第6章：三相同步电动机
第六章-同步发电机
同步电机知识点（整理：王子铟、包振）1.同步电机概述：主要用于发电机，也可用于电动机，其定子结构与异步电机相同，区别主要在转子侧。
同步电机的转子装有磁极，通入直流电流励磁，具有确定的极性。
“同步”的体现：转子旋转的速度必须严格和定子磁场同步。
2.同步电机的转速与负载的大小无关，计算公式为pfn 60=，当同步电机并入无穷大电网时，其转速固定，无法通过各类调节来改变。
3.同步电机的结构和分类：同步电机有旋转电枢式（磁极装在定子上，用于小容量同步电机中）和旋转磁极式（磁极装在转子上，为大中型同步电机的基本形式）两种，主要以旋转磁极式为主。
旋转磁极式同步电机又分为隐极式和凸极式两种隐极式电机的代表：汽轮发电机；凸极式代表：水轮发电机。
4.同步发电机的额定值①额定电压UN （V 、kV ）：额定运行时定子三相绕组上的线电压。
②额定电流IN （A 、kA ）：额定运行时流过定子绕组的线电流。
③额定功率因数cos φN:额定运行时输出有功功率和视在功率比值。
④额定效率ηN ：额定运行时的效率⑤额定容量S N =NN I U 3对发电机是出线端额定视在功率，单位为VA ，kVA 或MVA 对调相机是出线端额定无功功率，单位为var ，kvar 或Mvar ⑥额定功率P N对发电机是额定输出有功电功率P N =S N cos ϕN =N N I U 3cos ϕN对电动机是轴上输出额定机械功率P N =S N cos ϕN ηN =N N I U 3cos ϕN ηN5.同步发电机的空载运行（1）过程建立：转子励磁绕组通以直流励磁电流→形成静止磁场→转子由原动机拖动以同步转速旋转→静止磁场跟随转子一起转动，形成运动的磁场→交变的磁场在定子的三相对称绕组中感应出电动势。
因为定子电枢绕组开路，电枢电流为零，磁场全部由转子电流建立，因此漏磁通仅与转子励磁绕组交链。
感应电动势的计算：若主磁场B0在气隙中正弦分布，且以同步速n1旋转，则在定子绕组中产生对称三相电动势：︒∙︒∙︒∙∠=∠=∠=240,120,0000000E E E E E E C B A 有效值：0111044.4φN k N f E =(601pn f =)隐极机的励磁磁动势是矩形波，凸极机的励磁磁动势是阶梯波。
电机学第五版课件汤蕴璆编著 第6章3同步发电机的电压方程、相量图和等效电路
X
E
0
0
～
E
E
I
U
E
I Ra jI X
s
0
U
a
E E0 E
I
7
E U I R a jX
电机学
隐极同步发电机 相量图的求解方法
d
已知：U, I, φ, Ra, Xs 求：E0, δ
E
0
c
0
U
I Ra
jI X
s
I
为了确定 ψ0，画出相量图，定义一个虚拟电动势： 与E0同相
d
EQ E0 j I
X
d
d
X
q
q
jI
d
d
X
d
X
q
U I Ra j I
X
d
jI
d
X
q
jI
X
d
X
q
E
U
E
Q
0
U I Ra j I q I
：
A
0
d
q
隐
11
极
凸
极
电机学
凸极同步发电机的电枢磁场
ψ0=90°
d轴 Fad Bad1 Bad Baq1 ψ0=0° q轴
电机学第六章同步电机
交流主励磁机（100Hz）
～
自励 恒压器
可控 整流器
～
不可控 整流器
主发电机 ～
电流互感器
电压互感器
静止整流器励磁
电压 调整器
优点：运行、维护方便，没有直流励磁机，使励磁容量得以提高，因而在大 容量汽轮发电机 中得到了广泛的应用。
缺点：存在电刷、集电环的滑动接触（薄弱环节）。
• 自励式 主发电机发出的功率经静止整流器整流为直流，然后通过电刷和集电环通入到主发电机的励磁 绕组中。
当ψ角为不同值的电枢反应
Ψ=00 Ψ=900 Ψ=-900 00<Ψ<900 -900<Ψ<00
位置 q轴 d轴 d轴 d、q轴 d、q轴
电枢反应性质 交轴
直、去 直、增 交、直去 交、直增
负载性质 R L C
R、L R、C
励磁磁动势和电枢磁动势的区别
基波波形
幅值大小
位置
转速
励磁 磁动势
正弦波
恒定，由励磁电流决 由转子位置决定 由原动机的转速
Z
N
ns S
B
X
Fa
Y n s A相轴线 C Faq
电流超前电动势的向量图
FaqFacoψs 交磁
Fad Fa sin ψ 与Ff同 向，对 d轴磁场有加 强作用称之为助磁。
直轴电枢反应的影响 • 电机单机运行时，直轴电枢反应将直接影响端电压的大小。去磁时，端电压降低；助磁时 端电压升高。
• 并网运行时，直轴电枢反应影响电机输出的无功功率。
D2 5 ~ 7 L2
• 励磁绕组为集中绕组
• 立式结构
• 阻尼绕组
水轮发电机的转子结构
三相同步电动机原理
三相同步电动机原理
一、旋转磁场的产生
二、转子磁场的同步
三相同步电机的转子是由永磁体或电磁绕组组成的。
当转子在三相旋转磁场的作用下转动时，转子磁场会受到旋转磁场的作用而同步运动，形成转子磁场与旋转磁场之间的相对运动。
这种相对运动使得转子受到一个大小和方向与旋转磁场相对应的力矩作用，从而实现了同步转动。
三、同步转动的稳定
为了使三相同步电机能够稳定地同步转动，必须满足电动机的电磁回路和机械特性之间的匹配条件。
其中包括电磁回路的阻抗与电源电压的匹配、电磁回路的漏电感与电源频率的匹配、转子磁场的强度与旋转磁场的强度的匹配等。
只有满足这些匹配条件，电机才能实现稳定的同步转动。
四、调速控制
五、应用领域
总结起来，三相同步电机通过旋转磁场与转子磁场之间的相对运动实现同步转动。
它具有转速稳定、运行平稳和可靠性高的特点，广泛应用于工业自动化系统中。
掌握三相同步电机的原理对于了解和应用这种电机具有重要意义。
三相同步发电机工作原理
三相同步发电机工作原理
三相同步发电机是一种将机械能转化为电能的设备。
它基本上由转子和定子两部分组成。
转子是旋转部分，通常由强磁性材料制成，如永磁体或电磁体。
转子上的磁极与定子上的磁极相匹配，以产生磁场。
定子是静止部分，通常由绕组和磁极组成。
绕组通常是由绝缘电线绕成的线圈，每个线圈代表一个相位。
在三相同步发电机中，一共有三个线圈，分别对应三个相位。
工作原理如下：
1. 初始状态下，转子上的磁极和定子上的磁极相互吸引，使得转子开始旋转。
2. 当转子旋转时，转子上的磁极经过定子绕组时，会在绕组中产生电流。
3. 根据法拉第电磁感应定律，当电流通过定子绕组时，会产生一个磁场，该磁场与转子上的磁场相互作用，产生一个力矩，将转子继续推动。
4. 因为绕组被划分为三个相位，所以当转子旋转时，三个相位的绕组会分别产生电流。
这三个相位的电流之间存在120度的相位差，这使得输出的电流是三相交流电。
5. 通过适当的连接方式，可以将输出的三相交流电进行整流和变压处理，以满足各种应用的电能需求。
总体而言，三相同步发电机的工作原理是利用磁场相互作用和电磁感应的原理，将机械能转化为电能输出。
三相同步电动机工作原理
三相同步电动机工作原理
三相同步电动机是电动机的一种，具有结构简单、运转稳定等优点，
广泛应用于各种工业生产中。
三相同步电动机的工作原理是怎样的呢？下面我们来一一讲解。
第一部分：电机结构
三相同步电动机由定子、转子和开关器件组成。
定子上绕有三个相间120 度的交流电绕组，称为 A、B、C 相绕组。
转子上有凸极，凸极数
目等于定子相数，且与定子相间距离相等。
开关器件是为了控制转子磁极与定子磁场相位同步，使电机正常运转。
当定子绕组通电时，形成旋转磁场，因转子凸极数目与定子相数相等，所以转子凸极必定被旋转磁场捕捉，形成同步转速的转子转矩。
第二部分：工作原理
三相同步电动机工作原理是基于电磁感应定理，通过定子的三绕组中
流过三相电流，会形成旋转磁场，旋转磁场与转子中的凸极作用，产
生匹配的电磁力使得电机正常运转。
通过这样的工作原理，电机产生的转矩可以通过调整定子中的电流大
小和相位，以及改变转子中凸极磁场分布来调整。
当所输入的电流频
率与电机自身同步电动机频率相等时，电机会保持同步，稳定地运行。
第三部分：适用范围
三相同步电动机适用于各种场合，特别是适用于高功率电机和需要精
确控制设备的应用。
例如矿山、造纸、钢铁等工业生产领域。
另外，三相同步电动机还常常用于水泵载荷、压缩机负载和静止负载
等轴加载有严格的要求的应用。
总结
以上就是三相同步电动机的工作原理。
通过定子的电流产生旋转磁场，通过转子的凸极产生匹配的磁场，从而使得电机持续转动。
我们可以
根据需要调整电流和相位，使电机保持正常的旋转速度。
电机学答案第6章《同步电机》
第六章 同步电机6．1 同步电机和异步电机在结构上有哪些区别？同步电机：转子直流励磁，产生主磁场，包括隐极和凸极异步电机：转子隐极，是对称绕组，短路，绕组是闭合的，定子两者都一样。
6．2 什么叫同步电机？怎样由其极数决定它的转速？试问75r/min 、50Hz 的电机是几极的？同步电机：频率与电机转速之比为恒定的交流电机601f pn =，16060507540f n P ⨯===（极）6．3 为什么现代的大容量同步电机都做成旋转磁极式？∵励磁绕组电流相对较小，电压低，放在转子上引出较为方便，而电枢绕组电压高 ，电流大，放在转子上使结构复杂，引出不方便，故大容量电机将电枢绕组作为定子，磁极作为转子，称为旋转磁极式。
6．4汽轮发电机和水轮发电机的主要结构特点是什么？为什么有这样的特点？气轮发电机：转速高，一般为一对极，min 3000r n =，考虑到转子受离心力的作用，为很好的固定励磁绕组，转子作成细而长的圆柱形，且为隐极式结构。
转子铁心一般由高机械强度和磁导率较高的合金钢锻成器与转轴做成一个整体，铁心上开槽，放同心式励磁绕组。
水轮发电机：n 低，2P 较多，直径大，扁平形，且为立式结构，为使转子结构和加工工艺简单，转子为凸极式，励磁绕组是集中绕组，套在磁极上，磁极的极靴行装有阻尼绕组。
6．6 为什么水轮发电机要用阻尼绕组，而汽轮发电机却可以不用？水轮发电机一般为凸极结构，为使转子产生异步转矩，即能异步起动，加阻尼绕组。
汽轮发电机一般为隐极结构，它起动时的原理与异步机相同，∴不必加起动绕组。
6．7 一台转枢式三相同步发电机，电枢以转速n 逆时针方向旋转，对称负载运行时，电枢反应磁动势对电枢的转速和转向如何？对定子的转速又是多少？对电枢的转速为n ，为定子的转速为0，方向为顺时针。
原因是：要想产生平均转矩，励磁磁势与电枢反应磁势必然相对静止，而现在励磁磁势不变。
∴电枢反应磁势对定子也是相对静止的，而转子逆时针转，∴它必须顺时针转，方能在空间静止。
三相同步电机
5
应用领域
应用领域
永磁同步电机(PMSM)
永磁同步电机广泛应用于以下领域 电动汽车和混合动力汽车：由于其高效节能和调速 性能，适合用作动力源 工业自动化：用于高精度、高效率的生产线驱动 风机和水泵：在节能和宽范围调速方面具有优势 医疗器械和高精度仪器：需要高精度控制和低噪音 的环境
三相异步电机(ASM)
4
性能特点
性能特点
永磁同步电机(PMSM)
永磁同步电机具有以下性能特点 高效节能：由于转子上嵌有永磁体，无需励磁电流 ，因此电机效率高，特别是低速时 调速性能：通过控制定子绕组中的电流，可以实现 宽范围、高精度的调速 体积小、重量轻：由于采用永磁体，电机的体积和 重量相对较小 高温适应性：由于没有励磁电流产生的热量，电机 在高温环境下也能保持稳定运行
性能特点
三相异步电机(ASM)
三相异步电机具有以下性能特点
结构简单、维护方便：由于结构简单，制造成本较 低，且维护方便
宽广的调速范围：通过调节电源频率或使用变频器 ，可以实现宽范围、高精度的调速
较高的启动转矩：在启动时，具有较高的启动转矩 ，适用于需要重载启动的场合
环境适应性：由于结构简单，对环境适应性较强。 但在高温环境下，效率PMSM)
永磁同步电机的工作 原理基于磁场同步控 制。转子上的永磁体 产生一个恒定的磁场 ，与定子绕组中的电 流相互作用，产生力 矩。通过控制定子绕 组中的电流，可以精 确控制电机的转速和 转矩
工作原理
工作原理
三相异步电机(ASM)
三相异步电机的工作原理基于磁场异步控制 。定子绕组中的电流产生一个旋转磁场，与 转子上的励磁绕组相互作用，产生力矩。电 机的转速略低于旋转磁场的转速，这是因为 转子上的励磁绕组与电源同步，而电枢绕组 与电源频率不同步
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（一）、异步起动法
在转子磁极的极掌上 装着类似于异步电动 机笼型绕组的起动绕 组，让同步电动机靠 异步转矩起动。
起动前，先将励磁绕 组经过电阻短接。
当电动机转速接近 亚同步转速(约 0．95n1)时，给转 子通入励磁电流， 将转子牵入同步。
电机拖动与控制
第6章 三相同步电机
6.1三相同步电机的概述
一.结构
同步电机的定子和三相异步机的定子完全一 样。同步电机的转子是磁极，按照其磁极结
构不同：可分为凸极式和隐极式两种。
二.励磁方式
供给同步电机励磁的直流电源及附属装置称为励磁系统。 1. 直流励磁机励磁：由小型直流发电机供电。 2. 静止的整流器励磁 电刷
6.2同步电动机工作原理
当同步电动机的定子三相 绕组通入三相交流电流时， 将产生旋转磁场，如果在 转子绕组内通入直流励磁 电流则形成固定的磁极。 根据磁极异性相吸原理， 这时转子磁极就会被旋转 磁场的磁极所吸引，而作 同步旋转，故称为同步电 动机。
同步电动机的转速为
n
பைடு நூலகம்
n1
60 f1 p
同步电动机的转速n恒等于同步转速。电源频率为50Hz，故 当p＝1时，n＝3000r／min，p=2，n＝1500r／min， p=3,n=1000r/min等。可见，同步电动机转子转速不随负载 而变化，其机械特性是一条水平直线，属于绝对硬特性。
交流励磁机→整流→直流电 集电环 励磁绕组。
3. 旋转的交流整流器励磁（无刷励磁） 交流励磁机→整流→直流电→励磁绕组。
三峡电站首台机组安装
三、同步电机的三种工作状态
1. 发电状态：原动力输入的机械功率通过电机内部的 电磁作用而转换为电功率输出。
2.电动状态：将电功率变为机械功率输出。
3.同步调相状态：转子上未带任何负载，则同步电机将 工作在同步调相机状态。此时，通过调节转子的直流励 磁，便可改变向电网输出无功功率的大小和性质。
三、同步电动机的功角特性
同步电动机的电磁功率等于定子绕组输入的电功率减 去定子铜损和铁芯损耗，即定子经气隙传递到转子上 的功率。
Pem P1 3U1I1 cos1
I1 cos1 E0 sin
T Pem 3U1E0 sin
1 1xs
T Pem 3U1E0 sin
1 1xs
当电源电压不变，励磁电流 也不变，则电磁转矩只与功 角有关，它们之间的关系称 为功角特性。
当θ ＝0时，T＝0，这表明合成磁场的轴线与转子主磁 场的轴线重合，不产生磁拉力，所以电磁转矩为零。 当θ ＝90°时，转矩达到最大值θ ＞90°时，会出现 “失步”现象，同步电动机不能正常工作。
I1 cos1 E0 sin 常数
增大励磁电流，E0变大，θ 减小，电动机功率因数角
减小。
（1）基准励磁状态：调节励磁电流至某值，恰使同步电 动机功率因电动机相当于纯电阻性负载。 （2）欠励磁状态:相当于感性负载。
（3）过励磁状态：相当于容性负载。同步补偿机
五、起动
在电流一个周期内，同 步电动机产生的平均起 动转矩为零。
电抠反应电势Ea与定子电流
I1成正比，在定子绕组中形 成电抗压降，可表示为
Ea j I1 xa
xa -定子磁场引起的电抗，称为电枢反应电抗。
U1 E0 I1r1 j I1(x xa ) E0 I1r1 jI1 xs
xs–同步电抗，xs≈xa
E1 E0 Ea
额定功角θ 一般为20°-30°，所以过载能力为
Tmax sin 90 2 ~ 2.9 TN sinN
四、同步电动机的功率因数调节
当外加三相交流电电压一定时,合成磁场基本为定值
当负载转矩不变时，同步电动机的输出功率不变， 则输入功率也基本不变。
I1 cos1 常数
可见，改变励磁电流引起I1改变时，功率因数也随之改变。
二、同步电动机的电路分析
同步电动机接至电网，电源电压=感应电动势+阻抗压降。
U1 =－E1+(r1 ＋ j X )I1
定子绕组中的感应电势E1是由合成磁场Ф (定子磁场
和转子主磁场Ф0)共同感应产生的，因此可分解为
E1 E0 Ea
E0 -转子主磁场Ф0在定子绕组中产生的电动势
Ea-定子磁场在定子绕组产生的电势，称电抠反应电势
（二）、变频起动法
起动时，首先给转子直流励磁，然后在定子三相绕组 上加低频交流电，低频旋转磁场可以拖动转子起动， 然后逐渐提高电源频率，将电机起动到要求转速为止。
这种方法耗能少，起动平稳 不足之处是需要一个变频电源，且励磁机必须是非同轴 的，否则在低速时，励磁机无法提供所需的励磁电流。
适用隐极式同步电机。对凸 极式，气隙分布不均匀，需 用双反应理论。
同步电动机的相量图
U1 E0 I1r1 j I1(x xa ) E0 I1r1 jI1 xs
简化相量图
U1 E1 E0 j I1 xs
U1与E0之间的相位角称为功角θ 。合成磁场滞后E1 90º，主磁场滞后(-E0) 90º，所以合成磁场与主磁 场之间的夹角也近似等于功角θ 。 可见功角还是合成磁场轴线与主磁场轴线的夹角。功 角既是时间角又是空间角，它是表示同步电机情况的 重要参数。