第10章-交流同步电机
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时，就会产生三相合成旋转磁动势， 简称电枢磁动势，用空间 矢量Fa表示。设电枢磁动势Fa 的转向为逆时针方向，转速为同 步转速。在同步电动机负载运行时， 其转子也是逆时针方向以 同步转速旋转。由直流励磁电流 If 产生的磁动势称为励磁磁动 势，用Ff 表示，它也是一个空间矢量。
这里规定两个轴方向：转子N极和S极的中心线称为直轴或 纵轴，简称d 轴；与直轴相距90空间电角度的方向称为交轴或 横轴，简称q 轴。直轴和交轴随转子一同旋转，如图10-4所示。
第10章 交流同步电机
2. 转子 同步电机的转子有两种结构形式：一种有明显的磁极， 称 为凸极式，如图10-1a所示；另一种转子为一个圆柱体，表面上 开有槽，无明显的磁极，称为隐极式，如图10-1b所示。
水轮发电机
转速较低
凸极式
汽轮发电机
转速较高
隐极式
同步电机的励磁电源有两种：一种是由励磁机供电，另一 种是由交流电源经过整流而得到。每台同步电机应配备一台励 磁机或整流励磁装置，以便调节励磁电流。
-9-
第10章 交流同步电机
先考虑励磁磁动势Ff单独在电机主磁路中产生磁通时的情 况。励磁磁动势Ff 总是在直轴方向， 产生的磁通如图8-5所示。
将由励磁磁动势Ff单独产生的磁通叫励磁磁通，用f 表示。
q轴
n1
f
S
If N
Ff
d轴
q轴
n1
S
N
Ff
d轴
图10-4 同步电机的直轴与交轴
图10-5 励磁磁通
n
n1
60 f1 np
-3-
第10章 交流同步电机
10.1.1 同步电机的基本结构
1. 定子
同步电机的定子，就其基本结构来看，与异步电机的定子
没有多大区别，也是由定子铁心、定子绕组以及机座、端盖等
附件组成。
励磁绕组
励励磁磁绕组
线圈
a)
b)
图10-1 同步电机的结构示意图
a) 凸极式 b) 隐极式
-4-
-5-
第10章 交流同步电机
10.1.2 同步电机的基本原理 1. 同步电机的物理模型
B轴
转子 q 轴
A
转子d 轴
Z
Y
1
A轴
B
C
X
C轴
图10-2 同步电机的物理模型
-6-
第10章 交流同步电机
2. 同步电机的工作原理 现以同步发电机为例来说明同步电机的工作原理。当同步发 电机的转子在原动机的拖动下达到同步转速n1时，由于转子绕组 是由直流电流If 励磁， 所以转子绕组在气隙中所建立的磁场相对 于定子来说是一个与转子旋转方向相同，转速大小相等的旋转磁 场。该磁场切割定子上开路的三相对称绕组， 在三相对称绕组中 产生三相对称空载感应电动势E0 。若改变励磁电流的大小则可相 应地改变感应电动势的大小，此时同步发电机处于空载运行。
-0.06
-0.08
-0.06
-0.04
-0.02
0
0.02
0.04
0.06
0.08
图10-7 电枢磁动势Fa的磁场分布
-12-
第10章 交流同步电机
10.2.2 凸极同步电动机的双反应理论
Fad
Φad
•
Fa
Faq
q
q
百度文库Faq
n1
Fa
Φad
Fad
d
Φaq
Fad
d
Fa Fad Faq
q
Faq
d
a)
1.35 N1kW1 np
1.35 N1kW1 np
Id Iq
（10-3）
-14-
第10章 交流同步电机
考虑到式（10-1）的关系，即有
Is Id Iq
Id
Is Iq
（10-4）
Fad
Faq
-15-
电机及拖动基础
第10章 交流同步电机
10.1 同步电机的结构和运行方式 10.2 同步电动机的电磁关系 10.3 同步电动机的功率与转矩 10.4 同步电动机的工作特性 10.5 永磁式同步电动机*
-1-
第10章 交流同步电机 引言
本章主要阐述同步电机的工作原理，利用双反应理论建立 同步电动机的基本电磁关系，在此基础上对同步电动机的功率 关系、功角特性、矩角特性及功率因数的调节等进行深入的分 析。本章还对迅速发展的永磁式同步电动机做了简要介绍。
-10-
第10章 交流同步电机
f 经过的磁路是以直轴为对称的，图10-6是其计算机仿真
结果。
Magnetic field distribution
0.06
0.04
0.02
0
-0.02
-0.04
-0.06
-0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08
图10-6 转子磁场分布
b)
Φaq
c)
图10-8 电枢反应磁动势及磁通
a) 电枢反应磁动势 b) 直轴磁通 c) 交轴磁通
-13-
第10章 交流同步电机
根据第8章的分析，可以写出由定子电流产生的电枢磁动势 的表达式
Fa 1.35
N1kW1 np
Is
（10-2）
将上式分解为d、q轴上的直轴电枢磁动势和交轴电枢磁动势：
Fad Faq
当同步发电机带负载后，定子绕组构成闭合回路，产生定子 电流，该电流是三相对称电流，因而要在气隙中产生与与转子旋 转方向相同，转速大小相等的旋转磁场。此时定、转子间旋转磁 场相对静止，气隙中的磁场是定、转子旋转磁场的合成。由于气 隙中磁场的改变，定子绕组中感应电动势的大小也将发生变化。
-7-
第10章 交流同步电机
3. 同步电机的运行方式
N1
N1
n1 n1
S2
N2
n1
S2
n1
N2
N1
n1
S2
n1
N2
S1
S1
S1
a)
b)
c)
图10-3 同步电机的运行方式
a) 发电机方式 b) 理想空载 c) 电动机方式
-8-
第10章 交流同步电机
10.2 同步电动机的电磁关系
10.2.1 同步电动机的磁动势 当同步电动机的定子三相对称绕组 连接到三相对称电源上
-11-
第10章 交流同步电机
对于电枢磁动势 Fa 单独在电机主磁路中产生磁通时的情况， 则比励磁磁动势Ff 产生磁通时的情况复杂。图10-7给出了电枢磁 动势单独在电机主磁路中产生磁通的计算机仿真结果。
Magnetic field distribution
0.06
0.04
0.02
0
-0.02
-0.04
-2-
第10章 交流同步电机
10.1 同步电机的结构和运行方式
如果三相交流电机的转子转速n与定子电流的频率f1满足下 面的方程式关系，这种电机就称为同步电机。同步电机多被用 作发电机，当今作为动力用的强大电力几乎全是由三相同步发 电机发出的，因此它是各类发电厂的核心设备之一。同步电机 也可以作电动机使用，例如空气压缩机、鼓风机、电力推进装 置和电动发电机组等。
这里规定两个轴方向：转子N极和S极的中心线称为直轴或 纵轴，简称d 轴；与直轴相距90空间电角度的方向称为交轴或 横轴，简称q 轴。直轴和交轴随转子一同旋转，如图10-4所示。
第10章 交流同步电机
2. 转子 同步电机的转子有两种结构形式：一种有明显的磁极， 称 为凸极式，如图10-1a所示；另一种转子为一个圆柱体，表面上 开有槽，无明显的磁极，称为隐极式，如图10-1b所示。
水轮发电机
转速较低
凸极式
汽轮发电机
转速较高
隐极式
同步电机的励磁电源有两种：一种是由励磁机供电，另一 种是由交流电源经过整流而得到。每台同步电机应配备一台励 磁机或整流励磁装置，以便调节励磁电流。
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第10章 交流同步电机
先考虑励磁磁动势Ff单独在电机主磁路中产生磁通时的情 况。励磁磁动势Ff 总是在直轴方向， 产生的磁通如图8-5所示。
将由励磁磁动势Ff单独产生的磁通叫励磁磁通，用f 表示。
q轴
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If N
Ff
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q轴
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图10-4 同步电机的直轴与交轴
图10-5 励磁磁通
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第10章 交流同步电机
10.1.1 同步电机的基本结构
1. 定子
同步电机的定子，就其基本结构来看，与异步电机的定子
没有多大区别，也是由定子铁心、定子绕组以及机座、端盖等
附件组成。
励磁绕组
励励磁磁绕组
线圈
a)
b)
图10-1 同步电机的结构示意图
a) 凸极式 b) 隐极式
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第10章 交流同步电机
10.1.2 同步电机的基本原理 1. 同步电机的物理模型
B轴
转子 q 轴
A
转子d 轴
Z
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1
A轴
B
C
X
C轴
图10-2 同步电机的物理模型
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第10章 交流同步电机
2. 同步电机的工作原理 现以同步发电机为例来说明同步电机的工作原理。当同步发 电机的转子在原动机的拖动下达到同步转速n1时，由于转子绕组 是由直流电流If 励磁， 所以转子绕组在气隙中所建立的磁场相对 于定子来说是一个与转子旋转方向相同，转速大小相等的旋转磁 场。该磁场切割定子上开路的三相对称绕组， 在三相对称绕组中 产生三相对称空载感应电动势E0 。若改变励磁电流的大小则可相 应地改变感应电动势的大小，此时同步发电机处于空载运行。
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图10-7 电枢磁动势Fa的磁场分布
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第10章 交流同步电机
10.2.2 凸极同步电动机的双反应理论
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Fa
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1.35 N1kW1 np
1.35 N1kW1 np
Id Iq
（10-3）
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第10章 交流同步电机
考虑到式（10-1）的关系，即有
Is Id Iq
Id
Is Iq
（10-4）
Fad
Faq
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电机及拖动基础
第10章 交流同步电机
10.1 同步电机的结构和运行方式 10.2 同步电动机的电磁关系 10.3 同步电动机的功率与转矩 10.4 同步电动机的工作特性 10.5 永磁式同步电动机*
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第10章 交流同步电机 引言
本章主要阐述同步电机的工作原理，利用双反应理论建立 同步电动机的基本电磁关系，在此基础上对同步电动机的功率 关系、功角特性、矩角特性及功率因数的调节等进行深入的分 析。本章还对迅速发展的永磁式同步电动机做了简要介绍。
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第10章 交流同步电机
f 经过的磁路是以直轴为对称的，图10-6是其计算机仿真
结果。
Magnetic field distribution
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-0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08
图10-6 转子磁场分布
b)
Φaq
c)
图10-8 电枢反应磁动势及磁通
a) 电枢反应磁动势 b) 直轴磁通 c) 交轴磁通
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第10章 交流同步电机
根据第8章的分析，可以写出由定子电流产生的电枢磁动势 的表达式
Fa 1.35
N1kW1 np
Is
（10-2）
将上式分解为d、q轴上的直轴电枢磁动势和交轴电枢磁动势：
Fad Faq
当同步发电机带负载后，定子绕组构成闭合回路，产生定子 电流，该电流是三相对称电流，因而要在气隙中产生与与转子旋 转方向相同，转速大小相等的旋转磁场。此时定、转子间旋转磁 场相对静止，气隙中的磁场是定、转子旋转磁场的合成。由于气 隙中磁场的改变，定子绕组中感应电动势的大小也将发生变化。
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3. 同步电机的运行方式
N1
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图10-3 同步电机的运行方式
a) 发电机方式 b) 理想空载 c) 电动机方式
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第10章 交流同步电机
10.2 同步电动机的电磁关系
10.2.1 同步电动机的磁动势 当同步电动机的定子三相对称绕组 连接到三相对称电源上
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第10章 交流同步电机
对于电枢磁动势 Fa 单独在电机主磁路中产生磁通时的情况， 则比励磁磁动势Ff 产生磁通时的情况复杂。图10-7给出了电枢磁 动势单独在电机主磁路中产生磁通的计算机仿真结果。
Magnetic field distribution
0.06
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第10章 交流同步电机
10.1 同步电机的结构和运行方式
如果三相交流电机的转子转速n与定子电流的频率f1满足下 面的方程式关系，这种电机就称为同步电机。同步电机多被用 作发电机，当今作为动力用的强大电力几乎全是由三相同步发 电机发出的，因此它是各类发电厂的核心设备之一。同步电机 也可以作电动机使用，例如空气压缩机、鼓风机、电力推进装 置和电动发电机组等。