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1、 同步电机是交流电机的一种，同步电机是交流电机的一种，运行特点是转子旋运行特点是转子旋转速度与定子磁场旋转速度严格同步转速度与定子磁场旋转速度严格同步，由此而得名。，由此而得名。设定子绕组通入频率为设定子绕组通入频率为 f 的交流电流，电机的极对的交流电流，电机的极对数为数为 p，则同步电机转速，则同步电机转速 n、通电频率、通电频率 f 和极对数和极对数 p 的的关系为关系为第九章第九章 同步电机同步电机 我国电力系统的频率规定为我国电力系统的频率规定为 50Hz，因此同步转速与，因此同步转速与极对数成反比，当极对数成反比，当 p=1 时，转速最高，为时，转速最高，为3000r/min。极。
2、极对数越多，转速愈低。对数越多，转速愈低。同步电机主要用作发电机，几乎所有的电力都由同同步电机主要用作发电机，几乎所有的电力都由同步发电机发出。同步电机也可以作电动机运行，并且同步发电机发出。同步电机也可以作电动机运行，并且同步电动机能够改善电网的功率因数。步电动机能够改善电网的功率因数。第九章第九章 同步电机同步电机 与其他类型的电动机相比，与其他类型的电动机相比，同步电动机具有更高的同步电动机具有更高的效率和更优异的性能效率和更优异的性能，因而有着广阔的应用前景。，因而有着广阔的应用前景。近年来，随着近年来，随着碳达峰碳中和目标碳达峰碳中和目标的持续推进和智能的持续推进和智能化控制系统的旺
3、盛需求，对电机的高效节能和高精度提化控制系统的旺盛需求，对电机的高效节能和高精度提出了更高的要求。出了更高的要求。以往，同步电动机通常用于运行速度恒定的场合以往，同步电动机通常用于运行速度恒定的场合，随着电力电子技术和现代交流电机调速技术的发展进步，随着电力电子技术和现代交流电机调速技术的发展进步，由同步电动机组成的高性能调速系统的研发及应用也越由同步电动机组成的高性能调速系统的研发及应用也越来越广泛来越广泛。第九章第九章 同步电机同步电机第一节第一节 概述概述第二节第二节 同步电机的双反应原理同步电机的双反应原理第三节第三节 同步电动机电压平衡方程式及相量图同步电动机电压平衡方程式及相量图第
4、四节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性第九章第九章 同步电机同步电机第五节第五节 同步电动机的无功功率调节同步电动机的无功功率调节第六节第六节 同步电动机的起动同步电动机的起动第七节第七节 同步发电机空载运行同步发电机空载运行第八节第八节 隐极同步发电机负载运行隐极同步发电机负载运行第九节第九节 凸极同步发电机负载运行凸极同步发电机负载运行 第九章第九章 同步电机同步电机第十节第十节 同步发电机的功率和转矩同步发电机的功率和转矩第十一节第十一节 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性第十二节第十二节 同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行第十三节第十三节 同步发电机并联运行时
5、的功率调节同步发电机并联运行时的功率调节第九章第九章 同步电机同步电机 同步电机结构主要由同步电机结构主要由定子定子和和转子转子两大部分构成。定、两大部分构成。定、转子之间是空气隙。转子有转子之间是空气隙。转子有旋转磁极旋转磁极和和旋转电枢旋转电枢两种结构两种结构型式，分别如图型式，分别如图9.1和图和图9.2所示。所示。（a）隐极式）隐极式图图9.1 旋转磁极式同步电机示意图旋转磁极式同步电机示意图 第一节第一节 概述概述一、结构形式一、结构形式(b)凸极式凸极式适合高速适合高速旋转旋转适合中低适合中低速旋转速旋转 旋旋转转电电枢枢式式结结构构只只用用于于小小容容量量电电机机，一一般般同同步
6、步电电机机常采用旋转磁极式结构。常采用旋转磁极式结构。在在旋旋转转磁磁极极式式结结构构中中，又又分分为为隐隐极极式式和和凸凸极极式式两两种种型型式式(上上页页图图9.1)，其其定定子子部部分分与与三三相相异异步步电电动动机机的的完完全全一样。一样。图图9.2 旋转电枢式同步电机示意图旋转电枢式同步电机示意图 第一节第一节 概述概述v 额定功率因数额定功率因数 ：电机额定运行时的功率因数。：电机额定运行时的功率因数。v 额定效率额定效率 ：电机额定运行时的效率。：电机额定运行时的效率。v 额定转速额定转速 ：单位为：单位为 r/min。v 额定电流额定电流 ：电机额定运行时定子的线电流，单位为：
7、电机额定运行时定子的线电流，单位为 A。v 额定电压额定电压 ：电机额定运行时定子的线电压，单位为：电机额定运行时定子的线电压，单位为 V 或或 kV。v 额定容量额定容量 ：发电机出线端额定视在功率，单：发电机出线端额定视在功率，单 位位 VA 或或 kVA。二同步电机的额定值二同步电机的额定值第一节第一节 概述概述v 额定功率额定功率 ：对发电机为额定输出有功电功率：对发电机为额定输出有功电功率 此外，铭牌上还有额定频率此外，铭牌上还有额定频率 ，单位为，单位为 Hz；额定励；额定励磁电压磁电压 ，单位为，单位为 V；额定励磁电流；额定励磁电流 ，单位为，单位为 A。对电动机为轴上输出的额
8、定机械功率对电动机为轴上输出的额定机械功率(9.1)(9.2)第一节第一节 概述概述 当同步电机定子三相对称绕组接到三相对称电源当同步电机定子三相对称绕组接到三相对称电源上时，就会产生三相合成圆形旋转磁动势，又称电枢上时，就会产生三相合成圆形旋转磁动势，又称电枢磁动势，用空间向量磁动势，用空间向量 表示。设其转向为逆时针，转表示。设其转向为逆时针，转速为速为同步转速同步转速。在转子励磁绕组中通入直流励磁电流在转子励磁绕组中通入直流励磁电流 ，就产生，就产生了励磁磁动势了励磁磁动势 。由于励磁磁动势。由于励磁磁动势 相对于转子是静相对于转子是静止的，止的，但转子本身以同步转速逆时针方向旋转，所以
9、但转子本身以同步转速逆时针方向旋转，所以一同步电机的磁动势一同步电机的磁动势第二节第二节 同步电机的双反应原理同步电机的双反应原理励磁磁励磁磁动势动势 相对于定子也以同步转速逆时针方向旋相对于定子也以同步转速逆时针方向旋转。因此作用在同步电机的主磁路上的这转。因此作用在同步电机的主磁路上的这两个磁动势两个磁动势均均以同步转速逆时针旋转，且以同步转速逆时针旋转，且保持同步保持同步。为简单起见，假设电机主磁路不饱和，是线性的。为简单起见，假设电机主磁路不饱和，是线性的。这样，作用在电机主磁路上的各个磁动势的影响就可以这样，作用在电机主磁路上的各个磁动势的影响就可以分别考虑，然后再采用叠加原理进行合
10、成。分别考虑，然后再采用叠加原理进行合成。第二节第二节 同步电机的双反应原理同步电机的双反应原理 图图9.3 同步电机的纵轴与横轴同步电机的纵轴与横轴第二节第二节 同步电机的双反应原理同步电机的双反应原理 1励磁磁动势励磁磁动势 从图从图9.3看出，励磁磁动势看出，励磁磁动势 作用在纵轴方向，产生作用在纵轴方向，产生的励磁磁通的励磁磁通 如图如图9.4所示。显然所示。显然 的磁路关于纵轴对称，的磁路关于纵轴对称，并且并且 随着转子一起旋转。随着转子一起旋转。2电枢磁动势电枢磁动势 与与 同步旋转，但位置未必一致。只要同步旋转，但位置未必一致。只要 的方向不的方向不在纵轴上，由于凸极式同步电机气
11、隙不均匀，极间的气在纵轴上，由于凸极式同步电机气隙不均匀，极间的气隙较大，极下的气隙小，磁路不对称，很难求解。隙较大，极下的气隙小，磁路不对称，很难求解。第二节第二节 同步电机的双反应原理同步电机的双反应原理 同步电机的电枢反应如图同步电机的电枢反应如图9.5所示，电枢磁动势所示，电枢磁动势 与励磁磁动与励磁磁动势势 的相对位置已知。为了求解的相对位置已知。为了求解磁场，把电枢磁动势磁场，把电枢磁动势 分解成两分解成两个分量：纵轴个分量：纵轴(直轴或直轴或d轴轴)电枢磁电枢磁动势动势 和横轴和横轴(交轴或交轴或q轴轴)电枢电枢磁动势磁动势 。二凸极同步电机的双反应原理二凸极同步电机的双反应原理
12、图图9.5 同步电机的电枢反应同步电机的电枢反应第二节第二节 同步电机的双反应原理同步电机的双反应原理 (9.3)即即 作用在纵轴方向，其磁路为对称磁路；作用在纵轴方向，其磁路为对称磁路；作用在作用在横轴方向，其磁路亦对称。这样，就将上述不对称磁路横轴方向，其磁路亦对称。这样，就将上述不对称磁路第二节第二节 同步电机的双反应原理同步电机的双反应原理即即的求解的求解转化为两个独立的对称磁路的求解，问题得以简转化为两个独立的对称磁路的求解，问题得以简化。这种方法，称为化。这种方法，称为双反应原理双反应原理。双反应原理的理论基础实质上就是叠加原理。实践双反应原理的理论基础实质上就是叠加原理。实践证明
13、，若不计饱和，应用双反应原理分析凸极同步电机证明，若不计饱和，应用双反应原理分析凸极同步电机的确可以得到令人满意的结果。的确可以得到令人满意的结果。第二节第二节 同步电机的双反应原理同步电机的双反应原理（1）纵轴）纵轴图图9.6电枢反应磁动势及磁通电枢反应磁动势及磁通 由由 单独作用产生的磁通称为纵轴电枢磁通单独作用产生的磁通称为纵轴电枢磁通 ，如图，如图9.6(1)所示。所示。第二节第二节 同步电机的双反应原理同步电机的双反应原理（2）横轴）横轴图图9.6电枢反应磁动势及磁通电枢反应磁动势及磁通 由由 单独作用产生的磁通称为横轴电枢磁通单独作用产生的磁通称为横轴电枢磁通 ，如图，如图9.6(
14、2)所示。所示。第二节第二节 同步电机的双反应原理同步电机的双反应原理生磁动势生磁动势 ,产生磁动势产生磁动势 。，其中，其中 产产即把电枢电流即把电枢电流 也分解成两个分量也分解成两个分量仿照仿照，将电枢电流进行分解，将电枢电流进行分解(9.4)和和第二节第二节 同步电机的双反应原理同步电机的双反应原理横轴电枢磁动势横轴电枢磁动势 的大小为的大小为纵轴电枢磁动势纵轴电枢磁动势 的大小为的大小为第二节第二节 同步电机的双反应原理同步电机的双反应原理 求求出出了了纵纵轴轴和和横横轴轴电电枢枢磁磁动动势势后后，需需要要统统一一进进行行折折算算，然后再进行叠加。然后再进行叠加。第二节第二节 同步电机
15、的双反应原理同步电机的双反应原理 空空载载特特性性是是电电机机的的基基本本特特性性，因因此此将将空空载载特特性性作作为为纵纵轴轴和和横横轴轴电电枢枢磁磁动动势势的的折折算算基基准准。即即相相当当于于用用等等效效的的励励磁磁磁磁动动势势来来替替代代纵纵轴轴和和横横轴轴电电枢枢磁磁动动势势，这这样样就就可可以以利利用用空空载载特特性性曲线求解纵轴和横轴电枢反应。曲线求解纵轴和横轴电枢反应。折算按照下面的公式进行：折算按照下面的公式进行：第二节第二节 同步电机的双反应原理同步电机的双反应原理 式式中中，和和 分分别别为为纵纵轴轴和和横横轴轴电电枢枢磁磁动动势势折折算算系系数数，表表示示获获得得同同样
16、样大大小小的的基基波波磁磁场场时时，单单位位安安匝匝的的纵纵轴轴和和横横轴轴正正弦波磁动势所对应的等效励磁磁动势。弦波磁动势所对应的等效励磁磁动势。在在凸极同步电机凸极同步电机中，中，由于由于 ，所以，所以 ；而在而在隐极同步电机隐极同步电机中中 ，所以所以 。第三节第三节 同步电动机电压平衡方程式及相量图同步电动机电压平衡方程式及相量图 作作为为电电动动机机运运行行是是同同步步电电机机的的一一种种重重要要运运行行方方式式。同同步步电电动动机机接接在在频频率率一一定定的的电电网网上上运运行行，其其转转速速恒恒定定不不变变，不不受受负负载载变变化化的的影影响响。同同步步电电动动机机的的功功率率因
17、因数数比比异异步步电电动动机高，能够通过机高，能够通过调节励磁电流改善电网的功率因数调节励磁电流改善电网的功率因数。第三节第三节 同步电动机电压平衡方程式及相量图同步电动机电压平衡方程式及相量图一凸极同步电动机一凸极同步电动机 同步电动机运行时，同步旋转的励磁磁通同步电动机运行时，同步旋转的励磁磁通 和电枢和电枢磁通磁通 、都要在定子绕组里感应电动势。都要在定子绕组里感应电动势。励磁磁通励磁磁通 、纵轴电枢磁通、纵轴电枢磁通 和横轴电枢磁通和横轴电枢磁通 在定子绕组里感应的电动势分别用在定子绕组里感应的电动势分别用 、和和 表示。表示。图图9.7 同步电动机各电量的正方向同步电动机各电量的正方
18、向第三节第三节 同步电动机电压平衡方程式及相量图同步电动机电压平衡方程式及相量图 根根据据双双反反应应理理论论，凸凸极极同同步步电电动动机机不不饱饱和和时时的的基基本本电磁关系为电磁关系为图图9.8 同步电动机各电量的正方向同步电动机各电量的正方向第三节第三节 同步电动机电压平衡方程式及相量图同步电动机电压平衡方程式及相量图式中，式中，是定子绕组相电阻；是定子绕组相电阻；是定子绕组相漏电抗。是定子绕组相漏电抗。根据图根据图9.8，由基尔霍夫定律，可以列出绕组的电压平，由基尔霍夫定律，可以列出绕组的电压平衡方程式衡方程式 (9.7)(9.5)(9.6)第三节第三节 同步电动机电压平衡方程式及相量
19、图同步电动机电压平衡方程式及相量图 式中，式中，称为纵轴电枢反应电抗，表示了纵轴电枢反应称为纵轴电枢反应电抗，表示了纵轴电枢反应磁场在定子绕组中感应电势的能力；磁场在定子绕组中感应电势的能力；称为横轴电枢反应电抗，表示了横轴电枢反应磁场称为横轴电枢反应电抗，表示了横轴电枢反应磁场在定子绕组中感应电势的能力。在定子绕组中感应电势的能力。把式把式(9.6)、(9.7)、(9.4)代入到电压平衡方程式中，得代入到电压平衡方程式中，得第三节第三节 同步电动机电压平衡方程式及相量图同步电动机电压平衡方程式及相量图 称为称为横轴同步电抗横轴同步电抗，为常数。，为常数。式中，式中，称为称为纵轴同步电抗纵轴同
20、步电抗，为常数；，为常数；即：即：(9.8)当同步电动机容量较大时，可忽略电阻当同步电动机容量较大时，可忽略电阻 ，有：，有：(9.9)第三节第三节 同步电动机电压平衡方程式及相量图同步电动机电压平衡方程式及相量图第三节第三节 同步电动机电压平衡方程式及相量图同步电动机电压平衡方程式及相量图 根据式根据式(9.89.8)，功率因数角，功率因数角 领先和滞后时的凸极同步电领先和滞后时的凸极同步电动机的相量图如图动机的相量图如图9.9（a）和（）和（b）所示。）所示。图图9.9凸极式同步电动机相量图凸极式同步电动机相量图a.超前超前b.滞后滞后功率因数角功率因数角功率角功率角二隐极同步电动机二隐极
21、同步电动机 隐极式同步电动机的气隙是均匀的，纵轴、横轴参数相隐极式同步电动机的气隙是均匀的，纵轴、横轴参数相同，即同，即式中式中 为为隐极同步电动机的同步电抗隐极同步电动机的同步电抗。电压平衡方程式为电压平衡方程式为(9.10)忽略电阻忽略电阻 时，有：时，有：(9.11)第三节第三节 同步电动机电压平衡方程式及相量图同步电动机电压平衡方程式及相量图图图9.10 隐极式同步电动机的相量图隐极式同步电动机的相量图 第三节第三节 同步电动机电压平衡方程式及相量图同步电动机电压平衡方程式及相量图a.超前超前b.滞后滞后 根据式根据式(9.109.10)，功率因数角领先和滞后时的隐极式同步功率因数角领
22、先和滞后时的隐极式同步电动机的相量图电动机的相量图如图如图9.10（a）和（）和（b）所示。）所示。扣除定子绕组的铜损耗扣除定子绕组的铜损耗 ，则电磁功率，则电磁功率 为为一功率和转矩平衡方程式一功率和转矩平衡方程式 从电磁功率中扣除铁损耗从电磁功率中扣除铁损耗 和机械摩擦损耗和机械摩擦损耗 输出功率输出功率 。(9.12)第四节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性 三相同步电动机从电网吸收的有功功率为三相同步电动机从电网吸收的有功功率为式中，式中，是同步电动机的角速度。是同步电动机的角速度。式中，式中，为空载损耗，为空载损耗，。因此，同步电动机的功率平衡方程式为：因此，同步电动机
23、的功率平衡方程式为：(9.13)电磁转矩为电磁转矩为第四节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性式中，式中，称为空载转矩。称为空载转矩。(9.14)把式把式(9.12)两边同时除以两边同时除以 ，就得到同步电动机的转矩平，就得到同步电动机的转矩平衡衡方程式。方程式。即即第四节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性二功角特性二功角特性 即忽略定子绕组的铜损耗即忽略定子绕组的铜损耗忽略同步电动机定子电阻忽略同步电动机定子电阻 时，电磁功率时，电磁功率根据图根据图9.9相量图，可得相量图，可得又：又：图图9.9(a)凸极式同步电动机相量图凸极式同步电动机相量图第四节第四节 同步电
24、动机的功角特性同步电动机的功角特性 上式中，第一项与上式中，第一项与 即励磁电流即励磁电流 有关，称为有关，称为励磁电励磁电磁功率磁功率。第二项，与电动机纵轴、横轴参数不相等有关，也。第二项，与电动机纵轴、横轴参数不相等有关，也就是由凸极式转子引起的，称为就是由凸极式转子引起的，称为凸极电磁功率凸极电磁功率或或磁阻功率磁阻功率。将上述关系代入电磁功率的表达式并化简得：将上述关系代入电磁功率的表达式并化简得：(9.15)第四节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性 由式由式(9.15)可知，在电动机参可知，在电动机参数一定的条件下，电磁功率数一定的条件下，电磁功率 是是角度角度 的函数
25、，即的函数，即 称称为同步电动机的功角特性，如图为同步电动机的功角特性，如图9.11曲线曲线3所示。所示。图图9.11 凸极同步电动机的功角特性凸极同步电动机的功角特性励磁电磁功率励磁电磁功率凸极电磁功率凸极电磁功率功角特性功角特性第四节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性 与与 呈正弦函数关系，如图呈正弦函数关系，如图9.11中的曲线中的曲线2。当。当 时，时，与与 呈正弦函数关系，如图呈正弦函数关系，如图9.11中的曲线中的曲线1。当。当 时，时，达到最大，最大值为达到最大，最大值为 。励磁电磁功率励磁电磁功率凸极电磁功率凸极电磁功率达到最大，最大值为达到最大，最大值为 。第四
26、节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性 隐极同步电动机可视为凸极同步电动机的特例。隐极同步电动机可视为凸极同步电动机的特例。对于隐极同步电动机，对于隐极同步电动机，电磁功率，电磁功率 与与 角角的关系为的关系为 功角特性如图功角特性如图9.11曲线曲线1所示。所示。第四节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性把式把式(9.15)两边同除以机械角速度两边同除以机械角速度 ，得到电磁转矩，得到电磁转矩 电磁转矩电磁转矩 与与 的函数关系称为矩角特性，与功角特性的函数关系称为矩角特性，与功角特性形状一致。如图形状一致。如图9.11曲线曲线3所示。所示。三矩角特性三矩角特性(9.
27、16)对于隐极同步电动机，电磁转矩为对于隐极同步电动机，电磁转矩为隐极式同步电动机的矩角特性如图隐极式同步电动机的矩角特性如图9.11曲线曲线1所示。所示。(9.17)第四节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性以隐极式同步电动机为例进行分析。以隐极式同步电动机为例进行分析。1.功率角功率角 在在 区间区间四稳定运行区间四稳定运行区间 在在 范围内，范围内，电机能够稳定运行。电机能够稳定运行。第四节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性（a）图图9.12 隐极同步电动机的稳定运行隐极同步电动机的稳定运行 在在 范围内，电机不能稳定运行。范围内，电机不能稳定运行。2.功率角功
28、率角 在在 区间区间（b）图图9.12 隐极同步电动机的稳定运行隐极同步电动机的稳定运行第四节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性 最大电磁转矩最大电磁转矩 与额定转矩与额定转矩 之比，称为之比，称为过载倍数过载倍数，用用 表示。表示。当当负负载载变变化化时时，角角随随之之变变化化，电电磁磁转转矩矩 和和电电磁磁功功率率 也也随随之之变变化化，以以达达到到新新的的平平衡衡，而而电电机机的的转转速速 却却严严格格按按照照同同步步转转速速旋旋转转。所所以以同同步步电电动动机机的的机机械械特特性性为为一一条条水平直线水平直线，斜率为零。，斜率为零。第四节第四节 同步电动机的功角特性同步电
29、动机的功角特性 根据同步电动机的原理，根据同步电动机的原理，角为电动势角为电动势 与与 之间的夹之间的夹角，是个时间电角度；同时，角，是个时间电角度；同时，角也是励磁磁动势角也是励磁磁动势 （产生电（产生电动势动势 ）与同步电动机主磁路的合成磁动势与同步电动机主磁路的合成磁动势 之间的角度，之间的角度，是个空间电角度。是个空间电角度。对应着对应着 ，近似地对应着近似地对应着 。把合成把合成磁动势磁动势 视为等效磁极，吸引着转子磁极以同步转速视为等效磁极，吸引着转子磁极以同步转速 旋转，旋转，如图如图9.13所示。所示。第四节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性图图9.13 等效磁极
30、等效磁极 同步电机作电动机运行还是作发电机运行，要视转子同步电机作电动机运行还是作发电机运行，要视转子磁极与等效磁极之间的相对位置来决定。磁极与等效磁极之间的相对位置来决定。同步电机作同步电机作电动运行电动运行第四节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性例例 9.1 一台三相四极同步电动机，额定容量一台三相四极同步电动机，额定容量 kW，额定电压额定电压 V，额定功率因数，额定功率因数 ，额定效，额定效率率 ，定子每相电阻，定子每相电阻 ，定子绕组为，定子绕组为 Y 接。接。计算：计算：(1)额定运行时的输入功率额定运行时的输入功率 ；(2)额定运行时的电磁功率额定运行时的电磁功率
31、；(3)额定电磁转矩额定电磁转矩 。第四节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性解：解：(1)kW(2)额定电流额定电流A额定电磁功率额定电磁功率kW(3)Nm第四节第四节 同步电动机的功角特性同步电动机的功角特性 同步电动机运行时，转速恒定，因此，从电网吸收的同步电动机运行时，转速恒定，因此，从电网吸收的有功功率有功功率 基本上取决于负载转矩。当同步电动机输出的基本上取决于负载转矩。当同步电动机输出的有功功率有功功率 恒定而改变其励磁电流时，其无功功率是可以恒定而改变其励磁电流时，其无功功率是可以调节的。调节的。不计磁路饱和影响，忽略电枢电阻，则有不计磁路饱和影响，忽略电枢电阻，则
32、有 而而 恒定，忽略空载损耗（恒定，忽略空载损耗（），则），则 为常数，即为常数，即一无功功率调节一无功功率调节第五节第五节 同步电动机的无功功率调节同步电动机的无功功率调节图图9.14 同步电动机不同励磁电流时的相量图同步电动机不同励磁电流时的相量图 即即 式式(9.19)表示电动机定表示电动机定子边的有功电流保持不变。子边的有功电流保持不变。由此作出电动机的相量图，由此作出电动机的相量图，如图如图9.14所示。所示。(9.18)(9.19)第五节第五节 同步电动机的无功功率调节同步电动机的无功功率调节 正常励磁正常励磁过励过励欠励欠励第五节第五节 同步电动机的无功功率调节同步电动机的无功功
33、率调节第五节第五节 同步电动机的无功功率调节同步电动机的无功功率调节 由图由图9.14相量图可知，在电动机输出功率相量图可知，在电动机输出功率 恒定时，恒定时，改变励磁电流将引起同步电动机定子电流大小和相位的变改变励磁电流将引起同步电动机定子电流大小和相位的变化。正常励磁时，定子电流最小；过励或欠励时，定子电化。正常励磁时，定子电流最小；过励或欠励时，定子电流都会增大。把定子电流流都会增大。把定子电流 与励磁电流与励磁电流 的关系，用曲线的关系，用曲线表示，如图表示，如图9.15所示。所示。二二V型曲线型曲线第五节第五节 同步电动机的无功功率调节同步电动机的无功功率调节图图9.15 同步电动机
34、的同步电动机的 V 形曲线形曲线欠励欠励欠励欠励正常励磁正常励磁过励过励过励过励不稳定区不稳定区不稳定区不稳定区超过超过 电动机失步电动机失步第五节第五节 同步电动机的无功功率调节同步电动机的无功功率调节 改变励磁电流可以调节电动机的功率因数改变励磁电流可以调节电动机的功率因数，这是同步，这是同步电动机最重要的特点。因为电网的负载主要是异步电动机电动机最重要的特点。因为电网的负载主要是异步电动机和变压器，它们都吸收滞后的无功功率。利用同步电动机和变压器，它们都吸收滞后的无功功率。利用同步电动机功率因数可调的特点，工作于过励状态，从电网吸收领先功率因数可调的特点，工作于过励状态，从电网吸收领先的
35、无功功率，就可以改善电网的无功平衡状况，从而提高的无功功率，就可以改善电网的无功平衡状况，从而提高电网的功率因数、运行性能及效益。电网的功率因数、运行性能及效益。第五节第五节 同步电动机的无功功率调节同步电动机的无功功率调节第六节第六节 同步电动机的起动同步电动机的起动 如如果果把把同同步步电电动动机机转转子子通通入入励励磁磁电电流流后后定定子子绕绕组组直直接接接接入入交交流流电电源源，则则定定子子绕绕组组产产生生的的旋旋转转磁磁场场将将以以同同步步转转速速相相对对于于转转子子磁磁场场运运动动，转转子子上上产产生生方方向向交交变变的的脉脉振振转转矩矩，其其平平均均转转矩矩为为零零，所所以以同同
36、步步电电动动机机不不能能直直接接起起动动，而而必必须须借借助助一一定定的方法使它起动。的方法使它起动。同步电动机的常用起动方法有下列三种。同步电动机的常用起动方法有下列三种。1.辅助电动机起动辅助电动机起动2.变频起动变频起动3.异步起动异步起动1.辅助电动机起动辅助电动机起动 选用与同步电动机极对数相同的异步电动机作为辅助电选用与同步电动机极对数相同的异步电动机作为辅助电动机。先将同步电动机励磁绕组经限流电阻短路，用辅助电动机。先将同步电动机励磁绕组经限流电阻短路，用辅助电动机将其拖动至接近同步转速后，将励磁绕组所串的限流电动机将其拖动至接近同步转速后，将励磁绕组所串的限流电阻切除，通入直流
37、电流，电动机自动牵入同步，并切断辅助阻切除，通入直流电流，电动机自动牵入同步，并切断辅助电动机电源。这种方法只适合于空载起动，所需设备多，操电动机电源。这种方法只适合于空载起动，所需设备多，操作复杂作复杂。第六节第六节 同步电动机的起动同步电动机的起动2.变频起动变频起动 起动时，转子绕组通入励磁电流。定子绕组由变频电源供起动时，转子绕组通入励磁电流。定子绕组由变频电源供电，电源频率很低，使转子开始旋转，逐步增加频率至额定电，电源频率很低，使转子开始旋转，逐步增加频率至额定值，则转子转速将随定子旋转磁场转速的上升而上升，直至值，则转子转速将随定子旋转磁场转速的上升而上升，直至达到额定转速。变频
38、起动过程平稳，性能优越，在大中型同达到额定转速。变频起动过程平稳，性能优越，在大中型同步电动机中应用越来越广泛。步电动机中应用越来越广泛。第六节第六节 同步电动机的起动同步电动机的起动3.异步起动异步起动 为了解决起动问题，在同步电动机的转子上安装起动绕为了解决起动问题，在同步电动机的转子上安装起动绕组，类似于鼠笼式异步电动机的鼠笼绕组。当定子接入电源组，类似于鼠笼式异步电动机的鼠笼绕组。当定子接入电源后，产生起动转矩，电动机能够自起动。起动过程和异步电后，产生起动转矩，电动机能够自起动。起动过程和异步电动机的起动过程是完全一样的，当电机的转速接近同步转速动机的起动过程是完全一样的，当电机的转
39、速接近同步转速时，再加入励磁，电动机自动牵入同步。时，再加入励磁，电动机自动牵入同步。第六节第六节 同步电动机的起动同步电动机的起动第七节第七节 同步发电机空载运行同步发电机空载运行 根据根据电机的可逆原理电机的可逆原理，同步电机在一定条件下，也可以，同步电机在一定条件下，也可以作为发电机运行。作为发电机运行。以隐极同步电机为例进行说明。以隐极同步电机为例进行说明。一台隐极同步电机，从电动机状态，经过过渡状态，到一台隐极同步电机，从电动机状态，经过过渡状态，到发电机状态，分别如图发电机状态，分别如图9.16(a)、9.16(b)、9.16(c)所示。所示。一同步电机的可逆原理一同步电机的可逆原
40、理输入功率恰好承输入功率恰好承担其空载损耗担其空载损耗(b)过渡状态过渡状态 图图9.16 从电动机状态到发电机状态的过渡从电动机状态到发电机状态的过渡(c)发电机发电机(a)电动机电动机,第七节第七节 同步发电机空载运行同步发电机空载运行 隐极同步电机的电磁功率隐极同步电机的电磁功率 为为v 当当 时，时，将电功率转换为机械功率，将电功率转换为机械功率输出，输出，电动机运行电动机运行。v 当当 时，时，将机械功率转换为电功率，将机械功率转换为电功率输出，机械功率来源于原动机。即从原动机输入机械功率，输出，机械功率来源于原动机。即从原动机输入机械功率，输出电功率，输出电功率，发电机运行发电机运
41、行。第七节第七节 同步发电机空载运行同步发电机空载运行二同步发电机的空载运行二同步发电机的空载运行第七节第七节 同步发电机空载运行同步发电机空载运行 原原动动机机拖拖动动同同步步发发电电机机转转子子以以同同步步转转速速旋旋转转，励励磁磁绕绕组组通通入入直直流流电电，定定子子三三相相绕绕组组开开路路，称称为为同同步步发发电电机机的的空空载载运运行行。此此时时，定定子子电电流流为为零零，电电机机内内只只有有转转子子励励磁磁电电流流产生的主极磁场，则主极励磁磁动势为产生的主极磁场，则主极励磁磁动势为(9.20)第七节第七节 同步发电机空载运行同步发电机空载运行 主极磁场产生的磁通包括主磁通主极磁场产
42、生的磁通包括主磁通 和漏磁通和漏磁通 ，两者，两者通过的磁路也不同。通过的磁路也不同。图图9.17同步发电机的空载磁路同步发电机的空载磁路第七节第七节 同步发电机空载运行同步发电机空载运行 若忽略气隙磁场中高次谐波，气隙磁场在空间按正弦规若忽略气隙磁场中高次谐波，气隙磁场在空间按正弦规律分布，并随转子一起以同步转速旋转。旋转的主极磁场切律分布，并随转子一起以同步转速旋转。旋转的主极磁场切割定子三相绕组，就会在定子绕组中感应出频率为割定子三相绕组，就会在定子绕组中感应出频率为 的对称的对称三相电动势，称为空载电动势。忽略高次谐波时，每相绕组三相电动势，称为空载电动势。忽略高次谐波时，每相绕组的空
43、载电动势有效值的空载电动势有效值 为为(9.21)第七节第七节 同步发电机空载运行同步发电机空载运行图图9.18同步发电机同步发电机空载特性空载特性 当当调调节节励励磁磁电电流流 时时，主主极极磁磁通通 和和空空载载电电动动势势 也也随随之之变变化化。空空载载电电动动势势 随随励励磁磁电电流流 变变化化的的关关系系曲曲线线000000000000或或主主磁磁通通 随随主主极极励励磁磁磁磁动动势势 变变化化的的关关系系曲线曲线 称为空载特性曲线，如图称为空载特性曲线，如图9.18所示。所示。第七节第七节 同步发电机空载运行同步发电机空载运行图图9.18同步发电机同步发电机空载特性空载特性第七节第
44、七节 同步发电机空载运行同步发电机空载运行图图9.19同步发电机同步发电机空载相量图空载相量图 同同步步发发电电机机中中的的主主极极磁磁场场以以同同步步转转速速000在在空空间间旋旋转转，由由其其产产生生的的正正弦弦基基波波主主磁磁通通和和定定子子绕绕组组中中感感应应的的以以角角频频率率000交交变变的的正正弦弦基基波波电电动动势势在在时时空空上上同同步步变变化化。同同步步发发电机空载运行时的相量图如图电机空载运行时的相量图如图9.19所示。所示。同步发电机各物理量正方向的规定如图同步发电机各物理量正方向的规定如图9.20所示。图中所示。图中 000分别表示主磁通分别表示主磁通 和和电枢反应磁
45、通电枢反应磁通 在定子绕组中感应的励在定子绕组中感应的励磁电动势磁电动势和和电枢反应电动势。电枢反应电动势。第八节第八节 隐极同步发电机负载运行隐极同步发电机负载运行图图9.20 同步发电机同步发电机物理量的正方向物理量的正方向 不考虑不考虑磁路磁路饱和时，可采用叠加原理求解。隐极同步发饱和时，可采用叠加原理求解。隐极同步发电机的基本电磁关系为：电机的基本电磁关系为：式中式中 为定子绕组的相电阻。为定子绕组的相电阻。一不考虑磁路饱和一不考虑磁路饱和(9.22)根据根据基尔霍夫定律基尔霍夫定律，可得定子，可得定子绕组电压绕组电压平衡方程为平衡方程为第八节第八节 隐极同步发电机负载运行隐极同步发电
46、机负载运行第八节第八节 隐极同步发电机负载运行隐极同步发电机负载运行 和和 分别滞后于产生它们的磁通分别滞后于产生它们的磁通 、相位角。因相位角。因磁路不饱和，有磁路不饱和，有 正比于正比于 ，正比于正比于 ，而，而 又正比于又正比于 ，因此，因此，正比于正比于 。由于。由于 与与 的正方向相同，故的正方向相同，故 领先领先于于 相位角。仿照变压器及异步电机的分析方法，将电相位角。仿照变压器及异步电机的分析方法，将电动势变成电抗压降形式，故有：动势变成电抗压降形式，故有：(9.23)式式中中，为为电电枢枢反反应应电电抗抗，表表示示对对称称三三相相电电流流所所产产生生的的电电枢反应磁场在定子相绕
47、组中感应电动势的能力。枢反应磁场在定子相绕组中感应电动势的能力。第八节第八节 隐极同步发电机负载运行隐极同步发电机负载运行 式式(9.22)可改写为可改写为(9.24)式中，式中，为隐极同步电机的为隐极同步电机的同步电抗同步电抗，综综合合反映了反映了稳态运行时电枢反应磁场和漏磁场的稳态运行时电枢反应磁场和漏磁场的作用作用。第八节第八节 隐极同步发电机负载运行隐极同步发电机负载运行图图9.22 隐极同步电机相量图和等效电路隐极同步电机相量图和等效电路 相量图中，相量图中，和和 之间的夹角之间的夹角称为称为内功率因数角内功率因数角。根据。根据几何关系不难得出：几何关系不难得出：饱和时，由于磁路非线
48、性，不能使用叠加原理求解。而必饱和时，由于磁路非线性，不能使用叠加原理求解。而必须首先将主极磁动势和等效的电枢磁动势进行矢量相加，求出须首先将主极磁动势和等效的电枢磁动势进行矢量相加，求出合成磁动势，再利用磁化曲线求解合成磁通和合成电动势。合成磁动势，再利用磁化曲线求解合成磁通和合成电动势。二考虑磁路饱和二考虑磁路饱和 通常磁化曲线上励磁磁动势通常磁化曲线上励磁磁动势 用幅值表示，隐极发电机的用幅值表示，隐极发电机的励磁磁动势为一阶梯形波，如图励磁磁动势为一阶梯形波，如图9.23所示所示。第八节第八节 隐极同步发电机负载运行隐极同步发电机负载运行第八节第八节 隐极同步发电机负载运行隐极同步发电
49、机负载运行图图9.23 隐极同步发电机励磁磁动势隐极同步发电机励磁磁动势(9.26)式中式中 为为产生同样的基波气隙磁场，电枢磁动势转换产生同样的基波气隙磁场，电枢磁动势转换为梯形波磁动势的系数。为梯形波磁动势的系数。由于由于电枢磁动势电枢磁动势 幅值是基波的幅值，因此，需要把幅值是基波的幅值，因此，需要把基波电枢磁动势幅值换算成等效的阶梯波的幅值，才能将基波电枢磁动势幅值换算成等效的阶梯波的幅值，才能将 和和 进行矢量相加。进行矢量相加。第八节第八节 隐极同步发电机负载运行隐极同步发电机负载运行第八节第八节 隐极同步发电机负载运行隐极同步发电机负载运行 然后根据电机的磁化曲线求出负载时的气隙
50、磁通然后根据电机的磁化曲线求出负载时的气隙磁通 和和 相应的气隙电动势，并进一步导出电枢的电压方程，即相应的气隙电动势，并进一步导出电枢的电压方程，即(9.27)图图9.24 隐极同步发电机饱和时的相量图和等效电路隐极同步发电机饱和时的相量图和等效电路 与隐极同步发电机不同，凸极同步发电机的气隙不均匀，与隐极同步发电机不同，凸极同步发电机的气隙不均匀，因而直轴与交轴磁路磁阻不相同因而直轴与交轴磁路磁阻不相同，电枢磁动势作用在直轴和，电枢磁动势作用在直轴和交轴磁路上时，所产生的交轴磁路上时，所产生的电枢反应磁通不同电枢反应磁通不同。因此需要运用。因此需要运用双反应原理进行分析。双反应原理进行分析