李发海电机与拖动基础第四版第九章剖析

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1、第九章 同步电动机 9.1 概述 三相交流电机的转速满足方程式 的电机就称为同步 电机。由于我国交流电源的频率恒为50HZ,所以同步机的转速与 极对数间有严格的对应关系。 同步电机主要用作发电机。对大功率生产机械，由于同步电机 比同容量的异步电机的功率因数高，并且功率因数可调而获得应 用。目前小功率永磁同步电动机也获得广泛应用。 同步电机的定子结构与三相异步电机完全相同；转子有两种结,构，一种是凸极式，转子上装有磁极，如图 9.1所示，磁极由钢板 叠成或由铸钢铸成。磁极上套有线圈，通电后产生极性，如图9.1 中的 N，S 极。另一种是隐极式的，即转子是圆柱体，内装有励 磁绕组，如图 9.2 所

2、示，用于大容量、高转速的同步机。,图 9.1 凸极同步电动机,图 9.2 隐极同步电动机转子,同步电机的电源有两种，即有励磁机供电或交流电源整流供 电，都可方便地调节励磁电流。 国产同步电机的型号如TD118/41-6的含义如下：,常用同步电机的型号有TD系列 、TDK系列、TDZ系列、TDK 系列、TDG系列和 TDL 。 同步电机的额定数据有：额定容量 （ ），额定电压 （ ），额定电流 （ ），额定功率因数 ，额定,转速 （ ），额定效率 ，额定频率 （ ），额定励磁 电压 （ ）和额定励磁电流 （ ）。 9.2 同步电动机的电磁关系 9.2.1 同步电动机的磁通势 将同步机定子绕组接到

3、三相对称电源上时，便产生旋转的电枢 磁通势，用空间矢量 表示，设其作逆时针以同步速转动。由转 子电流 产生的磁通势叫励磁磁通势 ，也是一个空间矢量，与 转子一起逆时针旋转。下面先分析励磁磁通势 单独作用的况。 分析前，先假设转子 N极和 S极的中心线为纵轴，又称 d 轴,与纵轴相距 电角度处的轴为横轴，又称 q 轴，见图 9.3 。由图 可知 作用在纵轴方向，它产生的磁通 依纵轴对称分布，并 随转子一同旋转，见图9.4 。,图 9.3 同步电机的纵轴与横轴,图 9.4 由励磁磁通势 单独产生的磁通,而 虽然与 同步，但位置却不同，即不在纵轴上，由于凸极 同步机气隙很不均匀，无法计算磁通，故提出

4、双反应原理。 9.2.2 凸极同步机的双反应原理 设电枢磁通势 与励磁磁通势 已经给定，见图 9.5（a）。由 于这两个磁通势相对静止，可将 分成纵轴分量 和横轴分量 ，即 ，当分别考虑他们的作用时，他们分别 为纵轴和横轴的对称磁路，这就给分析问题带来方便，这种分析 问题的方法称为双反应原理。 将 单独在主磁路里产生的磁通称纵轴电枢磁通 ，画在图 9.5（b）中，将 单独在主磁路里产生的磁通称横轴电枢磁通 画在图 9.5（c）中，两者都以同步速逆时针旋转。,图 9.5 纵轴与横轴磁通势及磁通,电枢磁通势 的大小为 纵轴磁通势 可写成 横轴磁通势 可写成,由于三相对称，只取其一相，则与纵轴和横轴

5、对应的电流可 分别表示成 与 ，根据关系式 可得：,9.2.3 凸极同步电动机电压平衡方程式 将 、 、 分别在绕组中的感应电动势表示为 、 和 ，根据图 9.6给定的各电量正方向可立出 A 相回路的电压方 程式为 （9-1） 式中， 是定子绕组的一相电阻， 是定子绕组的一相电抗。 由于磁路线性， 落后 电角度，故得：,同理有： 式中 为纵轴电枢反应电抗， 为纵轴 电枢反应电抗，对同一台电机都是数。 把式（9-2）、式（9-3）代入式（9-1） 得： 再将 代入上式，整理得：,图 9.6 同步电机各电量的正方向 （用电动机惯例）,在同步机容量较大时可忽略 ，于是得： （9-4）,式中 称为纵轴

6、同步电抗， 称为横轴同 步抗。由于同步机作电动机运行，必有 ，即定 子相电流有功分量与相电压同相位。 9.2.4 凸极同步电动机的电动势相量图 根据式（9-4）的关系式，画出同步机运行于,电动机状态的 的向量图，见图 9.7 。 图中， 与 之间的夹角为 ； 与 的夹 角为 ； 与 的夹角为 。并且,其中， 为功率因数角， 为功率角。 综上所述，凸极同步电动机的电磁关系符合图 9.8 的思路。,9.2.5 隐极同步电动机 由于隐极同步电动机气隙是均匀的，纵轴电抗与横轴电抗在数 值上是相等的，即 式中 为隐极同步电动机的同步电抗。,对隐极式同步电动机，式（9-4） 变为： （9-5） 图9.9

7、是该电动机的电动势向量图。,图9.9 隐极式同步电动机的电动势向量图,9.3 同步电动机的功率关系与矩角特性 9.3.1 功率关系 同步电动机的输入功率 减去定子绕组同耗 就是电磁功率 ，即,再从电磁功率 中扣除铁耗 和机械损耗 变为输出的机械功 率 即 （9-6） 其中，铁耗和机械损耗之和称为空载损耗 ，即 。 图 9.11为同步电动机的功率流程图。,图 9.11同步电动机的功率流程图,依据电磁功率就可算出电磁转矩为： ，式中 为同步电动机的角速度。 将式（9-6）等号两边都除以 ，就得到其转矩平衡式，即 式中 称为空载转矩。 9.3.2 电磁功率 忽略定子电阻 ，电磁功率为 。 由图 9.

8、7中 的关系可得,从图9.7还知 综合上述关系得 将三角函数式 代入上式，整得： 式（9-7）推出了电磁转矩 和 的关系。,9.3.3 功角特性 电网的电源电压 、频率 通常不变，若保持励磁电流也变， 则 也不变，而 ， 为已知数，因此 与 为函数关系。我 们把 的关系式称为同步电动机的功角特性，见图 9.12 。,图 9.12 凸极同步机的功角、矩角特性,式中第一项时主要的，为励磁功率， 即 ，见图 9.12 曲线 1,。 当 时，励磁功率达到最大，为 第二项为凸极电磁功率，即,当 时，其值最大，表示为： 与 的关系如图 9.12 中的曲线 2 。曲线 3 是是合成的总的电 磁功率与 的关系

9、。 9.3.4 矩角特性 把式（9-7）等号两边同除以机械角速度，得电磁转矩与 角 的关系式为 将此关系式也画在图 9.12中，与矩角特性仅差个比例尺。 而隐极电机的参数 ，于是式（9-7）变为：,这就是隐极电机的工角特性。 上式两边同除以 ，则得隐极 同步机的矩角特性的关系式： 图 9.13 为隐极同步机的矩角特性。,图 9.13 隐极同步电动机的矩角特性,在固定励磁电流的条件下，隐极1式同步电机的最大电磁功率 与最大电磁转矩 分别为：,9.3.5 稳定运行 1. 当电动机在 范围内拖动负载见图 9.14（a），在 角时，电磁转矩与负载转矩相平衡即 ， 当负载增到 时，转子减速使 角增至 ，

10、与其对应的电磁转矩 为 ，若此时 则电机继续同步运行。而当负载又恢复到,图 9.14 同步电动机的稳定运行,时，电动机的 又恢复到 ， 所以电动机能稳定运行。 2. 当电机带负载运行在 范围内 本来电机运行于 ，见图 9.14（b），此时电磁转矩与负载相 平衡，即 ，现在负载突然增至 ，此时 角增至 ，对 应电磁转矩小于负载转矩，即 ，这样，角继续增大，电 磁转矩继续变小，找不到平衡点，转子失去同步，无法稳定运 行。 同步电动机负载变化时，角随之变化，且电磁转矩 或电磁 功率 也随之变化，而转速始终为同步速 ，所以同步电机的机,械特性为一条直线，是硬特性。 同步电动机最大电磁转矩 与额定转矩

11、之比叫过载倍数， 用 表示，即 角有双重含义。一为 与 之间的时间电角度；二为励磁磁 通势 与与合成磁通 间的空间电角度。 对应 ，,图 9.15 等效磁极,近似对应着 。 为等效磁极，拖着转 子以同步速旋转，如图 9.15 所示。 如果转子磁极在前，等效磁极在后， 即转子拖着等效磁极旋转，是发电机运行 状态，反子为电动机运行状态。,9.4 同步电动机功率因数的调节 9.4.1 同步电动机功率因数的调节 同步电动机在电源电压 U 、频率 f 不变，其有功负载保持常数 时，改变其励磁电流，就能调节它的功率因数。 忽略空载转矩，同步机负载不变，可认为是电磁转矩不变，即 ，根据（9-8）式，有 由于

12、上式中，U、 和 都是常数，则上式可写成 （9-9） 同理，负载转矩不变，可认为输入功率不变，忽略各种损耗 后，可认为 在电压不变的条件下，,必有 （9-10） 该式表示负载不变时，定子边的 有功电流应保持不变。 根据（9-9）、（9-10）的条 件画出不同三种不同励磁电流对 应不同电动势的向量图，如图 9.17所示。图中 所以 由图可以看出调节励磁电流 时，同步电动机的功率因数的变 化规律如下：,图9.17同步电动机机械负载不变，仅改变励磁电流的电动势相量图,（1）若励磁电流为 时，定子电流 与 同相，称为正常励磁 状态，见图 9.17 中的 ， 相量。这类似纯电阻状态， 。 （2）减小励磁

13、电流，称为欠励状态，见图中的 和 。此时定 子电流 落后 为 角，像电感电阻负载。 （3）增加励磁电流，称为过励状态，见图中的 和 。此时定 子电流 超前 为 ，像电容电阻负载。这是同步电动机常运 行的状态。 可见，调节励磁电流能改变同步机的功率因数，这是异步电 动机办不到的。 9.4.2 U型曲线 在图 9.17中，正常励磁时，定子电流最小，过励或欠励时，定 子电流都会增大，定子电流和励磁电流之间的关系像U字形，故,图 9.19 同步电动机U形曲线,称U形曲线。 图中，在相同励磁电流下，功率 增大，定子电流也增大，曲线向右 上方移动。把每条曲线的 的点连起来成为 的线。该 线微微右斜，说明输

14、出的纯有功功 率增大时，必须增加励磁电流。,由图可知， 线左边是欠励区，右边是过励区。严重欠 励将导致电机进入不稳定区，见图 9.19 。 也可用另一种思路理解功率因数可调的原因：转子欠励时， 定子需从电源吸收滞后的无功功率来建立磁场；转子过励时，需,要从电源吸收超前的无功功率来建立磁场；转子正常励磁时， 不需要定子边提供无功功率。 9.5 同步电动机的启动 9.5.1 同步电动机的异步启动 同步电机没有启动力矩，解决方法之一是在凸极转子上装启 动绕组，其结构类同鼠笼绕组。通电后，同步机向异步机那样 启动，当转速接近同步速时，给励磁绕组通入直流，将转子牵 入同步。 注意，启动时励磁绕组不能开路，以防定子旋转磁密感应的 高电势损坏励磁绝缘；励磁绕组也不能短路，否则在励磁绕组 中的感应电流产生的转矩将影响同步机牵入同步。,在启动过程中，通常在励磁绕组中串入510 倍的励磁绕组电 阻值为宜。 9.5.2 变频启动 同步机启动的另一种方法是采用自控式同步电动机控制方法， 即变频启动。详见10.7 节。 第九章完,