第7章三相同步电机

1、电机与拖动1三相同步电机三相同步电机第第 7 章章电机与拖动2电机与拖动电机与拖动本章要求本章要求掌握同步电机的基本结构和工作原理。掌握同步电机的基本结构和工作原理。 掌握同步电动机的分析方法及分析结果。掌握同步电动机的分析方法及分析结果。 掌握功角的概念及意义，矩角特性及其应用。掌握功角的概念及意义，矩角特性及其应用。 熟练掌握同步电动机的熟练掌握同步电动机的U型曲线及其意义。型曲线及其意义。 掌握工作特性中的掌握工作特性中的cos=f（P2）曲线形状及其）曲线形状及其意义。意义。 了解同步电动机的起动方法；一般掌握同步调了解同步电动机的起动方法；一般掌握同步调相机相机 。 电机与拖动37.

2、1 同步电机的结构和运行方式 一、同步电机的基本结构一、同步电机的基本结构 1. 定子：主要由铁心和电枢绕组构成定子：主要由铁心和电枢绕组构成 定子铁心是定子铁心是由硅钢片叠成，由硅钢片叠成，它构成电机磁它构成电机磁路的一部分。路的一部分。 电枢绕组是电枢绕组是三相对称绕组，三相对称绕组，由高强度漆包由高强度漆包线绕成，它构线绕成，它构成电机的电路。成电机的电路。电机与拖动4电机与拖动5电机与拖动6UV WU VWVWWUUVUUWVVW Y 接法接法 接法接法WWUVVU接线盒接线盒注意：首尾端不能接反！注意：首尾端不能接反！定定 子子 三三 相相 绕绕 组组 接接 线线 方方 式式WUVU

3、 VWU 定定 子子UVVWW电机与拖动72. 转子：由铁心、直流励磁绕组、滑环和电刷等构成。转子：由铁心、直流励磁绕组、滑环和电刷等构成。 按结构型式分成凸极式转子和隐极式转子按结构型式分成凸极式转子和隐极式转子凸凸 极极 式式 转转 子子电机与拖动8水轮发电机水轮发电机电机与拖动9电机与拖动电机与拖动水轮发电机的特点：水轮发电机的特点： 极数多，直径大，轴向长度短，整个转子在外形上极数多，直径大，轴向长度短，整个转子在外形上与汽轮发电机大不相同。大多数水轮发电机为立式。水与汽轮发电机大不相同。大多数水轮发电机为立式。水轮发电机的直径很大，定子铁心由扇形电工钢片拼装叠轮发电机的直径很大，定子

4、铁心由扇形电工钢片拼装叠成。为了散热的需要，定子铁心中留有径向通风沟。转成。为了散热的需要，定子铁心中留有径向通风沟。转子磁极由厚度为子磁极由厚度为12mm的钢片叠成；磁极两端有磁的钢片叠成；磁极两端有磁极压板，用来压紧磁极冲片和固定磁极绕组。有些发电极压板，用来压紧磁极冲片和固定磁极绕组。有些发电机磁极的极靴上开有一些槽，槽内放上铜条，并用端环机磁极的极靴上开有一些槽，槽内放上铜条，并用端环将所有铜条连在一起构成阻尼绕组，其作用是用来拟制将所有铜条连在一起构成阻尼绕组，其作用是用来拟制短路电流和减弱电机振荡，在电动机中作为起动绕组用。短路电流和减弱电机振荡，在电动机中作为起动绕组用。磁极与磁

5、极轭部采用磁极与磁极轭部采用 T 形或鸽尾形连接。形或鸽尾形连接。 电机与拖动10隐隐 极极 式式 转转 子子电机与拖动11汽轮发电机汽轮发电机电机与拖动12电机与拖动13电机与拖动14电机与拖动电机与拖动汽轮发电机的特点：汽轮发电机的特点： 定子大体上与异步电机相同，定子铁心由定子大体上与异步电机相同，定子铁心由0.35mm、0.5mm或其它厚度的电工钢片叠成。定子外径较小时，采或其它厚度的电工钢片叠成。定子外径较小时，采用圆形冲片，当定子外径大于用圆形冲片，当定子外径大于1m 时，采用扇形冲片。定时，采用扇形冲片。定子铁心固定在机座上，机座常由钢板焊接而成，它必须有子铁心固定在机座上，机座

6、常由钢板焊接而成，它必须有足够的强度和刚度，同时还必须满足通风和散热的需要。足够的强度和刚度，同时还必须满足通风和散热的需要。汽轮发电机的电压较高，要求定子绕组有足够的绝缘强度，汽轮发电机的电压较高，要求定子绕组有足够的绝缘强度，一般采用一般采用 B 级级或或 F 级绝缘。级绝缘。 为了减少高速旋转引起的离为了减少高速旋转引起的离心力，一般采用隐极式转子，其外形常做成一个细长的圆心力，一般采用隐极式转子，其外形常做成一个细长的圆柱体。转子铁心表面圆周上铣有许多槽，励磁绕组嵌放在柱体。转子铁心表面圆周上铣有许多槽，励磁绕组嵌放在这些槽内。这些槽内。 励磁绕组为同心式绕组，以铜线绕制，并用励磁绕组

7、为同心式绕组，以铜线绕制，并用不导磁的槽楔将绕组紧固在槽内。不导磁的槽楔将绕组紧固在槽内。 电机与拖动15凸凸 极极 转转 子子隐隐 极极 转转 子子d轴q轴d轴q轴特点：气隙不均匀特点：气隙不均匀特点：气隙均匀特点：气隙均匀转转 子子 结结 构构 特特 点点电机与拖动16 定子三相对称绕组，加三相对定子三相对称绕组，加三相对称电压，流入三相对称电流，产生称电压，流入三相对称电流，产生旋转磁场旋转磁场N1、 S1 。旋转磁场的转速。旋转磁场的转速为为pf60n11 转子励磁绕组，加直流电压，产生恒定磁场转子励磁绕组，加直流电压，产生恒定磁场N2、 S2 。 定子磁场定子磁场N1、 S1 与转子

8、磁场与转子磁场N2、 S2 之间产生磁拉之间产生磁拉力，从而产生电磁力矩拖动转子与定子磁场力，从而产生电磁力矩拖动转子与定子磁场同步旋转同步旋转。原理动画原理动画二、同步电动机的工作原理二、同步电动机的工作原理电机与拖动17*同步转速同步转速 从供电品质考虑，由众多同步发电机并联构成的从供电品质考虑，由众多同步发电机并联构成的交流电网的频率应该是一个不变的值，这就要求发电交流电网的频率应该是一个不变的值，这就要求发电机的频率应该和电网的频率一致。我国电网的频率为机的频率应该和电网的频率一致。我国电网的频率为50Hz ，故有：，故有：p3000p60fn 要使得发电机供给电网要使得发电机供给电网

9、50Hz的工频电能，发电的工频电能，发电机的转速必须为某些固定值，这些固定值称为同步转机的转速必须为某些固定值，这些固定值称为同步转速。例如速。例如2极电机的同步转速为极电机的同步转速为3000r/min，4极电极电机的同步转速为机的同步转速为1500r/min，依次类推。只有运行，依次类推。只有运行于同步转速，同步电机才能正常运行，这也是同步电于同步转速，同步电机才能正常运行，这也是同步电机名称的由来。机名称的由来。 电机与拖动18*同步机同步机运行方式运行方式 同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。电动机和补偿机运行。

10、作为发电机运行是同步电机最主要的运行方式，作为发电机运行是同步电机最主要的运行方式，作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场同步电动机的功率因数可以调节，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。近年来，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地应小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。用。 同步电机还可以接于电网作为同步补偿机。这时同步电机还可以接于电网作为同步补偿机。这时电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向

11、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性或者容性无功功率，以达到改善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。电网功率因数或者调节电网电压的目的。 电机与拖动19三、同步电动机的额定数据三、同步电动机的额定数据额定容量额定容量 是指轴上是指轴上输出输出的有功功率，单位为的有功功率，单位为 。 NPKW额定电压额定电压 指加在定子绕组上的指加在定子绕组上的线电压线电压，单位为，单位为 或或 。 NUVKV额定电流额定电流 电动机额定运行时，流过定子绕组的电动机额定运行时，流过定子绕组的 线电流线电流， 单位为单位为 。NIA额定功率

12、因数额定功率因数 电动机额定运行的功率因数。电动机额定运行的功率因数。 N cos额定转速额定转速 电动机额定运行时转子转速，单位为电动机额定运行时转子转速，单位为 。 Nnmin/r额定效率额定效率 电动机额定运行效率。电动机额定运行效率。 N 此外，同步电动机铭牌上还给上额定频率此外，同步电动机铭牌上还给上额定频率 ；额；额定励磁电压定励磁电压 ；额定励磁电流；额定励磁电流 等数据。等数据。 )(HzfN)(VUfN)(AIfN电机与拖动20一、一、 隐极同步电动机电磁分析和相量图隐极同步电动机电磁分析和相量图定子的电磁关系定子的电磁关系(磁路不饱和时）：磁路不饱和时）：转子转子If定子定

13、子F =F0 + Fa1、电磁分析、电磁分析 由于定、转子磁场在由于定、转子磁场在空间相对静止，故空间相对静止，故同步电动机带负载运行，同步电动机带负载运行，定转子电流产生两个旋转定转子电流产生两个旋转磁场，它们相对静止，磁场，它们相对静止，只只在定子中感应电势在定子中感应电势。7.2 7.2 同步电动机的电压方程和相量图同步电动机的电压方程和相量图FFEIaEaFaaF0E00电机与拖动212、基本方程、基本方程aaa000FEFE 磁路不饱和时磁路不饱和时气隙磁场在定子中的感应电势气隙磁场在定子中的感应电势故故而漏感电势而漏感电势r1aI1U0EaE E定子一相绕组电阻为定子一相绕组电阻为

14、r1axIjE0aEEEaaaxIjE电机与拖动22在给定的参考方向下，定子在给定的参考方向下，定子一相绕组的电压平衡方程式一相绕组的电压平衡方程式为为1aa01rIEEEU 1aa rIxjIE r1aaaa0IxjIxjIE 式中式中xa称为电枢反应电抗，对应旋转磁势磁路称为电枢反应电抗，对应旋转磁势磁路.x 定子漏电抗，与定子漏磁通的磁路对应。定子漏电抗，与定子漏磁通的磁路对应。xa x r1aI1U0EaE E电机与拖动233、等效电路和相量图、等效电路和相量图定子一相等效电路为定子一相等效电路为一般同步电动机容量都较大，电阻一般同步电动机容量都较大，电阻r1很小，忽略之，得很小，忽略

15、之，得aaa0 xjIxjIE ca0 xjIE 式中式中 xc称为隐极同步电机的同步电抗。称为隐极同步电机的同步电抗。与等效电路对应的相量图与等效电路对应的相量图(忽略忽略r1）为：）为：+r1-jxc0EcaxIj1U0EaIU1电机与拖动24二、二、 凸极同步电动机的电磁分析和相量图凸极同步电动机的电磁分析和相量图尽管气隙不均匀，但对纵轴或横轴来说，都分别为尽管气隙不均匀，但对纵轴或横轴来说，都分别为对称磁路，这就给分析带来了方便，这种分析问题对称磁路，这就给分析带来了方便，这种分析问题的方法称为双反应原理。的方法称为双反应原理。1、双反应原理、双反应原理电枢磁通势可以分成两个分量，一电

16、枢磁通势可以分成两个分量，一个为纵轴电枢磁通势个为纵轴电枢磁通势Fad，作用在，作用在纵轴方向；一个为横轴电枢磁通势纵轴方向；一个为横轴电枢磁通势Faq，作用在横轴方向。，作用在横轴方向。aqadaFFF电机与拖动25纵轴电枢磁通势纵轴电枢磁通势Fad的大小：的大小：横轴电枢磁通势横轴电枢磁通势Faq的大小：的大小：qdIIIddpadIpNkF22423qdpaqIpNkF22423若若 转到转到A相绕组轴线上，相绕组轴线上，idA为最大值；若为最大值；若 转转到到A相绕组轴线上，相绕组轴线上，iqA为最大值。显然，为最大值。显然， 与与 相差相差90o时间电角度。由于三相对称，只取时间电角

17、度。由于三相对称，只取A相，所相，所以有以有adFaqFadIaqI电机与拖动26在给定的参考方向下，定子在给定的参考方向下，定子一相绕组的电压平衡方程式一相绕组的电压平衡方程式为为1aa01rIEEEU 1 1r1aaaa0IxjIxjIE 1 1式中式中xa称为电枢反应电抗，对应旋转磁势磁路称为电枢反应电抗，对应旋转磁势磁路.x1定子漏电抗，与定子漏磁通的磁路对应。定子漏电抗，与定子漏磁通的磁路对应。xa x1r10EE1 1aEaI1U2、电压平衡方程式、电压平衡方程式电机与拖动27则则因磁路线性，因磁路线性，可写成可写成同样同样忽略忽略R1，为：，为：aqadaEEEdadadadIF

18、EaddadXIjEaqqaqXIjE1110110110)()()()(RIIXXIjXXIjEjXRIIXIjXIjEjXRIXIjXIjEUqdaqqaddqdaqqaddaqqaddqqddXIjXIjEU0电机与拖动283、相量图、相量图qqddXIjXIjEU0daxIj1U0EaIqaxIjqIdIdaxIj1U0EaIqaxIjqIdI1caxIj1U0EaI1电机与拖动29一一、同步电动机的同步电动机的功率功率方程方程cu1empPP cosmUIP1输入：输入： 定子铜耗：定子铜耗： a2curmIp 电磁功率：电磁功率： 输出功率：输出功率： 0emFesmem2pPpp

19、pPP 摩擦损耗摩擦损耗附加损耗附加损耗空载损耗空载损耗铁损耗铁损耗CupFepsmpp 电功率电功率电磁功率电磁功率输出功率输出功率同步电动机的功率流程图同步电动机的功率流程图mFe0ppp 空载损耗空载损耗： sp 7.3 7.3 同步电动机的功率方程及功角特性同步电动机的功率方程及功角特性电机与拖动30二二、同步电动机的电磁同步电动机的电磁功率功率与功角特性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，当忽略定子绕组的电阻Rs时，同步电动机的电磁功率为时，同步电动机的电磁功率为 由相量图可见：由相量图可见： 11cos3ssemIUPP1于是于是 此外，根据相量图

20、可得：此外，根据相量图可得： sinsin3coscos3ssssemIUIUPsinsdII cossqII cos0sddUEXIsinsqqUXI电机与拖动31考虑以上这些关系，得考虑以上这些关系，得即即 cossin113sin320dqsdsemXXUXUEP2sin2)(3sin320qdqdsdsemXXXXUXUEP第一项与励磁电流的大小有关，称为励磁电磁功率。第一项与励磁电流的大小有关，称为励磁电磁功率。第二项是由参数引起的，这部分功率只有凸第二项是由参数引起的，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不存在，所极同步电动机才有，而对隐极同步电动机不存在，所以称为

21、凸极电磁功率。以称为凸极电磁功率。 qdXX电机与拖动32功角特性功角特性功角的概念：功角的概念： 功角功角在时间上表示端电压和励磁磁势之间的相位差，在时间上表示端电压和励磁磁势之间的相位差，在空间上表现为合成磁场轴线与转子磁场轴线之间夹在空间上表现为合成磁场轴线与转子磁场轴线之间夹角。并网运行时，角。并网运行时， 为电网电压，其大小和频率不变，为电网电压，其大小和频率不变，对应的合成磁势对应的合成磁势 总是以同步速度旋转，因此功角的总是以同步速度旋转，因此功角的大小只能由转子磁势大小只能由转子磁势 的角速度决定。稳定运行的角速度决定。稳定运行时，时， 和和 之间无相对运动，之间无相对运动，具

22、有固定的值。具有固定的值。 为内功率因数角，为内功率因数角， 定义为功角。它表示发电定义为功角。它表示发电机的励磁电势机的励磁电势 和端电压和端电压 之间相角差。功角之间相角差。功角对于研对于研究同步电机的功率变化和运行的稳定性有重要意义。究同步电机的功率变化和运行的稳定性有重要意义。 电机与拖动33功角的空间概念：功角的空间概念： 电机与拖动34三三、同步电动机的电磁转矩与矩角特性同步电动机的电磁转矩与矩角特性电磁转矩的通用公式电磁转矩的通用公式 由：由： sssrpemFnTsin22223211111sWsrspWskNfEInkNF不计定子电阻时，不计定子电阻时， 可得：可得： 1co

23、s3semIET11cos3ssemIUT电机与拖动35得到的电磁转矩表达式为得到的电磁转矩表达式为若是隐极同步机若是隐极同步机2sin2)(3sin31210qdqdsdsemXXXXUXUETxd=xq =xc sinxUsE3Pc0em隐极机隐极机 sinxUsE3Tc01em隐极机隐极机电机与拖动36凸极机凸极机 2sin)x1x1(2UmsinxUEmPdq2d0em结论：结论： sinxUEmPc0em隐极机隐极机可见电磁功率可见电磁功率、电磁转矩都、电磁转矩都是是 的函数。的函数。 sinxUEmTc01em隐隐极极机机2sin2)(sin1210qdqddemXXXXmUXUE

24、mT电机与拖动37功角特性和矩角特性曲线功角特性和矩角特性曲线在在U、E0不变时，不变时，Pem、 Tem与与 成正弦关系成正弦关系B BA ATLT0Pem(Tem)隐极机隐极0Pem(Tem)凸极机凸极机电机与拖动38一、同步电动机的一、同步电动机的功率因数调节功率因数调节 保持同步电动机的保持同步电动机的U1、f、P2不变不变，调节励磁电，调节励磁电流流If ，会引起电枢电流，会引起电枢电流和电机和电机功率因数的改变功率因数的改变。7.4 7.4 同步电动机功率因数及同步电动机功率因数及U U形曲线形曲线若保持同步电动机的负载不变，则电

25、动机转轴上的若保持同步电动机的负载不变，则电动机转轴上的输出转矩也不变，如果忽略空载转矩，有，输出转矩也不变，如果忽略空载转矩，有，2TTe则则常数sin310dseXUET这说明当改变励磁电流时，电动势这说明当改变励磁电流时，电动势E0的大小也要跟着改变。的大小也要跟着改变。电机与拖动39当负载转矩不变时，由于同步电动机的转速恒定不当负载转矩不变时，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，同步电动机的输入功率于中的各种损耗的情况下，同步电动机的输入功率于输出功率相等。于是有输出功率相等。于是有在电

26、压在电压Us不变的条件下，必有不变的条件下，必有常数11cos3ssIUP上式的物理意义是：在只改变励磁电流的情况下，同上式的物理意义是：在只改变励磁电流的情况下，同步电动机电子绕组中电流的有功分量保持不变。步电动机电子绕组中电流的有功分量保持不变。常数1cossI电机与拖动40 结论：结论： 调节调节If ，可以改变电机功率因数；，可以改变电机功率因数； 正常励磁时，为纯阻性；正常励磁时，为纯阻性； If正常励磁时正常励磁时,为容性；为容性； If C C2 2 C C1 10 0欠欠励励过过励励II If fP P2 2=C=C1 1P P2 2=C=C2 2P P2 2=C=C3 3正常

27、正常励磁励磁 U形曲线是一簇曲线，每一条形曲线是一簇曲线，每一条U形曲线对应一定的形曲线对应一定的有功功率。有功功率。U形曲线上都有一个最低点，对应形曲线上都有一个最低点，对应cos =1 的情况。将所有的最低点连接起来，将得到与的情况。将所有的最低点连接起来，将得到与cos =1对应的曲线，该线左边为欠励状态，功率因数超前，对应的曲线，该线左边为欠励状态，功率因数超前，右边为过励状态，功率因数滞后。右边为过励状态，功率因数滞后。电机与拖动42TemS1S2N2N1n1N1S2N2S1n1Tem 同步电动机起动时同步电动机起动时n=0,由于转子的惯性，其速度由于转子的惯性，其速度不能突变，而气

28、隙磁场速度不能突变，而气隙磁场速度n1很快。所以转子所受的很快。所以转子所受的T方向来回变化，转子无法直接起动。方向来回变化，转子无法直接起动。7.57.5同步电动机的起动同步电动机的起动电机与拖动43同步电动机的起动方法同步电动机的起动方法 同步电机在电源频率恒定使定子合成磁场转同步电机在电源频率恒定使定子合成磁场转速恒定的条件下，其转速必为同步转速速恒定的条件下，其转速必为同步转速 n1，是不，是不可调节的。可调节的。 平均电磁转矩平均电磁转矩 Temav = Tem(t)dt = 0 因为同步电机仅在运行时才有平均电磁转矩，因为同步电机仅在运行时才有平均电磁转矩，而起动过程是非同步运行状

29、态，所以同步电动机而起动过程是非同步运行状态，所以同步电动机不能自行起动，可采用异步起动启动不能自行起动，可采用异步起动启动电机与拖动44同步电动机的起动方法同步电动机的起动方法1、辅助起动法：用同极数异步电动机拖动其起动。、辅助起动法：用同极数异步电动机拖动其起动。 起动时，在转子尚未加入励磁的情况下，先用起动时，在转子尚未加入励磁的情况下，先用辅助电动机将转子牵引到接近同步转速，然后采用辅助电动机将转子牵引到接近同步转速，然后采用自整步法，在转子励磁绕组中通入直流励磁电流，自整步法，在转子励磁绕组中通入直流励磁电流，再利用整步转矩将同步电动机接入电网，这时在定再利用整步转矩将同步电动机接入电网，这时在定转子共同作用下，将转子拉入同步运行。转子共同作用下，将转子拉入同步运行。 此时，辅助电动机已失去作用，为减小不必要此时，辅助电动机已失去作用，为减小不必要的损耗，可切断辅助电动机电源使它与主机脱离并的损耗，可切断辅助电动机电源使它与主机脱离并停止运行。停止运行。 这种方法适用于空载起动或同步调相机的起动。这种方法适用于空载起动或同步调相机的起动。电机与拖动452、异步起动法：利用阻尼绕组作起动绕组，实现异、异步起动法