三相交流同步電動機

三相交流同步電動機1第一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二§6-0概述

同步電機其轉(zhuǎn)速不隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化而變化，且與電源頻率f成嚴(yán)格的比例關(guān)系。

同步電機的三種運行狀態(tài)：發(fā)電機：氣輪發(fā)電機及水輪發(fā)電機等。電動機：由電網(wǎng)輸入電功率，軸端輸出機械功率。調(diào)相機：專門發(fā)出或吸收無功功率，調(diào)節(jié)電網(wǎng)功率因數(shù)同步電動機的類型很多，工作原理各有特點，但基本原理相同。同步電動機的結(jié)構(gòu)：由定子和轉(zhuǎn)子組成2023/6/82第二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二（1）定子和三相交流異步電動機定子完全一樣。

電動機的定子又稱為電樞。有定子鐵心、三相對稱繞組、機座、端蓋、電刷架等。其作用是產(chǎn)生磁場。（2）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子與異步電動機轉(zhuǎn)子不同。轉(zhuǎn)子也需要勵磁，且磁極對數(shù)與定子磁極對數(shù)相同。轉(zhuǎn)子磁極的勵磁方式有電磁式和永磁式。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分為凸極式轉(zhuǎn)子和隱極式轉(zhuǎn)子。除了轉(zhuǎn)子磁極外，轉(zhuǎn)子還包括轉(zhuǎn)軸、滑環(huán)等。轉(zhuǎn)子的勵磁繞組兩個出線端接到兩個滑環(huán)上，通過滑環(huán)上的兩個靜止的電刷向外引出。電磁式同步電動機的勵磁方式直流發(fā)電機勵磁整流器勵磁2023/6/83第三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二2023/6/84第四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二§6-1同步電動機的工作原理

定子同步電動機工作原理×·×··×轉(zhuǎn)子NSSNn1n12023/6/85第五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二§6-1同步電動機的工作原理

定子同步電動機工作原理×·×··×轉(zhuǎn)子SNNS2023/6/86第六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二§6-1同步電動機的工作原理

定子同步電動機工作原理×·×··×轉(zhuǎn)子SNNS2023/6/87第七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二§6-1同步電動機的工作原理

定子同步電動機工作原理×·×··×轉(zhuǎn)子SNNS2023/6/88第八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二§6-1同步電動機的工作原理

定子同步電動機工作原理×·×··×轉(zhuǎn)子SNNS2023/6/89第九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二§6-1同步電動機的工作原理

定子同步電動機工作原理×·×··×轉(zhuǎn)子SNNS2023/6/810第十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二§6-1同步電動機的工作原理

定子同步電動機工作原理×·×··×轉(zhuǎn)子SNNS2023/6/811第十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二§6-1同步電動機的工作原理

定子同步電動機工作原理×·×··×轉(zhuǎn)子SNNS2023/6/812第十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二§6-1同步電動機的工作原理

定子同步電動機工作原理×·×··×轉(zhuǎn)子SNNS2023/6/813第十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二§6-1同步電動機的工作原理

定子同步電動機工作原理×·×··×轉(zhuǎn)子SNNS2023/6/814第十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二§6-1同步電動機的工作原理

定子同步電動機工作原理×·×··×轉(zhuǎn)子SNNS同步電動機是一種定子邊用交流電流勵磁以建立旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子邊用直流電流勵磁所構(gòu)成旋轉(zhuǎn)磁極的雙邊勵磁的交流電動機。2023/6/815第十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二同步電動機分為隱極式和凸極式。6-1-1隱極式同步電動機的分析一、隱極式同步電動機的電磁關(guān)系Fa——電樞磁勢；Ea——電樞（反應(yīng)）電勢；Fj——勵磁磁勢或空載磁勢；Eo——勵磁電勢或空載電勢；

Es——漏感電勢。2023/6/816第十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二

同步電動機空載時，電樞電流很小，可以認(rèn)為沒有電樞磁勢，氣隙中僅有勵磁磁勢。所以勵磁磁勢又稱為空載磁勢。勵磁磁場和電樞磁場之間無相對運動，且與轉(zhuǎn)子也無相對運動，所以轉(zhuǎn)子內(nèi)無感應(yīng)電勢。Ea、E0、Es皆為定子中的感應(yīng)電勢。一、隱極式同步電動機的電勢平衡方程式和向量圖

一相繞組平衡方程式2023/6/817第十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二

隱極式同步電動機一相等值電路圖和向量圖2023/6/818第十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二6-1-2凸極式同步電動機的電勢平衡方程式和向量圖

隱極式同步電動機的電樞反應(yīng)和電樞磁勢

同步電動機帶負(fù)載運行時，定子電流增大，三相繞組產(chǎn)生的電樞磁場會對勵磁磁場產(chǎn)生影響，稱為電樞反

應(yīng)。

由于氣隙磁阻均勻，且線性，所以電樞磁勢和磁密在空間分布一致，都呈正弦分布，所以電樞反應(yīng)電勢可用電樞反應(yīng)電抗Xa的壓降來反應(yīng)。凸極式同步電動機的電樞反應(yīng)和電樞磁勢

（1）同步電動機的凸極效應(yīng)使得電樞反應(yīng)磁場的磁感應(yīng)強度分布發(fā)生畸變。而且隨著轉(zhuǎn)子相對電樞磁勢的位置不同，電樞磁場的分布也不同。2023/6/819第十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二2023/6/820第二十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二2023/6/821第二十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二2023/6/822第二十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二2023/6/823第二十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二（2）電樞磁勢可分解為一個直軸磁勢和一個交軸磁勢將電樞電流分解為一個直軸分量和一個交軸分量而且2023/6/824第二十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二

直軸、交軸電樞反應(yīng)磁勢分別產(chǎn)生直軸電樞反應(yīng)磁通和交軸電樞反應(yīng)磁通，從而在電樞繞組中分別產(chǎn)生直軸電樞反應(yīng)電勢和交軸電樞反應(yīng)電勢。若鐵心不飽和，則有其中Xad——為直軸電樞反應(yīng)電抗，它與直軸磁路的磁阻成反比；

Xaq——為交軸電樞反應(yīng)電抗，它與交軸磁路的磁阻成反比。

因為交軸處氣隙大，磁阻大；而直軸處氣隙小，磁阻小，所以有Xad>Xaq。2023/6/825第二十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二

凸極式同步電動機電勢平衡方程式和向量圖

考慮到直軸磁勢和交軸磁勢分別產(chǎn)生漏磁通，因此隱極式同步電動機的氣隙均勻，可以由凸極式同步電動機電壓平衡方程式推導(dǎo)出隱極式電動機電壓平衡方程式，所以隱極式同步電動機是凸極式同步電動機的一個特例。2023/6/826第二十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二2023/6/827第二十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二§6-2同步電動機的功率平衡、功角和矩角特性6-2-1同步電動機的功率和轉(zhuǎn)矩一、功率平衡關(guān)系和轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系

功率平衡關(guān)系

2023/6/828第二十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二則同步電動機的效率為：

轉(zhuǎn)矩平衡方程式2023/6/829第二十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二二、電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩表達式同步電動機的銅耗和鐵耗都很小，為分析方便可予以忽略。則向量圖（忽略定子繞組電阻）2023/6/830第三十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二將電流代入功率公式：2023/6/831第三十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二對隱極式同步電動機不存在附加分量：2023/6/832第三十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二6-2-2功角特性和矩角特性

當(dāng)電網(wǎng)電壓U1和頻率f不變，勵磁電流Ij不變和、E0不變時，同步電動機的電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩僅取決于功角的大小。

功角特性電磁功率Pm和功角的關(guān)系Pm=f()

稱為同步電動機的功角特性。

矩角特性電磁轉(zhuǎn)矩Mem與功角的關(guān)系Mem=f()，稱為同步電動機的矩角特性。2023/6/833第三十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二

凸極和隱極同步電動機的功角和矩角特性曲線2023/6/834第三十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二

功角是同步電動機的一個重要參數(shù)。在時間上表示電網(wǎng)電壓ù1和勵磁電壓è0之間的相位差；在空間上表示勵磁磁場和定子合成磁場之間的空間夾角。同步電動機的運行狀態(tài)完全取決于功角。（1）當(dāng)>0時，定子合成磁場超前勵磁磁場，兩個磁場之間產(chǎn)生切向電磁力，其電磁轉(zhuǎn)矩帶動轉(zhuǎn)子以同步速度旋轉(zhuǎn)，同步電動機處于電動機運行狀態(tài)。（2）當(dāng)=0時，兩個磁極軸線重合，電磁轉(zhuǎn)矩為零。（3）當(dāng)<0時，轉(zhuǎn)子磁極拖著合成磁極旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向相反，為制動2023/6/835第三十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二

轉(zhuǎn)矩，此時轉(zhuǎn)子必須外面有原動機帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，這樣同步電動機從軸上輸入機械功率，從定子繞組端輸出電功率，同步電動機處于發(fā)電機工作狀態(tài)。6-2-3同步電動機的穩(wěn)定性和負(fù)載能力隱極式同步電動機矩角特性在0

<<90°范圍內(nèi)，矩角特性O(shè)C段是穩(wěn)定運行區(qū)。通常用最大轉(zhuǎn)矩Mmax與額定電磁轉(zhuǎn)矩MN之比定義為

同步電動機的過載倍數(shù)m，增加勵磁電流也可提高過載能力。2023/6/836第三十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二

失步現(xiàn)象當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大且超過最大電磁轉(zhuǎn)矩Mmax

時，功角增大，并超過90°，而電磁轉(zhuǎn)矩繼續(xù)下降，使電機不斷減速而不能與定子磁極同步運行，這種現(xiàn)象稱為失步。

凸極同步電動機矩角特性在U1、f和勵磁電流相同的情況下，由于附加轉(zhuǎn)矩的影響，使矩角特性最大轉(zhuǎn)矩Mmax有所增加，因而凸極同步電動機過載能力比隱極式同步電動機要大。同步電動機的機械特性2023/6/837第三十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二[例]一臺隱極式同步電動機的額定數(shù)據(jù)為（超前）定子繞組星形接法，同步電抗，如忽略定子電阻，求該電動機在額定運行時（1）勵磁電勢，（2）功角，（3）電磁功率，（4）過載能力。[解]勵磁電勢。該同步電動機向量圖如圖所示。2023/6/838第三十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二由向量圖可知：2023/6/839第三十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二[例]凸極式同步電動機（自學(xué)）2023/6/840第四十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二§6-3同步電動機的勵磁調(diào)節(jié)及V形曲線6-3-1勵磁調(diào)節(jié)同步電動機在電網(wǎng)電壓U1、電網(wǎng)頻率f以及輸出功率P2保持不變的情況下，改變勵磁電流的大小，可以改變功率因數(shù)cosN的大小。假設(shè)：（1）不計凸極效應(yīng)，即（2）不計電機的損耗，所以輸入功率為常數(shù)，則2023/6/841第四十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二因為隱極式同步電動機電勢平衡方程式為所以當(dāng)U1不變時，改變勵磁電流Ij會引起勵磁電勢、電樞電流的大小和相位都改變，因此功率因數(shù)也改變。

下面是以為參考向量，當(dāng)為三種不同狀態(tài)時的向量圖。2023/6/842第四十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二2023/6/843第四十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二（1）當(dāng)。ìa與ù1同相，為純有功電流，Ia值最小。此時電動機從電網(wǎng)只吸收有功功率。這種勵磁狀態(tài)稱為“正?！眲畲艩顟B(tài)。（2）調(diào)節(jié)Ij使其小于正常勵磁電流，此時電樞電流。此情況下電動機除從電網(wǎng)吸收一定的有功功率外，還從電網(wǎng)吸收一定的滯后的無功功率，這種勵磁狀態(tài)稱為“欠勵”狀態(tài)。（3）調(diào)節(jié)Ij使其大于正常勵磁電流，此時電樞電流。此情況下電動機一方面吸收一定的有功功率，同時還要從電網(wǎng)吸收一定的超前無功功率，這種勵磁狀態(tài)稱為“過勵”狀態(tài)。2023/6/844第四十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二

調(diào)節(jié)同步電動機的勵磁電流即可方便而又靈活的調(diào)節(jié)它的無功功率和功率因數(shù)，當(dāng)處于過勵狀態(tài)時，同步電動機在電網(wǎng)上是一個容性負(fù)載，它可補償電網(wǎng)一般處于感性負(fù)載的不利狀態(tài)，從而提高電網(wǎng)的功率因數(shù)。有時為了改善供電系統(tǒng)的功率因數(shù)，而將同步電動機作空載運行，專門用來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的無功功率，這種運行狀態(tài)的同步電動機稱為同步補償機或同步調(diào)相機。6-3-2V形曲線

同步電動機的V形曲線是指當(dāng)電網(wǎng)電壓、頻率均為額定值，即U1=UN，f=fN時，在輸出功率不變情況下，電樞電流與勵磁電流的關(guān)系曲線即

Ia=f(Ij)

曲線。2023/6/845第四十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二

不同輸出功率下的勵磁電流和電樞電流的關(guān)系曲線2023/6/846第四十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二（1）對應(yīng)于每條雙曲線的最低點，電樞電流Ia為最小值，此時電樞電流只有有功電流，。電機為正常勵磁。（2）當(dāng)Ij小于正常勵磁電流時，電機為欠勵。此時電樞電流出現(xiàn)了感性無功電流，因此電樞電流增大。（3）當(dāng)Ij大于正常勵磁電流時，電機為過勵。此時電樞電流除有功電流外，還出現(xiàn)了超前無功電流，因此電樞電流也增大。（4）輸出功率增大，V形曲線向上向右移。因為電樞電流的有功分量將增大，因此最低點上移；另外勵磁電勢增大，因此勵磁電流也增大。2023/6/847第四十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二[解]表示電流與電壓之間的相位差，滯后表示電流滯后電壓。則工廠原來所消耗功率情況為：2023/6/848第四十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二（1）選用感應(yīng)電動機時2023/6/849第四十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二（2）選用同步電動機時2023/6/850第五十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二§6-4同步電動機的起動

若不采取措施，通常同步電動機是不能自行起動的。2023/6/851第五十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二起動繞組為短路繞組，起動時，勵磁繞組接上一個電阻。然后再接入勵磁電源。2023/6/852第五十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期二

同步電動機可以采取異步起動。先使同步電動機在異步轉(zhuǎn)矩的作用下轉(zhuǎn)動起來，待轉(zhuǎn)速上升到接近同步轉(zhuǎn)速時，再給轉(zhuǎn)子勵磁繞組通入直流電源，使轉(zhuǎn)子建立磁場。依靠定、轉(zhuǎn)子磁場相互作用所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，將轉(zhuǎn)子牽入同步。所以異步起動過程包括“異步起動”

和“牽入同步”兩個階段。

異步起動時勵磁繞組決不能開路。否則在匝數(shù)較多的勵磁繞組端產(chǎn)生很高的感應(yīng)電勢，可能使勵磁繞組被擊穿；或危及生命。

也不能將勵磁繞組