电机与拖动基础9章

第9章同步电动机

9.1概述同步电机的转子转速与旋转磁势同步转速相同，即转子转速与定子电流的频率满足：

(a)隐极式(b)凸极式1—定子2—转子3—集电环同步电动机的主要结构由定子和转子组成。定子部分与三相异步电动机完全一样，是同步电动机的电枢。同步电动机转子上装有磁极，分为凸极式和隐极式两种。当励磁绕组通入电流If时，转子上产生N、S极。三同步电动机的基本工作原理

如果三相交流电源加在三相同步电动机定子绕组时，就产生旋转速度为n的旋转磁场。转子励磁绕组通电时建立固定磁场。假如转子以某种方法起动，并使转速接近n1，这时转子的磁场极性与定子旋转磁场极性之间异性对齐(定子S极与转子N极对齐)。根据磁极异性相吸原理，定转子磁场间就产生电磁转矩，促使转子跟旋转磁场一起同步转动即n=n1，故称为同步电动机。同步电动机实际运行时，由于空载总存在阻力，因此转子的磁极轴线总要滞后旋转磁场轴线一个很小角度θ，促使产生一个异性吸力(电磁场转矩)；负载时，θ角增大，电磁场转矩随之增大。电动机仍保持同步状态。当然，负载若超过同步异性吸力(电磁转矩)时，转子就无法正常运转。三同步电动机的额定数据1）额定容量PN2）额定电压UN3）额定电流IN4）额定功率因数cosN5）额定转速nN6）额定效率N9.2同步电动机的电磁关系

9.2.1同步电动机的磁通势同步电动机的主磁路上共有两个磁通，即电枢磁通势Fa和励磁磁通势F0。二者都以同步转速逆时针方向旋转，即所谓同步转速。但二者空间位置却不一定相同。以F0为纵轴方向d轴，垂直d轴方向的为横轴q轴。9.2.2凸极同步电动机的双反应原理把Fa分成两个分量：纵轴电枢磁通势Fad；横轴电枢磁通势Faq。Fad产生的磁通为纵轴电枢磁通ad，Faq产生的磁通为横轴电枢磁通aq。Id与Iq相差90O9.2.2凸极同步电动机的电压平衡方程励磁磁通

0

在定子绕组里感应电动势E0，ad在定子绕组里感应电动势Ead

，aq在定子绕组里感应电动势Eaq

。同步电动机定子绕组的电压平衡式ABC电量正方向Xad为纵轴电枢反应电抗Xaq为横轴电枢反应电抗忽略R1有：式中Xd=Xad+X1

为纵轴同步电抗；Xq=Xaq+X1为横轴同步电抗。9.2.2凸极同步电动机的电压平衡方程同步电动机要作为电动机运行，电源必须向电动机的定子绕组传输有功功率，P必须满足：

P1=3UIcos>0Icos应于U同相位。必须小于90o。9.2.4凸极同步电动机的电动势相量图当<90o(领先性)，电机运行于电动机状态，有相量图。Id=IsinIq=Icos角称为功率角。9.2.5隐极同步电动机如果隐极同步电动机气隙是均匀的，则：Xd=Xq=Xc9.3同步电动机的功率关系与转矩特性9.3.1功率关系从电源输入的有功功率P1=3UIcos，除去定子铜损耗pCu=3I2R1后，就是电磁功率PM：P1-pCu=PMPM-pFe-pm=P2p0=pFe+pmP1PMP2pCu=3I2R1p0=pFe+pm知道PM后，很容易算出T9.3.2电磁功率忽略R1时9.3.2电磁功率将三角函数关系式sin2=2consin代入上式得：9.3.3功角特性把的PM=f()关系称为同步电动机的功角特性励磁电磁功率曲线1：当=90o时，PM励最大9.3.3功角特性凸极电磁功率曲线2：当=45o时，PM凸最大可见，总的最大电磁功率PMm对应的角小于90O。9.3.4矩角特性PM除得电磁转矩为：曲线形状与功角特性一样。隐极式同步电动机的矩角特性在固定励磁电流条件下，隐极式同步电动机的最大电磁功率PMm与最大电磁转矩Tm分别为：090o180oTTmTNN9.3.5稳定运行1.当电动机拖动机械负载运行在=0o~90o的范围，电动机能稳定运行。2.当电动机拖动机械负载运行在=90o~180o的范围，电动机不能稳定运行。090o34TTT’N090o180oTT’T129.3.5稳定运行最大电磁转矩Tm与额定转矩TN之比，叫过载倍数同步电动机是等效磁极拖着转子磁极与同步转速n旋转。如果转子在前，等效磁极在后，即转子拖着等效磁极旋转，是发电机状态。9.4同步电动机功率因数的调节U，f都不变，仅改变励磁电流，就能调节他的功率因数。当负载不变时：当改变If时，同步电动机功率因数变化如下。1.使I与U同相，称为正常励磁状态，电动机只吸收电网的有功功率，cos=1。2.当If小于正常励磁电流，称为欠励状态，电动机除吸收电网的有功功率外，还要吸收滞后的无功功率。电阻电感负载。3.当If大于正常励磁电流，称为过励状态，电动机除吸收电网的有功功率外，还要吸收领先的无功功率。电阻电容负载。可见，过励状态下的同步电动机对改善电网的功率因数有很大的好处。

当改变If时，同步电动机功率因数变化如下。9.4.2U形曲线当改变If时定子电流变化的情况。同步电动机功率因数呈领先感性还是呈容性，完全可以认为地调节历次电流改变励磁磁通势的大小来实现。9.5同步电动机的启动9.5.1同步电动机的异步启动三相同步电动机异步启动法就是在转子极靴上装一个启动绕组(阻尼绕组)，利用异步电动机启动原理来起动：

(1)将三相同步电动机的励磁绕组通过阻值为励磁绕组电阻的10倍一个附加电阻短接，励磁绕组不可开路。

(2)起动过程中定子绕组建立旋转磁场，在转子的启动绕组中产生感应电动势及电流，而产生类似于异步电动机的电磁转矩。9.5.1同步电动机的异步启动(3)当电动机的转速接近同步转速时，将附加电阻切除，励磁绕组