第七章 同步电动机
同步电机原理

同步电机原理
同步电机是通过电磁场的作用使转子与电磁场同步转动的电动机。
它的转速与电源频率保持恒定,通过调节电源频率可以改变电机的转速。
同步电机的工作原理基于磁场作用力和转子磁场相互作用。
当电机通电时,定子绕组产生的磁场会诱导转子内部产生磁场,使得转子与定子的磁场相互作用。
由于转子与定子磁场的相互作用,使得转子受到一定的作用力,从而开始旋转。
当转子和定子的磁场达到同步状态时,转子就能够稳定地与电磁场同步转动。
同步电机的转速取决于电源的频率,通常以每分钟转数(rpm)表示。
当电源的频率增加时,转子的速度也会相应增加;反之,当电源频率减小时,转子的速度也会减小。
这种关系是由电磁感应定律决定的,即电源频率的改变会影响磁场的变化速度,从而影响到转子的旋转速度。
同步电机具有稳定的转速和较高的效率,常用于要求稳定转速的应用,如时钟、计时器等。
此外,同步电机还广泛应用于工业生产中的压缩机、风机、泵等设备,以及轨道交通系统中的列车牵引、供电等方面。
电力系统分析第七章 同步发电机的基本方程

maD 0 0
0 maQ 0
3 2maf LRS P 1 3 2maD 0
0 0 3 2maQ
0 0 0
16
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• Park方程:磁链方程
L0 m0 3 l2 2 d 0 q 0 0 f 3 maf 2 D 3 m 2 aD Q 0
2017/4/16 郑州航空工业管理学院 12
一. 派克变换 4. 物理意义: 将观察者的立场由静止的定子转移 至旋转的转子,原来定子三个静绕组 abc由两个与转子同步旋转的dq绕组代 替,实现交直流变换。 结论:经派克变换后的同步发电机的原 始方程就是一组常系数微分方程。
二. dq0坐标下的同步发电机的 等效结构 d轴方向: d(定子)、f(励磁)、D q轴方向: q(定子)、Q d轴方向相当于一个三卷变; q轴方向相当于一个双卷变; 0轴方向相当于一个单匝线圈;
7
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磁链方程可记为:
abc LSS fDQ RS
LSR iabc LRR i fDQ
LSS :定子绕组间自感、互感系数矩阵
LRR :转子绕组间自感、互感系数矩阵
LRS , LSR :定转子绕组间互感系数矩阵
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四. 电压方程的坐标变换
• Park方程:电压方程
vabc abc Rs v fDQ fDQ 0
vabc abc Rsiabc vdq 0 Pvabc P abc PRsiabc P abc Rsidq 0 dq 0 P P 1 dq 0 Rsidq 0
三相同步电动机原理

电枢反应
n
n
当定子电流I1产生的电枢磁势Fa与主磁极轴线重 合,气隙最小,磁阻最小,相应的电抗为最大;这 时所对应的电枢电抗称为电枢反应直轴电抗,用xad 表示; 当定子电流I1产生的电枢磁势Fa与主磁极轴线正交 时,气隙最大,磁阻最大,相应的电抗为小;这时 所对应的电枢电抗称为电枢反应交轴电抗,用xaq表 示;当电枢磁势位于直轴与交轴之间时,相应的气 隙、磁阻、和电枢反应电抗处于上面两种情况之 间,且随位置不同而变化。
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说明
n
为了解决电枢磁势Fa在不同位置时遇到不同气隙,其 磁阻计算困难的问题,可将电枢磁势分解成两个分量: 一个分量是直轴电枢磁势,用Fad表示,它作用在直 轴方向;另一个分量是交轴电枢磁势,用Faq表示, 它作用在交轴方向,则有:
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电枢反应
n
n
在电机的主磁路上有两个磁势,它们相互叠加, 形成了合成磁场。我们把电枢磁场对主磁场的影 响称为电枢反应。 电枢反应:指电枢磁场对主磁场的影响。
3、额定数据
n n n
n
同步电动机的主要额定数据为: 额定容量PN: 指电动机轴上输出的有功功率,单位:kW 额定电压UN: 指定子三相绕组上的线电压,单位:V; 额定电流IN: 指电动机额定运行时,流过定子绕组的线电流,单 位:A; 额定转速nN: 指电动机额定运行时的同步转速,单位:r/min;
电磁关系
根据“双反应法”,凸极同步电动机电磁关系如下:
同步发电机的基本电磁关系

jIq xaq
jIx
E
Ira
kaq
Faq
cos
kaq Fa
U
E0 E0 E d
Eaq cos
kad Fad
以上可以确定d轴,进一步确定
0 kaq Fa Fd Ff
Ff
I
E0 Ed Id xad
Ff Fd kad Fad
Fad
Iq
Fad I d
F d
Ff 1
§10-6 空载和短路特性
一、空载特性
定义:xs xa x 为同步电机的同步电抗。
5、相量图和等效电路 向量图
E0
jIxa
E
jIx
Ira U
I
等效电路
xs
xa
x
E a
E
~ E0
E
ra
I U
问:各角度的物理意义是什么?
二、考虑饱和时的磁动势-电动势相矢图 1、电磁关系:
if 励磁电流 (I 定子三相电流)
Ff 1
非线性
F
Fa
E
与U Ira平衡
时空相矢图 1.空间矢量:沿空间按正弦分布的量。
f
A
Y C
A
Ff 1
N B0
n1 Z
举例:励磁磁动势Ff 1;磁通密度B0;电枢磁动势Fa 。
2.时间相量:随时间按正弦规律变化的量。
f
S X
B
t
t
举例:空载电动势 E0 和电枢电流 I 。
3. 空间矢量与时间向量的关系:
A
Y C
A Ff 1
B0 N
解: cos1 0.8 36.8
E0
tg 1
I xq U sin U cos
同步电动机及励磁

异步电动机的转矩与端电压的二次方成正比而同步电动机如果它的励磁电流不受电网电压影响,其转矩只是随端电压的一次方成正比。
4运行稳定性高。
同步电机的特点
同步电机的特点
当电网电压降低或电动机果负载时,同步电动机的励磁一般能自动调节,实行强励来保证运行的稳定性。
同步电动机的启动就是同步电动机自接入电网直至转子达到同步转速的过程。
异步启动时,定子电流可达到额定值的6~7倍。
异步启动法
01
PART ONE
微机励磁技术
励磁——同步电机运行时,在励磁绕组(电机转子绕组)中通入直流电流建立磁场的过程,称为励磁。这个直流电流称为励磁电流。而供给电流的整个系统称为励磁系统。
01
目前,励磁采用wwww生产的型微机全控励磁装置。该装置是以电力电子技术、现代控制理论与微机技术相结合的新一代励磁调节控制装置。
2 晶闸管的基本特性
1.3.2 晶闸管的基本特性
动态特性 图1-9 晶闸管的开通和关断过程波形
1.3.2 晶闸管的基本特性
开通过程(特性图) 延迟时间td:门极电流阶跃时刻开始,到阳极电流上升到稳态值的10%的时间 上升时间tr:阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间 开通时间tgt以上两者之和, tgt=td+ tr (1-6) 普通晶闸管延迟时间为0.5~1.5s,上升时间为0.5~3s
螺栓式可控硅
平板式可控硅
电压定额
态重复峰值电压UDRM——在门极断路而结温为额定值时,允许重复加在器件上的 正向峰值电压。
向重复峰值电压URRM—— 在门极断路而结温为额定值时,允许重复加在器件上的反向峰值电压。
态(峰值)电压UTM——晶闸管通以某一规定倍 数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。
同步电动机的工作原理

同步电动机的工作原理
同步电动机是一种直流电动机的特殊形式,它采用交流电作为电源。
其工作原理基于磁场的相互作用,涉及到磁场的旋转和磁场的同步。
同步电动机的主要构成部分是转子和定子。
转子上有一组线圈,称为励磁线圈,通过直流电源供电。
而定子上则有一组绕组,称为定子绕组,通过交流电源供电。
当励磁线圈通电时,产生一个磁场,称为励磁磁场。
这个励磁磁场与定子绕组中的交流电流相互作用,产生一个旋转磁场。
这个旋转磁场会引起转子上的导体感应电动势,并产生电流。
此时,根据法拉第电磁感应定律,转子上的电流会产生一个磁场,称为感应磁场。
感应磁场与旋转磁场互相作用,使得转子受到一个旋转力矩,开始旋转。
然而,此时转子的速度并不与旋转磁场完全同步。
为了实现同步工作,同步电动机采用了一种调速机制,称为励磁调节。
当转子与旋转磁场速度不一致时,励磁电压会发生改变,从而改变励磁磁场的强度,进而调整转子的速度,使其与旋转磁场保持同步。
通过这样的工作原理,同步电动机可以实现高效率和高精度的运行。
它广泛应用于需要精确控制速度和位置的领域,如机床、轨道交通和电力系统等。
现代电机控制技术

(1)他控变频调速系统 用独立的变压变频装置给同步电动机供电的系 统。 (2)自控变频调速系统 用电动机本身轴上所带转子位置检测器或电动 机反电动势波形提供的转子位置信号来控制变压 变频装置换相时刻的系统。
哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所
3、同步调速系统的特点 (1)交流电机旋转磁场的同步转速1与定子 电源频率 f1 有确定的关系 2f1 1
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1、 转速开环恒压频比控制的 同步电动机群调速系统 步电动机群 速系统 转速开环恒压频比控制的同步电动机群 调速系统,是一种最简单的他控变频调速 单 他 变 系统 多用 化纺 系统,多用于化纺工业小容量多电动机拖 小容 多 动机 动系统中。 这种系统采用多台永磁或磁阻同步电动 机并联接在公共的变频器上,由统一的频 率给定信号同时调节各台电动机的转速。 率给定信号同时调节各台电动机的转速
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1)系统组成
多台同步电动机的恒压频比控制调速系统
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2)系统控制 多台永磁或磁阻同步电动机并联接在公共 的电压源型PWM变压变频器上,由统 变压变频器上 由统一的 的 频率给定信号 f * 同时调节各台电动机的转 速。 PWM变压变频器中,带定子压降补偿的恒 变压变频器中 带定子压降补偿的恒 压频比控制保证了同步电动机气隙磁通恒 定 缓慢地调节频率给定 f * 可以逐渐地同 定,缓慢地调节频率给定 时改变各台电机的转速。
哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所
(6)由于同步电动机转子有独立励磁,在 极低的电源频率下也能运行 因此 在同 极低的电源频率下也能运行,因此,在同 样条件下,同步电动机的调速范围比异步 电动机更宽。 电动机更宽 (7)异步电动机要靠加大转差才能提高转 矩,而同步电机只须加大功角就能增大转 矩 同步电动机比异步电动机对转矩扰动 矩,同步电动机比异步电动机对转矩扰动 具有更强的承受能力,能作出更快的动态 响应。 哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所
同步电动机的基本理论

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低能耗和碳排放。
高效能同步电动机的应用领域
高效能同步电动机广泛应用于工业自动化、电力、交通、新能源等领域。在工业自动化 领域,高效能同步电动机能够提高生产效率和降低运营成本;在电力和交通领域,高效 能同步电动机能够提高能源利用效率和减少环境污染;在新能源领域,高效能同步电动
机能够助力可再生能源的利用和发展。
同步电动机的调速与控制
调速
同步电动机的调速可以通过改变电机的输入电压或电流来实现,也可以通过改变电机的极数或频率来实现。
控制
同步电动机的控制可以通过控制系统来实现,控制系统可以根据实际需求对电机的运行状态进行实时监测和控制, 以保证电机的正常运行。
同步电动机的故障诊断与处理
故障诊断
同步电动机的故障诊断可以通过监测电机的运行状态和参数来实现,如电机温度、振动、声音等,一 旦发现异常,立即进行故障诊断。
同步电动机的特点
效率高
同步电动机的效率一般在90%以 上,比异步电动机高出10%左右。
调速性能好
同步电动机的转速与电源的频率成 正比,可以通过调整电源的频率来 实现调速,调速范围广,精度高。
维护方便
同步电动机的结构简单,维护方便, 使用寿命长。
同步电动机的应用场景
大型工业设备
如轧钢机、造纸机等需要大功率驱动的设备。
同步电动机的智能化控制技术
智能化控制技术
随着信息技术和人工智能的发展,智能 化控制技术成为同步电动机的重要发展 方向。通过引入传感器、控制器和优化 算法,实现同步电动机的实时监测、智 能诊断和自动控制,提高电机的运行稳 定性和可靠性。
VS
智能化控制技术的应用
智能化控制技术广泛应用于同步电动机的 控制系统中。通过智能化控制技术,可以 实现同步电动机的远程监控、故障预警和 自动修复等功能,提高电机的运行效率和 安全性。
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实际产生中要考虑同步电动机应具有一定的过载 能力,过载能力为:
m
Tm a x TN
1
s in N
一般过载系数λm=2~3,隐极同步电动机的额定功 角θN=20°~30°,凸极同步电动机的额定功角则 更小一些。
隐极同步电动机稳定运行分析
7.1.4同步电动机的励磁调节 和V形曲线
1、励磁调节
第七章 同步电动机 Synchronous Machines
本章基本教学要求(以自学为主)
1.熟悉同步电动机的结构; 2.熟悉工作原理,理解电枢反应的物理意义; 3.掌握电压方程、相量图、矩角特性和功角特性 4.了解同步电动机的异步起动方法。
思考题:P260 7-1、7-2、 补充题:同步电动机起动方法有哪些?
同步电动机的主要额定数据为: 额定容量PN:
指电动机轴上输出的有功功率,单位:kW 额定电压UN:
指定子三相绕组上的线电压,单位:V; 额定电流IN:
指电动机额定运行时,流过定子绕组的线电流,单 位:A; 额定转速nN:
指电动机额定运行时的同步转速,单位:r/min;
额定数据
额定功率因数cosφN: 指电动机额定运行时的功率因数;
7.1.1同步电动机的结构
与直流机、异步电动机一样,同步电动机也是 由定子和转子两大部分组成。
1、定子
同步电动机的定子与异步电动机的定子结构基 本相同,由机座、定子铁芯、电枢绕组等组成。
于大型同步电动机,由于尺寸太大,硅钢片常 制成扇形,然后对成圆形。
2、转子
由磁极、转轴、阻尼绕组、滑环、电刷等组 成,在电刷和滑环通入直流电励磁,产固定磁极。
同步电动机的稳定运行说明
在90°<θ≤180°范围内,同步电动机运行在 B点,对应的功角为θ3,T=TL,现电动机出现扰 动,假设负载增大到TLˊ,这时转子减速使功角增 大至θ4,此时对应的转矩为T“,T”<TLˊ,则功角 继续增大,随着功角的增大,对应的电磁转矩更小, 这样下去,无法达到新的平衡,电动机会出现失步。 从上述分析可见,在0<θ≤90°范围内,同步电动 机能稳定运行;在90°<θ≤180°范围内,同步电 动机不能稳定运行,θ=90°是稳定运行和非稳定之 间的转折点。
由于同步电动机能量交换是在定子侧,所以将定 子称为电枢,定子绕组称为电枢绕组。
分析
当同步电动机的电枢绕组通入三相对称交流电 后,就会产生以同步转速n1旋转的三相合成基波电枢 磁势Fa。当同步电动机稳定运行时,转子也以同步转 速n1旋转,在励磁绕组中通入直流励磁电流If,使转 子形成固定磁极,励磁电流产生励磁磁势F0,励磁磁 势F0与电枢磁势Fa同速同方向旋转,彼此在空间是相 对静止的,这样在电机的主磁路上有两个磁势,它们 相互叠加,形成了合成磁场。
同步电动机功率流程图
转矩平衡方程式
从上述功率平衡方程式可推出同步电动机的转矩平 衡方程式为:
T T2 T0
式中T为电磁转矩;T2为输出转矩;T0为空载转矩。
2、同步电动机的功角特性
同步电动机的功角特性是指在外加电源电压和励 磁电流不变的条件下电磁功率Pem和功角θ之间的 关系曲线,即Pem=ƒ(θ)。
额定频率fN: 指电动机额定运行规定的频率,单位:Hz
额定效率ηN: 指电动机额定运行时的效率;
额定励磁电压UfN: 指电动机额定运行时的励磁电压,单位:V
额定励磁电流IfN: 指电动机额定运行时的励磁电流,单位:A
7.1.2同步电动机的电压方程式和相 量图
说明:
为了分析方便,假设电动机主磁路未饱和,认为 磁路是线性的,且只考虑定、转子的基波磁势。
根据容量大小和转速高低转子结构分凸极和隐 极两种。 凸极特点:
气隙不均匀,有明显的磁极,转子铁芯短粗, 适用于转速低于1000r/min,极对数p≥3的电动机。 隐极特点:
气隙均匀,无明显的磁极,转子铁芯长细,适 用于转速高于1500r/min,极对数p≤2的电动机。
同步电动机转子结构
3、额定数据
F F F
同两理个,分对 量应 ,产 即生 :电I枢1 磁势IdFa的I电q枢电流I1也可分解成
这种分析问题的方法是以叠加理论为基础的“双 反 应法”。
电磁关系
根据“双反应法”,凸极同步电动机电磁关系如下:
If
F
E
I
F
E
E
I
E
I
F
E
E
电枢磁势
直轴电枢磁势Fad和交轴电枢磁势Faq在气隙圆周上 同样以同步转速n1旋转,它们切割定子绕组在其 上产生的感应电势Ead和Eaq,正是电枢磁势Fa在定 子绕组上产生的感应电势Ea的两个分量,所以有:
T 3U1E0 sin
xc1
4、同步电动机的稳定运行
以隐极同步电动机为例。在0<θ≤90°范围内,同 步电动机原运行在A点,对应的功角为θ1,T=TL。 现电动机所带负载出现扰动,假设负载增大到TLˊ, 这时转子减速使功角增大至θ2,产生新的电磁转 矩Tˊ与负载转矩平衡,即Tˊ=TLˊ,使电动机继续同 步运行,同理,如果负载扰动消失,电动机要加 速使功角恢复至θ1,所以电动机能稳定运行。
式中xc=x1+xa 为隐极同步电动机的同步电抗。
隐极同步电动机等值电路和相量图
分析
从相量图中可见,定子电流I1超前电源 电压U1,它可通过调节直流励磁电流使同步 电动机工作在这种状态,目的是使同步电动 机在拖动负载的同时,对电网呈容性,起电 容补偿作用,以提高电网的功率因数。
2、凸极同步电动机电压方程式和相 量图
直轴和交轴电流分量为(见向量图)
Id I1 sin
Iq
I1 cos
凸极同步电动机相量图(a)
U1 E0 jId xad jIq xaq jI1x1
凸极同步电动机相量图(b)
U1 E0 jId xd jIqxq
分析
根据相量图所示的几何关系可推出
所以有:
jI1x1 sin jId x1
E E E
隐极同步电动机的电磁关系
If
F
I
F
E
E E
E
电枢一相绕组的电压方程式 U1 E1 Iar1 jIa x1 E0 Ea Iar1 jIa x1 E0 Ea jIa x1
式中r1为电枢绕组电阻,一般同步电动机容量都 较大,电阻r1很小,常忽略;x1为电枢漏电抗。
化简
式中Ead称E为a直轴E电ad枢反E应aq 电势,其对应的电抗是
xad;Eaq称为交轴电枢反应电势;其对应的电抗是 xaq。这里xad和xaq分别是直轴电枢反应电抗分别和 交轴电枢反应电抗,若不考虑磁路饱和的影响, xad和xaq都是常数。
凸极同步电动机的电压方程式
U1 E0 Ea I1r1 jI1x1 E0 Ead Eaq jI1x1 E0 jId xad jIq xaq jI1x1
1、同步电动机的功率和转矩平 衡方程式
同步电动机的功率平衡方程式为:
P1 3U1I1 cos
Pem P1 pCu P1 3I12r1
P2 Pem p0 Pem ( pm pFe pad )
说明
上式中P1为同步电动机从电网吸收的有功功 率;pCu为定子铜损;Pem为同步电动机的电 磁转矩;P2为电动机的输出功率,p0为同步 电动机的空载损耗,pm为机械损耗;pFe为 铁损耗;pad为附加损耗。同步电动机的功 率关系也可用功率流程图表示。
Pem2
3U12 2
(1 xq
1 xd
)sin 2
功角特性说明
可见,对于气隙均匀的隐极转子同步电抗为 xc=xd=xq,所以Pem2=0。凸极电磁功率Pem2与功角 之间的关系如图曲线2所示。图中曲线3是凸极同步 电动机的功角特性,它是曲线1和曲线2的合成,隐 极同步电动机功角特性表达式为:
Pem
同步电动机分类应用
1.分类
同步电机可分同步发电机、同步电动机和同步补偿 机。
2.应用
在现代电力系统中,几乎所有的电能是由同步发电 机生产的;同步电动机应用于大型生产机械的拖动 系统中,随着电力电子技术和计算机控制技术的不 断发展,变频调速在同步电动机的调速系统中的实 现,使同步电动机的应用场合大为扩大;同步补偿 机则是空载运行的同步电动机,用以改善电网的功 率因数。
7.1.3同步电动机的功角特性和矩 角特性
前面在介绍直流电动机和三相异步电动机时,都 重点分析了对应的机械特性T=ƒ(n),而同步电动 机由于以同步转速n1转动,转速不随转矩变化, 其机械特性为一条直线。在同步电动机中,功率 或转矩是随功角变化的,所以下面讨论功角特性 Pem=ƒ(θ)和矩角特性T=ƒ(θ)。
3U1E0 xd
sin
3U12
Pem1 Pem2
上式为凸极同步电动机功角特性表达式,从上式
中可见,电磁功率分两部分:一部分是与励磁电 流称基If产本生电的磁电功势率E)0成,正可比表,示称为为:励磁电磁功率(或
Pem1
3U1E0 xd
sin
功角特性
当U1=常数,改变励磁电流If可改变E0的大小, 即可改变Pem1的大小,Pem1与功角之间的关系见曲 线1所示;另一部分与励磁电流大小无关,称为凸极 电磁功率(或称附加电磁功率),可表示为:
jI1x1 cos
jIq x1
U1 E0 jId xad jIq xaq jId x1 jIq xaq E0 jId xd jIq xq
分析
式中xd=xad+x1为直轴同步电抗;xq=xaq+x1为交轴同 步电抗,绘制对应的相量图,图中相量Ì1与Ù1的 夹角为φ,成为功率因数角;相量Ì1与-È0的夹角为 ψ,称为内功率因数角;相量Ù1与-È0的夹角为θ, 称为功角,三者之间有下列关系:
凸极同步电动机转子有明显的磁极,气隙 不均匀,转子磁极中心线附近气隙最小,磁阻 最小,磁导最大;而在转子磁极几何中心线处 气隙最大,磁阻最大,磁导最小,所以磁通所 走的路径不同,所遇的磁阻不同,对应的电抗 参数也就不同。