第27讲-同步电动机

1、第六节三相异步电动机的机械特性,第27讲 同步电机,1、概述 2、同步电机的电磁关系 3、稳定运行状态 4、同步电机功率因数调节,一、同步电机概述,1、同步电机 如果三相交流电机的转子转速n与定子电流的频率f 满足方程式 的关系，就称为同步电机。由于电源频率50Hz不变，p为整数，因此电机转速与极对数之间有严格的对应关系。 2、同步电机与异步电机相比，有下列优点 1、同步电机功率因数高，能够改善电网的功率因数； 2、对大功率低转速的电动机，同步电机体积小。 3、结构 转子分为凸极式和隐极式两种；转子上装有励磁绕组。,一、同步电机概述,一、同步电机概述,隐极式,一、同步电机概述,4、同步电机的分

2、类（按运行方式）,发电机把机械能转换为电能。,电动机把电能转换为机械能；,补偿机没有有功功率的转换，只发出或吸收无功功率；,直流励磁机励磁直流励磁机通常与同步发电机同轴，采用并励或他励接法。,整流器励磁,静止式 旋转式,5、同步电机的励磁方式,一、同步电机概述,一、同步电机概述,一、同步电机概述,6、同步电机的额定数据,额定容量PN 指额定运行时电机轴上的输出有功功率； 额定电压UN 指额定运行时定子的线电压； 额定电流IN 指额定运行时定子的线电流； 额定功率因数 指额定运行时电机的功率因数； 额定频率fN 指额定运行时电枢的频率； 额定转速nN 指额定运行时电机的转速，即为同步转速； 额定

3、效率 同步电机额定运行时的效率。 还有额定励磁电压以及额定励磁电流等等。,二、同步电机的电磁关系,1、同步电机的磁通势,（1）同步电机的定子三相对称绕组通入三相对称电流，产生合成旋转磁通势，称为电枢磁通势，用空间矢量 表示。转向为逆时针，转速为同步转速。转子以同步转速逆时针旋转，转子上的直流励磁绕组，通入励磁电流If产生励磁磁通势 相对转子静止，但仍以同步转速和转子一起逆时针旋转。,（2）励磁磁通势单独在电机主磁路产生磁通的情况 规定：把转子N、S极的中心线称纵轴或d轴，与纵轴相距90空间电角度的地方称为横轴或q轴。,二、同步电机的电磁关系,由于电枢磁通势和励磁磁通势在空间位置不一定相同，经常

4、变化，如何求总的磁通势以及分析呢？,二、凸极同步电动机的双反应原理,2、凸极同步电动机的双反应原理 如图，如果电枢磁通势和励磁磁通势的相对位置已定，可以把电枢磁通势分解为两个分量：一个纵轴电枢磁通势 ，作用在纵轴上；另一个称为横轴电枢磁通势 ，作用在横轴上。即：,二、凸极同步电机的双反应原理,下面分别分析纵轴电枢磁通势 和横轴电枢磁通势 在主磁路里产生的纵轴电枢磁通磁通 和横轴电枢磁通 ，从而分析电枢磁通势的作用，这种分析问题的方法称为双反应原理。 电枢磁通势的大小为： 则纵轴电枢磁通势和横轴电枢磁通势可以分别表示为： 因此，电流同样可以分为纵轴电枢电流和横轴电枢电流，即,三、凸极同步电动机的

5、电压平衡方程式,设励磁磁通 在定子绕组里感应电动势用 表示；纵轴电枢磁通 在定子绕组感应电动势用 表示，横轴电枢磁通 在定子绕组产生感应电动势用 表示。 根据右图同步电动机定子绕组各电量正 方向，可以列出A相回路的电压平衡方程式： 其中，R1为定子一相的电阻； X1为定子一相的漏电抗。 因磁路线性，因此纵轴感应电动势和横轴电动势可以表示为： 其中，Xad、Xaq分别为纵轴电枢反应电抗和横轴反应电抗,三、凸极同步电动机的电压平衡方程式,因此，电压平衡方程式可以改写为： 把电流 代入上式得： 一般情况下，当同步电机容量较大时，可以忽略R1，于是 其中，Xd=Xad+X1 称为纵轴同步电抗； Xq=

6、Xaq+X1 称为横轴同步电抗。,四、凸极同步电动机的电动势向量图,右图表示的是同步电机作电动运行的向量图。 电压 和电流 的夹角为 称为功率因数角； 电压 和励磁电动势 的夹角为 ，而且被 称为功率角；励磁电动势 和电流 的夹角 为 ，而且,五、隐极同步电动机,由于隐极同步电机的气隙是均匀的，因此，纵轴和横轴同步电抗相等，即 隐极同步电机的电压平衡方程式为： 隐极同步电机的电动势向量图为：,六、同步电机功率关系,同步电机从电源吸收有功功率 ，除去消耗于定子绕组的铜损耗 后，就转变为电磁功率PM，即 扣除铁损耗pFe和机械损耗pm后，转变为机械功率P2输出给负载，即 铁损耗pFe和机械损耗pm

7、之和称为空载损耗，即 电磁转矩T为: 则转矩平衡方程式：,七、同步电动机的电磁功率,当忽略定子绕组电阻R1后，电磁功率为： 从右图可以看出 ，于是得到：,从而得到：,八、功角特性,功角特性：从同步电机电磁功率可以看出当电机参数以及电源参数不变时，电磁功率的大小与角度 有关，把 的关系称为同步电机的功角特性。,从电磁功率公式可以看出，第一项与励磁 电流有关，称为励磁电磁功率；第二项与励磁电流无关，是由参数Xd不等于Xq引起的，也就是由于转子凸极引起的，若对隐极转子来说，二者相等，不存在第二项。 励磁电磁功率： ，变化曲线如1,八、功角特性,八、功角特性,凸极电磁功率 当 凸极励磁功率最大，则：

8、凸极电磁功率与 的关系如曲线2，曲线3 是合成的总电磁功率与的 关系。,当 时，励磁电磁功率最大，即,九、矩角特性,矩角特性：指电磁转矩T与 的关系 对隐极同步电机，有 右图即为隐极同步电机的矩角特性。对隐极同步电机来说，最大转矩和功率分别为：,在电磁功率公式两边同除以机械角速度，可得：,十、稳定运行,1、当电动机拖动机械负载运行在 范围内 电机原来运行在 ，电磁转矩T和负载转矩TL 平衡，若负载突然增大到 ，此时电机减速， 增大，同时电磁转矩也增大到 , 能够稳定运行，反之相同。,2、当电动机拖动机械负载运行在 范围内 和上面分析相同，但同步电机不能稳定运行。,以隐极同步电机为例讲解同步电机

9、稳定运行的问题：,（）角的物理意义：,励磁电动势E0与绕组端电压U之间的夹角； 励磁电动势E0与合成电动势E(U)之间的夹角，也就是转子磁场和合成磁场之间的空间位移角。,如图所示，合成磁场的等效磁极在前，拖着转子磁极以同步转速旋转。 如果转子磁极在前，等效磁极在后，即转子拖着等效磁极旋转，是同步发电机运行状态。,十、稳定运行,十、稳定运行,最大转矩和额定转矩之比，称为过载倍数。 隐极同步电机额定运行时， 当同步电机负载改变时， 随之改变，从而 电磁转矩或电磁功率也改变，以达到新的平 衡，从而使电机的转子转速与同步转速保持 同步，因此电机特性较硬。 例9-3,十一、同步电动机的功率因数调节,当同

10、步电机的电源参数不变以及有功负载保持不变时，通过改变励磁电流，就可以改变功率因数。 同步电机的负载不变指的是电动机转轴上输出的转矩T2不变，因此有T=T2，由电磁转矩公式可得 当改变励磁电流If时，电动势E0的大小也变化，必须满足上式。 当负载转矩不变，电机的输入功率P1不变，因此有： 在电压U不变的条件下，必有有功电流不变：,十一、同步电动机的功率因数调节,根据上述公式画出励磁电流分别为 时，所对应的电动势 向量图，如右图。其中,从图中可以看出，当改变励磁电流时， 电流的变化轨迹总是在与电压垂直的 虚线上。同时可以知道，改变励磁电 流时，同步电机的功率因数变化规律： （1）当励磁电流为If时，使定子电流 与 同向，称为正常励磁状态。同步电机 从电网只吸收有功功率，同步电机像个纯电阻负载，有,（2）当励磁电流比正常励磁电流小时，称为欠励状态。 此时， ，定子电流 落后 为 。 同步电机从电网吸收有功功率和滞后性 的无功功率，此时，同步电机像个电阻 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。 此时， ，定子电流 领先 为 。 同步电机从电网吸收有功功率和领先 的无功功率，此时，同步电机像个电阻 电容负载。,十一、同步电动机的功率因数调节,十二、同步电动机的启动,1、同步电动机的异步启动 由于同步电机本身