第08章-同步电机原理

1、-1-第八章第八章 同步电机原理同步电机原理电机与拖动基础电机与拖动基础 第一节第一节 结构和运行方式结构和运行方式第二节第二节 电压方程和相量图电压方程和相量图第三节第三节 功率方程和功角特性功率方程和功角特性第四节第四节 功率因数及功率因数及U形曲线形曲线-2-第一节第一节 同步电机的结构和运行方式同步电机的结构和运行方式 第八章第八章 同步电机原理同步电机原理pnfnn1160（8-1）多用作多用作发电机发电机。也可作也可作电动机电动机使用，例如空气压缩机、鼓风机、电力推进使用，例如空气压缩机、鼓风机、电力推进装置和电动发电机组等。装置和电动发电机组等。特点特点：功率因数高、体积小。：功

2、率因数高、体积小。 这种电机就称为这种电机就称为同步电机同步电机。-3- 一、同步电机的基本结构一、同步电机的基本结构 静止的定子和旋转的转子组成。静止的定子和旋转的转子组成。1. 定子定子 定子铁心、定子铁心、定子绕组、定子绕组、机座、机座、端盖等附件。端盖等附件。 第八章第八章 同步电机原理同步电机原理-4-2. 转子转子结构形式：凸极式、隐极式。结构形式：凸极式、隐极式。第八章第八章 同步电机原理同步电机原理水轮水轮发电机的转子：凸极式；发电机的转子：凸极式；汽轮汽轮发电机的转子：隐极式。发电机的转子：隐极式。同步电动机的转子：凸极式。同步电动机的转子：凸极式。励磁电源两种：励磁机供电；

3、由交流电源经过整流得到。励磁电源两种：励磁机供电；由交流电源经过整流得到。-5-机械端口机械端口转子转子定子绕组定子绕组定子铁心定子铁心电端口电端口ABC-6-7- 定子铁心-8-(1)立式水轮发电机(2)卧式水轮发电机-9-10000kW10000kW水轮机转子水轮机转子-10-11- 二、同步电机的基本工作原理二、同步电机的基本工作原理 1. 同步电机的物理模型同步电机的物理模型 第八章第八章 同步电机原理同步电机原理pnfnn1160-12- 2. 同步电机的工作原理同步电机的工作原理以同步发电机为例：以同步发电机为例：空载空载：转子同步转速：转子同步转速n0转子（转子（Nf匝）直流电流

4、匝）直流电流If 励磁，旋转磁场励磁，旋转磁场切割定子开路的三相对称绕组（切割定子开路的三相对称绕组（N1匝），产生三相对称匝），产生三相对称空载感应电动势空载感应电动势E0 改变改变If大小可改变大小可改变E0大小。大小。带负载带负载：三相对称定子电流：三相对称定子电流在气隙中产生与与转子旋转方向相同，转速大小相等的在气隙中产生与与转子旋转方向相同，转速大小相等的旋转磁场旋转磁场定、转子间旋转磁场相对静止，气隙中的磁场是定、转定、转子间旋转磁场相对静止，气隙中的磁场是定、转子旋转磁场的合成子旋转磁场的合成第八章第八章 同步电机原理同步电机原理-13- 3. 同步电机的运行方式同步电机的运行方

5、式 第八章第八章 同步电机原理同步电机原理磁拉力产生电磁转矩、拖动者与被拖动者、功率角磁拉力产生电磁转矩、拖动者与被拖动者、功率角-14-第二节第二节 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 一、同步电动机的磁动势一、同步电动机的磁动势当同步电动机的定子三相对称绕组连接到三相对称电源上时，当同步电动机的定子三相对称绕组连接到三相对称电源上时，就会产生三相合成旋转磁动势（电枢磁动势就会产生三相合成旋转磁动势（电枢磁动势Fa）。设）。设Fa 的转向的转向为逆时针方向，转速为同步转速。为逆时针方向，转速为同步转速。在负载运行时，转子也是逆时针方向以同步转速旋转。由直流在负载运行时，

6、转子也是逆时针方向以同步转速旋转。由直流励磁电流励磁电流If 产生的磁动势（励磁磁动势产生的磁动势（励磁磁动势Ff ），也是空间矢量。），也是空间矢量。Fa 与与Ff 都以同步转速按逆时针方向旋转，但两者在空间的位置都以同步转速按逆时针方向旋转，但两者在空间的位置不一定相同。不一定相同。第八章第八章 同步电机原理同步电机原理-15-第八章第八章 同步电机原理同步电机原理直轴或纵轴直轴或纵轴，简称，简称d 轴轴；与直轴相距；与直轴相距90 空间电角度的方向称为空间电角度的方向称为交轴或横轴交轴或横轴，简称，简称q 轴轴。直轴和交轴随转子一同旋转。直轴和交轴随转子一同旋转。Ff单独作用：单独作用：

7、Ff总是在直轴方向。总是在直轴方向。励磁磁通励磁磁通 f 经过的磁路以直经过的磁路以直轴对称。轴对称。 -16- 二、凸极同步电动机的双反应原理二、凸极同步电动机的双反应原理电枢磁动势电枢磁动势Fa 单独在电机主磁路中产生磁通，比单独在电机主磁路中产生磁通，比Ff 产生磁通的产生磁通的情况复杂。情况复杂。只要只要Fa 与与Ff 的空间位置不相同，的空间位置不相同，Fa的方向就不在直轴方向。的方向就不在直轴方向。对于凸极式同步电动机，由于气隙的不均匀，即使知道对于凸极式同步电动机，由于气隙的不均匀，即使知道Fa 的大的大小和位置，也无法求得磁通。小和位置，也无法求得磁通。第八章第八章 同步电机原

8、理同步电机原理aqadaFFF（8-2）如果如果Fa 与与Ff 的相对位置给定，由于的相对位置给定，由于Fa与与Ff 无相对运动，可以把无相对运动，可以把Fa分解成两分解成两个分量：个分量： 直轴电枢磁动势直轴电枢磁动势Fad（作用（作用在直轴方）、在直轴方）、交轴电枢磁动势交轴电枢磁动势Faq （作（作用在交轴方向）：用在交轴方向）： 这种处理问题的方法称为双反应理论。这种处理问题的方法称为双反应理论。-17-第八章第八章 同步电机原理同步电机原理-18-由定子电流产生的电枢磁动势的表达式：由定子电流产生的电枢磁动势的表达式：第八章第八章 同步电机原理同步电机原理spW11a22423Ink

9、NF（8-3）将上式分解为将上式分解为d、q轴上的直轴电枢磁动势和交轴电枢磁动势：轴上的直轴电枢磁动势和交轴电枢磁动势：dpW11ad22423InkNFqpW11aq22423InkNF（8-4）（8-5）-19-第八章第八章 同步电机原理同步电机原理qdsIII（8-6）-20- 三、同步电动机的电压方程三、同步电动机的电压方程 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励磁磁通励磁磁通 f 、直轴磁通、直轴磁通 ad 和交轴磁通和交轴磁通 aq 都是以同步转速逆时都是以同步转速逆时针旋转，都在定子绕组中产生相应的感应电动势。针旋转，都在定子绕组中产生相应的感应电动势。根据图根

10、据图8-7给出的同步电动机定子绕组各电量正方向，列出给出的同步电动机定子绕组各电量正方向，列出A相回相回路的电压方程路的电压方程 第八章第八章 同步电机原理同步电机原理sssaqad0sjXRIEEEU（8-7）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。 0E f在定子绕阻中的感应电动势。在定子绕阻中的感应电动势。-21-感应电动势感应电动势 、 可以写成可以写成 第八章第八章 同步电机原理同步电机原理adEaqEaddadjXIEaqqaqjXIE（8-9）（8-8）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

11、。交轴电枢反应电抗。把式（把式（8-8）、式（）、式（8-9）代入式（）代入式（8-7），得），得 sssaqqadd0sjjjXRIXIXIEU在将式（在将式（8-6）代入上式，得）代入上式，得 sqdsaqqsadd0sjjRIIXXIXXIEU-22-当同步电动机容量较大时，可忽略电阻当同步电动机容量较大时，可忽略电阻Rs，于是，于是 第八章第八章 同步电机原理同步电机原理qqdd0sjjXIXIEU（8-10）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

12、程由于气隙均匀，因而直轴和交轴的同步电抗在数值上相等：由于气隙均匀，因而直轴和交轴的同步电抗在数值上相等：saddXXXsaqqXXXqdXXdXqXcqdXXX（8-11）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。 cX-23-由式（由式（8-10）可写出隐极同步电动机的电压方程为）可写出隐极同步电动机的电压方程为 第八章第八章 同步电机原理同步电机原理（8-12） 四、同步电动机相量图四、同步电动机相量图输入电动机的有功功率输入电动机的有功功率P1必须满足必须满足 cs0sj XIEU0cos31ss1IUP（8-13）有功分量有功分量 应与相应与相 同相位。同相位。

13、可见，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，才能使电机运行于电动机状态。电动机状态。1cossIsUsUsI1-24-图图8-8b是根据隐极同步电动机的电压方程式画出的相量图。是根据隐极同步电动机的电压方程式画出的相量图。 第八章第八章 同步电机原理同步电机原理qqdd0sjjXIXIEUcs0sj XIEU图图8-8a是根据凸极同步电动机的电压方程，在是根据凸极同步电动机的电压方程，在 （超前）（超前）时，时， 电机运行于电动机状态的相量图。电机运行于电动机状态的相量图。o190-25-第三节第三节 同步电动机的功率方程和功角特性同

14、步电动机的功率方程和功角特性 一、同步电动机的功率方程一、同步电动机的功率方程从电源吸收有功功率从电源吸收有功功率P1 ，扣除铜损耗，扣除铜损耗第八章第八章 同步电机原理同步电机原理ssRIp2Cu3emCu1PpP（8-14）Pem扣除铁损耗扣除铁损耗 和机械摩擦损耗和机械摩擦损耗 得机械功率得机械功率2mFeemPppP（8-15）空载损耗空载损耗P0mFe0ppP（8-16）-26-第八章第八章 同步电机原理同步电机原理-27- 二、同步电动机的电磁功率与功角特性二、同步电动机的电磁功率与功角特性 凸极同步电动机忽略定子绕组的电阻凸极同步电动机忽略定子绕组的电阻Rs 后的电磁功率为后的电

15、磁功率为 第八章第八章 同步电机原理同步电机原理11emcos3ssIUPP（8-17）-28-sincoscossinsqqs0ddsqsdUXIUEXIIIII根据相量图可得根据相量图可得 第八章第八章 同步电机原理同步电机原理1sinsin3coscos3ssssemIUIUP（8-18）-29-上式消去上式消去d、q，得到，得到sin 、cos，代入，代入8-18得：得：第八章第八章 同步电机原理同步电机原理（8-19）若若Us、f1都维持不变；如果都维持不变；如果If 不变，则对应的电动势不变，则对应的电动势E0 的大小也的大小也是常数；电动机的参数是常数；电动机的参数Xd 、Xq又

16、是已知的常数。又是已知的常数。这样电磁功率这样电磁功率Pem 仅是仅是的函数。的函数。 把把 的关系定义为同步的关系定义为同步电动机的功角特性，电动机的功角特性， 如图如图8-10所示。所示。 （8-20）sincos113sin3dq2sds0emXXUXUEP2sin23sin3qdqd2sds0emXXXXUXUEP)(emfP-30- 上式所示凸极同步电动上式所示凸极同步电动机的电磁功率机的电磁功率Pem 中：中：第一项与励磁电流第一项与励磁电流If 的大小的大小有关，称为有关，称为励磁电磁功率励磁电磁功率。第二项与励磁电流第二项与励磁电流If 的大小的大小无关，是由参数无关，是由参数

17、 引起引起的，这部分功率只有凸极同的，这部分功率只有凸极同步电动机才有，所以该电磁步电动机才有，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。 第八章第八章 同步电机原理同步电机原理（8-21）（8-22）sin3ds0em1XUEP2sin23qdqd2sem2XXXXUPqdXX-31-第八章第八章 同步电机原理同步电机原理式中式中 同步角速度。同步角速度。p112nf11ss1emecos3IUPT（8-25） 三、同步电动机的电磁转矩与矩角特性三、同步电动机的电磁转矩与矩角特性 -32-第八章第八章 同步电机原理

18、同步电机原理（8-26） 将式（将式（8-15）等号两边同除以）等号两边同除以1，得到同步电动机的转矩平，得到同步电动机的转矩平衡方程衡方程 0e2TTT式中式中 T0空载转矩。空载转矩。2sin23sin3qd1qd2sd1s0eXXXXUXUET（8-27）2mFeemPppP2sin23sin3qdqd2sds0emXXXXUXUEP1emePT 由由得得-33-第八章第八章 同步电机原理同步电机原理 上式说明：上式说明：在在Us 、f1、 If 都保持不变时，都保持不变时，Te也仅是也仅是的函数。的函数。 把把 定义为同步电动机的定义为同步电动机的矩角特性矩角特性，绘制出的曲线称为，绘

19、制出的曲线称为矩矩角特性曲线角特性曲线。 功角特性与矩角特性的表达式相互之间仅相差一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个比例常数 1 。 )(efT 隐极式同步电动机，因隐极式同步电动机，因Xd =Xq ，则功角特性和矩角，则功角特性和矩角特性的表达式为特性的表达式为 sin3c0emXUEPssin3c1s0eXUET （8-29）-34-第八章第八章 同步电机原理同步电机原理 四、同步电动机的稳定运行四、同步电动机的稳定运行以隐极同步电动机为例讨论同步电动机的稳定运行问题。以隐极同步电动机为例讨论同步电动机的稳定运行问题。在在 = 0 90 的范围内，稳定运行；的范围内，

20、稳定运行；在在 = 90 180 的范围内，不能稳定运行。的范围内，不能稳定运行。 -35-第八章第八章 同步电机原理同步电机原理最大电磁转矩最大电磁转矩Tem与额定电磁转矩与额定电磁转矩TN之比，称为过载倍数之比，称为过载倍数 。5 . 32sin90sinNoNemTT（8-30）为了满足过载限制的要求，隐极同步电动机额定运行为了满足过载限制的要求，隐极同步电动机额定运行时，时， 。凸极同步电动机额定运行时的功率角要小些。凸极同步电动机额定运行时的功率角要小些。负载改变时，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Te或或电磁功率电磁功率Pem

21、跟着变化，以达到新的平衡状态。跟着变化，以达到新的平衡状态。在同步电动机稳定运行时，电机的转子转速在同步电动机稳定运行时，电机的转子转速n是严格按照同步转是严格按照同步转速旋转，不发生任何变化。速旋转，不发生任何变化。所以，同步电动机的机械特性为一条所以，同步电动机的机械特性为一条水平的直线。水平的直线。 ooN5 .1630-36-第八章第八章 同步电机原理同步电机原理第四节第四节 同步电动机的功率因数及同步电动机的功率因数及U形曲线形曲线 一、同步电动机的功率因数调节一、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，可认为当同步电动机接在交流电源上，可认为Us及及f1保持不变。假设保

22、持不变。假设同步电动机拖动的有功负载也保持不变，同步电动机拖动的有功负载也保持不变，仅改变同步电动机的仅改变同步电动机的励磁电流励磁电流If ，就能调节同步电动机的功率因数。，就能调节同步电动机的功率因数。假若隐极同步电动机的负载保持不变，假若隐极同步电动机的负载保持不变， 如果忽略空载转矩，如果忽略空载转矩，有有 。 可见，当可见，当T2不变时，可认为不变时，可认为Te也不变，则：也不变，则： （8-31）2eTT 常数sin31s0edXUET常数sin0E这说明这说明改变改变If，E0的大小也要跟着改变的大小也要跟着改变，以满足上式的关系。，以满足上式的关系。 -37-第八章第八章 同步

23、电机原理同步电机原理 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，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 （8-32）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，同步电动机定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。子绕组中电流的有功分量保持不变。 根据式（根据式（8-31）和式（）和式（8-32）的条件画出隐极同步电动机在三种）

24、的条件画出隐极同步电动机在三种不同励磁电流时的相量图，如图不同励磁电流时的相量图，如图8-15所示。所示。 常数11cos3ssIUP在电压在电压Us 不变的条件下，必有不变的条件下，必有 常数1cossI-38-第八章第八章 同步电机原理同步电机原理改变励磁电流，同步电改变励磁电流，同步电动机功率因数变化规律动机功率因数变化规律分为三种情况：分为三种情况：正常励磁状态、正常励磁状态、欠励状态（欠励状态（”）过励状态过励状态()。一般要过励，至少正常一般要过励，至少正常励磁状态，不要运行在励磁状态，不要运行在欠励状态。欠励状态。 cs0sj XIEU改变同步电动机的励磁改变同步电动机的励磁电流

25、，能改变同步电动电流，能改变同步电动机的功率因数，这点异机的功率因数，这点异步电动机不具备。步电动机不具备。-39-第八章第八章 同步电机原理同步电机原理 二、同步电动机的二、同步电动机的U形曲线形曲线指当电源电压和电源的频率均为额定值时，在输出功率不变的条指当电源电压和电源的频率均为额定值时，在输出功率不变的条件下，调节件下，调节If 时时Is的变化。的变化。以以If 为横座标，为横座标，Is 为纵座标，将两个电流数值变化关系绘制成曲为纵座标，将两个电流数值变化关系绘制成曲线，由于其形状象英文字母线，由于其形状象英文字母“U”，故称其为，故称其为U形曲线形曲线。 -40-第八章第八章 同步电机原理同步电机原理每条每条U形曲线，定子电流有一最小值，这时定子仅从电网吸收有形曲线，定子电流有一最小值，这时定子仅从电网吸收有功功率，功率因数功功率，功率因数 。把这些点连起来，称为。把这些点连起来，称为 线。线。它微微向右倾斜，说明输出为纯有功功率情况下，输出功率增大它微微向右倾斜，说明输出为纯有功功率情况下，输出功率增大