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1、第六章第六章 同步电机同步电机 61同步电机的结构同步电机的结构和工作原理和工作原理 62同步发电机的应同步发电机的应用用 第六章小结第六章小结第一节第一节 同步电动机同步电动机同步电动机是一种交流电动机，它的主要特点是转子转速等于同步转速，即 同同步步发发电电机机在电力工业中有着很广泛的应用：火力发电、水力发电、原子能发电等，几乎全部应用三相同步发电机同同步步电电动动机机虽然不像异步电动机那样应用广泛，但由于它的功率因数可以调节，并且大多调节在容性状态下运行，这样可以补偿采用异步电动机所需的感性电流，从而提高电力网的功率因数。同步电动机常用在中等功率(50kW)以上，不需调速且转速要求恒定的
2、生产机械中，如大型的空压机、水压机等。1 1、同步电机结构、同步电机结构 结构：结构：由铁心和绕组组成，与异步电机定子基本由铁心和绕组组成，与异步电机定子基本相同。相同。相同机座号时，相同机座号时，若与异步机互换定子，则若与异步机互换定子，则仍然可以运行仍然可以运行。区别：区别：主要是尺寸方面，同步电机通常容量较大，主要是尺寸方面，同步电机通常容量较大，而异步机的容量相对较小。因此，从表面上看同步机而异步机的容量相对较小。因此，从表面上看同步机机壳无散热片，异步机则有机壳无散热片，异步机则有 接线：接线：发电机定子绕组通常采用发电机定子绕组通常采用Y 形连接形连接，减小减小三次谐波影响三次谐波
3、影响。定子结构：定子结构：转子结构转子结构隐极式转子隐极式转子大型机的大型机的转子支架转子支架转子铁心转子铁心硅钢片硅钢片转子轴上的滑环转子轴上的滑环一对极一对极隐极式隐极式两对极凸极式两对极凸极式转子：有转子：有凸极式凸极式和和隐极式隐极式两种。两种。转子绕组是直流绕组。转子绕组是直流绕组。结构结构 同同步步电电机机有有旋旋转转磁磁极极式式和和旋旋转转电电枢枢式式两两种种结结构构形形式式。由由于于旋旋转转磁磁极极式式具具有有转转子子重重量量小小、制制造造工工艺艺较较简简单单、通通过过电电刷刷和和滑滑环环的的电电流流较较小小等等优优点点，大大中中容容量量的的同同步步电电动动机机多多采采用用旋旋
4、转转磁磁极极式式结结构构。根根据据转转子子形形状状的的不不同同，旋旋转转磁磁极极式式又又可可分分为为凸凸极极式式和和隐隐极极式式两两种种，如如图图所所示示。凸凸极极式式多多用用于于要要求求低低转转速速的的场场合合，其其转转子子粗粗而而短短，气气隙隙不不均均匀匀。隐隐极极式式多多用用于于要要求求高高转转速速的的场场合合，其其转转子子细细而而长，气隙均匀。长，气隙均匀。（a）凸极式 （b）隐极式 图6.1 同步电动机的结构示意图当当定定子子绕绕组组中中通通入入三三相相电电流流后后，便便产产生生了了旋旋转转磁磁场场，其其转转速速为为n1。旋旋转转磁磁场场的的磁磁极极对对转转子子的的异异性性磁磁极极产
5、产生生较较强强的的吸吸力力，吸吸住住转转子子，使使其其按按旋旋转转磁磁场场的的转转向向并并以以同同步步转转速速而而旋旋转转。在在规规定定的的负载范围内，同步电动机的转速为恒定值负载范围内，同步电动机的转速为恒定值。2.2.同步电动机的基本原理同步电动机的基本原理:如在一定的负载下，调节直流激磁电流时，如在一定的负载下，调节直流激磁电流时，可以引起定可以引起定子电流的相位和大小发生变化，所以，同步电动机的功率子电流的相位和大小发生变化，所以，同步电动机的功率因数可以用调节激磁电流大小的方法来调节。有时，同步因数可以用调节激磁电流大小的方法来调节。有时，同步电动机不带负载，专门用来改善电网的功率因
6、数，这样运电动机不带负载，专门用来改善电网的功率因数，这样运行的同步电动机称为同步补偿机。行的同步电动机称为同步补偿机。同步电机与其他旋转电机一样，由定子和转子两大部分组成。旋转磁极式同步电机的定子主要由机座、铁心和定子绕组构成。为减小磁滞和涡流损耗，定子铁心采用薄硅钢片叠装而成，定子铁心的内表面嵌有在空间上对称的三相绕组。转子主要由转轴、滑环、铁心和转子绕组构成。为兼顾导磁性能和机械强度的要求，转子铁心常采用高强度合金钢锻制而成。转子铁心上装有励磁绕组，其两个出线端与两个滑环分别相接。为便于启动，凸极式转子磁极的表面还装有用黄铜制成的导条，在磁极的两个端面分别用一个铜环将导条连接起来构成一个
7、不完全的笼形启动绕组。6.1.2 工作原理 同步电动机工作时，定子的三相绕组中通入三相对称电流，转子的励磁绕组通入直流电流。在定子三相对称绕组中通入三相交变电流时，将在气隙中产生旋转磁场。在转子励磁绕组中通入直流电流时，将产生极性恒定的静止磁场。若转子磁场的磁极对数与定子磁场的磁极对数相等，转子磁场因受定子磁场磁拉力作用而随定子旋转磁场同步旋转，即转子以等同于旋转磁场的速度、方向旋转，这就是同步电动机的基本工作原理。定子旋转磁场与转子的速度为 ，称为同步转速。它的大小只决定于电源频率 的大小和定、转子的极对数p，不会因负载变化而改变。定子旋转磁场或转子的旋转方向决定于通入定子绕组的三相电流相序
8、，改变其相序即可改变同步电动机的旋转方向。6.2 同步电动机同步电动机 本节的主要内容有两部分本节的主要内容有两部分：l 转动原理与起动转动原理与起动：主要点：同步电动机如何转动、怎样转动。主要点：同步电动机如何转动、怎样转动。l 电动机的电流电动机的电流：主要点：影响同步电动机电枢电流的因素。主要点：影响同步电动机电枢电流的因素。同步电动机的内容同步电动机的内容不是重点不是重点，主要主要要求了解基本点要求了解基本点。转动原理转动原理：由并联运行同步发电机的功角特性可知：当同步由并联运行同步发电机的功角特性可知：当同步发电机处于空载状态并联在电网时，若将原动机通过发电机处于空载状态并联在电网时
9、，若将原动机通过离合器脱开，此时转子在机械阻转矩的作用下将减速，离合器脱开，此时转子在机械阻转矩的作用下将减速，电机的功角电机的功角0，输出的有功功率为负值，即表示从输出的有功功率为负值，即表示从电网吸收有功功率。也就是说：同步发电机就变成了电网吸收有功功率。也就是说：同步发电机就变成了同步电动机同步电动机。结论：结论：功角功角0，输出输出P 0，即输入即输入P，变成同变成同步电动机。步电动机。转速仍然是同步转速。转速仍然是同步转速。同步电动机的起动同步电动机的起动 分析：分析：若直接将静止不动的同步电动机转子进行若直接将静止不动的同步电动机转子进行励磁，而在定子三相电枢绕组通入三相交流电，在
10、气励磁，而在定子三相电枢绕组通入三相交流电，在气隙中将有励磁磁场（恒定不变）和电枢磁场（旋转）隙中将有励磁磁场（恒定不变）和电枢磁场（旋转）同时存在，当电枢磁场超前励磁磁场时，将拖动励磁同时存在，当电枢磁场超前励磁磁场时，将拖动励磁磁场转动，由于转子存在着惯性，而电枢磁场转速又磁场转动，由于转子存在着惯性，而电枢磁场转速又很快，很快，在在180内电枢磁场不能及时将转子拉入同步，内电枢磁场不能及时将转子拉入同步，而而超过超过180后，电枢磁场与励磁磁场的相互作用力后，电枢磁场与励磁磁场的相互作用力变成斥力，于是在一个周期内，电磁转矩的平均值为变成斥力，于是在一个周期内，电磁转矩的平均值为零。因此
11、，同步电动机不能直接起动。零。因此，同步电动机不能直接起动。起动方法：起动方法：主要有间接起动和异步起动。主要有间接起动和异步起动。间接起动和异步起动间接起动和异步起动 间接起动：间接起动：通过其它机械（原动机）将同步电动机起动通过其它机械（原动机）将同步电动机起动至额定转速，然后定子电枢绕组接三相交流电，转子励磁绕至额定转速，然后定子电枢绕组接三相交流电，转子励磁绕组通入励磁电流，通过机械离合器脱开原动机并带上机械负组通入励磁电流，通过机械离合器脱开原动机并带上机械负载，同步电动机进入正常的电动运行状态工作。载，同步电动机进入正常的电动运行状态工作。异步起动：异步起动：依靠同步电动机磁极上的
12、起动绕组（类似鼠依靠同步电动机磁极上的起动绕组（类似鼠笼绕组）起动。笼绕组）起动。起动时，将转子绕组串联一个起动时，将转子绕组串联一个510倍励磁绕倍励磁绕组电阻值的电阻，定子接入三相交流电，起动绕组以异步机组电阻值的电阻，定子接入三相交流电，起动绕组以异步机的原理起动，当转子转速接近同步转速时，励磁绕组通过转的原理起动，当转子转速接近同步转速时，励磁绕组通过转换开关断开串联的电阻，接入正常励磁电流，此时由于电枢换开关断开串联的电阻，接入正常励磁电流，此时由于电枢磁场与励磁磁场的相对转速很小，转子在电枢磁场的作用下磁场与励磁磁场的相对转速很小，转子在电枢磁场的作用下将被拉入同步。拉入同步后的电
13、动机就可带动机械负载正常将被拉入同步。拉入同步后的电动机就可带动机械负载正常工作。工作。异步法起动时注意：异步法起动时注意：励磁绕组既不能开路也不能励磁绕组既不能开路也不能短路短路，而应在转子绕组回路中串联一个，而应在转子绕组回路中串联一个510倍励磁倍励磁绕组电阻值的电阻。绕组电阻值的电阻。这是因为：由于励磁绕组的匝数很多，起动时，这是因为：由于励磁绕组的匝数很多，起动时，若若开路开路则会感应出很高的电压，造成设备损坏等后果。则会感应出很高的电压，造成设备损坏等后果。而若而若直接短路直接短路，则短路电流较大，会烧坏励磁绕组。，则短路电流较大，会烧坏励磁绕组。转子回路电阻的作用转子回路电阻的作
14、用：即降压又限流：即降压又限流。注意注意 类型与励磁方式类型与励磁方式l 类型：类型：同步发电机有转枢式和转极式两种。同步发同步发电机有转枢式和转极式两种。同步发电机主要采用转极式，电机主要采用转极式，磁极在转子时，通过滑环引磁极在转子时，通过滑环引导的电流较小。导的电流较小。l 自励：自励：凡以发电机本身的电枢绕组或辅助绕组为励凡以发电机本身的电枢绕组或辅助绕组为励磁电源的励磁方式称为自励。磁电源的励磁方式称为自励。l 他励：他励：凡设有专用励磁电源的称为他励。即，采用凡设有专用励磁电源的称为他励。即，采用励磁机进行励磁的就是他励。无刷同步发电机是他励励磁机进行励磁的就是他励。无刷同步发电机
15、是他励的一种形式。的一种形式。无刷同步发电机是将这两种形无刷同步发电机是将这两种形式的两台电机同时安装在同一根轴式的两台电机同时安装在同一根轴上，是两台电机的组合。上，是两台电机的组合。船上不采用直流励磁机进行励船上不采用直流励磁机进行励磁。磁。无刷励磁也是靠剩磁起压的。无刷励磁也是靠剩磁起压的。无刷同步发无刷同步发电机实际上是两电机实际上是两台机同轴工作。台机同轴工作。定子：定子：1和和2，转子：，转子：3和和4；主发电机：；主发电机：2和和4，励磁发电机：，励磁发电机：1和和3。说明说明的图的图4-1-4就是的图就是的图12-2-2。铭牌数据：铭牌数据：主要铭牌数据有：主要铭牌数据有：额定
16、容量、额定电压、额定频率、额额定容量、额定电压、额定频率、额定功率因数、定子绕组连接、绝缘等级、冷却方式等。定功率因数、定子绕组连接、绝缘等级、冷却方式等。注意：注意：额定容量、额定电压、额定功率因数和额定电流额定容量、额定电压、额定功率因数和额定电流可能只标出三个（可能只标出三个（第四个参数可以求出）。第四个参数可以求出）。工作原理简介：工作原理简介：外部直流电源通过滑环向转子提供外部直流电源通过滑环向转子提供直流励磁电流，并产生磁场；原动机拖直流励磁电流，并产生磁场；原动机拖动转子旋转，转子磁极磁场切割三相定动转子旋转，转子磁极磁场切割三相定子绕组，感应三相交流电。子绕组，感应三相交流电。第一节要点第一节要点：结构、原理、类型、额定参数。：结构、原理、类型、额定参数。