中的磁势关系。

同步电动机工作时电枢三相绕组通入三相对称电流产生一个旋转磁动势，它以同步速度1n 在气隙圆周上旋转，通常称为电枢磁动势，以a F 表示。

转子励磁绕组通入直流励磁电流之后产生主磁极磁动势，也称直流磁动势，以0F 表示。

同步电机正常工作时a F 和0F 同速同向旋转，相互叠加形成一个合成磁动势F ∑，即F ∑ =F +a F (6-1) 磁动势F ∑、0F 和a F 切割定子绕组，在绕组中感生相应的电动势∙1E 、∙0E 和∙a E ，并且有∙1E ＝∙0E ＋∙a E(6-2)仿照分析异步电动机的方法，写出同步电动机定子一相绕组的电动势方程式，即σx I j r I E U ∙∙∙∙++-=11111(6-3)式中，1r 为定子绕组电阻，σx 为定子漏抗，∙1E 为合成磁动势∑F 产生的合成电动势。

考虑到一般同步电动机容量都较大，电阻1r 很小，所以常常略去方程式中的11r I ∙项，再把式(6-2)代入式(6-3)，有σx I j E E U a ∙∙∙∙+--=101再仿照在变压器和异步电动机中用过的将漏抗电动势写成漏抗压降的方法，把电枢磁动势a F 感生的电动势∙a E 写成电抗压降σx I j E a ∙∙-=1的形式，σx 称为电枢电抗(也称电枢反应电抗)，它对应主磁路，所以x 要比x 大很多，通常x =(5～8) x ,于是方程式变为c a x I j E x I j x I j E U ∙∙∙∙∙∙+-=++-=101101σ (6-4)式中，σx x x a c +=称为隐极同步电动机的同步电抗。

(a)对应式(6-3) (b)对应式(6-4)图6-3 定子等值电路绘出对应式(6-3)和式(6-4)的定子一相等值电路，如图6-3 (a)及(b)所示。

绘出对应式(6-4)的电动势相量图，如图6-4所示。

图中电流∙1I 超前于外加电压∙1U ，这是同步电动机经常的工作状态，它可以通过调节直流励磁电流得到，目的是使同步电动机在拖动负载做功时，提高电网的功率因数。

隐极同步电动机无明显磁极，气隙均匀，电枢磁动势无论处于气隙圆周的哪一位置，所受的磁阻都是相等的，电抗也是不变的，若不考虑磁饱和引起的非线性，电枢反应电抗a x 和同步电抗σx 都是常数。

二、凸极同步电动机的相量图凸极同步电动机有明显的磁极，气隙不均匀，电枢磁动势处于气隙圆周的不同位置时所受的磁阻不一样，相应的电抗a x 和σx 都不是常值。

当电枢磁动势与主磁极轴线重合时，磁路的气隙最小，磁阻也最小，磁导最大，对应的电抗(称为电枢反应直轴同步电抗)也最大，以ad x 表示。

当电枢磁动势处于主磁极的几何中线时，这时磁路气隙最大，磁阻也最大，磁导最小，相应的电抗(称为电枢反应交轴同步电抗)也最小，以aq x 表示。

当电枢磁动势处于上述两种位置之间时，相应的磁阻、磁导及电枢反应的电抗也处于两者之间，且随位置不同而变化。

因此凸极同步电动机的电动势方程式不能用隐极同步电动机来计算。

常把电枢磁动势分成直轴和交轴两个分量，分别来加以处理，这就是有名的双边反应原理。

如果不考虑磁路饱和引起的非线性，也不考虑磁动势中的高次谐波，只考虑磁动势和磁通密度中的基波分量，这时无论电枢磁动势处于气隙圆周的任何位置，都可把它分成两个分量，一个分量在转子磁极的轴线上，与主磁极磁动势同轴，叫做电枢磁动势的直轴分量，以图6-4 隐极同步电动机电动势相量图ad F 表示。

另一个分量在转子磁极的几何中线上，叫做电枢磁动势的交轴分量，以aq F 表示。

ad F 与aq F 在空间正交，这样电枢磁动势aq ad a F F F += (6-5)ad F 与aq F 也是在气隙圆周上以1n 速度旋转的磁动势，它们在定子绕组中的感应电动势∙ad E 和∙aq E 正是电枢磁动势在定子绕组中产生的感应电动势∙a E 的两个分量，有∙aE =∙ad E +∙aq E (6-6)∙ad E 是ad F 旋转在定子绕组中感生的电动势，ad F 作用在主磁极轴线上，对应的电抗为 ad x ，所以∙ad E 可以用电流的直轴分量∙d I (它产生ad F )和ad x 的乘积表示，写成它∙ad E =-j ∙d I d x 。

同理∙aq E 是aq F 旋转在定子绕组中感应的电动势，它也可以用电流的交轴分量∙q I (它产生aq F )和aq x 的乘积来表示，写成∙aq E =-j ∙q I aq x 。