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1、第八章 三相同步电动机,8.1 同步电动机的结构和工作原理 8.2 同步电动机功率因数的调整 8.3 同步电动机的启动方法 8.4 同步补偿机 小结,8.1 同步电动机的结构和工作原理,同步电机主要由磁极和电枢两部分组成。可以做成磁极固定、电枢旋转的同步电机（转枢式)，这种形式在小容量同步电动机中得到某些应用。也可以做成电枢固定而磁极旋转的同步电机(转极式)。这种形式广泛应用于大、中型容量的同步电机中，并成为同步电机的通常结构形式。这种结构形式有下列特点：,下一页,返回,8.1 同步电动机的结构和工作原理,(1)励磁电流比电枢电流小得多，励磁电压比电枢电压低得多，向转子输入励磁电流时，电刷与滑
2、环负荷较小，工作较为可靠。 (2)同步电机容量较大，尤其是同步发电机，容量更大。电枢装在定子上，便于嵌线，加强绝缘，通风散热。强大的电流向负载输出时不经过电刷和滑环，可减少故障，保证供电的可靠性。 旋转磁极式，从转子运行的机械强度和固定转子绕组来看，又可分为隐极式和凸极式，如图8-1所示。,上一页,下一页,返回,8.1 同步电动机的结构和工作原理,8.1.1 同步电机的结构特点 图8-2为同步电机的构造原理图。通常三相同步电机的定子是电枢，与三相异步电动机定子绕组相似，转子装有磁极和励磁绕组。当励磁绕组通入直流电后，转子立即建立恒定磁场。当转子在外力拖动下旋转时，定子导体由于和转子旋转磁场有相
3、对运动而产生交流电动势，此电动势的频率为f，即,上一页,下一页,返回,8.1 同步电动机的结构和工作原理,当在定子绕组内通过三相交流电，定子绕组内便产生一个旋转磁场，这时转子绕组仍通以直流电，则转子所建立的恒定磁场将在定子旋转磁场的带动下，沿定子磁场的方向，以定子旋转磁场的转速旋转，转子的转速由下式决定,上一页,下一页,返回,8.1 同步电动机的结构和工作原理,由上述两种情况可知，同步电机无论作为发电机使用，还是作为电动机使用,其转速与交流电频率之间将保持严格不变的关系，这是同步电机的基本特点。在磁极对数确定的情况下，电机的转速与交变电流的频率成正比。同步电机在恒定频率下的转速称为同步转速。这
4、是同步电机与异步电机的基本差别之一。,上一页,下一页,返回,8.1 同步电动机的结构和工作原理,8.1.2 同步电机的分类 同步电机按结构分，可分为旋转磁极式和旋转电枢式。高压、大容量电机大多采用旋转磁极式。在旋转磁极式电机中，同步电机又分为隐极式和凸极式两种基本形式。从安装结构上可分为立式和卧式两种。 按防护型式分，有开启式、防护式和封闭式o 按冷却方式分，有空气冷却、氢冷与水冷、混合冷却等。 按同步电机的用途分，有发电机、电动机和调相机。 按拖动发电机的原动机类型分，可分为汽轮发电机、水轮发电机、柴油发电机、汽油发电机、风力发电机等。,上一页,下一页,返回,8.1 同步电动机的结构和工作原
5、理,8.1.2.1 发电机 （1）汽轮发电机 以汽轮机或燃气轮机等高速动力机械作为原动机，拖动同步发电机而产生交流电的设备，称为汽轮发电机。 （2）水轮发电机 它是以水轮机为原动机拖动同步电机而产生交流电的设备。 （3）柴油发电机 它是用柴(汽)油机作为原动机拖动同步电机而发电的设备。其发电成本较高，一般只是作为备用发电机组或无电网的边远地区，或临时移动电源。 （4）中频发电机 中频发电机的频率范围从400Hz到20000 Hz，功率从2kW到1000KW，电压有115V、230V、375V、750V及1500V等，转速一般为3000rmin。,上一页,下一页,返回,8.1 同步电动机的结构和
6、工作原理,8.1.2.2 电动机 从电网吸收电能转变为其他机械动力的同步电机，称为同步电动机。同步电动机的功率因数，可通过调节励磁电流进行调节。它不但可把功率因数调节到1，还可以调节到超前，对改善电网的功率因数有重要意义。同步电动机转速为恒定值，不受负载变动的影响。功率范围一般在250KW到1万KW以上，电压有3kV、6kV和10kV几种，转速范围从100rmin到3 000 rmin。一般用于不调速(或恒速)机械。TD表示同步电动机，TDL表示立式同步电动机。 8.1.2.3 调相机(同步补偿机),上一页,下一页,返回,8.1 同步电动机的结构和工作原理,同步电动机可以通过调节励磁电流专门改
7、善电网功率因数，这种电机又称同步调相机。 同步调相机的功率范围约为500060000 kVA，电压为6.6 kV、11KV等。一般用于电网中，TT表示同步调相机。,上一页,下一页,返回,8.1 同步电动机的结构和工作原理,8.1.3 三相同步电机的工作原理 一般同步电机的定子和异步电机的定子相同，在定子铁心内圆上分布一定数量的槽，在槽中嵌放三相对称绕组。对于发电机，定子又叫电枢。同步电机的转子，主要是由磁极和励磁绕组构成，励磁绕组是靠外接直流电源供给励磁电流的。 同步发电机和同步电动机的工作原理分述如下。,上一页,下一页,返回,8.1 同步电动机的结构和工作原理,8.1.3.1同步发电机的工作
8、原理 (1)同步发电机的能量转换 (2)转子旋转磁场的形成 (3)三相交变电动势的产生 (4)三相感应电动势的频率,上一页,下一页,返回,8.1 同步电动机的结构和工作原理,8.1.3.2同步电动机的工作原理 (1)同步电动机的能量转换 三相同步电动机工作时，定子的三相对称绕组接人三相对称交流电源，在定子铁心中便建立旋转磁场。转子绕组中通人直流电，转子铁心中便产生转子磁场。这两磁场相互作用，转子将在定子磁场的带动下，沿定子旋转磁场的转向，以旋转磁场的转速旋转，输出转矩带动工作机构工作，实现电能向机械能的转换。图8-3所示为同步电机两磁场相互作用示意图。,上一页,下一页,返回,8.1 同步电动机
9、的结构和工作原理,(2)同步电动机“同步”的含义 同步电动机是一种定子绕组用三相交流电励磁以建立旋转磁场，转子绕组用直流电流励磁以建立转子磁场，这样双边励磁的交流电动机。其工作实质是定子的旋转磁场以磁拉力拖着转子磁场一同旋转。它们之间没有相对运动，所以称“同步”(相对异步而言)。,上一页,下一页,返回,8.1 同步电动机的结构和工作原理,(3)同步电动机旋转过程 当三相交流电通过定子绕组时产生旋转磁场，转子绕组中通入直流电，产生极性固定的磁极，磁极的对数与旋转磁场的磁极对数相等。当转子上的N极与旋转磁场的S极对齐时，转子的S极与旋转磁场的N极也对齐，异性磁极相互吸引，转子就随着旋转磁场转动了。
10、理想空载时，如图8-4(a)所示。,上一页,返回,8.2同步电动机功率因数的调整,同步电动机功率因数的调整。取决于同步电动机的运行特性。同步电动机的运行特性一般从两个方面进行分析：一是在励磁电流不变的条件下，输出有功功率变化时，电磁功率与功率角之间的变化关系功角特性；二是在输出有功功率不变时，改变励磁电流的大小，电枢电流及功率因数的变化规律V形曲线。,下一页,返回,8.2同步电动机功率因数的调整,8.2.1功角特性一般情况下，同步电动机的功率关系为,上一页,下一页,返回,8.2同步电动机功率因数的调整,同步电动机负载变化时，会使电磁转矩变化，但不会引起转速变化。所以，同步电动机电磁功率PM与相
11、应的电磁转矩M随负载而变化的关系，不能用与转速的关系来描述，而用功角特性来描述。功角特性即同步电动机的电磁功率PM与功率角0之间的关系。 由于隐极式同步电动机为凸极式同步电动机的特例，所以，我们以凸极式同步电动机为研究对象。见图8-5。,上一页,下一页,返回,8.2同步电动机功率因数的调整,8.2.2 工作特性 由转矩方程可知， ，当输出功率P2=0时，T=T0，随着输出功率的增加，为了克服负载转矩，电磁转矩将成正比增大，电枢电流也将随之增大。因此，T=f(P2)是一直线。I=f(P2)也近似为一条直线。所以，在电网电压U=常数，励磁电流If=常数时，电磁转矩T、电枢电流I、效率、功率因数CO
12、S与输出功率P2之间的关系，即T、I、COS=f(P2)，称为工作特性。如图8-8所示。其中，同步电动机的效率特性和一般电动机相同。同步电动机在不同励磁下功率因数特性如图8-9所示,上一页,下一页,返回,8.2同步电动机功率因数的调整,8.2.3 V形曲线 同步电动机的V形曲线是指当电网电压和频率都为额定值时，在某一恒定负载下。改变励磁电流，引起电枢电流的变化，将电枢电流与励磁电流的关系，即I=f(If)画成曲线，其形状为“V”形，故称为V形曲线。 分析电枢电流I与励磁电流If的关系时，假设，忽略定子绕组电阻，即不计定子铜耗；忽略改变励磁电流时铁耗和附加损耗的变化，忽略凸极效应。,上一页,返回
13、,8.3同步电动机的起动方法,同步电动机本身是没有起动转矩的，所以通电以后，转子不能自行起动。为了说明这一问题，我们来看8-11图。 定子通入三相电流后，产生定子旋转磁场，旋转方向如图8-11所示，在图8-11（a）所示的瞬间，定子磁场顺时针转，由于异性磁极相吸引，旋转磁场对转子有一个转矩，欲把转子拖转。但是由于转子惯性很大，转子不能立即以同步转速旋转。旋转磁场转速却很快，当定子旋转磁场转过180电角度时(即定子电流经过半个周期)，定子旋转磁场的位置变为图8-11(b)所示。,下一页,返回,8.3同步电动机的起动方法,当用外力将转子以一定的转速沿定子旋转磁场方向旋转时，再给定子绕组通以三相交流
14、电，则转子所受交变转矩的频率将降为f2=sfl，当s越来越小时，所受交变作用力的次数越来越少，当s=0时，就受到了恒定恒方向的作用力了，转子就达到了同步转速。,上一页,下一页,返回,8.3同步电动机的起动方法,8.3.1异步起动法 8.3.1.1异步起动法结构及起动过程 在设计和制造同步电动机时，在转子磁极的圆周表面上加装一套阻尼绕组作为起动绕组。 绕组的形式与笼型异步电动机一样，在转子磁极表面的槽内嵌入铜条，两端用端环把铜条短接，构成笼型起动绕组，如图8-12所示。这种在转子上_加笼型起动绕组的方法称为异步起动法。,上一页,下一页,返回,8.3同步电动机的起动方法,在起动前，先将励磁绕组经过
15、电阻RM=10rf(附加电阻RM，励磁绕组电阻rf)短接，如图8-13所示。这样可防止刚开始转动时，励磁绕组切割磁力线而产生很大的电动势，从而避免对人或设备造成危害。 然后，接通三相电源，定子与笼型起动绕组组成一台异步电动机，靠这种转矩使转子加速。 当转速增至空载转速时，即达到所说的亚同步速，就可给转子磁极通入励磁电流。旋转磁场对转子磁场作用力矩的频率很小，方向几乎不变。这时靠同步速度的旋转磁场就可以把转子拉到同步转速。,上一页,下一页,返回,8.3同步电动机的起动方法,转子达到同步转速后，转子笼型导条与旋转磁场之间没有相对转速，转子起动绕组中也就没有感应电流了，此时起动绕组就完成了起动任务。
16、另外，如果电动机容量较大，起动时定子绕组中的电流会很大，为了限制起动电流，应该采用恰当的起动方法，如降压起动法等。 8.3.1.2 异步起动原理 装有起动绕组的同步电动机转子结构如图8-12所示。起动绕组在起动时产生异步转矩，此转矩在起动过程中起主要作用。,上一页,下一页,返回,8.3同步电动机的起动方法,同步电动机在异步起动过程中，作用在转子上的转矩有四种，一是励磁绕组产生的单轴转矩；二是起动绕组产生的异步转矩；三是磁阻转矩；四是励磁绕组励磁后产生的同步转矩。 单轴转矩是同步电动机在异步状态下由励磁绕组中流过感应电流与气隙磁场相互作用产生的。由于励磁绕组相当于一个单相绕组，故由此而产生的转矩称为单轴转矩。这是因为同步电动机作异步起动时，不允许将励磁绕组开路。若开路，在刚起动时，气隙磁场与转子之间的转速很大，励磁绕组的匝数又很多，将在两端产生很高电压，很可能破坏绕组的绝缘，并危及人身安全。,上一页,下一页,返回,8.3同步电动机的起动方法,但若将励磁绕组直接短路，则在励磁绕组中感应出很大的电流，这个电流与气隙磁场作用将
