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1、电机与拖动第九章第1页，本讲稿共28页一一.同步电机的基本结构同步电机的基本结构定子定子:同异步电机没什么区别同异步电机没什么区别.转子转子:显显(凸凸)极式，可用于同步电极式，可用于同步电动机动机;隐极式，既可用于同步电动机，也可用于同步发电机隐极式，既可用于同步电动机，也可用于同步发电机图图a)a)隐极式隐极式 图图b)b)显极式显极式第2页，本讲稿共28页1 凸极式：有上图可见，转子有明显的突出的磁极，凸极式：有上图可见，转子有明显的突出的磁极，气隙分布不均匀。气隙分布不均匀。2 隐极式：转子作成圆柱形，气隙均匀分布。隐极式：转子作成圆柱形，气隙均匀分布。区别：对于高速旋转区别：对于高速
2、旋转 的同步电机，在转子结构上，的同步电机，在转子结构上，我们采用隐极式，而对于低速旋转的电机，由于转我们采用隐极式，而对于低速旋转的电机，由于转子的圆周速度较低，离心力较小，故采用制造简单、子的圆周速度较低，离心力较小，故采用制造简单、励磁绕组集中安放的凸极式结构。励磁绕组集中安放的凸极式结构。大型同步发电机通常用汽轮机或水轮机作为原动机大型同步发电机通常用汽轮机或水轮机作为原动机来拖动，故前者称为汽轮发电机，后者称为水轮发电来拖动，故前者称为汽轮发电机，后者称为水轮发电机。机。汽轮发电机：转速高，采用隐极式。汽轮发电机：转速高，采用隐极式。水论发电机：转速低，采用凸极式。水论发电机：转速低
3、，采用凸极式。第3页，本讲稿共28页3.同步电机的物理模型同步电机的物理模型 同步电机的物理模型如图所示，定子三相绕组分别有同步电机的物理模型如图所示，定子三相绕组分别有 N1匝匝线圈，由线圈电流产生的磁场可以用等效的磁极来表示，如图线圈，由线圈电流产生的磁场可以用等效的磁极来表示，如图中在空间上相隔中在空间上相隔 120的的 A、B、C 三相磁轴。同样，对于转三相磁轴。同样，对于转子子 Nf匝线圈产生的磁场也可以用等效的旋转磁极来表示。匝线圈产生的磁场也可以用等效的旋转磁极来表示。第4页，本讲稿共28页二二.同步电动机的工作原理同步电动机的工作原理 可以看出：同步电机的定子绕组与异步电机的定
4、子绕组完可以看出：同步电机的定子绕组与异步电机的定子绕组完全相同，其作用是通入三相交流电后，可产生一个三相旋转全相同，其作用是通入三相交流电后，可产生一个三相旋转磁场，来带动转子的固定磁场一起转动，利用两个磁场之间磁场，来带动转子的固定磁场一起转动，利用两个磁场之间的相互吸引而产生电磁转矩的相互吸引而产生电磁转矩 同步电机和其他类型的电机一样，也遵循可逆原理，可按同步电机和其他类型的电机一样，也遵循可逆原理，可按电动机方式运行，也可按发电机方式运行电动机方式运行，也可按发电机方式运行第5页，本讲稿共28页三、同步电机的运行方式三、同步电机的运行方式1 发电机运行模式（发电机运行模式（如图如图）
5、第6页，本讲稿共28页图中（图中（a），），N1、S1、N2、S2分别表示同步电机的定子合分别表示同步电机的定子合成磁场磁极和转子磁极，两对磁极间存在着磁拉力，从成磁场磁极和转子磁极，两对磁极间存在着磁拉力，从而形成电磁转矩。当原动机拖动同步电机转子作发电机而形成电磁转矩。当原动机拖动同步电机转子作发电机运行时，原动机的拖动转矩克服电机电磁转矩的制动作运行时，原动机的拖动转矩克服电机电磁转矩的制动作用，转子不断地旋转。因原动机向同步电机输入机械功用，转子不断地旋转。因原动机向同步电机输入机械功率，原动机拖动转子，磁力线斜着通过气隙，转子磁极率，原动机拖动转子，磁力线斜着通过气隙，转子磁极用磁拉
6、力拖动定子合成磁场磁极一起同步旋转，发电机用磁拉力拖动定子合成磁场磁极一起同步旋转，发电机将机械功率转换成电功率输出。由于转子磁极是拖动者，将机械功率转换成电功率输出。由于转子磁极是拖动者，定子合成磁场的磁极是被拖动者，两者磁极的轴线存在定子合成磁场的磁极是被拖动者，两者磁极的轴线存在一定的夹角一定的夹角 ，如果减小原动机对发电机输入的机械，如果减小原动机对发电机输入的机械功率，发电机所产生的电磁功率以及输出的电功率也相功率，发电机所产生的电磁功率以及输出的电功率也相应地减小。形象地说，因原动机拖动转矩的减小，使磁应地减小。形象地说，因原动机拖动转矩的减小，使磁拉力和拉力和 均减小，所以均减小
7、，所以 又称为功率角。又称为功率角。第7页，本讲稿共28页2 理想空载运行模式理想空载运行模式 当发电机所产生的电磁功率为零时，必然当发电机所产生的电磁功率为零时，必然 =0，此时两磁极，此时两磁极的轴线相重合，磁力线垂直通过气隙，两磁极间无切向的的轴线相重合，磁力线垂直通过气隙，两磁极间无切向的磁拉力、电磁转矩均为零，同步电机从发电机运行过渡到磁拉力、电磁转矩均为零，同步电机从发电机运行过渡到电动机运行的临界状态，如图电动机运行的临界状态，如图b所示。该状态表示同步电机所示。该状态表示同步电机工作在理想空载运行模式。工作在理想空载运行模式。3 电动机运行模式电动机运行模式 若将原动机从同步电
8、机上脱开，由于电机本身受轴承摩若将原动机从同步电机上脱开，由于电机本身受轴承摩擦及风阻等阻力转矩的作用，将迫使转子磁极轴线落后于擦及风阻等阻力转矩的作用，将迫使转子磁极轴线落后于定子轴线一个微小的定子轴线一个微小的 角，如图角，如图c所示。这个所示。这个 角相对于发角相对于发电机的运行情况是负值，这意味着同步电机开始从电网吸收电机的运行情况是负值，这意味着同步电机开始从电网吸收电功率，并从电机的轴上输出机械功率，用于摩擦风阻等损电功率，并从电机的轴上输出机械功率，用于摩擦风阻等损耗上。耗上。第8页，本讲稿共28页磁力线又从另一个方向斜着通过气隙，又出现切向磁拉力磁力线又从另一个方向斜着通过气隙
9、，又出现切向磁拉力而形成电磁转矩。显然，此时的电磁转矩的方向与转子旋而形成电磁转矩。显然，此时的电磁转矩的方向与转子旋转方向一致，是一个拖动转矩。若电机转子与负载相连，转方向一致，是一个拖动转矩。若电机转子与负载相连，就能拖动机械负载而继续旋转。由于负载的增大，功率角就能拖动机械负载而继续旋转。由于负载的增大，功率角必然增大，切向磁拉力和电磁转矩相应地增大，同步电机必然增大，切向磁拉力和电磁转矩相应地增大，同步电机就处于同步电动机负载运行状态。这时电机的定子合成磁就处于同步电动机负载运行状态。这时电机的定子合成磁场的磁极是拖动者，转子磁极是被拖动者。两者仍同步旋场的磁极是拖动者，转子磁极是被拖
10、动者。两者仍同步旋转，而进行电功率向机械功率的转换。转，而进行电功率向机械功率的转换。第9页，本讲稿共28页第二节第二节 同步电动机的电压方程和相量图同步电动机的电压方程和相量图一一、同步电动机的磁动势、同步电动机的磁动势第10页，本讲稿共28页第11页，本讲稿共28页由由 定子电流定子电流(电枢电流电枢电流)产生的电枢磁动势的表达式为产生的电枢磁动势的表达式为 将上式分解为将上式分解为 d、q轴上的直轴电枢磁动势和交轴电枢磁动势，轴上的直轴电枢磁动势和交轴电枢磁动势，其表达式为其表达式为第12页，本讲稿共28页二、同步电动机的电压方程二、同步电动机的电压方程1.凸极同步电动机的电压方程凸极同
11、步电动机的电压方程式中式中 Rs 定子绕组的一相电阻；定子绕组的一相电阻；Xs 定子绕阻一相的漏电抗定子绕阻一相的漏电抗 第13页，本讲稿共28页一般情况下，当同步电动机容量较大时，可忽略电阻一般情况下，当同步电动机容量较大时，可忽略电阻 Rs，于是，于是式中式中：Xd直轴同步电抗，直轴同步电抗，Xd=Xad+Xs；Xq交轴同步电抗，交轴同步电抗，Xq=Xaq+Xs。在一般凸极同步电动机中，在一般凸极同步电动机中，Xd Xq。2.隐极同步电动机的电压方程隐极同步电动机的电压方程对于隐极同步电动机，由于气隙均匀，因而直轴和交轴的同步对于隐极同步电动机，由于气隙均匀，因而直轴和交轴的同步电抗在数值
12、上彼此相等电抗在数值上彼此相等 式中式中 Xc隐极同步电动机的同步电抗。隐极同步电动机的同步电抗。这样，由式这样，由式（9-10）可写出隐极同步电动机的电压方程为）可写出隐极同步电动机的电压方程为 第14页，本讲稿共28页三、同步电动机相量图三、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输入有功功率，这时输入电动机的有功功率 P1必须满足必须满足第15页，本讲稿共28页图中图中 与与 之间的夹角为之间的夹角为 ，称为定子功率因数角；，称为定子功率因数角；与与 之间的夹角为功率角之间
13、的夹角为功率角 ；而；而 与与 之间的夹角为之间的夹角为。第16页，本讲稿共28页第三节第三节 同步电动机的功率方程和功角特性同步电动机的功率方程和功角特性一一同步电动机的功率方程同步电动机的功率方程第17页，本讲稿共28页二、同步电动机的电磁功率与功角特性二、同步电动机的电磁功率与功角特性根据向量图根据向量图第18页，本讲稿共28页考虑以上这些关系，得考虑以上这些关系，得 接在电网上运行的同步电动机，已知电源电压接在电网上运行的同步电动机，已知电源电压 Us、电源、电源的频率的频率 f1都维持不变，如果保持电动机的励磁电流都维持不变，如果保持电动机的励磁电流 If不变，不变，则对应的电动势则
14、对应的电动势 E0的大小也是常数，此外电动机的参数的大小也是常数，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又是已知的常数，这样同步电动机的电磁功率 PM就仅仅就仅仅是的函数，当角变化时，电磁功率是的函数，当角变化时，电磁功率 PM也跟着变化。我们把也跟着变化。我们把 PM=的关系定义为同步电动机的功角特性，由此所绘制出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称为功角特性曲线的曲线称为功角特性曲线3，如图，如图 9-10所示。所示。9-209-19第19页，本讲稿共28页励磁电磁功率与励磁电流励磁电磁功率与励磁电流 If的大小有关，曲线的大小有关，曲线 2
15、 凸极电磁功率与励磁电流凸极电磁功率与励磁电流 If的大的大小无关小无关,曲线曲线 3 第20页，本讲稿共28页三、同步电动机的电磁转矩与矩角特性三、同步电动机的电磁转矩与矩角特性电磁转矩电磁转矩将上式等号两边同除以将上式等号两边同除以 ，得到同步电动机的转，得到同步电动机的转矩平衡方程矩平衡方程第21页，本讲稿共28页凸极式同步电机电磁转矩为 隐机极式同步电机电磁转矩为 第22页，本讲稿共28页四、同步电动机的稳定运行四、同步电动机的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。1.当电动机拖动负载运行在当电动机拖动负载运行在=0 90的范围内的范围内2.当电动机拖动负载运
16、行在当电动机拖动负载运行在 =90 180的范围内的范围内第23页，本讲稿共28页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。这里例例 9-1 第24页，本讲稿共28页第四节第四节 同步电动机的功率因数及同步电动机的功率因数及 U 形曲线形曲线假若同步电动机的负载保持不变，则电动机转轴上的输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出转矩 T2也不变，如果忽略空载转矩，也不变，如果忽略空载转矩，在上式中，由于电源电压在上式中，由于电源电压 Us，频率，频率 f1以及同步电抗以及同步电抗 Xd都是常数，都是常数，所以所以这说明当改变励磁
17、电流这说明当改变励磁电流 If时，电动势时，电动势 E0的大小也要跟着改变，的大小也要跟着改变，以满足上式的关系。以满足上式的关系。第25页，本讲稿共28页 当负载转矩不变时，由于同步电动机的转速恒定不变，所以当负载转矩不变时，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。于是有下，同步电动机的输入功率与输出功率相等。于是有在电压在电压 Us不变的条件下，必有不变的条件下，必有 上式的物理意义是：在只改变励磁电流的情况下，同步电动上式的物理意义是：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。机定子绕组中电流的有功分量保持不变。第26页，本讲稿共28页 If ，所以 E0 第27页，本讲稿共28页二、同步电动机的二、同步电动机的 U 形曲线形曲线第28页，本讲稿共28页