第8章 三相同步电动机的建模与特性讲义.ppt

第8章 三相同步电机的建模与特性分析,各类同步电动机的图片,内容简介,三相同步电机的基本运行原理→结构→电磁关系→数学模型（即基本方程式和等效电路和相量图）→功率流程图 →三相同步电动机运行特性（矩角特性与V形曲线）的分析与计算8.1 三相同步电机的基本运行原理,A、三相同步电动机的基本运行原理,图8.1a给出了同步电机的结构示意图和相应的定子空间轴线位置图中，A-X、B-Y、C-Z分别表示等效的定子三相绕组图8.1 同步电机的结构示意图,若在同步电动机的定子三相对称绕组中分别通以如下三相对称电流：,则在三相对称电流的作用下，定子三相对称绕组必然产生圆形旋转磁势和磁场，定子旋转磁场的转速（即同步速）为：,,上式表明：同步转速既取决于电机自身的极对数，又取决于外部通电频率改变三相绕组的通电相序，定子旋转磁场将反向转子转速n与气隙旋转磁场转速n1始终同步，同步电机由此得名异步电动机表现为转子转速只有与同步转速(气隙旋转磁场转速)之间存在差异(转差)才能产生有效的电磁转矩其根本原因在于，异步电机采取单边励磁，即靠定子三相绕组通以三相交流电流产生定子旋转磁势和磁场转子绕组则是通过与定子旋转磁场的相对切割而感应转子电势和电流的(转子电流产生转子旋转磁势和磁场)，转子电流在磁场中受到电动力从而产生电磁转矩。

与异步电动机不同，同步电机采用的是双边激磁，即不仅定子绕组通以三相交流电产生旋转磁势和磁场，而且转子绕组也通以直流励磁（或采用永磁体）产生磁势和磁场，从而要求转子转速必须与定子旋转磁场保持同步（其转差为零），才能产生有效的电磁转矩在原动机拖动下，转子磁极以同步速拖动气隙合成磁场旋转，因而在定子绕组中感应电势，并输出电功率，从而将原动机输入的机械功率转换为电功率输出，实现了机电能量转换同步发电机的工作原理：,B、同步电机的结构,同步电机定子的结构与异步电机完全相同，而转子则有所不同按照转子励磁方式的不同，同步电机可分为永磁式同步电机和转子带直流励磁绕组的同步电机；按照转子结构的不同，同步电机又分为隐极式同步电机和凸极式同步电机图8.2 同步电机的结构,隐极式转子结构实物,凸极式转子结构实物,单个凸极式转子主极,C、同步电机的三种运行状态,图8.3a、b、c分别给出了三相同步电机的几种不同运行状态的示意图图8.3 三相同步电机的不同运行状态示意图,C、同步电机的额定数据,额定功率 ； 额定电压 ； 额定电流 ； 额定功率因数 ； 额定频率 (Hz)； 额定转速 (r/min)，即为同步速； 额定效率 ； 此外，还包括：转子额定励磁功率 、额定励磁电压 以及额定温升等。

额定数据之间满足下列关系式：,对于三相同步发电机：,,对于三相同步电动机：,,8.2 三相同步电机的电磁关系,A、三相同步电机空载时的电磁关系,空载： 同步电机空载运行时，电枢电流 若在转子绕组内通以直流励磁电流 ，则转子的直流励磁磁势（或安匝数） 为：,,,,（8-1）,由励磁磁势 建立主磁场并产生主磁通 ，主磁通 以同步速切割定子绕组，定子绕组所感应的电势 ，其电磁关系可用图8.4表示之图8.4 同步电机空载运行的电磁关系,根据电磁感应定律， 可表示为：,（8-2）,其中， 为定子绕组感应电势的频率，它由下式给出：,（8-3）,改变 的大小，主磁通 将发生变化， 也将随之发生改变 与 之间的关系又称为同步电机的空载特性典型同步电机的空载特性如图8.5所示图8.5 典型同步电机的空载特性,根据式（8-2）绘出同步电机空载运行时的时—空相量图如图8.5所示图8.5 同步电机空载时的时-空相量图,B、三相同步电机负载后的电枢反应,电枢反应： 同步电机负载后，定子三相对称绕组中就有三相对称电流流过，从而在定子中产生以同步速旋转的电枢磁势 和磁场 ，它与以同步速旋转的转子磁势 和主磁场 保持相对静止，因此可以叠加产生有效的气隙磁势 和磁场 。

换句话说，与空载运行相比，同步电机负载后的气隙磁场将发生改变，这一变化是由电枢磁势引起的通常，把定子电枢磁势对主磁场的影响称为电枢反应相应于电枢反应的磁势又称为电枢反应磁势，其大小可以表示为：,,（8-4）,既然励磁磁势 和电枢磁势 均以同步速旋转，两者相对静止，因而可以相互叠加共同产生气隙磁势 于是，气隙磁势可以表示为：,,,,,（8-5）,电枢磁势 对主磁势 的影响结果取决于 与 之间的空间相对位置，即 与 之间的夹角 （又称为内功率因数角）下面仅以同步发电机为例对电枢磁势 对主磁势 的影响结果讨论如下：,,,,,,,,,,a、当 与 同相（即 ）时,,,,图8.7给出了当 与 同相时的时-空相量图图8.7 与 同相时的时空相量图,,,由图8.7可见： 与 空间上相互垂直，此时电枢反应表现为交磁作用由于电枢磁势 沿交轴（即q轴）方向，相应的电枢反应又称为交轴电枢反应此时， 一般用 来表示交轴电枢反应使得气隙合成磁势 的幅值有所增加，相位滞后于 一定角度b、当 滞后 （即 ）时,图8.8给出了 滞后于 时的时空向量图。

图8.8 滞后于 时的时空相量图,由图8.8可见： 与 方向相反，导致合成气隙磁场削弱，电枢反应表现为去磁作用由于电枢反应沿d 轴方向，相应的电枢反应又称为直轴电枢反应此时， 一般用 来表示直轴电枢反应对同步电机的运行特性有较大影响c、当 超前 （即 ）时,图8.9给出了 超前于 时的时空相量图图8.9 超前于 时的时空相量图,由图8.9可见： 与 方向相同，导致合成气隙磁场加强此时，电枢反应表现为助磁作用由于电枢反应沿d轴方向，相应的电枢反应仍为直轴电枢反应c、当 滞后于 角（即一般情况）时,图8.10给出了 滞后于 角时的时空向量图图8.10 滞后于 角时的时空相量图,,,,由图8.10可见：此时， 对 的影响既包括交磁作用又包括去磁作用对于这种电枢反应磁势 ，通常采用双反应理论将其分解为直轴电枢反应磁势 和交轴电枢反应磁势 两个分量，然后再对这两个磁势分量分别作用于直轴和交轴磁路所产生的磁场情况进行讨论于是，电枢磁势 可表示为：,,,（8-6）,其中，,（8-7）,相应的电流分量为：,,,其中，,对于同步电动机，分析电枢反应的影响时，应首先将电枢电流反向，由反向电流产生正向电枢反应磁势，然后再采取与上述过程进行分析。

C、三相同步电机负载后的电磁关系,a、隐极式同步发电机,根据上一节的分析，隐极式同步发电机负载后的电磁关系可总结为：,,上述关系中， 为定子每相绕组的电阻； 、 分别表示电枢反应磁通和定子漏磁通； 、 分别为相应的磁通 和 在定子绕组内所感应的相电势当不计磁路饱和时，电枢反应电势 可表示为： ，且 滞后于 （或 ）于是， 可用下列关系表示为：,,,,,,,,,,,,,,,,（8-10）,式中， 为电枢反应电抗，它反映了电枢反应磁通 所经过的磁路情况漏电势 可用漏电抗表示为：,,其中， 反映了定子漏磁路的情况b、凸极式同步发电机,根据上一节内容，凸极式同步发电机负载后的电磁关系可总结为：,,上述关系中， 、 分别表示直轴电枢反应磁通和交轴电枢反应磁通； 、 分别为相应的磁通 和 在定子绕组内所感应的电势 当不计磁路饱和时，直轴电枢反应电势 可表示为： ；交轴电枢反应电势 可表示为： 于是 和 可分别用下式表示为：,,,,（8-11）,式中， 为直轴电枢反应电抗； 为交轴电枢反应电抗。

它们分别反映了直轴电枢反应磁通 和交轴电枢反应磁通 所经过的磁路情况8.3 三相同步电机的基本方程式、等效电路与相量图,A、隐极式同步电机的基本方程式、等值电路与 相量图,a、隐极式同步发电机,图8.11 同步发电机各物理量正方向的假定,假定正方向如图8.11所示（由于电功率趋向于流出电机，故又称为发电机惯例），利用上一节介绍的电磁过程，由基尔霍夫电压定律（KVL）得：,,将式（8-10）和漏电势 的表达式代入上式得：,,（8-12）,式中， 又称为隐极式同步电机的同步电抗它综合反映了电枢反应磁通和电枢漏磁通所经过的磁路情况根据式（8-12）绘出隐极式同步发电机的相量图和等效电路如图8.12所示图8.12 隐极式同步发电机的相量图和等效电路,图中， 与 之间的夹角 又称为功率角它是同步电机的一个很重要的物理量b、隐极式同步电动机,图8.13 同步电动机各物理量正方向的假定,假定各物理量的正方向如图8.13所示（由于电功率趋向于流入电机，故又称为电动机惯例），很显然，与图8.12相比较，仅电枢电流方向发生改变为此，只需改变同步发电机基本方程式（8-12）中电流 的方向便可获得隐极式同步电动机的基本方程式。

于是有：,,,即：,,（8-13）,根据式（8-13），绘出隐极式同步电动机的矢量图和等效电路如图8.14所示图8.14 隐极式同步电动机的相量图和等效电路,一般结论： 对于同步发电机和同步电动机，其功率角 有所不同前者 超前于 角（见图8.12b）；后者 滞后于 角（见图8.14b）B、凸极式同步电机的基本方程式、等值电路与 相量图,a、凸极式同步发电机,根据上一节介绍的电磁过程，并参考图8.11的正方向假定，由基尔霍夫电压定律（KVL）得：,将式（8-8）、（8-11）以及漏电势 的表达式代入上式得：,,（8-14）,式中， 又称为凸极式同步电机的直轴同步电抗； 又称为交轴同步电抗它们分别综合反映了直轴、交轴电枢反应磁通和电枢漏磁通所经过的磁路情况图8.15给出了交、直轴同步电抗物理意义的示意图图8.15 交、直轴同步电抗的物理意义,根据式（8-14）便可绘出凸极式同步发电机的相量图如图8.16所示图8.16 凸极式同步发电机的相量图,b、凸极式同步电动机,与隐极式同步电机一样，对于凸极式同步电动机，只需改变凸极式同步发电机基本方程式（8-14）中的电流方向便可获得凸极式同步电动机的基本方程式。

于是有：,即：,（8-15）,根据式（8-15）绘出凸极式同步电动机的相量图如图8.17所示图8.17 凸极式同步电动机的矢量图,8.4 三相同步电动机的矩角特性与V形曲线,A、同步电动机的矩角特性,矩角特性： 定子电压 一定、转子外加直流励磁电流 一定条件下电磁转矩 与功率角 之间的关系曲线，即 矩角反映了负载改变时电磁转矩的变化情况，它相当于三相异步电动机的T-S曲线（或机械特性） 在引入矩角特性之前，首先介绍一下功率流程图和转矩平衡方程式a、同步电动机的功率流程图,根据等效电路（图8.14），同步电动机定子侧输入的电功率 可表示为：,,,（8-16）,其中，电磁功率 可表示为：,,,（8-17）,根据上式绘出同步电动机的功率流程图如图8.18所示图8.18 同步电动机的功率流程图,b、同步电动机的转矩平衡方程式,式（8-17）两边同除以同步角速度 便可获得转矩平衡方程式为：,,,即：,c、同步电动机的矩角特性,矩角特性： 矩角特性定为： 。