第08章-同步电机原理

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1、-1-第八章第八章 同步电机原理同步电机原理电机与拖动基础电机与拖动基础 第一节第一节 结构和运行方式结构和运行方式第二节第二节 电压方程和相量图电压方程和相量图第三节第三节 功率方程和功角特性功率方程和功角特性第四节第四节 功率因数及功率因数及U形曲线形曲线-2-第一节第一节 同步电机的结构和运行方式同步电机的结构和运行方式 第八章第八章 同步电机原理同步电机原理pnfnn1160（8-1）多用作多用作发电机发电机。也可作也可作电动机电动机使用，例如空气压缩机、鼓风机、电力推进使用，例如空气压缩机、鼓风机、电力推进装置和电动发电机组等。装置和电动发电机组等。特点特点：功率因数高、体积小。：功

2、率因数高、体积小。 这种电机就称为这种电机就称为同步电机同步电机。-3- 一、同步电机的基本结构一、同步电机的基本结构 静止的定子和旋转的转子组成。静止的定子和旋转的转子组成。1. 定子定子 定子铁心、定子铁心、定子绕组、定子绕组、机座、机座、端盖等附件。端盖等附件。 第八章第八章 同步电机原理同步电机原理-4-2. 转子转子结构形式：凸极式、隐极式。结构形式：凸极式、隐极式。第八章第八章 同步电机原理同步电机原理水轮水轮发电机的转子：凸极式；发电机的转子：凸极式；汽轮汽轮发电机的转子：隐极式。发电机的转子：隐极式。同步电动机的转子：凸极式。同步电动机的转子：凸极式。励磁电源两种：励磁机供电；

3、由交流电源经过整流得到。励磁电源两种：励磁机供电；由交流电源经过整流得到。-5-机械端口机械端口转子转子定子绕组定子绕组定子铁心定子铁心电端口电端口ABC-6-7- 定子铁心-8-(1)立式水轮发电机(2)卧式水轮发电机-9-10000kW10000kW水轮机转子水轮机转子-10-11- 二、同步电机的基本工作原理二、同步电机的基本工作原理 1. 同步电机的物理模型同步电机的物理模型 第八章第八章 同步电机原理同步电机原理pnfnn1160-12- 2. 同步电机的工作原理同步电机的工作原理以同步发电机为例：以同步发电机为例：空载空载：转子同步转速：转子同步转速n0转子（转子（Nf匝）直流电流

4、匝）直流电流If 励磁，旋转磁场励磁，旋转磁场切割定子开路的三相对称绕组（切割定子开路的三相对称绕组（N1匝），产生三相对称匝），产生三相对称空载感应电动势空载感应电动势E0 改变改变If大小可改变大小可改变E0大小。大小。带负载带负载：三相对称定子电流：三相对称定子电流在气隙中产生与与转子旋转方向相同，转速大小相等的在气隙中产生与与转子旋转方向相同，转速大小相等的旋转磁场旋转磁场定、转子间旋转磁场相对静止，气隙中的磁场是定、转定、转子间旋转磁场相对静止，气隙中的磁场是定、转子旋转磁场的合成子旋转磁场的合成第八章第八章 同步电机原理同步电机原理-13- 3. 同步电机的运行方式同步电机的运行方

5、式 第八章第八章 同步电机原理同步电机原理磁拉力产生电磁转矩、拖动者与被拖动者、功率角磁拉力产生电磁转矩、拖动者与被拖动者、功率角-14-第二节第二节 同步电动机的电压方程和相量图同步电动机的电压方程和相量图 一、同步电动机的磁动势一、同步电动机的磁动势当同步电动机的定子三相对称绕组连接到三相对称电源上时，当同步电动机的定子三相对称绕组连接到三相对称电源上时，就会产生三相合成旋转磁动势（电枢磁动势就会产生三相合成旋转磁动势（电枢磁动势Fa）。设）。设Fa 的转向的转向为逆时针方向，转速为同步转速。为逆时针方向，转速为同步转速。在负载运行时，转子也是逆时针方向以同步转速旋转。由直流在负载运行时，

6、转子也是逆时针方向以同步转速旋转。由直流励磁电流励磁电流If 产生的磁动势（励磁磁动势产生的磁动势（励磁磁动势Ff ），也是空间矢量。），也是空间矢量。Fa 与与Ff 都以同步转速按逆时针方向旋转，但两者在空间的位置都以同步转速按逆时针方向旋转，但两者在空间的位置不一定相同。不一定相同。第八章第八章 同步电机原理同步电机原理-15-第八章第八章 同步电机原理同步电机原理直轴或纵轴直轴或纵轴，简称，简称d 轴轴；与直轴相距；与直轴相距90 空间电角度的方向称为空间电角度的方向称为交轴或横轴交轴或横轴，简称，简称q 轴轴。直轴和交轴随转子一同旋转。直轴和交轴随转子一同旋转。Ff单独作用：单独作用：

7、Ff总是在直轴方向。总是在直轴方向。励磁磁通励磁磁通 f 经过的磁路以直经过的磁路以直轴对称。轴对称。 -16- 二、凸极同步电动机的双反应原理二、凸极同步电动机的双反应原理电枢磁动势电枢磁动势Fa 单独在电机主磁路中产生磁通，比单独在电机主磁路中产生磁通，比Ff 产生磁通的产生磁通的情况复杂。情况复杂。只要只要Fa 与与Ff 的空间位置不相同，的空间位置不相同，Fa的方向就不在直轴方向。的方向就不在直轴方向。对于凸极式同步电动机，由于气隙的不均匀，即使知道对于凸极式同步电动机，由于气隙的不均匀，即使知道Fa 的大的大小和位置，也无法求得磁通。小和位置，也无法求得磁通。第八章第八章 同步电机原

8、理同步电机原理aqadaFFF（8-2）如果如果Fa 与与Ff 的相对位置给定，由于的相对位置给定，由于Fa与与Ff 无相对运动，可以把无相对运动，可以把Fa分解成两分解成两个分量：个分量： 直轴电枢磁动势直轴电枢磁动势Fad（作用（作用在直轴方）、在直轴方）、交轴电枢磁动势交轴电枢磁动势Faq （作（作用在交轴方向）：用在交轴方向）： 这种处理问题的方法称为双反应理论。这种处理问题的方法称为双反应理论。-17-第八章第八章 同步电机原理同步电机原理-18-由定子电流产生的电枢磁动势的表达式：由定子电流产生的电枢磁动势的表达式：第八章第八章 同步电机原理同步电机原理spW11a22423Ink

9、NF（8-3）将上式分解为将上式分解为d、q轴上的直轴电枢磁动势和交轴电枢磁动势：轴上的直轴电枢磁动势和交轴电枢磁动势：dpW11ad22423InkNFqpW11aq22423InkNF（8-4）（8-5）-19-第八章第八章 同步电机原理同步电机原理qdsIII（8-6）-20- 三、同步电动机的电压方程三、同步电动机的电压方程 1. 凸极同步电动机的电压方程凸极同步电动机的电压方程励磁磁通励磁磁通 f 、直轴磁通、直轴磁通 ad 和交轴磁通和交轴磁通 aq 都是以同步转速逆时都是以同步转速逆时针旋转，都在定子绕组中产生相应的感应电动势。针旋转，都在定子绕组中产生相应的感应电动势。根据图根

10、据图8-7给出的同步电动机定子绕组各电量正方向，列出给出的同步电动机定子绕组各电量正方向，列出A相回相回路的电压方程路的电压方程 第八章第八章 同步电机原理同步电机原理sssaqad0sjXRIEEEU（8-7）Rs 定子绕组的相电阻；定子绕组的相电阻；Xs 定子绕阻的相漏电抗。定子绕阻的相漏电抗。 0E f在定子绕阻中的感应电动势。在定子绕阻中的感应电动势。-21-感应电动势感应电动势 、 可以写成可以写成 第八章第八章 同步电机原理同步电机原理adEaqEaddadjXIEaqqaqjXIE（8-9）（8-8）式中式中 Xad 直轴电枢反应电抗；直轴电枢反应电抗； Xaq 交轴电枢反应电抗

11、。交轴电枢反应电抗。把式（把式（8-8）、式（）、式（8-9）代入式（）代入式（8-7），得），得 sssaqqadd0sjjjXRIXIXIEU在将式（在将式（8-6）代入上式，得）代入上式，得 sqdsaqqsadd0sjjRIIXXIXXIEU-22-当同步电动机容量较大时，可忽略电阻当同步电动机容量较大时，可忽略电阻Rs，于是，于是 第八章第八章 同步电机原理同步电机原理qqdd0sjjXIXIEU（8-10）式中式中 直轴同步电抗，直轴同步电抗， ； 交轴同步电抗交轴同步电抗 。在一般凸极同步电动机中，在一般凸极同步电动机中， 。 2. 隐极同步电动机的电压方程隐极同步电动机的电压方