《电器设备及控制技术》课件项目16

同步电动机

一、能力目标 二、仪器与设备

三、项目要求 （一）三相同步电动机的异步起动 1．按图16-1接线。其中R的阻值为同步电动机ＭＳ励磁绕组电阻的10倍（约90Ω），选用90Ω固定电阻。Rf选用225Ω阻值。Rf1选用1800Ω阻值并调至最小。R2选用2250Ω阻值并调至最大。MS为Y接法，额定电压UN=220V。同步电动机

同步电动机

2．

用导线把功率表电流线圈及交流电流表短接，开关Q闭合于励磁电源一侧（图16-1中为上端）。 3．将调压器旋钮向逆时针方向旋转至零位。接通电源开关。调节同步电机励磁电源调压旋钮及Rf阻值，使同步电机励磁电流If约0.7A左右。 4．把开关Q闭合于R电阻一侧（图16-1中为下端），调节调压器旋钮，使升压至同步电动机额定电压220伏，观察电机旋转方向，若不符合则应调整相序使电机旋转方向符合要求。同步电动机

5．当转速接近同步转速1500r/min时，把开关Q迅速从下端切换到上端让同步电动机励磁绕组加直流励磁而强制拉入同步运行，异步起动同步电动机的整个起动过程完毕。 6．把功率表、交流电流表短接线拆掉，使仪表正常工作。 （二）测取三相同步电动机输出功率P2≈0时的V形曲线 1．同步电动机空载（轴端不连接直流测功机）按上述方法起动同步电动机。同步电动机

2．调节同步电动机的励磁电流If并使If增加，这时同步电动机的定子三相电流I亦随之增加直至达额定值，记录定子三相电流I和相应的励磁电流If、输入功率P1。 3．调节If使If逐渐减小，这时I亦随之减小直至最小值，记录这时MS的定子三相电流I、励磁电流If及输入功率P1。 4．继续减小同步电动机的磁励电流If，直到同步电动机的定子三相电流反而增大达额定值。 5．在这过励和欠励范围内读取数据9～11组，并记录。同步电动机

（三）测取三相同步电动机输出功率P2≈0.5倍额定功率时的V形曲线。 1．同轴连接直流测功机MG（按他励发电机接线）作MS的负载。 2．按1方法起动同步电动机，保持直流测功机的励磁电流为规定值（50mA或100mA），改变直流测功机负载电阻R2的大小，使同步电动机输出功率P2改变。直至同步电动机输出功率接近于0.5倍额定功率且保持不变。同步电动机

输出功率按下式计算：

P2=0.105nT2

式中n——电机转速，r/min；

T2——由直流测功机负载电流IF查对应转矩，N·m 3．调节同步电动机的励磁电流If使If增加，这时同步电动机的定子三相电流I亦随之增加，直到同步电动机达额定电流，记录定子三相电流I和相应的励磁电流If、输入功率P1。同步电动机

4．调节If使If逐渐减小，这时I亦随之减小直至最小值，记录这时的定子三相电流I、励磁电流If、输入功率P1。 5．继续调小If，这时同步电动机的定子电流I反而增大直到额定值

。 6．在过励和欠励范围内读取数据9～11组并记录。 （四）测取三相同步电动机的工作特性 1．按1方法起动同步电动机。 2．调节直流发电机的励磁电流为规定值并保持不变。同步电动机

3．调节直流发电机的负载电流IF，同时调节同步电动机的励磁电流If使同步电动机输出功率P2达额定值及功率因数为1。 4．保持此时同步电动机的励磁电流If恒定不变，逐渐减小直流电机的负载电流，使同步电动机输出功率逐渐减小直至为零，读取定子电流I、输入功率P1、输出转矩T2、转速n。共取数据6～7组并记录。同步电动机

四、三相同步电动机的构造及工作原理 在交流电机中，如果三相电机的转子转速n恒等于同步转速ns。 这种电机就称为同步电机。同步电动机的负载改变时，只要电源频率不变，转速就不变。同步电机可以分为同步发电机、同步电动机和同步补偿机三大类。三相同步发电机的主要用途是发电，三相同步发电机是现代发电厂（站）的主体设备；用作电动机时，因为它的结构比异步电动机复杂，没有起动转矩，以及不能调速，应用范围受到限制，但是它具有改善电网的功率因数、转速稳定、过载能力强等优点，常用于不需调速的大型设备上。同步电动机

（一）同步发电机的结构 同步发电机、同步电动机和同步补偿机的基本结构完全一样，都是由定子和转子两大部分组成。 1．定子 同步电机定子与异步电机定子结构基本相同，也是由铁心、定子绕组、机座和端盖等部分组成。铁心一般用厚0.５mm的硅钢片叠成，铁心上嵌有三相绕组，绕组的排列和接法与三相异步电动机的定子绕组相同。大型高压同步电机定子绕组绝缘性能要求较高，常用云母绝缘。机座和端盖的作用也与异步电机相同，主要起支撑和固定作用。同步电动机

2．转子 同步发电机有旋转磁极式和旋转电枢式两种。一般同步发电机都做成旋转磁极式的，并广泛应用于大、中型同步电机中，已成为同步电机的基本结构形式；另一种是旋转电枢式，这种形式用得较少。 在旋转磁极式同步电机中，按照磁极的形状又可分为隐极式转子和凸极式转子两种。隐极式的转子上没有明显凸出的磁极，其气隙是均匀的，转子成圆柱形，如图16-2所示，它常用作高速旋转的汽轮发电机的转子。同步电动机

同步电动机

凸极式的转子上有明显凸出的磁极，气隙不均匀，极弧下气隙较小，极间部分气隙较大，水轮发电机等转速较低的同步电机一般都采用凸极式的转子。由于转速低，转子磁极对数多，因此要增大直径，转子的长度相对比较短。凸极式的转子在运行时转速低，部件承受的离心力比较小，因此可用1～1.5mm厚的钢片冲制后叠成，也可用整块铸钢或锻钢做成，如图16-3所示。同步电动机

同步电动机

（二）三相同步发电机的工作原理 同步发电机的作用是把机械能转变成电能。图16-4（a）所示是具有两个磁极的凸极式同步发电机，它的定子和三相异步电动机一样对称地安放着三相绕组，转子则是由磁极铁心和套在磁极上的励磁绕组构成，励磁绕组中通入直流电流后，就会在气隙中产生一个恒定的主极磁场，若用原动机拖动发电机转子以同步转速旋转，主磁极产生的恒定主极磁场随着转子的转动形成一个旋转磁场，在定子绕组中就会感应出交变正弦电动势。同步电动机

同步电动机

同步发电机的定子绕组中就产生了如图16-4（b）所示的三相对称电动势，若在定子绕组上接上负载，则同步发电机就会向负载输出三相交流电流。三相电动势的频率由发电机的磁极数和转速决定，电动势的频率f为 我国国家标准规定工业交流电的频率为50Hz，汽轮发电机在高转速下运行比较经济，转速一般为或，发电机对应为一对磁极或为两对磁极。相反，水轮发电机为低速发电机，它的转子磁极对数较多，如时，发电机磁极对数有30对。同步电动机

（三）同步电动机的工作原理

同步电动机定子三相绕组接入三相电网后，定子三相对称绕组中流过三相对称电流，产生三相旋转磁场，转子励磁绕组接入直流励磁电流后产生大小和极性都不变的恒定磁场，旋转磁场的磁极对转子异性磁极的磁拉力牵引转子与旋转磁场同速旋转，这就是同步电动机的简单工作原理。由于转子转速与旋转磁场转速相同，所以这两个磁场在空间上的位置是相互固定的，因此它们之间的作用也是固定的。故称同步电动机。同步电动机

电动机运行时，定子磁场拖动转子磁场旋转，两个磁场之间存在着一个固定的力矩，这个力矩的存在是有条件的，必须两者的转速要相等，即同步才行，所以这个力矩也称为同步力矩。一旦两者的速度不相等，则同步力矩就不存在了，电机就会慢慢停下来，这种转子速度与定子磁场不同步，而造成同步力矩消失，转子慢慢停下来的现象，称为“失步现象”。发生失步现象时，定子电流迅速上升，这时应尽快切断电源，以免损坏电动机。同步电动机

（四）同步电动机的V形曲线 根据实验测取三相同步电动机的V形曲线的数据，可得到当改变励磁电流时电动机定子电流变化情况，如图16-5所示V形曲线，从图中看出，三种励磁电流情况下，只有正常励磁时，定子电流为最小，过励或欠励时，定子电流都会增大。把定子电流I的大小与励磁电流If大小的关系，用曲线表示。图中定子电流变化规律像V字形，故称V形曲线。同步电动机

同步电动机

当电动机带有不同的负载时，对应有一组V型曲线，如图16-5所示。输出功率越大，在相同的励磁电流条件下，定子电流增大，所得V形曲线往右上方移。图16-5中各条V形曲线对应的功率为 。 对每条V形曲线，定子电流有一最小值，这时定子仅从电网吸收有功功率，功率因数 。把这些点连起来，称为的线 。它微微向右倾斜，说明输出为纯有功功率时，输出功率增大的同时，必须相应地增加一些励磁电流。 线的左边是欠励区，右边是过励区。同步电动机

对同步电动机功率因数可调的原因不妨简单地这样理解；同步电动机的磁场由定子边电枢反应磁通势和转子边励磁磁通势共同建立的，因此，①转子边欠励时，定子边需要从电源输入落后的无功功率建立磁场，定子边便呈落后性功率因数。②转子边正常励磁，不需要定子边提供无功功率，定子边便呈纯电阻性， 。⑧转子边过励时，定子边反而要吸收领先性无功功率或者说从电源送入领先性的无功功率，定子边便呈领先性的功率因数。所以同步电动机功率因数呈电感性（落后）还是呈电阻性还是呈电容性（领先），完全可以人为地调节励磁电流改变励磁磁通势大小来实现。同步电动机

（五）同步电动机的启动 同步电动机的启动方法有：辅助电动机启动法、调频启动法和异步启动法。最常用的是异步启动法。 异步启动法的启动过程分为两大步：第一步是给三相定子绕组通人三相正弦交流电进行异步启动。为了防止刚启动时转子绕组感应高电压击穿绝缘，故启动前转子励磁绕组要求接一个约10倍于励磁绕组电阻的放电电阻进行短接。第二步是当转速升到同步转速的95％以上时，将直流电压加入转子励磁绕组并切除放电电阻，将电动机牵人同步运转。同步电动机

同步电动机异步启动时，同步电动机的励磁绕组切忌开路。因为刚启动时，定子旋转磁场相对于转子的转速很大，而励磁绕组的匝数又很多，因此会在励磁绕组中感应出很高的电动势，可能会破坏励磁绕组的绝缘，造成人身和设备的