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1、9.1 概述:,三相异步机的转速与定子电流的频率满足,特点:同步电机的负载改变时,只要电源频率不变,转速就不变.,第九章 同步电动机,三相同步机的转子装有励磁绕组形成的磁极。,凸极机多用于低速，转子 短，气隙不均匀；隐极机多 用于高速，转子细长，气隙 均匀。, 优点:(相对于异步机),1)功率因数较高并可以调节，可改善电网的功率因数;, 同步电机的型号 :,2)对大功率低转速的电动机,同步电动机的体积要小.,TD118/41 - 6,常用的同步电机的型号请见P291, 同步电动机的额定数据 :,PN 、UN、IN、 cosN、nN、N、f N、Uf N 、 If N,第九章 同步电动机,9.2
2、同步电机的基本工作原理与结构,9.2.1 同步电机的基本结构,（以汽轮发电机为例）,第九章 同步电动机,第九章 同步电动机,9.2.2 同步电机的基本工作原理与分类,一、同步发电机的基本工作原理,大小：,频率：,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 旋转时，其磁场切割定子绕组而感应交流电动势 .,相序：由转子的转向决定。,波形：由 可知，波形取决于 的空间分布。,第九章 同步电动机,发电机的物理过程可用图示表示,第九章 同步电动机,一、同步电动机的基本工作原理,同步电动机就是靠定子和转子之间异性磁极的吸引 力，由旋转磁场带动转子转动起来的。,三、同步电机的分类,按运行方式，
3、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。,第九章 同步电动机,9.2.3 同步电机的额定值,对同步发电机额定值之间关系为：,额定运行时加在三相定子绕组上的线电压。,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
4、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。,在额定运行状态下三相定子绕组的线电流.,第九章 同步电动机,9.3 同步电动机的电磁关系,9.3.1 同步电动机的磁通势,同步电动机的磁通势由励磁磁通势和电枢磁通势两部分合成,为了简明阐述同步电动机的磁通势，我们先规定两个轴,第九章 同步电动机,励磁磁通势相对于转子是静止的，但转子相对于定子以同步转速逆时针方向旋转；而电枢磁通势是三相合成旋转磁通势，也是逆时针方向同步旋转。二者均为空间向量。可见，作用在同步电动机的主磁路上有两个磁通势，这两个磁通势都以同步转速逆时针方向旋转，但二者在空间的位置却不一定相同，可能
5、是一前一后同步旋转。,第九章 同步电动机,设电枢磁通势和励磁磁通势的相对位置已给定如图9.5， 由于电枢磁通势与转子无相对运动,可以把电枢磁通势分为 两个分量,即纵轴分量和横轴分量.请看图.,9.3.2 凸极同步电动机的双反应原理：,第九章 同步电动机,第九章 同步电动机,9.3.3 凸极同步电动机的电压平衡方程式：,研究电机主磁通在定子绕组里感应电动势的情况（以A相为例）。,第九章 同步电动机,9.4.1 同步电动机功率因数的调节：,第九章 同步电动机,改变同步电动机的励磁电流。可以改变其功率因数。这是 异步机办不到的。,9.4 同步电动机功率因数的调节：,调节功率因数的原理：,通过画不同励
6、磁电流下同步电动机的电动势相量图来说明： （分析过程采用隐极式同步机并忽略电动机的各种损耗）,第九章 同步电动机,从图9.16可知:当改变同步电动机的励磁电流时,其功率 因数变化的规律为:,(1)当励磁电流为If 时,使定子电流与电压同相,称为正常励磁 状态.此时,同步电动机象个纯电阻负载,功率因数等于1.,(2)当励磁电流比正常电流小时,称为欠励状态.此时同步电动机 象个电阻电感负载,定子边呈落后的功率因数.,(3)当励磁电流比正常电流大时,称为过励状态.此时同步电动 机象个电阻电容负载,定子边呈领先的功率因数.此状态对改 善电网的功率因数有很大好处.,所以,通常同步电动机要处于过励状态,
7、至少应运行在正常励磁状态.,9.4.2 同步电动机的U型曲线：,现在再研究图9.16中, 当改变励磁电流时,电动机 定子电流变化的情况。,第九章 同步电动机,第九章 同步电动机,请看图9.18,由图可见 : 1、当改变励磁电流时,电动机 定子电流变化的情况呈现U型。 2、当电动机带不同负载时，对 应有一组U型曲线。 3、在励磁电流相同的条件下，输 出功率越大，定子电流越大，所得 U型曲线往右上方移。,第九章 同步电动机,9.5 同步电动机的起动,9.5.1 同步电动机的异步起动,同步电动机本身没有起动转距，所以不能自起动。,方法：在转子磁极上加装起动启动绕组，其结构 如同鼠笼，并且在同步电动机
8、的转子励磁绕组中串入 大约510倍励磁绕组电阻值的附加电阻，用开关形 成闭合回路。起动时，将三相电源通入定子绕组，同 步机就象异步电动机一样能自起动，待转速接近同步 转速时，再把附加电阻切除并立即通以直流。,第九章 同步电动机,9.5.2 变频起动,方法：起动时，转子先加上励磁电流,定子绕组通入 频率极低的三相交流电流,由于电枢磁通势转速极低,转 子便开始旋转,定子边电源频率逐渐升高,转子转速也随 之逐渐升高;当定子边频率达额定值时,转子转速也达额 定值,起动完毕.,很显然，此方法起动，电动机定子电源必须是变频电源。,第九章 同步电动机,第十章 三相交流电动机的调速,交流调速随着电力电子技术、
9、微电子技术、计算机技术以及自动控制技术的发展日趋完善，大有取代直流调速的趋势。 交流调速在工业应用中，大体有三大领域： 1、凡是能用直流调速的场合，都能改为交流调速； 2、直流调速达不到的，都能使用交流调速（如大容 量、高转 速、高电压以及环境十分恶劣的场所）； 3、原来不调速的风机、泵类拖动，采用交流调速可大幅度节能。,交流电机主要是同步电机和异步电机。同步电机的调速主要 靠改变供电电源的频率来改变其同步转速。而异步电动机的调 速方法则很多，本章将重点讲述异步电动机的调速。,返回,一般来说,电动机稳定运行时: T=TL 可见,当TL确定后,调速方法可从Tmax , sm , f1和极对数P四
10、个参数入手 于是有如下四种调速方法: 1.改变转差率S调速，包括降压调速、绕线式异步机转子电路串电阻调速； 2.改变同步转速调速，包括改变极对数、变频调速等； 3. 双馈调速，包括串级调速； 4. 利用转差离合器调速。,返回,第十章 三相交流电动机的调速,.异步电动机的速度调节:,异步机的转速公式为:,其机械特性实用转距公式 :,第十章 三相交流电动机的调速,其特点是n1和sm不变,但Tm变化,对恒转矩 负载(曲线1)与不同电压下机械特性曲线的 交点为 a,b, 这两点所对应的速度变化范围 很小;曲线2为离心式通风机的负载线,它与 不同电压下机械特性的交点为C，d , e . 可见,调速范围较
11、大. 优点:无级调速. 缺点:转矩下降大, 因为: T U2 且调速范围不大,返回,10.1、 降压调速:定子串电阻(电抗)或晶闸管调压,前面已讲过,改变电源电压时的人为机械特性如右下:,第十章 三相交流电动机的调速,对鼠笼式异步电机：若要求电动机拖动恒转距负载并且有较宽的调速范围，则应选用高转差率的电动机。此类电动机具有较软的机械特性（请看图）。,但由于机械特性软，在高速运 行时，效率较低；低速运行时，由 于降低了电压，为保持恒转距负载， 需要更大的电流，除降低效率外，还 要注意过热的问题。同时，工作点还 不易稳定，如C点，只要负载转距或 供电电压稍有波动，都会引起转速的 较大变化，甚至无法
12、工作。,返回,第十章 三相交流电动机的调速,针对以上问题，为了提高调压调速机械特性的 硬度常采用速度负反馈的闭环控制系统。 下面简述速度负反馈的闭环控制系统如何提高电 动机的机械特性硬度。（请看图10.2）,返回,对绕线式异步电机 ：则可在转子里串电阻来得 到较宽的调速范围,绕线式电动机转子串电阻调速的原理接线图,返回,由图可见：转子电路串不同的电阻,其n1和Tmax不变,但Sm随外加电阻的增大 而增大,对于恒转矩负载 TL ,由负载特性曲线与不同外加电阻下电动机的机械 特性的交点可知,随着电阻的增大,电动机的转速降低,10.2、转子电路串电阻调速 这一方法只适用于绕线式异步机,其起动电阻可兼
13、作调速电阻, （作调速用的电阻功率比起动电阻应大些）. 属于恒转距调速方法。 优点：是简单可靠, 缺点: 是为有级调速,而且损耗大 应用：多应用于重复短时运转的生产机械,如起重机,10.3、改变极对数调速: 调速原理根据： n1与 P 成反比，故改变P，即可改变电动机的转速. 具体是由生产厂家生产出多速电机 ， 应用时，用自动 控制线路改变其定子绕组的接线方式来实现。,返回,第十章 三相交流电动机的调速,变极的方法很多，书上介绍了两种：（略） 、Y YY 接法；、 YY 接法。 变极调速的优、缺点： 优点:结构简单,效率高，特性好. 缺点:体积稍大，价格稍高，只有特定的几种转速，只适 用于轻载
14、和空载下起动。多用于中、小型机床上。,10.4、变频调速: 根据式： 只要改变 f1 ,就可以平滑地调节 n1 , 即可达到使电动机获得平滑调节同步转速的目的（具体有两种方法）,返回,第十章 三相交流电动机的调速,10.4、变频调速:,、 保持 E1 / f1 =常数:,E1 / f1 =常数，则m常数，是恒磁通控制方式。,电动机的电磁转矩为:,返回,根据最大转距处 0 , 推导出 ：Sm 并代入（102) 得：,10.4、变频调速:,返回,(104),变频调速机械特性（图10.11）,在满足 E1 / f1 =常数的条件下，其机械特性如下：,Tm 常数,返回,对应最大转矩处的转速降落为:,、
15、保持 U1 / f1 =常数: 这时，电动机的电磁转矩为:,10.4、变频调速:,返回,（10-7）,由(107)式可看出：保持 U1 / f1 =常数，当f1减小时， Tm 不等于常数。已知(X1 +X2) 与f1成正比变化，而 r1与 f1无关。因 此，在f1接近额定频率时， r1 (X1 +X2) ，随着f1的减小， Tm减小的不多，但是，当f1较低时， (X1 +X2)比较小， r1相对 变大了，这样一来，随着 f1的降低， Tm就减小了。,变频调速机械特性（图10.12）,返回,在满足U1 / f1 =常数的条件下，其机械特性如下：,优点:特性硬, 调速范围宽且为无级调速,稳定性好.
16、 缺点:是低速时,Tmax过小,影响过载能力.(可适当提高U1来增大Tmax),由机械特性进一步看出：U1 / f1 =常数， f1，(X1 +X2)随f1的降低而减小， 而 r1与f1无关。在f1接近f1N时， r1 (X1 X2 )，故Tmax基本上为一常数；但 f1 较低时， (X1 X2 )比较小，而r1相对增大，致使f1降低时Tmax减小了，而Sm 随f1的降低而增大。,此时不能按比例升高U1；因为不允许超过额定值,只能保持电压不变.因此 f1 ，m减弱,相当于他励 直流机的弱磁调速。,返回,10.4、变频调速:,2、从基频往上变频调速：,保持UN不变，升高频率时，电动机的电磁转距为：,(10 8),返回,10.4、变频调速:,当f1较高时，r1 (X1 +X2)及r2/S , 故可忽略r1 ，于是：,10.4、变频调速:,其升高频率保持UN不变的机械特性如图10.13,返回,升高频率保持UN不变,近似为恒功率调速方式.书上有证明, 请同学们课后
