电机原理与拖动基础 课件 第8章－同步电机

第8章同步电机第8章同步电机

8.1同步电机的结构及工作原理

8.2同步电动机的电磁特性

8.3同步电动机的功率、转矩和攻角特性

8.4同步电动机的功率因数的调节与U型曲线

8.5同步电动机的启动8.1.1同步电机的基本结构机械端口转子定子绕组定子铁心电端口ABC1、汽轮发电机结构定子铁心2、水轮发电机结构(1)立式水轮发电机(2)卧式水轮发电机3）水轮发电机结构转子结构10000kW水轮机转子4）现场运行的水轮发电机一、隐极同步电机的基本结构本节以常见的旋转磁极式同步电机为例，说明同步电机的基本结构一）定子隐极同步电机都采用卧式结构，有定子和转子两大部分定子：由定子铁心、定子绕组、机座、端盖、挡风装置等部件组成。定子铁心：由厚0.5mm的硅钢片叠成，整个铁心则固定于机座上。定子铁心的内圆槽内安放定子绕组。二）转子转子由转子铁心、励磁绕组、护环、中心环、滑环及风扇等部件组成转子铁心的材料：既要求有良好的导磁性能，又需要有很高的机械强度一般都采用整块的高机械强度和良好导磁性能的合金钢锻成，与转轴锻成一个整体沿转子铁心表面铣有槽以安放励磁绕组（见右图）。由图可见在一个极距内约有1/3部分没有开槽，叫大齿。大齿的中心实际上就是磁极中心。励磁绕组：是由扁铜线绕成的同心式线圈。由于隐极电机转束速很高，因此励磁绕组在槽内需用不导磁高强度的硬铝槽楔压紧。端部套上用高强度非磁性钢锻成的护环。隐极机的转速较高，所以转子的直径较小而长度较长。隐极发电机转子铁心二、凸极同步电机的基本结构凸极同步电机卧式结构立式结构除立式结构外的绝大多数的凸极同步电机低速、大容量的水轮发电机和大型水泵用的同步电动机推力轴承装在转子上边的上机架上，整个转子是以一种悬吊状态转动转动推力轴承装在转子下边的机架上，整个转子是以一种被托架着的状态转动悬式伞式悬式伞式1－推力轴承2－导轴承运转时机械稳定性机组的轴向高度采用条件悬式好大转速较高的电机（150r/min以上）伞式差小，厂房的高度和造价低转速较低的电机（125r/min以下）一）定子定子结构一般和隐极同步电机相同。大容量的水轮发电机，由于定子直径太大，通常把它分成几瓣，分别制造后，再运到电站拼装成一整体。二）转子凸极同步电机的转子主要由磁极、励磁绕组和转轴组成。磁极：由厚1-1.5mm的钢板冲成磁极冲片，用铆钉装成一体磁极上套装有励磁绕组励磁绕组：由扁铜线绕成，各励磁绕组串联后接到集电环上磁极的极靴上一般还装有阻尼绕组。阻尼绕组：由插入极靴阻尼槽内的裸铜条和端部铜环焊接而成磁极固定在磁轭上，磁轭常用整块钢板或铸钢做成励磁绕组磁极铁心阻尼绕组磁极钢板T尾阻尼绕组换向磁极电刷装置机座端盖电枢铁心电枢绕组换向器转轴风扇主磁极转子定子1-换向器2-电刷装置3-机座4-主磁极5-换向极6-端盖7-风扇8-电枢绕组9-电枢铁心8.1.2同步电机的工作原理直流电机剖面图三相同步电动机的工作原理同步电动机工作时定子三相绕组通入三相对称电流，它会产生圆形旋转磁场。转子送入直流励磁电流，转子会有固定磁极，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方向行进。当负载转矩增加时，两个磁极的角度也增加。SNNS同步电动机模型n08.1.2同步电机的工作原理电磁转矩也增加，当负载转矩减小时，由于异性磁极互相吸引，两个磁极的角度减小，电磁转矩也减小。可见正常工作时同步电动机定、转子磁势是同步运行，故称为同步电动机。转速n1=n=60f1/P。同步电动机转子转速和旋转磁场的转速不能有转速差。因为定、转子的位子不断变化，在某一位子时，定、转子磁极N、S极互相吸引，转子受拉力。在另一位子（过1800）时，N、N（S、S）极互相排斥，转子受推力，这样交替进行，转子受平均力矩为0，电动机不能转。SNNS拉力n0SNSN推力n0同步电动机的电动势向量图

定子绕组通入三相对称电流产生一个旋转磁动势，它以同步速度n0在气隙圆周上旋转，称之为电枢电动势，用Fa表示。转子励磁绕组通入直流励磁电流会产生主磁极磁动势，称之为直流磁动势，用F0表示。二者同速同向旋转，相对静止，二者的合成磁势用∑F表示。∑F=F0+FaE1=E0+Ea同分析异步电动机的方法，定子绕组中有∑F产生的E1，定子电阻r1产生的电阻压降r1I1，定子漏抗产生压降jI1xσ，得到定子一相电动势方程式。磁动势切割定子绕组，在定子绕组中对应产生电动势。8.2同步电动机的电磁特性式中对应等值电路U1r1xσE1忽略令称为隐极同步机的同步电抗U1XCE0调节同步电动机的直流励磁电流，可以使同步电动机的电流I1引前外加电压U1。U1-E0I1jI1xc隐极同步电动机的电动势向量图电力电网的容量很大，认为U1是常数，保持直流励磁的电流大小不变，略去磁路的饱和作用激磁电势E0不变。隐极同步机无明显的磁极，气隙均匀，电枢电动势无论处于圆周的任何位置，遇到的磁阻是相等的，相应的电抗不变，所以同步电抗xc=xa+xσ（xa电枢电抗，xσ定子漏抗）是常数。U1-E0E0jI1xcI1电网送入同步机的实功P=3U1I1cos，同步机向电网发送的虚功Q=3U1I1sin，电机的视在功率S=3U1I1。bcodaθCOS=oa/U1;COS(θ+)=oa/E0∴U1COS=E0cos（θ+）8.3同步电机的功率、转矩和矩角特性θ+sinθ=bc/U1;COS(θ+）=bc/I1xc∴U1sinθ=I1xcCOS（θ+）由上两式（去∴）掉COS（θ+），

U1cos=E0U1sinθ/I1电网送入电机的实功：

P=3U1I1cos=3U1E0sinθ/xc同步电动机的容量较大时，效率都比较高，所以在一般情况下略去电机的全部损耗，认为输入功率等于电磁功率。故同步电动机的电磁转矩：

T=PM/Ω0=P/Ω0=（3U1E0/Ω0xc）sinθ=MLsinθML为临界转矩。转矩仅取决于θ，称θ为功角。当负载转矩等于零时，同步电动机处于空载状态，功角θ等于0，电网不向电动机送实功。当负载转矩等于某一值时，功角θ张开，使电动机发出电磁转矩去和负载转矩平衡，电动机以同步转速稳定运行。当负载转矩超过临界转矩ML时，电动机承担不了这种重负，转子转速底于同步转速电网电压U和反电势不同频率，定子电流急剧变化，大大超过额定值，电动机进入失步状态，亦转子转速底于同步转速状态，必须立即从电网上切除电动机。功角θ的物理意义同步电动机的正常工作时T变化而n不变化，故讨论T和θ的关系更有意义。称T=ML

sinθ为同步电动机的矩角特性。功角θ是电网电压U和反电势（-E0）间的夹角。如果不考虑定子电阻和漏抗，可以认为电压U1近似等于合成磁势∑F产生的反电势-E1

，U1=-E1+I1r1+jI1xσ≈-E1U1-E0θ所以功角θ也就是反电势E1和直流磁动势F0产生的电动势E0间的夹角。磁势比它产生的电动势引前900，所以合成磁势∑F引前电动势-E1和直流磁势F0引前电动势E0的角度都是900。可以证明合成磁势∑F在空间引前直流E1E0∑FF0θ磁势F0的相角也应当是功角θ。可见功角θ是合成磁势∑F引前直流磁势F0的相角。矩角特性的稳定区

不计磁路饱和作用，合成磁势∑F和电动势E1(U1)成正比，直流磁势F0和电动势E0成正比。由下式

T=PM/Ω0=P/Ω0=（3U1E0/Ω0xc）sinθ=ML

sinθ

得T=CM∑FF0sinθ

其中CM是比例常数，它与电机的结构以及饱和程度有关。SNNS同步电动机模型n0θ如果外加电压U1与励磁电流If不变时，转矩与功角θ的正弦成正比。当θ=0时，定、转子磁极在同一轴线上，无切向力，转矩为0。当θ角增大时，转矩也增大，与功角θ的正弦关系。当θ=900时，转矩最大，达到临界转矩。Mθ0180BA900<θ<1800时是不稳定工作区。不稳定区只能在过渡过程中出现,不可能稳定工作。例如电动机在B点工作，如果电动机转子转速不等定子同步转速，

而电动机的电磁转矩正好等于静负载转矩。如转子转速低于同步转速，功角θ将继续增大。随着功角的增大电磁转矩将进一步减小，电磁转矩小于静负载转矩，动转矩是制动转矩，转子转速将下降，功角θ将继续增大，工作点偏离B越来越远。直到功角θ增大到3600以前，动转矩都是制动的。如果在B点时转子的转速略高于同步转速，功角θ将继续减小。功角θ将减小使电磁转矩反而增加，电磁转矩大于静负载转矩，转子加速。功角θ减小，工作点越来越远离B点，最终回到A点。所以B点不是稳定的。8.4同步电动机的U形曲线与同步发电机相似,当同步电动机的输入有功功率恒定而调节励磁电流时,也有三种励磁状态,“正常励磁”时,电动机没有无功功率输出；“过励”时电动机从电网吸收容性无功（或发出感性无功）;“欠励”时电动机从电网吸收感性无功（或发出容性无功）.也可以调节无功功率.调节励磁电流可以调节同步电动机的无功功率和功率因数,这是同步电动最可贵的特点.为了改善电网的功率因数和提高电机的过载能力，现代同步电动机的额定功率因数一般均设计为1-0.8（超前）。同步电动机的起动比其它电动机起动要困难，因为转子转速只有与合成磁场同步时才有稳定的磁拉力，形成一定的同步转矩。在非变频启起过程中，转子转速与旋转磁场转速不等，θ变化一周平均转矩为0，无法使电动机加速，所以在同步电动机恒频起动时，必须采用其它方法起动。

8.5同步电动机的启动同步电动机的启动同步电动机不能自行起动假设定子磁场的运动方向由左向右，并在某瞬间转到图a所示的位置，由图可见，此瞬间定子磁场和转子磁场相互作用所产生的电磁转矩是推动转子旋转的；但由于转子具有转动惯量，在此转矩作用下，并不可能立即加速到同步。于是在半个周期以后（即1/100s以后），定子磁场向前移动了一个极距，达到图b的位置，此时定子磁极对转子磁极的排斥力，将阻止转子的转动。如此变化不已，可见转子上受到的平均转矩为零相互吸引相互排斥由于同步电动机的平均起动转矩为零，所不能自行起动，必须借用其它方法。

常用的起动方法有：辅助电动机起动法、变频起动法和异步起动法。其中异步起动法应用最广泛。现代同步电动机多采用异步起动法来起动。它是通过在凸极式同步电动机的转子上装置阻尼组和感应电动机的笼型绕组相似，只是它装在转子磁极的极靴上，有时亦称同步电动机的阻尼绕组为起动绕组。同步电动机的异步起动方法：第二步:将同步电动机的定子绕组接通三相交流电源。这时定子旋转磁场将在阻尼绕组中感应一电流，此电流与定子旋转磁场相互作用而产