1、1第六章第六章 同步電機同步電機 一、 三相異步電動機同步運行和同步電動機的工作原理 1、理由 轉子電流既可感應產生，也可由傳導產生 2、實現方法第一節 三相同步電動機2 如圖 3、原理分析 Iax=Iyb+Izc Iyb=Izc=Iby =Icz = Iax 交流電流t=0時 iax=Imcost=Imcos0=Im iby=Imcos(t120)=Imcos120= Im icz=Imcos(t+120)=Imcos120= Im212121直流電流磁場與交流 電 流t=0建立的磁場相同3轉子繞組作轉子繞組作“兩并一串兩并一串”聯接，聯接，并且通入直流后所建立的磁動并且通入直流后所建立的磁

2、動勢和磁場的基波分布圖勢和磁場的基波分布圖axmiIby12miI cz12miI 4 注：異步電動機的同步運行可看做異步電動機的一種特殊狀態，s=0，f2=0。 結論：采用雙邊勵磁的方式可以實現異步電動機的同步運行55.2 三相同步電機的基本結構三相同步電機的基本結構一、主要部件一、主要部件1. 定子（電樞）定子（電樞）2. 轉子轉子由硅鋼片疊成。由硅鋼片疊成。對稱三相繞組。對稱三相繞組。(1)定子鐵心：定子鐵心：(2)定子繞組：定子繞組：(3)機座和端蓋等。機座和端蓋等。(1)轉子鐵心：轉子鐵心： 由整塊鑄（鍛）鋼制成。由整塊鑄（鍛）鋼制成。(2)勵磁繞組：勵磁繞組： 工作時施加直流勵磁。

3、工作時施加直流勵磁。(3)阻尼繞組和轉軸等。阻尼繞組和轉軸等。阻尼繞組阻尼繞組第第5章章 同步電機的基本理論同步電機的基本理論二、勵磁方式二、勵磁方式1. 直流勵磁機勵磁直流勵磁機勵磁 勵磁繞組由小型直流發電機供電。勵磁繞組由小型直流發電機供電。2. 靜止整流器勵磁靜止整流器勵磁 交流勵磁機交流勵磁機整流整流直流電直流電3. 旋轉整流器勵磁旋轉整流器勵磁 交流勵磁機交流勵磁機整流整流直流電直流電勵磁繞組。勵磁繞組。電刷電刷集電環集電環勵磁繞組。勵磁繞組。 5.2 三相同步電機的基本結構三相同步電機的基本結構1. 按能量轉換的方式不同：按能量轉換的方式不同： 同步發動機、同步電動機。同步發動機、

4、同步電動機。2. 按相數的不同按相數的不同: 三相、單相。三相、單相。3. 按轉子結構的不同：按轉子結構的不同：隱極式、凸極式隱極式、凸極式。三、主要種類三、主要種類NS+3 3 +NS5.2 三相同步電機的基本結構三相同步電機的基本結構凸極式凸極式隱極式隱極式V1V2W2W1U1U2NS直軸直軸交交軸軸勵磁機勵磁機發電機發電機水輪機水輪機 臥式、立式。臥式、立式。5. 按原動機的不同：按原動機的不同： 汽輪發電機、水輪發電機。汽輪發電機、水輪發電機。4. 按安裝方式的不同：按安裝方式的不同：5.2 三相同步電機的基本結構三相同步電機的基本結構5.2 三相同步電機的基本結構三相同步電機的基本結

5、構小浪底電站水輪機組安裝小浪底電站水輪機組安裝5.2 三相同步電機的基本結構三相同步電機的基本結構三峽電站首臺機組安裝三峽電站首臺機組安裝5.2 三相同步電機的基本結構三相同步電機的基本結構水力發電水力發電5.2 三相同步電機的基本結構三相同步電機的基本結構火力發電廠火力發電廠勵勵磁磁機機發發電電機機汽汽輪輪機機5.2 三相同步電機的基本結構三相同步電機的基本結構燃燃燒燒室室燃燃料料鍋爐的鍋爐的爐膛爐膛循環水循環水汽輪機汽輪機發電機發電機3 000 r/min升壓變升壓變壓器壓器超熱高壓蒸汽超熱高壓蒸汽電能輸出電能輸出電能的產生電能的產生5.2 三相同步電機的基本結構三相同步電機的基本結構 熱

6、電廠熱電廠1 煤傳送帶煤傳送帶2 加煤機加煤機3 粉碎機粉碎機4 鍋爐鍋爐5 煤渣煤渣6 空氣預熱器空氣預熱器 7 靜電除塵靜電除塵8 煙囪煙囪9 汽輪機汽輪機10 冷凝器冷凝器11變壓器變壓器12 冷卻塔冷卻塔13 發電機發電機14 輸電線輸電線5.2 三相同步電機的基本結構三相同步電機的基本結構三相同步電機三相同步電機5.2 三相同步電機的基本結構三相同步電機的基本結構 更多的圖片更多的圖片 三相同步電機三相同步電機5.2 三相同步電機的基本結構三相同步電機的基本結構 更多的圖片更多的圖片 同步發電機同步發電機5.2 三相同步電機的基本結構三相同步電機的基本結構 更多的圖片更多的圖片 小型

7、同步電機小型同步電機5.2 三相同步電機的基本結構三相同步電機的基本結構 更多的圖片更多的圖片 22 三、電動勢平衡方程式及相量圖 1、磁動勢種類及特點 Fa+Ff 兩者無相對運動 負載時合成氣隙磁場會發生變化 2、運行分析 分析方法：疊加原理磁路線性氣隙大 電磁關系： 轉子-勵磁 定子-電樞23 電動勢平衡方程式 電樞反應電抗Xa 與漏抗 X合并用同步電抗Xt 表示。 Xt= X+ Xa 相矢圖：如右圖aaaaRIXI jXI jERIEEEU00不計凸極效應時同不計凸極效應時同步電動機矢量圖步電動機矢量圖24 3、凸極效應 分析方法：考慮到凸極效應，為了便于分析，采用所謂雙反應理論，即把電

8、樞磁動勢矢量 Fa 分解成d分量和q分量。凸極式同步電凸極式同步電動機的矢量圖動機的矢量圖 前提：線性 電磁量的分解：qdIIIaqadaFFFaddadXI jEaqqaqXI jE25 凸極同步電動機電動勢平衡方程式 直軸同步電抗Xd=Xad+X 交軸同步電抗Xq=Xaq+XaqadaFFF凸極式同步電動機凸極式同步電動機的電樞磁動勢分布的電樞磁動勢分布波及其磁密分布波波及其磁密分布波aqqddRIXI jXI jEU026 四、運行特性 定義：在U=UN，If=常數的情況下，Te、I、cos、n與輸出功率P2之間的關系，即Te=f(P2)、I =f(P2) 、cos=f(P2) 、=f(

9、P2) 、n=f(P2) 。 但僅有以上描述不足，須有以下才能全面了解同步電動機的運行特性 （一）功角特性和V 形曲線 1、功角特性 功率與電磁轉矩：P1=Pe+pcua Pe=P2+(pFe+pmech+p)= P2+ p0 Te= T2+ T0 pcua為定子銅耗s與n無關27 功角特性表達式： 忽略定子電阻，有 PeP1=mUIcos mUIcos() =mUIcoscos+ mUIsinsinsincos0UxIUExIqqdd考慮凸極效應，不計定子電阻考慮凸極效應，不計定子電阻的同步電動機電動勢相量圖的同步電動機電動勢相量圖20e11sinsin22dqdUEUPmmXXX eePP

10、 20e11sinsin22dssqdUEUTmmXXX eeTT 附加分量基本分量28 為功率角 為內功率因數角 為功率因數角 （或 ）稱為基本分量； （或 ）稱為附加分量； 功角特性圖：當電源電壓U=UN ，勵磁電流不變時，同步電動機的電磁功率（或電磁轉矩）與功率角的關系如右圖所示。eP ePeT eT29 附加分量產生的原因 A.結構須為凸極式 B.旋轉磁極的磁回路總是經過磁阻最小的路徑30 功率角的范圍 A.空載運行時 P2=00sin0etsUETmX 0eMtsUETmX理想空載理想空載電動機運行電動機運行p0=0sin00 B.負載運行時 P2 Pe 當=90時電磁轉矩最大值 （

11、隱極式） 當P2 90時電機停轉 =259031 由Pe和Te的計算式改變If，可以改變Pe和Te 負載突增時，增加If，提高電機的穩定性，避免失步 2、V形曲線 定義：當電源U=UN、f=fN，在輸出功率P2=不變時，調節勵磁電流If ，定子電流I 會相應地變化，I=f(If) 曲線形狀像英文字母V，稱為V 形曲線。 產生原因：恒功率、變勵磁、不恒功率、變勵磁、不計凸極效應時同步電計凸極效應時同步電動機的電動勢相量圖動機的電動勢相量圖 A.簡化相量圖：如右圖 B.電磁關系： P1=mUIcos=m sin =常數 Icos=常數， E0sin =常數tXUE03233 在If=If1時， I

12、f0E0 I ，但Icos=常數 超前 If0E0 I ，但Icos=常數 滯后 結論：改變If ，可改變cos的大小和性質E0sin =常數34 （二）轉速特性及起動步驟 1、從功角特性分析同步運行原理 =(s)t+0 平均轉矩：02002sin112sintXXUmtXUEmTsdqsssde無平均電磁無平均電磁轉矩的情況轉矩的情況 00TeeavdttTT35與其它起動方法。機不能起動。必須借助轉矩，電能產生恒定方向的電磁場有相對運動，所以不與轉子磁網，這時定子旋轉磁場勵磁電流后直接投入電動機通入換。如將靜止的同步電穩定地實現機電能量轉磁轉矩，止時，才能得到平均電與轉子旋轉磁場相對靜旋轉

13、磁場而產生的。只有在定子與轉子磁場的相互作用轉磁場是由定子電流建立的旋同步電動機的電磁轉矩36備多，操作復雜。空載起動，而且所需設，這種方法只適合于并切斷輔助電動機電源電源）將其投入電網，（自整步：給勵磁，合然后用自整步法動至接近于同步轉速，助電動機將主機拖為輔助電動機，先用輔）作機的電動機（容量一般為主極數相同的異步通常選用與同步電動機輔助電動機起動%15%5. 137轉速。額定上升而同步上升，直至隨定子旋轉磁場的轉速速將至額定頻率，則轉子轉動旋轉，然后逐漸上調子起的頻率盡量調低，使轉通入勵磁且把定子電源組即在開始起動時，轉子繞而是由變頻電源供電，網，中，定子不是直接接電起動的方法。起動過程

14、矩磁場轉速，利用同步轉這是一種改變定子旋轉變頻起動. 238牽入同步。可以用自整步法將電機，就速，此時，再加入勵磁并不斷加速至接近同步轉矩，產生使轉子轉動的異步定子接通電源時，便能，當稱為阻尼繞組），因此型繞組的起動繞組（通籠上裝有類似于異步電機同步電動機多數在轉子異步起動. 339 2、起動過程 起動存在的問題：起動時轉速是變化的，同步電動機在同步轉速狀態下才有平均電磁轉矩 解決方法：采用異步起動法，依靠轉子磁極的籠型繞組 起動步驟：如圖 A.將勵磁繞組接入Rt B.定子接入交流電源 C.轉速上升到95%ns時將勵磁繞組換接到勵磁電源 注：起動時勵磁繞組既不可開路也不可短路同步補償機（調相機

15、） 同步補償機，也稱同步調相機，是一臺不帶機械負載的同步電動機，專門用于發出（吸收）無功功率。一、兩種運行方式一、兩種運行方式IU1.過勵過勵： 領先于領先于 ，吸收容性無功功率，即發出感性，吸收容性無功功率，即發出感性無功功率。無功功率。UI2.欠勵欠勵： 落后于落后于 ，吸收感性無功功率，吸收感性無功功率。過勵、欠勵時過勵、欠勵時-空矢量圖（空矢量圖（按照電動機慣例按照電動機慣例 ） d軸 q軸0EIUSjIX過勵狀態，電動機吸收容性無功欠勵狀態，電動機吸收感性無功 d軸 q軸0EIUSjIX二、用途1受控補償 （1）當負荷較大時，為了改善功率因素，同步補償機應過勵運行.（2）當電網負荷很

16、輕時，高壓長輸電線路將呈現較大的電容作用，使受端電網電壓升高，此時，同步補償機應運行在欠勵狀態，吸收電網中多余的無功功率。2、中間補償 （1）0sin()E UPpuX（2）當）當 時對穩定有利，因為時對穩定有利，因為 ， 角減小，穩定角減小，穩定 提高提高X0E UX（3）當保持原過載能力時，輸送的功率將增大。）當保持原過載能力時，輸送的功率將增大。（4）中間加補償機相當于線路的）中間加補償機相當于線路的 減小，提高了穩減小，提高了穩定性或增加輸出。定性或增加輸出。X升壓變壓器升壓變壓器變變壓壓器器降壓變壓器降壓變壓器調相機調相機發電機發電機 因不帶機械負載，補償機轉軸可以比細因不帶機械負載

17、，補償機轉軸可以比細.由于沒有穩定問題，短路比由于沒有穩定問題，短路比Kc 可較小，可較小，Xd大，大，使得氣隙較小，勵磁也較小，轉子用銅量少使得氣隙較小，勵磁也較小，轉子用銅量少. 額定容量對應過勵而言額定容量對應過勵而言. 也存在起動問題，一般利用異步起動，加起動繞也存在起動問題，一般利用異步起動，加起動繞組組。三、特點 水電站在枯水期間，水輪發電機可作調相運行水電站在枯水期間，水輪發電機可作調相運行 在同時有水輪機和汽輪發電機的電網，豐水期間，在同時有水輪機和汽輪發電機的電網，豐水期間，水輪發電機發有功功率，汽輪發電機作調相機運水輪發電機發有功功率，汽輪發電機作調相機運行。行。四、說明4

18、6第二節 無換向器電動機自控式同步電動機 特點：頻率閉環控制的同步電動機，若是永磁鐵勵磁，則稱為無刷直流電機 一、一、自控式同步電動機運行方式分類分類 1、交-直-交系統的自控式同步電動機 構成：主要由同步電動機+可控整流器+逆變器+位置檢測器+控制線路等 工作原理：交流電源直流電交流電電機轉動47 2、交-交系統的自控式同步電動機 構成：主要由同步電動機+變頻器+位置檢測器+控制線路等 工作原理：50Hz交流電源其他頻率交流電電機轉動48 二、工作原理 1、類比 自控式同步電動機可看做是定、轉子位置互換的直流電動機 理由：自控式同步電動機轉子采用直流勵磁；定子通過逆變器(變頻器)供電，轉軸上

19、的位置傳感器測定定子和轉子磁場和位置，以控制電力電子開關元件的通斷保證定子脈沖步進磁動勢（即電樞磁動勢）與轉子磁動勢（即勵磁磁動勢）同步轉動。 直流電動機定子勵磁，而轉子繞組內的電流是49 交流電流，而且轉速不同時 其交變的頻率不同，且兩者產生的磁動勢始終垂直，如右圖 假想：將磁極裝在轉子上，電樞繞組和換向器裝在定子上，如下圖。直流電動機工直流電動機工作原理示意圖作原理示意圖有最大電有最大電磁轉矩磁轉矩無電磁轉矩無電磁轉矩有最大電有最大電磁轉矩磁轉矩反裝電動機50 圖a中電磁轉矩為最大值，磁極沿反時針方向轉動 圖b中無電磁轉矩 但若電刷和磁極同時旋轉，那么電機將繼續旋轉 故自控式同步電動機可看

20、做是定、轉子位置互換的直流電動機，只是用晶閘管與位置檢測器代替了換向器和電刷。 自控式同步電動機實質是以電子換向代替機械換向。磁極也可采用永磁磁極51 2 、 工 作 分析 選擇t=0， t=120， t=240， t=360時分析電機轉動52第三節第三節 其他同步電動機其他同步電動機 一、磁阻同步電動機 1、結構 轉子凸極式，無勵磁繞組，圓柱形，由鋼片和非磁材料鑲嵌而成，如圖53 2、工作原理 工作時氣隙磁場沿鋼片進入轉子直軸磁路，故XdXq 3、特點 結構簡單、成本 低廉、運行可靠211sin22esqdUTmXX磁阻同步電動機磁阻同步電動機的電動勢相量圖的電動勢相量圖54 二、永磁同步電

21、動機 采用永磁體勵磁的同步電動機 1、轉子結構問題 結構形式眾多，多采用埋藏式或內藏式，不采用凸極式渦輪式渦輪式串并聯式串并聯式縱向式縱向式橫向式橫向式永磁同步電動機的轉子結構圖永磁同步電動機的轉子結構圖55 2、磁路與參數問題 轉子結構形式不同磁路組成部分各異永磁體為橫向結構的永磁同步電動機磁路示意圖永磁體為橫向結構的永磁同步電動機磁路示意圖56 磁通路徑：N極軟鐵極靴套環的磁性材料段氣隙定子鐵芯套環的磁性材料段軟鐵極靴S極 參數關系：在稀土永磁電機中，永磁體的導磁性能近似于空氣，故直軸Xd較小，在q軸磁路中主要為軟鐵極靴和套環的磁性材料段，Xq較大， XdXq 3、起動問題 特點：永磁同步

22、電動機運行時總存在勵磁，永磁體磁場與旋轉磁場同時運行，但啟動時非同步運行571異步轉矩異步轉矩2發電機制動轉矩發電機制動轉矩3磁阻轉矩磁阻轉矩4合成轉矩合成轉矩 起動轉矩的種類：疊加原理 永磁體磁場作用于定子繞組，產生電動勢和電流，頻率為(1-s)f1，為發電機制動轉矩 兩軸磁阻不等，將在定子繞組中產生頻率為(1-2s)f1電動勢和電流，為磁阻轉矩 籠型繞組提供的異步起動轉矩步進電動機一、概述：混合式步進電機永磁式步進電機反映式步進電機分類：式有關轉向和脈沖的給出的方脈沖數角位移轉過一個角度一個脈沖信號角位移輸出將輸入的脈沖電信號功能：對應 下面介紹反應式步進電動機 步進電動機二、基本結構：

23、：片疊成由硅鋼，定子磁極極靴寬度相等轉子：轉子齒。齒寬與極上。兩磁每一相繞組繞在相對的即，相對的勵磁繞組為一相組，每個磁極上套有控制繞定子磁極數相數定子 262mm 步進電動機三、工作原理： 利用反應轉距（不同于電磁轉距）設表示、分別用：轉子齒數表示、分別用：定子磁極相數4321 4CBACBA 623mm 步進電動機三、工作原理： 利用反應轉距（不同于電磁轉距） 磁力線分布磁軛磁極、AA軸線重合。、轉子齒，即正對和轉子齒正對和轉子齒AA31A3A1運行過程分析：. A相通直流脈沖信號，B、C相繞組不通電：如圖示： 步進電動機三、工作原理： 利用反應轉距（不同于電磁轉距） 軸線重合。、轉子齒即

24、AA31運行過程分析：. A相通直流脈沖信號，B、C相繞組不通電：說明：若二者軸線開始不重合，小的路徑磁力線力圖通過磁阻最、AA轉子將受到磁阻轉矩（即反應轉矩）的作用，使轉子轉到軸線重合的位置。 步進電動機三、工作原理： 利用反應轉距（不同于電磁轉距） 軸線重合。、轉子齒即AA31運行過程分析：. A相通直流脈沖信號，B、C相繞組不通電：說明：反應轉矩：又稱磁阻轉矩， 不同于電磁轉矩；反應轉矩的作用：一方面可帶動轉子轉動，另一方面，又可防止轉子自由轉運。分析。 步進電動機三、工作原理： 利用反應轉距（不同于電磁轉距） 軸線重合。、轉子齒即AA31運行過程分析：. A相通直流脈沖信號，B、C相繞

25、組不通電：說明：圖中位置轉子只受到徑向力作用，反映轉矩為零。運行過程分析：.A、C相繞組斷電，B相加脈沖信號，如圖 步進電動機三、工作原理： 利用反應轉距（不同于電磁轉距） 切換瞬間，磁力線以B相磁極軸線對稱分布，如圖。 32B 14B的距離要近過轉子齒和轉子齒的距離要近過轉子齒和轉子齒軸線不重合、此時通過磁力線力圖沿24BBB42B磁阻最小使軸線重合 因產生反應轉矩使轉子逆時針轉過30所以運行過程分析：.B、A相繞組斷電，C相加脈沖信號，如圖 步進電動機三、工作原理： 利用反應轉距（不同于電磁轉距）切換瞬間，磁力線以C相磁極軸線對稱分布，如圖。C13C31CC、磁力線路徑：類似上述分析，可知

26、轉子又轉過30使軸線重合。運行過程分析：. C、B相繞組斷電，A相加脈沖信號，如圖 步進電動機三、工作原理： 利用反應轉距（不同于電磁轉距）切換瞬間，磁力線以A相磁極軸線對稱分布，如圖。A24A42AA、磁力線路徑：類似上述分析，可知轉子又轉過30使軸線重合。運行過程分析： 步進電動機三、工作原理： 利用反應轉距（不同于電磁轉距）結論：（1）.ACBA 按順序輪流加電脈沖（2）若改變通電順序，轉子轉向改變。信號，則轉子齒按逆時針方向一步步地轉運。 步進電動機三、工作原理： 利用反應轉距（不同于電磁轉距）2、基本概念：一拍：控制繞組從一種通電狀態切換到另一種通電狀態，稱為一拍。即改變一次通電方式為一拍。步距角：每一拍轉過的角度。s三拍：經過三次通電狀態的轉換完成一次通電狀態的循環。轉過一個轉子齒對應的空間角度。三相：定子有三相繞組。單：每次只有一相繞組通電。雙