大学电机与拖动课程 第九章同步电机

第九章同步电机第一节同步电机的结构和运行方式如果三相交流电机的转子转速n与定子电流的频率f1满足方程式（9-1）的关系，这种电机就称为同步电机。同步电机多被用作发电机。随着工业的迅速发展，一些生产机械要求的功率越来越大，例如空气压缩机、鼓风机、电力推进装置和电动发电机组等，它们的功率达数千瓦甚至数万千瓦。如果采用同步电动机去拖动上述的生产机械，可能更为合适，这是因为大功率同步电动机与同容量的异步电动机相比较，功率因数高，在运行时它不仅不降低电网的功率因数，相反却能改善电网的功率因数，这点是异步电动机作不到的；其次，对于大功率低转速的电动机，同步电动机的体积比异步电动机要小一些。pnfnn1060一.同步电机的基本结构定子:同异步电机没什么区别.转子:显(凸)极式，可用于同步电动机;隐极式，既可用于同步电动机，也可用于同步发电机图a)隐极式图b)显极式1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。2隐极式：转子作成圆柱形，气隙均匀分布。区别：对于高速旋转的同步电机，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。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，后者称为水轮发电机。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。3.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N1匝线圈，由线圈电流产生的磁场可以用等效的磁极来表示，如图中在空间上相隔120°的A、B、C三相磁轴。同样，对于转子Nf匝线圈产生的磁场也可以用等效的旋转磁极来表示。二.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．•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三、同步电机的运行方式1发电机运行模式（如图）图中（a），N1、S1、N2、S2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，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，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应地减小。形象地说，因原动机拖动转矩的减小，使磁拉力和均减小，所以又称为功率角。2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=0，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b所示。该状态表示同步电机工作在理想空载运行模式。3电动机运行模式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定子轴线一个微小的角，如图c所示。这个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。磁力线又从另一个方向斜着通过气隙，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场的磁极是拖动者，转子磁极是被拖动者。两者仍同步旋转，而进行电功率向机械功率的转换。第二节同步电动机的电压方程和相量图一、同步电动机的磁动势d轴q轴NSIfd轴q轴NSf图9-5励磁磁通1n1nfFfF图9-4同步电机的直轴与交轴aqadaFFF由定子电流(电枢电流)产生的电枢磁动势的表达式为spW11a22π423InkNF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，其表达式为dpW11ad22π423InkNFqpW11aq22π423InkNFaqadaFFFqdsIIIsI二、同步电动机的电压方程1.凸极同步电动机的电压方程图9-7同步电动机各量的正方向ABCsUsIEsssaqad0sjXRIEEEU式中Rs—定子绕组的一相电阻；Xs—定子绕阻一相的漏电抗addadjXIEaqqaqjXIEsssaqqadd0sjjjXRIXIXIEUsqdsaqqsadd0sjjRIIXXIXXIEU一般情况下，当同步电动机容量较大时，可忽略电阻Rs，于是qqdd0sjjXIXIEU式中：Xd——直轴同步电抗，Xd=Xad+Xs；Xq——交轴同步电抗，Xq=Xaq+Xs。在一般凸极同步电动机中，XdXq。2.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电抗在数值上彼此相等式中Xc———隐极同步电动机的同步电抗。这样，由式（9-10）可写出隐极同步电动机的电压方程为cqdXXXcs0sjXIEU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输入有功功率，这时输入电动机的有功功率P1必须满足0cos31ss1IUP图中与之间的夹角为，称为定子功率因数角；与之间的夹角为功率角；而与之间的夹角为ψ。IsUs10EsU0EIs0EddXIjqqXIjsUdIqIsI0EsUsIcsXIj11图9-8同步电动机相量图a)凸极式b)隐极式a)b)第三节同步电动机的功率方程和功角特性一同步电动机的功率方程MCu1PpP2mFeMPppPmFe0ppP二、同步电动机的电磁功率与功角特性11Mcos3ssIUPPsinsin3coscos3ssssMIUIUP1根据向量图sincoscossinsqqs0ddsqsdUXIUEXIIIII考虑以上这些关系，得sincos113sin3dq2sds0MXXUXUEP2sin23sin3qdqd2sds0MXXXXUXUEP接在电网上运行的同步电动机，已知电源电压Us、电源的频率f1都维持不变，如果保持电动机的励磁电流If不变，则对应的电动势E0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PM就仅仅是的函数，当角变化时，电磁功率PM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，由此所绘制出的曲线称为功角特性曲线3，如图9-10所示。)(f9-209-192sin23sin3qdqd2sds0MXXXXUXUEP励磁电磁功率与励磁电流If的大小有关，曲线2凸极电磁功率与励磁电流If的大小无关,曲线3三、同步电动机的电磁转矩与矩角特性11ss1Mecos3IUPT电磁转矩0mFee2PPppPPe将上式等号两边同除以，得到同步电动机的转矩平衡方程10e2TTT凸极式同步电机电磁转矩为2sin23sin3qd1qd2sd1s0eXXXXUXUET)(fTe隐机极式同步电机电磁转矩为sin3c1s0eXUETsin3c0MXUEPs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θ=0°～90°的范围内2.当电动机拖动负载运行在θ=90°～180°的范围内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λ表示。这里5.3~2sin90sinNoNmTT例9-1第四节同步电动机的功率因数及U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出转矩T2也不变，如果忽略空载转矩，e2TT常数sin3d1s0eXUET在上式中，由于电源电压Us，频率f1以及同步电抗Xd都是常数，所以常数sin0E这说明当改变励磁电流If时，电动势E0的大小也要跟着改变，以满足上式的关系。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下，同步电动机的输入功率与输出功率相等。于是有常数11cos3ssIUP在电压Us不变的条件下，必有常数1cossI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。cs0sjXIEUIf，所以E0''fI'fI''0E'0E二、同步电动机的U形曲线SIfI1cos1不稳定区域02P'2P''2P'''2P图9-16同步电动机的U形曲线