電機原理及拖動（第4版）課件：同步電機

《電機原理及拖動》

第4版同步電機

顧名思義，同步電機即轉子運行在同步速度的電機。同步電機轉子的轉速與供電頻率之間符合嚴格的同步關系。根據(jù)電機運行狀態(tài)的不同，可分為同步發(fā)電機、同步電動機和同步補償機。

根據(jù)轉子勵磁方式的不同，同步電機又可分為永磁式同步電機和轉子直流繞組勵磁的同步電機。與異步電機相比，同步電機除了在定子繞組結構以及定子多相繞組通以多相對稱電流產(chǎn)生旋轉磁場的機理上相同外，其轉子結構、運行原理和運行特性等均具有明顯的特征。

為此，本章將對有關同步電機的運行原理、電磁過程和運行特性進行詳細討論。同步電機第—節(jié)同步電機的基本結構、原理、運行狀態(tài)及額定值第二節(jié)同步電機的電磁關系第三節(jié)同步電機的基本方程、等值電路及相量圖第四節(jié)同步電機的功率、轉矩和功（矩）角特性第五節(jié)同步電動機的勵磁調節(jié)與V形特性曲線第六節(jié)同步電動機的轉速特性第七節(jié)同步電動機的起動第八節(jié)同步發(fā)電機的運行特性第九節(jié)同步電抗、定子漏抗及電樞等效磁動勢的測定同步電機第—節(jié)同步電機的基本結構、原理、運行狀態(tài)及額定值第二節(jié)同步電機的電磁關系第三節(jié)同步電機的基本方程、等值電路及相量圖第四節(jié)同步電機的功率、轉矩和功（矩）角特性第五節(jié)同步電動機的勵磁調節(jié)與V形特性曲線第六節(jié)同步電動機的轉速特性第七節(jié)同步電動機的起動第八節(jié)同步發(fā)電機的運行特性第九節(jié)同步電抗、定子漏抗及電樞等效磁動勢的測定第—節(jié)同步電機的基本結構、原理、運行狀態(tài)及額定值按照結構形式，同步電機可以分為旋轉電樞式和旋轉磁極式兩類。按電樞繞組位置的不同，永磁同步電動機可分為

內轉子式（常規(guī)式）和

外轉子式。按轉子上有無起動繞組，可分為

無起動繞組的同步電動機

和

有起動繞組的同步電動機。旋轉磁極式電機中，按照主極的形狀，又可分成

隱極式

和

凸極式。一、同步電機的基本結構第—節(jié)同步電機的基本結構、原理、運行狀態(tài)及額定值

現(xiàn)代的汽輪發(fā)電機一般都是兩極的，同步轉速為3000r/min（國家標準50Hz條件）。

由于轉速高，所以汽輪發(fā)電機的直徑較小，長度較長。汽輪發(fā)電機均為臥式結構。

汽輪發(fā)電機的定子鐵心、定子繞組、機座、端蓋等部件組成。定子鐵心一般由0.35mm或0.5mm的冷軋無取向硅鋼片疊成，每疊厚度為3-6cm，疊與疊之間留有寬度為0.6-0.8cm的通風溝，以便定子繞組和鐵心的冷卻。一、同步電機的基本結構圖7-2汽輪發(fā)電機的定子第—節(jié)同步電機的基本結構、原理、運行狀態(tài)及額定值

鐵心的兩端用非磁性壓板壓緊后，固定在機座上。定子繞組通常采用雙層短距疊繞組。

為減小定子繞組內的渦流及其引起的雜散銅耗，定子線圈由多股包有股線絕緣的扁銅線并聯(lián)組成，股線在槽內的位置要依次進行“換位”處理。

股線所組成的線棒在連續(xù)包繞多層環(huán)氧玻璃粉云母帶作為槽絕緣后，經(jīng)加熱模壓形成，使其在外形、尺寸、絕緣、耐熱、電氣和機械特性等方面均達到規(guī)定的要求后，方可嵌入定子槽內。一、同步電機的基本結構圖7-2汽輪發(fā)電機的定子第—節(jié)同步電機的基本結構、原理、運行狀態(tài)及額定值大容量汽輪發(fā)電機的轉子周速可達170-180m/s。由于周速高，轉子受到極大的機械應力，因此轉子一般都用具有良好導磁性能的整塊高強度合金鋼鍛造而成。

沿轉子表面約2/3部分銑有軸向凹槽，以嵌放勵磁繞組；不開槽的部分組成一個“大齒”，嵌線部分和大齒一起構成主磁極。

為把勵磁繞組可靠地固定在轉子槽內，轉子采用非磁性的合金槽楔，繞組端部套上用高強度非磁性鋼鍛成的保護環(huán)。

由于汽輪發(fā)電機的機身比較長，轉子和電機中部的通風比較困難，所以良好的通風冷卻系統(tǒng)對汽輪發(fā)電機非常重要。一、同步電機的基本結構圖7-3大型汽輪發(fā)電機的轉子第—節(jié)同步電機的基本結構、原理、運行狀態(tài)及額定值

凸極式同步電機通?？煞譃榕P式（橫式）和立式兩種結構。

絕大部分的同步電動機、同步補償機和用內燃機或沖擊式水輪機拖動的同步發(fā)電機都采用臥式結構。

低速、大容量的水輪發(fā)電機和大型水泵電動機則采用立式結構。一、同步電機的基本結構圖7-4臥式結構凸極式同步電機轉子第—節(jié)同步電機的基本結構、原理、運行狀態(tài)及額定值

臥式同步電機的定子結構與感應電機基本相同，定子由機座、鐵心、電子繞組和端蓋等部件組成；

轉子由主磁極、極軛、勵磁繞組、阻尼繞組、集電環(huán)和轉軸等部件組成。一、同步電機的基本結構圖7-4臥式結構凸極式同步電機轉子第—節(jié)同步電機的基本結構、原理、運行狀態(tài)及額定值大型水輪發(fā)電機通常都是立式結構。由于它的轉速低、極數(shù)多、要求的轉動慣量大，故其特點是直徑大、長度短。

在歷史水輪發(fā)電機中，整個機組轉動部分的重量以及作用在水輪機轉輪上的水推力，均由推力軸承來支撐，并通過機架和機座傳遞到地基上。一、同步電機的基本結構圖7-5立式結構凸極式同步發(fā)電機轉子二、同步電機的工作原理圖7-6同步電機的結構示意圖

若在同步電動機的定子三相對稱繞組中分別通入如下三相對稱電流：

在三相對稱電流的作用下，定子三相對稱繞組必然產(chǎn)生圓形旋轉磁勢和磁場。定子旋轉磁場的轉速為

二、同步電機的工作原理圖7-6同步電機的結構示意圖同步速既取決于電機自身的極對數(shù)，又取決于外部通電頻率。此外，改變三相繞組的通電相序，定子旋轉磁場將反向由此實現(xiàn)轉子反轉。同步電動機轉子采用永磁或通過直流繞組中通以直流勵磁電流產(chǎn)生磁場，其極對數(shù)與定子繞組組成的極對數(shù)相同。一旦同步電動機拖動機械負載穩(wěn)定運行，則定、轉子旋轉磁勢會因相對靜止而疊加，從而形成以同步速旋轉的氣隙合成磁場，且轉子磁極滯后氣隙合成磁場一定角度。二、同步電機的工作原理圖7-6同步電機的結構示意圖同步速既取決于電機自身的極對數(shù)，又取決于外部通電頻率。此外，改變三相繞組的通電相序，定子旋轉磁場將反向由此實現(xiàn)轉子反轉。于是轉子磁極在同步速的氣隙合成磁場拖動下，必然產(chǎn)生有效的電磁轉矩并以同步速旋轉。因此，同步電動機的轉子轉速與定子繞組的通電頻率之間保持嚴格的同步關系，同步電動機由此而得名。二、同步電機的工作原理同步電動機是與異步電動機相對應的。異步電動機表現(xiàn)為轉子轉速只有與同步速之間存在差異(即轉差)才能產(chǎn)生有效電磁轉矩。其根本原因在于，異步電機采用單邊勵磁，即僅靠定子三相繞組通以三相交流電流產(chǎn)生定子旋轉磁勢和磁場。轉子繞組則是通過與定子旋轉磁場的相對切割而感應轉子電勢和電流的，并由轉子感應電流產(chǎn)生轉子旋轉磁勢和磁場。同步電機則不同，由于采用的是雙邊勵磁，即不僅定子繞組通以三相交流電產(chǎn)生旋轉磁勢和磁場，而且轉子繞組也通以直流勵磁(或采用永磁體)產(chǎn)生磁勢和磁場，從而要求轉子轉速必須與定子旋轉磁場保持同步(其轉差為零)，才能產(chǎn)生有效的電磁轉矩。正因為如此，同步電動機與異步電動機的運行原理、電磁過程才完全不同。三、同步電機的運行狀態(tài)同步電機的定子（電樞）繞組中通有對稱三相電流時，定子將產(chǎn)生一個以同步轉速推移的旋轉磁場。穩(wěn)態(tài)狀態(tài)條件下，轉子也以同步轉速旋轉，所以定子旋轉磁場與直流勵磁的轉子主極磁場總是保持相對靜止，兩者相互作用并產(chǎn)生電磁轉矩，實現(xiàn)了機電能量間的轉換。同步電機由三種運行狀態(tài)：發(fā)電機狀態(tài)，發(fā)電機把機械能轉換為電能；電動機狀態(tài)，電動機把電能轉換為機械能；補償機狀態(tài)，補償機沒有功功率的轉換，它專門用以發(fā)出或吸收無功功率、調節(jié)電網(wǎng)的功率因數(shù)。三、同步電機的運行狀態(tài)

三、同步電機的運行狀態(tài)

圖7-7同步電機不同運行狀態(tài)的示意圖（b）補償機（??=0）若轉子主極磁場與定子合成磁場的軸線重合，功率角??=0，則電磁轉矩為零。

此時電機內沒有有功功率的轉換，電機處于補償機狀態(tài)或空載狀態(tài)。三、同步電機的運行狀態(tài)

圖7-7同步電機不同運行狀態(tài)的示意圖（b）補償機（??=0）

四、同步電機的額定值額定值（又稱名牌值），它是選擇同步電機的主要依據(jù)。同步電機在額定狀態(tài)下可以獲得最佳的運行性能。同步電機的額定值主要包括：

四、同步電機的額定值

四、同步電機的額定值現(xiàn)代同步電機向著標準化，系列化方向發(fā)展。常用的同步電動機型號有：TD系列是防護式，臥式結構一般同步電動機配直流勵磁機或可控硅勵磁裝置?？赏蟿油L機、水泵、電動發(fā)電機組。TDK系列一般為開啟式，也有防爆型或管道通風型拖動壓縮機用的同步電動機，配可控硅整流勵磁裝置。用于拖動空壓機，磨煤機等。TDZ系列是一般管道通風，臥式結構軋鋼用同步電動機，配直流發(fā)電機勵磁或可控硅整流勵磁裝置。用于拖動各種類型的軋鋼設備。TDG系列是封閉式軸向分區(qū)通風隱極結構的高速同步電動機，配直流發(fā)電機勵磁或可控硅整流勵磁。用于化工、冶金或電力部門拖動空壓機、水泵及其他設備。TDL系列是立式，開啟式自冷通風同步電動機，配單獨勵磁機。用于拖動立式軸流泵或離心式水泵。同步電機第—節(jié)同步電機的基本結構、原理、運行狀態(tài)及額定值第二節(jié)同步電機的電磁關系第三節(jié)同步電機的基本方程、等值電路及相量圖第四節(jié)同步電機的功率、轉矩和功（矩）角特性第五節(jié)同步電動機的勵磁調節(jié)與V形特性曲線第六節(jié)同步電動機的轉速特性第七節(jié)同步電動機的起動第八節(jié)同步發(fā)電機的運行特性第九節(jié)同步電抗、定子漏抗及電樞等效磁動勢的測定第二節(jié)同步電機的電磁關系一、同步電機空載時的電磁關系同步電機負載后，內部存在兩部分磁場，一部分是由轉子直流勵磁磁勢所產(chǎn)生的主磁場；另一部分是由定子電樞繞組電流對應的電樞磁勢所產(chǎn)生的電樞磁場。

與直流電機類似，在分析電機內部的合成磁場（即氣隙磁場）時，通常把由定子繞組所產(chǎn)生的電樞磁場對主磁場的影響稱為電樞反應。圖7-8同步電機的空載磁路圖（4極）

第二節(jié)同步電機的電磁關系一、同步電機空載時的電磁關系同步電機負載后，內部存在兩部分磁場，一部分是由轉子直流勵磁磁勢所產(chǎn)生的主磁場；另一部分是由定子電樞繞組電流對應的電樞磁勢所產(chǎn)生的電樞磁場。

與直流電機類似，在分析電機內部的合成磁場（即氣隙磁場）時，通常把由定子繞組所產(chǎn)生的電樞磁場對主磁場的影響稱為電樞反應。圖7-8同步電機的空載磁路圖（4極）

第二節(jié)同步電機的電磁關系一、同步電機空載時的電磁關系同步電機負載后，內部存在兩部分磁場，一部分是由轉子直流勵磁磁勢所產(chǎn)生的主磁場；另一部分是由定子電樞繞組電流對應的電樞磁勢所產(chǎn)生的電樞磁場。

與直流電機類似，在分析電機內部的合成磁場（即氣隙磁場）時，通常把由定子繞組所產(chǎn)生的電樞磁場對主磁場的影響稱為電樞反應。圖7-8同步電機的空載磁路圖（4極）

第二節(jié)同步電機的電磁關系一、同步電機空載時的電磁關系同步電機負載后，內部存在兩部分磁場，一部分是由轉子直流勵磁磁勢所產(chǎn)生的主磁場；另一部分是由定子電樞繞組電流對應的電樞磁勢所產(chǎn)生的電樞磁場。

與直流電機類似，在分析電機內部的合成磁場（即氣隙磁場）時，通常把由定子繞組所產(chǎn)生的電樞磁場對主磁場的影響稱為電樞反應。圖7-8同步電機的空載磁路圖（4極）

忽略高次諧波時，激磁電動勢（相電動勢）的相量形式為

第二節(jié)同步電機的電磁關系一、同步電機空載時的電磁關系同步電機負載后，內部存在兩部分磁場，一部分是由轉子直流勵磁磁勢所產(chǎn)生的主磁場；另一部分是由定子電樞繞組電流對應的電樞磁勢所產(chǎn)生的電樞磁場。

與直流電機類似，在分析電機內部的合成磁場（即氣隙磁場）時，通常把由定子繞組所產(chǎn)生的電樞磁場對主磁場的影響稱為電樞反應。圖7-9典型同步電機的空載特性

二、同步電機負載時的電樞反應圖7-10同步電機空載時的時空相量圖

與空載運行相比，同步電機負載后的氣隙磁場將發(fā)生改變，這一變化是由電樞磁勢引起的。通常，把電樞磁勢對主磁場的影響稱為電樞反應，相應的電樞磁勢又稱為電樞反應磁勢，其大小表示為

二、同步電機負載時的電樞反應圖7-10同步電機空載時的時空相量圖

二、同步電機負載時的電樞反應

通常定義轉子軸線為d軸，電角度與d軸垂直且滯后的軸線（即兩主極N、S之間的軸線）定義為q軸，它們與轉子一起均以同步速旋轉。二、同步電機負載時的電樞反應

二、同步電機負載時的電樞反應

二、同步電機負載時的電樞反應

對于這種電樞反應磁勢，通常采用雙反應理論。二、同步電機負載時的電樞反應圖7-15雙反應理論的物理意義及交、直軸電樞反應的磁路與等效磁路

其中，

二、同步電機負載時的電樞反應圖7-15雙反應理論的物理意義及交、直軸電樞反應的磁路與等效磁路

相應的電流分量為其中，

三、同步電機負載時的電磁關系1.隱極式同步發(fā)電機隱極式同步發(fā)電機負載后的電磁關系可總結為轉子定子

三、同步電機負載時的電磁關系1.隱極式同步發(fā)電機

三、同步電機負載時的電磁關系2.凸極式同步發(fā)電機凸極式同步發(fā)電機負載后電磁關系可總結為：轉子定子

三、同步電機負載時的電磁關系2.凸極式同步發(fā)電機

同步電機第—節(jié)同步電機的基本結構、原理、運行狀態(tài)及額定值第二節(jié)同步電機的電磁關系第三節(jié)同步電機的基本方程、等值電路及相量圖第四節(jié)同步電機的功率、轉矩和功（矩）角特性第五節(jié)同步電動機的勵磁調節(jié)與V形特性曲線第六節(jié)同步電動機的轉速特性第七節(jié)同步電動機的起動第八節(jié)同步發(fā)電機的運行特性第九節(jié)同步電抗、定子漏抗及電樞等效磁動勢的測定第三節(jié)同步電機的基本方程、等值電路及相量圖一、隱極式同步電機的基本方程、等值電路及相量圖圖7-16不考慮飽和時，隱極式同步發(fā)電機的相量圖和等效電路a)、b)相量圖c)等效電路1.不考慮磁飽和時隱極同步電機的電壓方程和相量圖

第三節(jié)同步電機的基本方程、等值電路及相量圖一、隱極式同步電機的基本方程、等值電路及相量圖圖7-16不考慮飽和時，隱極式同步發(fā)電機的相量圖和等效電路a)、b)相量圖c)等效電路1.不考慮磁飽和時隱極同步電機的電壓方程和相量圖

第三節(jié)同步電機的基本方程、等值電路及相量圖一、隱極式同步電機的基本方程、等值電路及相量圖圖7-16不考慮飽和時，隱極式同步發(fā)電機的相量圖和等效電路a)、b)相量圖c)等效電路1.不考慮磁飽和時隱極同步電機的電壓方程和相量圖上述關系可表示為主極磁動勢電樞磁動勢漏磁磁動勢第三節(jié)同步電機的基本方程、等值電路及相量圖一、隱極式同步電機的基本方程、等值電路及相量圖圖7-16不考慮飽和時，隱極式同步發(fā)電機的相量圖和等效電路a)、b)相量圖c)等效電路1.不考慮磁飽和時隱極同步電機的電壓方程和相量圖

第三節(jié)同步電機的基本方程、等值電路及相量圖一、隱極式同步電機的基本方程、等值電路及相量圖圖7-16不考慮飽和時，隱極式同步發(fā)電機的相量圖和等效電路a)、b)相量圖c)等效電路1.不考慮磁飽和時隱極同步電機的電壓方程和相量圖

第三節(jié)同步電機的基本方程、等值電路及相量圖一、隱極式同步電機的基本方程、等值電路及相量圖圖7-16不考慮飽和時，隱極式同步發(fā)電機的相量圖和等效電路a)、b)相量圖c)等效電路1.不考慮磁飽和時隱極同步電機的電壓方程和相量圖

第三節(jié)同步電機的基本方程、等值電路及相量圖一、隱極式同步電機的基本方程、等值電路及相量圖

2.考慮磁飽和時隱極同步電機的電壓方程和相量圖

第三節(jié)同步電機的基本方程、等值電路及相量圖一、隱極式同步電機的基本方程、等值電路及相量圖

2.考慮磁飽和時隱極同步電機的電壓方程和相量圖上述關系可表示為

第三節(jié)同步電機的基本方程、等值電路及相量圖一、隱極式同步電機的基本方程、等值電路及相量圖圖7-18隱極式同步發(fā)電機主極磁動勢的分布2.考慮磁飽和時隱極同步電機的電壓方程和相量圖

第三節(jié)同步電機的基本方程、等值電路及相量圖一、隱極式同步電機的基本方程、等值電路及相量圖2.考慮磁飽和時隱極同步電機的電壓方程和相量圖

二、凸極式同步電機的基本方程、等值電路及相量圖1.雙反應理論

圖7-19凸極式同步電機的氣隙比磁導和直軸、交軸電樞反應a)電樞表面不同位置處的氣隙比磁導b）直軸電樞磁動勢所產(chǎn)生的直軸電樞反應c）交軸電樞反應磁動勢所產(chǎn)生的交軸電樞反應二、凸極式同步電機的基本方程、等值電路及相量圖1.雙反應理論

圖7-19凸極式同步電機的氣隙比磁導和直軸、交軸電樞反應a)電樞表面不同位置處的氣隙比磁導b）直軸電樞磁動勢所產(chǎn)生的直軸電樞反應c）交軸電樞反應磁動勢所產(chǎn)生的交軸電樞反應二、凸極式同步電機的基本方程、等值電路及相量圖1.雙反應理論

圖7-19凸極式同步電機的氣隙比磁導和直軸、交軸電樞反應a)電樞表面不同位置處的氣隙比磁導b）直軸電樞磁動勢所產(chǎn)生的直軸電樞反應c）交軸電樞反應磁動勢所產(chǎn)生的交軸電樞反應二、凸極式同步電機的基本方程、等值電路及相量圖1.雙反應理論這種考慮到凸極式電機氣隙的不均勻性，把電樞反應分成直軸和交軸電樞反應分別來處理的方法，稱為雙反應理論。圖7-19凸極式同步電機的氣隙比磁導和直軸、交軸電樞反應a)電樞表面不同位置處的氣隙比磁導b）直軸電樞磁動勢所產(chǎn)生的直軸電樞反應c）交軸電樞反應磁動勢所產(chǎn)生的交軸電樞反應二、凸極式同步電機的基本方程、等值電路及相量圖1.雙反應理論

圖7-19凸極式同步電機的氣隙比磁導和直軸、交軸電樞反應a)電樞表面不同位置處的氣隙比磁導b）直軸電樞磁動勢所產(chǎn)生的直軸電樞反應c）交軸電樞反應磁動勢所產(chǎn)生的交軸電樞反應二、凸極式同步電機的基本方程、等值電路及相量圖2.不考慮磁飽和時凸極同步電機的電壓方程和相量圖

主極磁動勢電樞磁動勢漏磁磁動勢再從氣隙電動勢減去電樞繞組的電阻壓降和漏抗壓降，可得電樞的端電壓。二、凸極式同步電機的基本方程、等值電路及相量圖2.不考慮磁飽和時凸極同步電機的電壓方程和相量圖采用發(fā)電機慣例時，電樞的電壓方程為

于是有

二、凸極式同步電機的基本方程、等值電路及相量圖2.不考慮磁飽和時凸極同步電機的電壓方程和相量圖

凸極式同步發(fā)電機的電壓方程二、凸極式同步電機的基本方程、等值電路及相量圖2.不考慮磁飽和時凸極同步電機的電壓方程和相量圖圖7-20凸極同步發(fā)電機的相量圖凸極式同步發(fā)電機的電壓方程

二、凸極式同步電機的基本方程、等值電路及相量圖2.不考慮磁飽和時凸極同步電機的電壓方程和相量圖

此電路實質上是凸極同步電機進行“隱極化”處理的一種方式，在計算凸極同步發(fā)電機的功率傳輸時比較方便，所以工程上應用很廣泛。二、凸極式同步電機的基本方程、等值電路及相量圖2.不考慮磁飽和時凸極同步電機的電壓方程和相量圖

由于電抗與繞組匝數(shù)的平方和所經(jīng)磁路的磁導成正比，所以圖7-23凸極同步電機電樞反應磁通和漏磁通所經(jīng)磁路及其磁導a)直軸電樞磁導b)交軸電樞磁導

二、凸極式同步電機的基本方程、等值電路及相量圖2.不考慮磁飽和時凸極同步電機的電壓方程和相量圖圖7-23凸極同步電機電樞反應磁通和漏磁通所經(jīng)磁路及其磁導a)直軸電樞磁導b)交軸電樞磁導

二、凸極式同步電機的基本方程、等值電路及相量圖2.考慮磁飽和時凸極同步電機的電壓方程和相量圖

考慮磁飽和時，疊加原理不在適用，此時氣隙內的合成磁場將取決于主極和電樞兩者的合成磁動勢。為簡化分析，忽略交軸和直軸之間的相互影響，認為直軸方面的磁通僅僅取決于直軸上的合成磁動勢；交軸方面的磁通僅僅取決于交軸上的合成磁動勢。這樣，可先確定直軸和交軸方面的合成磁動勢，再利用電機的磁化曲線，即可得到直軸和交軸磁通及其相應的感應電動勢；再計及電樞的電阻壓降和漏抗壓降，即可得到電樞的電壓方程。

上述關系可表示為：二、凸極式同步電機的基本方程、等值電路及相量圖2.考慮磁飽和時凸極同步電機的電壓方程和相量圖

圖7-24凸極同步發(fā)電機主極的勵磁磁動勢二、凸極式同步電機的基本方程、等值電路及相量圖2.考慮磁飽和時凸極同步電機的電壓方程和相量圖(a)相量圖

空載曲線(b)發(fā)電機的磁化曲線（空載曲線）

圖7-25考慮磁飽和時凸極同步發(fā)電機的相量圖

同步電機第—節(jié)同步電機的基本結構、原理、運行狀態(tài)及額定值第二節(jié)同步電機的電磁關系第三節(jié)同步電機的基本方程、等值電路及相量圖第四節(jié)同步電機的功率、轉矩和功（矩）角特性第五節(jié)同步電動機的勵磁調節(jié)與V形特性曲線第六節(jié)同步電動機的轉速特性第七節(jié)同步電動機的起動第八節(jié)同步發(fā)電機的運行特性第九節(jié)同步電抗、定子漏抗及電樞等效磁動勢的測定第四節(jié)同步電機的功率、轉矩和功（矩）角特性

一、功率方程圖7-26同步發(fā)電機的功率流程圖以發(fā)電機慣例說明，若同步電機的轉子勵磁功率由另外的直流電源供給，并忽略雜散損耗，則從發(fā)電機軸上輸入的機械功率中扣除機械損耗和定子鐵耗后，余下的功率將通過旋轉磁場和電磁感應的作用，轉換成定子的電動功率；此轉換功率就是電磁功率，即再從電磁功率中扣除電樞銅耗，可得電樞端輸出的電功率，即

同步發(fā)電機的功率方程二、電磁功率

，故同步發(fā)電機的電磁功率也可以寫成與感應電機的電磁功率表達式相同與凸極式同步電機的等效電路相對應

在發(fā)電機中，交軸電樞反應使主極磁場超前于氣隙合成磁場，使主極上受到一個制動性質的電磁轉矩；在旋轉過程中，原動機的驅動轉矩克服制動的電磁轉矩而作機械功，同時通過電磁感應在電樞繞組內產(chǎn)生電動勢，并向電網(wǎng)送出有功電流，使機械能轉換為電能。三、轉矩方程

式中，為原動機的驅動轉矩；

為發(fā)電機的電磁轉矩；為發(fā)電機的空載轉矩。四、矩角特性

考慮到實際同步電機的定子電樞電阻遠小于同步電抗，故定子電樞電阻可忽略不計。圖7-28忽略定子電阻時凸極同步電動機的相量圖忽略定子繞組銅耗和鐵耗時，則電磁功率與輸入的電功率近似相等，于是有又因為四、矩角特性圖7-29凸極式同步電動機的矩角特性圖因此，于是，電磁功率變?yōu)橛址Q為凸極式同步電動機的功角特性。

又稱為凸極式同步電動機的矩角特性

四、矩角特性

四、矩角特性圖7-30凸極同步電動機的磁阻轉矩凸極效應產(chǎn)生電磁轉矩的物理意義：

因此，轉子自然要受到沿切線方向的電磁轉矩即反應轉矩的作用。在該電磁轉矩的作用下，轉子將隨定子旋轉磁場以同步速旋轉。四、矩角特性

將上式兩邊同除以同步角速度，便可獲得隱極式同步電動機的矩角特性為

圖7-31隱極式同步電動機的矩角特性

六、同步電動機穩(wěn)定運行與過載能力圖7-33隱極式同步電動機轉子直流勵磁改變時的矩角特性同步電動機穩(wěn)定運行的定義是，處于某一運行點的電力拖動系統(tǒng)，若在外界的擾動作用下，系統(tǒng)偏離原來的運行點，一旦擾動消除，系統(tǒng)若能夠回到原來的運行點，則稱系統(tǒng)是靜態(tài)穩(wěn)定的。

否則，系統(tǒng)是靜態(tài)不穩(wěn)定的，或稱同步電動機處于“失步”狀態(tài)。

六、同步電動機穩(wěn)定運行與過載能力圖7-33隱極式同步電動機轉子直流勵磁改變時的矩角特性同步電動機穩(wěn)定運行的定義是，處于某一運行點的電力拖動系統(tǒng)，若在外界的擾動作用下，系統(tǒng)偏離原來的運行點，一旦擾動消除，系統(tǒng)若能夠回到原來的運行點，則稱系統(tǒng)是靜態(tài)穩(wěn)定的。

否則，系統(tǒng)是靜態(tài)不穩(wěn)定的，或稱同步電動機處于“失步”狀態(tài)。

六、同步電動機穩(wěn)定運行與過載能力圖7-33隱極式同步電動機轉子直流勵磁改變時的矩角特性對于同步電動機，還可采用穩(wěn)定性判據(jù)進行判斷。

六、同步電動機穩(wěn)定運行與過載能力

同步電機第—節(jié)同步電機的基本結構、原理、運行狀態(tài)及額定值第二節(jié)同步電機的電磁關系第三節(jié)同步電機的基本方程、等值電路及相量圖第四節(jié)同步電機的功率、轉矩和功（矩）角特性第五節(jié)同步電動機的勵磁調節(jié)與V形特性曲線第六節(jié)同步電動機的轉速特性第七節(jié)同步電動機的起動第八節(jié)同步發(fā)電機的運行特性第九節(jié)同步電抗、定子漏抗及電樞等效磁動勢的測定第五節(jié)同步電機的勵磁調節(jié)與V形特性曲線一、同步電動機的電流軌跡以隱極同步電動機為例，分析同步電動機的電流軌跡。根據(jù)隱極同步電動機電動勢方程，可以寫出

圖7-34同步電動機的電流軌跡

第五節(jié)同步電機的勵磁調節(jié)與V形特性曲線一、同步電動機的電流軌跡

圖7-34同步電動機的電流軌跡

第五節(jié)同步電機的勵磁調節(jié)與V形特性曲線一、同步電動機的電流軌跡

圖7-34同步電動機的電流軌跡

二、同步電動機的勵磁調節(jié)及V形曲線圖7-35轉子直流勵磁改變時同步電動機的相量圖與矩角特性

以隱極同步電動機為例，忽略定子銅耗、鐵耗以及轉子機械損耗，于是有對于在無窮大電網(wǎng)下運行的同步電動機，即當電網(wǎng)的容量遠遠大于同步電動機的容量，且電壓和頻率均保持不變時，存在以下關系二、同步電動機的勵磁調節(jié)及V形曲線圖7-35轉子直流勵磁改變時同步電動機的相量圖與矩角特性將定子電樞電流與定子電壓同相位時的勵磁電流稱為正常勵磁電流，對應的運行狀態(tài)稱為正常勵磁狀態(tài)；超過正常勵磁電流的運行狀態(tài)稱為過勵狀態(tài)；低于正常勵磁電流的運行狀態(tài)稱為欠勵狀態(tài)。通過分析，可得出以下結論：

二、同步電動機的勵磁調節(jié)及V形曲線圖7-35轉子直流勵磁改變時同步電動機的相量圖與矩角特性將定子電樞電流與定子電壓同相位時的勵磁電流稱為正常勵磁電流，對應的運行狀態(tài)稱為正常勵磁狀態(tài)；超過正常勵磁電流的運行狀態(tài)稱為過勵狀態(tài)；低于正常勵磁電流的運行狀態(tài)稱為欠勵狀態(tài)。通過分析，可得出以下結論：

二、同步電動機的勵磁調節(jié)及V形曲線圖7-36同步調相機的相量圖（a）過勵磁狀態(tài)（b）欠勵磁狀態(tài)上述結論可以這樣理解：由于同步電機采用雙邊勵磁，建立氣隙磁場所需的無功來自于定、轉子兩側的繞組磁勢，并且以轉子側的直流勵磁為主。因此，當處于正常勵磁狀態(tài)時，同步電機建立氣隙磁場所需無功全部由轉子側提供，無須再從定子側獲得，此時轉子側自然為單位功率因數(shù)；當同步電機處于過勵磁狀態(tài)時，由轉子勵磁磁勢所發(fā)出的無功遠超過同步電機自身建立氣隙磁場所需的無功，因而有一部分無功從定子側輸出。此時定子側的功率因數(shù)呈超前狀態(tài)；當同步電機處于欠勵磁狀態(tài)時，僅由轉子勵磁所提供的無功已難以滿足建立氣隙磁場所需要，因而需要由定子側的電網(wǎng)加以補充。此時，同異步電機類似，定子側的功率因數(shù)呈滯后狀態(tài)。二、同步電動機的勵磁調節(jié)及V形曲線圖7-37同步電動機的V形曲線

顯然，對于輸出功率一定的同步電動機，其定子電樞電流隨轉子直流勵磁電流的變化曲線呈“V”字形狀，因而又被稱作V形曲線。同步電機第—節(jié)同步電機的基本結構、原理、運行狀態(tài)及額定值第二節(jié)同步電機的電磁關系第三節(jié)同步電機的基本方程、等值電路及相量圖第四節(jié)同步電機的功率、轉矩和功（矩）角特性第五節(jié)同步電動機的勵磁調節(jié)與V形特性曲線第六節(jié)同步電動機的轉速特性第七節(jié)同步電動機的起動第八節(jié)同步發(fā)電機的運行特性第九節(jié)同步電抗、定子漏抗及電樞等效磁動勢的測定第六節(jié)同步電機的轉速特性

當電源頻率一定，同步電動機穩(wěn)定運行的轉速必須為同步速，否則同步電動機將不會產(chǎn)生有效的平均電磁轉矩。若同步電動機的三相定子合成旋轉磁場與轉子磁場之間存在相對運動，則其功率角可由下式得出

第六節(jié)同步電機的轉速特性

步電動機所產(chǎn)生的瞬時電磁轉矩為

很顯然，同步電動機不能偏離同步速穩(wěn)定運行。否則，所產(chǎn)生的平均電磁轉矩為零。同步電機第—節(jié)同步電機的基本結構、原理、運行狀態(tài)及額定值第二節(jié)同步電機的電磁關系第三節(jié)同步電機的基本方程、等值電路及相量圖第四節(jié)同步電機的功率、轉矩和功（矩）角特性第五節(jié)同步電動機的勵磁調節(jié)與V形特性曲線第六節(jié)同步電動機的轉速特性第七節(jié)同步電動機的起動第八節(jié)同步發(fā)電機的運行特性第九節(jié)同步電抗、定子漏抗及電樞等效磁動勢的測定第七節(jié)同步電機的起動一、同步電動機常規(guī)起動方法

二、同步電動機異步起動同步電動機轉子上都裝有籠形繞組，主要靠它在起動的第一階段把轉子加速到正常的異步轉速，這一轉速通常大于同步轉速的95%，也稱為準同步轉速。圖7-39帶有起動繞組的同步電動機

與異步電動機起動一樣，同步電動機在異步起動階段也要求足夠大的起動轉矩倍數(shù)，有盡量小的起動電流倍數(shù)。

此外，為了能夠順利地牽入同步，它也要求在準同步轉速下有一定的轉矩，該轉矩稱為牽入轉矩。同步電動機的異步起動與籠形電動機起動過程完全一樣，只是同步電動機的籠條比較細，容量也小一些。這是因為它只在異步起動過程中起作用，在同步運行時不切割磁場，不產(chǎn)生感應電動勢也無電流，在同步電動機出現(xiàn)振蕩時，籠形繞組感生的瞬時電流也會起穩(wěn)定作用。二、同步電動機異步起動圖7-40同步電動機異步起動時的線路圖牽入同步進行得是否順利，與以下幾個因素有關：

同步電動