课题七 同步电机.doc

课题七课题七 同步电动机同步电动机教学目的及要求：教学目的及要求：通过教学使学生明确同步电机的基本类型；掌握同步电动机的起动方法；熟悉同步调相机改善功率因数的原理教学方式：教学方式：理论讲解重点难点：重点难点：同步电动机的基本原理同步电动机的起动方法同步电动机也是交流电动机同步电动机可以作发电动机用，世界上各发电厂和发电站所发的三相交流电能，都是三相同步发电机发出的；也可以作电动机用三相同步电动机主要用于功率较大、转速不要求调节的生产机械，例如拖动大型水泵、空气压缩机和矿井通风机等一、同步电动机的特点一、同步电动机的特点 1. 同步电动机的分类同步电动机的分类 同步电动机就是转子的转速始终与定子旋转磁场的转速相同的交流电动机按照其结构形式分类有：同步发电动机、同步电动机、同步调相机2. 同步电动机的特点同步电动机的特点 同步电动机转子的转速 n 与定子电源频率 f1、磁极对数 p 之间应满足n=n1=60f1/p 上式表明，当定子电流频率 f1 不变时，同步电动机的转速为常数，与负载大小无关(在不超过其最大拖动能力时)，是它的一大优点另外，同步电动机的功率因数可以调节，当处于过励状态时，还可以改善电网的功率因数，这也是它的最大优点。

(a) 隐极式 (b) 凸极式 图 7.1 三相旋转磁极式同步电动机结构示意图 1—定子 2—转子 3—集电环 3. 同步电动机的结构同步电动机的结构 同步电动机有旋转电枢式和旋转磁极式两种旋转电枢式应用在小容量电动机中，而旋转磁极式用于大容量电动机中图 7.1 所示为旋转磁极式同步电动机 从图 7.1 中可以看出，同步电动机的主要结构由定子和转子组成定子部分与三相异步电动机完全一样，是同步电动机的电枢同步电动机转子上装有磁极，分为凸极式和隐极式两种当励磁绕组通入电流 If 时，转子上产生 N、S 极 二、同步电动机基本工作原理二、同步电动机基本工作原理 由于同步电动机在工作中是可逆的，又多用于同步发电动机发电场合，所以在此我们只介绍同步电动机的基本工作原理1. 三相同步电动机的基本工作原理三相同步电动机的基本工作原理 如果三相交流电源加在三相同步电动机定子绕组时，就产生旋转速度为 n 的旋转磁场转子励磁绕组通电时建立固定磁场假如转子以某种方法起动，并使转速接近 n1，这时转子的磁场极性与定子旋转磁场极性之间异性对齐(定子 S 极与转子 N 极对齐)。

根据磁极异性相吸原理，定转子磁场间就产生电磁转矩，促使转子跟旋转磁场一起同步转动即 n=n1，故称为同步电动机同步电动机实际运行时，由于空载总存在阻力，因此转子的磁极轴线总要滞后旋转磁场轴线一个很小角度 θ，促使产生一个异性吸力(电磁场转矩)；负载时，θ 角增大，电磁场转矩随之增大电动机仍保持同步状态当然，负载若超过同步异性吸力(电磁转矩)时，转子就无法正常运转2. 同步电动机的电磁关系同步电动机的电磁关系 以隐极式同步电动机为例，如图 7.2 所示根据图 7.2 给出的同步电动机定子绕组各电量正方向，可列出 U 相回路的电压平衡方程式(忽略定子绕组电阻) CXI jEU&&&0式中 ——励磁磁通在定子绕组里的感应电动势(V)；0E&——电枢绕组等效电抗，称为同步电抗() CX根据电压平衡方程式，并假设此时同步电动机的功率因数为领先时的相量图，如图 7.3 所示图中与之间的夹角 θ，称为功率角，其物理定义是合成等效磁极与转子磁极轴线之间的夹角，如图 7.4 所示θ 角的大小，表征了同步电动机电磁功率和电磁转矩的大小3. 三相同步电动机的起动及调速三相同步电动机的起动及调速（（1）） 三相同步电动机的起动三相同步电动机的起动图 7.2 同步电动机各电量图 7.3隐极式同步电动的正方向(按电动机惯例) 机的电动势相量图 三相同步电动机本身没有起动转矩，通电后转子不能起动。

下面以图 7.5 说明不能自行起动的原因 图 7.4 等效磁极 图 7.5 同步电动机的起动 由图 7.5 可看出当静止的三相同步电动机的定、转子接通电流时，定子三相绕组产生旋转磁场，转子绕组产生固定磁场 假设起动瞬间，定、转子磁极的相对位置如图 7.5(a)所示，旋转磁场产生逆时针方向转矩由于旋转磁场以同步速旋转，而转子本身存在惯性，不可能一下子达到同步速这样定子的旋转磁场转过 180°到了图 7.5(b)，这时转子上又产生一个顺时针转矩由此可见，在一个周期内，作用在同步电动机转子上的平均起动转矩为零所以，同步电动机就不能自行起动三相同步电动机的起动方法有 3 种：辅助起动法、变频起动法和异步起动法下面介绍目前应用较多的异步起动法三相异步电动机异步起动法就是在转子极靴上装一个起动绕组(阻尼绕组)，利用异步电动机起动原理来起动，具体步骤如下：a) 首先将三相同步电动机的励磁绕组通过一个附加电阻短接，该附加电阻约为励磁绕组电阻的 10 倍，并且励磁绕组不可开路b) 起动过程中采用定子绕组建立的旋转磁场，在转子的起动绕组中产生感应电动势及电流，而产生类似于异步电动机的电磁转矩c) 当三相同步电动机的转速接近同步转速时，将附加电阻切除，励磁绕组与励磁电源连接，依靠同步转矩保持电动机同步运行。

在三相同步电动机异步起动时，如果为限制起动电流，可采用减压起动当转速达到同步转速时，电压恢复至额定值，然后再给直流励磁，使同步电动机进入同步运行 （（2）三相同步电动机的调速）三相同步电动机的调速一般由三相同步电动机、变频器及磁极位置检测器，再配上控制装置等，就构成了自控式同步电动机调速系统改变自控式同步电动机电枢电压即可调节其转速，并具有类似直流电动机的调速特性，但不需要直流电动机那样的机械换相器，所以也称无换相器电动机自控式同步电动机调速系统可以用于拖动轧钢机、造纸机以及数控机床用伺服电动机等要求高精度，高静、动态特性的场合；也可以用于拖动风机、泵类负载等只要求调速节能而对待特性要求不高的场合有些大容量同步电动机，为了能平稳起动，在起动过程中，改接成自控式同步电动机运行，待起动完毕，再把同步电动机直接并网运行显然，针对不同的使用场合，应采用不同的控制方法 三、同步电动机的功率因数的调整三、同步电动机的功率因数的调整 1. 功角、矩角特性功角、矩角特性 同步电动机接在电网上运行时，当  角变化时，电磁功率 PM 的大小也随之变化，通常把 PM = f ( )的关系称为同步电动机的功角特性。

其数学表达式(隐极式)为sin0cMXUEmP特性曲线如图 7.6 所示把上式等号两边同除以 ω1，得电磁转矩为sin10cXUEmT 上式为三相同步电动机的矩角特性表达式，如图 7.6 所示图 7.6 隐极式同步电动机的功角、矩角特性 同步电动机额定运行时，N =20°～30°当  =90°时，PM=PMmax，T=Tmax；当 ＞90°，会出现“失步”现象，同步电动机不能正常运行 2. V 形曲线形曲线 同步电动机的 V 形曲线是指在电网恒定和电动机输出功率恒定的情况下，电枢电流和励磁电流之间的关系曲线，即 I=f(If)，如图 7.7 所示如果电网电压恒定，则 U 与 f1 均保持不变忽略励磁电流 If 改变时附加损耗的微弱变功率也保持不变即 图 7.7 同步电动机的 V 形曲线 cossin0mUIXUEmPcM有常数，=常数sin0EcosI当电动机带有不同的负载时，对应有一组 V 形曲线输出功率越大，在相同励磁电流条件下，定子电流增大，V 形曲线向右上方移对应每条 V 形曲线定子电流最小值处，即为正常励磁状态，此时=1左边是欠励区，右边是过励区。

并且欠励时，功率因数cos是滞后的，电枢电流为感性电流；过励时，功率因数是超前的，电枢电流为容性电流由于与 E0 成正比，所以当减小励磁电流时，它的过载能力也要降低，而对应maxMP功率角则增大，这样，在某一负载下，励磁电流减少到一定值时，θ 角就超过 90°，对隐极式同步电动机就不能同步运行图 7.7 虚线表示了同步电动机不稳定运行的界限由于电网上的负载多为感性负载，如果同步电动机工作在过励状态下，则可提高功率因数这也是同步电动机的最大优点所以，为改善电网功率因数和提高电动机过载能力，同步电动机的额定功率因数为 1～0.8(超前)小结小结 ：： 同步电动机转子转速与旋转磁场转速相同，常用的结构形式为凸极式和稳极式两种同步电动机转子转速与旋转磁场转速相同，常用的结构形式为凸极式和稳极式两种由于转子转速以同步转速旋转，因此与负载大小无关三相同步电动机由于无起动转矩，由于转子转速以同步转速旋转，因此与负载大小无关三相同步电动机由于无起动转矩，常用的起动方法有异步起动法、辅助起动法、调频起动法同步电动机特点：常用的起动方法有异步起动法、辅助起动法、调频起动法同步电动机特点：①①转速恒定；转速恒定；②②功率因数可调；功率因数可调；③③电网变化时，过载能力小。

电网变化时，过载能力小。