第六章 同步电机及微控电机

6.1同步电机的基本工作原理及其分类6.2同步发电机的运行6.3同步电动机无功功率的调节第六章同步电机及微控电机6.4微控电机6.1同步电机的基本工作原理及其分类一、三相同步发电机的基本工作原理大小：频率：

励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁场，原动机拖动转子以转速旋转时，其磁场切割定子绕组而感应交流电动势。相序：由转子的转向决定。波形：由可知，波形取决于的空间分布。二、同步电机的分类按运行方式，同步电机分发电机、电动机和调相机。按结构型式，同步电机分旋转电枢式和旋转磁极式。旋转磁极式同步电机按磁极形状，又分隐极式和凸极式两种。按原动机类别,同步电机分为汽轮发电机、水轮发电机和柴油发电机等。汽轮发电机一般作成隐极式，现代汽轮发电机均为2极，转速为3000转/分钟，水轮发电机采用凸极式，极数多，转速低。同步电动机、柴油发电机和调相机一般作成凸极式。按冷却介质和冷却方式分，有空外冷、氢冷、水内冷三、同步电机的主要结构1、定子：同步电机的定子有时也称为电枢，由定子铁芯、电枢三相绕组、机座和端盖等部件所组成。

与异步电机一样，同步电机也是由定子及转子两大部分所组成，定子上有三相交流绕组；转子上则有励磁绕组，通入直流电流后，能产生磁场。同步电机的定子铁芯是由硅钢片冲制后叠装而成。当大型同步电机冲片外圆的直径大于1m时，由于材料标准尺寸的限制，必须做成扇形冲片，然后按圆周拼合起来叠装而成。2、转子：

同步电机的转子有两种结构型式，即凸极式和隐极，1）凸极式：转子有明显的突出的磁极，气隙分布不均匀。2）隐极式：转子作成圆柱形，气隙均匀分布。

区别：对于高速旋转的同步电机，在转子结构上，我们采用隐极式，而对于低速旋转的电机，由于转子的圆周速度较低，离心力较小，故采用制造简单、励磁绕组集中安放的凸极式结构。大型同步发电机通常用汽轮机或水轮机作为原动机来拖动，故前者称为汽轮发电机，后者称为水轮发电机。汽轮发电机：转速高，采用隐极式。水轮发电机：转速低，采用凸极式。对同步发电机额定值之间关系为：额定运行时加在三相定子绕组上的线电压。指电机额定运行时，输出功率的保证值。同步发电机是指输出的额定视在功率或有功功率，单位是KVA或KW。电动机额定容量是指额定条件下转轴上输出的机械功率，单位是KW。调相机用KVA或Kvar表示。在额定运行状态下三相定子绕组的线电流.四、同步电机的额定值6.2同步发电机的运行6.2.1同步发电机的电枢反应

同步发电机转子由原动机拖动到同步转速，转子绕组通以恒定的直流励磁电流，定子电枢绕组开路，称为同步发电机的空载运行。励磁电流If单独建立的励磁磁动势Ff产生的主、漏磁通。主、漏磁通均随转子旋转，在气隙中形成旋转磁场。主磁通交链电枢绕组，在电枢绕组中感应电动势；漏磁通不交链电枢绕组，不在电枢绕组中感应电动势，不参与定、转子之间的能量转换。电机带上负载后，电枢磁动势的基波在气隙中使气隙磁通的大小及位置均发生变化，这种影响称为电枢反应。

电枢反应的性质取决于电枢磁动势基波和励磁磁动势基波之间的相对位置，即与空载电动势和电枢电流之间的夹角ψ有关。

一、ψ=0°时的电枢反应这里需要注意：我们习惯上称转子磁极轴线为直轴，用d来进行表示，而N，S极之间的中线为交轴，用q来进行表示。所以，由于交轴磁势的存在，使合成磁势的轴线的位置产生一定的位移，幅值发生一定的变化。电枢磁动势与转子磁势相加后才是气隙中的合成磁动势。二、ψ=90

°时的电枢反应：显然，此时的电枢磁势和气隙磁势方向相反，电枢反应是去磁效果。三、ψ=-90

°时的电枢反应：

显然，此时的电枢反应是增磁的，所以电枢磁势称之为直轴增磁电枢磁势。四、ψ=任意角度时的电枢反应：

在这里要注意是电流滞后电动势还是超前电动势。电流滞后电动势时，产生直轴电枢磁势，对主磁极起去磁作用。与同相位，起交磁作用；电流超前电动势时，直轴分量电流产生的直轴磁势对主极磁势起增磁作用。交轴分量电流产生的交轴磁势对主极磁势起交磁作用。总之，当同步发电机供给滞后电流时，电枢磁势除了一部分产生交轴电枢反应外，还有一部分产生直轴去磁电枢反应；当电电机供给超前电流时，电枢磁势除了一部分产生交轴电枢反应外，还有一部分产生直轴增磁电枢反应。这个结论十分重要，它对发电机性能产生影响。6.2.2同步电抗

同步电抗是同步电机中一个重要参数，它的大小对同步电机的性能有很大影响。

隐极同步电机有一个特点就是定转子之间的气隙是均匀分布的。其中的称为电枢反应电抗。在同样大小电流情况下,如果越大，电枢反应电势也越大，表示着电枢磁势所产生的电枢磁通很强。因此的大小可以说明电枢反应的强弱。当然，电枢电流除了产生主磁通外，还要产生一定的漏磁通，由于漏磁通也会交链电枢绕组，所以对应产生电动势。所以在三相对称电流通过电枢绕组后，所产生的匝链定子绕组的磁通为（），两者在电枢绕组中所产生的全部电势为式中：称为隐极同步电机的同步电抗。6.2.3隐极同步发电机的负载运行

一、负载电流对端电压的影响：

一台同步发电机，保持励磁电流和电机的转速不变，给发电机带上负载，则发电机的端电压将随着负载电流的变化而变化。不同性质负载下，其变化规律也不同。在电阻负载时，负载电流增大端电压下降；在电感负载时，负载电流增大端电压下降的更厉害；在电容负载时，负载电流增大时，端电压不但不下降反而会上升。这说明发电机端电压的变化，不但与负载电流的大小有关，还与负载电流的性质有关。二、隐极同步发电机的电势方程式：同步发电机在对称负载下运行，气隙中存在着两种磁势，即定子上的电枢磁势和转子的磁极磁势。在不考虑磁路的饱和现象时，应用迭加原理，认为它们各自独立地产生相应磁通，并在电枢绕组内产生感应电势。6.2.4凸极同步发电机的负载运行

当凸极同步发电机在对称负载下运行时，气隙中也存在着两种旋转磁势，即转子上磁极磁势和定子上电枢磁势。由于凸极电机中，转子直轴和交轴上的气隙不等，在分析电枢磁势影响时，必须按照式前面我们所分析的将磁动势分解成直轴和交轴两个分量，然后和处理隐极电机一样，不计及磁路的饱和现象，应用迭加原理认为它们各自独立地产生相应的磁通，并在电枢绕组内产生感应电势。可得：6.2.5同步发电机的运行运行一、空载特性定义：

空载特性是发电机的基本特性之一。它一方面表征了磁路的饱和情况，另一方面把它和短路特性、零功率因数负载特性配合，可确定电机的基本参数、额定励磁电流和电压变化率等。

实际生产中，它还可以检查三相电枢绕组的对称性、匝间短路、判断励磁绕组有无故障等。二、短路特性定义：短路时的等效电路1、短路特性短路时,电枢反应为直轴去磁气隙电动势很小,感应气隙电动势的气隙磁通量很小,所以磁路不饱和。所以短路特性是一条过原点的直线.此时是常数，有2.同步电抗的求取根据公式求xd不饱和值时,首先给定一励磁电流If，在空载特性的不饱和段或气隙线上确定对应If的E0值，然后在短路特性曲线上确定对应If的短路电流Ik的值,则求取xd饱和值时，首先在空载特性上取对应额定电压UN的励磁电流If0，再从短路特性上取出对应If0的短路电流Ik，则

交轴同步电抗

第三篇同步电机三、外特性定义：外特性曲线

当发电机带阻性和感性负载时，外特性是下降的，原因是电枢反应的去磁作用和电枢漏阻抗产生了电压降；带容性负载时且（发电机负载的容抗大于同步电抗）时，外特性是上升的，原因是电枢反应的助磁作用和容性电流在漏抗上的压降。

为了在不同功率因数下时能得到额定电压，感性负载时要增大励磁电流，容性负载时应减小励磁电流。四、调节特性定义：调整特性曲线

在感性和阻性负载时，随着负载电流的增加，必须增加励磁电流，补偿电枢反应的去磁作用和漏阻抗压降，保持端电压恒定；对容性负载，随着负载电流的增加，必须减小励磁电流。

在功率因数一定情况下,根据调整特性曲线,可确定在负载变化范围内,维持电压不变所需的励磁电流的变化范围。运行人员可利用调整特性曲线,使系统中无功功率的分配更合理一些。6.3同步电动机无功功率的调节同步电动机的功率因数是超前还是滞后，和发电机一样决定于励磁状态。1、过励时，电动机从电网中吸入超前的无功电流；2、欠励时，从电网中吸入滞后的无功功率电流。显然，电动机的功率因数是可以通过改变励磁电流来进行调节的。因此，如将同步电动机在过励状态下和感应电动机接在同一电网上，便可以使供电系统的功率因数提高。这是它最可贵的优点。

6.4微控电机

微控电机由驱动微电机和控制电机构成，简称为微控电机。在本质上和前面所讲的普通电机并没有区别,只是他们的侧重点不同而已。普通旋转电机主要是进行能量变换，要求有较高的力能指标；而控制电机主要是对控制信号进行传递和变换，要求有较高的控制性能，如