《同步電動機簡介》PPT課件.ppt

《《同步電動機簡介》PPT課件.ppt》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《《同步電動機簡介》PPT課件.ppt（68頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、同步電機原理介紹 聯(lián)眾公司熱軋儀電處 講師：彭君權(quán) 結(jié)構(gòu)模型 同步發(fā)電機和其它類型的旋轉(zhuǎn)電機一樣，由固定的定子和可 旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子兩大部分組成。一般分為轉(zhuǎn)場式同步電機和轉(zhuǎn)樞式同步電機。 圖 15.1給出了最常用的轉(zhuǎn)場式同步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)模型，其定 子鐵心的內(nèi)圓均勻分布著定子槽，槽內(nèi)嵌放著按一定規(guī)律排列的三 相對稱交流繞組。這種同步電機的定子又稱為電樞，定子鐵心和繞組又稱為電樞鐵心和電樞繞組。 轉(zhuǎn)子鐵心上裝有制成一定形狀的成對磁極，磁極上繞有勵磁 繞組，通以直流電流時，將會在電機的氣隙中形成極性相間的分布磁場，稱為勵磁磁場 (也稱主磁場、轉(zhuǎn)子磁場 )。 氣隙處于電樞內(nèi)圓和轉(zhuǎn)子磁極之間，氣隙層的厚度和形

2、狀對 電機內(nèi)部磁場的分布和同步電機的性能有重大影響。 除了轉(zhuǎn)場式同步電機外 ,還有轉(zhuǎn)樞式同步電機，其磁極安裝于 定子上，而交流繞組分布于轉(zhuǎn)子表面的槽內(nèi)，這種同步電機的轉(zhuǎn)子充當了電樞。圖中用 AX、 BY、 CZ三個在空間錯開 120電角度分布 的線圈代表三相對稱交流繞組。 工作原理 主磁場的建立：勵磁繞組通以直流勵磁電流，建立極性相間的 勵磁磁場，即建立起主磁場。 載流導體：三相對稱的電樞繞組充當功率繞組，成為感應電 勢或者感應電流的載體。 切割運動：原動機拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)（給電機輸入機械能），極 性相間的勵磁磁場隨軸一起旋轉(zhuǎn)并順次切割定子各相繞組（相當于繞組的導體反向切割勵磁磁場）。 交變電勢的

3、產(chǎn)生：由于電樞繞組與主磁場之間的相對切割運 動，電樞繞組中將會感應出大小和方向按周期性變化的三相對稱交變電勢。通過引出線，即可提供交流電源。 感應電勢 有效值：由第 11章可知，每相感應電勢的有效值為 E=4.44fN kw (15.1) 感應電勢 頻率： 感應電勢的頻率決定于同步電機的轉(zhuǎn)速 n 和 極對數(shù) p ，即 f=pn/60 (15.2) 交變性與對稱性：由于旋轉(zhuǎn)磁場極性相間，使得感應電勢的 極性交變；由于電樞繞組的對稱性，保證了感應電勢的三相對稱性。 同步轉(zhuǎn)速 同步轉(zhuǎn)速 從供電品質(zhì)考慮，由眾多同步發(fā)電機 并聯(lián)構(gòu)成的交流電網(wǎng)的頻率應該是一個不變的 值，這就要求發(fā)電機的頻率應該和電網(wǎng)的頻

4、率 一致。我國電網(wǎng)的頻率為 50Hz ，故有： n=3000/p (15.3) 要使得發(fā)電機供給電網(wǎng) 50Hz的工頻電能，發(fā)電 機的轉(zhuǎn)速必須為某些固定值，這些固定值稱為 同步轉(zhuǎn)速。例如 2極電機的同步轉(zhuǎn)速為 3000r/min， 4極電機的同步轉(zhuǎn)速為 1500r/min， 依次類推。只有運行于同步轉(zhuǎn)速，同步電機才 能正常運行，這也是同步電機名稱的由來。 運行方式 同步電機的主要運行方式有三種，即作為發(fā)電 機、電動機和補償機運行。 作為發(fā)電機運行是 同步電機最主要的運行方式，作為電動機運行 是同步電機的另一種重要的運行方式。同步電 動機的功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)，在不要求調(diào)速的場 合，應用大型同步電動機

5、可以提高運行效率。 近年來，小型同步電動機在變頻調(diào)速系統(tǒng)中開 始得到較多地應用。 同步電機還可以接于電網(wǎng) 作為同步補償機。這時電機不帶任何機械負載 ，靠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子中的勵磁電流向電網(wǎng)發(fā)出所需的 感性或者容性無功功率，以達到改善電網(wǎng)功率 因數(shù)或者調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓的目的。 凸極式轉(zhuǎn)子 凸極式轉(zhuǎn)子上有明顯凸出的成對磁極和勵 磁線圈，如圖 15.3 所示。當勵磁線圈中 通過直流勵磁電流后，每個磁極就出現(xiàn)一 定的極性，相鄰磁極交替為 N 極和 S 極。 對水輪發(fā)電機來說，由于水輪機的轉(zhuǎn)速較 低，要發(fā)出工頻電能，發(fā)電機的極數(shù)就比 較多，做成凸極式結(jié)構(gòu)工藝上較為簡單。 另外，中小型同步電機多半也做成凸極式。 水輪發(fā)

6、電機 水輪發(fā)電機的特點是：極數(shù)多，直徑大，軸向 長度短，整個轉(zhuǎn)子在外形上與汽輪發(fā)電機大不 相同。大多數(shù)水輪發(fā)電機為立式。水輪發(fā)電機 的直徑很大，定子鐵心由扇形電工鋼片拼裝疊 成。為了散熱的需要，定子鐵心中留有徑向通 風溝。轉(zhuǎn)子磁極由厚度為 1 2mm的鋼片疊成； 磁極兩端有磁極壓板，用來壓緊磁極沖片和固 定磁極繞組。有些發(fā)電機磁極的極靴上開有一 些槽，槽內(nèi)放上銅條，并用端環(huán)將所有銅條連 在一起構(gòu)成阻尼繞組，其作用是用來擬制短路 電流和減弱電機振蕩，在電動機中作為起動繞 組用。磁極與磁極軛部采用 T 形或鴿尾形連接， 如圖 15.4所示。 隱極式轉(zhuǎn)子 隱極式轉(zhuǎn)子上沒有凸出的磁極，如圖 15.2b

7、所示。 沿著轉(zhuǎn)子本體圓周表面上，開有許多槽，這些 槽中嵌放著勵磁繞組。在轉(zhuǎn)子表面約 1/3部分沒 有開槽，構(gòu)成所謂大齒，是磁極的中心區(qū)。勵 磁繞組通入勵磁電流后，沿轉(zhuǎn)子圓周也會出現(xiàn) N 極和 S 極。在大容量高轉(zhuǎn)速汽輪發(fā)電機中， 轉(zhuǎn)子圓周線速度極高，最大可達 170米 /秒。為 了減小轉(zhuǎn)子本體及轉(zhuǎn)子上的各部件所承受的巨 大離心力，大型汽輪發(fā)電機都做成細長的隱極 式圓柱體轉(zhuǎn)子。考慮到轉(zhuǎn)子冷卻和強度方面的 要求，隱極式轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和加工工藝較為復雜。 j 汽輪發(fā)電機 定子大體上與異步電機相同，定子鐵心由 0.35mm,0.5mm或其它厚度的電工鋼片疊成。定子外徑 較小時，采用圓形沖片，當定子外徑大于

8、 1m 時，采用 扇形沖片。定子鐵心固定在機座上，機座常由鋼板焊接 而成，它必須有足夠的強度和剛度，同時還必須滿足通 風和散熱的需要。汽輪發(fā)電機的電壓較高，要求定子繞 組有足夠的絕緣強度，一般采用 B 級或 F 級絕緣。 為 了減少高速旋轉(zhuǎn)引起的離心力，一般采用隱極式轉(zhuǎn)子， 其外形常做成一個細長的圓柱體。轉(zhuǎn)子鐵心表面圓周上 銑有許多槽，勵磁繞組嵌放在這些槽內(nèi)。 勵磁繞組為 同心式繞組，以銅線繞制，并用不導磁的槽楔將繞組緊 固在槽內(nèi)。 勵磁方式簡介 獲得勵磁電流的方法稱為勵磁方式。目前采用 的勵磁方式分為兩大類：一類是用直流發(fā)電機 作為勵磁電源的直流勵磁機勵磁系統(tǒng)；另一類 是用硅整流裝置將交流轉(zhuǎn)

9、化成直流后供給勵磁 的整流器勵磁系統(tǒng)?，F(xiàn)說明如下： 1 直流勵磁機勵磁 直流勵磁機通常與同步發(fā) 電機同軸，采用并勵或者他勵接法。采用他勵 接法時，勵磁機的勵磁電流由另一臺被稱為副 勵磁機的同軸的直流發(fā)電機供給。如圖 15.5所 示。 2 靜止整流器勵磁 同一軸上有三臺交流發(fā) 電機，即主發(fā)電機、交流主勵磁機和交流 副勵磁機。副勵磁機的勵磁電流開始時由 外部直流電源提供，待電壓建立起來后再 轉(zhuǎn)為自勵 (有時采用永磁發(fā)電機 )。副勵磁 機的輸出電流經(jīng)過靜止晶閘管整流器整流 后供給主勵磁機，而主勵磁機的交流輸出 電流經(jīng)過靜止的三相橋式硅整流器整流后 供給主發(fā)電機的勵磁繞組。 (見圖 15.6） 3 旋

10、轉(zhuǎn)整流器勵磁 靜止整流器的直流輸出必須 經(jīng)過電刷和集電環(huán)才能輸送到旋轉(zhuǎn)的勵磁繞組， 對于大容量的同步發(fā)電機，其勵磁電流達到數(shù) 千安培，使得集電環(huán)嚴重過熱。因此，在大容 量的同步發(fā)電機中，常采用不需要電刷和集電 環(huán)的旋轉(zhuǎn)整流器勵磁系統(tǒng)，如圖 15.7所示。主 勵磁機是旋轉(zhuǎn)電樞式三相同步發(fā)電機，旋轉(zhuǎn)電 樞的交流電流經(jīng)與主軸一起旋轉(zhuǎn)的硅整流器整 流后，直接送到主發(fā)電機的轉(zhuǎn)子勵磁繞組。交 流主勵磁機的勵磁電流由同軸的交流副勵磁機 經(jīng)靜止的晶閘管整流器整流后供給。由于這種 勵磁系統(tǒng)取消了集電環(huán)和電刷裝置，故又稱為 無刷勵磁系統(tǒng)。 額定值 同步電機的額定值有： 額定容量 (VA,kVA,MVA等 ) 或額

11、定功率 PN (W,kW,MW等 ) ：指電機輸出功率的保證值。發(fā)電機通 過額定容量值可以確定電樞電流，通過額定功率可以確 定配套原動機的容量。電動機的額定容量一般用 kW數(shù) 表示，補償機則用 kVAR表示。 額定電壓 (V,kV等 ) ：指額定運行時定子輸出端的 線電壓。 額定電流 (A) ：指額定運行時定子的線電流。 額定功率因數(shù) ：額定運行時電機的功率因數(shù)。 額定頻率 ：額定運行時電機電樞輸出端電能的頻 率，我國標準工業(yè)頻率規(guī)定為 50Hz。 同步發(fā)電機空載運行分析 當原動機帶動發(fā)電機在同步轉(zhuǎn)速下運行 , 勵磁繞組通過適當?shù)膭畲烹娏?,電樞繞組 不帶任何負載時的運行情況，稱為空載運 行。

12、空載運行是同步發(fā)電機最簡單的運行 方式，其氣隙磁場由轉(zhuǎn)子磁勢單獨建立， 分析較為簡單 空載氣隙磁場 對于凸極發(fā)電機來說，由于定轉(zhuǎn)子間的氣隙沿整個電樞圓周分布不均勻， 極面下氣隙較小，而極間氣隙較大，極面下的磁阻較小，而極間磁阻很大， 而且在同一個極面下，在一個極的范圍內(nèi)氣隙徑向磁通密度的分布近似于 平頂?shù)拿毙?。極靴以外的氣隙磁通密度減少很快，相鄰兩極中線上的磁通 密度為零。氣隙磁密可以用付立葉諧波分析的方法分解出空間基波和一系 列諧波。圖 16.1a中畫出了基波波形 。通常將極靴的極弧半徑做成小于定 子的內(nèi)圓半徑，而且兩圓弧的圓心不重合 (稱為偏心氣隙 )，從而形成極弧 中心處的氣隙最小，沿極

13、弧中心線兩側(cè)方向氣隙逐漸增大，這樣可以使得 氣隙磁通密度的分布較接近正弦波形。 隱極電機的勵磁繞組嵌埋于轉(zhuǎn)子槽內(nèi)，沿轉(zhuǎn)子圓周氣隙可視為是均勻 的。勵磁磁勢在空間的分布為一個階梯形，受齒槽的影響 ,氣隙磁密呈現(xiàn)出 波動變化。用諧波分析法可求出其基波分量，如圖 16.1 (b)所示。合理地 選擇大齒的寬度可以使氣隙磁密的分布接近正弦波。在本書以后的分析中， 如無特殊說明，僅考慮磁通密度的基波分量。 感應電勢的波形和大小與氣隙磁密的分布形狀及幅值大小緊密相關(guān)， 在設計和制造電機時，應采取適當?shù)拇胧?，以獲得盡可能接近正弦分布的 氣隙磁密，從而得到品質(zhì)較高的感應電勢。在本課程以后的分析中，我們 僅考慮感

14、應電勢的基波分量。 空載特性 當空載運行時 ,勵磁電勢隨勵磁電流變化的關(guān)系 稱為同步發(fā)電機的空載 特性。勵磁電勢的大小 (有效值 ) 與轉(zhuǎn)子每極磁通成正比，而勵磁電流的大 小又和作用于同步電機磁路上的勵磁磁勢 正比例變化，所以空載特性與電 機磁路的磁化曲線具有類似的變化規(guī)律。如圖 16.2 所示。 由圖可見，當勵磁電流較小時，由于磁通較小，電機磁路沒有飽和， 空載特性呈直線（將其延長后的射線稱為氣隙線）。隨著勵磁電流的增大， 磁路逐漸飽和，磁化曲線開始進入飽和段。為了合理地利用材料，空載額 定電壓一般設計在空載特性的彎曲處，如圖中的 c點。 空載特性可以通過計算或試驗得到。試驗測定的方法與直流

15、發(fā)電機類 似。同步電機的空載特性也常用標么值表示，空載電勢以額定電壓為基值， 取 時的勵磁電流 (稱為額定勵磁電流 )為勵磁電流的基值。用標么值表示的 空載特性具有典型性，不論電機容量的大小，電壓的高低，其空載特性彼 此非常接近。 空載特性在同步發(fā)電機理論中有著重要作用： 將設計好的電機的 空載特性與表 16-1中的數(shù)據(jù)相比較，如果兩者接近，說明電機設計合理， 反之，則說明該電機的磁路過于飽和或者材料沒有充分利用。空載特性結(jié)合短路特性 (在后面介紹 )可以求取同步電機的參數(shù)。發(fā)電廠通過測取 空載特性來判斷三相繞組的對稱性以及勵磁系統(tǒng)的故障。 負載后磁勢分析 空載時，同步電機中只有一個以同步轉(zhuǎn)速

16、旋轉(zhuǎn)的勵磁磁勢 ，它 在電樞繞組中感應出三相對稱交流電勢 ，稱為勵磁電勢。 當電樞繞組接上三相對稱負載后，電樞繞組和負載一起構(gòu)成 閉合通路，通路中流過的是三相對稱的交流電流 ，我們知道，當 三相對稱電流流過三相對稱繞組時，將會形成一個以同步速度旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁勢。 由此可見，負載以后同步電機內(nèi)部將會產(chǎn)生又一個旋轉(zhuǎn)磁勢 -電樞旋轉(zhuǎn)磁勢。因此，同步發(fā)電機接上三相對稱負載以后，電機 中除了隨軸同轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁勢 (稱為機械旋轉(zhuǎn)磁勢 )外，又多了一個 電樞旋轉(zhuǎn)磁勢 (稱為電氣旋轉(zhuǎn)磁勢 ) 。 參看異步電機篇的介紹，不難證明這兩個旋轉(zhuǎn)磁勢的轉(zhuǎn)速 均為同步速，而且轉(zhuǎn)向一致，二者在空間處于相對靜止狀態(tài)，可以用矢量加

17、法將其合成為一個合成磁勢 。 氣隙磁場 可以看成是由合成磁勢 在電機的氣隙中建立起來 的磁場。 也是以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場。 可見同步發(fā)電機負載 以后，電機內(nèi)部的磁勢和磁場將發(fā)生顯著變化，這一變化主要由電樞磁勢的出現(xiàn)所致。 電樞反應 電樞磁勢的存在，將使氣隙磁場的大小 和位置發(fā)生變化，我們把這一現(xiàn)象稱為電 樞反應。電樞反應會對電機性能產(chǎn)生重大 影響。 電樞反應的情況決定于空間相量 和 之間的夾角，而這一夾角又和時間相 量 E0 和 Ia 之間的相位差 y相關(guān)連。 y稱為 內(nèi)功率因數(shù)角 ，其大小由負載的性質(zhì)決定。 時空相量圖 如圖 16.4 所示的瞬間， A相繞組中感應電 勢 達到最大值，此時

18、如果 y=0 ，即 A相電 流 和 同相位，則 亦達到最大值。 由異步電機篇的介紹可知，電樞磁勢 (三相合成磁勢 ) 的軸線在此瞬間將和 A相 線圈的軸線重合。 一般情況下， (時間相量 )滯后或 超前于 (時間相量 )y 電角度時， (空間相 量 )的軸線位置也滯后或超前于 A 相繞組 的軸線 y電角度。即 和 在時間上的相位差 等于 的軸線和 A相繞組軸線的空間角度差。 以上結(jié)論雖然是在一個特殊的瞬間 (磁極軸線和 A相繞組軸線正交時 )得出的，由于 和 同速同步旋 轉(zhuǎn)，故在負載一定的情況下， 和 的空間相位差等 于 90+y 電角度。 為了分析方便，人們常將時間相量 , , ,U 和 空

19、間相量 , , 畫一起構(gòu)成所謂的時空相量圖 (見圖 16.4)。在時空相量圖中 和 Ff (處于磁極軸線方向， 稱為直軸，用 d表示 )重合， 滯后于 90 電角度 (處于相鄰一對磁極的中性線位置，稱為交軸，用 q 表示 )， 和 之間的相位差 y由負載性質(zhì)決定， 和 重合。 利用時空相量圖 (圖 16.5) ，可以方便地 分析不同負載情況時同步發(fā)電機電樞反應的情況。 y=0或者 180度 此時 和 Ff之間的夾角為 90度或者 270度 ， 即二者正交，轉(zhuǎn)子磁勢作用在直軸上，而 電樞磁勢作用在交軸上，電樞反應的結(jié)果 使得合成磁勢的軸線位置產(chǎn)生一定的偏移， 幅值發(fā)生一定的變化。這種作用在交軸上

20、 的電樞反應稱為交軸電樞反應，簡稱交磁 作用。 y=90 此時 與 之間的夾角為 180度 ，即二者反 相，轉(zhuǎn)子磁勢和電樞磁勢一同作用在直軸 上，方向相反，電樞反應為純?nèi)ゴ抛饔茫?合成磁勢的幅值減小，這一電樞反應稱為 直軸去磁電樞反應。 y=-90 此時 與 之間的夾角為 0 ，即二者同相， 轉(zhuǎn)子磁勢和電樞磁勢一同作用在直軸上， 方向相同，電樞反應為純增磁作用，合成 磁勢的幅值加大，這一電樞反應稱為直軸 增磁電樞反應。 同步電抗和電樞反應電抗 當三相對稱電樞電流流過電樞繞組時，將 產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的電樞磁勢 ， 將在電機內(nèi)部產(chǎn) 生跨過氣隙的電樞反應磁通 和不通過氣 隙的漏磁通 ， 和 將分別在電樞各相

21、繞組 中感應出電樞反應電勢 和漏磁電勢 。 與 電樞電流 的大小成正比 (不計飽和 )，比例 常數(shù)稱 為電樞反應電抗?？紤]到相位關(guān) 系后，每相電樞反應電勢為： （ 16-3) 電樞反應電抗的大小和電樞反應磁通 所經(jīng)過磁 路的磁阻成反比，磁阻與電樞磁勢 軸線的位置 有關(guān)。對于凸極電機而言，當 和 重合時， 經(jīng) 過直軸氣隙和鐵心而閉合（這條磁路稱為直軸 磁路），如圖 16.6a 所示。此時由于直軸磁路中 的氣隙較短，磁阻較小，所以電樞反應電抗就 較大。當 和 正交時，即 和磁極的軸線垂直時， 經(jīng)過交軸氣隙和鐵心而閉合（這條磁路稱為交 軸磁路），如圖 16.6b所示。此時由于交軸磁路 中的氣隙較長，

22、磁阻較大，所以電樞反應電抗 就較小。 一般情況下， 和 之間的夾角由負載的性 質(zhì)決定，為 90+y， 的流通路徑介于直軸 磁路和交軸磁路之間，電樞反應電抗的大 小也就介于最大和最小之間。 由于 和 之 間的夾角受制于內(nèi)功率因數(shù)角 (即負載的 性質(zhì) )，不同負載時， 和 之間的夾角不同， 對應的 也就不同，這給分析問題帶來了 諸多不便。 為了解決這一問題，人們采用了正交分解 法和疊加原理，將 看成是其直軸分量 和 交軸分量 的疊加，并認為 單獨激勵直軸 電樞反應磁通 ，其流通路徑為直軸磁路， 對應有一個固定的直軸電樞反應電抗 ,并 在定子每相繞組中產(chǎn)生直軸電樞反應電 勢 ； 單獨激勵交軸電樞反應

23、磁通 ，其 流通路徑為交軸磁路，對應有一個固定的 交軸電樞反應電抗 ，并在電樞每相繞組 中產(chǎn)生交軸電樞反應電勢 。 電樞繞組總的電樞反應電勢 可以寫為 (16-4) 考慮到漏磁通 引起的漏抗電勢 =-j ( 為 電樞繞組的漏電抗 )后，電樞繞組中由電樞 電流引起的總的感應電勢為 (16-5) 其中 = + 定義為直軸同步電抗， =Xaq + 定義為交軸同步電抗。 對于隱極電機來 說，由于電樞為圓柱體，忽略轉(zhuǎn)子齒槽分 布所引起的氣隙些微不均勻后，可以認為 隱極電機直軸磁路和交軸磁路的磁阻相等， 直軸和交軸電樞反應電抗相等，即 = = ， 結(jié)合 = + ，并代入式 (16-5)可得 (16-6)

24、式中 , 定義為隱極電機的同步電抗。 由定義可知，同步電抗包括兩部分：電樞 繞組的漏電抗和電樞反應電抗。在實用上， 常將二者作為一個整體參數(shù)來處理，這樣 便于分析和測量。 附記 同步電動機工作原理 先從一臺并聯(lián)在無窮大電網(wǎng)上的同步發(fā)電機著 手分析。同步電機的氣隙中同時存在著對應于 電網(wǎng)電壓 U 的合成磁勢 F和對應于勵磁電勢 E0 的轉(zhuǎn)子磁勢 Ff , F的轉(zhuǎn)速由電網(wǎng)頻率決定，是固 定不變的。 在發(fā)電運行狀態(tài)時， Ff超前于 F 一個 d角，或者 說， Ff拖著 F一起旋轉(zhuǎn)，二者之間的電磁力矩對 轉(zhuǎn)子來說是阻力矩。轉(zhuǎn)子在原動機的帶動下克 服阻力矩，將轉(zhuǎn)子邊的機械能轉(zhuǎn)化為定子邊的 電能 。 如果

25、減少原動機輸出給轉(zhuǎn)子的機械功率，則 d角 逐漸縮小，在不計空載損耗時，當 d縮小到 0 時， 電機處于理想空載狀態(tài)，既不向電網(wǎng)提供有功 功率，也不吸收電網(wǎng)有功功率。 如果把原動機撤掉并在轉(zhuǎn)子上加上機械負載， 則 Ff將落后于 F ，或者說， F拖著 Ff一起旋轉(zhuǎn)， 二者之間的電磁力矩 對轉(zhuǎn)子來說是動力矩，帶 動轉(zhuǎn)子上的機械負載作機械功，從而將電網(wǎng)提 供的電能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子邊的機械能。此時同步電 機運行于電動機狀態(tài)。 由以上分析可知，同步電機可以從發(fā)電機運行 方式過渡為電動機運行方式。產(chǎn)生這一過程的 本質(zhì)在于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁勢 Ff (由原動機拖動 )和合 成旋轉(zhuǎn)磁勢 F(由交流電網(wǎng)決定 )之間主從關(guān)系的

26、 改變。當 Ff超前于 F 時，同步電機處于發(fā)電狀態(tài)， 功角 d0 ，有功功率從電機流向電網(wǎng)；當 F超前 于 Ff時，同步電機處于電動狀態(tài)，功角 d0 ， 有功功率從電網(wǎng)流向電機?？梢杂门c分析發(fā)電 機類似的方法分析同步電動機，以下對同步電 動機運行作簡單介紹。 同步電動機電勢方程式和相量圖 研究同步電動機的方法和研究同步發(fā)電機的方法相似。 可以采用發(fā)電機慣例或者電動機慣例，我們以電動機慣 例進行分析。 根據(jù)等效電路，寫出其電勢方程式： U=E0+j XsIa 對于凸極同步電動機，用電動機觀點直接寫出其電壓平 衡方程式： U=E0+j XdId +j XqIq 采用與凸極發(fā)電機類似的方法和步驟可

27、以作出凸極式同 步電動機的相量圖，具體過程讀者自行分析。 同步電動機的優(yōu)缺點 接在電網(wǎng)上的負載絕大部分都是感性負載 (如異步電機、電抗器等 )， 都需要從電網(wǎng)吸收大量滯后性電流，使得電網(wǎng)及其輸電線路可供給的有功功率減小、損耗增加、壓降增大。 發(fā)電廠要求用戶的功率因數(shù)限制在一定的數(shù)值以內(nèi)，以使電網(wǎng)能得 到合理、經(jīng)濟地利用。那么用戶怎樣提高功率因數(shù)呢？ 方法有二： (1)是在線路上并聯(lián)電容器來補償電網(wǎng)的落后性功率因 數(shù)； (2)是用同步電動機代替部分異步電動機，因為同步電動機能 吸收超前性電流，可以改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。 與發(fā)電機類似，同步電動機的功率因數(shù)可以通過改變勵磁電流的大 小來調(diào)節(jié)。如果增大

28、勵磁電流使電動機處于過勵狀態(tài)，則勵磁磁勢Ff增大，而合成磁勢 F的大小是不變的。 按照磁勢平衡原理，電網(wǎng)將輸出給電動機一超前電流 Ia， 該電流在電動機內(nèi)部將產(chǎn)生去磁性的電樞反應，使得磁 勢得到平衡。電網(wǎng)輸出給電動機超前電流相當于電網(wǎng)從 電動機處吸取了滯后電流，正好滿足了附近電感性負載 的需要，使得電網(wǎng)的功率因數(shù)得到補償。 如果減小勵磁電流使電動機處于欠勵狀態(tài)，則勵磁磁勢 Ff也減小，電網(wǎng)必須輸出給電動機一滯后電流來產(chǎn)生增 磁電樞反應，以保持合成磁勢 F不變。這種情況和異步 電機的情況類似，所以同步電動機一般不采用欠勵運行。 如果保持機械負載不變（相當于有功功率不變），調(diào)節(jié) 勵磁電流 If，對

29、應的電樞電流 Ia隨之而變，和發(fā)電機一 樣可畫出同步電動機的 V形曲線。 但是同步電動機亦有一些缺點，如起動性能較差，結(jié)構(gòu) 上較異步電動機復雜，還要有直流電源來勵磁，價格比 較貴，維護又較為復雜，所以一般在小容量設備中還是 采用異步電動機。在中大容量的設備中，尤其是在低速、 恒速的拖動設備中，應優(yōu)先考慮選用同步電動機，如拖 動恒速軋鋼機、電動發(fā)電機組、壓縮機、離心泵、球磨 機、粉碎機、通風機等。 利用同步電動機能夠改變電網(wǎng)功率因數(shù)這一優(yōu)點，亦有 制造專門用作改變電網(wǎng)功率因數(shù)的電動機，不帶任何機 械負載，這種不帶機械負載的同步電動機稱之為同步補 償機或同步調(diào)相機。同步調(diào)相機是在過勵情況下空載運

30、行的同步電動機。 同步電動機的功角特性 同步電動機以凸極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)比較多，因此以凸 極電機的功角特性為例來研究。 同步電動機的功角特性公式和發(fā)電機的一樣都 可以從相量圖中導出來。電動機的功角 d是 U超 前 E0的角度 ,如將發(fā)電機功角特性中的 d用 -d來 替代，這樣電磁功率就變成了負值，電動機狀 態(tài)下是電網(wǎng)向電動機提供有功功率，所以寫電 動機公式時，將負號去掉，于是功角特性就和 發(fā)電機的功角特性和矩角特性具有相同的形式： 同步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩包括基本電磁轉(zhuǎn)矩和附 加電磁轉(zhuǎn)矩兩部分，當勵磁電流為零時，即 E0=0時，仍具有附加電磁轉(zhuǎn)矩。利用此原理， 可以制成所謂的磁阻同步電動機。這種電機的 轉(zhuǎn)

31、子上沒有勵磁繞組，是凸極式的，靠它的直 軸與交軸磁阻不相等而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。它的容 量一般很小，常常做成 10千瓦以下的電動機， 能在變頻、變壓的電源下運行，而且速度比較 均勻，常在轉(zhuǎn)速需要均勻的情況下被采用，如 精密機床工業(yè)、人造纖維工業(yè)、電子計算機等 方面。 同步電動機的異步啟動 當定子繞組接到電源后，按照同步電機的原理同步電動機是不能產(chǎn) 生啟動轉(zhuǎn)矩的。目前工礦企業(yè)中看到的同步電動機都能夠啟動，這是利用異步電動機的原理來產(chǎn)生啟動轉(zhuǎn)矩，使得電機轉(zhuǎn)動起來的。 下面我們分析同步電動機沒有啟動轉(zhuǎn)矩的原因及啟動問題的解決方 法。 假設在合閘瞬間，轉(zhuǎn)子 (已經(jīng)加勵磁 )處于圖 18.5a所示的位置，此

32、時，電磁轉(zhuǎn)矩 T傾向于使轉(zhuǎn)子逆時鐘轉(zhuǎn)動；在另一個瞬間 (圖 18.5b 所示 )，定子磁場已轉(zhuǎn)過 180度，而轉(zhuǎn)子由于機械慣性尚未啟動，電 磁轉(zhuǎn)矩 T傾向于使轉(zhuǎn)子順時鐘轉(zhuǎn)動。由于定子磁場以同步速旋轉(zhuǎn)， 作用于轉(zhuǎn)子上的力矩隨時間以 f = 50Hz作交變，那么轉(zhuǎn)子上受到的 平均轉(zhuǎn)矩為 0。因此同步電動機是不能自行起動的。概括一下同步 電動機沒有啟動轉(zhuǎn)矩的原因是：（ 1）定、轉(zhuǎn)子磁場之間相對運動 速度很快；（ 2）轉(zhuǎn)子本身轉(zhuǎn)動慣量的存在。 同步電動機的啟動方法，目前幾乎都采用異步啟動法。要實現(xiàn)同步 電動機的異步啟動，就需要在轉(zhuǎn)子磁極表面裝有類似異步電動機鼠 籠轉(zhuǎn)子的短路繞組，稱之為啟動繞組。它的結(jié)

33、構(gòu)型式和同步發(fā)電機 的阻尼繞組一樣。為了得到較大的啟動轉(zhuǎn)矩，起動繞組常用電阻較 大的黃銅條做成。啟動時交流電壓施于定子繞組后，在空氣隙中產(chǎn) 生旋轉(zhuǎn)磁場，同異步電動機的工作原理一樣，這個旋轉(zhuǎn)磁場將在轉(zhuǎn) 子啟動繞組中感應電流，此電流和旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩， 這樣同步電動機就按照異步電動機的原理轉(zhuǎn)動起來。在轉(zhuǎn)速上升到 接近同步轉(zhuǎn)速時，再給勵磁繞組中通入直流勵磁電流，使得轉(zhuǎn)子產(chǎn) 生磁極磁場，此時它和氣隙磁場的轉(zhuǎn)速已經(jīng)十分接近，依靠這兩個 磁場間的相互吸引力產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩（稱為同步轉(zhuǎn)矩），將轉(zhuǎn)子磁極拉入同步，這個過程稱為拉入同步過程。 拉入同步是一個很復雜的過程，如果條件不合 適，不一定能夠成功。一般

34、說，在加入直流勵 磁使得轉(zhuǎn)子拉入同步的瞬間，同步電動機的轉(zhuǎn) 差愈小、慣量愈小，負載愈輕，拉入同步就愈 容易。 綜上，同步電動機的啟動過程分為兩個階段： 首先是異步啟動，使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近于同步 速；加入直流勵磁，使得轉(zhuǎn)子拉入同步。由 于磁阻轉(zhuǎn)矩的作用，凸極式同步電動機較容易 拉入同步。甚至在未加勵磁電流的情況下，有 時轉(zhuǎn)子也能拉入同步。因此為了改善起動性能， 同步電動機大多采用凸極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。 同步電動機異步啟動時，勵磁繞組不能開 路，因為勵磁繞組的匝數(shù)較多，旋轉(zhuǎn)磁場 切割勵磁繞組而在其中感應一危險的高電 壓，容易使得勵磁繞組絕緣擊穿或引起人 身事故。在起動時，勵磁繞組必須短路。 為了避免在勵磁繞

35、組中產(chǎn)生過大的短路電 流，勵磁繞組短路時必須串入比本身電阻 大（ 5-10）倍的外加電阻。 磁阻同步電動機 磁阻電動機是一種轉(zhuǎn)子上沒有裝設勵磁繞 組的凸極同步電動機，它依靠直軸和交軸 兩條磁路上磁阻不等而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，所 以稱為磁阻同步電動機。 對凸極轉(zhuǎn)子，且當 XdXd時，即使轉(zhuǎn)子上 不裝設勵磁繞組，也會存在電磁功率和對 應的電磁轉(zhuǎn)矩，其大小為 由上式可見，電磁轉(zhuǎn)矩與功角 的關(guān)系是 按 (sin2)規(guī)律變化的。當 = 90度時，轉(zhuǎn) 矩等于零； = 45度時，轉(zhuǎn)矩最大； = 45 度時，轉(zhuǎn)矩又會變?yōu)榱悖@種情況可由圖 18.6來說明。 圖 18.6a 是磁阻電動機的空載情況，不計機械損耗時，

36、電機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩 TM0，故定子磁場軸線與磁極軸 線重合（即 = 0），磁力線不發(fā)生扭彎。 當電動機加上負載時，轉(zhuǎn)子直軸將落后于定子旋轉(zhuǎn)磁場 軸線 角，如圖 18.6b所示 ( 圖中 = 45)，由圖可見，這 個磁場被扭歪了。由于磁通具有使其所經(jīng)路徑的磁阻為 最小的性質(zhì)，從而力圖使轉(zhuǎn)子直軸方向與定子磁場軸線 取得一致 ,因此產(chǎn)生與定子旋轉(zhuǎn)磁場同轉(zhuǎn)向的磁阻轉(zhuǎn)矩 TM ，和負載轉(zhuǎn)矩相平衡。 當 角增大到 90時，由圖 18.6c 可見，氣隙磁場又對稱 分布，其合成轉(zhuǎn)矩又變成零。 磁阻同步電動機只存在電樞反應磁場，故又稱為反應式 同步電動機。 電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩的最大值為： 可以看出，電機 Xd、

37、 Xq的數(shù)值愈大，則 TMmax的數(shù)值也愈大。為了增大 Xd、 Xq， 轉(zhuǎn)子常采用如圖 18.7所示的鋼片和非磁性 材料（如鋁、銅）相間鑲嵌的結(jié)構(gòu)，其中 鋁或銅部分可起到籠型繞組的作用使電機 起動。在電機正常運行時，由于交軸磁路 多次跨過非磁性區(qū)域，遇到的磁阻很大， 對應的 Xq很小。 磁阻電動機一般靠實心轉(zhuǎn)子的感應渦流并 借助于鋁或銅所起籠型繞組的作用起動。 當轉(zhuǎn)子接近同步速時，借助凸極效應產(chǎn)生 的磁阻轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子會自動拉入同步。磁阻 電動機轉(zhuǎn)子上既無勵磁繞組也沒有集電環(huán) 而使得結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，在控制系統(tǒng)、 自動記錄裝置、電鐘等需要保持恒速的場 合獲得了廣泛的應用。 小結(jié) 作為電動機運行是同步電機又一種重要的運行方式。同 步電機接于頻率一定的電網(wǎng)上運行，其轉(zhuǎn)速恒定，不會 隨負載變動而變動；另外，同步電動機的功率因數(shù)可以 調(diào)節(jié)，在需要改變功率因數(shù)和不需要調(diào)速的場合，常優(yōu) 先采用同步電動機。 通過調(diào)節(jié)勵磁電流可以方便地改變同步電動機的無功功 率。過勵時，同步電動機從電網(wǎng)吸取超前電流；欠勵則 吸取滯后電流。能夠改善電網(wǎng)的功率因數(shù)是同步電動機 的最大優(yōu)勢。 從同步電動機的原理來看，它不能自行啟動；在同步電 動機的轉(zhuǎn)子上裝設啟動繞組，借助異步電動機的原理來 完成其啟動過程。 結(jié)束