三相交流同步电动机

Exit2020/2/211第六章三相交流同步电动机§6-0概述§6-1同步电动机的工作原理§6-2同步电动机的功率平衡、功角和矩角特性§6-3同步电动机的励磁调节及V形曲线§6-4同步电动机的起动§6-5介绍几种特殊的同步电动机Exit2020/2/212§6-0概述•同步电机其转速不随负载转矩的变化而变化，且与电源频率f成严格的比例关系。min)/(6011rpfn•同步电机的三种运行状态：发电机：气轮发电机及水轮发电机等。电动机：由电网输入电功率，轴端输出机械功率。调相机：专门发出或吸收无功功率，调节电网功率因数•同步电动机的类型很多，工作原理各有特点，但基本原理相同。•同步电动机的结构：由定子和转子组成Exit2020/2/213（1）定子和三相交流异步电动机定子完全一样。电动机的定子又称为电枢。有定子铁心、三相对称绕组、机座、端盖、电刷架等。其作用是产生磁场。（2）转子转子与异步电动机转子不同。转子也需要励磁，且磁极对数与定子磁极对数相同。转子磁极的励磁方式有电磁式和永磁式。转子结构分为凸极式转子和隐极式转子。除了转子磁极外，转子还包括转轴、滑环等。转子的励磁绕组两个出线端接到两个滑环上，通过滑环上的两个静止的电刷向外引出。•电磁式同步电动机的励磁方式直流发电机励磁整流器励磁Exit2020/2/214Exit2020/2/215§6-1同步电动机的工作原理定子同步电动机工作原理×·×··×转子NSSNn1n1Exit2020/2/216§6-1同步电动机的工作原理定子同步电动机工作原理×·×··×转子SNExit2020/2/217§6-1同步电动机的工作原理定子同步电动机工作原理Exit2020/2/218§6-1同步电动机的工作原理定子同步电动机工作原理Exit2020/2/219§6-1同步电动机的工作原理定子同步电动机工作原理Exit2020/2/2110§6-1同步电动机的工作原理定子同步电动机工作原理Exit2020/2/2111§6-1同步电动机的工作原理定子同步电动机工作原理Exit2020/2/2112§6-1同步电动机的工作原理定子同步电动机工作原理Exit2020/2/2113§6-1同步电动机的工作原理定子同步电动机工作原理Exit2020/2/2114§6-1同步电动机的工作原理定子同步电动机工作原理Exit2020/2/2115§6-1同步电动机的工作原理定子同步电动机工作原理同步电动机是一种定子边用交流电流励磁以建立旋转磁场，转子边用直流电流励磁所构成旋转磁极的双边励磁的交流电动机。Exit2020/2/2116同步电动机分为隐极式和凸极式。6-1-1隐极式同步电动机的分析一、隐极式同步电动机的电磁关系aaaaajjjXIjEΦFIUEΦFIU00aaassridtdiLΦFa——电枢磁势；Ea——电枢（反应）电势；Fj——励磁磁势或空载磁势；Eo——励磁电势或空载电势；Es——漏感电势。Exit2020/2/2117•同步电动机空载时，电枢电流很小，可以认为没有电枢磁势，气隙中仅有励磁磁势。所以励磁磁势又称为空载磁势。•励磁磁场和电枢磁场之间无相对运动，且与转子也无相对运动，所以转子内无感应电势。Ea、E0、Es皆为定子中的感应电势。一、隐极式同步电动机的电势平衡方程式和向量图•一相绕组平衡方程式步电抗。隐极式同步电动机的同—反应电抗；隐极式同步电动机电枢—式中tasattaaaasaXXXXX,jXrIEUrIEEEU0101Exit2020/2/2118•隐极式同步电动机一相等值电路图和向量图Exit2020/2/21196-1-2凸极式同步电动机的电势平衡方程式和向量图•隐极式同步电动机的电枢反应和电枢磁势同步电动机带负载运行时，定子电流增大，三相绕组产生的电枢磁场会对励磁磁场产生影响，称为电枢反应。由于气隙磁阻均匀，且线性，所以电枢磁势和磁密在空间分布一致，都呈正弦分布，所以电枢反应电势可用电枢反应电抗Xa的压降来反应。•凸极式同步电动机的电枢反应和电枢磁势（1）同步电动机的凸极效应使得电枢反应磁场的磁感应强度分布发生畸变。而且随着转子相对电枢磁势的位置不同，电枢磁场的分布也不同。Exit2020/2/2120Exit2020/2/2121Exit2020/2/2122Exit2020/2/2123Exit2020/2/2124（2）电枢磁势可分解为一个直轴磁势和一个交轴磁势将电枢电流分解为一个直轴分量和一个交轴分量qdaIII为交轴分量。—为直轴分量；—其中cosIIsinIIaqad而且qdaaqadcosFFsinFFFF则为磁势交轴分量。—为磁势直轴分量；—FExit2020/2/2125•直轴、交轴电枢反应磁势分别产生直轴电枢反应磁通和交轴电枢反应磁通，从而在电枢绕组中分别产生直轴电枢反应电势和交轴电枢反应电势。若铁心不饱和，则有aqqaqaddadXIjEXIjE其中Xad——为直轴电枢反应电抗，它与直轴磁路的磁阻成反比；Xaq——为交轴电枢反应电抗，它与交轴磁路的磁阻成反比。因为交轴处气隙大，磁阻大；而直轴处气隙小，磁阻小，所以有XadXaq。Exit2020/2/2126•凸极式同步电动机电势平衡方程式和向量图考虑到直轴磁势和交轴磁势分别产生漏磁通，因此交轴同步电抗。—直轴同步电抗；—式中saqqsaddqqddaaXXXXXXXIjXIjrIEU01隐极式同步电动机的气隙均匀，可以由凸极式同步电动机电压平衡方程式推导出隐极式电动机电压平衡方程式，所以隐极式同步电动机是凸极式同步电动机的一个特例。Exit2020/2/2127Exit2020/2/2128§6-2同步电动机的功率平衡、功角和矩角特性1PmP2PCupFePjxpjfp6-2-1同步电动机的功率和转矩一、功率平衡关系和转矩平衡关系功率平衡关系为空载损耗。—其中jxjfPPP0Exit2020/2/2129则同步电动机的效率为：01112100100PPPP%PPP%PPFecu式中•转矩平衡方程式空载转矩。—电磁转矩；—输出转矩—式中有两边同除以同步角速度1001mem1220em20mjfjxm2/PM/PM;PMMMMPPPPPPExit2020/2/2130二、电磁功率和电磁转矩表达式同步电动机的铜耗和铁耗都很小，为分析方便可予以忽略。则因数。相电压、相电流和功率、分别为定子绕组的相数、、、式中cosIUmcosImUPPaam111向量图（忽略定子绕组电阻）Exit2020/2/2131。之间的夹角，称为功角和—率因数角；之间的夹角，称为内功和—因数角；之间的夹角，称为功率和—式中001EUIEIUaasinsincoscosImUcosImUPaam11dadqaqddqqXcosUEsinIIXsinUcosIIcosUEXIsinUXI101101将电流代入功率公式：Exit2020/2/2132MMsinXXmUsinXEmUMPPsinXXUmsinXEUmPqdd''m'mqddm2112211212110112101，速度将上式两边除以同步角。为附加分量或磁阻分量—，为基本分量；—，MPMPmm对隐极式同步电动机不存在附加分量：Exit2020/2/2133sinXEmUMsinXEUmPddm101016-2-2功角特性和矩角特性当电网电压U1和频率f不变，励磁电流Ij不变和、E0不变时，同步电动机的电磁功率和电磁转矩仅取决于功角的大小。•功角特性电磁功率Pm和功角的关系Pm=f()称为同步电动机的功角特性。•矩角特性电磁转矩Mem与功角的关系Mem=f()，称为同步电动机的矩角特性。Exit2020/2/2134•凸极和隐极同步电动机的功角和矩角特性曲线Exit2020/2/2135•功角是同步电动机的一个重要参数。在时间上表示电网电压Ù1和励磁电压È0之间的相位差；在空间上表示励磁磁场和定子合成磁场之间的空间夹角。同步电动机的运行状态完全取决于功角。（1）当0时，定子合成磁场超前励磁磁场，两个磁场之间产生切向电磁力，其电磁转矩带动转子以同步速度旋转，同步电动机处于电动机运行状态。（2）当=0时，两个磁极轴线重合，电磁转矩为零。（3）当0时，转子磁极拖着合成磁极旋转，产生的电磁转矩与转子转动方向相反，为制动Exit2020/2/2136转矩，此时转子必须外面有原动机带动转子转动，这样同步电动机从轴上输入机械功率，从定子绕组端输出电功率，同步电动机处于发电机工作状态。6-2-3同步电动机的稳定性和负载能力•隐极式同步电动机矩角特性在090°范围内，矩角特性OC段是稳定运行区。通常用最大转矩Mmax与额定电磁转矩MN之比定义为同步电动机的过载倍数mNNmaxmsinMM1，增加励磁电流也可提高过载能力。jmaxIMExit2020/2/2137失步现象当负载转矩增大且超过最大电磁转矩Mmax时，功角增大，并超过90°，而电磁转矩继续下降，使电机不断减速而不能与定子磁极同步运行，这种现象称为失步。•凸极同步电动机矩角特性在U1、f和励磁电流相同的情况下，由于附加转矩的影响，使矩角特性最大转矩Mmax有所增加，因而凸极同步电动机过载能力比隐极式同步电动机要大。•同步电动机的机械特性Exit2020/2/2138[例]一台隐极式同步电动机的额定数据为（超前）定子绕组星形接法，同步电抗，如忽略定子电阻，求该电动机在额定运行时（1）励磁电势，（2）功角，（3）电磁功率，（4）过载能力。87.062I5000UNNNcosA,V,Ω3.40Xtar0ENmPm[解]励磁电势。该同步电动机向量图如图所示。0EExit2020/2/2139由向量图可知：V74.46523.406249.03500087.035000XIsinUcosUE1222teNN2NN079.275.2929.5729.5787.0350003.406249.035000arctancosUXIsinUarctan2NNNNtNNNNe功角Exit2020/2/2140kW71.46674.465279.27sin350003sinXEU3PP3Nt0Nmm电磁功率14.279.27sin1sin14Nmm过载倍数[例]凸极式同步电动机（自学）Exit2020/2/2141§6-3同步电动机的励磁调节及V形曲线6-3-1励磁调节•同步电动机在电网电压U1、电网频率f以及输出功率P2保持不变的情况下，改变励磁电流的大小，可以改变功率因数cosN的大小。假设：（1）不计凸极效应，即tqdXXX（2）不计电机的损耗，所以输入功率2m1PPP为常数，则常数常数sinXEUmPcosImUPt01ma11Exit2020/2/2142不变，则有1U常数常数sinEcosI0a因为隐极式同步电动机电势平衡方程式为ta0taaa01XIjEXIjrIEU所以当U1不变时，改变励磁电流Ij会引起励磁电势、电枢电流的大小和相位都改变，因此功率因数也改变。0EaI•下面是以为参考向量，当为三种不同状态时的向量图。1U1UExit2020/2/2143Exit2020/2/2144（1）当。Ìa与Ù1同相，为纯有功电流，Ia