第7章三相同步电机

三相同步电机第7章1电机与拖动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。熟练掌握同步电动机的U型曲线及其意义。掌握工作特性中的cosφ=f（P2）曲线形状及其意义。了解同步电动机的起动方法；一般掌握同步调相机。27.1同步电机的结构和运行方式

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铁心是由硅钢片叠成，它构成电机磁路的一部分。电枢绕组是三相对称绕组，由高强度漆包线绕成，它构成电机的电路。345UVWU’V’W’VWW’UU’V’U’UW’VV’W

Y接法

接法WW’U’V’VU接线盒注意：首尾端不能接反！定子三相绕组接线方式WUVU’V’W’U

定子U’VV’WW’6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凸极式转子7水轮发电机8电机与拖动水轮发电机的特点：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1～2mm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。磁极与磁极轭部采用T形或鸽尾形连接。9隐极式转子10汽轮发电机111213电机与拖动汽轮发电机的特点：定子大体上与异步电机相同，定子铁心由0.35mm、0.5mm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1m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，一般采用B级或F

级绝缘。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。励磁绕组为同心式绕组，以铜线绕制，并用不导磁的槽楔将绕组紧固在槽内。

14凸极转子隐极转子d轴q轴d轴q轴特点：气隙不均匀特点：气隙均匀转子结构特点15定子三相对称绕组，加三相对称电压，流入三相对称电流，产生旋转磁场N1、

S1

。旋转磁场的转速为转子励磁绕组，加直流电压，产生恒定磁场N2、

S2

。定子磁场N1、

S1

与转子磁场N2、

S2

之间产生磁拉力，从而产生电磁力矩拖动转子与定子磁场同步旋转。原理动画二、同步电动机的工作原理16*同步转速从供电品质考虑，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：要使得发电机供给电网50Hz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速。例如2极电机的同步转速为3000r/min，4极电机的同步转速为1500r/min，依次类推。只有运行于同步转速，同步电机才能正常运行，这也是同步电机名称的由来。

17*同步机运行方式

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。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。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，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。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。

18三、同步电动机的额定数据⑴额定容量是指轴上输出的有功功率，单位为。

⑵额定电压指加在定子绕组上的线电压，单位为或。⑶额定电流电动机额定运行时，流过定子绕组的线电流，单位为。⑷额定功率因数电动机额定运行的功率因数。⑸额定转速电动机额定运行时转子转速，单位为。⑹额定效率电动机额定运行效率。

此外，同步电动机铭牌上还给上额定频率；额定励磁电压；额定励磁电流等数据。19一、

隐极同步电动机电磁分析和相量图定子的电磁关系(磁路不饱和时）：转子If定子F=F0+Fa1、电磁分析由于定、转子磁场在空间相对静止，故同步电动机带负载运行，定转子电流产生两个旋转磁场，它们相对静止，只在定子中感应电势。7.2同步电动机的电压方程和相量图FFIaEaFaF0E0202、基本方程磁路不饱和时气隙磁场在定子中的感应电势故而漏感电势r1定子一相绕组电阻为r121在给定的参考方向下，定子一相绕组的电压平衡方程式为1aa01rIEEEU+++=s1aasdrIxjIE++=r1aaaa0IxjIxjIE+++=s式中xa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。xa>>xr1223、等效电路和相量图定子一相等效电路为一般同步电动机容量都较大，电阻r1很小，忽略之，得aaa0xjIxjIE++=sca0xjIE+=式中xc称为隐极同步电机的同步电抗。与等效电路对应的相量图(忽略r1）为：+r1-jxcU123二、

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。1、双反应原理电枢磁通势可以分成两个分量，一个为纵轴电枢磁通势Fad，作用在纵轴方向；一个为横轴电枢磁通势Faq，作用在横轴方向。24纵轴电枢磁通势Fad的大小：横轴电枢磁通势Faq的大小：若转到A相绕组轴线上，idA为最大值；若

转到A相绕组轴线上，iqA为最大值。显然，与相差90o时间电角度。由于三相对称，只取A相，所以有25在给定的参考方向下，定子一相绕组的电压平衡方程式为1aa01rIEEEU+++=1r1aaaa0IxjIxjIE+++=1式中xa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。xa>>x1r10EE1aEaI1U2、电压平衡方程式26则因磁路线性，可写成同样忽略R1，为：273、相量图28一、同步电动机的功率方程输入：定子铜耗：电磁功率：输出功率：0emFesmem2pPpppPP-=---=摩擦损耗附加损耗空载损耗铁损耗电功率电磁功率输出功率同步电动机的功率流程图mFe0ppp+=空载损耗：sp+7.3同步电动机的功率方程及功角特性29二、同步电动机的电磁功率与功角特性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

由相量图可见：

于是

此外，根据相量图可得：

30考虑以上这些关系，得即

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，这部分功率只有凸极同步电动机才有，而对隐极同步电动机不存在，所以称为凸极电磁功率。

31功角特性功角的概念：

◆功角θ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角。并网运行时，

为电网电压，其大小和频率不变，对应的合成磁势

总是以同步速度旋转，因此功角的大小只能由转子磁势

的角速度决定。稳定运行时，

和

之间无相对运动，θ具有固定的值。

◆y为内功率因数角，θ

=y-j定义为功角。它表示发电机的励磁电势

和端电压

之间相角差。功角θ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。

32功角的空间概念：

33三、同步电动机的电磁转矩与矩角特性电磁转矩的通用公式

由：

不计定子电阻时，

可得：

34得到的电磁转矩表达式为若是隐极同步机xd=xq=xcq=sinxUsE3Pc0em隐极机q=sinxUsE3Tc01em隐极机35凸极机q-+q=2sin)x1x1(2UmsinxUEmPdq2d0em结论：q=sinxUEmPc0em隐极机可见电磁功率、电磁转矩都是的函数。36功角特性和矩角特性曲线在U、E0不变时，Pem、Tem与成正弦关系BATLTm180900Pem(Tem)θ隐极机180900Pem(Tem)θ凸极机37一、同步电动机的功率因数调节保持同步电动机的U1、f、P2不变，调节励磁电流If

，会引起电枢电流Ｉ和电机功率因数的改变。7.4同步电动机功率因数及U形曲线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，则这说明当改变励磁电流时，电动势E0的大小也要跟着改变。38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于输出功率相等。于是有在电压Us不变的条件下，必有上式的物理意义是：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。39结论：

调节If

，可以改变电机功率因数；正常励磁时，为纯阻性；

If>正常励磁时,为容性；

If<正常励磁时，为感性。注意：同步电动机拖动负载运行时，一般要过励，至少运行在正常励磁状态，不要让它运行在欠励状态。40二、

U形曲线Ｉ＝f(If)条件：P2保持不变，调节If当If=If1时，I为纯有功电流，最小；If从If1增加时，I增加；If从If1减小时，I也增加；电流I呈Ｖ形曲线变化。C3>C2>C10欠励过励IIfP2=C1P2=C2P2=C3正常励磁

U形曲线是一簇曲线，每一条U形曲线对应一定的有功功率。U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cos=1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。41TemθS1S2N2N1n1θN1S2N2S1n1Tem同步电动机起动时n=0,由于转子的惯性，其速度不能突变，而气隙磁场速度n1很快。所以转子所受的T方向来回变化，转子无法直接起动。7.5同步电动机的起动42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速恒定的条件下，其转速必为同步转速n1，是不可调节的。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，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43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。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，为减小不必要的损耗，可切