电动机及拖动基础件课件第6章同步电动机
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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。
电机及拖动PPT课件
A、增大励磁电流
B、减小励磁电流
C、保持励磁电流不变 D、使励磁电流为零
答案： C
2.2.2 反接制动
*电压反接制动 电压反接制动时接线如图所示。
开关S投向“电动”侧时，电枢接正极
电压，电机处于电动状态。进行制动时，开
关投向“制动”侧，电枢回路串入制动电R阻B 后，接上极性相反的电源电压，电枢回路内
定义：当 U 、U N I f时，I fN n f(I a )
由方程式可得
n
UN CeΦ
Ra CeΦ
Ia
Tn
Tem
n
T2
T0
0
Ia
)。 A、n=(U-IaRa)/Ceφ B、n=(U+IaRa)/Ceφ C、n=Ceφ/(U-IaRa) D、n=Ceφ/(U+IaRa) 答案： A
第二章直流电动机的电力拖动
电机及拖动
绪论 第一章 直流电机 第二章 直流电动机的电力拖动 第三章 三相异步电动机 第四章 三相异步电动机的电力拖动
为什么要学电机？
请同学们就电机的相关应用举例。
绪论
电机是利用电磁感应原理工作的机械。 电机常用的分类是按功能分，有发电机、电动机、变压器和 控制电机四大类；
归纳如下：
电机
变压器 直流电机
把电刷A、B接到直流电源 力形成逆时针方向的电磁转矩。
上，电刷A接正极，电刷B接负 当电磁转矩大于阻转矩时，电机
极。此时电枢线圈中将电流流过。转子逆时针方向旋转。
当电枢旋转到右图所示位置时
原N极性下导体ab转到S极下， 受力方向从左向右，原S 极下 导体cd转到N极下，受力方向 从右向左。该电磁力形成逆时 针方向的电磁转矩。线圈在该 电磁力形成的电磁转矩作用下 继续逆时针方向旋转。
电机及拖动第四版第6章同步电机及同步电动机的电力拖动
教学目的与要求：
1 2 3 掌握同步发电机的基本工作原理和分类 了解同步电机的主要结构 掌握同步电机的额定值,了解励磁方式
第６章 同步电机及同步电动机的电力拖动
６.1.1 同步电机的基本工作原理与分类
Operating principle and classify of synchronous generator
第６章 同步电机及同步电动机的电力拖动
６.1同步电机的基本工作原理与结构 Basic operating principle and structure of synchronous generator
教学内容：
6.1.1 同步电机的基本工作原理和分类 6.1.2 同步电机的基本结构 6.1.3 同步电机的额定值及励磁方式
6.1 同步电机的基本工作原理与结构 6.2 同步发电机的空载运行 6.3 同步发电机的电枢反应与机电能量转换 6.4 同步发电机的负载运行 6.5 同步发电机的并联运行 6.6 同步电动机和同步调相机 6.7 同步电动机的电力拖动 思考题与习题
第６章 同步电机及同步电动机的电力拖动
基本要求： 1.掌握同步电机的基本工作原理，了解凸极机和隐极机的基本 结构特点并熟悉同步电机的额定值； 2.掌握对称负载运行时的电枢反应和机—电能量转换关系； 3.了解同步电机中各种电抗的物理意义及大小关系； 4.了解同步电机的电动势方程式、相量图和等效电路； 5. 掌握三相同步发电机的功率、转矩和运行特性； 6. 掌握三相同步发电机的并联运行的条件与方法，有功功角特 性及有功功率的调节，无功功率的调节及V形曲线； 7. 掌握三相同步电动机的功角特性、矩角特性与V形曲线； 8. 对同步调相机作一般了解； 9. 了解同步电动机的起动、调速。
电机与拖动基础课件
●
寿命：电机的预期使用寿命
●
环境适应性：电机对环境的适应能力
●
安全性：电机的安全性能
●
可靠性：电机的可靠性指标
●
维护性：电机的维护性能
●
经济性：电机的经济性能指标
●
环保性：电机的环保性能指标
●
智能化：电机的智能化程度
●
模块化：电机的模块化程度
●
标准化：电机的标准化程度
●
系列化：电机的系列化程度
●
通用性：电机的通用性指标
应用：广泛应用于各种工业设备和家用电器中
电动机： 广泛应用 于各种机 械设备如 电动工具、 家用电器 等
发电机： 用于发电 如风力发 电、水力 发电等
电动机： 用于驱动 各种交通 工具如电 动汽车、 电动自行 车等
电动机： 用于驱动 各种工业 设备如机 床、起重 机等
电动机： 用于驱动 各种家用 电器如电 冰箱、洗 衣机等
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01.
02.
03.
04.
05.
06.
电机与拖动基础课件概述
课程目标：掌握电机与拖 动的基础知识
课程内容：包括电机原理、 拖动系统、控制技术等
教学方法：理论与实践相 结合注重实践操作
课程评价：通过考试和实 践操作进行评价
课程应用：应用于电气工 程、自动化等领域
电机与拖动专业的 学生
电机与拖动领域的 工程师
电机与拖动技术的 研究人员
对电机与拖动技术 感兴趣的人士
电机与拖动 基础概述
电机的分类 及特点
拖动系统的 组成及工作 原理
电机与拖动 系统的控制 方法
电机与拖动 系统的应用 实例
华中科技大学_电机学_第六章_同步电机(完美解析)概要
汽轮发电机完工后的定子
汽轮发电机转子加工
5
凸极同步电机
凸极同步电机的定子结构与隐极同步电机或异步电机的 基本相同，所不同的只是转子结构。
凸极同步电机转子由磁极、励磁线圈、磁轭和阻尼绕 组等部分构成。
6
凸极同步电机结构实物图
带阻尼绕组的凸极同步电机转子 水轮发电机定子分段铁心
7
三、 同步电机的励磁方式
21
双反应理论：
当 处于任意位置且不计饱和时：
分解
I Fa
E Fad ad ad
E Faq aq aq
或
I
分解
I d Fad ad Ead
I q Faq aq Eaq
气隙合成磁场：
B
E E E E ad aq 0
U＝U Nφ，必须增加 If △AEF称为特性三角形，其中：
AE IX σ AF I f 为等效励磁电流
I 不变， 特性三角形不变
33
四、外特性及电压调整率
n=nN、If=常数、cos =常数时， U= f (I) 的关系曲线称为外特性。 电流 I 引起电压 U 变化的原因： 定子漏阻抗压降影响 电枢反应影响 电压调整率：
34
五、同步发电机稳态参数的计算与测定方法
1. 由空载和零功率因数特性确定定子Xδ,Ifa(Ffa)
由空载与零功率因数特性两特性之间存 在特性三角形的关系，确定Xσ, Ifa (Ffa)
IX σ Ffa
UN
磁路不饱和时， I X σ在线性段： 1）作直线OB； 2）过UN作直线平行于x轴，交零功 率因素曲线于A'，取A'O'=AO 3）过O'作OB的平行线O'B'， 三角形A' B' C'为所求的特性三角形。
电动机及拖动基础件课件第6章同步电动机
3、同步电动机功角和矩角特性的应用：从上图 可见：调节功角的大小，可以调节电动机和发电 机的最大输出功率和转矩。以及电机的稳定运行。
23
6。4。4 同步电动机和发电机的稳定运行
24
1、由上图可见:同步电动机和同步发 电机分别在-90<θ<0度和0< θ<90度 之间进行功率和转矩的调节都是稳定 增加的.在此范围之外随着θ的减小或 增加,功率和转矩超过最大值Tmax、 Pmax后，就将不断下降，使工作不 稳。
A）当调节励磁电流If,使cosΦ=1,U、I同相 时，电动机从电网吸收无功能量，称为 正常励磁状态，对应反电动势-E0。
29
（B）当增加If时，-E0也增加，cosφ= cos（+φ） <1,I超前 U，电动机从电 网吸收超前的无功分量。则提供滞后 的无功分量。起到补偿电网功率的作 用。称为过励磁状态。
不变磁场在气隙中的影响，称为该同步 电动机的电枢反应。 2、电枢反应的作用和影响 1）设电枢电流为I，电枢反应产生的电动 势与每相电枢绕组的合成气隙的电动势 为E0，
10
2）当I和E0(合成电动势)同相时，有 交轴反应
3）当I超前-E0时。直轴反应起去磁作 用。
4）当I滞后-E0时，直轴反应起增磁作 用。
P2 100 % P2 100 %
P2 P
P1
P1 m 1U N I cos N
27
6。5 同步电动机的功率因数的调节 6.5.1 功率因数的调节 1、为什么要调节功率因数？
当同步电动机或发电机和大电网连 接时，由于大电网中有变压器、大 母线的电抗Xe=XT+XL存在。
28
大电抗使电流、电压相位产生超前滞后等 作用，使进入电动机的（励磁）电流I变 为有功和无功两种分量（Id和Iq）。所以 电动机不仅要从电网吸收有功功率P1， 还要从电网吸收无功功率PQ。因而使电 网的功率因数降低，而且对电动机的励 磁不利，产生欠励磁；因而需要补偿。 维护电动机的正常运行。
概述电机及其拖动PPT课件
（1—3）
磁场强度单位为安/米（A/m）。
第14页/共26页
(4)磁动势F
F I W （1—4）
磁动势的方向由产生它的线圈电流按右手螺旋定则确定。磁动势的单位是安匝或 安。
(5)磁阻Rm 磁阻与磁路的平均长l，磁路截面S及磁路的磁导率μ有关，即
（1—5）
R
l
S
第15页/共26页
2.磁性材料 可分为磁性材料与非磁性材料两大类。
描述磁场强弱及方向的物理量是 磁感应强度B。
第13页/共26页
（2）磁通
用Φ表示 Φ=BS 及 B=Φ/S （1—1）
当截面S与不垂直，S的法线与B的夹角
为α，则 BS cos
（1—2）
磁通的单位为韦伯（Wb） 1T=1Wb/m2
（3）磁场强度H
导介率质μ中之某比点。H的磁感B应强/ 度B与介质磁
律
m
F
i f
（1—11）
式中：Rm为l段的磁阻，单位为1/H；
Rm l / S, m 1/ Rm
为l段的磁导，单位为H。
第21页/共26页
m
6．电磁感应定律 当感应电动势的正方向与产生它的磁通正方向符合右手螺旋定则时，见图1-6（a）及
图1-7。感应电动势e可用下式表示： （1—12）
e W d dt
或
式中，将1穿入闭合面的2 磁
3
通取正号，穿出闭合面的
磁通取负号。
1 2 3 0
（1—8）
称为磁路基尔霍夫第一定
律 。 0
第20页/共26页
(2)磁路基尔霍夫第二定律
（1—9）
称为磁路基尔霍夫第二定律。
F
Hl
5．磁路的欧姆定律
电机控制与拖动-第6章-控制电机及其控制系统 - 6.4 步进电动机
11
（2）多段式：又称为轴向分相式。按其磁路特点又可分为轴 向磁路多段式和径向磁路多段式两种。 ①轴向磁路多段式：定转子均沿 电机轴向按相数分段，每一组 定子铁芯中放置一相环形的控 制绕组。定转子圆周上冲有齿 形相近和齿数相同的均布小齿。 定子（或转子）铁芯每两相邻 段错开1/m齿距。优点是使定 子空间利用率好，环形控制绕 组绕制方便，转子的惯量较低， 步距角可以做得较小，起动和 运行频率较高。但是铁芯分段 和错位工艺较复杂，精度不易 保证。
（1）单脉冲运行 ① 定义 步进电动机的单脉冲运行是指电动机仅仅 改变一次通电状态时的运行方式。
27
② 动稳定区 步进电动机从一种通电状态切换到另一种通 电状态时，不致引起失步的区域。无负载时 为图中的ab区域。切换时失调角为：
( se ) ( se )
r
28
③ 裕量角：动稳定区边界a点到初始位置平衡 点O0的区域称为裕量角。
反转则为：AC-CB-BA-AC
9
3. 步距角：步进电动机每一拍转子所转过的角度。它的大小 是由转子的齿数、控制绕组的相数和通电方式所决定的。
360 其中：m为相数，Zr为齿数，C为通电方式系数。 s mZ r C
若为单拍或双拍方式，则为1，若为单、双方式，则为2。 4. 电机转速
60 f 其中：f 为脉冲频率。 mZ r C 5. 定子的相数：若需要更小的步距角，则可以用增大相数的 方法来实现，但是太多的相数会使电机转速减慢，同时也 使得电源更为复杂，造价也越高。一般步进电机的相数最 多到六相，只有极个别的特殊电机才作成更多相的。 n
驱动电源的基本部分包括变频信号源、脉冲分配 器和脉冲功率放大器三个部分。
37
分类：
（1）按步进电动机容量大小：功率步进电动机驱动 电源和伺服步进电动机驱动电源。
（2）多段式：又称为轴向分相式。按其磁路特点又可分为轴 向磁路多段式和径向磁路多段式两种。 ①轴向磁路多段式：定转子均沿 电机轴向按相数分段，每一组 定子铁芯中放置一相环形的控 制绕组。定转子圆周上冲有齿 形相近和齿数相同的均布小齿。 定子（或转子）铁芯每两相邻 段错开1/m齿距。优点是使定 子空间利用率好，环形控制绕 组绕制方便，转子的惯量较低， 步距角可以做得较小，起动和 运行频率较高。但是铁芯分段 和错位工艺较复杂，精度不易 保证。
（1）单脉冲运行 ① 定义 步进电动机的单脉冲运行是指电动机仅仅 改变一次通电状态时的运行方式。
27
② 动稳定区 步进电动机从一种通电状态切换到另一种通 电状态时，不致引起失步的区域。无负载时 为图中的ab区域。切换时失调角为：
( se ) ( se )
r
28
③ 裕量角：动稳定区边界a点到初始位置平衡 点O0的区域称为裕量角。
反转则为：AC-CB-BA-AC
9
3. 步距角：步进电动机每一拍转子所转过的角度。它的大小 是由转子的齿数、控制绕组的相数和通电方式所决定的。
360 其中：m为相数，Zr为齿数，C为通电方式系数。 s mZ r C
若为单拍或双拍方式，则为1，若为单、双方式，则为2。 4. 电机转速
60 f 其中：f 为脉冲频率。 mZ r C 5. 定子的相数：若需要更小的步距角，则可以用增大相数的 方法来实现，但是太多的相数会使电机转速减慢，同时也 使得电源更为复杂，造价也越高。一般步进电机的相数最 多到六相，只有极个别的特殊电机才作成更多相的。 n
驱动电源的基本部分包括变频信号源、脉冲分配 器和脉冲功率放大器三个部分。
37
分类：
（1）按步进电动机容量大小：功率步进电动机驱动 电源和伺服步进电动机驱动电源。
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T2 T0
P em 0
负载转矩：
T2
P2 0
;
为同步角度速。
0
空载转矩：
T0
P0 P Fe P mec P 电动机0及拖动基础件课件第0 6章同
16
步电动机
➢ 6.4.2电磁功率和电磁转矩的关系
1、凸极式同步电动机
1）电磁功率：
Pem m1E I cosi;i为E与I的相位角。
3）当I超前-E0时。直轴反应起去磁作 用。
4）当I滞后-E0时，直轴反应起增磁作 用。
5）当I F0 I<2 I fH I sinΨ时电枢反应 是去磁的.(F0是电磁力)
6) 只要有交轴反应,反应后相位总要发 生变化.
电动机及拖动基础件课件第6章同
11
步电动机
6.3.2 同步电动机的电动势平衡方程 1、电枢等效电路及矢量图
电动机及拖动基础件课件第6章同
13
步电动机
2、磁场F和磁通Φ F Faq F f 1 Fad aq 0 ad
arctan I N X q U sin U cos
E 0 E 0 I d X d U cos
电动机及拖动基础件课件第6章同
14
步电动机
6.4 同步电动机的功率和转矩 1、同步电动机的功率平衡和转矩平衡的关系
第6章同步电动机
6.1 同步电动机的基本工作原理 6.2 同步电动机的主要结构及用途 6.3 同步电动机的电磁关系 6.4 同步电动机的功率和转矩 6.5 同步电动机功率因数的调节 6.6 同步电动机的的起动
电动机及拖动基础件课件第6章同
1
步电动机
序 1、什么是同步电动机？ 三相定子交流磁场旋转速度和转子的旋转
1、什么叫电枢反应？
同时将电枢电流I的磁场对同步电动机恒定 不变磁场在气隙中的影响，称为该同步 电动机的电枢反应。
2、电枢反应的作用和影响
1）设电枢电流为I，电枢反应产生的电动 势与每相电枢绕组的合成气隙的电动势 为E0，
电动机及拖动基础件课件第6章同
10
步电动机
2）当I和E0(合成电动势)同相时，有 交轴反应
1 ( Xd
1 )sin 2
Xq
17
步电动机
Id I sin;Iq I cos;Usin IqXq E0 Ucos Id Xd
进一步得
Pem
m1
E0U sin
Xd
m1
U2 2
1 (
Xq
1 Xd
)sin2
式中；第一项为基本电磁功率；第二项为附加 电磁功率。
电动机及拖动基础件课件第6章同
18
步电动机
arctaINnXqUsin Ucos
n
n1
60 f1 p
电动机及拖动基础件课件第6章同
5
步电动机
➢ 6.2.2 同步电动机的铭牌数据和用途
➢ 6.2.2铭牌数据 ➢ 1、额定功率PN ➢ 2、额定转速Nn ➢ 3、额定电压UN ➢ 4、额定电流IN ➢ 5、额定频率fN ➢ 6、额定功率因数cosφN ➢ 7、额定效率ηN=PN/UNIN cosφN√3
电动机及拖动基础件课件第6章同
8
步电动机
F、按冷却方式分类 1）气冷。2）液体、3）水、油 7、用途：大型水泵。离心机。通风机。
小型电钟。记录仪。电影机械。复印机。陀螺。传真机。 录音机。搅拌机。
调相机和发电机。
电动机及拖动基础件课件第6章同
9
步电动机
6.3 同步电动机的电磁关系
6.3.1 同步电动机的电枢(定子)反应
电动机及拖动基础件课件第6章同
15
步电动机
由图 6。4 可得：
P1 Pem PCu m 1UI cos
Pem P 2 P0 P 2 P Fe P mec P
P1 PCu m 1 E I cos i
和
分别为输入功率因数和
i
内功率因数。
2 、转矩平衡关系
电磁转矩：
T em
3
步电动机
2、三相同步电动机的工作原理结构（凸极 式或永磁式结构）
电动机及拖动基础件课件第6章同
4
步电动机
3、三相同步电动机的理论原理
当三相同步电动机的定子绕组加上三交流电源，电源的频率为f1，磁极 对数为p；转子绕组加 上直流励磁电压、电流，转子磁极产生N-S磁场。定 子磁场吸引，转子磁场，使二者同步旋转。同步转速为：
E cosi EQ cos
EQ E0 Id (X d X q )
所以Pem m1[E0I cos Id Iq (X d X q )]
2)电磁转矩
Tem
m1 0
[(E0)I
cos
Id
Iq
(X
d
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
X q )]
忽略PCu时：Tem
m1 (E0)U sin m1 U 2
X 2 电0 动机及拖d 动基础件课件第6章0同
电动机及拖动基础件课件第6章同
6
步电动机
➢ 6.2.2 同步电动机的分类和用途 ➢1、分类 ➢A、按用途分类 ➢1）同步电动机----拖动 ➢2）同步发电机---发电 ➢3）调相机。改善电网功率因数。 ➢B、按相数分类 ➢1）单相和两相 ➢2）三相
电动机及拖动基础件课件第6章同
7
步电动机
C、按旋转部件分类 1）转磁式(定子不转,转子转) 2）转枢式(定子转,转子不转) D、按磁极分类 1）凸极式 2）隐极式 3）永磁式 4）有换向式和无换向式 E、按轴向位置 分类 1）卧式。2）立式
速度与方向完全相同的电动机和发电机， 都属同步电机。 序 2、同步电动机有什么用途？
1）发电厂的交流发电机都属同步电机 2）大功率机械的调速，小功率的同步电动
机用于计时、测量、录音、搅拌、印刷机、 压缩机、雷达。同步调相。
电动机及拖动基础件课件第6章同
2
步电动机
6.1-6.2 同步电动机的基本工作原理和结构
电动机及拖动基础件课件第6章同
12
步电动机
❖ 2、电枢等效电路及矢量方程 ❖ 1）电动势平衡方程
U E E RaI E E0 Ea;E jX I Ea Eaq Ead; Eaq jXaqIq Ead jXadId I Id Iq Xa Xaq Xad 同步电抗：Xd X Xad;Xq X Xaq
1、同步电动机的基本结构：如下图：它有转子绕线式和永磁两种结构。转子绕 线式同步电动机由定子、定子三相绕组、转子、转子绕组线圈等组成。定子三 相绕组用于产生旋转磁场。转子绕组线圈加上直流电源为转子励磁，产生直流 磁场，定子三相绕组用于产生旋转磁场吸引转子励极，使转子与定子旋转磁场 同步运行。
电动机及拖动基础件课件第6章同