电机与拖动第5章同步电机的基本理论1-7

1、whh制作 *5.7 微型同步电动机微型同步电动机5.10 三相同步发电机的运行特性三相同步发电机的运行特性第第 5 章章 同步电机的基本理论同步电机的基本理论5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构5.1 三相同步电机的工作原理三相同步电机的工作原理5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构5.3 三相同步电动机的运行分析三相同步电动机的运行分析5.4 三相同步电动机的功率和转矩三相同步电动机的功率和转矩5.5 三相同步电动机的的运行特性三相同步电动机的的运行特性5.6 三相同步电动机功率因数的调节三相同步电动机功率因数的调节5.8 三相同步发电机的运行分析三相同步发电

2、机的运行分析5.9 三相同步发电机的功率和转矩三相同步发电机的功率和转矩5.11 同步发电机与电网的并联运行同步发电机与电网的并联运行5.1 三相同步电机的工作原理三相同步电机的工作原理电机与拖动电机与拖动*5.12 同步发电机的三相突然短路同步发电机的三相突然短路whh制作 v同步电机主要用作发电机，也可用作同步电机主要用作发电机，也可用作电动机电动机和调相机和调相机 同步电机是同步电机是交流旋转电机交流旋转电机的一种的一种, ,转速恒等于同步速转速恒等于同步速。电动机的转速电动机的转速不不随随负载和电压负载和电压的变化而变化的变化而变化。广泛的应用在需要恒速运转的自动控制装置中，例如广泛的

3、应用在需要恒速运转的自动控制装置中，例如自动和遥控装置；无线电通讯设备；自动和遥控装置；无线电通讯设备； 同步联络系统；同步联络系统； 磁带录音和钟表工业等。磁带录音和钟表工业等。 V1V2W2W1U1U2NS5.1 三相同步电机的工作原理三相同步电机的工作原理定子定子+UfIf转子转子励磁励磁绕组绕组 定子（电枢）定子（电枢） 旋转磁场。旋转磁场。 转子转子 直流磁极。直流磁极。 第第5章章 同步电机的基本理论同步电机的基本理论励磁励磁电流电流V1V2W2W1U1U2NS5.1 三相同步电机的工作原理三相同步电机的工作原理+UfIf一、三相同步电动机一、三相同步电动机 转子转速转子转速同步同

4、步第第5章章 同步电机的基本理论同步电机的基本理论60 f1pn = n0 = 旋转旋转 Fam和和a 电枢三相电枢三相交流电流交流电流励磁机励磁励磁机励磁F0m和和0相互作用相互作用Tn 同步电动机中的磁通势同步电动机中的磁通势 电枢旋转磁通势电枢旋转磁通势 Fam转子旋转磁通势转子旋转磁通势 F0m气隙旋转磁通势气隙旋转磁通势 F m NSSNnn0 电枢反应电枢反应 Fam 对对 Fm 的影响。的影响。5.1 三相同步电机的工作原理三相同步电机的工作原理F用交流电流作励磁电流？用交流电流作励磁电流？定转子磁极对数必须相同？定转子磁极对数必须相同？n可否不等于可否不等于n0NSSNSNSN

5、 nnFFFFNSSSNNV1V2W2W1U1U2NS 同步电动机中同步电动机中 功角功角 NSSNn0n0NSSN电动机状态电动机状态n0n0理想空载状态理想空载状态F0mFamFm功功角角5.1 三相同步电机的工作原理三相同步电机的工作原理 同步电动机中的感应电动势同步电动机中的感应电动势 V1V2W2W1U1U2NSF0mFamFmF0m电枢三相电枢三相 绕组中感应绕组中感应 E0Fm电枢三相电枢三相 绕组中感应绕组中感应 E1 E0 在时间上滞后于在时间上滞后于 E1角角 F0m 在空间上在空间上 滞后于滞后于Fm角角 E0 在时间上滞后于在时间上滞后于 E1角角 5.1 三相同步电机

6、的工作原理三相同步电机的工作原理二、三相同步发电机二、三相同步发电机 励磁机励磁机F0m 旋转的旋转的 F0 m和和0E0 原动机原动机电枢三相电枢三相 绕组中感应绕组中感应 SNn0NSn0发电机运行发电机运行NSSNn0n0 理想空载状态理想空载状态 V1V2W2W1U1U2NSF0mFamFm5.1 三相同步电机的工作原理三相同步电机的工作原理 三相同步电机的可逆运行三相同步电机的可逆运行NSSNn0n0电动机状态电动机状态NSSNn0n0理想空载状态理想空载状态SNn0NSn0发电机运行发电机运行5.1 三相同步电机的工作原理三相同步电机的工作原理三相同步发电机空载运行时三相同步发电机

7、空载运行时电枢（定子）：电枢（定子）： I1 (Fam ) = 0转子每极磁通：转子每极磁通： 0 空载电动势：空载电动势： E0 = 4.44 kw1 N1f1 0m 或或电枢相电压：电枢相电压： U0P = E0电枢线电压（电枢线电压（Y 形联结）：形联结）：E0 = j4.44 kw1 N1f1 0E0 的频率：的频率：f1 =pn60如果：如果： f1 = 50Hz，则：则： pn = 3 000 5.1 三相同步电机的工作原理三相同步电机的工作原理U0L =3 E0 三相同步发电机负载运行时三相同步发电机负载运行时 电枢旋转磁通势电枢旋转磁通势 Fam转子旋转磁通势转子旋转磁通势 F

8、0m气隙旋转磁通势气隙旋转磁通势 Fm 同步发电机中的感应电动势同步发电机中的感应电动势 V1V2W2W1U1U2NSF0mFamFmF0m电枢三相电枢三相 绕组中感应绕组中感应 E0Fm电枢三相电枢三相 绕组中感应绕组中感应 E1E0 在时间上超前于在时间上超前于 E1角角F0m 在空间上在空间上 超前于超前于Fm角角 5.1 三相同步电机的工作原理三相同步电机的工作原理5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构一、主要部件一、主要部件1. 定子（电枢）定子（电枢）由硅钢片叠成。由硅钢片叠成。对称三相绕组。对称三相绕组。(1)定子铁心：定子铁心：(2)定子绕组：定子绕组：(3)机座

9、和端盖等。机座和端盖等。第第5章章 同步电机的基本理论同步电机的基本理论钢板焊接而成，钢板焊接而成，有足够的强度有足够的强度和钢度。和钢度。2. 转子转子(1)转子铁心转子铁心:由整块铸（锻）钢制成。由整块铸（锻）钢制成。(2)励磁绕组励磁绕组: 工作时施加直流励磁。工作时施加直流励磁。(3)阻尼绕组：阻尼绕组：阻尼机械振荡；作启动绕组阻尼机械振荡；作启动绕组(4)转轴转轴(5)护环：护环：保护励磁绕组受离心力时不甩出保护励磁绕组受离心力时不甩出(6)中心环：中心环：支持护环，阻止转子绕组轴向移动支持护环，阻止转子绕组轴向移动(7)滑环：滑环：引励磁电流经电刷、滑环进入励磁绕组引励磁电流经电刷

10、、滑环进入励磁绕组阻尼绕组阻尼绕组第第5章章 同步电机的基本理论同步电机的基本理论为什么不用硅为什么不用硅钢片叠成？钢片叠成？一、主要部件一、主要部件二、励磁方式二、励磁方式1. 直流励磁机励磁直流励磁机励磁 励磁绕组由小型直流发电机供电。励磁绕组由小型直流发电机供电。2. 静止整流器励磁静止整流器励磁 交流励磁机交流励磁机整流整流直流电直流电3. 旋转整流器励磁旋转整流器励磁 交流励磁机交流励磁机整流整流直流电直流电励磁绕组。励磁绕组。电刷电刷集电环集电环励磁绕组。励磁绕组。 5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构1. 按能量转换的方式不同：按能量转换的方式不同： 同步发动机、

11、同步电动机。同步发动机、同步电动机。2. 按相数的不同按相数的不同: 三相、单相。三相、单相。3. 按转子结构的不同：按转子结构的不同：隐极式、凸极式。隐极式、凸极式。三、主要种类三、主要种类NS+3 3 +NS5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构纵轴，直轴，纵轴，直轴，d轴轴横轴，交轴，横轴，交轴，q轴轴（3）转）转子圆柱形，气隙子圆柱形，气隙均匀，均匀，励磁绕组固定容易。励磁绕组固定容易。隐极式同步电机的转子隐极式同步电机的转子用于要求高转速的场合，用于要求高转速的场合，其转子细而长，气隙均匀。其转子细而长，气隙均匀。其转子粗而短，气隙不均匀。其转子粗而短，气隙不均匀。多用

12、于要求低转速的场合；多用于要求低转速的场合；有明显的凸出的磁极，气有明显的凸出的磁极，气隙不均匀，制作简单。隙不均匀，制作简单。凸极式同步电机凸极式同步电机在低速水轮发电机中，定子铁心的外径和长在低速水轮发电机中，定子铁心的外径和长度之比可达度之比可达5 7或更大或更大励磁机励磁机发电机发电机水轮机水轮机4. 按安装方式的不同按安装方式的不同：5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构 卧式卧式（水平安装）（水平安装） 立式立式（垂直安装）（垂直安装） 5. 按原动机的不同：按原动机的不同： 汽轮发电机、水轮发电机。汽轮发电机、水轮发电机。励励磁磁机机发发电电机机汽汽轮轮机机燃燃烧烧

13、室室燃燃料料锅炉的锅炉的炉膛炉膛循环水循环水汽轮机汽轮机发电机发电机3 600 r/min升压变升压变压器压器超热高压蒸汽超热高压蒸汽电能输出电能输出电能的产生电能的产生5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构 热电厂热电厂1 煤传送带煤传送带2 加煤机加煤机3 粉碎机粉碎机4 锅炉锅炉5 煤渣煤渣6 空气预热器空气预热器 7 静电除尘静电除尘8 烟囱烟囱9 汽轮机汽轮机10 冷凝器冷凝器11变压器变压器12 冷却塔冷却塔13 发电机发电机14 输电线输电线5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构火力发电厂火力发电厂励励磁磁机机发发电电机机汽汽轮轮机机5.2 三相同步电

14、机的基本结构三相同步电机的基本结构 引进引进600MW汽轮发电机汽轮发电机国产国产300MW汽轮发电机汽轮发电机水力发电水力发电5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构 台湾德基大壩 三峡大坝三峡大坝 (1)(1)立式水轮发电机立式水轮发电机(2)(2)卧式水轮发电机卧式水轮发电机5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构水水轮轮发发电电机机现场运行的水轮发电机现场运行的水轮发电机三峡电站首台机组安装三峡电站首台机组安装5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构三峡水轮发电机转子吊装三峡水轮发电机转子吊装小浪底电站水轮机组安装小浪底电站水轮机组安装5.2 三相同

15、步电机的基本结构三相同步电机的基本结构10000kW10000kW水轮机转子水轮机转子三相同步电机三相同步电机5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构 更多的图片更多的图片 三相同步电机三相同步电机5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构 更多的图片更多的图片 同步发电机同步发电机5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构 更多的图片更多的图片 小型同步电机小型同步电机5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构 更多的图片更多的图片 各类同步电动机的图片各类同步电动机的图片四、额定值四、额定值1. 额定电压额定电压 UN ：线电压的额定值。：线电压的

16、额定值。2. 额定电流额定电流 IN ：线电流的额定值。：线电流的额定值。3. 额定功率额定功率 PN ：输出功率的额定值。：输出功率的额定值。 三相同步电动机：三相同步电动机：PN =3 UNIN N N三相同步发电机：三相同步发电机：PN =3 UNIN N4. 额定转速额定转速 nN ：额定运行时的转速。：额定运行时的转速。5. 额定频率额定频率 fN ： 50Hz。5.2 三相同步电机的基本结构三相同步电机的基本结构一、三相隐极同步电动机的运行分析一、三相隐极同步电动机的运行分析第第5章章 同步电机的基本理论同步电机的基本理论1. 基本方程式基本方程式U1I1Uf If F0mFU1

17、I1FamE1 电枢电枢 感应感应合成合成磁通势磁通势U1 = R1I1E E1E =j X I1 漏磁感应电动势：漏磁感应电动势： R1、X 定子每相绕组的电阻、漏电抗。定子每相绕组的电阻、漏电抗。5.3 三相同步电动机的运行分析三相同步电动机的运行分析R1I1 E 漏磁通漏磁通 E1E ( (励磁电动势不变励磁电动势不变) )( (电枢反应电动势随负载变化电枢反应电动势随负载变化) ) 如果不计磁路饱和，则如果不计磁路饱和，则 Uf If F0m 0U1 I1 FamE0aEa E R1I1 E1= E0 + Ea U1 =E1+(R1 j X )I1 所以所以 Ea =j Xa I1 X

18、a 电枢反应电抗。电枢反应电抗。5.3 三相同步电动机的运行分析三相同步电动机的运行分析U1 =E0EaE R1I1 U1 =E0(R1j X j Xa ) I1 U1 =E0(R1jXs ) I1 Xs = X Xa 同步电抗。同步电抗。一般：一般：R1 Xs ，忽略，忽略 R1 ，则，则 U1 =E0j Xs I1 2. 等效电路等效电路R1 jXs+U1I1 +E05.3 三相同步电动机的运行分析三相同步电动机的运行分析如果要考虑到如果要考虑到磁路饱和，而磁路饱和，而又要计算方便，又要计算方便，可以根据磁路可以根据磁路饱和程度找出饱和程度找出相应的相应的Xs值，值，仍用这两个公仍用这两个

19、公式计算。式计算。思考题思考题13. 相量图相量图U1 =E0(R1jXs ) I1 U1(a) 电电感感性性I1 R1 I1jXsI1E0 功率因数角。功率因数角。 内功率因数角。内功率因数角。 已知：已知：E0 滞后于滞后于E1角，角， U1 =E1(R1j X ) I1 因此因此E0 滞后于滞后于 U1。E1（忽略（忽略 R1 和和 X ）(b) 电电阻阻性性U1I1E0 jXsI1 R1 I1=(c) 电电容容性性U1I1 R1 I1 jXsI1 E0 = 5.3 三相同步电动机的运行分析三相同步电动机的运行分析U1 =E0jXs I1 (a) 电电感性感性 U1 I1 jXsI1 E

20、0 如果忽略如果忽略 R1 ，则有，则有 同样有关系同样有关系 = (b) 电阻电阻性性 U1 I1 E0 jXsI1 =(c) 电电容性容性 U1I1 jXsI1 E0 5.3 三相同步电动机的运行分析三相同步电动机的运行分析 思考题思考题2 【例例5.3.1】 某三相隐极同步电动机，某三相隐极同步电动机， PN = 50 kW，UN = 380 V，Y 形联结，形联结， IN = 90 A， N = 0.8（电感性），（电感性），R1 = 0.2 ， Xs = 1.2 。求在上。求在上述条件下运行时的述条件下运行时的 E0、 、 和和 。解：电枢相电压和相电流为解：电枢相电压和相电流为U1

21、 =UN 3 I1 = IN = 90 A = arccos0.8 = 36.87o 取参考相量：取参考相量： U1 = 220 0o V 则则I1 = 90 36.87o A = V = 220 V 380 35.3 三相同步电动机的运行分析三相同步电动机的运行分析由此求得由此求得 E0 = 159.72 V = 28.34o = = 8.53o E0 = U1( R1jXs ) I1 =220 0o ( 0.2j1.2 )90 36.87o V= 159.72 28.34o V 5.3 三相同步电动机的运行分析三相同步电动机的运行分析F0m二、三相凸极同步电动机的运行分析二、三相凸极同步电

22、动机的运行分析 特点：气隙不均匀。特点：气隙不均匀。 同样的同样的 Fam 产生不同的产生不同的a 对应不同的对应不同的 Xa 。 V1V2W2W1U1U2NSFamFam 如果磁路不饱和：如果磁路不饱和：将将 I1 分解为两个分量。分解为两个分量。 直轴直轴交交轴轴E0 I1 Iq Id 直轴分量：直轴分量：Id = I1 sin 交轴分量：交轴分量：Iq = I1 cos I1 = IdIq 双反应理论。双反应理论。 5.3 三相同步电动机的运行分析三相同步电动机的运行分析1. 基本方程式基本方程式 U1I1Uf IfF0m0E0U1 I1IdIqFadFaqadaqEad Eaq E R

23、1I1 U1 =E0EadEaqE R1I1 Ead =jXad Id 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。 Eaq =jXaq Iq 5.3 三相同步电动机的运行分析三相同步电动机的运行分析E0E EadEaqE =jXI1 I1 = IdIqU1 =E0 j Xad Idj Xaq Iqj XI1R1I1=E0j (XadX ) Idj (XaqX ) IqR1I1 U1 =E0jXd IdjXq IqR1I1 Xd = XadX 直轴同步电抗。直轴同步电抗。 Xq = XaqX 交轴同步电抗。交轴同步电抗。 如果忽略如果忽略 R1，则，则

24、U1 =E0jXd IdjXq Iq 5.3 三相同步电动机的运行分析三相同步电动机的运行分析思考题思考题3、4E0 I1 IqIdE0 I1 Iq Id j(XdXq)Id EQ 设虚拟电动势设虚拟电动势 EQ = E0j (XdXq ) Id 2. 等效电路等效电路(a) I1 滞后于滞后于E0 时时 jIdEQ(b) I1 超前于超前于E0 时时 jId 结论：结论： EQ 与与 E0 同相位。同相位。 U1 =E0R1I1jXd IdjXq IqjXq IdjXq Id U1 =EQ(R1jXq )I1 5.3 三相同步电动机的运行分析三相同步电动机的运行分析j(XdXq)Id 隐极电

25、动机可视为凸极电动机的特例：隐极电动机可视为凸极电动机的特例： Xd = Xq = Xs EQ = E0 R1 jXq +U1I1 +EQ5.3 三相同步电动机的运行分析三相同步电动机的运行分析 U1 =EQ(R1jXq )I1 3. 相量图相量图 设已知设已知 U1、I1、 、Xd、Xq 。 取取 U1 = U1 0o(1) 画画 I1 。 (2) 画画 R1I1 和和 j Xq I1 。 (3) 画画(EQ) ，确定，确定(E0)的方位。的方位。 (4) 由由 I1 分解出分解出 Id 和和 Iq 。 (5) 画画 j Xd Id 和和 j Xq Iq 。 (6) 画画 (E0)。 5.3

26、 三相同步电动机的运行分析三相同步电动机的运行分析 U1 =EQ(R1jXq )I1 U1 =E0jXd IdjXq IqR1I1 (a) 电感性电感性(b) 电阻性电阻性5.3 三相同步电动机的运行分析三相同步电动机的运行分析Id U1 I1 R1I1 jXqI1 EQ Iq jXd Id jXq Iq E0 R1I1 Id U1 I1 jXqI1EQ Iq jXd Id jXq Iq E0 U1 I1 R1I1 jXqI1 EQ Iq Id jXd Id jXq Iq E0 (c) 电容性电容性 U1 =EQ(R1jXq )I1 U1 =E0jXd IdjXq IqR1I1 U1 I1 j

27、XqI1 EQ Id Iq jXd Id jXq Iq E0 忽略忽略 R1 时的相量图时的相量图(简化相量图简化相量图)(a) 电感性电感性jXq Iq U1 I1 jXqI1 EQ Iq Id jXd Id E0 (b) 电阻性电阻性U1 =EQ jXq I1U1 =E0jXd IdjXq Iq EQ jXq IqE0 U1I1 jXqI1IdIqjXd Id(c) 电容性电容性5.3 三相同步电动机的运行分析三相同步电动机的运行分析 由相量图求得由相量图求得 = 由简化相量图还可以求得由简化相量图还可以求得tan = U1sin XqI1 U1cos 电感性时取电感性时取“”，电容性时取

28、，电容性时取“”。 5.3 三相同步电动机的运行分析三相同步电动机的运行分析Xd = E0U1cos IdXq = U1sin IqEQ jXq IqE0 U1I1 jXqI1IdIqjXd IdU1 =UN 3= V = 3 468.21 V 6 0001.732 【例例 5.3.2】 一台三相凸极同步电动机，一台三相凸极同步电动机，UN = 6 000 V，IN = 57.8 A，Y 形联结。当电枢电形联结。当电枢电压和电流为额定值、功率因数压和电流为额定值、功率因数 = 0.8 （电容性）（电容性）时，相电动势时，相电动势 E0 = 6 300 V， = 58o，R1 忽略不忽略不计。求

29、该电动机的计。求该电动机的 Xd 和和 Xq。 解：解：电枢相电压和相电流为电枢相电压和相电流为 I1 = IN = 57.8 A由此求得由此求得 Id = I1sin = 57.8sin58o A = 49.02 A Iq = I1cos = 57.8cos58o A = 30.63 A = = 58o 36.87o = 21.13o 5.3 三相同步电动机的运行分析三相同步电动机的运行分析Xd = E0U1cos Id= = 62.52 6 3003 468.21cos21.13o 49.02Xq = U1sin Iq= = 40.82 3 468.21sin21.13o 30.635.3

30、 三相同步电动机的运行分析三相同步电动机的运行分析5.4 三相同步电动机的功率和转矩三相同步电动机的功率和转矩一、功率一、功率1. 输入功率（不计励磁功率）输入功率（不计励磁功率） P1 = 3U1I1cos 2. 电枢铜损耗电枢铜损耗 PCu = 3R1I123. 电磁功率电磁功率 Pe = P1PCu 5.4 三相同步电动机的功率和转矩三相同步电动机的功率和转矩U1I1R1I1 jXsI1E0 U1 R1I1 jXsI1 E0 I1 在隐极同步电动机中在隐极同步电动机中 Pe = 3E0 I1cos 在凸极同步电动机中在凸极同步电动机中 Pe = 3EQ I1cos 5.4 三相同步电动机

31、的功率和转矩三相同步电动机的功率和转矩4. 空载损耗空载损耗 P0 = PFePmePad铁损耗铁损耗机械损耗机械损耗附加损耗附加损耗5. 输出功率输出功率 P2 = PeP06. 总损耗总损耗 Pal = PCuPFe PmePad7. 功率平衡方程式功率平衡方程式 P1 P2 = Pal 8. 效率效率 P1PCuPeP0P2 = 100% % P2P15.4 三相同步电动机的功率和转矩三相同步电动机的功率和转矩思考题思考题1二、转矩二、转矩1. 转矩平衡方程式转矩平衡方程式 T2 = TT04. 空载转矩空载转矩 2. 输出转矩输出转矩5.4 三相同步电动机的功率和转矩三相同步电动机的功

32、率和转矩3. 电磁转矩电磁转矩T2 = P2= = 9.55P2n60 P22 nT = Pe= = 9.55Pen60 Pe2 nT0 = P0= = 9.55P0n60 P02 n5.4 三相同步电动机的功率和转矩三相同步电动机的功率和转矩稳定运行时稳定运行时T2 = TL 忽略忽略T0， 则则 T=T2=TL 【例例 5.4.1】 已知某三相同步电动机，已知某三相同步电动机， n = 1 500 r/min， Xd = 6，Xq = 4， Y 形联结。当定子加额定电压形联结。当定子加额定电压 UN = 380 V，转子加负载转矩，转子加负载转矩 TL = 30 Nm时，电枢电流时，电枢电

33、流 I1 = 10 A，功率因数，功率因数 = 0.8 （电容性），（电容性）， = 40o，E0 = 228 V。求。求 P1、Pe、 P2、PCu、P0 和和 T2、T、T0 。 解：解：P1 = 3U1I1cos = 3 I1cos UN 3= 3 100.8 W = 5 295.2 W 3801.732Id = I1sin = 10 sin40o A = 6.43 AEQ = E0(XdXq) Id =228 (64)6.43V = 215.14 V5.4 三相同步电动机的功率和转矩三相同步电动机的功率和转矩Pe = 3EQ I1cos = 3215.1410cos40o W = 4

34、944.2 WPCu = P1Pe = ( 5 259.24 944.2 ) W = 315 WP0 = PeP2 = ( 4 944.24 710 ) W = 234.2 WT2 = TL = 30 NmT0 = TT2 = ( 31.4930 ) Nm = 1.49 Nm P2 = T2n2 60= TLn2 60= 301 500 W = 4 710 W 23.1460T =60 Pe2 n= Nm = 31.49 Nm 60 4 944.26.28 1 5005.4 三相同步电动机的功率和转矩三相同步电动机的功率和转矩5.5 三相同步电动机的运行特性三相同步电动机的运行特性 运行特性运

35、行特性 当当 U1 = UN ，f1 = fN ， If = 常数时，常数时， I1 、T、 、 = f (P2) 的关系。的关系。 当当 U1与与 E0 （即（即n 和和 If ）为常数时：）为常数时： Pe = f () T = f () 功角特性功角特性 矩角特性矩角特性第第5章章 同步电机的基本理论同步电机的基本理论U1 I1 jXs I1 E0 Pe = 3 sin U1E0XsT = 3 sin U1E0XsOPe / T 90o PeM(TM)当当 = 90o 时时: Pe = PeM ，T = TM代入代入Pe和和T的公式，可得的公式，可得一、隐极同步电动机的功角特性和矩角特性

36、一、隐极同步电动机的功角特性和矩角特性 如果忽略如果忽略 R1，则有，则有 U1sin = Xs I1 cos 思考题思考题2 电动机为电容性时电动机为电容性时 U1sin = XqI1cos Xd Id = E0U1cos EQ = E0(Xd Xq)Id二、二、凸极同步电动机的功角特性和矩角特性凸极同步电动机的功角特性和矩角特性U1 I1 jXqI1 EQ jXd Id jXq Iq E0 5.5 三相同步电动机的运行特性三相同步电动机的运行特性 电动机为电感性时电动机为电感性时 U1sin = XqI1cos Xd Id = U1cos E0 EQ = E0(Xd Xq)IdPe代入代入

37、P Pe e 和和T T 的公式可得的公式可得 3U1E0Xd = sin 1Xq ( ) sin2 3U1221Xd3U1E0Xd T = sin 1Xq+ ( ) sin2 3U1221XdPe = Pe PeT = T T 5.5 三相同步电动机的运行特性三相同步电动机的运行特性 讨论：讨论： (1)3U1E0Xd Pe = sin Pe E0 ，当转子有励磁即，当转子有励磁即 If 0 时存在。时存在。 (2)1XqPe = ( ) sin2 3U1221XdPe 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：(1) Pe 使使 P

38、eM 。(2) PeM 产生在产生在90o 处。处。(3) 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。OPe / T 90o PeM(TM)PePe5.5 三相同步电动机的运行特性三相同步电动机的运行特性思考题思考题15.6 三相同步电动机功率因数的调节三相同步电动机功率因数的调节 同步电动机的主要优点同步电动机的主要优点 调节调节If 调节调节 cos 90o 90o (纯电容性纯电容性) (纯电感性纯电感性) 调节调节 If 改变改变 cos 的原理的原理 以隐极同步电动机为例，并忽略以隐极同步电动机为例，并忽略 R1 和

39、和 T0。 调节调节 If 时，时，U1、f1、TL都不变，则都不变，则 T 和和 Pe 不变，不变，即即 T 和和 P1 不变。不变。根据：根据：Pe = 3 sin U1E0Xs= 3U1I1cos 第第5章章 同步电机的基本理论同步电机的基本理论可得如下关系：可得如下关系： E0 sin = 常数常数 I1cos = 常数常数另一方面另一方面: 因此，改变因此，改变 If 而使而使E0 改变时，改变时，I1、 和和 均要改变。均要改变。当当 If E0 。当当 If E0 。U1 =E0j Xs I15.6 三相同步电动机功率因数的调节三相同步电动机功率因数的调节U1jXsI1E0 E0

40、 aajXsI1I1bbE0 jXsI1I1 I1(1) 正常励磁正常励磁 当当 If = If0 时，时， I1 与与U1 同相，同相， = 1, 电机呈电阻性。电机呈电阻性。 (2) 欠励磁欠励磁 当当If If0时，时， I1 (I1 ) 滞后于滞后于U1， 电机呈电感性。电机呈电感性。 If ，感性程度，感性程度 。(3) 过励磁过励磁 当当 If If0 时，时， 电机呈电容性，电机呈电容性， If | | ， 容性程度容性程度 。 I1 (I1) 超前于超前于U1， 5.6 三相同步电动机功率因数的调节三相同步电动机功率因数的调节U1jXsI1E0 E0 aajXsI1I1bbE0

41、 jXsI1I1 I1思考题思考题1同步电动机的同步电动机的 V 形曲线形曲线 当当 U1 = UN、f1 = f N、TL 不变时：不变时： I1 = f (If )OI1IfP2P2欠励欠励 过励过励 If0cos =15.6 三相同步电动机功率因数的调节三相同步电动机功率因数的调节稳定极限稳定极限电机正常稳电机正常稳定运行的最定运行的最小励磁电流小励磁电流一般结论：一般结论： 调节同步电动机的励磁电流可以改变定子电流的无功分量和功率调节同步电动机的励磁电流可以改变定子电流的无功分量和功率因数。正常励磁时，同步电动机从电网全部吸收有功；欠励时，同因数。正常励磁时，同步电动机从电网全部吸收有

42、功；欠励时，同步电动机从电网吸收滞后无功（或发出超前无功）；过励时，同步步电动机从电网吸收滞后无功（或发出超前无功）；过励时，同步电动机从电网吸收超前无功（或发出滞后无功）电动机从电网吸收超前无功（或发出滞后无功）； 若调节同步电动机的励磁电流，使之工作在过励状态，则可以改若调节同步电动机的励磁电流，使之工作在过励状态，则可以改善同步电动机的功率因数善同步电动机的功率因数； 若同步电动机在空载状态下运行，且转子处于励磁过励，同步电若同步电动机在空载状态下运行，且转子处于励磁过励，同步电动机可以向电网发出滞后无功（或吸收超前无功），有利于改善电动机可以向电网发出滞后无功（或吸收超前无功），有利于

43、改善电网的功率因数网的功率因数（通常将工作在这一状态下的空载同步电动机称为“同步调相机”（或同步补偿机）*5.7 微型同步电动机微型同步电动机 微型同步电动机的额定功率：微型同步电动机的额定功率： 零点几瓦至数百瓦。零点几瓦至数百瓦。 应用应用 电报传真机、磁带录音机、精确计时或记录装置。电报传真机、磁带录音机、精确计时或记录装置。 分类分类 按定子绕组电源的相数分：单相、三相。按定子绕组电源的相数分：单相、三相。 按转子结构的不同分：永磁式、磁阻式、磁滞式。按转子结构的不同分：永磁式、磁阻式、磁滞式。第第5章章 同步电机的基本理论同步电机的基本理论一、永磁式同步电动机一、永磁式同步电动机 第

44、第5章章 同步电机的基本理论同步电机的基本理论永磁式同步电动机的工作原理图永磁式同步电动机的工作原理图 转子：转子：永久磁钢，隐极永久磁钢，隐极式或凸极式。式或凸极式。1、工作原理、工作原理根据根据N极与极与S极互相吸引的原理；极互相吸引的原理； 定子旋转磁极吸住转子永久磁极，一起旋转。定子旋转磁极吸住转子永久磁极，一起旋转。 转子的转速与旋转磁场转速转子的转速与旋转磁场转速(即同步速即同步速n0)相等；相等； 当转子上的负载阻转矩增大时，当转子上的负载阻转矩增大时， 定子磁极轴线与定子磁极轴线与转子磁极轴线间的夹角转子磁极轴线间的夹角就会相应增大；就会相应增大； 当负载阻转矩减小时，当负载阻

45、转矩减小时， 夹角又会减小。夹角又会减小。 min600rpfnn但是如果轴上负载阻转矩超出一定限度，但是如果轴上负载阻转矩超出一定限度， 转子就不再以同步速运行，转子就不再以同步速运行， 甚至最后会停转，甚至最后会停转， 这就是同步电动机的这就是同步电动机的“失步失步”现象。现象。 这个最大限度的转矩称为这个最大限度的转矩称为最大同步转矩最大同步转矩。 因此使用同步电动机时，因此使用同步电动机时， 负载阻转矩负载阻转矩最大同步转矩最大同步转矩“失步失步”现象和最大同步转矩现象和最大同步转矩图图 永磁式同永磁式同步电动机的启动转矩步电动机的启动转矩 主要原因：转子所受到的平均转矩为主要原因：转

46、子所受到的平均转矩为0；惯性作用；惯性作用2、永磁式同步电动机启动、永磁式同步电动机启动比较困难比较困难 (1) 转子本身存在惯性；转子本身存在惯性； (2) 定、定、 转子磁场之间转速相差过大转子磁场之间转速相差过大。 在转子上一般都装有启动绕组。在转子上一般都装有启动绕组。改善启动性能的方法：改善启动性能的方法：影响永磁式同步电动机不能自行启动的因素影响永磁式同步电动机不能自行启动的因素:鼠笼式的启鼠笼式的启动绕组动绕组 它们都具有它们都具有永久磁钢永久磁钢和和鼠笼式的启动绕组鼠笼式的启动绕组两部分两部分。3、转子结构有多种型式、转子结构有多种型式图图 9 - 6 永磁式同步电动机转子结构

47、永磁式同步电动机转子结构 与其它型式同步电动机相比：与其它型式同步电动机相比：出力大，出力大， 体积小，体积小， 耗电小，耗电小， 结构简单、结构简单、 可靠，可靠， 制造方便、制造方便、 和和 高、成本也高高、成本也高已成为同步电动机中最主要的品种。已成为同步电动机中最主要的品种。随着永磁材料性能的不断提高，价格不断降低，随着永磁材料性能的不断提高，价格不断降低， 应用范围更加扩大。应用范围更加扩大。 4、特点、特点*5.7 微型同步电动机微型同步电动机二、磁阻式同步电动机二、磁阻式同步电动机 又称为又称为反应式反应式同步电动机。同步电动机。 转子：由导磁材料制成，凸极式。转子：由导磁材料制

48、成，凸极式。 依靠转子上依靠转子上两个正交方向磁阻的不同两个正交方向磁阻的不同而产生转而产生转矩（反应转矩）的。矩（反应转矩）的。1. 工作原理工作原理 反应式同步电动机的工作原理反应式同步电动机的工作原理 min/600rpfnn反应转矩反应转矩 产生产生反应转矩反应转矩必须具备的条件：必须具备的条件： 转子上正交的两个方向应具有不同的磁阻。转子上正交的两个方向应具有不同的磁阻。 圆柱形转子无圆柱形转子无反应转矩反应转矩 （1）失步问题：）失步问题： 但如果负载阻转矩超出了一定限度限度，但如果负载阻转矩超出了一定限度限度， 电机就会失步，电机就会失步， 甚至停转，甚至停转， 这个最大限度的转

49、矩也称为这个最大限度的转矩也称为最大同步转矩最大同步转矩。 （2）启动困难）启动困难 转子具有惯性，受到的平均力矩为转子具有惯性，受到的平均力矩为0； 往往不能自己启动，往往不能自己启动， 需要在转子上装设需要在转子上装设启动绕组启动绕组(通常也通常也采用鼠笼式的采用鼠笼式的)。与永磁式同步电动机一样：与永磁式同步电动机一样： 反应式同步电动机的启动反应式同步电动机的启动 2、转子结构多种多样：、转子结构多种多样：为了产生反应转矩，为了产生反应转矩， 转子直轴与横轴的磁阻必须转子直轴与横轴的磁阻必须不同；不同；鼠笼槽鼠笼槽 反应槽反应槽 磁阻式同步电动机的转子结构型式磁阻式同步电动机的转子结构

50、型式 (a) 外反应式外反应式 (b) 内反应式内反应式 (c) 内外反应式内外反应式 3、特点、特点 结构简单，结构简单， 成本低廉，成本低廉， 运行可靠，运行可靠， 和和 较低。较低。 在自动及遥控装置、在自动及遥控装置、 同步联络装置，同步联络装置， 录音传录音传真及钟表工业中获得了广泛的应用。真及钟表工业中获得了广泛的应用。转子铁心用硬磁材转子铁心用硬磁材料做成。料做成。 硬磁材料磁滞回环硬磁材料磁滞回环宽，宽，Br及及Hc大，大， 单位场强的比磁滞单位场强的比磁滞损耗比较大。损耗比较大。 1 作用原理作用原理图图 9 - 13 铁磁材料的磁滞回环铁磁材料的磁滞回环 三、磁滞式同步电动

51、机三、磁滞式同步电动机如果在开始瞬间，如果在开始瞬间， 转子转子磁分子排列的方向与旋磁分子排列的方向与旋转磁场轴线的方向一致，转磁场轴线的方向一致， 此时定子磁场与转子之此时定子磁场与转子之间只有间只有径向力径向力F， 不不产生产生转矩。转矩。 图图 磁滞同步电磁滞同步电动机的工作原理动机的工作原理 图图 9 - 14 磁滞同步电磁滞同步电动机的工作原理动机的工作原理 FnFtFnFtFFTz磁分子之间具有很大的摩擦力，磁分子之间具有很大的摩擦力， 转子磁通落后定子旋转磁场转子磁通落后定子旋转磁场， N极与极与S极互相吸引，极互相吸引， 在转子上就要受到一个力在转子上就要受到一个力F的作的作用。用。磁分