自动化元件_11同步电机

1、第五章第五章 同步电机同步电机 同步电机转速同步电机转速 和旋转磁场的同步转速和旋转磁场的同步转速 相同：相同： 1 1 60 f nn p n 1 n 同步电机的基本结构同步电机的基本结构 同步电动机的两类转子同步电动机的两类转子 通过直流发电机或可控整流器提供直流电源，直流 电流通过集电环和电刷引入转子绕组。 1 1、定子上：三相绕组，空间、定子上：三相绕组，空间 互差互差1201200 0电角度，匝数相等电角度，匝数相等 2 2、转子上：、转子上：I If f, ,由由转子转子N N 极出来极出来气隙气隙定子铁心定子铁心 气隙气隙转子转子S S极极 原动机原动机n n逆时针恒速旋转逆时针

2、恒速旋转定定 子上导体切割磁力线子上导体切割磁力线产生产生E E 同步发电机工作原理同步发电机工作原理 感应电势感应电势e e 设设 沿极面正弦分布，则导体电沿极面正弦分布，则导体电e ec c=B=Bx xlv=Elv=Ecm cmsinwt sinwt B Bm m正弦波磁通密度最大值正弦波磁通密度最大值 则：则：e eA A=E=Ecm cmsinwt sinwt e eB B=E=Ecm cmsin sin（wt-wt-1201200 0） e eC C=E=Ecm cmsin sin（wt+wt+1201200 0） 同步电机的运行状态同步电机的运行状态 电动机把电能转换为机械能 补

3、偿机没有有功功率转换，只发出或吸收无功功率 发电机把机械能转换为电能 同步电机运行状态，主要取决于气隙合成磁场 与转子主磁场之间的夹角 ， 称为功率角 发电机发电机 (功率角大于功率角大于0) 电动机电动机 (功率角小于功率角小于0) 补偿机补偿机(功率角等于功率角等于0) 同步电动机的电磁关系同步电动机的电磁关系 同步电动机的磁通势同步电动机的磁通势 凸极同步电动机的双反应原理凸极同步电动机的双反应原理 即有即有 dq III 即把电枢电流即把电枢电流 按相量的关系分解成两个分量：按相量的关系分解成两个分量： 一一 个分量是个分量是 ，另一个分量是，另一个分量是 ，其中，其中 产生磁动产生磁

4、动 势势 ； 产生磁动势产生磁动势 。 I d I d I q I q I aq F ad F 根据“双反应法”，凸极同步电动机电磁关系如下： f 电磁关系电磁关系 同步电动机的电压平衡方程式同步电动机的电压平衡方程式 1. 凸极同步电动机的电压方程凸极同步电动机的电压方程 不管是励磁磁通不管是励磁磁通 f ， 还是直轴磁通还是直轴磁通 ad 和交轴磁通和交轴磁通 aq， 都都 是以同步转速逆时针旋转，因此都要在定子绕组中产生相应的感是以同步转速逆时针旋转，因此都要在定子绕组中产生相应的感 应电动势。根据同步电动机定子绕组各电量正方向，应电动势。根据同步电动机定子绕组各电量正方向， 可以列出可

5、以列出A 相回路的电压方程相回路的电压方程 0adaq11 jUEEEI RX Rs 定子绕组的相电阻；定子绕组的相电阻； Xs 定子绕阻的相漏电抗。定子绕阻的相漏电抗。 感应电动势感应电动势 、 可以写成可以写成 ad E aq E addad jXIE aqqaq jXIE 式中式中 Xad 直轴电枢反应电抗；直轴电枢反应电抗； Xaq 交轴电枢反应电抗。交轴电枢反应电抗。 整理，可得整理，可得 0dadqaqs11 jjjUEI XI XIRX 得得 0dad1qaq1dq1 jjUEIXXIXXIIR 一般情况下，当同步电动机容量较大时，可忽略电阻一般情况下，当同步电动机容量较大时，可

6、忽略电阻R1，于是，于是 0ddqq jjUEI XI X 式中式中 直轴同步电抗，直轴同步电抗， ； 交轴同步电抗交轴同步电抗 。 在一般凸极同步电动机中，在一般凸极同步电动机中， 。 2. 隐极同步电动机的电压方程隐极同步电动机的电压方程 对于隐极同步电动机，由于气隙均匀，因而直轴和交轴的对于隐极同步电动机，由于气隙均匀，因而直轴和交轴的 同步电抗在数值上彼此相等，即有同步电抗在数值上彼此相等，即有 dad1 XXX qaq1 XXX qd XX d X q X cqd XXX 式中式中 隐极同步电动机的同步电抗。隐极同步电动机的同步电抗。 c X 这样，由式可写出隐极同步电动机的电压方程

7、为这样，由式可写出隐极同步电动机的电压方程为 （9-5） 3.同步电动机相量图同步电动机相量图 同步电机作为电动机运行时，电源必须向电机的定子绕组同步电机作为电动机运行时，电源必须向电机的定子绕组 输入有功功率，这时输入电动机的有功功率输入有功功率，这时输入电动机的有功功率P1必须满足必须满足 0c jUEIX 1 3cos0PUI 这就是说，定子相电流的有功分量这就是说，定子相电流的有功分量 应与相电压应与相电压 同相同相 位。位。 由此可见，由此可见， 与与 二者之间的功率因数角二者之间的功率因数角 必须小于必须小于 90 ，才能使电机运行于电动机状态。，才能使电机运行于电动机状态。 1

8、cosI U U I 隐极同步电动机的电压方程式画出的相量图隐极同步电动机的电压方程式画出的相量图 在介绍直流电动机和三相异步电动机时，都 重点分析了对应的机械特性T=(n)，而同步电 动机由于以同步转速n1转动，转速不随转矩 变化，其机械特性为一条直线。 在同步电动机中，功率或转矩是随功角变化 的，所以下面讨论功角特性PM=()和矩角特 性T=()。 同步电动机的功率关系和矩角特性同步电动机的功率关系和矩角特性 同步电动机的功率方程同步电动机的功率方程 同步电动机从电源吸收有功功率同步电动机从电源吸收有功功率P1 ，在扣除消耗于定子绕，在扣除消耗于定子绕 组的铜损耗组的铜损耗 后，转变为电磁

9、功率后，转变为电磁功率PM ，即有，即有 2 Cu 3 ss pI R 1CuM PpP 从电磁功率从电磁功率PM里再扣除铁损耗里再扣除铁损耗 和机械摩擦损耗和机械摩擦损耗 后，后， 得到输出给负载的机械功率得到输出给负载的机械功率P2 Fe p m p MFem2 PppP 其中，铁损耗其中，铁损耗 与机械损耗与机械损耗 之和称为空载损耗之和称为空载损耗P0 ，即，即 Fe p m p 0Fem Ppp 同步电动机的功率关系和矩角特性同步电动机的功率关系和矩角特性 同步电动机的电磁功率与功角特性同步电动机的电磁功率与功角特性 对于凸极同步电动机，当忽略定子绕组的电阻对于凸极同步电动机，当忽略

10、定子绕组的电阻R1 时，同步时，同步 电动机的电磁功率为电动机的电磁功率为 M1 3cosPPUI 由凸极同步电动机的相量图可见，由凸极同步电动机的相量图可见， ，于是，于是 3coscos3sinsin M PUIUI 此外，根据相量图可得此外，根据相量图可得 d q dd0 qq sin cos cos sin II II I XEU I XU 考虑以上这些关系，得考虑以上这些关系，得 接在电网上运行的同步电动机，已知电源电压接在电网上运行的同步电动机，已知电源电压U、 电源的频电源的频 率率f1都维持不变，如果保持电动机的励磁电流都维持不变，如果保持电动机的励磁电流If 不变，则对应的不

11、变，则对应的 电动势电动势E0 的大小也是常数，此外电动机的参数的大小也是常数，此外电动机的参数Xd 、Xq又是已知又是已知 的常数，这样同步电动机的电磁功率的常数，这样同步电动机的电磁功率PM 就仅仅是就仅仅是的函数，的函数， 当当 角变化时，电磁功率角变化时，电磁功率PM也跟着变化。也跟着变化。 我们把我们把 的关系定的关系定 义为同步电动机的功角特性，义为同步电动机的功角特性， 由此所绘制出的曲线称为由此所绘制出的曲线称为功角特功角特 性曲线性曲线。 2 dq 0 M ddq 3 3sinsin2 2 UXX E U P XX X M ( )Pf 上式所示凸极同步电动上式所示凸极同步电动

12、 机的电磁功率机的电磁功率PM 中，第一中，第一 项与励磁电流项与励磁电流If 的大小有关，的大小有关， 称为称为励磁电磁功率励磁电磁功率。第二项。第二项 与励磁电流与励磁电流If 的大小无关，的大小无关， 是由参数是由参数 引起的，引起的， 这部分功率只有凸极同步电这部分功率只有凸极同步电 动机才有，而对隐极同步电动机才有，而对隐极同步电 动机则不存在，所以该电磁动机则不存在，所以该电磁 功率称为功率称为凸极电磁功率凸极电磁功率。第。第 一项励磁电磁功率是主要的，一项励磁电磁功率是主要的， 第二项凸极电磁功率比第一第二项凸极电磁功率比第一 项小得多。项小得多。 0 M1 d 3 sin E

13、U P X 2 dq M2 dq 3 sin2 2 UXX P X X qd XX 将功率平衡式两边同除以将功率平衡式两边同除以，得到同步电动机的转矩平衡，得到同步电动机的转矩平衡 方程方程 20 TTT 式中式中 T0空载转矩。空载转矩。 将电磁功率的表达式代入上式，得到的电磁转矩为将电磁功率的表达式代入上式，得到的电磁转矩为 2 dq 0 e ddq 3 3sinsin2 2 UXX E U T XX X 上式说明，在电源电压上式说明，在电源电压Us 、电源的频率、电源的频率f1、励磁电流、励磁电流 If 都保都保 持不变时，同步电动机的电磁转矩持不变时，同步电动机的电磁转矩T也仅是也仅是

14、的函数。的函数。 即当即当 角变角变 化时，电磁转矩化时，电磁转矩T也跟着变化。把也跟着变化。把 的关系定义为同步电动的关系定义为同步电动 机的矩角特性，由此所绘制出的曲线称为矩角特性曲线。机的矩角特性，由此所绘制出的曲线称为矩角特性曲线。 功角功角 特性与矩角特性的表达式相互之间仅相差一个比例常数特性与矩角特性的表达式相互之间仅相差一个比例常数 ( )Tf 若是隐极式同步电动若是隐极式同步电动 机，因机，因Xd =Xq ，则功角特，则功角特 性和矩角特性的表达式为性和矩角特性的表达式为 0 c 3sin s M E U P X 0 3sin c E U T X 稳定运行稳定运行 下面以隐极同

15、步电动机为例来讨论同步电动机的稳定运行问下面以隐极同步电动机为例来讨论同步电动机的稳定运行问 题。由图可见，当电动机拖动负载运行在题。由图可见，当电动机拖动负载运行在 = 0 90 的范围内，的范围内， 电动机能够稳定运行；当电动机拖动负载运行在电动机能够稳定运行；当电动机拖动负载运行在 = 90 180 的的 范围内，电动机不能够稳定运行。范围内，电动机不能够稳定运行。 如果与异步电动机一样，将最大电磁转矩如果与异步电动机一样，将最大电磁转矩Tm与额定电磁转矩与额定电磁转矩 TN之比，称为过载倍数，用之比，称为过载倍数，用 表示。这里表示。这里 5 . 32 sin 90sin N o N

16、m T T 可见，可见， 为了满足过载限制的要求，为了满足过载限制的要求， 隐极同步电动机额定运隐极同步电动机额定运 行时，行时， 。对于凸极同步电动机，额定运行时的功率。对于凸极同步电动机，额定运行时的功率 角还要小些。角还要小些。 当负载改变时，当负载改变时，角随之变化，就能使同步电动机的电磁转矩角随之变化，就能使同步电动机的电磁转矩 T或电磁功率或电磁功率PM跟着变化，以达到新的平衡状态。在同步电动机跟着变化，以达到新的平衡状态。在同步电动机 稳定运行时，电机的转子转速稳定运行时，电机的转子转速n是严格按照同步转速旋转，不发生是严格按照同步转速旋转，不发生 任何变化。任何变化。所以，同步

17、电动机的机械特性为一条水平的直线。所以，同步电动机的机械特性为一条水平的直线。 oo N 5 .1630 同步电动机的功率因数调节同步电动机的功率因数调节 当同步电动机接在交流电源上，可以认为电源的电压当同步电动机接在交流电源上，可以认为电源的电压U以及频以及频 率率f1都保持不变。另外，假设同步电动机拖动的有功负载也保持不都保持不变。另外，假设同步电动机拖动的有功负载也保持不 变，变，仅改变同步电动机的励磁电流仅改变同步电动机的励磁电流If ，就能调节同步电动机的功，就能调节同步电动机的功 率因数。率因数。为分析方便起见，以隐极同步电动机为例，为分析方便起见，以隐极同步电动机为例， 并忽略电

18、并忽略电 机中的各种损耗。机中的各种损耗。 假若同步电动机的负载保持不变，假若同步电动机的负载保持不变， 则电动机转轴上的输出则电动机转轴上的输出 转矩转矩T2也不变，如果忽略空载转矩，有也不变，如果忽略空载转矩，有 。 可见，当可见，当T2不不 变时，可以认为电磁转矩变时，可以认为电磁转矩T也不变，也不变， 2 TT 0s 3sin c E U T X 常数常数sin 0 E 这说明这说明当改变励磁电流当改变励磁电流If时，电动势时，电动势E0的大小也要跟着改变的大小也要跟着改变，以满，以满 足上式的关系。足上式的关系。 当负载转矩不变时，由于同步电动机的转速恒定不变，所以当负载转矩不变时，

19、由于同步电动机的转速恒定不变，所以 同步电动机的输出功率不变。在忽略电机中的各种损耗的情况下，同步电动机的输出功率不变。在忽略电机中的各种损耗的情况下， 同步电动机的输入功率与输出功率相等。于是有同步电动机的输入功率与输出功率相等。于是有 上式的物理意义是：上式的物理意义是：在只改变励磁电流的情况下，同步电动在只改变励磁电流的情况下，同步电动 机定子绕组中电流的有功分量保持不变由此机定子绕组中电流的有功分量保持不变由此可画出隐极同步电动可画出隐极同步电动 机在三种不同励磁电流时的相量图。机在三种不同励磁电流时的相量图。 1 3cosPUI常数 在电压在电压U 不变的条件下，必有不变的条件下，必

20、有 cosI常数 当改变同步电动机当改变同步电动机 的励磁电流时，能够改的励磁电流时，能够改 变同步电动机的功率因变同步电动机的功率因 数，这点是三相异步电数，这点是三相异步电 动机所不具备的。动机所不具备的。当改当改 变励磁电流时，同步电变励磁电流时，同步电 动机功率因数变化的规动机功率因数变化的规 律可以分为三种情况，律可以分为三种情况， 即即正常励磁状态、欠励正常励磁状态、欠励 状态和过励状态状态和过励状态。同步。同步 电动机拖动负载运行时，电动机拖动负载运行时， 一般要过励，至少运行一般要过励，至少运行 在正常励磁状态，不要在正常励磁状态，不要 让 它 运 行 在 欠 励 状让 它 运 行 在 欠 励 状 态。态。 同步电动机的同步电动机的U形曲线形曲线 同步电动机的同步电动机的U形曲线是指当电源电压和电源的频率均为额定形曲线是指当电源电