1、內容簡介 三相同步電機的基本運行原理三相同步電機的基本運行原理結構結構電磁關系電磁關系數(shù)數(shù)學模型（即基本方程式和等效電路和相量圖）學模型（即基本方程式和等效電路和相量圖）功功率流程圖率流程圖 三相同步電動機運行特性（矩角特性與三相同步電動機運行特性（矩角特性與V V形曲線）的分析與計算。形曲線）的分析與計算。1、三相異步電動機的同步運行、三相異步電動機的同步運行一一. 三相同步電機的基本運行原理三相同步電機的基本運行原理三相繞線轉子異步電動機NSn1n1結論同步電動機是一種定子 采用交流電流建立旋轉磁場，轉子側采用直流電流勵磁構成旋轉磁極的雙邊勵磁的交流電機，其工作原理是旋轉磁場以磁拉力拖動旋

2、轉磁極同步旋轉。2、三相同步電動機的運行原理、三相同步電動機的運行原理二、同步電機的結構二、同步電機的結構同步電機定子的結構與異步電機完全相同1.定子而轉子則有所不同。按照轉子勵磁方式的不同，同步電機可分為永磁式同步電機和轉子帶直流勵磁繞組的同步電機；按照轉子結構的不同，同步電機又分為隱極式同步電機隱極式同步電機和凸極式同步電機凸極式同步電機。2.轉子三、同步電機的三種運行狀態(tài)三、同步電機的三種運行狀態(tài)圖a、b、c分別給出了三相同步電機的幾種不同運行狀態(tài)的示意圖。1.三相同步電機空載時的電磁關系三相同步電機空載時的電磁關系空載：空載： 同步電機空載運行時，電樞電流同步電機空載運行時，電樞電流

3、。0aI直流勵磁電流fIfffFN I0圖8.4 同步電機空載運行的電磁關系四四.三相同步電機的電磁關系三相同步電機的電磁關系0E直流勵磁磁勢主磁通定子繞組感應電勢011104.44wEjf N k 6011npf 改變 的大小，主磁通 將發(fā)生變化， 也將隨之發(fā)生改變。 與 之間的關系又稱為同步電機的空載特性同步電機的空載特性。典型同步電機的空載特性如圖8.5所示。fI00E0EfI為定子繞組感應電勢的頻率反映了同步電機主磁路的磁化情況。2、三相同步電機負載后的電樞反應、三相同步電機負載后的電樞反應電樞反應電樞反應：與空載運行相比，同步電機負載后的氣隙磁場將發(fā)生改變，這一變與空載運行相比，同步

4、電機負載后的氣隙磁場將發(fā)生改變，這一變化是由電樞磁勢引起的。通常，把定子電樞磁勢對主磁場的影響稱化是由電樞磁勢引起的。通常，把定子電樞磁勢對主磁場的影響稱為為電樞反應電樞反應。 aFaBfF0B0BBBa同步電機負載后，電機中存在兩種磁場同步電機負載后，電機中存在兩種磁場afFFFCBAIII,fI2.1 當當 與與 同相（即同相（即 ）時）時aI0E0 電樞磁勢 對主磁勢 的影響結果取決于 與 之間的空間相對位置，即 與 之間的夾角 （又稱為內功率因數(shù)角內功率因數(shù)角）。下面僅以同步發(fā)電機為例對電樞磁勢 對主磁勢 的影響結果討論如下：aFfFaFfF0EaIaFfFfFaF 交軸電樞反應使得氣

5、隙合成磁勢 的幅值有所增加，相位滯后于 一定角度。aFaFaqFFfF 由圖8.7可見： 與 空間上相互垂直，此時電樞反應表現(xiàn)為交磁作用交磁作用。由于電樞磁勢 沿交軸（即q軸）方向，相應的電樞反應又稱為交軸電樞反應交軸電樞反應。此時， 一般用 來表示 。 圖8.8給出了 滯后于 時的時空向量圖。 aI0E90圖8.8 滯后于 時的時空相量圖aI0E 由圖8.8可見： 與 方向相反，導致合成氣隙磁場削弱，電樞反應表現(xiàn)為去磁作用去磁作用。由于電樞反應沿d 軸方向，相應的電樞反應又稱為直軸電樞反應直軸電樞反應。此時， 一般用 來表示。aFfFaFadF 直軸電樞反應對同步電機的運行特性有較大影響。2

6、.2 當當 滯后滯后 （即（即 ）時）時aI0E90902.3 當當 超前超前 （即（即 ）時）時aI0E9090 由圖可見： 與 方向相同，導致合成氣隙磁場加強。此時，電樞反應表現(xiàn)為助磁作用助磁作用。由于電樞反應沿d軸方向，相應的電樞反應仍為直軸電樞反應直軸電樞反應。aFfF2.4 當當 滯后于滯后于 角（即一般情況）時角（即一般情況）時aI0E采用雙反應磁場分析理論進行分析aF沿直軸和交軸分解adFaqF直軸電樞反應磁勢直軸電樞反應磁勢交軸電樞反應磁勢交軸電樞反應磁勢aqadaFFFcossinaaqaadFFFFqdaIIIcossinaqadIIII雙反應磁場理論五五.三相同步電機負載

7、后的電磁關系三相同步電機負載后的電磁關系1.1.隱極式同步發(fā)電機隱極式同步發(fā)電機UrIIjxEEFIUaaaaaaa00EFIff轉子：定子： 上述關系中， 為定子每相繞組的電阻； 、 分別表示電樞反應磁通和定子漏磁通； 、 分別為相應的磁通 和 在定子繞組內所感應的相電勢。當不計磁路飽和時，電樞反應電勢 可表示為： ，且 滯后于 （或 ）。于是， 可用下列關系表示為：araaEEaaEaaaaIFEaEaIaaEaaaIjxE（8-10）式中， 為電樞反應電抗電樞反應電抗，它反映了電樞反應磁通 所經(jīng)過的磁路情況。axa漏電勢 可用漏電抗表示為：aIjxE其中， 反映了定子漏磁路的情況。E1x

8、2.2.凸極式同步發(fā)電機凸極式同步發(fā)電機rIIjxEEFEFFIUaaaaqaqaqadadadaaU00EFIff轉子：定子： 上述關系中， 、 分別表示直軸電樞反應磁通和交軸電樞反應磁通； 、 分別為相應的磁通 和 在定子繞組內所感應的電勢。 當不計磁路飽和時，直軸電樞反應電勢 可表示為： ； 交軸電樞反應電勢 可表示為： 。adaqadEaqEadaqadEdadadadIFEaqEqaqaqaqIFEqaqaqdadadIjxEIjxE（8-11）它們分別反映了直軸電樞反應磁通 和交軸電樞反應磁通 所經(jīng)過的磁路情況。adxaqxadaq直軸電樞反應電抗直軸電樞反應電抗交軸電樞反應電抗交

9、軸電樞反應電抗1.隱極式同步電機的基本方程式、等值電路與隱極式同步電機的基本方程式、等值電路與相量圖相量圖 1.11.1隱極式同步發(fā)電機隱極式同步發(fā)電機圖8.11 同步發(fā)電機各物理量正方向的假定 假定正方向如圖8.11所示（由于電功率趨向于流出電機，故又稱為發(fā)電機慣例發(fā)電機慣例），利用上一節(jié)介紹的電磁過程，由基爾霍夫電壓定律（KVL）得：UrIEEEaaa0六六 三相同步電機的數(shù)學模型三相同步電機的數(shù)學模型 將式（8-10）和漏電勢 的表達式代入上式得：EataaaaaaaaaaaIjxIrUIxxjIrUIjxIjxIrUE)(0（8-12）式中， 又稱為隱極式同步電機的同步電抗同步電抗。它

10、綜合反映了電樞反應磁通和電樞漏磁通所經(jīng)過的磁路情況。atxxx圖中， 與 之間的夾角 又稱為功率角功率角。它是同步電機的一個很重要的物理量。0EU1.21.2隱極式同步電動機隱極式同步電動機圖8.13 同步電動機各物理量正方向的假定 假定各物理量的正方向如圖8.13所示（由于電功率趨向于流入電機，故又稱為電動機電動機慣例慣例），很顯然，與圖8.12相比較，僅電樞電流方向發(fā)生改變。為此，只需改變同步發(fā)電機基本方程式（8-12）中電流 的方向便可獲得隱極式同步電動機的基本方程式。 于是有：aI)()(0ataaIjxIrUE即：ataaIjxIrEU0（8-13）根據(jù)式（8-13），繪出隱極式同步

11、電動機的矢量圖和等效電路如圖8.14所示。 一般結論：一般結論： 對于同步發(fā)電機和同步電動機，其功率角對于同步發(fā)電機和同步電動機，其功率角 有所不同。有所不同。前者前者 超前于超前于 角角（見圖8.12b）；后者；后者 滯后于滯后于 角角0EU0EU2.凸極式同步電機的基本方程式、等值電路與凸極式同步電機的基本方程式、等值電路與相量圖相量圖 2.1 2.1 凸極式同步發(fā)電機凸極式同步發(fā)電機UrIEEEEaaaqad0qqddaaqaqdadaaqaqdadqdaaIjxIjxIrUIxxjIxxjIrUIjxIjxIIjxIrUE)()()(0分別綜合反映了直軸、交軸電樞反應磁通和電樞漏磁通所

12、經(jīng)過的磁路情況。addxxxaqqxxx凸極式同步電機的直軸同步電抗直軸同步電抗凸極式同步電機的交軸同步電抗交軸同步電抗交、直軸同步電抗物理意義圖8.16 凸極式同步發(fā)電機的相量圖qqddaaqaqdadaaqaqdadqdaaIjxIjxIrUIxxjIxxjIrUIjxIjxIIjxIrUE)()()(02.2 2.2 凸極式同步電動機凸極式同步電動機 與隱極式同步電機一樣，對于凸極式同步電動機，只需改變凸極式同步發(fā)電機基本方程式（8-14）中的電流方向便可獲得凸極式同步電動機的基本方程式。于是有：)()()(0qqddaaIjxIjxIrUE即：qqddaaIjxIjxIrEU0（8-1

13、5）根據(jù)式（8-15）繪出凸極式同步電動機的相量圖如圖8.17所示。圖8.17 凸極式同步電動機的矢量圖七七 同步電動機的矩角特性與同步電動機的矩角特性與V V形曲線形曲線1.同步電動機的矩角特性同步電動機的矩角特性1.11.1同步電動機的功率流程圖同步電動機的功率流程圖emcuPpP11其中，電磁功率 可表示為：emP矩角特性：矩角特性： 定子電壓定子電壓 一定、轉子外加直流勵磁電流一定、轉子外加直流勵磁電流 一定條件下電磁轉矩一定條件下電磁轉矩 與功率角與功率角 之間的關系曲線，即之間的關系曲線，即 。矩角反映了負載改。矩角反映了負載改變時電磁轉矩的變化情況，它相當于三相異步電動機的變時電

14、磁轉矩的變化情況，它相當于三相異步電動機的T-ST-S曲線曲線（或機械特性）（或機械特性） 。 UfIemT)(fTem022)(pPpppPPadmecFeem根據(jù)上式繪出同步電動機的功率流程圖如圖8.18所示。圖8.18 同步電動機的功率流程圖1.2 1.2 同步電動機的轉矩平衡方程式同步電動機的轉矩平衡方程式式（8-17）兩邊同除以同步角速度 便可獲得轉矩平衡方程式為： 110121pPPem02TTTem即：1.3 1.3 同步電動機的矩角特性同步電動機的矩角特性矩角特性矩角特性： 矩角特性定為：矩角特性定為： ，其中，其中， 為為 與與 之間的夾角，之間的夾角，即功率角，它相當于感應

15、電動機的轉差率即功率角，它相當于感應電動機的轉差率s s。)(fTconstUconstIemf0EU 考慮到實際同步電機的定子電樞電阻遠小于同步電抗，故定子電樞電阻可忽略不計。于是，凸極同步電動機的相量圖a)凸極式同步電動機的矩角特性凸極式同步電動機的矩角特性圖8.19 忽略定子電阻時凸極同步電動機的相量圖忽略定子電阻壓降 忽略定子繞組電阻 ，則電磁功率與輸入的電功率近似相等，于是有：ar)sincos(sinsincoscos)cos(cos1dqaaaaemIImUmUImUImUImUIPP又由相量圖8.19得：ddqqddqqxUEIxUIUExIUxIcossincossin00于

16、是，電磁功率變?yōu)椋?sin)11(21sin20dqdemxxmUxUmEP凸極式同步電動機的功角特性凸極式同步電動機的功角特性 將上式兩邊同除以同步角速度 便可獲得相應的電磁轉矩為：12sin)11(21sin12101dqdememxxmUxUmEPT（8-20）凸極式同步電動機的矩角特性矩角特性10demxUmET2sin)11(2112dqemxxmUT 結論：結論： 凸極式同步電動機的電磁轉矩由兩部分組成：一部分為基本電磁凸極式同步電動機的電磁轉矩由兩部分組成：一部分為基本電磁轉矩轉矩 ，它是由轉子直流勵磁磁勢和定子氣隙磁場相互作用產生，它是由轉子直流勵磁磁勢和定子氣隙磁場相互作用產

17、生的；另一部分是由的；另一部分是由d d軸和軸和q q軸磁阻不同（又稱為凸極效應）引起的附軸磁阻不同（又稱為凸極效應）引起的附加電磁轉矩加電磁轉矩 。emTemT 基本電磁轉矩基本電磁轉矩附加電磁轉矩附加電磁轉矩附加電磁轉矩部分的物理意義可借助于圖8.21加以解釋之。圖8.21 凸極同步電動機的磁阻轉矩b)隱極式同步電動機的矩角特性隱極式同步電動機的矩角特性 對于隱極式同步電動機，由于d 軸和q 軸磁阻相同，即 ，便可獲得隱極式同步電動機的功角特性為：tqdxxxsin0temxUmEPqd2sin)11(21sin12101dqdememxxmUxUmEPT 將上式除以同步角速度 ，10ma

18、x1sinsinemetmE UTTx圖8.22 隱極式同步電動機的矩角特性1.4 1.4 功率角功率角 的物理意義的物理意義 同步電動機的矩角特性類似于異步電動機的機械特性，其中的功率角相當于同步電動機的矩角特性類似于異步電動機的機械特性，其中的功率角相當于異步電動機的轉差率異步電動機的轉差率 。同轉差率一樣，隨著負載轉矩的增加，功率角將有所增加，同轉差率一樣，隨著負載轉矩的增加，功率角將有所增加，由矩角特性可知，電磁轉矩將相應的增加，最終電磁轉矩與負載轉矩相平衡。但同步電由矩角特性可知，電磁轉矩將相應的增加，最終電磁轉矩與負載轉矩相平衡。但同步電動機仍保持同步速運行。動機仍保持同步速運行。

19、s隱極式同步電動機的矩角特性隱極式同步電動機的矩角特性同步電機的功率角同步電機的功率角 的雙重含義：的雙重含義：從時間上看：功率角從時間上看：功率角 為定子感應電勢為定子感應電勢 與定子電壓與定子電壓 之間的夾之間的夾 角；角；從空間上看：功率角從空間上看：功率角 為轉子勵磁磁勢為轉子勵磁磁勢 和氣隙合成磁勢和氣隙合成磁勢 （ ）之間的夾角。）之間的夾角。 其中，其中， 是由轉子勵磁磁勢是由轉子勵磁磁勢 在定子繞組中感應的電勢；而在定子繞組中感應的電勢；而 可近似看作為由氣隙合成磁勢可近似看作為由氣隙合成磁勢 在定子繞組中的感應電壓。在定子繞組中的感應電壓。 0EUfFFafFFF0EfFUF

20、 同步電機的功率角的物理意義可用圖8.23所示等效磁極來表示。圖8.23 功率角 的物理意義結論：結論： 功率角功率角 的正、負是同步電機運行狀態(tài)的一個重要標志。的正、負是同步電機運行狀態(tài)的一個重要標志。當同步電動機作電動機運行時，超前于當同步電動機作電動機運行時，超前于 功率角功率角 。規(guī)定。規(guī)定此時的功率角為正；當同步電動機作發(fā)電機運行時，此時的功率角為正；當同步電動機作發(fā)電機運行時， 滯后于滯后于 功率角功率角 。此時的功率角則為負。此時的功率角則為負。 U0EU0E凸極式同步電動機凸極式同步電動機凸極式同步發(fā)電機凸極式同步發(fā)電機1.5 1.5 同步電動機的穩(wěn)定運行與過載能力同步電動機的

21、穩(wěn)定運行與過載能力 以隱極式同步電動機為例來說明同步電動機的穩(wěn)定運行問題。 圖8.24給出了同步電動機靜態(tài)穩(wěn)定靜態(tài)穩(wěn)定與“失步失步”概念的解釋。圖8.24 同步電動機靜態(tài)穩(wěn)定與“失步”的解釋 由上圖可見，對于隱極式同步電動機，其靜態(tài)穩(wěn)定運行區(qū)域為： ；當功率角 時，同步電動機將不穩(wěn)定運行。090A90180B靜態(tài)穩(wěn)定能力可用過載能力過載能力 來描述。對于隱極式同步電動機有：Tmax1sineTNNTT 一般情況下，隱機式同步電動機額定負載運行的功率角 ，此時 。20 30N2 3T一般結論：一般結論： 隱極同步電動機的穩(wěn)定運行范圍是：隱極同步電動機的穩(wěn)定運行范圍是： 。超過該。超過該范圍，同步

22、電動機將不穩(wěn)定運行；范圍，同步電動機將不穩(wěn)定運行； 增加轉子直流勵磁電流可以提高同步電動機的過載能增加轉子直流勵磁電流可以提高同步電動機的過載能力，進而提高電力拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定性。力，進而提高電力拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定性。0900750 為確保隱極式同步電動機的可靠運行，通常?。?。2、同步電動機的、同步電動機的V形曲線與功率因數(shù)的調節(jié)形曲線與功率因數(shù)的調節(jié)反映的是在輸出有功功率（或電磁功率）一定的條件下，定子側的電樞電流和功率因數(shù)在勵磁電流改變時的變化情況。 下面僅以隱極式同步電動機為例對其進行說明。 忽略定子銅耗、鐵耗以及轉子機械耗，于是有：常數(shù)cossin10atemImUPxUmEP 對于在無窮

23、大電網(wǎng)下運行的同步電動機，即當電網(wǎng)的容量遠遠大于同步電動機的容量，且電壓和頻率均保持不變，于是存在下列關系式：210cossin常數(shù)常數(shù)aIE根據(jù)上述條件，繪出不同轉子勵磁條件下同步電動機的相量圖如圖8.27所示。NemNUUconstPfffaIfI111)(V形曲線形曲線圖8.27 轉子直流勵磁改變時同步電動機的相量圖定義定義: : 通常，將定子電樞電流與定子電壓同相位時的勵磁電流稱為通常，將定子電樞電流與定子電壓同相位時的勵磁電流稱為正常勵磁電流正常勵磁電流，對，對應的運行狀態(tài)稱為應的運行狀態(tài)稱為正常勵磁狀態(tài)正常勵磁狀態(tài)；超過正常勵磁電流的運行狀態(tài)稱為；超過正常勵磁電流的運行狀態(tài)稱為過勵

24、狀態(tài)過勵狀態(tài)；低于正常勵磁電流的運行狀態(tài)稱為低于正常勵磁電流的運行狀態(tài)稱為欠勵狀態(tài)欠勵狀態(tài)；atIjxEU000EFIff一般結論：一般結論： 調節(jié)同步電動機的勵磁電流可以改變定子電流的無功分量和功率調節(jié)同步電動機的勵磁電流可以改變定子電流的無功分量和功率因數(shù)。正常勵磁時，同步電動機從電網(wǎng)全部吸收有功；欠勵時，同因數(shù)。正常勵磁時，同步電動機從電網(wǎng)全部吸收有功；欠勵時，同步電動機從電網(wǎng)吸收滯后無功（或發(fā)出超前無功）；過勵時，同步步電動機從電網(wǎng)吸收滯后無功（或發(fā)出超前無功）；過勵時，同步電動機從電網(wǎng)吸收超前無功（或發(fā)出滯后無功）電動機從電網(wǎng)吸收超前無功（或發(fā)出滯后無功）； 若調節(jié)同步電動機的勵磁電

25、流，使之工作在過勵狀態(tài)，則可以改若調節(jié)同步電動機的勵磁電流，使之工作在過勵狀態(tài)，則可以改善同步電動機的功率因數(shù)善同步電動機的功率因數(shù)； 若同步電動機在空載狀態(tài)下運行，且轉子處于勵磁過勵，同步電若同步電動機在空載狀態(tài)下運行，且轉子處于勵磁過勵，同步電動機可以向電網(wǎng)發(fā)出滯后無功（或吸收超前無功），有利于改善電動機可以向電網(wǎng)發(fā)出滯后無功（或吸收超前無功），有利于改善電網(wǎng)的功率因數(shù)網(wǎng)的功率因數(shù)（通常將工作在這一狀態(tài)下的空載同步電動機稱為“同步調相機”（或同步補償機）（見圖8.28同步調相機的相量圖）。 很顯然，對于輸出功率一定的同步電動機，其定子電樞電流與轉子直流勵磁電流之間的變化曲線呈“V字”形狀，

26、V形曲線形曲線由此而得名。圖8.29 同步電動機的V形曲線 圖8.29還同時給出了不同輸出功率（或電磁功率）下同步電動機的V形曲線。由圖可見，隨著輸出功率的增加，V形曲線上移。 此外，由圖8.27可見，當轉子直流勵磁電流 由小到大（即由欠勵正常勵磁過勵）變化時，則定子電樞電流 首先逐漸減小，至正常勵磁時降為最低。然后，電樞電流又逐漸增加。fIaI 上述結論可用圖8.29所示曲線表示之。八八 三相磁阻式同步電動機三相磁阻式同步電動機磁阻式同步電動機磁阻式同步電動機： 利用交、直軸磁阻不同產生電磁轉矩的同步電動機稱為利用交、直軸磁阻不同產生電磁轉矩的同步電動機稱為磁阻式同磁阻式同步電動機步電動機。 由于轉子上無任何勵磁， ，將其代入凸極式同步電動機的電壓方程式（8-