电力拖动课件06 同步电机

同步电机的分类按运行方式：发电机、电动机和调相机。按结构型式：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。按冷却介质和冷却方式分：有空外冷、氢冷、水内冷。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。1第一节三相同步电动机一、三相异步电动机的同步运行—异步电动机的同步化

和三相同步电动机的工作原理

当三相异步电动机的电枢绕组通入三相对称交流电流后，就会产生以同步转速ns旋转的三相合成基波磁动势Fa。在绕线转子的异步电动机转子绕组中（其中两相并联引出，如图6-1、6-2），通入直流励磁电流If，励磁电流产生励磁磁动势Ff，使转子形成固定磁极。当电动机稳定运行时，定子三相合成基波磁动势Fa产生的磁场吸引着转子固定磁极一起旋转，所以转子也将以同步转速ns旋转。

从以上分析可看出，只要改变异步电动机的转子结构，并在绕组中通入直流电流，这样交流电动机就成了同步电动机。2

发电机空载电动机

同步电机的三种运行状态：3二、同步电机的基本结构

与异步电动机一样，同步电机也是由定子及转子两大部分所组成。定子结构与异步电动机相同，转子上则有励磁绕组，通入直流电流后，能产生磁场。

1、定子：

同步电机的定子有时也称为电枢，由定子铁芯、三相绕组、机座和端盖等部件所组成。定子铁芯是由硅钢片叠装而成。当大型同步电机冲片外圆的直径大于1m时，做成扇形冲片，然后拼合起来叠装而成。4

2、转子同步电机转子有两种结构：凸极式和隐极式。1）凸极式：转子有明显的突出的磁极，可采用不均匀气隙。2）隐极式：转子为圆柱形，气隙均匀分布。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。56大型汽轮同步发电机定子7大型汽轮发电机转子加工（隐极）8凸极同步电机的转子9大型水轮同步发电机转子安装（凸极）10

从同步电动机工作原理可看出，在气隙中有电枢磁动势Fa（由定子三相绕组通入三相电流产生）和励磁磁动势Ff

（由转子励磁绕组通入直流电流产生）两个旋转的磁动势，这两个磁动势随转子一起旋转，在稳态时与转子绕组没有耦合作用，所以电动势的平衡关系只存在于定子绕组中。电枢反应电动势和定子漏电动势的表达式为：

其中Xa称为电枢反应电抗。在同样大小电流情况下,如果Xa越大，电枢反应电势也越大，因此Xa的大小可以说明电枢反应的强弱；Xσ称为定子漏电抗。三、电动势平衡方程及相量图11同步电动机的电磁关系:（不计凸极效应，即隐极）If—励磁电流；Ff—励磁磁动势；E0—励磁电动势（空载电动势）I—电枢电流；Fa—电枢磁动势；Ea—电枢反应电动势E—电枢总电动势；Φσ—定子漏磁通；Eσ—定子漏电动势12电枢（一相）绕组的电压平衡方程式：不计凸极效应时的相矢图，见图6-6。（假设功率因数超前）。

由相矢图可看出：电枢磁通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。——同步电抗13凸极同步电机的电压方程和相量图:

考虑到凸极电机气隙的不均匀性，把电枢反应分成直轴和交轴电枢反应分别来处理的方法，称为双反应理论。凸极同步电机的气隙是不均匀的，极面下气隙较小，两极之间气隙较大，故直轴下单位面积的气隙磁导要比交轴下单位面积的气隙磁导大很多，所以交、直轴两个方向磁场大小不一样。14在一定大小的磁动势下，直轴基波磁场的幅值相对较大。为了便于分析，把Fa

分解成直轴分量Fad与交轴分量Faq。电流相应地也分解成直轴Id和交轴Iq两个分量。Fa=Fad+Faq如图6-7所示：15

直轴电枢磁动势固定地作用在直轴磁路上，产生磁通Φad。交轴电枢磁动势固定地作用在交轴磁路，也对应产生磁通Φaq。这两个磁通分别切割定子绕组而在其中感应电动势Ead及Eaq。由于交轴及直轴的磁阻都恒定不变，所以Ead及Eaq分别正比于产生它的磁通。因此：16凸极同步电动机电压平衡方程式：——直轴同步电抗

——交轴同步电抗17四、运行特性㈠功角特性和V形曲线：⒈功角特性同步电动机电磁转矩表达式：可看出，同步电动机的输出功率的大小与功率角正弦值有关，当功率角接近900时输出功率最大，但此时没有过载能力，一般额定工况下功率角为200～300。18⒉V形曲线

电动机的功率因数是可以通过改变励磁电流来调节的。因此，如将同步电动机在过励状态下接在电网上，便可以使供电系统的功率因数提高。这是它最可贵的优点。

1）过励时，电动机从电网中吸入超前的无功电流。2）欠励时，电动机从电网中吸入滞后的无功电流。3）正常励磁时，电动机不从电网中吸入无功电流。19㈡转速特性与启动步骤

当在定子绕组中通入三相交流电以后，在气隙中则产生旋转磁场。转子绕组加入直流励磁以后，在气隙中生成静止的转子磁场。定、转子磁场之间存在较大的相对运动，转子上的平均转矩为零，所以同步电动机不产生起动转矩。因此，在同步电动机起动时，我们经常采用的是异步起动方法。

20异步启动法：在磁极表面上装设有类似异步电机笼型导条的短路绕组，称为起动绕组。在起动时，气隙旋转磁场将在转子上的起动绕组中感应电流，电流和磁场相互作用产生电磁矩转，使同步电机转动起来（如同感应电机）。待速度上升到接近同步转速时，再给转子绕组通入直流电流，产生转子磁场，此时它和

定子磁场间得到转速已非常接

近，依靠这两个磁场间相互吸

引力，使转子与定子磁场同步

旋转。21所以同步电动机的起动过程可以分为两个阶段：

（1）首先按异步电机方式起动，使转子转速接近同步转速。

（2）转子绕组通入直流电流，产生转子磁场，使转子牵入同步。22

同步电动机启动过程中励磁绕组既不能开路，也不能直接短接。若励磁绕组开路，在高转差率情况下，旋转磁场会在励磁绕组中产生较高的感应电势，易损坏绕组绝缘；若励磁绕组直接短路，将产生单轴转矩，有可能使电动机启动不到接近同步转速。解决的办法：起动过程中在励磁绕组回路串入5～10倍励磁绕组电阻的附加电阻，电动机起动到接近同步转速时，再切除附加电阻，给励磁绕组通入直流，牵入同步，完成起动。23

另外，还有辅助电动机起动法和变频起动法。辅助电动机起动法：选用一台与同步电动机极对数相同的小型异步电动机作为辅助电动机，起动时，先起动辅助电动机将同步电动机拖动到接近同步转速，然后将同步电动机投入电网，并通入电流励磁，利用同步转矩把同步电动机转子牵入同步转速，同时切除辅助电动机电源，这种方法适用于同步电动机的空载起动。24变频起动法：由于工频起动时，作用在转子上的平均转矩为零，使电动机无法自行起动。变频起动法是在起动前将转子加入直流，利用变频电源使频率从零缓慢升高，旋转磁场牵引转子缓慢同步加速，直至达到额定转速，起动完毕。这种