第九章 同步电动机.ppt

1、第9章 同步电动机,返回总目录,概述 同步电动机的电磁关系 同步电动机的功率关系与矩角特性 同步电动机功率因数的调节 同步电动机的启动,本章内容,9.1 概述,三相交流电机中的转子转速与定子电流的频率满足n=60f/p的关系，这种电机就称为同步电机。 同步电机的负载改变时，只要电源频率不变，转速就不变。 同步电机主要用作发电机，也可用作电动机。 优点：同步电动机功率因数较高，运行时可改善电网的功率因数；对大功率低转速的电动机，其体积小。,9.2 同步电动机电磁关系,同步电动机也是交流电机。同步电机可以作发电动机用，世界上各发电厂和发电站所发的三相交流电能，都是三相同步发电机发出的；也可以作电动

2、机用。 三相同步电动机主要用于功率较大、转速不要求调节的生产机械，例如拖动大型水泵、空气压缩机和矿井通风机等。,9.2 同步电动机电磁关系,一、同步电动机的特点,同步电动机就是转子的转速始终与定子旋转磁场的转速相同的交流电动机。 n=n1=60f1/p 上式表明，当定子电流频率f1不变时，同步电动机的转速为常数，与负载大小无关(在不超过其最大拖动能力时) 。 另外，同步电动机的功率因数可以调节，当处于过励状态时，还可以改善电网的功率因数,9.2 同步电动机电磁关系,结构：同步电动机有旋转电枢式和旋转磁极式两种。旋转电枢式应用在小容量电动机中，而旋转磁极式用于大容量电动机中。,(a) 隐极式 (

3、b) 凸极式,三相旋转磁极式同步电动机结构示意图,1定子 2转子 3集电环,双边励磁的同步电动机两种结构,9.2 同步电动机电磁关系,从图中看出，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。 由于同步电机在工作中是可逆的，多用于同步发电机发电场合，所以在此我们只介绍同步电动机的基本工作原理。,1. 三相同步电动机的基本工作原理 三相交流电源加在三相同步电动机定子绕组时，产生速度为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

4、转速接近n1，这时转子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。同步电机实际运行时，因空载总有阻力，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，促使产生一个异性吸力(电磁场转矩)；负载时，角增大，电磁场转矩随之增大。电机仍保持同步状态。 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。,总结： 1.三相定子绕组加入三相对称交流电旋转磁场 2.转子励磁绕组（永久磁铁）励磁磁场（永久磁场） 3.定子磁场拉着转子磁场旋转同步电动机 工作原理是：

5、定子通以交流电，转子通以直流电，构成双极磁极。转子磁极在旋转的定子磁极的磁拉力的拖动下转动且达到同步转速。,9.2 同步电动机的电磁关系,2. 同步电动机的电磁关系 以隐极式同步电动机为例，给出的同步电动机定子绕组各电量正方向，可列出U相回路的电压平衡方程式(忽略定子绕组电阻)。 同步电动机中，同时环链着定子、转子绕组的磁通是主磁通，主磁通一定通过气隙，其路径为主磁路；只环链定子绕组不环链转子绕组的磁通为定子漏磁通，漏磁通感应产生的电动势可以用电流在电抗上的压降来表示。,9.2 同步电动机的电磁关系,三、同步电动机的磁通势,当同步电机中的定子三相对称绕组接到三相对称电源上时，就会产生三相合成旋

6、转磁通势，简称电枢磁通势，用空间矢量 表示。设电枢磁通势 的转向为逆时针方向，转速为同步转速。刚启动时转子以逆时针同步转速旋转，转子励磁绕组通入直流励磁电流If，它产生的磁通势为励磁磁通势，用空间矢量 表示。 相对于定子也以同步转速逆时针方向旋转。,9.2 同步电动机的电磁关系,三、同步电动机的磁通势,作用在同步电动机的主磁路上一共有两个磁通势，即电枢磁通势 和励磁磁通势 ，两者都以同步转速逆时针方向旋转，即所谓同步旋转。,图中励磁磁通势 作用在纵轴方向，产生的磁通如图9.4所示。若把由励磁磁通势 单独产生的磁通叫励磁磁通，用 表示，显然 经过的磁路是依纵轴对称的磁通，并且 随着转子一起旋转。

7、,从图9.5（a）中看出，电枢磁通势 与转子之间无相对运动。它分成两个分量：一个纵轴电枢磁通势 ，作用在纵轴方向。一个分量叫横轴电枢磁通势 ，作用在横轴方向，即,四、凸极同步电动机的双反应原理,分别考虑纵轴电枢磁势 ，横轴电枢磁势 单独在主磁路里产生的纵轴电枢磁通 和横轴电枢磁通 ，其结果就等于考虑了电枢磁势 的作用。而 永远作用在纵轴方向， 永远作用在横轴方向，尽管凸极气隙不均匀，但对纵轴或横轴来说，都分别为对称磁路。这种处理问题方法，称为双反应原理。另外，还有定子绕组漏磁路里产生的漏通。 电枢磁通势 的大小为 纵轴电枢磁通势 横轴电枢磁通势 电枢电流 其中 产生磁通势 ， 产生磁通势 。,

8、五、凸极同步电动机的电压平衡方程式,励磁磁通势 在定子绕组里感应电动势用 表示，纵轴电枢磁通势 在定子绕组里感应电动势用 表示，横轴电枢磁通势 在定子绕组里感应电动势用 表示。 根据图9.6给出的同步 电动机定子绕组各电量正 方向，可列出A相回路的 电压平衡等式为,五、凸极同步电动机的电压平衡方程式,因磁路线性， , , 与 正方向相反，故 落后于 90电角度 所以电动势 可写成 同理， 可写成 式中 是纵轴电枢反应电抗（比例系数） 是横轴电枢反应电抗， 它们对同一台电机都是常数,式中 称为纵轴同步电抗； 称为横轴同步电抗。,上几式联立得出：,把 上式得出：,一般情况下，当同步电动机容量较大时

9、，可忽略电阻，于是,图9.7是根据式 的关系，当 （领先性），电机运行于电动机状态画出的向量图。 图中 与 之间的夹角为 （功率因数）； 与 之间的夹角是 ； 与 之间的 夹角是 ，并且 角称为功率角。,四、凸极同步电动机的电动势向量图,如果是隐极式同步电动机，电机的气隙是均匀的，表现的参数，如纵、横轴同步电抗 ， ，两种在数值上彼此相等，即 式中 为隐极同步电动机的同步电抗。 对隐极同步电动机，,五、隐极同步电动机,9.3 同步电动机的功率关系与矩角特性,1.功率关系,同步电动机从电源吸收的有功功率 ，除去定子绕组铜耗 后，就变为电磁功率 ，即 电磁功率 再除去铁损耗 和机械摩擦损耗 后变为

10、机械功率 输出给负载，即 其中铁损耗与机械摩擦损耗之和称为空载损耗 ，即,9.3 同步电动机的功率关系与矩角特性,电磁转矩与电磁功率的关系： 其中 为同步电动机的同步角速度 同步电动机的转矩平衡等式，即 式中 为空载转矩,图9.11 同步电动机的功率流程图,异步电动机的功率流程图,2.电磁功率,当忽略同步电动机定子电阻时，电磁功率 从图9.7看出 ， 角是 与 之间的夹角； 是 与 之间的夹角，于是,从右图知道,2.电磁功率,3.功角特性,当同步电动机运行时，已知电源电压、频率不变，若电动机励磁电流不变，则电动势也是常数，另外电动机的参数也是已知数，则电磁功率与角度关系称为同步电动机的功角特性

11、,图9.12凸极同步电动机的 功角、矩角特性,3.功角特性,上式中凸极同步电动机的电磁功率中，第一项与励磁电动势成正比，即与励磁电流的大小有关，叫做励磁电磁功率。第二项与励磁电流无关，是由电动机参数引起的（电机的转子是凸极式引起）。若为隐极同步电动机，第二项为零，即不存在凸极电磁功率。,4.矩角特性,把式9-7等号两边同除以机械角速度，得到电磁转矩为,图9.13隐极同步电动机的矩角特性,4.矩角特性,隐极同步电动机的参数 ，于是式9-7变为,隐极同步电动机的电磁转矩T与 的关系为,励磁电流固定时， 隐极同步电动机的最大电磁功率与电磁转矩为,5.稳定运行,图9.14同步电动机的稳定运行,电机运行

12、在 ，如图9.14(a)，这时电磁转矩T与负载转矩TL相平衡，即T=TL。若负载从TL突然增大到 。这时转子要减速使 角增大，若增大到 ，在 时对应的电磁转矩为 ，若 ，电机仍能继续同步运行。不过这时 运行在 角度上，如果 负载转矩又恢复为TL，电 机的 角恢复为 ，T=TL。 所以电机能够稳定运行。,1）.当电动机拖动机械负载运行在 的范围内,5.稳定运行,图9.14同步电动机的稳定运行,电机运行在 电磁转矩T与负载转矩TL平衡T=TL。若从TL突然增大到 。这时转子要减速使 角增大，若增大到 ，但 时对应的电磁转矩 比增大了的负载转矩 小，即 。于是电机的 角还要继续增大，而电磁转矩反而变

13、得更小，找不到新的平衡点。这样继续的结果，电机的转子转速会偏离同步速，即失去同步。可见，在 范围内，电机不能够稳定运行。,2）.当同步电动机带负载运行在 的范围内,同步电动机的最大电磁功率TM与额定转矩TN之比，叫做过载倍数，用 表示， 即,9.4 同步电动机功率因数的调节,当同步电机接在电源上，认为电源电压以及频率都不变。另外让电机拖动的有功负载也为常数，即改变它的励磁电流，就能调节它的功率因数。忽略电动机的各种损耗。 同步电机的负载不变，是指电机转轴输出的转矩T2不变，忽略空载转矩，有T=T2，当T2不变时，可认为电磁转矩T也不变。,1.同步电动机的功率因数调节,9.4 同步电动机功率因数

14、的调节,1.同步电动机的功率因数调节,根据式（9-8）知， 由于电源电压、频率以及电机的同步电抗等都是常数，上式中 当改变励磁电流If时，电动势E0的大小要跟随变化，但必须满足上式的关系。,9.4 同步电动机功率因数的调节,图9.17 同步电动机拖动机械负载不变时，仅改变励磁电流的电动势相量图,当负载转矩T不变时，电动机的输入功率P1不变（忽略电机各种损耗），于是：,在电压U不变的条件下，必有 即电动机定子边的有功电流，应维持不变。 图9-17画出三种不同励磁电流及 对应的电动势的相量图。 其中 所以,根据,从图9-17看出，当改变励磁电流If时，同步电动机的功率因数变化的规律如下: (1)当

15、改变励磁电流If时,使定子电流 与 同相，称为正常励磁状态，此时同步电动机只从电网吸收有功功率。 (2)当励磁电流比正常励磁电流小时，称为欠励状态，这时 ，定子电流 落后 角，此时电机除吸收有功功率外还吸收滞后性无功功率。此时运行的同步电动机类似电阻、电感负载。,(3)当励磁电流比正常励磁电流大时，称为过励状态，这时 ，定子电流 领先 角，此时电机除吸收有功功率外还吸收领先无功功率。此时运行的同步电动机类似电阻、电容负载。 总之，当改变同步电动机的励磁电流时，能够改变它的功率因数，这点三相异步电动机是办不到的。所以同步电动机拖动负载运行时，一般要过励，至少运行在正常励磁状态下，不会让它运行在欠

16、励状态。,当改变同步电动机的励磁电流时，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，如图9.19所示。图中定子电流不会规律像U字型，故称为U型曲线。 当电动机带有不同的负载时， 对应有一组U型曲线如图9.19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，所以U型 曲线往右上方移。图9.19中各条U 型曲线对应的功率为,2. U型曲线,2. U型曲线,对每条U型曲线，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 。 在 线的左边是欠励区，右边是过励区。 当同步电动机带有一定负载时，减小励磁电流

17、，电动势 减小， 与 成正比，当 小到一定程度， 超过900，电动机就失去同步，如图9.19中虚线所示的不稳定区。,2. U型曲线,总结：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滞后的无功功率建立磁场，定子边便呈滞后性功率因数。 （2）转子边正常励磁，不需要定子边提供无功功率，定子边便呈电阻性， 。 （3）转子边过励时，定子边反而要吸收领先型无功功率，定子边便呈领先型的功率因数。 所以，同步电动机功率因数呈电感性还是电阻性还是电容性，完全可以人为地调节励磁电流改变励磁磁通势大小来改变。,2. U型曲线,加的内容同步

18、电动机的运行特性,一、机械特性,在电网电压及频率恒定条件下，如保持励磁电流为定值，同步电动机的转速与电磁转矩的关系变化，即 ，是一条与转矩平行的直线。同步机的机械特性是一条绝对硬的特性，转速不随负载大小 而有任何改变。,从同步电动机向量图来看，当电压和频率及励磁都恒定的条件下， 及 的大小不变。负载增大时，转子被制动，在此瞬时，转子有下降趋势，转子磁极轴线略微向后移一个 ，功率角增大，转矩也增大。当转矩增长到和负载相平衡时，稳定转速仍旧等于同步转速。所以，它的机械特性是绝对硬特性。,二、三相同步电动机工作特性的分析,三相同步电动机的工作特性是指电源电压、频率均为额定值的情况下，电动机的定子电流

19、、转速、功率因数、电磁转矩、效率与输出功率的关系，即在 、 时，I1、n、 、T、 的关系曲线。工作特性指标在国家标准中都有具体规定，设计和制造都必须满足这些性能指标。工作特性曲线可用等值电路计算，也可以通过实验和作图方法求得。,图7.32 异步电动机的工作特性,1. 定子电流（电枢）特性 I1 = f (P2),当输出功率P2=0时， 电枢电流 ， 为同步电动机空载电流，随着输出功率P2的增大，电枢电流也随之增大。 I1 = f (P2) 因此近似为一条直线。,2. 转速特性n=f(P2),电网频率恒定即定子旋转磁场转速恒定，同步电机转子转速为同步转速，也是恒定的，无论负载如何变化，转速不变

20、。这是同步电动机基本属性。,3. 转矩特性T=f(P2),已知T=T2+T0=T0+9550P2/n，当输出功率P2=0时，T=T0 ，又T0 、n都是定值。因此，T=f(P2)的关系曲线也近似为一直线.,4. 效率特性,当空载时P2=0，则=0；随着输出功率P2的增加，电动机内的不变损耗基本不变，而可变损耗与电流平方成正比，变化很大。同异步电动机相同，当不变损耗等于可变损耗时，电动机的效率达到最大值。以后负载继续增加，可变损耗增加很快，效率开始下降。,5. 功率因数特性,同步电动机的励磁电流是可调的，它的功率因数可在任一负载下达到1。当电动机空载时，调节励磁电流使 ，并保持不变，此种情况当负

21、载增大时，功率因数从1逐渐下降而变为滞后。曲线2调节励磁电流使半载时 并保持不变的情况，当轻载时功率因数变成超前，大于半载后功率因数变成滞后。曲线3，当电动机额定时，调节励磁电流使 ，并保持励磁不变，当负载减小时，功率因数下降，但电流超前电压。,即电动机在任一负载下，改变励磁电流，可使,同步补偿机,不带任何负载，专门设计用来改善电网功率因数的同步电动机称为同步补偿机（也称为同步调相机）,同步调相机的原理相当于空载运行的同步电动机。它的V形曲线，是输出功率P2=0 的曲线,同步补偿机,在正常励磁时，同步补偿机定子电流极小，接近于零。过励时，同步补偿机从电网吸收超前的无功电流。欠励时，则从电气吸收

22、滞后的无功电流。因此，只要调节励磁电流，就能灵活地调节电网的无功电流的大小，则电网的功率因数就可以得到改善。 同步补偿机可根据负载性质的不同，运行在过励或欠励状态,同步补偿机,当电网给许多感性负载（异步电动机、变压器、交流电焊机等），如图a所示同步补偿机运行在过励状态。设感性负载从电网吸收滞后的无功电流 ，而此时，补偿机从电网吸收超前的无功电流 ，则线路电流 为,用同步补偿机改善电网的功率因数,同步补偿机,从b向量图可见， 补偿了滞后的无功电流 ，如图为理想状态， 与 同相，功率因数得到提高。用发电机观点分析时，可以认为感性负载所需的滞后无功电流，是由过励的同步补偿机直接供给的，从而避免了无功

23、电流的远程输送，改善了电网的功率因数。为此 ，同步补偿机也可称为无功发电机。,同步补偿机,当输电线路较长，为了保持受电端电压稳定运行，可在受电端装有自动调节励磁的同步补偿机。使它在线路重载时（感性负载），过励运行，抵消滞后的无功电流，减少线路电压降低。线路轻载时，欠励运行，抵消输电线路本身电容电流，减小线路电压升高。达到各种运行条件下，保持受电端电压基本不变。,2、同步补偿机的额定容量和结构特点,同步补偿机的额定容量按过励时能保持的无功电流来确定，其容量受过励励磁电流在励磁绕组中产生的温升限制，因而欠励运行的容量只有过励容量的0.5-0.65倍。同步补偿机容量从1000-50000KVA，转速

24、从750-1500r/min。容量较大用低速，容量较小采用高速。,2、同步补偿机的额定容量和结构特点,由于同步补偿机不拖动机械负载，因此在构造上机械强度要求低，过载能力不需考虑。为减少励磁绕组的用铜量，它的气隙比同步电机小，因此它的纵轴同步电抗xd较大，其标幺值在1.5-1.9之间。,在大型枢纽变电站运行的同步补偿机一般都是高压大容量低转速的同步补偿机，它们采用氢气冷却或双水内冷的冷却方式改善热传导，降低电机中通风损失，减小有效材料消耗。而在负荷中心设置的同步补偿机大都为中小容量，采用户外式空气冷却器。 3、同步补偿器的起动 同步补偿器和同步电动机都必须在没有励磁磁场的状态下起动,9.5 同步

25、电动机启动,1) 三相同步电动机的起动 三相同步电动机本身没有起动转矩，通电后转子不能起动。下面以图9.16说明不能自行起动的原因。,图9.20 等效磁极,图9.21 同步电动机的起动,由图9.21可看出当静止的三相同步电动机的定、转子接通电流时，定子三相绕组产生旋转磁场，转子绕组产生固定磁场。,图9.21 同步电动机的起动,由图9.21可看出当静止的三相同步电动机的定、转子接通电流时，定子三相绕组产生旋转磁场，转子绕组产生固定磁场。 假设起动瞬间，定、转子磁极的相对位置如图9.21(a)所示，旋转磁场产生逆时针方向转矩。由于旋转磁场以同步速旋转，而转子本身存在惯性，不可能一下子达到同步速。这

26、样定子的旋转磁场转过180到了图9.21(b)，这时转子上又产生一个顺时针转矩。由此，可见在一个周期内，作用在同步电动机转子上的平均起动转矩为零。所以，同步电动机就不能自行起动。,三相同步电动机起动方法有3种：辅助法、变频法和异步法。 异步起动法就是在转子极靴上装一个起动绕组(阻尼绕组)，利用异步电动机起动原理来起动步骤如下： (1) 先将三相同步电动机的励磁绕组通过一个附加电阻短接，附加电阻约为励磁绕组电阻的10倍，且励磁绕组不可开路。 (2) 起动过程中采用定子绕组建立的旋转磁场，在转子的起动绕组中产生感应电势及电流，而产生类似于异步电机的电磁转矩。 (3) 当三相同步电动机的转速接近同步

27、转速时，将附加电阻切除，励磁绕组与励磁电源连接，依靠同步转矩保持电动机同步运行。,在三相同步电动机异步起动时，如果为限制起动电流，可采用减压起动。当转速达到同步转速时，电压恢复至额定值，然后再给直流励磁，使同步电动机进入同步运行。 所以，同步电动机采用异步电动机启动时，可以在额定电压下直接启动，也可降压启动，如星三角启动、自藕变压器降压启动或串电抗器等。,9.5 同步电动机的启动,注意启动同步电动机时，励磁绕组不能开路。否则，在大转差时，气隙旋转磁密在励磁绕组里感应较高的电动势，有可能损坏它的绝缘。但在启动过程中，也不能把励磁绕组短路。那样，励磁绕组感应的电流产生的转矩，有可能使电动机启动不到

28、接近同步转速的转速，可通过励磁绕组串接电阻然后切除的方法完成。 同步电动机的启动过程都是用自动控制线路来完成的。目前广泛采用晶闸管整流励磁装置，除了自动控制启动，还可以顺极性自动投入。,9.5 同步电动机启动,同步电动机的调速方法 同步电动机就是以它的转速与电源频率严格遵守同步关系而得名的。只要是电源频率保持不变，同步电动机的转速就不变。多年来同步电动机恒速运行不能调速，致使同步电动机的应用受到很大限制。随着电力电子变频技术的发展，采用电压频率协调控制，使同步电动机具有良好的调速性能。,同步电动机和异步电动机的区别 1）结构上： 定子三相绕组是相同的，转子绕组不同。同步电动机除直流励磁绕组（永久磁铁）外，还有一个自身短路的阻尼（起动）绕组，此绕组在恒频工作时，除完成起动