同步电动机相关理论

6.9同步电动机与同步补偿机一、同步电机的可逆原理改变电枢电流的参考方向，以输入电流作为电枢电流的正方向，记为IM，此时输入电功率为正值，电压方程式为

隐极同步电动机

1.同步电动机的电压方程和向量图二、同步电动机画凸极同步电动机向量图时，需要先确定ψ0M角。凸极同步电动机2.同步电动机的功角特性，功率方程和转矩方程在电动机惯例下，把

滞后

的功率角为正，用M表示，则这时电磁功率为正，表示从电能转换为机械能。将上式除以同步角速度Ωs，便得电动机的电磁转矩同步电动机的电磁转矩是驱动性质的。功率方程Pe=pFe+pΩ+P2

Te=T0+T2Te为电动机的电磁转矩T0为空载转矩T2为输出转矩P1=pcua+Pe转矩方程3.同步电动机的运行特性

同步电动机的运行特性包括工作特性和V形曲线两部分。U=UN、If=IfN时，Te、IM、η、cosφM=f(P2)。当输出功率P2=0时，电枢电流为很小的空载电流；随着输出功率的增加，电枢电流也随之增大，电枢电流也随之增大，IM=f(P2)近似为一直线。（1）工作特性

Te=f(P2)是一条直线同步电动机的效率特性与其他电机基本相同。空载时，η=0，随着输出功率的增加，效率逐步增加，达到某个最大之后开始下降。同步电动机的功率因数特性与额定功率因数有关。曲线1对应励磁电流较小，空载时功率因数等于1。曲线2对应励磁电流稍大，半载时功率因数等于1。曲线3对应励磁电流更大，满载时功率因数等于1。改变励磁电流，可使电动机在任意特定负载下的功率因数达到1，甚至变成超前。同步电动机的最大电磁功率与额定功率之比，称为过载能力。和发电机一样，增加电动机的励磁，可以提高最大电磁功率Pe(max)，从而提高过载能力。U=UN，Pe=C时，IM=f(If)。(2)V形曲线内功率因数角为：4.同步电动机的起动同步电动机仅在同步转速时才产生恒定的同步电磁转矩。起动时若把定子直接投入电网，转子加上直流励磁，则定子旋转磁场以同步转速旋转，而转子磁场静止不动，定、转子磁场之间具有相对运动，所以作用在转子上的同步电磁转矩正、负交变，平均转矩为零，电机不能自行起动。因此，要把同步电动机起动起来，必须借助其他方法。起动方法异步起动法辅机起动法变频起动法（1）异步起动法起动绕组：电机的主极极靴上设有起动绕组，相当于感应电机的鼠笼绕组。起动方法：起动时，先把励磁绕组通过电阻短接，然后把定子绕组接到三相交流电网。依靠定子旋转磁场和转子绕组中感应电流所产生的异步电磁转矩，电机便能转起来。自耦变压器笼形起动绕组＋－运行起动异步起动时的线路图待转速上升到接近于同步转速时，再将励磁电流接入励磁绕组，使转子建立主极磁场。此时依靠定、转子磁场相互作用所产生的同步电磁转矩，再加上由于凸极效应所引起的磁阻转矩，便可能将转子牵入同步。通常选用与同步电动机极数相同的感应电动机作为辅助电动机，当辅助电机把主机拖动到接近同步转速时，再用自整步法把主机投入电网。(2)辅机起动方法(3)变频起动法起动时，加上励磁，把变频电源输出频率调的很低。变频器＋－缓慢提高变频器的输出频率，直到额定频率。

切除变频器。5.同步电动机的调速和控制方式(1)调速原理由改变供电电源的频率，可以方便地控制同步电动机的转速。对于隐极同步电机当转子励磁电流不变时，若采用恒电压/频率比控制同步电机的最大转矩保持不变。(2)控制方式同步电动机变频调速系统可分为它控式和自控式两种。自控式是从外部控制变频器频率来准确地控制转速。这种控制方式简单，但有失步和振荡问题，对急剧升、降速必须加以限制。自控式是频率的闭环控制，采用转子位置传感器随时检测定、转子磁极相对位置和转子的转速，由位置传感器发出的位置信号去控制变频器中主开关元件的导通顺序和频率。电机的转速在任何时候都与变频器的供电频率保持严格的同步，故不存在失步和振荡现象，三、同步补偿机

1.同步补偿机的原理

同步补偿机可以看作为空载运行的同步电动机。在正常励磁时，电枢电流极小，接近于零。过励时，从电网吸收超前的无功电流；欠励时，则从电网吸取滞后的无功电流。

2.同步补偿机的额定容量和结构特点同步补偿机的转子上装有起动绕组，供异步起动之用。为提高材料利用率，大型补偿机常常采用氢冷。同步补偿机的额定容量是按过励时所能补偿的无功功率来确定，其容量主要受定、转子绕组温升的限制。由于补偿机不带任何机械负载，故可没有轴伸，对其机械结构要求亦较低。允许其同步电抗稍大，因而电机的用铜量较少、造价较低。6.10同步发电机的不对称运行不对称运行的原因：系统内接有较大的单相负载；雷击；不对称短路。不对称运行的分析方法：对称分量法二、同步发电机的各相序阻抗和等效电路同步发电机不对称运行时电压和电流的对称分量分别为，由于转子对各相序电流所产生磁场的反应不同，使各相序阻抗互不相同。考虑到对称绕组中感应的励磁电动势只有正序分量，可画出各相序的等效电路。，对应的电压方程为

1.正序阻抗和正序等效电路

在转子正向同步旋转、励磁绕组接通，电枢三相绕组流过对称的正序电流时，同步电机所表现的阻抗称为正序阻抗，用Z+表示。上述情况实质上就是前面所研究的对称运行情况，所以稳态情况下同步电机的正序阻抗。

Z+＝R＋＋jX＋Z+就是隐极电机的同步阻抗正序电阻R＋就是电枢电阻Ra，即R＋＝Ra正序电抗X＋就是同步电抗Xs

，即X＋＝Xs对于隐极电机对于凸极电机当电枢磁动势与直轴重合时，X＋＝Xd当电枢磁动势与交轴重合时，X＋＝Xq在其他位置时，X＋的值将在Xd和Xq之间2.负序阻抗和负序等效电路在转子正向同步旋转、励磁绕组短接，电枢三相绕组流过一组对称的负序电流时，同步电机所表现的阻抗成为负序阻抗，用Z-表示。此时该同步电机相当于s=2的感应电动机运行状态。故把s=2带入感应电动机的等效电路，并考虑到交轴及直轴的差别，就可得到同步电机的负序阻抗，分别讨论转子上有、无阻尼绕组两种情况。（1）转子无阻尼绕组Z-q=Ra+jXqZ-d将近似地等于负序电抗X-为（2）转子有阻尼绕组直轴和交轴的负序电抗将近似等于称为交轴超瞬态电抗称为直轴超瞬态电抗如果转子的阻尼作用极强，则负序电抗将接近于电枢绕组的漏抗。而负序电抗X-则近似等于阻尼回路的参数对负序电抗的影响较大。结论：转子的阻尼作用越强（即阻尼绕组的漏阻抗越小），X-越小。电枢电流产生的负序气隙磁场被转子阻尼绕组中感应电流所产生的去磁磁场抵消得就越多，合成负序磁场就越弱。3.零序阻抗和零序等效电路在转子正向同步旋转、励磁绕组短接，电枢三相绕组流过一组零序电流时，同步电机所表现的阻抗称为零序阻抗，用Z0表示。

当电枢三相对称绕组通入零序电流时，由于各相的零序电流为同幅值、同相位，故气隙基波合成磁动势和磁场将等于零，零序电抗X0属于漏电抗性质。分析表明若绕组为整距，则X0与定子漏抗Xσ基本相等若绕组为短距，则X0<Xσ零序电阻R0就是电枢电阻Ra零序阻抗Z0等于Z0＝R0＋jX0设同步发电机的A相对中点短路，B、C相为空载。二、同步发电机的单相短路发电机端点的约束条件为：单相稳态短路电流比三相稳态短路电流大。B相和C相的开路电压为:单相短路时，定子短路电流中除基波分量外，还有3次，5次…等奇次谐波；转子电流中除直流励磁分量外，还将含有一系列偶次谐波。定子绕组的脉振磁场分解为两个大小相等转向相反的旋转磁场反向的负序磁场将以2ns的相对转速“切割”转子在励磁绕组内产生一个频率为2f1的感应电流产生一个频率为2f1的脉振磁场分解为两个大小相等转向相反的旋转磁场，在空间的旋转速度分别为-ns和3ns3ns的这个旋转磁场将在定子绕组内感生3f1（150Hz）的电动势和短路电流定子中有一系列奇次谐波，转子中有一系列偶次谐波三、同步发电机的线间短路

设B、C两相发生线间短路，A相为空载。现分析其短路电流和A相开路电压

B、C相线间短路、A相空载时，发电机端点的约束条件为由于İ0＝0，所以零序系统可以不予考虑。正序和负序电流为：短路电流则为：正、负序电压为：开路相电压为：三相稳态短路电流<两相稳态短路电流<单相稳态短路电流6.11同步发电机的三相突然短路同步发电机突然短路时，各绕组中会出现很大的冲击电流，其峰值可达额定电流的10倍以上，因而将在电机内产生很大的电磁力和电磁转矩。为了简化分析，作如下假设：(1)在整个电磁瞬态过程中，转子转速保持同步转速；(2)不计磁路饱和，因而可利用叠加原理来分析；(3)突然短路前，发电机空载运行；(4)转子上只有励磁绕组。一、超导回路磁链守恒原理磁极相对于回路移动在回路中感应电动势感应电流产生一自感磁链和自感电动势电压方程为超导体闭合回路的总磁链保持不变。二、三相突然短路过程中的基本电磁关系1．定子各相绕组的磁链转子磁场产生的定子三相绕组磁链定子三相绕组磁链初值分别为

励磁绕组磁链初始值为

突然短路后定子各相绕组的磁链定子三相短路电流产生的与定子绕组交链的磁链

2．定子各相绕组的电流3．转子绕组的电流和磁链

突然短路后转子励磁绕组总电流的表达式为

对应的磁链是4．瞬态磁场和瞬态电抗直轴瞬态主磁路磁阻直轴瞬态主磁路磁导直轴瞬态磁路磁导直轴瞬态电抗三、突然短路电流及其衰减时间常数1．各个电流分量定子短路电流周期性分量

定子短路电流非周期性分量

励磁绕组电流的周期性分量

三相短路电流的稳态分量2．突然短路电流的衰减变化规律（1），瞬态分量，与励磁绕组中的非周期性分量对应；（2），稳态分量，与恒定励磁电流对应；（3）非周期分量，与励磁绕组中的周期性分量对应。稳态分量不衰减；与对应的瞬态分量衰减时间常数为；与对应的非周期分量衰减时间常数。励磁绕组非周期电流和定子电流瞬态分量衰减的时间常数

定子非周期电流衰减时间常数

定子绕组短路时，励磁绕组的等效电抗三相突然短路（无阻尼绕组）的A相电流波形有阻尼绕组时三相突然短路电流为超瞬变分量，；是直轴阻尼绕组非周期电流和定子电流超瞬态分量衰减的时间常数。最大冲击电流某相交链的磁链达正最大值时短路，若不考虑衰减，经过半个周期后最大冲击电流为

，可达实际衰减后最大电流也可达到。三相突然短路（有阻尼绕组）的A相电流波形

6．12永磁同步电机一、永磁同步电动机1．异步起动永磁同步电动机

异步起动永磁电动机的转子结构转子结构起动转矩发电制动转矩异步驱动转矩单轴转矩，时产生。2．正弦波永磁同步电动机电机本体；转子位置