第08章-同步电机原理

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1、-1-第八章同步电机原理电机与拖动基础（第2版）第一节同步电机的结构和运行方式第二节同步电动机的电压方程和相量图第三节同步电动机的功率方程和功角特性第四节同步电动机的功率因数及U形曲线第五节永磁同步电动机*-2-引言本章主要阐述同步电机的工作原理，利用双反应理论建立同步电机的基本电磁关系，在此基础上对同步电机的功角特性、矩角特性及功率因数的调节进行深入分析。本章还对迅速发展的永磁同步电机做了简要介绍。第八章同步电机原理-3-第一节同步电机的结构和运行方式第八章同步电机原理如果三相交流电机的转子转速n与定子电流的频率f1满足下面的方程式关系，这种电机就称为同

2、步电机。同步电机多被用作发电机，当今作为动力用的强大电力几乎全是由三相同步发电机发出的，因此它是各类发电厂的核心设备之一。同步电机也可以作电动机使用，例如空气压缩机、鼓风机、电力推进装置和电动发电机组等。（8-1）-4-一、同步电机的基本结构1.定子同步电机的定子，就其基本结构来看，与异步电机的定子没有多大区别，也是由定子铁心、定子绕组以及机座、端盖等附件组成。第八章同步电机原理-5-2.转子同步电机的转子有两种结构形式：一种有明显的磁极，称为凸极式，如图8-1a所示；另一种转子为一个圆柱体，表面上开有槽，无明显的磁极，称为隐极式，如图8-1b所示。同步发

3、电机的转子可以采用凸极式，也可以采用隐极式。对于水轮发电机，由于水轮机的转速较低，把发电机的转子做成凸极式的；对于汽轮发电机，由于汽轮机的转速较高，为了很好地固定励磁绕组，把发电机的转子做成隐极式的。同步电动机一般都做成凸极式的，在结构上与凸极式同步发电机类似，为了能够自起动，在转子磁极的极靴上装了起动绕组。同步电机的励磁电源有两种：一种是由励磁机供电，另一种是由交流电源经过整流而得到。每台同步电机应配备一台励磁机或整流励磁装置，可以很方便地调节它的励磁电流。第八章同步电机原理-6-二、同步电机的基本工作原理1.同步电机的物理模型第八章同步电机原理-7-2

4、.同步电机的工作原理现以同步发电机为例来说明同步电机的工作原理。当同步发电机的转子在原动机的拖动下达到同步转速n0时，由于转子绕组是由直流电流If励磁，所以转子绕组在气隙中所建立的磁场相对于定子来说是一个与转子旋转方向相同，转速大小相等的旋转磁场。该磁场切割定子上开路的三相对称绕组，在三相对称绕组中产生三相对称空载感应电动势E0。若改变励磁电流的大小则可相应地改变感应电动势的大小，此时同步发电机处于空载运行。当同步发电机带负载后，定子绕组构成闭合回路，产生定子电流，该电流是三相对称电流，因而要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。此时定

5、、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。由于气隙中磁场的改变，定子绕组中感应电动势的大小也发生变化。第八章同步电机原理-8-3.同步电机的运行方式第八章同步电机原理-9-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，简称电枢磁动势，用空间矢量Fa表示。设电枢磁动势Fa的转向为逆时针方向，转速为同步转速。在同步电动机负载运行时，其转子也是逆时针方向以同步转速旋转。由直流励磁电流If产生的磁动势称为励磁磁动势，用Ff表示，它也是一个空间矢量。电枢

6、磁动势Fa与励磁磁动势Ff，两者都以同步转速按逆时针方向旋转，但是两者在空间的位置不一定相同。这里规定两个轴方向：转子N极和S极的中心线称为直轴或纵轴，简称d轴；与直轴相距90空间电角度的方向称为交轴或横轴，简称q轴。直轴和交轴随转子一同旋转，如图8-4所示。第八章同步电机原理-10-先考虑励磁磁动势Ff单独在电机主磁路中产生磁通时的情况。励磁磁动势Ff总是在直轴方向，产生的磁通如图8-5所示。将由励磁磁动势Ff单独产生的磁通叫励磁磁通，用f表示。f经过的磁路是以直轴为对称的。第八章同步电机原理-11-二、凸极同步电动机的双反应原理对于电枢磁动势Fa

7、单独在电机主磁路中产生磁通时的情况，则比励磁磁动势Ff产生磁通时的情况复杂。由于Fa与Ff的空间位置不一定相同，所以只要Fa与Ff的空间位置不相同，就必然使Fa的方向不在直轴方向。对于凸极式同步电动机，由于气隙的不均匀，即使知道电枢磁动势Fa的大小和位置，也无法求得磁通。如果电枢磁动势Fa与励磁磁动势Ff的相对位置给定，如图8-6，由于电枢磁动势Fa与励磁磁动势Ff无相对运动，可以把电枢磁动势Fa分解成两个分量：一个分量叫直轴电枢磁动势，用Fad表示，作用在直轴方向；另一个分量叫交轴电枢磁动势，用Faq表示，作用在交轴方向，即第八章同步电机原理（8-2）-

8、12-第八章同步电机原理-13-根据前一章的分析，这里可以写出由定