同步电动机
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
同步电动机的结构特点和工作原理
同步电动机的结构特点和工作原理同步电动机是一种常见的旋转电动机，也被称为同步机。
它的工作原理基于电磁感应和电磁力的相互作用。
本文将重点介绍同步电动机的结构特点和工作原理。
一、同步电动机的结构特点1. 定子结构：同步电动机的定子由若干个相同的定子线圈组成。
这些线圈一般均匀地分布在定子铁心上，并按照一定的排列方式连接。
定子线圈一般采用导电线圈绕制而成，导电线圈之间通过绝缘材料进行隔离，以防止电流短路。
2. 转子结构：同步电动机的转子通常是由永磁体构成，也可以通过直流电源或交流电源提供励磁，以形成磁场。
转子一般采用圆形或长条形的形状，具有一定的磁导率和导磁性能。
转子的形状和材料的选择对同步电动机的性能具有重要影响。
3. 传动机构：同步电动机的传动机构通常是由轴、轴承和联轴器组成。
轴承起到支撑和固定转子的作用，联轴器用于连接电动机和外部负载，传递力和扭矩。
4. 冷却系统：同步电动机由于工作过程中会产生大量的热量，所以通常需要配备冷却系统。
冷却系统可以通过通风散热、水冷或气冷等方式来降低电动机的温度，保证其正常运行。
5. 控制系统：同步电动机的控制系统包括调速装置、控制器和传感器等。
调速装置可以调节电动机的转速和扭矩，控制器用于控制电动机的启动、停止和运行状态，传感器用于实时监测电动机的运行参数。
二、同步电动机的工作原理同步电动机的工作原理基于电磁感应和电磁力的相互作用。
当电动机通电时，电流通过定子线圈，产生的磁场会与转子上的磁场相互作用，从而使转子受到电磁力的作用而转动。
1. 磁场同步：同步电动机的转子上的磁场与定子线圈产生的磁场同步运动。
这意味着转子上的磁场和定子线圈的磁场具有相同的频率和相位，使得转子能够以同步速度旋转。
2. 磁场锁定：同步电动机在运行时可以实现磁场的锁定。
这意味着当电动机的负载发生变化时，磁场可以自动调整以保持同步。
这种磁场锁定特性使得同步电动机在变负载情况下仍能保持稳定的运行。
3. 高效率：同步电动机具有较高的效率。
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。
同步电动机
假设在合闸瞬间，转子 已经加励磁 处于图18.5a所示的位置，此时，电磁转矩 倾 已经加励磁)处于 的位置， 假设在合闸瞬间，转子(已经加励磁 处于 的位置 此时，电磁转矩T 向于使转子逆时钟转动；在另一个瞬间(图18.5b所示)，定子磁场已转过 逆时钟转动 向于使转子逆时钟转动；在另一个瞬间 ，定子磁场已转过180度，而转 度 电磁转矩 倾向于使转子顺时钟转动。 子由于机械惯性尚未启动，电磁转矩T倾向于使转子顺时钟转动。由于定子磁场以 子由于机械惯性尚未启 倾向于使转子顺时钟转动 同步速旋转，作用于转子上的力矩随时间以f 作交变， 同步速旋转，作用于转子上的力矩随时间以 = 50Hz作交变，那么转子上受到的平均 作交变 转矩为0。因此同步电动机是不能自行起动的。概括一下同步电动机没有启动转矩的 转矩为 。因此同步电动机是不能自行起动的。概括一下同步电动机没有启动转矩的 原因是： 原因是：（1）定、转子磁场之间相对运动速度很快；（2）转子本身转动惯量的存 在。
常用同步电动机
移量小、并要求精确、均匀。这就要求步 进电动机步距角小、步距精度高、不丢步 或失步。 （4）输出转矩大，可直接带动负载。
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指令
微电脑及电源
步进电动机
控制电脉冲
机床工作台 传动齿轮
丝杠
第51页/共80页
二、步进电动机的工作
原理
以三相反应式步进电机为例
6b
B
C
V1b
V6b
→ 控 制 电 子 开 晶体管控制电路
关中
转子位置传感器
晶体管的通断 第26页/共80页 →
１23..→V2e51.m导V导=通3T导通，m，通→B，a→转→过B1Ba20再a0与→转TBe过mf=垂T1m2直00
→Tem=Tm V2
V1
0
V1
IA
IA
Bf
V4 IB
组成：定子有六个磁极，每两 对应的磁
极绕有一相绕组A 。转子有四个
均匀分布 C’
1 B’
的齿，齿宽与2 定子4 磁极极靴宽
度相等。 ’ B
C 3
A’
第52页/共80页
1.三相单三拍运行方
单：每次只式有一相绕组通电。
三拍：三次切换为脉冲的一次循 环。
A相通电：磁力线总是力图走磁 A 阻最小的路 1
C’ B’
U U N，f fN，P2 c Im f (I f )
假设：（1）不计Pcu，PFe，Pm，
（2）（隐极机 X d X q X t
P1
）
Pem
mUI cosm
m
E0U Xt
sin m
c
E0 sin m c及I cosm c
同步电动机工作原理
同步电动机工作原理同步电动机是一种常见的电动机类型，其工作原理与其他电动机有所不同。
在同步电动机中，转子的运动速度与旋转磁场的频率是同步的，因此得名为同步电动机。
接下来，我们将详细介绍同步电动机的工作原理。
首先，同步电动机的工作原理与感应电动机有所不同。
感应电动机的转子是由感应电流产生的磁场所驱动，而同步电动机的转子是由外部提供的旋转磁场所驱动。
这个旋转磁场是由定子上的三相绕组产生的，其频率与电源的频率相同。
因此，同步电动机的转子速度与这个旋转磁场的频率是同步的。
其次，同步电动机的工作原理涉及到定子和转子之间的磁场互相作用。
当定子上的三相绕组通电时，产生的旋转磁场将转子带到同步速度。
这种同步速度取决于电源的频率和定子绕组的极数。
一般来说，同步电动机的极数越多，同步速度就越高。
此外，同步电动机还需要一个外部的励磁源来提供转子的磁场。
这个励磁源可以是直流电源或者是由定子绕组产生的励磁电流。
通过这个励磁磁场，转子可以与旋转磁场产生磁场互相作用，从而产生转矩，驱动负载进行工作。
另外，同步电动机在启动时需要额外的控制装置来帮助其达到同步速度。
这个控制装置可以是由变频器控制的电源，通过改变电源的频率和相位来调节同步电动机的转速，使其达到同步速度。
一旦同步电动机达到同步速度，它就可以像感应电动机一样运行，驱动负载进行工作。
总的来说，同步电动机的工作原理是基于定子产生的旋转磁场与转子的磁场互相作用，从而产生转矩驱动负载进行工作。
通过外部的励磁源和控制装置，同步电动机可以实现高效、稳定的运行。
希望通过本文的介绍，能够让大家对同步电动机的工作原理有更加深入的了解。
同步电动机的基本理论
THANKS
感谢观看
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。
同步电动机分类
同步电动机分类
以下是 6 条关于同步电动机分类的内容：
1. 哎呀呀，同步电动机可以分成永磁同步电动机呀！就好比你的手机，不同型号有不同特点，永磁同步电动机也有它独特的魅力呢！比如那些需要精确控制的工业设备里，它可不就大显身手啦？
2. 嘿，还有电励磁同步电动机呢！这就像一场比赛中的明星选手，在大型电力系统中可是发挥着关键作用呀！它那稳定的性能，难道不让你惊叹吗？
3. 哇塞，同步电动机还有磁阻同步电动机呢！你想想看，这就如同一个有特殊技能的人，在特定领域闪闪发光。
像一些节能要求高的场合，它就派上大用场啦！
4. 同步电动机里还有反应式同步电动机哦！这就好像是团队里的秘密武器，平时不太起眼，关键时刻却能带来惊喜呢！在一些特定的工作场景下，它能展现出别样的能力哦！
5. 呀，同步电动机分类里可不能少了永磁辅助同步磁阻电动机呀！它就像一个全能型选手，集合了多种优势。
难道你不想知道它在各种复杂情况下是如何出色表现的吗？
6. 哈哈，还有一种内置式永磁同步电动机呢！它简直就是同步电动机家族里的宝藏呀！你看那些高效运行的机器，说不定就有它在背后默默贡献呢！
我觉得同步电动机的这些分类都好有趣，每个都有自己独特的价值和用处，真的是很了不起呢！。
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第九章 同步电机
10000kW 水轮机转子
1.发电环节——各种电机
第九章 同步电机
引进600MW 汽轮发电机
第九章 同步电机
国产300MW 汽轮发电机
第九章 同步电机
国产200MW 汽轮发电机定子
第九章 同步电机
国产200MW 汽轮发电机定子铁心
第九章 同步电机
现场运行的水轮发电机
二、 同步电机的基本工作原理与分类
第二节 同步发电机的电路分析
第九章 同步电机
同步发电机被原动机拖动到同步转速，励磁绕组中通入直流
电流 I ，f 定子绕组开路的运行称为空载运行。
电磁关系：
Φ&f ?
If
Ff
Φ&0
E&0
空载电动势 E大0 小：
E 0 ? 4.44 fN1kw1? 0
空载特性：
n ? nN ,I ? 0,E0 ? f ( I f )
第九章 同步电机
第一节 同步电机的基本工作原理与结构
一、 同步电机的基本结构
以汽轮发电机为例:
定子铁心：硅钢片叠成。 定子(电枢) 电枢绕组：三相对称绕组——铜线制成
机座：钢板焊接面成，有足够的强度和钢度。
转子
转子铁心：采用整块的含铬、镍和钼的合金钢锻成 励磁绕组：铜线制成 护环：保护励磁绕组受离心力时不甩出 中心环：支持护环，阻止励磁绕组轴向移动 滑环：引励磁电流经电刷、滑环进入励磁绕组
( 4 )根据 E?0 ? U? ? I?Ra ? jI?d X d ? jI?q X q , 从 M点依次作出 jI?q X q及jI?d X d ,得到末 端G , 连接 OG线段即得 E?0 .
第九章 同步电机
第三节 同步电机的功角特性
一、功率和转矩平衡
第九章 同步电机
输入 功率P1
电磁功 率Pem
江西工业工程职业技术学院精品课程
第九章 同步电动机
第九章 同步电机
主要内容
第一节 同步电机的基本结构与工作原理 第二节 同步发电机的电路分析 第三节 同步发电机的功 角特性 第四节 同步发电机的功 率因数调节 第五节 同步发电机的起 动
思考题与习题
第九章 同步电机
? 同步电机是交流旋转电机的一种,因其转速 恒等于同步速机时得名。同步电机主要用 作发电机，也可用作电动机和调相机。本 章主要分析同步发电机的稳态运行原理和 运行特性，简要分析同步电动机和调相机 的运行状态。
输出功 率P2
机械损 耗p mec
附加损 铁损pFe 耗pad
定子铜损 pcu1
Pem ? P1 ? ( Pmec ? PFe ? Pad ) ? P1 ? P0
Pem ? P2 ? Pcu 1 ? P2 ? mUI cos ?
第九章 同步电机
在Pem
?
P1
?
P0两边同时除以同步机械角速度?
1
?
2? n1
转子
第九章 同步电机
C A
定子绕组
B
机械端口 电端口 定子铁心
返回
第九章 同步电机
返回
1、汽轮发电机结构 （1）定子铁心
第九章 同步电机
返回
第九章 同步电机
返回
1、汽 轮发电 机结构
第九章 同步电机
返回
第九章 同步电机
2、水轮发电机结构
(1)立式水轮发电机
(2)卧式水轮发电机
2、水轮发电机结构转子结构
60
Pem ? P1 ? P0
?1 ?1 ?1
可得转矩平衡方程为
Tem ? T1 ? T0
或
T1 ? Tem ? T0
上式说明，电机稳定运行时，驱动性质的原动机转矩与制 动性质的电磁转矩和空载转矩之和平衡。
第九章 同步电机
第九章 同步电机
发电机的物理过 程可用图示表示
U1
?
W2 ?
N
n
?
?
S
V1
?
U2
? V2
?
? W1
旋转示意图1 旋转示意图2
第九章 同步电机
2、同步电机的分类 按运行方式，同步电机分发电机、电动机和调相机。 按结构型式，同步电机分旋转电枢式和旋转磁极式。 旋转磁极式同步电机按磁极形状，又分隐极式和凸极式两种。 按原动机类别,同步电机分为汽轮发电机、水轮发电机和柴油 发电机等。 汽轮发电机一般作成隐极式，现代汽轮发电机均为2极，转速 为3000 转/分钟，水轮发电机采用凸极式，极数多，转速低。 同步电动机、柴油发电机和调相机一般作成凸极式。
1、同步发电机的基本工作原理
励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁
场，原动机拖动转子以转速 n旋转时，其
磁场切割定子绕组而感应交流电动势 E0.
频率： f ? pn 60
大小： E 0 ? 4.44 fN 1kw1? 0
波 于形：的由B空(e间x ?) 分B布(可x。)知lv ，波形取决
相序：由转子的转向决定。
第九章 同步电机
三、 同步电机的额定值
额定容量 S N 额定功率 PN
指电机额定运行时，输出功率的保证值。同步发电机是指输 出的额定视在功率或有功功率，单位是KVA 或KW。电动机额定 容量是指额定条件下转轴上输出的机械功率，单位是KW 。调相 机用KVA 或Kvar 表示。
额定电压U N (kV) 额定电流 I N ( A)
I?q F aq
Φ? aq
E?aq E&0 ? U&? I&Ra ? jI&d Xd ? jI&q Xq
Φ? ?
E?? Xd --直轴同步电抗
不计磁路饱和时有下列关系
Xq --交轴同步电抗
E&ad ? ? jI&d Xad
分别表征在对称负载下，单位直轴或
E&aq ? ? Fra bibliotekI&q Xaq E&? ? ? jI&X?
额定运行时加在 三相定子绕组上 的线电压。
在额定运行状 态下三相定子 绕组的线电流.
对同步发电机额定值之间关系为：
额定功率因数 cos? N
额定频率 fN
额定效率 ? N
额定转速 nN 额定励磁电流 I fN 额定励磁电压 U fN
PN ? SN cos ? N ? 3U N I N cos ? N
交轴三相电流产生的总电枢磁场在电 枢每一相绕组中感应的电动势。
二、凸极同步发电机的相量图 作图步骤
( 1 )根据已知条件绘出 U?和I?;
( 2 )根据 E?Q ? U? ? I?Ra ? jI?X q作出 E?Q及 E?Q
与I?的夹角 ? ; ( 3 )根据 ? 角将 I?分解成 I?d 和I?q ;
第九章 同步电机
同步电机的负载运行
6.4.1 凸极同步发电机的电动势方程和相量图
一、凸极同步发电机的电动势方程
电磁关系：
If
Ff
Φ? f?
Φ? 0
由于 I? ? I?d ? I?q
E? 0
且令 Xd ? Xad ? X?
Xq ? Xaq ? X?
I?d
F ad
Φ? ad
E?ad 则电动势平衡方程
I?