《电机与拖动技术》课件 第9章 同步电动机

旋转磁极式又有两种结 构：凸极式和隐极式
a．凸极式化 b．隐极式 1．定子 2．凸极转子 3．隐极转子 4．滑环
9.1同步电机的结构和工作原理
9.1.1同步电机的结构 2．旋转电枢式
励磁绕组安装在定子上，电枢绕组安装在转子上
9.1同步电机的结构和工作原理
9.1.2同步电机的分类
同步电机按结构分有旋转磁极式和旋转电枢式,旋转磁极式 又分为凸极式和隐极式两种； 按防护型式分有开启式、防护式和封闭式； 按冷却方式分有空气冷却、氢冷与水冷和混合式； 按用途分有发电机、电动机和调相机。 发电机按拖动发电机的原动机类型又可分为汽轮发电、水 轮发电机、柴油发电机、风力发电机等等。
９.2 同步发电机
9.2.1同步发电机的励磁方式
2）他励式晶闸管励磁系统
他励式晶闸管励磁系统由一台交流主励磁机、一台交流副 励磁机、三套整流装置、自动电压调整器等构成。同步发电机 的励磁电流，由与它同轴的交流励磁机经晶闸管整流后提供， 交流励磁机的励磁电流则由副励磁机经晶闸管整流后提供。副 励磁机的电流，开始由直流电源提供，建立起电压后，再改为 由自励恒压装置提供，并保持恒压。通过调节电压互感器、电 流互感器和自动调整器改变晶闸管的控制角，实现对主励磁机 进行励磁电流的自动调节。
1）同步电动机的工作点在0°～90°之间 为稳 定运行区。
2）同步电动机的工作点在90°～180°之间 为不稳定运行区。
9.3 同步电动机
9.3.2同步电动机的功角特性和机械特性 （4）稳定运行条件
同步功率PS>0
PS
Pem
9.3 同步电动机
9.3.3同步电动机的工作特性和V形曲线 1．同步电动机的工作特性 同步电动机的工作特性是指在外加电压U1、励磁电 流If均为常数时，电枢电流I、电磁转矩、功率因数 和效率η与输出功率P2之间的关系。
2．隐极式同步电动机的方程式和相量图
•
•
•
•
U1 E0 j I1 X a j I1 X σ
•
•
E0 j I1 X s
9.3 同步电动机
9.3.1同步电动机的基本方程式和相量图 3．凸极式同步电动机的方程式和相量图
•
•
•
•
•
•
U1 E0 j Id X ad j Iq X aq j Id X σ j Iq X σ
（1）准同期法 准同期法是将发电机完全调整到符合并联运行条件后 再并入电网运行。这种方法需要采用同步指示器。
９.2 同步发电机
9.2.3同步发电机的并联运行 3．并联运行的投入方法
（2）自同期法 先将发电机的励磁绕组用电阻短接，当发电机转速升 高到接近同步转速时，将发电机并入电网，并立即进 行直流励磁。发电机转子依靠定子和转子主磁极形成 的自同期作用把转子自动投入同步。
9.1同步电机的结构和工作原理
9.1.3同步发电机的工作原理
同步发电机将机械能转变为电能。
1．旋转磁极式
同步发电机的转子励磁绕组通电产生恒定磁场
在原动机的拖动下，转子以同步转速旋转，在气隙中产生旋转磁场
该磁场切割定子三相绕组，在绕组中产生交变的感应电动势，气隙磁 场在空间都是按正弦规律分布的，所以在定子绕组中产生按正弦规律 分布的三相对称电动势。即：
9.4 同步调相机
同步调相机也叫同步补偿机，实质上是一台空载运行 的同步电动机，专门用来改善输电电网的功率因素。
电压方程式为
9.3 同步电动机
9.3.4同步电动机的启动方法 1．异步启动法
9.3 同步电动机
9.3.4同步电动机的启动方法
2．辅助启动法 辅助启动法是用辅助的动力机械将同步电动机加速 到接近同步转速，在脱开动力机械的同时，立即给 转子绕组加上电源，将同步电动机拉入同步。
3．调频启动法 同步电动机转子绕组通电形成磁场后，如果定子旋 转磁场从0开始逐渐升高，利用异性相吸的原理，定 子旋转磁场就能将转子逐渐升速至同步转速，这样 转子的转速始终与定子磁场的转速相同，即同步。 但这种方法需要变频电源
９.2 同步发电机
9.2.3同步发电机的并联运行 1．并联运行的意义
①可以根据负载的变化，来合理的调整发电机运行的 台数，提高机组的运行效率。
②便于轮流安排检修，提高供电的可靠性，同时可以 减少系统的备用容量。
③实现各地能源的合理、充分利用。
④能更好地调节电能，提高电能质量。
９.2 同步发电机
9.2.3同步发电机的并联运行 2．同步发电机并联运行的条件
第9章 同步电机
9.1 同步电机的结构和工作原理 9.2 同步发电机 9.3 同步电动机 9.4 同步调相机
9.1同步电机的结构和工作原理
9.1.1同步电机的结构
同步电机按结构可分为旋转磁极式和旋转电枢式两种。 1．旋转磁极式 励磁绕组安装在转子上，转子转动带动磁极旋转；其电枢绕组安装在定 子上。 定子也是由硅钢片叠压而成，在内圆上开有均匀分布的槽，嵌放三相对 称交流绕组
9.3 同步电动机
9.3.2同步电动机的功角特性和机械特性
2．同步电动机的功角特性 同步电动机功角特性是指电磁功率（电磁转矩） 随功率角变化的关系
（1）凸极式同步电动机的功角特性为：
Pem
3E0U1 Xd
sin
3U12 2
1 Xq
1 Xd
sin 2
Tem
Pem 0
3U1E0 0 Xd
sin
3U12 20
•
E0 U I Ra j I (Ra X σ )
９.2 同步发电机
9.2.2同步发电机的运行特性 2．同步发电机的运行特性 以电压为参考的同步发电机的相量图（假定负载为感性）
从相量图可以得到，当发电机的负载为感性时，电枢反应有去 磁作用，发电机的端电压变低，感性负载越大，去磁作用越大， 端电压下降就越多。如果发电机的负载为容性时，电枢反应有 增磁作用，使得端电压升高。
eU Em sin t eV Em sin(t 120o ) eW Em sin(t 120o )
9.1同步电机的结构和工作原理
9.1.3同步发电机的工作原理
2．旋转电枢式
同步发电机的定子励磁绕组通电产生恒定磁场 转子在原动机的拖动下，以同步转速旋转 转子（电枢）对称绕组切割磁场产生交变的感应电动势，由于气 隙磁场在空间也是按正弦规律分布的，所以在转子绕组中产生的 交变电动势也是按正弦规律分布。所以产生的三相电动势同样为 对称电动势 通过滑环向外界输送电能
•
•
•
•
U1 E0 j Id X d j Iq X q
9.3 同步电动机
9.3.2同步电动机的功角特性和机械特性 1．同步电动机的功率及转矩平衡方程式
同步电动机的功率流程图
功率平衡方程式为
P1 Pem pCu1 Pem P2 ( pmec pFe pad ) P2 p0
转矩平衡方程式为 Tem T2 T0
9.1同步电机的结构和工作原理
9.1.4同步电动机的工作原理
同步电动机将电能转换为机械能。
在同步电动机的三相对称绕组中通 入三相交流电流后，会产生一个以 同步转速旋转的磁场
当转子绕组中通入直流电流后，会 形成一个恒定磁场
当转子的磁极N与定子磁极S对齐时， 产生吸引力，使得转子跟着定子磁 极旋转，旋转的速度与定子磁场转 速（即同步速）相同，故称同步电 动机
（4）额定功率 : 流过定子绕组交流电的频率，我国的标 准是电频率为50Hz。
9.1同步电机的结构和工作原理
9.1.5同步电机的铭牌
三相同步发电机 PN SN 3UNIN cosN 三相同步电动机 PN 3UNIN cosNN
（5）额定功率因数 率因数。
：是指电动机在正常运行时的功
（6）额定转速 ：是指电动机在正常运行时转子的转速，
（1）同步发电机的端电压应等于电网的电压
（2）同步发电机电压的相位（或极性）应与电网ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ压 的相位（或极性）相同
（3）发电机的频率应与电网的频率相同
（4）发电机的电压波形应与电网的电压波形相同，即 均应为正弦波。
（5）发电机的相序应与电网的相序相同。
９.2 同步发电机
9.2.3同步发电机的并联运行
3．并联运行的投入方法
9.3 同步电动机 9.3.1同步电动机的基本方程式和相量图
1．同步电动机的电枢反应
（1）当同步电动机为感性时，电枢反应有磁化作用 （2）当同步电动机为容性时，电枢反应为去磁作用 （3）当同步电动机为阻性时，电枢反应略有去磁作用， 使磁场发生偏转
9.3 同步电动机
9.3.1同步电动机的基本方程式和相量图
9.3 同步电动机
同步电动机在不同励磁下的功率因素特性
曲线1是在较小励磁电流下，只能在空 载时才会使=1；当负载增大，功率因 数会降低且滞后
曲线2为较大的励磁电流下，当负载小 于半载时，功率因数为超前（过励状 态），大于半载时，为滞后（欠励状 态）
曲线3为更大的励磁电流下，电动机满 载时，功率因数为1
9.3 同步电动机
9.3.5同步电动机的调速方法
1．他控变压变频调速系统 使用独立的变压变频装置给同步电动机供电的调速 系统称做他控变压变频调速系统。分为交-直-交和 交-交变频两大类。
2．自控变压变频调速系统 自控变压变频调速系统是一种闭环调速系统。它利 用检测装置，检测出转子磁极位置的信号，并用来 控制变压变频装置换相，类似于直流电动机中电刷 和换向器的作用。
9.1同步电机的结构和工作原理
9.1.5同步电机的铭牌
（1）额定电压UN:是指电动机正常运行时加在电动机定子 端口上的三相线电压，单位为V或kV。
（2）额定电流IN:是指电动机正常运行时，流过电动机定子 三相对称绕组的线电流，单位为A。
（3）额定容量是指电机的视在功率，包括有功功率和无功 功率，单位是k·VA；额定功率一般指有功功率，单位是kW。