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1、同步电机转子转速是常值且与同步速相等，与负载的大小无关。,同步电机主要用作发电机，也可以用作电动机和补偿机。,3-1 同步电机的基本结构和运行状态,一、基本结构,定子,转子,a)隐极式,b)凸极式,有明显的凸出的磁极，气隙不均匀，制作简单。,适合于高速发电机,适合于低速发电机,转子圆柱形，气隙均匀，转子机械强度高，励磁绕组固定容易。,同步电机又分为隐极式和凸极式两种,电励磁,永磁励磁：表面式，嵌入式，内置式。,表面式结构,（a）（b）表面式转子结构,由于永磁体的磁导率与气隙相近，表面式结构的电机交、直轴磁路磁阻基本相同，因此是一种隐极式同步电动机。,嵌入式结构,嵌入式转子结构,内置式结构,（a
2、）永磁体径向充磁；（b）永磁体横向充磁 内置式转子结构,在嵌入式和内置式电机中，交、直轴磁路磁阻是不相等的。,二、同步电机的运行状态,感应电机的运行状态时由转差率s决定的。,同步电机：,转子磁场同步速旋转：转子通入直流励磁电流，转子在原动机拖动下以ns旋转。,定子磁场也以同步速旋转：定子三相对称绕组在转子磁场的作用下，产生三相对称电动势，接负载后流过三相对称电流，并在气隙中产生以同步速旋转的磁动势和磁场。,定转、子磁场相对静止，并相互作用，产生电磁转矩，进行能量转换。,三种运行状态是由转子磁场B0与合成磁场B的相对位置决定。,同步电机的三种运行状态：发电机，电动机，补偿机。,转子磁场轴线领先合
3、成磁场轴线的夹角 功率角,0时，Te为制动转矩，原动机的驱动转矩与电磁转矩Te 平衡。转子吸收机械功率，定子发出电功率。,发电机运行状态,0 时，Te为驱动转矩，带动负载运行。转子输出机械功率，定子吸收电功率。,N,So,=0 时，不进行能量转换，仅发出或吸收无功功率，补偿机。,补偿机运行状态,四、额定值,额定电压 UN 单位为kV,额定电流 IN 单位为A,kA,额定功率因数,额定频率 f N 单位为Hz,额定转速 n N单位为r/min,额定温升 N,额定励磁电流和电压 IfN、UfN,额定容量 SN 或额定率PN 单位为 kW,kVA,同步发电机的额定功率是指额定运行时，电枢绕组输出的视
4、在功率或有功功率,同步电动机的额定功率是指额定运行时，轴上输出的机械功率,补偿机的额定功率是指额定运行时，电枢绕组输出的无功功率,3-2 同步发电机的磁场,一、空载运行,n s I f I=0,1、空载磁场主磁场,若主磁场B0 在气隙中正弦分布，且以同步速ns旋转，则在定子绕组中产生对称三相电动势：,空载电动势，激磁电动势,有效值：,频率：,2、空载特性,n s=c E0=f(I f),Ff If E0 0 电机的磁化曲线 0=f(F f),同步电机的空载特性,o较小时，磁路不饱和，空载曲线的下部是一条直线；随 o的增大，铁心逐渐饱和，空 载 曲线弯曲。,气隙线：不计铁心磁阻的空载特性曲线。,
5、空载特性是同步电机的一条基本特性。,二、负载运行,接三相对称负载,空载时，同步电机的气隙磁场是由励磁磁动势所产生的主磁场B0。,(空载电动势或激磁电动势),电枢反应：电枢磁动势的基波对气隙磁场的影响,电枢反应使气隙磁场空间位置发生变化，直接关系到电机的 机电能量转换。,电枢反应的去磁或增磁，对电机的运行性能产生影响,电枢反应的性质（交磁，去磁或增磁）取决于电枢磁动势和主磁场在空间的相对位置。,一台2极同步发电机,定子三相对称绕组以集中绕组表示转子励磁绕组也以集中绕组表示。（转子直轴和交轴）,电枢绕组中电动势和电流的正方向规定：从首端流出，尾端流入。,图示瞬间，A相绕组电动势 达正的最大值，方向
6、从X入，A出。,从导体切割磁力线分析。,从磁通的变化来分析。A相磁通为零，电动势滞后磁通90度。,B相绕组、C相绕组电动势 滞后A相电动势120度和240度。,(直轴),(交轴),1.o=0 时,基波磁动势 Fa 轴线与A相绕组轴线重合,电枢磁动势的轴线与转子直轴正交，与交轴重合,电枢磁动势是交轴磁动势,A相电流达最大值,时间相量图,A相电动势达最大值,相量在时轴上的投影为它的瞬时值,时-空统一矢量图,电枢磁动势是一个交轴磁动势，由此所产生的电枢反应为交轴电枢反应。,主磁场 与电枢磁动势 之间的空间相位关系，恰好与链过A相的主磁通 与A相的电流 之间的时间相位关系一致。,时-空统一矢量图,三相
7、对称，因此把表示A相量的下标A省略，写成。,在时空矢量图中：,既代表主极基波磁动势的空间矢量，也表示时间相量 的相位；既代表A相电流相量，又表示电枢磁动势 的空间相位。,空间矢量是整个电枢（三相）或主极的作用，而时间相量仅指一相（A）而言。,产生交轴电枢反应，使气隙磁场的空间相位改变，且幅值增加。转子磁极受到转矩作用，从而实现机电能量转换。,气隙合成磁场与主磁场的相对位置,对同步发电机，当0=0时，主磁场超前气隙合成磁场，主极上受到一个制动性质的电磁转矩。,交轴电枢反应使能量转换得以实现。交轴电枢反应使气隙磁场增强。,2.0=90 时,0=90,产生直轴电枢反应，使气隙磁场减弱，去磁。,0=-
8、90,产生直轴电枢反应，使气隙磁场增强，增磁。,只有直轴电枢反应时，气隙磁场的空间相位不变，转子不受转矩的作用。,3.0090时,电流滞后电动势,4.-90 0 0时,电流超前电动势,发电机分别接纯电阻、纯电感和纯电容负载时的内功率因数角各为多少？,并网运行时，直轴电枢反应影响电机输出的无功功率。,直轴电枢反应的影响：,电机单机运行时，直轴电枢反应将直接影响端电压的大小。,负载时隐极同步发电机内的磁场分布图,3-3 隐极同步发电机的基本电磁关系,隐极同步发电机的电压方程式、相量图和等效电路。,一、磁路不饱和时(线性系统),磁路不饱和时，系统是线性的，可使用迭加原理进行分析，即主磁场和电枢反应磁
9、场分别考虑。,转子：,1、电压方程式,采用发电机惯例规定正方向，可写出电压方程式,Xa：电枢反应电抗；：电枢漏电抗。,反映电枢反应磁场和电枢漏磁场综合效应的一个综合参数,直轴电枢反应去磁,900,2、相量图,已知 和电机参数，画相量图的步骤,3、等效电路,4、同步电抗,a)反映了a和的作用,b)磁路不饱和时为常数,c),二、考虑磁路饱和时,非线性，迭加原理不适用,已知磁动势F，由电机的空载特曲线求得电动势E。,励磁磁动势在空间是梯形波，Ff是其幅值，而电枢电动势在空间是正弦波，Fa是基波磁动势的幅值。为了利用空载特性，应把Fa换算到励磁磁动势。,对于汽轮发电机，ka=0.93 1.03，主要取
10、决于大齿的宽度。,ka的意义：产生同样大小的基波气隙磁场时，一安匝的电枢磁动势相当与多少安匝的梯形波励磁磁动势。,：正弦波磁动势幅值；,：等效梯形波磁动势的幅值。,1、电枢磁动势换算系数是k a,2、电压方程和磁动势方程式,由于磁路饱和，不能单独的计算激磁电动势E0和电枢反应电动势Ea，而只有合成电动势E（气隙电动势）。,漏磁场路径主要为气隙，没有饱和问题。,*考虑饱和的另一方法是根据运行点的饱和程度，找出相应的Xs(饱和)，即把空载特性在工作点线性化。,3、电压相量图和磁动势矢量图,3-4 凸极同步发电机的基本电磁关系,凸极同步电机的特点：,气隙不均匀，直轴气隙小，交轴气隙大。,相同大小的电
11、枢磁动势作用于不同的气隙位置时，产生不同的磁密。,采用双反应理论分析凸极同步电机。,一.双反应理论,气隙磁导：,凸极电机气隙不均匀，所以气隙磁导不是常数。,以主极轴线为坐标原点，表示为：,其中，为由原点开始度量的电角度。,忽略4次级以上的谐波得：,直轴处气隙小，大；交轴处气隙大，小。,同样大小的磁动势作用于直轴和交轴上产生的电枢磁场将有明显差别。,电枢反应磁场Ba与电枢反应磁动势Fa及气隙磁导之间的关系为：,1、当电枢磁动势作用于直轴时,Fa=Fad,基波磁场的幅值Bad1比直轴电枢反应磁场的幅值Bad减小不很多。,正弦电枢反应磁动势Fa=Fad,2、当电枢反应磁动势作用于交轴时,Fa=Faq
12、,在极间区域，交轴电枢反应磁场有明显的凹陷，基波磁场幅值Baq1明显减小。,正弦电枢反应磁动势Fa=Faq,3、当电枢反应磁动势Fa即不作用在直轴、又不作用在交轴,直轴电枢反应磁场Bad,交轴电枢反应磁场Baq,实际上，前面考虑电枢磁场的去磁、助磁及交磁时，已涉及这一问题，那时没考虑各分量磁动势所对应的气隙磁密的差异。,可以把电枢反应磁动势分解成直轴和交轴两个分量，再对应直轴和交轴磁导分别算出直轴和交轴电枢反应，最后再把他们的效果叠加起来双反应理论,把电枢磁动势分成直轴和交轴磁动势,Fa分解为Fad和Faq,Bad1的幅值与Bad应相差不大，但Baq有很小的基波分量幅值,直轴换算系数kad和交
13、轴换算系数kaq,分析隐极电机时：电枢反应磁动势Fa由于磁动势波形形状与励磁磁动势不同，因此将电枢反应磁动势要折算到励磁磁动势,Ka的意义：产生同样大小的基波气隙磁场时，一安匝的电枢磁动势相当于多少安匝的梯形波励磁磁动势。,kad、kaq的意义：产生同样大小的基波气隙磁场时，一安匝的直轴磁动势或交轴磁动势相当于kad和kaq安匝的励磁磁动势。,kad接近于1，kaq较小。,1）直轴磁动势所经过的气隙同励磁磁动势所经历的气隙相同，不同的是 两磁动势的波形。,2）交轴磁动势所经过的气隙远大于励磁磁动势所经历的气隙，交轴磁动势的波形同直轴磁动势相同，都是正弦波。,二、电压方程和相量图,（磁路不饱和）
14、,按发电机惯例写出电压方程式为：,其中：,Xad：直轴电枢反应电抗 Xad=Ead/Id，单位直轴电流产生的直轴电枢反应电动势。,Xaq：交轴电枢反应电抗 Xaq=Eaq/Iq，单位交轴电流产生的交轴电枢反应电动势。,而且有：,是表征对称负载运行时电枢漏磁和直轴或交轴电枢反应的一个综合参数。,0,d,0,q,Ra,j qXq,j d Xd,0,：功率因数角；,：功率角。,0：内功率因数角；,直轴电枢反应电动势在交轴上，与激磁电动势在同一轴上。,0？,等效电路,该等效电路在计算凸极同步电机在电网中的运行性能和功角时常常用到。,磁路饱和时,*磁路饱和时也可在不饱和模型中采用 X d 的饱和值来考虑
15、直 轴饱和的影响。,Ed为励磁磁动势和直轴电枢反应磁动势共同作用所产生。,三、直轴和交轴同步电抗,电枢绕组电抗同绕组有效匝数的平方成正比，与所经路径的磁导成正比。,X d=X ad+X,(kw1N1)2 d,d=ad+,X q=X aq+X,(kw1N1)2 q,q=aq+,其中：,ad：直轴电枢反应磁通所经路径的等效磁导；aq：交轴电枢反应磁通所经路径的等效磁导；：电枢漏磁通所经路径的等效磁导；d、q：稳态运行时直轴和交轴的电枢等效磁导。,结论：凸极同步电机有X d Xq，隐极同步电机有 X d=X q=Xs,直轴电枢磁导,交轴电枢磁导,一、功率方程,I f B0 pFe 铁心损耗（转子铁心
16、中磁场恒定，无铁耗）,P1-p-pFe=Pe,ns,励磁损耗由另外的直流电源供给,Pe-pcua=P2,同步发电机的功率方程：,3-5 同步发电机的功率方程和转矩方程,二.转矩方程,P1(p+pFe)=Pe,T1T0=Te,两边同时除以同步角速度s=2ns/60,三.电磁功率,Pepcua=P2,Pe=P2+pcua,=mI(U cos+I Ra),=m I EQ cos0,=m U I cos+mI2Ra,=m I E cos,=mEQIq,隐极同步发电机中,因为：,EQ=E0,Pe=m I E cos=m I EQ cos0=mEQIq=mE0Iq,要想进行能量转换，电枢电流中必须有有功分
17、量 对E来说，Icos 就是电流的有功分量 对EQ来说，Icos0=Iq 就是电流的有功分量,与前面的分析相符，交轴电流产生交轴电枢反应，使气隙磁 场轴线移位，气隙磁场与主极磁场轴线间有相位差。,Iq 决定了（功率角）的大小,：功率角,交轴电枢反映越强，即交轴电流越大，也就越大。,在一定的范围内，功率角越大，同步电机的电磁转矩和电磁功率也就越大。,交轴电枢电流对产生电磁转矩和进行能量转换具有直接关系。,3-6 同步发电机的功角特性,同步发电机的电磁功率Pe的大小由激磁电动势E0、端电压U、E0和U之间的相角差（称为功率角）以及电机的参数决定。,同步发电机的功角特性：当E0和U保持不变时，发电机
18、发出的电磁功率与功率角之间的关系Pef()。,一、功角特性,功角特性的表达式,为基本电磁功率,称为附加电磁功率,附加电磁功率与励磁（或E0）的大小无关，且仅当 时才存在，它是由凸极效应（即交、直轴磁阻不相等）所引起，故亦称为磁阻功率。在隐极同步电机中附加电磁功率等于零。,基本电磁功率与励磁电动势成正比，与电机的端电压成正比，与功角的正弦成正比，与直轴同步电抗成反比。,当时，达到最大值。,当时达到最大值。,0时,电磁功率为正值，对应于发电机状态,电磁功率为负值，对应于电动机的状态,时,总的电磁功率，发电机运行时，在为4590之间达到最大值Pe(max),其具体位置和数值视Pe1(max)和Pe2
19、(max)的相对大小而定。,对于隐极电机，由于XdXqXs，附加电磁功率为零，故Pe就等于基本电磁功率,对于凸极电机，电磁功率Pe亦可以写成,上式形式比较简单，但是要注意，式中的EQ为虚拟电动势，EQ本身也是功角的函数。,二、功率角的空间含意,功率角是时间相量E0与U之间的相角差,电压U（即电网电压）可认为由合成磁场Bu（包括主磁场、电枢反应磁场）感应产生。,激磁电动势E0由主磁场B0感应产生,B0和Bu分别超前于E0和U以90度的电角度,E可认为是电枢的合成磁场B感应产生,功率角 亦可近似的看作是合成磁场滞后空载磁场的角度。,功率角也是主磁场B0与电枢合成磁场Bu之间的空间相位差,对于同步发
20、电机，B0总是领先Bu，若采用发电机惯例，这时角定为正值，电磁功率也为正值。,功率角是同步电机的基本变量之一，近似地赋予功率角以空间含意，这对掌握负载变化时主磁场和合成磁场之间地相对位移，以及理解负载时同步电机内部所发生的物理过程，是很有帮助的。,一、同步电动机的电压方程和向量图,3-7 三相同步电动机,同步电动机由电网输入电功率，轴端输出机械功率。,1.用发电机惯例来分析,同步电动机是把交流电能转换成机械能，特点是转子转速与负载大小无关，始终保持为同步转速，且其功率因数可以调节。,电动机向电网发出负的电功率，即电磁功率Pe90。,2.用电动机惯例来分析改变电枢电流的参考方向，以输入电流作为电
21、枢电流的正方向，记为IM，此时输入电功率为正值，电压方程式为,凸极同步电动机,隐极同步电动机,画凸极同步电动机向量图时，需要先确定0M角。,注：在分析电枢反应的性质时,要注意是采用哪种惯例。,若采用发电机惯例：,电枢电流I滞后于激磁电动势E0时，直轴电枢反应是去磁的；电枢电流I超前于激磁电动势E0时，直轴电枢反应是助磁的。,若采用电动机惯例：（电枢电流的正方向已发生变化）,电枢电流IM滞后于激磁电动势E0时，直轴电枢反应是助磁的；电枢电流IM超前于激磁电动势E0时，直轴电枢反应是去磁的。,二、同步电动机的功角特性，功率方程和转矩方程按发电机惯例导出的功角特性直接用于电动机，因为功角为负，电磁功
22、率Pe也是负，用起来不方便。如采用电动机惯例，把空载电动势滞后端电压的功率角规定为正，用M表示，即,这时电磁功率为正，表示从电能转换为机械能。,将上式除以同步角速度s，便得电动机的电磁转矩,同步电动机的电磁转矩是驱动性质的。,电动机正常工作时，同步电动机从电网输入的电功率P1，除小部分消耗于定子铜耗pCua外，大部分通过定、转子磁场的相互作用传递到转子，传递到转子的功率就是电磁功率Pe，故有 P1=pcua+Pe,从电磁功率Pe中扣除定子铁耗pFe和机械损耗p后，可得轴上输出的机械功率P2，即 Pe=pFe+p+P2,除以同步角速度s，可得转矩方程Te=T0+T2,式中:,Te为电动机的电磁转
23、矩,T0为空载转矩,T2为输出转矩,三、同步电动机的运行特性 同步电动机的运行特性包括工作特性和V形曲线两部分。,同步电动机的工作特性是指，定子电压 U=UN、励磁电流If=IfN时，电磁转矩、电枢电流、效率、功率因数与输出功率之间的关系，即Te、IM、cosM=f(P2)。,当输出功率P2=0时，电枢电流为很小的空载电流；随着输出功率的增加，电枢电流也随之增大，电枢电流也随之增大，IM=f(P2)近似为一直线。,Te=f(P2)是一条直线,同步电动机的效率特性与其他电机基本相同。空载时，=0，随着输出功率的增加，效率逐步增加，达到某个最大之后开始下降。,同步电动机的最大电磁功率与额定功率之比
24、，称为过载能力。和发电机一样，增加电动机的励磁，可以提高最大电磁功率Pe(max)，从而提高过载能力。,同步电动机的功率因数特性与额定功率因数有关，图示为空载功率因数等于1时的功率因数特性特性曲线。,不同励磁时同步电动机的功率因数特性：,从图可见，改变励磁电流，可使电动机在任意特定负载下的功率因数达到1，甚至变成超前。,曲线1励磁电流较小,曲线2励磁电流稍大,曲线3励磁电流更大,四、同步电动机的起动,同步电动机仅在同步转速时才产生恒定的同步电磁转矩。起动时若把定子直接投入电网，转子加上直流励磁，则定子旋转磁场以同步转速旋转，而转子磁场静止不动，定、转子磁场之间具有相对运动，所以作用在转子上的同
25、步电磁转矩正、负交变，平均转矩为零，电机不能自行起动。因此，要把同步电动机起动起来，必须借助其他方法。,起动方法:,异步起动法辅机起动法变频起动法,1、异步起动法,起动绕组：,电机的主极极靴上设有起动绕组，相当于感应电机的鼠笼绕组。,起动方法：,起动时，先把励磁绕组通过电阻短接，然后把定子绕组接到三相交流电网。,依靠定子旋转磁场和转子绕组中感应电流所产生的异步电磁转矩，电机便能转起来。,待转速上升到接近于同步转速时，再将励磁电流接入励磁绕组，使转子建立主极磁场。,此时依靠定、转子磁场相互作用所产生的同步电磁转矩，再加上由于凸极效应所引起的磁阻转矩，便可能将转子牵入同步。,通常选用与同步电动机极
26、数相同的感应电动机作为辅助电动机，当辅助电机把主机拖动到接近同步转速时，再用自整步法把主机投入电网。,2、辅机起动方法,3、变频起动法,（1）起动时，加上励磁，把变频电源输出频率调的很低依靠定转子磁场之间的相互作用产生同步电磁转矩，起动电机，并在很低的同步转速下运转。,（2）调节变频器的输出频率，使定子旋转磁场和转子的转速逐步加快，一直到额定转速。,（3）切除变频器。,3-8 永磁同步电机设计中的几个问题,主要性能要求：调速范围宽，转矩和转速平稳，动态响应快，单位电流产生的转矩大。调速范围：0,恒转矩调速；,恒转矩调速。,运行周期：一般,.主要尺寸的确定 电机定子铁心内径,（cm），铁心有效长
27、度,（cm）。,为气隙磁密,；,为线负荷，,。,一定时，,电机的体积。,受永磁体,及磁路饱和的限制；A受电机发热及电枢反应的限制。,一定时，,电机动态性能，成本，效率。,二.转子结构形式的选择 表面形式：,漏磁系数小，同步电抗小，适合于中低速电机。,内置式：,漏电系数大，同步电抗大，易于弱磁扩速，适合于高速电机。,三.永磁体的设计,为永磁体充磁方向厚度；,永磁体宽度；,为计算气隙长度；,为转子极距。,为极弧系数。影响气隙磁密波形；影响齿槽转矩。一般,的选取还应保证电机电流最大时，不产生不可逆去磁。,四.相电动势,的选取,电机主要尺寸一定时，通过调节槽导体数改变,对电机的运行状态有重要影响。,五.减小齿槽转矩和纹波的措施,减小齿槽转矩 定子斜槽。转子斜极。,减小定子槽口宽度或采用磁性槽楔。采用分数槽绕组。例如,减小纹波转矩 空载磁场正弦分布：调,；永磁体不同厚。,采用双层分布绕组。,
