第08章-同步電機原理

第八章同步電機原理電機與拖動基礎第一節(jié)結構和運行方式第二節(jié)電壓方程和相量圖第三節(jié)功率方程和功角特性第四節(jié)功率因數及U形曲線1第一節(jié)同步電機的結構和運行方式

第八章同步電機原理（8-1）多用作發(fā)電機。也可作電動機使用，例如空氣壓縮機、鼓風機、電力推進裝置和電動發(fā)電機組等。特點：功率因數高、體積小。這種電機就稱為同步電機。2一、同步電機的基本結構靜止的定子和旋轉的轉子組成。 1.定子

定子鐵心、 定子繞組、 機座、 端蓋等附件。第八章同步電機原理32.轉子結構形式：凸極式、隱極式。第八章同步電機原理水輪發(fā)電機的轉子：凸極式；汽輪發(fā)電機的轉子：隱極式。同步電動機的轉子：凸極式。勵磁電源兩種：勵磁機供電；由交流電源經過整流得到。4同步電機的基本結構機械端口轉子定子繞組定子鐵心電端口ABC561、汽輪發(fā)電機結構定子鐵心72、水輪發(fā)電機結構(1)立式水輪發(fā)電機(2)臥式水輪發(fā)電機83）水輪發(fā)電機結構轉子結構10000kW水輪機轉子94）現場運行的水輪發(fā)電機10二、同步電機的基本工作原理

1.同步電機的物理模型第八章同步電機原理11

2.同步電機的工作原理以同步發(fā)電機為例：空載：轉子同步轉速n0轉子（Nf匝）直流電流If勵磁，旋轉磁場 切割定子開路的三相對稱繞組（N1匝），產生三相對稱空載感應電動勢E0

改變If大小可改變E0大小。帶負載：三相對稱定子電流 在氣隙中產生與與轉子旋轉方向相同，轉速大小相等的旋轉磁場 定、轉子間旋轉磁場相對靜止，氣隙中的磁場是定、轉子旋轉磁場的合成第八章同步電機原理123.同步電機的運行方式第八章同步電機原理磁拉力產生電磁轉矩、拖動者與被拖動者、功率角13第二節(jié)同步電動機的電壓方程和相量圖一、同步電動機的磁動勢當同步電動機的定子三相對稱繞組連接到三相對稱電源上時，就會產生三相合成旋轉磁動勢（電樞磁動勢Fa）。設Fa

的轉向為逆時針方向，轉速為同步轉速。在負載運行時，轉子也是逆時針方向以同步轉速旋轉。由直流勵磁電流If

產生的磁動勢（勵磁磁動勢Ff），也是空間矢量。Fa

與Ff都以同步轉速按逆時針方向旋轉，但兩者在空間的位置不一定相同。第八章同步電機原理14第八章同步電機原理直軸或縱軸，簡稱d軸；與直軸相距90空間電角度的方向稱為交軸或橫軸，簡稱q軸。直軸和交軸隨轉子一同旋轉。Ff單獨作用：

Ff總是在直軸方向。 勵磁磁通f經過的磁路以直軸對稱。15

二、凸極同步電動機的雙反應原理電樞磁動勢Fa

單獨在電機主磁路中產生磁通，比Ff

產生磁通的情況復雜。只要Fa

與Ff

的空間位置不相同，Fa的方向就不在直軸方向。對于凸極式同步電動機，由于氣隙的不均勻，即使知道Fa

的大小和位置，也無法求得磁通。第八章同步電機原理（8-2）如果Fa

與Ff

的相對位置給定，由于Fa與Ff

無相對運動，可以把Fa分解成兩個分量：直軸電樞磁動勢Fad（作用在直軸方）、交軸電樞磁動勢Faq

（作用在交軸方向）：這種處理問題的方法稱為雙反應理論。16第八章同步電機原理17由定子電流產生的電樞磁動勢的表達式：第八章同步電機原理（8-3）將上式分解為d、q軸上的直軸電樞磁動勢和交軸電樞磁動勢：（8-4）（8-5）18第八章同步電機原理（8-6）19三、同步電動機的電壓方程1.凸極同步電動機的電壓方程勵磁磁通f、直軸磁通ad

和交軸磁通aq

都是以同步轉速逆時針旋轉，都在定子繞組中產生相應的感應電動勢。根據圖8-7給出的同步電動機定子繞組各電量正方向，列出A相回路的電壓方程第八章同步電機原理（8-7）Rs——定子繞組的相電阻；Xs——定子繞阻的相漏電抗?！猣在定子繞阻中的感應電動勢。20感應電動勢、可以寫成第八章同步電機原理（8-9）（8-8）式中Xad——直軸電樞反應電抗；Xaq——交軸電樞反應電抗。把式（8-8）、式（8-9）代入式（8-7），得在將式（8-6）代入上式，得21當同步電動機容量較大時，可忽略電阻Rs，于是第八章同步電機原理（8-10）式中——直軸同步電抗，；——交軸同步電抗。在一般凸極同步電動機中，。2.隱極同步電動機的電壓方程由于氣隙均勻，因而直軸和交軸的同步電抗在數值上相等：（8-11）式中——隱極同步電動機的同步電抗。22由式（8-10）可寫出隱極同步電動機的電壓方程為第八章同步電機原理（8-12）四、同步電動機相量圖 輸入電動機的有功功率P1必須滿足（8-13） 有功分量應與相同相位?？梢姡c二者之間的功率因數角必須小于90，才能使電機運行于電動機狀態(tài)。23圖8-8b是根據隱極同步電動機的電壓方程式畫出的相量圖。第八章同步電機原理圖8-8a是根據凸極同步電動機的電壓方程，在（超前）時，電機運行于電動機狀態(tài)的相量圖。24第三節(jié)同步電動機的功率方程和功角特性一、同步電動機的功率方程從電源吸收有功功率P1，扣除銅損耗第八章同步電機原理（8-14）Pem扣除鐵損耗和機械摩擦損耗得機械功率（8-15）空載損耗P0（8-16）25第八章同步電機原理26二、同步電動機的電磁功率與功角特性凸極同步電動機忽略定子繞組的電阻Rs后的電磁功率為第八章同步電機原理（8-17）27根據相量圖可得第八章同步電機原理（8-18）28上式消去Ｉd、Ｉq，得到sinψ、cosψ，代入8-18得：第八章同步電機原理（8-19）若Us、f1都維持不變；如果If

不變，則對應的電動勢E0

的大小也是常數；電動機的參數Xd

、Xq又是已知的常數。這樣電磁功率Pem

僅是θ的函數。把的關系定義為同步電動機的功角特性，如圖8-10所示。（8-20）29上式所示凸極同步電動機的電磁功率Pem中：第一項與勵磁電流If

的大小有關，稱為勵磁電磁功率。第二項與勵磁電流If

的大小無關，是由參數引起的，這部分功率只有凸極同步電動機才有，所以該電磁功率稱為凸極電磁功率。第二項凸極電磁功率比第一項小得多。第八章同步電機原理（8-21）（8-22）30第八章同步電機原理式中——同步角速度。（8-25）

三、同步電動機的電磁轉矩與矩角特性

31第八章同步電機原理（8-26）將式（8-15）等號兩邊同除以ω1，得到同步電動機的轉矩平衡方程式中T0——空載轉矩。（8-27）由得32第八章同步電機原理上式說明：在Us、f1、If都保持不變時，Te也僅是θ的函數。把定義為同步電動機的矩角特性，繪制出的曲線稱為矩角特性曲線。功角特性與矩角特性的表達式相互之間僅相差一個比例常數1。隱極式同步電動機，因Xd=Xq，則功角特性和矩角特性的表達式為（8-29）33第八章同步電機原理

四、同步電動機的穩(wěn)定運行以隱極同步電動機為例討論同步電動機的穩(wěn)定運行問題。在

=0～90的范圍內，穩(wěn)定運行；在

=90～180的范圍內，不能穩(wěn)定運行。34第八章同步電機原理最大電磁轉矩Tem與額定電磁轉矩TN之比，稱為過載倍數。（8-30）為了滿足過載限制的要求，隱極同步電動機額定運行時，。凸極同步電動機額定運行時的功率角要小些。負載改變時，θ角隨之變化，就能使同步電動機的電磁轉矩Te或電磁功率Pem跟著變化，以達到新的平衡狀態(tài)。在同步電動機穩(wěn)定運行時，電機的轉子轉速n是嚴格按照同步轉速旋轉，不發(fā)生任何變化。所以，同步電動機的機械特性為一條水平的直線。

35第八章同步電機原理第四節(jié)同步電動機的功率因數及U形曲線一、同步電動機的功率因數調節(jié)當同步電動機接在交流電源上，可認為Us及f1保持不變。假設同步電動機拖動的有功負載也保持不變，僅改變同步電動機的勵磁電流If，就能調節(jié)同步電動機的功率因數。假若隱極同步電動機的負載保持不變，如果忽略空載轉矩，有?？梢姡擳2不變時，可認為Te也不變，則：（8-31）這說明改變If，E0的大小也要跟著改變，以滿足上式的關系。36第八章同步電機原理當負載轉矩不變時，由于同步電動機的轉速恒定不變，所以同步電動機的輸出功率不變。在忽略電機中的各種損耗的情況下，同步電動機的輸入功率與輸出功率相等。于是有（8-32）上式的物理意義是：在只改變勵磁電流的情況下，同步電動機定子繞組中電流的有功分量保持不變。根據式（8-31）和式（8-32）的條件畫出隱極同步電動機在三種不同勵磁電流時的相量圖，如圖8-15所示。在電壓Us不變的條件下，必有37第八章同步電機原理改變勵磁電流，同步電動機功率因數變化規(guī)律分為三種情況：正常勵磁狀態(tài)、欠勵狀態(tài)（”）過勵狀態(tài)(’)。一般要過勵，至少正常勵磁狀態(tài)，不要運行在欠勵狀態(tài)。改變同步電動機的勵磁電流，能改變同步電動機的功率因數，這點異步電動機不具備。38第八章同步電機原理

二、同步電動機的U形曲線指當電源電壓和電源的頻率均為額定值時，在輸出功率不變的條件下，調節(jié)If

時Is的變化。以If

為橫座標，Is為縱座標，將兩個電流數值變化關系繪制成曲線，由于其形狀象英文字母“U”，故稱其為U形曲線。39第八章同步電機原理每條U形曲線，定子電流有一最小值，這時定子僅從電網吸收有功功率，功率因數。把這些點連起來，稱為線。它微微向右傾斜，說明輸出為純有功功率情況下，輸出功率增大的同時，必須相應地增加勵磁電流。40第八章同步電機原理當同步電動機帶一定負載時，若減小勵磁電流If，電動勢E0、電磁功率Pem減小。當Pem減小到一定程度，θ超過90，電動機就失去同步，圖中虛線所示的不穩(wěn)定區(qū)。從這個角度看，同步電動機最好也不運行于欠勵狀態(tài)。41第八章同步電機原理小結同步電機的轉子轉速與電樞電流的頻率的關系，或者說轉子轉速恒