第08章-同步电机原理

第八章同步电机原理电机与拖动基础第一节结构和运行方式第二节电压方程和相量图第三节功率方程和功角特性第四节功率因数及U形曲线1第一节同步电机的结构和运行方式

第八章同步电机原理（8-1）多用作发电机。也可作电动机使用，例如空气压缩机、鼓风机、电力推进装置和电动发电机组等。特点：功率因数高、体积小。这种电机就称为同步电机。2一、同步电机的基本结构静止的定子和旋转的转子组成。 1.定子

定子铁心、 定子绕组、 机座、 端盖等附件。第八章同步电机原理32.转子结构形式：凸极式、隐极式。第八章同步电机原理水轮发电机的转子：凸极式；汽轮发电机的转子：隐极式。同步电动机的转子：凸极式。励磁电源两种：励磁机供电；由交流电源经过整流得到。4同步电机的基本结构机械端口转子定子绕组定子铁心电端口ABC561、汽轮发电机结构定子铁心72、水轮发电机结构(1)立式水轮发电机(2)卧式水轮发电机83）水轮发电机结构转子结构10000kW水轮机转子94）现场运行的水轮发电机10二、同步电机的基本工作原理

1.同步电机的物理模型第八章同步电机原理11

2.同步电机的工作原理以同步发电机为例：空载：转子同步转速n0转子（Nf匝）直流电流If励磁，旋转磁场 切割定子开路的三相对称绕组（N1匝），产生三相对称空载感应电动势E0

改变If大小可改变E0大小。带负载：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、转子旋转磁场的合成第八章同步电机原理123.同步电机的运行方式第八章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13第二节同步电动机的电压方程和相量图一、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，就会产生三相合成旋转磁动势（电枢磁动势Fa）。设Fa

的转向为逆时针方向，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。由直流励磁电流If

产生的磁动势（励磁磁动势Ff），也是空间矢量。Fa

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不一定相同。第八章同步电机原理14第八章同步电机原理直轴或纵轴，简称d轴；与直轴相距90空间电角度的方向称为交轴或横轴，简称q轴。直轴和交轴随转子一同旋转。Ff单独作用：

Ff总是在直轴方向。 励磁磁通f经过的磁路以直轴对称。15

二、凸极同步电动机的双反应原理电枢磁动势Fa

单独在电机主磁路中产生磁通，比Ff

产生磁通的情况复杂。只要Fa

与Ff

的空间位置不相同，Fa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Fa

的大小和位置，也无法求得磁通。第八章同步电机原理（8-2）如果Fa

与Ff

的相对位置给定，由于Fa与Ff

无相对运动，可以把Fa分解成两个分量：直轴电枢磁动势Fad（作用在直轴方）、交轴电枢磁动势Faq

（作用在交轴方向）：这种处理问题的方法称为双反应理论。16第八章同步电机原理17由定子电流产生的电枢磁动势的表达式：第八章同步电机原理（8-3）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：（8-4）（8-5）18第八章同步电机原理（8-6）19三、同步电动机的电压方程1.凸极同步电动机的电压方程励磁磁通f、直轴磁通ad

和交轴磁通aq

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。根据图8-7给出的同步电动机定子绕组各电量正方向，列出A相回路的电压方程第八章同步电机原理（8-7）Rs——定子绕组的相电阻；Xs——定子绕阻的相漏电抗。—f在定子绕阻中的感应电动势。20感应电动势、可以写成第八章同步电机原理（8-9）（8-8）式中Xad——直轴电枢反应电抗；Xaq——交轴电枢反应电抗。把式（8-8）、式（8-9）代入式（8-7），得在将式（8-6）代入上式，得21当同步电动机容量较大时，可忽略电阻Rs，于是第八章同步电机原理（8-10）式中——直轴同步电抗，；——交轴同步电抗。在一般凸极同步电动机中，。2.隐极同步电动机的电压方程由于气隙均匀，因而直轴和交轴的同步电抗在数值上相等：（8-11）式中——隐极同步电动机的同步电抗。22由式（8-10）可写出隐极同步电动机的电压方程为第八章同步电机原理（8-12）四、同步电动机相量图 输入电动机的有功功率P1必须满足（8-13） 有功分量应与相同相位。可见，与二者之间的功率因数角必须小于90，才能使电机运行于电动机状态。23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。第八章同步电机原理图8-8a是根据凸极同步电动机的电压方程，在（超前）时，电机运行于电动机状态的相量图。24第三节同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从电源吸收有功功率P1，扣除铜损耗第八章同步电机原理（8-14）Pem扣除铁损耗和机械摩擦损耗得机械功率（8-15）空载损耗P0（8-16）25第八章同步电机原理26二、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Rs后的电磁功率为第八章同步电机原理（8-17）27根据相量图可得第八章同步电机原理（8-18）28上式消去Ｉd、Ｉq，得到sinψ、cosψ，代入8-18得：第八章同步电机原理（8-19）若Us、f1都维持不变；如果If

不变，则对应的电动势E0

的大小也是常数；电动机的参数Xd

、Xq又是已知的常数。这样电磁功率Pem

仅是θ的函数。把的关系定义为同步电动机的功角特性，如图8-10所示。（8-20）29上式所示凸极同步电动机的电磁功率Pem中：第一项与励磁电流If

的大小有关，称为励磁电磁功率。第二项与励磁电流If

的大小无关，是由参数引起的，这部分功率只有凸极同步电动机才有，所以该电磁功率称为凸极电磁功率。第二项凸极电磁功率比第一项小得多。第八章同步电机原理（8-21）（8-22）30第八章同步电机原理式中——同步角速度。（8-25）

三、同步电动机的电磁转矩与矩角特性

31第八章同步电机原理（8-26）将式（8-15）等号两边同除以ω1，得到同步电动机的转矩平衡方程式中T0——空载转矩。（8-27）由得32第八章同步电机原理上式说明：在Us、f1、If都保持不变时，Te也仅是θ的函数。把定义为同步电动机的矩角特性，绘制出的曲线称为矩角特性曲线。功角特性与矩角特性的表达式相互之间仅相差一个比例常数1。隐极式同步电动机，因Xd=Xq，则功角特性和矩角特性的表达式为（8-29）33第八章同步电机原理

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。在

=0～90的范围内，稳定运行；在

=90～180的范围内，不能稳定运行。34第八章同步电机原理最大电磁转矩Tem与额定电磁转矩TN之比，称为过载倍数。（8-30）为了满足过载限制的要求，隐极同步电动机额定运行时，。凸极同步电动机额定运行时的功率角要小些。负载改变时，θ角随之变化，就能使同步电动机的电磁转矩Te或电磁功率Pem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n是严格按照同步转速旋转，不发生任何变化。所以，同步电动机的机械特性为一条水平的直线。

35第八章同步电机原理第四节同步电动机的功率因数及U形曲线一、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Us及f1保持不变。假设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励磁电流If，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，如果忽略空载转矩，有。可见，当T2不变时，可认为Te也不变，则：（8-31）这说明改变If，E0的大小也要跟着改变，以满足上式的关系。36第八章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（8-32）上式的物理意义是：在只改变励磁电流的情况下，同步电动机定子绕组中电流的有功分量保持不变。根据式（8-31）和式（8-32）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8-15所示。在电压Us不变的条件下，必有37第八章同步电机原理改变励磁电流，同步电动机功率因数变化规律分为三种情况：正常励磁状态、欠励状态（”）过励状态(’)。一般要过励，至少正常励磁状态，不要运行在欠励状态。改变同步电动机的励磁电流，能改变同步电动机的功率因数，这点异步电动机不具备。38第八章同步电机原理

二、同步电动机的U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件下，调节If

时Is的变化。以If

为横座标，Is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“U”，故称其为U形曲线。39第八章同步电机原理每条U形曲线，定子电流有一最小值，这时定子仅从电网吸收有功功率，功率因数。把这些点连起来，称为线。它微微向右倾斜，说明输出为纯有功功率情况下，输出功率增大的同时，必须相应地增加励磁电流。40第八章同步电机原理当同步电动机带一定负载时，若减小励磁电流If，电动势E0、电磁功率Pem减小。当Pem减小到一定程度，θ超过90，电动机就失去同步，图中虚线所示的不稳定区。从这个角度看，同步电动机最好也不运行于欠励状态。41第八章同步电机原理小结同步电机的转子转速与电枢电流的频率的关系，或者说转子转速恒