同步电动机原理介绍

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1、第9章 同步电动机 Synchronous Machines,南昌航空大学 信息工程学院 吴剑,同步电机的基本结构,同步电动机的两类转子,9.2 同步电动机的电磁关系,9.2.1 同步电动机的磁通势,9.2.2 凸极同步电动机的双反应原理,根据前一章的分析，这里可以写出由定子电流产生的电枢磁动势的表达式,将上式分解为d、q轴上的直轴电枢磁动势和交轴电枢磁动势：,考虑到式（8-2）的关系，即有,即把电枢电流 按相量的关系分解成两个分量： 一个分量是 ，另一个分量是 ，其中 产生磁动势 ； 产生磁动势 。,根据“双反应法”，凸极同步电动机电磁关系如下：,电磁关系,9.2.3 同步电动机的电压平衡方

2、程式 1. 凸极同步电动机的电压方程 不管是励磁磁通 f ， 还是直轴磁通 ad 和交轴磁通 aq， 都是以同步转速逆时针旋转，因此都要在定子绕组中产生相应的感应电动势。根据图9-6给出的同步电动机定子绕组各电量正方向， 可以列出A相回路的电压方程,（9-1）,Rs 定子绕组的相电阻； Xs 定子绕阻的相漏电抗。,感应电动势 、 可以写成,式中 Xad 直轴电枢反应电抗； Xaq 交轴电枢反应电抗。 整理，可得,得,一般情况下，当同步电动机容量较大时，可忽略电阻R1，于是,式中 直轴同步电抗， ； 交轴同步电抗 。 在一般凸极同步电动机中， 。 2. 隐极同步电动机的电压方程 对于隐极同步电动

3、机，由于气隙均匀，因而直轴和交轴的同步电抗在数值上彼此相等，即有,式中 隐极同步电动机的同步电抗。,这样，由式（9-4）可写出隐极同步电动机的电压方程为,（9-5）,9.2.4 同步电动机相量图 同步电机作为电动机运行时，电源必须向电机的定子绕组输入有功功率，这时输入电动机的有功功率P1必须满足,这就是说，定子相电流的有功分量 应与相电压 同相位。 由此可见， 与 二者之间的功率因数角 必须小于90 ，才能使电机运行于电动机状态。图9-9是根据凸极同步电动机的电压方程，在 （超前）时， 电机运行于电动机状态的相量图。,图9-7是根据隐极同步电动机的电压方程式画出的相量图。,前面在介绍直流电动机

4、和三相异步电动机时，都重点分析了对应的机械特性T=(n)，而同步电动机由于以同步转速n1转动，转速不随转矩变化，其机械特性为一条直线。在同步电动机中，功率或转矩是随功角变化的，所以下面讨论功角特性PM=()和矩角特性T=()。,9.3同步电动机的功率关系和矩角特性,9.3.1 同步电动机的功率方程 同步电动机从电源吸收有功功率P1 ，在扣除消耗于定子绕组的铜损耗 后，转变为电磁功率PM ，即有,（8-14）,从电磁功率PM里再扣除铁损耗 和机械摩擦损耗 后，得到输出给负载的机械功率P2,（8-15）,其中，铁损耗 与机械损耗 之和称为空载损耗P0 ，即,（8-16）,9.3同步电动机的功率关系

5、和矩角特性,图9-11是同步电动机的功率流程图。,9.3.2 同步电动机的电磁功率与功角特性 对于凸极同步电动机，当忽略定子绕组的电阻R1 时，同步电动机的电磁功率为,由凸极同步电动机的相量图（图9-7）可见， ，于是,此外，根据相量图可得,考虑以上这些关系，得,接在电网上运行的同步电动机，已知电源电压U、 电源的频率f1都维持不变，如果保持电动机的励磁电流If 不变，则对应的电动势E0 的大小也是常数，此外电动机的参数Xd 、Xq又是已知的常数，这样同步电动机的电磁功率PM 就仅仅是的函数， 当角变化时，电磁功率PM也跟着变化。 我们把 的关系定义为同步电动机的功角特性， 由此所绘制出的曲线

6、称为功角特性曲线，如图9-12所示。,（9-7）,上式所示凸极同步电动机的电磁功率PM 中，第一项与励磁电流If 的大小有关，称为励磁电磁功率。第二项与励磁电流If 的大小无关，是由参数 引起的，这部分功率只有凸极同步电动机才有，而对隐极同步电动机则不存在，所以该电磁功率称为凸极电磁功率。第一项励磁电磁功率是主要的，第二项凸极电磁功率比第一项小得多。,将式（9-6）等号两边同除以，得到同步电动机的转矩平衡方程,式中 T0空载转矩。 将电磁功率的表达式（9-7）代入上式，得到的电磁转矩为,（9-8）,上式说明，在电源电压Us 、电源的频率f1、励磁电流 If 都保持不变时，同步电动机的电磁转矩T

7、也仅是的函数。 即当 角变化时，电磁转矩T也跟着变化。把 的关系定义为同步电动机的矩角特性，由此所绘制出的曲线称为矩角特性曲线。 功角特性与矩角特性的表达式相互之间仅相差一个比例常数,若是隐极式同步电动机，因Xd =Xq ，则功角特性和矩角特性的表达式为,9.3.5 稳定运行 下面以隐极同步电动机为例来讨论同步电动机的稳定运行问题。由图可见，当电动机拖动负载运行在 = 090的范围内，电动机能够稳定运行；当电动机拖动负载运行在 = 90180的范围内，电动机不能够稳定运行。,如果与异步电动机一样，将最大电磁转矩Tm与额定电磁转矩TN之比，称为过载倍数，用表示。这里,（8-30）,可见， 为了满

8、足过载限制的要求， 隐极同步电动机额定运行时， 。对于凸极同步电动机，额定运行时的功率角还要小些。 当负载改变时，角随之变化，就能使同步电动机的电磁转矩T或电磁功率PM跟着变化，以达到新的平衡状态。在同步电动机稳定运行时，电机的转子转速n是严格按照同步转速旋转，不发生任何变化。所以，同步电动机的机械特性为一条水平的直线。,9.4 同步电动机的功率因数调节 9.4.1 同步电动机的功率因数调节 当同步电动机接在交流电源上，可以认为电源的电压U以及频率f1都保持不变。另外，假设同步电动机拖动的有功负载也保持不变，仅改变同步电动机的励磁电流If ，就能调节同步电动机的功率因数。为分析方便起见，以隐极

9、同步电动机为例， 并忽略电机中的各种损耗。 假若同步电动机的负载保持不变， 则电动机转轴上的输出转矩T2也不变，如果忽略空载转矩，有 。 可见，当T2不变时，可以认为电磁转矩T也不变，由式（9-8），,（9-9）,这说明当改变励磁电流If时，电动势E0的大小也要跟着改变，以满足上式的关系。,当负载转矩不变时，由于同步电动机的转速恒定不变，所以同步电动机的输出功率不变。在忽略电机中的各种损耗的情况下，同步电动机的输入功率与输出功率相等。于是有,（9-10）,上式的物理意义是：在只改变励磁电流的情况下，同步电动机定子绕组中电流的有功分量保持不变。 根据式（9-9）和式（9-10）的条件 可画出隐极

10、同步电动机在三种不同励磁电流时的相量图，如图9-17所示。,在电压U 不变的条件下，必有,当改变同步电动机的励磁电流时，能够改变同步电动机的功率因数，这点是三相异步电动机所不具备的。当改变励磁电流时，同步电动机功率因数变化的规律可以分为三种情况，即正常励磁状态、欠励状态和过励状态。同步电动机拖动负载运行时，一般要过励，至少运行在正常励磁状态，不要让它运行在欠励状 态。,9.4.2 同步电动机的U形曲线 同步电动机的U形曲线是指当电源电压和电源的频率均为额定值时，在输出功率不变的条件下，调节励磁电流If 时定子电流I的相应变化。以励磁电流If 为横座标，定子电流I 为纵座标，将两个电流数值变化关

11、系绘制成曲线，由于其形状象英文字母“U”，故称其为U形曲线。,对每条U形曲线，定子电流有一最小值，这时定子仅从电网吸收有功功率，功率因数 。把这些点连起来，称为 线。它微微向右倾斜，说明输出为纯有功功率情况下， 输出功率增大的同时，必须相应地增加一些励磁电流。这样， 线可作为分界线，在线的左边是欠励区，右边是过励区。 当同步电动机带一定负载时， 若减小励磁电流If，电动势E0、电磁功率 PM减小。当PM减小到一定程度，超过90， 电动机就失去同步，如图9-19中虚线所示的不稳定区。从这个角度来看，同步电动机最好也不运行于欠励状态。,*第五节 永磁同步电动机 一、概述 世界上第一台电机就是永磁电

12、机，但是早期的永磁材料磁性能很差，致使永磁电机体积很大，非常笨重，因而很快就为电励磁式电机所取代。近年来，随着稀土永磁材料的快速发展，特别是第三代稀土永磁材料钕铁硼（NdFeB）的问世，给永磁电机的研究和开发带来了新的活力。从上世纪八十年代初开始，各工业发达国家竟相研制高性能永磁电机，其中永磁同步电动机以其高效节能的优点而受到特别的关注。 二、正弦波永磁同步电动机 1. 基本结构 永磁同步电动机包括定子和转子两部分。定子部分与一般同步电动机的定子相同， 定子铁心通常由带有齿和槽的冲片叠成， 在槽中嵌入交流绕组。当交流电流通入交流绕组时，在气隙中产生同步旋转磁场；转子部分则采用永磁体励磁。,稀土

13、永磁材料钕铁硼（NdFeB）,同步电动机的主要参数同步电抗Xd、Xq决定于磁路的磁导，在电励磁同步电动机中， Xd Xq 。但在永磁同步电动机中，情况有所不同，因为在直轴磁路中有永磁体， 永磁体的磁导率很低，其导磁性能与空气相似，因而大大减小了直轴电枢反应的作用，表现为Xd较小；而在交轴磁路中，主要是软铁极靴和套环类的磁性材料，导磁性能较好，交轴电枢反应的作用较大， Xq较 大，因而在永磁同步电动机中Xd Xq 。 2. 工作原理与起动问题 永磁体的引入固然使同步电动机面貌一新，但由此而产生的一些问题也不容忽视，这其中最主要的当属起动问题，在由变频电源供电的场合，永磁同步电动机可以顺利起动，但

14、当由工频电源直接供电时，由于定子旋转磁场与转子永磁体磁场之间有相对运动，不能产生恒定方向的电磁转矩，造成起动困难。,为克服这一困难，永磁同步电动机的转子一般设计成磁钢内埋式结构，转子表面装有和异步电动机相似的笼型绕组（如图8-18所示），称为自起动永磁同步电动机。当永磁同步电动机起动时，依靠笼型绕组产生如同异步电动机工作时一样的起动转矩，带动转子旋转起来。等到转子转速上升到接近同步速时，依靠定子旋转磁场与转子永磁体的相互吸引把转子牵入同步。这就是所谓的“异步起动，同步运行”。在整个起动过程中，笼型绕组产生异步起动转矩，而永磁体产生发电制动转矩，但当达到同步速时，异步起动转矩为零，而发电制动转矩转变为同步牵引转矩，带动电动机正常同步运行。可见，对于自起动永磁式同步电动机来说，永磁体和笼型起动绕组之间的合理设计是十分重要的。 应当指出，如果电动机转子本身惯性不大，或者是多极的低速