李发海电机与拖动基础第四版第九章

1、 第九章第九章 同步电动机同步电动机 9.1 概述概述 三相交流电机的转速满足方程式 的电机就称为同步电机。由于我国交流电源的频率恒为50HZ,所以同步机的转速与极对数间有严格的对应关系。 同步电机主要用作发电机。对大功率生产机械，由于同步电机比同容量的异步电机的功率因数高，并且功率因数可调而获得应用。目前小功率永磁同步电动机也获得广泛应用。 同步电机的定子结构与三相异步电机完全相同；转子有两种结构，一种是凸极式，转子上装有磁极，如图 9.1所示，磁极由钢板叠成或由铸钢铸成。磁极上套有线圈，通电后产生极性，如图9.1中的 N，S 极。另一种是隐极式的，即转子是圆柱体，内装有励磁绕组，如图 9.

2、2 所示，用于大容量、高转速的同步机。图图 9.1 凸极同步电动机凸极同步电动机图图 9.2 隐极同步电动机转子隐极同步电动机转子 同步电机的电源有两种，即有励磁机供电或交流电源整流供电，都可方便地调节励磁电流。 国产同步电机的型号如TD118/41-6的含义如下： 常用同步电机的型号有TD系列 、TDK系列、TDZ系列、TDK系列、TDG系列和 TDL 。 同步电机的额定数据有：额定容量 （ ），额定电压 （ ），额定电流 （ ），额定功率因数 ，额定转速 （ ），额定效率 ，额定频率 （ ），额定励磁电压 （ ）和额定励磁电流 （ ）。 9.2 9.2 同步电动机的电磁关系同步电动机的电磁

3、关系 9.2.1 9.2.1 同步电动机的磁通势同步电动机的磁通势 将同步机定子绕组接到三相对称电源上时，便产生旋转的电枢磁通势，用空间矢量 表示，设其作逆时针以同步速转动。由转子电流 产生的磁通势叫励磁磁通势 ，也是一个空间矢量，与转子一起逆时针旋转。下面先分析励磁磁通势 单独作用的况。 分析前，先假设转子 N极和 S极的中心线为纵轴，又称 d 轴,与纵轴相距 电角度处的轴为横轴，又称 q 轴，见图 9.3 。由图可知 作用在纵轴方向，它产生的磁通 依纵轴对称分布，并随转子一同旋转，见图9.4 。图图 9.3 同步电机的纵轴与横轴同步电机的纵轴与横轴图图 9.4 由励磁磁通势由励磁磁通势 单

4、独产生的磁通单独产生的磁通而 虽然与 同步，但位置却不同，即不在纵轴上，由于凸极同步机气隙很不均匀，无法计算磁通，故提出双反应原理。 9.2.2 9.2.2 凸极同步机的双反应原理凸极同步机的双反应原理 设电枢磁通势 与励磁磁通势 已经给定，见图 9.5（a）。由于这两个磁通势相对静止，可将 分成纵轴分量 和横轴分量 ，即 ，当分别考虑他们的作用时，他们分别为纵轴和横轴的对称磁路，这就给分析问题带来方便，这种分析问题的方法称为双反应原理。 将 单独在主磁路里产生的磁通称纵轴电枢磁通 ，画在图9.5（b）中，将 单独在主磁路里产生的磁通称横轴电枢磁通 画在图 9.5（c）中，两者都以同步速逆时针

5、旋转。图图 9.5 纵轴与横轴磁通势及磁通纵轴与横轴磁通势及磁通 电枢磁通势 的大小为纵轴磁通势 可写成横轴磁通势 可写成 由于三相对称，只取其一相，则与纵轴和横轴对应的电流可分别表示成 与 ，根据关系式 可得： 9.2.3 凸极同步电动机电压平衡方程式凸极同步电动机电压平衡方程式 将 、 、 分别在绕组中的感应电动势表示为 、 和 ，根据图 9.6给定的各电量正方向可立出 A 相回路的电压方程式为 （9-1）式中， 是定子绕组的一相电阻， 是定子绕组的一相电抗。 由于磁路线性， 落后 电角度，故得：同理有：式中 为纵轴电枢反应电抗， 为纵轴电枢反应电抗，对同一台电机都是数。 把式（9-2）、

6、式（9-3）代入式（9-1）得：再将 代入上式，整理得：图图 9.6 同步电机各电量的正方向同步电机各电量的正方向 （用电动机惯例）（用电动机惯例）在同步机容量较大时可忽略 ，于是得： （9-4）式中 称为纵轴同步电抗， 称为横轴同 步抗。由于同步机作电动机运行，必有 ，即定子相电流有功分量与相电压同相位。 9.2.4 9.2.4 凸极同步电动机的电动势相量图凸极同步电动机的电动势相量图 根据式（9-4）的关系式，画出同步机运行于电动机状态的 的向量图，见图 9.7 。 图中， 与 之间的夹角为 ； 与 的夹角为 ； 与 的夹角为 。并且其中， 为功率因数角， 为功率角。 综上所述，凸极同步电

7、动机的电磁关系符合图 9.8 的思路。 9.2.5 9.2.5 隐极同步电动机隐极同步电动机 由于隐极同步电动机气隙是均匀的，纵轴电抗与横轴电抗在数值上是相等的，即式中 为隐极同步电动机的同步电抗。对隐极式同步电动机，式（9-4）变为： （9-5）图9.9 是该电动机的电动势向量图。图图9.9 隐极式同步电动机的电动势向量图隐极式同步电动机的电动势向量图 9.3 9.3 同步电动机的功率关系与矩角特性同步电动机的功率关系与矩角特性 9.3.1 9.3.1 功率关系功率关系 同步电动机的输入功率 减去定子绕组同耗就是电磁功率 ，即再从电磁功率 中扣除铁耗 和机械损耗 变为输出的机械功率 即 （9

8、-6）其中，铁耗和机械损耗之和称为空载损耗 ，即 。图 9.11为同步电动机的功率流程图。图图 9.11同步电动机的功率流程图同步电动机的功率流程图 依据电磁功率就可算出电磁转矩为： ，式中为同步电动机的角速度。 将式（9-6）等号两边都除以 ，就得到其转矩平衡式，即式中 称为空载转矩。 9.3.2 9.3.2 电磁功率电磁功率 忽略定子电阻 ，电磁功率为 。由图 9.7中 的关系可得从图9.7还知综合上述关系得将三角函数式 代入上式，整得： 式（9-7）推出了电磁转矩 和 的关系。 9.3.3 9.3.3 功角特性功角特性 电网的电源电压 、频率 通常不变，若保持励磁电流也变，则 也不变，而

9、 ， 为已知数，因此 与 为函数关系。我们把 的关系式称为同步电动机的功角特性，见图 9.12 。图图 9.12 凸极同步机凸极同步机的功角、矩角特性的功角、矩角特性 式中第一项时主要的，为励磁功率，即 ，见图 9.12 曲线 1,。当 时，励磁功率达到最大，为 第二项为凸极电磁功率，即当 时，其值最大，表示为： 与 的关系如图 9.12 中的曲线 2 。曲线 3 是是合成的总的电 磁功率与 的关系。 9.3.4 9.3.4 矩角特性矩角特性 把式（9-7）等号两边同除以机械角速度，得电磁转矩与 角的关系式为将此关系式也画在图 9.12中，与矩角特性仅差个比例尺。而隐极电机的参数 ，于是式（9

10、-7）变为：这就是隐极电机的工角特性。 上式两边同除以 ，则得隐极同步机的矩角特性的关系式：图 9.13 为隐极同步机的矩角特性。 图图 9.13 隐极同步电动机的矩角特性隐极同步电动机的矩角特性在固定励磁电流的条件下，隐极1式同步电机的最大电磁功率 与最大电磁转矩 分别为： 9.3.5 9.3.5 稳定运行稳定运行 1. 当电动机在 范围内拖动负载见图 9.14（a），在 角时，电磁转矩与负载转矩相平衡即 ，当负载增到 时，转子减速使 角增至 ，与其对应的电磁转矩为 ，若此时 则电机继续同步运行。而当负载又恢复到 图图 9.14 同步电动机的稳定运行同步电动机的稳定运行时，电动机的 又恢复到

11、 ， 所以电动机能稳定运行。 2. 当电机带负载运行在 范围内 本来电机运行于 ，见图 9.14（b），此时电磁转矩与负载相平衡，即 ，现在负载突然增至 ，此时 角增至 ，对应电磁转矩小于负载转矩，即 ，这样，角继续增大，电磁转矩继续变小，找不到平衡点，转子失去同步，无法稳定运行。 同步电动机负载变化时，角随之变化，且电磁转矩 或电磁 功率 也随之变化，而转速始终为同步速 ，所以同步电机的机械特性为一条直线，是硬特性。 同步电动机最大电磁转矩 与额定转矩 之比叫过载倍数，用 表示，即 角有双重含义。一为 与 之间的时间电角度；二为励磁磁通势 与与合成磁通 间的空间电角度。 对应 ，图图 9.1

12、5 等效磁极等效磁极 近似对应着 。 为等效磁极，拖着转子以同步速旋转，如图 9.15 所示。 如果转子磁极在前，等效磁极在后，即转子拖着等效磁极旋转，是发电机运行状态，反子为电动机运行状态。 9.4 9.4 同步电动机功率因数的调节同步电动机功率因数的调节 9.4.1 同步电动机功率因数的调节同步电动机功率因数的调节 同步电动机在电源电压 U 、频率 f 不变，其有功负载保持常数时，改变其励磁电流，就能调节它的功率因数。 忽略空载转矩，同步机负载不变，可认为是电磁转矩不变，即 ，根据（9-8）式，有 由于上式中，U、 和 都是常数，则上式可写成 （9-9） 同理，负载转矩不变，可认为输入功率

13、不变，忽略各种损耗后，可认为 在电压不变的条件下，必有 （9-10） 该式表示负载不变时，定子边的有功电流应保持不变。 根据（9-9）、（9-10）的条件画出不同三种不同励磁电流对应不同电动势的向量图，如图9.17所示。图中 所以 由图可以看出调节励磁电流时，同步电动机的功率因数的变化规律如下：图图9.17同步电动机机械负载不变，同步电动机机械负载不变，仅改变励磁电流的电动势相量图仅改变励磁电流的电动势相量图（1）若励磁电流为 时，定子电流 与 同相，称为正常励磁状态，见图 9.17 中的 ， 相量。这类似纯电阻状态， 。（2）减小励磁电流，称为欠励状态，见图中的 和 。此时定子电流 落后 为

14、 角，像电感电阻负载。（3）增加励磁电流，称为过励状态，见图中的 和 。此时定子电流 超前 为 ，像电容电阻负载。这是同步电动机常运行的状态。 可见，调节励磁电流能改变同步机的功率因数，这是异步电动机办不到的。 9.4.2 U型曲线 在图 9.17中，正常励磁时，定子电流最小，过励或欠励时，定子电流都会增大，定子电流和励磁电流之间的关系像U字形，故图图 9.19 同步电动机同步电动机U形曲线形曲线称U形曲线。 图中，在相同励磁电流下，功率增大，定子电流也增大，曲线向右上方移动。把每条曲线的的点连起来成为 的线。该线微微右斜，说明输出的纯有功功率增大时，必须增加励磁电流。 由图可知， 线左边是欠励区，右边是过励区。严重欠励将导致电机进入不稳定区，见图 9.19 。 也可用另一种思路理解功率因数可调的原因：转子欠励时，定子需从电源吸收滞后的无功功率来建立磁场；转子过励时，需要从电源吸收超前的无功功率来建立磁场；转子正常励磁时，不需要定子边提供无功功率。 9.5 9.5 同步电动机的启动同步电动机的启动 9.5.1 同步电动机的异步启动同步电动机的异步启动 同步电机没有启动力矩，解决方法之一是在凸极转子上装启动绕组