三相交流同步電動(dòng)機(jī)

第六章三相交流同步電動(dòng)機(jī)§6-0概述§6-1同步電動(dòng)機(jī)的工作原理§6-2同步電動(dòng)機(jī)的功率平衡、功角和矩角特性§6-3同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)及V形曲線§6-4同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)§6-5介紹幾種特殊的同步電動(dòng)機(jī)2/5/20231§6-0概述

同步電機(jī)其轉(zhuǎn)速不隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化而變化，且與電源頻率f成嚴(yán)格的比例關(guān)系。

同步電機(jī)的三種運(yùn)行狀態(tài)：發(fā)電機(jī)：氣輪發(fā)電機(jī)及水輪發(fā)電機(jī)等。電動(dòng)機(jī)：由電網(wǎng)輸入電功率，軸端輸出機(jī)械功率。調(diào)相機(jī)：專門發(fā)出或吸收無功功率，調(diào)節(jié)電網(wǎng)功率因數(shù)同步電動(dòng)機(jī)的類型很多，工作原理各有特點(diǎn)，但基本原理相同。同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)：由定子和轉(zhuǎn)子組成2/5/20232（1）定子和三相交流異步電動(dòng)機(jī)定子完全一樣。

電動(dòng)機(jī)的定子又稱為電樞。有定子鐵心、三相對稱繞組、機(jī)座、端蓋、電刷架等。其作用是產(chǎn)生磁場。（2）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子與異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子不同。轉(zhuǎn)子也需要?jiǎng)?lì)磁，且磁極對數(shù)與定子磁極對數(shù)相同。轉(zhuǎn)子磁極的勵(lì)磁方式有電磁式和永磁式。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分為凸極式轉(zhuǎn)子和隱極式轉(zhuǎn)子。除了轉(zhuǎn)子磁極外，轉(zhuǎn)子還包括轉(zhuǎn)軸、滑環(huán)等。轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁繞組兩個(gè)出線端接到兩個(gè)滑環(huán)上，通過滑環(huán)上的兩個(gè)靜止的電刷向外引出。電磁式同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁方式直流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁整流器勵(lì)磁2/5/202332/5/20234§6-1同步電動(dòng)機(jī)的工作原理

定子同步電動(dòng)機(jī)工作原理×·×··×轉(zhuǎn)子NSSNn1n12/5/20235§6-1同步電動(dòng)機(jī)的工作原理

定子同步電動(dòng)機(jī)工作原理×·×··×轉(zhuǎn)子SNNS2/5/20236§6-1同步電動(dòng)機(jī)的工作原理

定子同步電動(dòng)機(jī)工作原理×·×··×轉(zhuǎn)子SNNS2/5/20237§6-1同步電動(dòng)機(jī)的工作原理

定子同步電動(dòng)機(jī)工作原理×·×··×轉(zhuǎn)子SNNS2/5/20238§6-1同步電動(dòng)機(jī)的工作原理

定子同步電動(dòng)機(jī)工作原理×·×··×轉(zhuǎn)子SNNS2/5/20239§6-1同步電動(dòng)機(jī)的工作原理

定子同步電動(dòng)機(jī)工作原理×·×··×轉(zhuǎn)子SNNS2/5/202310§6-1同步電動(dòng)機(jī)的工作原理

定子同步電動(dòng)機(jī)工作原理×·×··×轉(zhuǎn)子SNNS2/5/202311§6-1同步電動(dòng)機(jī)的工作原理

定子同步電動(dòng)機(jī)工作原理×·×··×轉(zhuǎn)子SNNS2/5/202312§6-1同步電動(dòng)機(jī)的工作原理

定子同步電動(dòng)機(jī)工作原理×·×··×轉(zhuǎn)子SNNS2/5/202313§6-1同步電動(dòng)機(jī)的工作原理

定子同步電動(dòng)機(jī)工作原理×·×··×轉(zhuǎn)子SNNS2/5/202314§6-1同步電動(dòng)機(jī)的工作原理

定子同步電動(dòng)機(jī)工作原理×·×··×轉(zhuǎn)子SNNS同步電動(dòng)機(jī)是一種定子邊用交流電流勵(lì)磁以建立旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子邊用直流電流勵(lì)磁所構(gòu)成旋轉(zhuǎn)磁極的雙邊勵(lì)磁的交流電動(dòng)機(jī)。2/5/202315同步電動(dòng)機(jī)分為隱極式和凸極式。6-1-1隱極式同步電動(dòng)機(jī)的分析一、隱極式同步電動(dòng)機(jī)的電磁關(guān)系Fa——電樞磁勢；Ea——電樞（反應(yīng)）電勢；Fj——?jiǎng)?lì)磁磁勢或空載磁勢；Eo——?jiǎng)?lì)磁電勢或空載電勢；

Es——漏感電勢。2/5/202316同步電動(dòng)機(jī)空載時(shí)，電樞電流很小，可以認(rèn)為沒有電樞磁勢，氣隙中僅有勵(lì)磁磁勢。所以勵(lì)磁磁勢又稱為空載磁勢。勵(lì)磁磁場和電樞磁場之間無相對運(yùn)動(dòng)，且與轉(zhuǎn)子也無相對運(yùn)動(dòng)，所以轉(zhuǎn)子內(nèi)無感應(yīng)電勢。Ea、E0、Es皆為定子中的感應(yīng)電勢。一、隱極式同步電動(dòng)機(jī)的電勢平衡方程式和向量圖

一相繞組平衡方程式2/5/202317

隱極式同步電動(dòng)機(jī)一相等值電路圖和向量圖2/5/2023186-1-2凸極式同步電動(dòng)機(jī)的電勢平衡方程式和向量圖隱極式同步電動(dòng)機(jī)的電樞反應(yīng)和電樞磁勢

同步電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)，定子電流增大，三相繞組產(chǎn)生的電樞磁場會(huì)對勵(lì)磁磁場產(chǎn)生影響，稱為電樞反

應(yīng)。

由于氣隙磁阻均勻，且線性，所以電樞磁勢和磁密在空間分布一致，都呈正弦分布，所以電樞反應(yīng)電勢可用電樞反應(yīng)電抗Xa的壓降來反應(yīng)。凸極式同步電動(dòng)機(jī)的電樞反應(yīng)和電樞磁勢

（1）同步電動(dòng)機(jī)的凸極效應(yīng)使得電樞反應(yīng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布發(fā)生畸變。而且隨著轉(zhuǎn)子相對電樞磁勢的位置不同，電樞磁場的分布也不同。2/5/2023192/5/2023202/5/2023212/5/2023222/5/202323（2）

電樞磁勢可分解為一個(gè)直軸磁勢和一個(gè)交軸磁勢將電樞電流分解為一個(gè)直軸分量和一個(gè)交軸分量而且2/5/202324

直軸、交軸電樞反應(yīng)磁勢分別產(chǎn)生直軸電樞反應(yīng)磁通和交軸電樞反應(yīng)磁通，從而在電樞繞組中分別產(chǎn)生直軸電樞反應(yīng)電勢和交軸電樞反應(yīng)電勢。若鐵心不飽和，則有其中Xad——為直軸電樞反應(yīng)電抗，它與直軸磁路的磁阻成反比；

Xaq——為交軸電樞反應(yīng)電抗，它與交軸磁路的磁阻成反比。因?yàn)榻惠S處氣隙大，磁阻大；而直軸處氣隙小，磁阻小，所以有Xad>Xaq。2/5/202325

凸極式同步電動(dòng)機(jī)電勢平衡方程式和向量圖

考慮到直軸磁勢和交軸磁勢分別產(chǎn)生漏磁通，因此隱極式同步電動(dòng)機(jī)的氣隙均勻，可以由凸極式同步電動(dòng)機(jī)電壓平衡方程式推導(dǎo)出隱極式電動(dòng)機(jī)電壓平衡方程式，所以隱極式同步電動(dòng)機(jī)是凸極式同步電動(dòng)機(jī)的一個(gè)特例。2/5/2023262/5/202327§6-2同步電動(dòng)機(jī)的功率平衡、功角和矩角特性6-2-1同步電動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩一、功率平衡關(guān)系和轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系

功率平衡關(guān)系

2/5/202328則同步電動(dòng)機(jī)的效率為：

轉(zhuǎn)矩平衡方程式2/5/202329二、電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式同步電動(dòng)機(jī)的銅耗和鐵耗都很小，為分析方便可予以忽略。則向量圖（忽略定子繞組電阻）2/5/202330將電流代入功率公式：2/5/202331對隱極式同步電動(dòng)機(jī)不存在附加分量：2/5/2023326-2-2功角特性和矩角特性

當(dāng)電網(wǎng)電壓U1和頻率f不變，勵(lì)磁電流Ij不變和、E0不變時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)的電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩僅取決于功角的大小。

功角特性電磁功率Pm和功角的關(guān)系Pm=f()

稱為同步電動(dòng)機(jī)的功角特性。

矩角特性電磁轉(zhuǎn)矩Mem與功角的關(guān)系Mem=f()，

稱為同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性。2/5/202333

凸極和隱極同步電動(dòng)機(jī)的功角和矩角特性曲線2/5/202334

功角是同步電動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)。在時(shí)間上表示電網(wǎng)電壓ù1和勵(lì)磁電壓è0之間的相位差；在空間上表示勵(lì)磁磁場和定子合成磁場之間的空間夾角。同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)完全取決于功角。（1）當(dāng)>0時(shí)，定子合成磁場超前勵(lì)磁磁場，兩個(gè)磁場之間產(chǎn)生切向電磁力，其電磁轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)轉(zhuǎn)子以同步速度旋轉(zhuǎn)，同步電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。（2）當(dāng)=0時(shí)，兩個(gè)磁極軸線重合，電磁轉(zhuǎn)矩為零。（3）當(dāng)<0時(shí)，轉(zhuǎn)子磁極拖著合成磁極旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，為制動(dòng)2/5/202335

轉(zhuǎn)矩，此時(shí)轉(zhuǎn)子必須外面有原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣同步電動(dòng)機(jī)從軸上輸入機(jī)械功率，從定子繞組端輸出電功率，同步電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)。6-2-3同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性和負(fù)載能力隱極式同步電動(dòng)機(jī)矩角特性在0

<<90°范圍內(nèi)，矩角特性O(shè)C段是穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)。通常用最大轉(zhuǎn)矩Mmax與額定電磁轉(zhuǎn)矩MN之比定義為

同步電動(dòng)機(jī)的過載倍數(shù)m，增加勵(lì)磁電流也可提高過載能力。2/5/202336失步現(xiàn)象當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大且超過最大電磁轉(zhuǎn)矩Mmax

時(shí)，功角增大，并超過90°，而電磁轉(zhuǎn)矩繼續(xù)下降，使電機(jī)不斷減速而不能與定子磁極同步運(yùn)行，這種現(xiàn)象稱為失步。

凸極同步電動(dòng)機(jī)矩角特性在U1、f和勵(lì)磁電流相同的情況下，由于附加轉(zhuǎn)矩的影響，使矩角特性最大轉(zhuǎn)矩Mmax有所增加，因而凸極同步電動(dòng)機(jī)過載能力比隱極式同步電動(dòng)機(jī)要大。同步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性2/5/202337[例]一臺隱極式同步電動(dòng)機(jī)的額定數(shù)據(jù)為（超前）定子繞組星形接法，同步電抗，如忽略定子電阻，求該電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)（1）勵(lì)磁電勢，（2）功角，（3）電磁功率，（4）過載能力。[解]勵(lì)磁電勢。該同步電動(dòng)機(jī)向量圖如圖所示。2/5/202338由向量圖可知：2/5/202339[例]凸極式同步電動(dòng)機(jī)（自學(xué)）2/5/202340§6-3同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)及V形曲線6-3-1勵(lì)磁調(diào)節(jié)同步電動(dòng)機(jī)在電網(wǎng)電壓U1、電網(wǎng)頻率f以及輸出功率P2保持不變的情況下，改變勵(lì)磁電流的大小，可以改變功率因數(shù)cosN的大小。假設(shè)：（1）不計(jì)凸極效應(yīng)，即（2）不計(jì)電機(jī)的損耗，所以輸入功率為常數(shù)，則2/5/202341因?yàn)殡[極式同步電動(dòng)機(jī)電勢平衡方程式為所以當(dāng)U1不變時(shí)，改變勵(lì)磁電流Ij會(huì)引起勵(lì)磁電勢、電樞電流的大小和相位都改變，因此功率因數(shù)也改變。

下面是以為參考向量，當(dāng)為三種不同狀態(tài)時(shí)的向量圖。2/5/2023422/5/202343（1）當(dāng)。ìa與ù1同相，為純有功電流，Ia值最小。此時(shí)電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)只吸收有功功率。這種勵(lì)磁狀態(tài)稱為“正?！眲?lì)磁狀態(tài)。（2）調(diào)節(jié)Ij使其小于正常勵(lì)磁電流，此時(shí)電樞電流。此情況下電動(dòng)機(jī)除從電網(wǎng)吸收一定的有功功率外，還從電網(wǎng)吸收一定的滯后的無功功率，這種勵(lì)磁狀態(tài)稱為“欠勵(lì)”狀態(tài)。（3）調(diào)節(jié)Ij使其大于正常勵(lì)磁電流，此時(shí)電樞電流。此情況下電動(dòng)機(jī)一方面吸收一定的有功功率，同時(shí)還要從電網(wǎng)吸收一定的超前無功功率，這種勵(lì)磁狀態(tài)稱為“過勵(lì)”狀態(tài)。2/5/202344

調(diào)節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流即可方便而又靈活的調(diào)節(jié)它的無功功率和功率因數(shù)，當(dāng)處于過勵(lì)狀態(tài)時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)在電網(wǎng)上是一個(gè)容性負(fù)載，它可補(bǔ)償電網(wǎng)一般處于感性負(fù)載的不利狀態(tài)，從而提高電網(wǎng)的功率因數(shù)。有時(shí)為了改善供電系統(tǒng)的功率因數(shù)，而將同步電動(dòng)機(jī)作空載運(yùn)行，專門用來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的無功功率，這種運(yùn)行狀態(tài)的同步電動(dòng)機(jī)稱為同步補(bǔ)償機(jī)或同步調(diào)相機(jī)。6-3-2V形曲線

同步電動(dòng)機(jī)的V形曲線是指當(dāng)電網(wǎng)電壓、頻率均為額定值，即U1=UN，f=fN時(shí)，在輸出功率不變情況下，電樞電流與勵(lì)磁電流的關(guān)系曲線即

Ia=f(Ij)

曲線。2/5/202345

不同輸出功率下的勵(lì)磁電流和電樞電流的關(guān)系曲線2/5/202346（1）對應(yīng)于每條雙曲線的最低點(diǎn)，電樞電流Ia為最小值，此時(shí)電樞電流只有有功電流，。電機(jī)為正常勵(lì)磁。（2）當(dāng)Ij小于正常勵(lì)磁電流時(shí)，電機(jī)為欠勵(lì)。此時(shí)電樞電流出現(xiàn)了感性無功電流，因此電樞電流增大。（3）當(dāng)Ij大于正常勵(lì)磁電流時(shí)，電機(jī)為過勵(lì)。此時(shí)電樞電流除有功電流外，還出現(xiàn)了超前無功電流，因此電樞電流也增大。（4）輸出功率增大，V形曲線向上向右移。因?yàn)殡姌须娏鞯挠泄Ψ至繉⒃龃?，因此最低點(diǎn)上移；另外勵(lì)磁電勢增大，因此勵(lì)磁電流也增大。2/5/202347[解]表示電流與電壓之間的相位差，滯后表示電流滯后電壓。則工廠原來所消耗功率情況為：2/5/202348（1）選用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)時(shí)2/5/202349（2）選用同步電動(dòng)機(jī)時(shí)2/5/202350§6-4同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)

若不采取措施，通常同步電動(dòng)機(jī)是不能自行起動(dòng)的。2/5/202351起動(dòng)繞組為短路繞組，起動(dòng)時(shí)，勵(lì)磁繞組接上一個(gè)電阻。然后再接入勵(lì)磁電源。2/5/202352

同步電動(dòng)機(jī)可以采取異步起動(dòng)。先使同步電動(dòng)機(jī)在異步轉(zhuǎn)矩的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)起來，待轉(zhuǎn)速上升到接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，再給轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組通入直流電源，使轉(zhuǎn)子建立磁場。依靠定、轉(zhuǎn)子磁場相互作用所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，將轉(zhuǎn)子牽入同步。所以異步起動(dòng)過程包括“異步起動(dòng)”

和“牽入同步”兩個(gè)階段。

異步起動(dòng)時(shí)勵(lì)磁繞組決不能開路。否則在匝數(shù)較多的勵(lì)磁繞組端產(chǎn)生很高的感應(yīng)電勢，可能使勵(lì)磁繞組被擊穿；或危及生命。

也不能將勵(lì)磁繞組直接短路。因?yàn)閯?lì)磁繞組感應(yīng)產(chǎn)生的單相電流所產(chǎn)生的脈振磁場可分解為2/5/202353與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同的正序磁場及與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反的負(fù)序磁場。正序磁場產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和負(fù)序磁場產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的合成轉(zhuǎn)矩即單軸轉(zhuǎn)矩