三相交流同步电动机

第六章三相交流同步电动机§6-0概述§6-1同步电动机的工作原理§6-2同步电动机的功率平衡、功角和矩角特性§6-3同步电动机的励磁调节及V形曲线§6-4同步电动机的起动§6-5介绍几种特殊的同步电动机2/5/20231§6-0概述

同步电机其转速不随负载转矩的变化而变化，且与电源频率f成严格的比例关系。

同步电机的三种运行状态：发电机：气轮发电机及水轮发电机等。电动机：由电网输入电功率，轴端输出机械功率。调相机：专门发出或吸收无功功率，调节电网功率因数同步电动机的类型很多，工作原理各有特点，但基本原理相同。同步电动机的结构：由定子和转子组成2/5/20232（1）定子和三相交流异步电动机定子完全一样。

电动机的定子又称为电枢。有定子铁心、三相对称绕组、机座、端盖、电刷架等。其作用是产生磁场。（2）转子转子与异步电动机转子不同。转子也需要励磁，且磁极对数与定子磁极对数相同。转子磁极的励磁方式有电磁式和永磁式。转子结构分为凸极式转子和隐极式转子。除了转子磁极外，转子还包括转轴、滑环等。转子的励磁绕组两个出线端接到两个滑环上，通过滑环上的两个静止的电刷向外引出。电磁式同步电动机的励磁方式直流发电机励磁整流器励磁2/5/202332/5/20234§6-1同步电动机的工作原理

定子同步电动机工作原理×·×··×转子NSSNn1n12/5/20235§6-1同步电动机的工作原理

定子同步电动机工作原理×·×··×转子SNNS2/5/20236§6-1同步电动机的工作原理

定子同步电动机工作原理×·×··×转子SNNS2/5/20237§6-1同步电动机的工作原理

定子同步电动机工作原理×·×··×转子SNNS2/5/20238§6-1同步电动机的工作原理

定子同步电动机工作原理×·×··×转子SNNS2/5/20239§6-1同步电动机的工作原理

定子同步电动机工作原理×·×··×转子SNNS2/5/202310§6-1同步电动机的工作原理

定子同步电动机工作原理×·×··×转子SNNS2/5/202311§6-1同步电动机的工作原理

定子同步电动机工作原理×·×··×转子SNNS2/5/202312§6-1同步电动机的工作原理

定子同步电动机工作原理×·×··×转子SNNS2/5/202313§6-1同步电动机的工作原理

定子同步电动机工作原理×·×··×转子SNNS2/5/202314§6-1同步电动机的工作原理

定子同步电动机工作原理×·×··×转子SNNS同步电动机是一种定子边用交流电流励磁以建立旋转磁场，转子边用直流电流励磁所构成旋转磁极的双边励磁的交流电动机。2/5/202315同步电动机分为隐极式和凸极式。6-1-1隐极式同步电动机的分析一、隐极式同步电动机的电磁关系Fa——电枢磁势；Ea——电枢（反应）电势；Fj——励磁磁势或空载磁势；Eo——励磁电势或空载电势；

Es——漏感电势。2/5/202316同步电动机空载时，电枢电流很小，可以认为没有电枢磁势，气隙中仅有励磁磁势。所以励磁磁势又称为空载磁势。励磁磁场和电枢磁场之间无相对运动，且与转子也无相对运动，所以转子内无感应电势。Ea、E0、Es皆为定子中的感应电势。一、隐极式同步电动机的电势平衡方程式和向量图

一相绕组平衡方程式2/5/202317

隐极式同步电动机一相等值电路图和向量图2/5/2023186-1-2凸极式同步电动机的电势平衡方程式和向量图隐极式同步电动机的电枢反应和电枢磁势

同步电动机带负载运行时，定子电流增大，三相绕组产生的电枢磁场会对励磁磁场产生影响，称为电枢反

应。

由于气隙磁阻均匀，且线性，所以电枢磁势和磁密在空间分布一致，都呈正弦分布，所以电枢反应电势可用电枢反应电抗Xa的压降来反应。凸极式同步电动机的电枢反应和电枢磁势

（1）同步电动机的凸极效应使得电枢反应磁场的磁感应强度分布发生畸变。而且随着转子相对电枢磁势的位置不同，电枢磁场的分布也不同。2/5/2023192/5/2023202/5/2023212/5/2023222/5/202323（2）

电枢磁势可分解为一个直轴磁势和一个交轴磁势将电枢电流分解为一个直轴分量和一个交轴分量而且2/5/202324

直轴、交轴电枢反应磁势分别产生直轴电枢反应磁通和交轴电枢反应磁通，从而在电枢绕组中分别产生直轴电枢反应电势和交轴电枢反应电势。若铁心不饱和，则有其中Xad——为直轴电枢反应电抗，它与直轴磁路的磁阻成反比；

Xaq——为交轴电枢反应电抗，它与交轴磁路的磁阻成反比。因为交轴处气隙大，磁阻大；而直轴处气隙小，磁阻小，所以有Xad>Xaq。2/5/202325

凸极式同步电动机电势平衡方程式和向量图

考虑到直轴磁势和交轴磁势分别产生漏磁通，因此隐极式同步电动机的气隙均匀，可以由凸极式同步电动机电压平衡方程式推导出隐极式电动机电压平衡方程式，所以隐极式同步电动机是凸极式同步电动机的一个特例。2/5/2023262/5/202327§6-2同步电动机的功率平衡、功角和矩角特性6-2-1同步电动机的功率和转矩一、功率平衡关系和转矩平衡关系

功率平衡关系

2/5/202328则同步电动机的效率为：

转矩平衡方程式2/5/202329二、电磁功率和电磁转矩表达式同步电动机的铜耗和铁耗都很小，为分析方便可予以忽略。则向量图（忽略定子绕组电阻）2/5/202330将电流代入功率公式：2/5/202331对隐极式同步电动机不存在附加分量：2/5/2023326-2-2功角特性和矩角特性

当电网电压U1和频率f不变，励磁电流Ij不变和、E0不变时，同步电动机的电磁功率和电磁转矩仅取决于功角的大小。

功角特性电磁功率Pm和功角的关系Pm=f()

称为同步电动机的功角特性。

矩角特性电磁转矩Mem与功角的关系Mem=f()，

称为同步电动机的矩角特性。2/5/202333

凸极和隐极同步电动机的功角和矩角特性曲线2/5/202334

功角是同步电动机的一个重要参数。在时间上表示电网电压Ù1和励磁电压È0之间的相位差；在空间上表示励磁磁场和定子合成磁场之间的空间夹角。同步电动机的运行状态完全取决于功角。（1）当>0时，定子合成磁场超前励磁磁场，两个磁场之间产生切向电磁力，其电磁转矩带动转子以同步速度旋转，同步电动机处于电动机运行状态。（2）当=0时，两个磁极轴线重合，电磁转矩为零。（3）当<0时，转子磁极拖着合成磁极旋转，产生的电磁转矩与转子转动方向相反，为制动2/5/202335

转矩，此时转子必须外面有原动机带动转子转动，这样同步电动机从轴上输入机械功率，从定子绕组端输出电功率，同步电动机处于发电机工作状态。6-2-3同步电动机的稳定性和负载能力隐极式同步电动机矩角特性在0

<<90°范围内，矩角特性OC段是稳定运行区。通常用最大转矩Mmax与额定电磁转矩MN之比定义为

同步电动机的过载倍数m，增加励磁电流也可提高过载能力。2/5/202336失步现象当负载转矩增大且超过最大电磁转矩Mmax

时，功角增大，并超过90°，而电磁转矩继续下降，使电机不断减速而不能与定子磁极同步运行，这种现象称为失步。

凸极同步电动机矩角特性在U1、f和励磁电流相同的情况下，由于附加转矩的影响，使矩角特性最大转矩Mmax有所增加，因而凸极同步电动机过载能力比隐极式同步电动机要大。同步电动机的机械特性2/5/202337[例]一台隐极式同步电动机的额定数据为（超前）定子绕组星形接法，同步电抗，如忽略定子电阻，求该电动机在额定运行时（1）励磁电势，（2）功角，（3）电磁功率，（4）过载能力。[解]励磁电势。该同步电动机向量图如图所示。2/5/202338由向量图可知：2/5/202339[例]凸极式同步电动机（自学）2/5/202340§6-3同步电动机的励磁调节及V形曲线6-3-1励磁调节同步电动机在电网电压U1、电网频率f以及输出功率P2保持不变的情况下，改变励磁电流的大小，可以改变功率因数cosN的大小。假设：（1）不计凸极效应，即（2）不计电机的损耗，所以输入功率为常数，则2/5/202341因为隐极式同步电动机电势平衡方程式为所以当U1不变时，改变励磁电流Ij会引起励磁电势、电枢电流的大小和相位都改变，因此功率因数也改变。

下面是以为参考向量，当为三种不同状态时的向量图。2/5/2023422/5/202343（1）当。Ìa与Ù1同相，为纯有功电流，Ia值最小。此时电动机从电网只吸收有功功率。这种励磁状态称为“正常”励磁状态。（2）调节Ij使其小于正常励磁电流，此时电枢电流。此情况下电动机除从电网吸收一定的有功功率外，还从电网吸收一定的滞后的无功功率，这种励磁状态称为“欠励”状态。（3）调节Ij使其大于正常励磁电流，此时电枢电流。此情况下电动机一方面吸收一定的有功功率，同时还要从电网吸收一定的超前无功功率，这种励磁状态称为“过励”状态。2/5/202344

调节同步电动机的励磁电流即可方便而又灵活的调节它的无功功率和功率因数，当处于过励状态时，同步电动机在电网上是一个容性负载，它可补偿电网一般处于感性负载的不利状态，从而提高电网的功率因数。有时为了改善供电系统的功率因数，而将同步电动机作空载运行，专门用来调节系统的无功功率，这种运行状态的同步电动机称为同步补偿机或同步调相机。6-3-2V形曲线

同步电动机的V形曲线是指当电网电压、频率均为额定值，即U1=UN，f=fN时，在输出功率不变情况下，电枢电流与励磁电流的关系曲线即

Ia=f(Ij)

曲线。2/5/202345

不同输出功率下的励磁电流和电枢电流的关系曲线2/5/202346（1）对应于每条双曲线的最低点，电枢电流Ia为最小值，此时电枢电流只有有功电流，。电机为正常励磁。（2）当Ij小于正常励磁电流时，电机为欠励。此时电枢电流出现了感性无功电流，因此电枢电流增大。（3）当Ij大于正常励磁电流时，电机为过励。此时电枢电流除有功电流外，还出现了超前无功电流，因此电枢电流也增大。（4）输出功率增大，V形曲线向上向右移。因为电枢电流的有功分量将增大，因此最低点上移；另外励磁电势增大，因此励磁电流也增大。2/5/202347[解]表示电流与电压之间的相位差，滞后表示电流滞后电压。则工厂原来所消耗功率情况为：2/5/202348（1）选用感应电动机时2/5/202349（2）选用同步电动机时2/5/202350§6-4同步电动机的起动

若不采取措施，通常同步电动机是不能自行起动的。2/5/202351起动绕组为短路绕组，起动时，励磁绕组接上一个电阻。然后再接入励磁电源。2/5/202352

同步电动机可以采取异步起动。先使同步电动机在异步转矩的作用下转动起来，待转速上升到接近同步转速时，再给转子励磁绕组通入直流电源，使转子建立磁场。依靠定、转子磁场相互作用所产生的电磁转矩，将转子牵入同步。所以异步起动过程包括“异步起动”

和“牵入同步”两个阶段。

异步起动时励磁绕组决不能开路。否则在匝数较多的励磁绕组端产生很高的感应电势，可能使励磁绕组被击穿；或危及生命。

也不能将励磁绕组直接短路。因为励磁绕组感应产生的单相电流所产生的脉振磁场可分解为2/5/202353与转子旋转方向相同的正序磁场及与转子旋转方向相反的负序磁场。正序磁场产生的转矩和负序磁场产生的转矩的合成转矩即单轴转矩