电机原理与拖动5同步电机

1、同步电机同步电机同步电机是交流旋转电机的一种同步电机是交流旋转电机的一种, , 因其转速恒等于同因其转速恒等于同 步转速而得名。步转速而得名。第一节第一节 概概 述述 同步电机同步电机-n=ns(ns为同步转速）为同步转速）异步电机异步电机-n ns交流旋转电机交流旋转电机1160fnp同步电机主要用作发电机，用来生产交流电能。现代同步电机主要用作发电机，用来生产交流电能。现代 电力网中巨大的电能几乎全部由同步发电机提供。电力网中巨大的电能几乎全部由同步发电机提供。 同步电动机多用在不需调速的场合。同步电动机多用在不需调速的场合。 同步电机的用途同步发电机同步发电机：把机械能转化成电能。向电网

2、发出交流：把机械能转化成电能。向电网发出交流电，是同步电机最主要的运行方式电，是同步电机最主要的运行方式同步电动机：同步电动机：把电能转化成机械能。在不要求调速的把电能转化成机械能。在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用地应用同步补偿机：同步补偿机：实际是一台接在交流电网上空载的同步实际是一台接在交流电网上空载的同步电动机，电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励电动机，电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感

3、性或者容性无功功率，以磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。 与感应电机一样，同步电机也是由定子及与感应电机一样，同步电机也是由定子及转子两大部分所组成，定子上有三相交流转子两大部分所组成，定子上有三相交流绕组；转子上则有励磁绕组，通入直流电绕组；转子上则有励磁绕组，通入直流电流后，能产生磁场。流后，能产生磁场。 定子：定子：同步电机的定子也称为电枢，由定同步电机的定子也称为电枢，由定子铁芯、电枢三相绕组、机座和端盖等部子铁芯、电枢三相绕组、机座和端盖等部件所组成。件所组成。同步电机的基本结构同步电

4、机的结构同步电机的结构 1.1.定子部分定子部分定子铁心：由导磁性能很好的硅钢片叠成定子铁心：由导磁性能很好的硅钢片叠成导磁部分。导磁部分。定子绕组：放在定子铁心内圆槽内定子绕组：放在定子铁心内圆槽内导电部分。导电部分。 机座：固定定子铁心及端盖，具有较强的机械强度和刚度。机座：固定定子铁心及端盖，具有较强的机械强度和刚度。定子和转子两大部分定子和转子两大部分 同步电机的结构同步电机的结构同步电机的结构同步电机的结构 同步电机的定子铁芯是由硅钢片冲制后同步电机的定子铁芯是由硅钢片冲制后叠装而成。当大型同步电机冲片外圆的叠装而成。当大型同步电机冲片外圆的直径大于直径大于1m时，由于材料标准尺寸的

5、限时，由于材料标准尺寸的限制，必须做成制，必须做成 扇形冲片，然后按圆周拼扇形冲片，然后按圆周拼合起来叠装而成。合起来叠装而成。 如图所示：如图所示：同步电机的结构同步电机的结构 转子：转子： 同步电机的转子有两种结构型式，同步电机的转子有两种结构型式，即凸极式和隐极式。这是根据定转子之即凸极式和隐极式。这是根据定转子之间的气隙的分布情况来定义的。间的气隙的分布情况来定义的。见图：见图：同步电机的结构同步电机的结构 转子部分转子部分转子铁心：由硅钢片叠成。转子铁心：由硅钢片叠成。 凸凸极式极式 隐极式隐极式NSNSNS凸极式凸极式隐极式隐极式同步电机的结构同步电机的结构同步电机的结构同步电机的

6、结构 1）凸极式：）凸极式：由上图可见，转子有明显的突出的由上图可见，转子有明显的突出的磁极，气隙分布不均匀。磁极，气隙分布不均匀。2）隐极式）隐极式：转子作成圆柱形，气隙均匀分布。：转子作成圆柱形，气隙均匀分布。 区别：对于高速旋转区别：对于高速旋转 的同步电机，在转子结构的同步电机，在转子结构上，采用隐极式，而对于低速旋转的电机，由上，采用隐极式，而对于低速旋转的电机，由于转子的圆周速度较低，离心力较小，故采用于转子的圆周速度较低，离心力较小，故采用制造简单、励磁绕组集中安放的凸极式结构。制造简单、励磁绕组集中安放的凸极式结构。 大型同步发电机通常用汽轮机或水轮机作为原大型同步发电机通常用

7、汽轮机或水轮机作为原动机来拖动，故前者称为汽轮发电机，后者称动机来拖动，故前者称为汽轮发电机，后者称为水轮发电机。为水轮发电机。汽轮发电机：转速高，采用隐极式。汽轮发电机：转速高，采用隐极式。水论发电机：转速低，采用凸极式。水论发电机：转速低，采用凸极式。同步电机的结构同步电机的结构同步电机的结构同步电机的结构 同步电机的结构同步电机的结构同步电机的结构同步电机的结构 同步电机的结构同步电机的结构同步电机的结构同步电机的结构 10000kW10000kW水轮发电机转子水轮发电机转子同步电机的结构同步电机的结构同步电机的结构同步电机的结构 同步电机的工作原理同步电机的工作原理机械端口机械端口转子

8、转子定子绕组定子绕组定子铁心定子铁心电端口电端口ABCU2U1W2V1W1V2snNSNSn一一. . 同步电动机的转动原理同步电动机的转动原理1 1三相对称绕组通往三相对称三相对称绕组通往三相对称电流产生圆形旋转磁场。电流产生圆形旋转磁场。2 2转子励磁绕组上通直流电，转子励磁绕组上通直流电，使转子铁心成为有固定磁极的使转子铁心成为有固定磁极的电磁铁。电磁铁。3 3转子受磁场力作用，形成电磁转子受磁场力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转，将电转矩，驱动电动机旋转，将电能转化为机械能。能转化为机械能。同步电动机的工作原理同步电动机的工作原理同步电动机的工作原理同步电动机的工作原理二二. . 同

9、步发电机的基本工作原理同步发电机的基本工作原理U2U1W2V1W1V2NSn2 2原动机拖动转子以转速原动机拖动转子以转速n旋转，旋转，形成旋转的磁场。形成旋转的磁场。1 1：转子励磁绕组上通直流电，：转子励磁绕组上通直流电，使转子铁心成为有固定磁极的使转子铁心成为有固定磁极的电磁铁。电磁铁。3 3旋转的磁场切割定子绕组而旋转的磁场切割定子绕组而感应出交流电动势。感应出交流电动势。 频率：频率：60pnf 同步发电机必须需要同步发电机必须需要励磁：励磁：直流发电机直流发电机可控硅励磁可控硅励磁大容量场合不提倡大容量场合不提倡永磁发电机。永磁发电机。发电机发出的交流电频率是发电机发出的交流电频率

10、是50Hz,50Hz,转速为转速为500r/min500r/min。则此发。则此发电机有几对极？电机有几对极？同步电机的工作原理同步电机的工作原理汽轮发电机汽轮发电机转速高、离心力大转速高、离心力大(p=1,p=2)(p=1,p=2)隐极式隐极式同步电机的分类同步电机的分类水轮发电机水轮发电机转速低、极数多转速低、极数多凸极式凸极式同步电机的分类同步电机的分类同步电机的额定值同步电机的额定值同步电机的额定值有：同步电机的额定值有：额定电压：是指在正常运行时，按照制造厂的规定，额定电压：是指在正常运行时，按照制造厂的规定，定子三相绕组上的定子三相绕组上的线电压线电压。电压的单位用。电压的单位用V

11、 V或或kVkV表表示。示。额定电流：流过定子绕组的线电流额定电流：流过定子绕组的线电流 。额定功率：是指在正常运行时，电机的额定功率：是指在正常运行时，电机的输出功率输出功率 。A：对于发电机而言：输出的是电功率。：对于发电机而言：输出的是电功率。3cosNNNNPU I3cosNNNNNPU IB B：对于电动机而言：输出的是机械功率。：对于电动机而言：输出的是机械功率。相数相数mm：一般：一般m=3m=3。额定频率额定频率: :我国额定工业频率规定我国额定工业频率规定 f f N N=50Hz.=50Hz.额定转速：额定转速即为电机的同步速，在一定极额定转速：额定转速即为电机的同步速，在

12、一定极数及频率时，它的转速是定值。数及频率时，它的转速是定值。额定励磁电压额定励磁电压4.4.额定励磁电流额定励磁电流同步电机的额定值同步电机的额定值 电势aFFF0aEEE01F1El隐极机隐极机 定子电压方程：定子电压方程： jxrIEU1111xI jEU111（不计 ） 1rxI jEEUa101定子漏抗 xxI jEUa101电枢反应电抗 cxI jEU101同步电抗 第二节第二节 同步电动机的电动势向量图同步电动机的电动势向量图直流磁动势直流磁动势电枢磁动势电枢磁动势 等效电路 1r0E1Ucx1E1I1Ux 相量图相量图 凸极机 双反应原理 同步电机模型（图7-11） 磁路各向不

13、同性： adaqaadxqxxxf轴方向：磁导率大，大轴方向：磁导率小，大其他方向：磁导率随位置变化， 变化，dq处理方法： 双反应原理分解21CxCxxaqada 方程式： aFFF0aqadaFFFaqadaEEEqdIII1aqqaddaxI jxI jxI j1xI jxI jxI jqd1qqddcxI jxI jxI j1直轴电枢反应电抗 交轴电枢反应电抗 直轴同步电抗 交轴同步电抗 qqddxI jxI jEU01 相量图)()(1110的的夹夹角角与与忽忽略略的的夹夹角角与与EUIE内功率因数角：内功率因数角： 隐极机隐极机 ：（特例：（特例） cqdxxxqdIII1第三节

14、同步电动机的功率关系、转矩平衡和矩角特性 概述 机械特性 Tn1n负载过重，停机（失步）：负载过重，停机（失步）：电压施加在漏阻抗上（此时电压施加在漏阻抗上（此时无感应电势）；事故状态。无感应电势）；事故状态。 研究对象：研究对象： fPM fT 1MPTCnn1CTTL ,稳稳态态：功角物理意义1U0E11EU1E0EF0F是是与与夹角，（认为夹角，（认为），则功角为），则功角为和和夹角，即夹角，即和和夹角。夹角。见图见图7-11T 0 090 90 90180 180 0 + max + -OPM / T 90o PM(T) U1铁损耗铁损耗机械损耗机械损耗附加损耗附加损耗空载损耗空载损耗

15、 P0 = pFepmps输出功率输出功率 P2 = PMP0功率关系功率关系 P1 = pCuPM = pCupFepmpsP2 效率效率P1PCuPMP0P2 = 100% % P2P1功率关系(1) 转矩平衡关系转矩平衡关系 T2 = TT0(2) 电磁转矩电磁转矩T = PM1= 9.55PMn1(3) 空载转矩空载转矩T0 = P01= 9.55P0n1T2 = P21(4) 输出转矩输出转矩= 9.55P2n1TN = 9.55PNn1T2N = 9.55PNn1 忽略忽略 P0 (T0)，则有，则有 T2 = T T2N = TN 转矩平衡同步电动机功（矩）角特性：在外加电压和励

16、同步电动机功（矩）角特性：在外加电压和励磁条件不变的条件下，电磁功率（转矩）随磁条件不变的条件下，电磁功率（转矩）随功角的变化关系曲线。功角的变化关系曲线。输入功率（不计励磁功率）输入功率（不计励磁功率） P1 = 3U1I1cos 电磁功率电磁功率(忽略铜损忽略铜损) PM P1 = 3U1I1cos = 3 U1I1cos(- ) =3 U1I1coscos +3 U1I1sinsin =3 U1Iqcos +3 U1Idsin 功（矩）角特性 U1 fPM PM3U1E0Xd = sin 1Xq ( ) sin2 3U1221Xd3U1E0Xd T = sin 1Xq+ ( ) sin2

17、 3U1221XdPM = PM PMT = T T U1凸极机凸极机： 3U1E0Xd PM = sin PM E0 ，当转子有励磁即，当转子有励磁即 If 0 时存在。时存在。 1XqPM“ = ( ) sin2 3U1221XdPM 是由于是由于 Xd Xq 而引起的，与而引起的，与 If 是否存在无关。是否存在无关。 结论：结论： PM 使使 PM 。 PM 极值产生在极值产生在90o 处。处。 功角特性与矩角特性功角特性与矩角特性 不再是正弦波。不再是正弦波。 基本分量。基本分量。 附加分量。附加分量。OPM / T 90o PM(T)PMPM凸极机凸极机见图见图7-12a,b 隐极

18、机：隐极机：PM = 3 sin U1E0Xc隐极机隐极机见图见图7-12c,d T = 3 sin U1E0XcOPM / T 90o PM(T)当当 = 90o 时时: 电磁功率和电磁转矩最大电磁功率和电磁转矩最大同步电机的稳定运行问题：同步电机的稳定运行问题：同步电机能否稳定运行，与功角的大小有密切同步电机能否稳定运行，与功角的大小有密切关系。在这里，我们先来看一下什么是电机关系。在这里，我们先来看一下什么是电机的静态稳定，为了分析简便起见，略去铁芯的静态稳定，为了分析简便起见，略去铁芯损耗和机械损耗损耗和机械损耗 ，这样，可得，这样，可得P1=PM，静态稳定：电机在运行时，受到外界的干

19、扰，静态稳定：电机在运行时，受到外界的干扰，从而导致运行偏离原先的运行点，而当干扰从而导致运行偏离原先的运行点，而当干扰撤去后，电机又能自行回到原先的点继续工撤去后，电机又能自行回到原先的点继续工作，就叫做电机的静态稳定。作，就叫做电机的静态稳定。 隐极机稳定性分析：隐极机稳定性分析： 1）在）在a点，点， P1=PM，即输入即输入P1和输出和输出PM相相等，电机稳态运行等，电机稳态运行 2）来一个干扰，假定使得）来一个干扰，假定使得P1增加到增加到P1 ， 显然电机的转速将增大，因为功角显然电机的转速将增大，因为功角和转速成正比关系变化，所以，功角也和转速成正比关系变化，所以，功角也将增大，

20、推出将增大，推出PM也增大也增大 ，这样一来，这样一来，我们可以看出在我们可以看出在b点电机将达到一个新点电机将达到一个新的平衡点，从而继续稳定运行。的平衡点，从而继续稳定运行。OPM / T 90o PM(T) 3）由此可以推出，当功角在）由此可以推出，当功角在00-900之间变化时，发电机有自动保之间变化时，发电机有自动保持同步的能力，持同步的能力，是发电机稳定运行区域。在稳定运行范围内，电磁是发电机稳定运行区域。在稳定运行范围内，电磁功率的改变只会改变功角的大小，而转子的稳定转速是不会改变的功率的改变只会改变功角的大小，而转子的稳定转速是不会改变的，永远以同步速旋转。，永远以同步速旋转。

21、 4）而在）而在9001800之间，电机是不稳定运行的，在功角之间，电机是不稳定运行的，在功角= 900时，时，输输入的机械功率到达与最大电磁功率相等。当功角大于入的机械功率到达与最大电磁功率相等。当功角大于900时将失去同时将失去同步，失去同步后，装在电网与电动机之间的保护开关产生动作，将步，失去同步后，装在电网与电动机之间的保护开关产生动作，将电动机从电网上拉开。电动机从电网上拉开。P1P1结论结论 稳定性 隐极机：以 为界限090稳定 90不稳定 v凸极机：以最高点为界限。OPM / T 90o PM(T)3020 N倍32sin1N090第四节 励磁调节 概述 以隐极机为例： cxI

22、jEU101fI0E1I都可能都可能同相同相滞后于滞后于引前于引前于11UU改变改变，变化变化 相位相位可以通过可以通过调节直流励磁电流使电动机对调节直流励磁电流使电动机对电网呈电容性电网呈电容性。 定子电流轨迹 cxI jEU101011abccEUIjjIIxx CIfCIb 即即 LT1I轨迹如教材图轨迹如教材图7-14 圆弧圆弧 LTK：空载，同步，纯电容；：空载，同步，纯电容；D：额定附近，容性负载；：额定附近，容性负载； E： 11,IU同相，纯电阻；同相，纯电阻； F： 90电感性负载。电感性负载。 CIfLT变（大幅），对变（大幅），对电网影响恶劣。电网影响恶劣。 0EKEFD

23、 有功功率恒定时的励磁调节 CTL（图7-15 ）CIUP1111cos3CU 1CI11cos11,IU1cos1平励：平励：同相，同相，电机损耗最小，出力最大，阻性。，电机损耗最小，出力最大，阻性。 1I1U9 . 0cos1过励：过励：引前引前，额定工作，额定工作，左右，容性。左右，容性。 1I1U欠励：欠励：滞后滞后，感性（不希望），感性（不希望） lU形曲线形曲线 保持保持P恒定，恒定， fbIfIfI1baccIIxEjxUjI011（图7-15）U形特性曲线曲线最低点是正常励磁点，Cos1=1，以此点为界，左面是欠励磁状态，右面是过励磁状态。（图7-15）当负载变为另一个大的恒定

24、负载时，U曲线向右上移动。励磁电流的调节:1、如果电网功率因数很高，则同步电动机工作在正常励磁最为理 想， Cos1=1，I1最小，铜耗最小，效率最高。2、如果电网功率因数很低，则同步电动机工作在过励磁状态，且 使励磁电流尽可能调到最大，以定子电流不超过允许值为限。IfIf1I1If2同步补偿机 同步补偿机，也称同步调相机，是一台不带机械负同步补偿机，也称同步调相机，是一台不带机械负载的同步电动机，专门用于发出（吸收）无功功率。载的同步电动机，专门用于发出（吸收）无功功率。一、两种运行方式一、两种运行方式1I1U1.过励：过励： 为过励时，为过励时， 领先于领先于 ，吸收容性无功功率，即发，吸

25、收容性无功功率，即发 出感性无功功率。出感性无功功率。1U1I2.欠励：欠励： 落后于落后于 ，吸收感性无功功率。，吸收感性无功功率。画出过励、欠励时矢量图如下，动态相量图（画出过励、欠励时矢量图如下，动态相量图（图图7-17） ：同步补偿机在电网补偿中的用途同步补偿机在电网补偿中的用途1受控补偿受控补偿 （2）当电网负荷很轻时，高压长输电线路将呈现较）当电网负荷很轻时，高压长输电线路将呈现较大的电容作用，使受端电网电压升高，此时，同步大的电容作用，使受端电网电压升高，此时，同步补偿机应运行在欠励状态，吸收电网中多余的无功补偿机应运行在欠励状态，吸收电网中多余的无功功率。功率。（1）当电网负荷

26、较大时，为了改善功率因素，同）当电网负荷较大时，为了改善功率因素，同步补偿机应过励运行步补偿机应过励运行.2、中间补偿、中间补偿 （1）0sin( , )E UPP uX（2）当）当 时对稳定有利，因为时对稳定有利，因为 ， 角减小，稳定角减小，稳定 提高提高X0E UX（3）当保持原过载能力时，输送的功率将增大。）当保持原过载能力时，输送的功率将增大。（4）中间加补偿机相当于线路的）中间加补偿机相当于线路的 减小，提高了稳减小，提高了稳定性或增加输出。定性或增加输出。X同步补偿机特点同步补偿机特点1、因不带机械负载，补偿机转轴可以比细、因不带机械负载，补偿机转轴可以比细.2、由于没有稳定问题

27、，、由于没有稳定问题， 可较大，使得气隙较小，可较大，使得气隙较小， 励磁也较小，转子用铜量少励磁也较小，转子用铜量少.CX3、额定容量对应过励而言、额定容量对应过励而言.4、也存在起动问题，可以利用异步起动，加起动绕、也存在起动问题，可以利用异步起动，加起动绕 组组。其他其他1、水电站在枯水期间，水轮发电机可作调相运行、水电站在枯水期间，水轮发电机可作调相运行2、在同时有水轮机和汽轮发电机的电网，丰水期、在同时有水轮机和汽轮发电机的电网，丰水期间，水轮发电机发有功功率，汽轮发电机作调相间，水轮发电机发有功功率，汽轮发电机作调相机运行。机运行。 例71，P256题意：某企业变电所，变压器容量为

28、1000KVA，二次电压为6000V。 已用的容量为有功功率400KW、无功功率400KVAR（感性） 现在企业要增加一台异步电动机：PN=500KW，UN=6000V nN=370r/min，cosN=0.78,=0.92。选用一台同步电动机进 行功率补偿：PN=550KW，UN=6000V，IN=64A nN=375r/min， =0.92。1、不增加变电所容量是否可行。2、调节If向电网提供无功功率，调到I1额定时，求同步电动机输入 的有功功率；向电网提供的无功功率；电动机此时的功率因数； 再求出此时电源变压器的有功功率；无功功率及视在功率。解 一、选用异步机时它正好运行在额定状态(不加

29、同步机时)1.异步机输入的有功功率为2.异步机从电网吸收的无功功率为3.变压器输出的总有功功率为4.变压器输出的总无功功率为5.变压器的总视在功率为kwIUP1.54378.06760003cos31111var7.4356258.06760003sin3111kIUQKWKWP1.943)1.543400(var7.835var)7.435400(KKQKVAQPS12607.8351.9432222视在功率已超过变压器容量,如不采取措施就不能正常工作.二、选用同步电动机时，假定输出功率仍为500KW，效率仍为0.921.同步电动机从电网吸收的有功功率为2.调节If使I1额定,此时电动机的视在功率为3.同步机向电网提供的无功功率为4.同步电动机功率因数为KWPPN5.54392.0500/21KVAIUSNN1.66564600033var4.3835.5431.6652222KPSQ817.0cosSP5. 变压器输出的总有功功率为6. 变压器的无功功率为7. 变压器的视在功率为 可见,选用同步电动机时,由于补偿了