第27讲 同步电动机

电动机——把电能转换为机械能；
补偿机——没有有功功率的转换，只发出或吸收无功功率；
发电机——把机械能转换为电能。
5、同步电机的励磁方式
直流励磁机励磁——直流励磁机通常与同步发电机同轴，采
用并励或他励接法。
整流器励磁————
静止式
旋转式
一、同步电机概述
副励磁机
主励磁机 同步发电机
G
G
一、同步电机概述
jIX C
E0
U
I



六、同步电机功率关系
同步电机从电源吸收有功功率 P1 3UIcos ，除去消耗于 定子绕组的铜损耗 pCu 3I 2 R1 后，就转变为电磁功率PM，即
P1 pCu PM
扣除铁损耗pFe和机械损耗pm后，转变为机械功率P2输出给负载，
即
PM pFe pm P2
0
电枢磁通 ad在定子绕组感应电动势用 Ead表示，横轴电枢磁通
aq 在定子绕组产生感应电动势用 Eaq 表示。
A
根据右图同步电动机定子绕组各电量正
I
方向，可以列出A相回路的电压平衡方程式： E
U
U E0 Ead Eaq I(R1 jX1)
ZY
其中，R1为定子一相的电阻；
2、同步电机与异步电机相比，有下列优点
1、同步电机功率因数高，能够改善电网的功率因数； 2、对大功率低转速的电动机，同步电机体积小。
3、结构
转子分为凸极式和隐极式两种；转子上装有励磁绕组。
一、同步电机概述
Y
If
n
A
C X
B Z
N
SS
+
N
凸极式
一、同步电机概述
隐极式
一、同步电机概述
4、同步电机的分类（按运行方式）
Icos =常数
根据上述公式画出励磁电流分别为 If , If , If 时，所对应的电
动势 E0 , E0 , E0 向量图，如右图。其中
E0
I

f

If

I

f

E0
E0

E0
jI XC
从图中可以看出，当改变励磁电流时，
电流的变化轨迹总是在与电压垂直的 虚线上。同时可以知道，改变励磁电 I
第六节三相异步电动机的机械特性
第27讲 同步电机
1、概述 2、同步电机的电磁关系 3、稳定运行状态 4、同步电机功率因数调节
一、同步电机概述
1、同步电机
如果三相交流电机的转子转速n与定子电流的频率f 满足方程式
n 60 f p
的关系，就称为同步电机。由于电源频率50Hz不变，p为整数， 因此电机转速与极对数之间有严格的对应关系。
铁损耗pFe和机械损耗pm之和称为空载损耗，即
电磁转矩T为: 则转矩平衡方程式：
p0 pFe pm
T PM

P2 PM p0

T2 T T0
七、同步电动机的电磁功率
当忽略定子绕组电阻R1后，电磁功率为：PM P1 3UIcos
从右图可以看出 ，于是得到：
则纵轴电枢磁通势和横轴电枢磁通势可以分别表示2
2 2
Nkdp p
Id


Faq

3 2
4

2 2
Nkdp p
Iq
因此，电流同样可以分为纵轴电枢电流和横轴电枢电流，即
I Id Iq
三、凸极同步电动机的电压平衡方程式
设励磁磁通 0 在定子绕组里感应电动势用
E
表示；纵轴
交流副励磁机
交流主励磁机
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
电压调 整器
一、同步电机概述
6、同步电机的额定数据
额定容量PN —— 指额定运行时电机轴上的输出有功功率； 额定电压UN ——指额定运行时定子的线电压； 额定电流IN ——指额定运行时定子的线电流； 额定功率因数 cosN ——指额定运行时电机的功率因数； 额定频率fN —— 指额定运行时电枢的频率； 额定转速nN ——指额定运行时电机的转速，即为同步转速；
同步，因此电机特性较硬。
T
T
例9-3
0
90°3 4 180°
十一、同步电动机的功率因数调节
当同步电机的电源参数不变以及有功负载保持不变时，通 过改变励磁电流，就可以改变功率因数。
同步电机的负载不变指的是电动机转轴上输出的转矩T2不 变，因此有T=T2，由电磁转矩公式可得
T

3 E0U
Xd
X
X1为定子一相的漏电抗。
B
C
因磁路线性，因此纵轴感应电动势和横轴电动势可以表示为：
Ead jId Xad Eaq jIq Xaq
其中，Xad、Xaq分别为纵轴电枢反应电抗和横轴反应电抗
三、凸极同步电动机的电压平衡方程式
因此，电压平衡方程式可以改写为：
U E0 jId Xad jIq Xaq I(R1 jX1)
势 相F对0 转子静止，但仍以同步转速和转子一起逆时针旋
转。
（2）励磁磁通势单独在电机主磁路产生磁通的情况
规定：把转子N、S极的中心线称纵轴或d轴，与纵轴相距 90°空间电角度的地方称为横轴或q轴。
二、同步电机的电磁关系
0
Y
n
A Z
C F0 N
If
X
S B
由于电枢磁通势和励磁磁通势在空间位置不一定相同，经常 变化，如何求总的磁通势以及分析呢？
二、凸极同步电动机的双反应原理
2、凸极同步电动机的双反应原理
如图，如果电枢磁通势和励磁磁通势的相对位置已定，可以把
电枢磁通势分解为两个分量：一个纵轴电枢磁通势 Fad ，作用
在纵轴上；另一个称为横轴电枢磁通势 Faq ，作用在横轴上。
即：
Fa Fad Faq
A
Z
n
Y
Fad
N S
B
C
X
B S
其中，Xd=Xad+X1
称为纵轴同步电抗；
Xq=Xaq+X1
称为横轴同步电抗。
四、凸极同步电动机的电动势向量图
右图表示的是同步电机作电动运行的向量图。
电压U 和电流 I 的夹角为 称为功率因数角；
电压 U 和励磁电动势 E0 的夹角为 ，而且被
jId Xd E0
称为功率角；励磁电动势 E0 和电流 I 的夹角
sin

CONSTANT

E0sin

CONSTANT
当改变励磁电流If时，电动势E0的大小也变化，必须满足上式。 当负载转矩不变，电机的输入功率P1不变，因此有：
P1 3UIcos CONSTANT 在电压U不变的条件下，必有有功电流不变：
Icos CONSTANT
十一、同步电动机的功率因数调节
对隐极同步电机，有 Xd Xq Xc
PM

3
E0U Xd
sin
0 N 90° 180°
右图即为隐极同步电机的矩角特性。对隐极同步电机来说，最
大转矩和功率分别为：

PMm

3E0U Xc
TM

3E0U
Xc
十、稳定运行
以隐极同步电机为例讲解同步电机稳定运行的问题：
1、当电动机拖动机械负载运行在 00--90 范围内
为 ，而且 Id Isin
Iq Icos
jIq Xq
U
I f F0 0 E0

I

Id Iq

Fad Faq
ad aq

Ead Eaq
jId X ad jIq X aq


U

I (R1 +jX1 ) I
Id
Iq
0
凸极电磁功率与 的关系如曲线2，曲线3
是合成的总电磁功率与的 关系。
3 1
90°
180°
2
九、矩角特性
在电磁功率公式两边同除以机械角速度，可得：
T 3 E0U sin 3U 2 Xd Xq sin2
Xd
2Xd Xq
T
Tm
矩角特性：指电磁转矩T与 的关系 TN
PM 3UIcos 3UIcos( - ) =3UIcos cos 3UIsin sin
jId Xd E0
jIq Xq
Id Isin ;
Iq Icos
Id Xd E0 Ucos ; Iq Xq Usin
从而得到：
U
I

Iq
Id
八、功角特性
PM

3
E0U Xd
sin

3U
2
Xd Xq 2Xd Xq
PM ,T
sin2
3 1
励磁电磁功率（基 本电磁功率）
附加电磁功率 （磁阻功率）
0
90°
2
从电磁功率公式可以看出，第一项与励磁
180°
电流有关，称为励磁电磁功率；第二项与励磁电流无关，
是由参数Xd不等于Xq引起的，也就是由于转子凸极引起的， 若对隐极转子来说，二者相等，不存在第二项。
功角特性：从同步电机电磁功率可以看出当电机参数以及电源
参数不变时，电磁功率的大小与角度 有关，把 PM f ( )
的关系称为同步电机的功角特性。
PM

3
E0U Xd
sin