大学课件《电机与拖动》教学PPT课件：第四章同步电动机.pptx
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第4章同步电动机大功率同步电动机与同容量的异步电机相比较，有明显的优点。
首先，同步电动机的功率因数高，在运行时不仅不使电网的功率因数降低，相反还能够改善电网的功率因数，这是异步电机做不到的；同步电机还有一种特殊的运行方式，即接于电网做空载运行，称之为调相机，专门用于电网的无功功率补偿，以提高功率因数，改善供电性能。
4.1同步电动机的基本工作原理与结构如果三相交流电机的转子转速如果三相交流电机的转子转速n与定子电流的频率与定子电流的频率f1满足方程式满足方程式的关系，这种电机就称为同步电机。
的关系，这种电机就称为同步电机。
第4章同步电动机4.1.1基本结构（a）（b）三相旋转磁极式同步电动机结构示意图（a）隐极式；（b）凸极式1-定子；2-转子；3-集电环第4章同步电动机b凸极式：
转子有明显的突出的磁极，气隙分布不均匀。
凸极式：
转子有明显的突出的磁极，气隙分布不均匀。
a隐极式：
转子作成圆柱形，气隙均匀分布。
隐极式：
转子作成圆柱形，气隙均匀分布。
区别：
对于高速旋转区别：
对于高速旋转的同步电机，在转子结构上，我们采用隐极的同步电机，在转子结构上，我们采用隐极式，而对于低速旋转的电机，由于转子的圆周速度较低，离心力较式，而对于低速旋转的电机，由于转子的圆周速度较低，离心力较小，故采用制造简单、励磁绕组集中安放的凸极式结构。
小，故采用制造简单、励磁绕组集中安放的凸极式结构。
大型同步发电机通常用汽轮机或水轮机作为原动机来拖动，故前大型同步发电机通常用汽轮机或水轮机作为原动机来拖动，故前者称为汽轮发电机，后者称为水轮发电机。
者称为汽轮发电机，后者称为水轮发电机。
汽轮发电机：
转速高，采用隐极式。
汽轮发电机：
转速高，采用隐极式。
水论发电机：
转速低，采用凸极式。
水论发电机：
转速低，采用凸极式。
第4章同步电动机可以看出：
同步电机的定子绕组与异步电机的定子绕组完可以看出：
同步电机的定子绕组与异步电机的定子绕组完全相同，其作用是通入三相交流电后，可产生一个三相旋转全相同，其作用是通入三相交流电后，可产生一个三相旋转磁场，来带动转子的固定磁场一起转动，利用两个磁场之间磁场，来带动转子的固定磁场一起转动，利用两个磁场之间的相互吸引而产生电磁转矩的相互吸引而产生电磁转矩同步电机和其他类型的电机一样，也遵循可逆原理，可按同步电机和其他类型的电机一样，也遵循可逆原理，可按电动机方式运行，也可按发电机方式运行电动机方式运行，也可按发电机方式运行4.1.3同步电动机额定值及型号1.额定功率：
指电动机轴上输出的有功功率。
2.额定电压：
指额定运行时定子绕组上的线电压。
3.额定电流：
指额定运行时定子的线电流。
4.额定功率因数：
额定运行时电机的功率因数。
5.额定转速：
额定运行时电机的转速，即同步转速。
4.1.2同步电动机基本工作原理第4章同步电动机4.2同步电动机的电磁关系4.2.1同步电动机的磁动势同步电机的直轴与交轴同步电机的直轴与交轴励磁磁通励磁磁通第4章同步电动机4.2.1凸极同步电动机的双反应原理电枢反应磁动势及磁通电枢反应磁动势及磁通a）a）电枢反应磁动势电枢反应磁动势b）b）直轴磁通直轴磁通c）c）交轴磁通交轴磁通第4章同步电动机由由定子电流定子电流（电枢电流电枢电流）产生的电枢磁动势的表达式为产生的电枢磁动势的表达式为将上式分解为将上式分解为dd、qq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，其表达式为其表达式为第4章同步电动机4.2.3凸极同步电动机的电压平衡方程式式中：
为定子绕组一相的电阻；为定子绕组一相的漏电抗。
式中：
为直轴同步电抗；为交轴同步电抗。
对同一台电动机，和都是常数，可以用计算或试验的方法求得。
第4章同步电动机4.2.4凸极同步电动机的电动势相量图第4章同步电动机4.2.5隐极同步电动机对于隐极同步电动机，由于气隙均匀，因而直轴和交轴的同步电抗在数值上对于隐极同步电动机，由于气隙均匀，因而直轴和交轴的同步电抗在数值上彼此相等彼此相等式中：
式中：
为隐极同步电动机的同步电抗。
为隐极同步电动机的同步电抗。
这样，可写出隐极同步电动机的电压方程为这样，可写出隐极同步电动机的电压方程为第4章同步电动机4.3同步电动机的功角关系和矩角关系4.3.1功率关系第4章同步电动机4.3.2电磁功率对于三相凸极同步电动机，当忽略定子电阻时，对于隐极同步电动机4.3.3功角特性第4章同步电动机同步电动机的功角特性和矩角特性（a）隐极同步电动机；（b）凸极电动机（a）（b）第4章同步电动机第4章同步电动机第4章同步电动机三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性曲线曲线第4章同步电动机在特性曲线上有两个最大转矩，最大转矩对应的转差率称为临界在特性曲线上有两个最大转矩，最大转矩对应的转差率称为临界转差率，可令转差率，可令求得求得:
最大转矩与额定转矩之比称为过载能力最大转矩与额定转矩之比称为过载能力:
22、越大，越大，越大；越大；与与无关。
无关。
11、与与成正比；成正比；与与无关。
无关。
33、和和都近似与漏抗成反比都近似与漏抗成反比第4章同步电动机在特性曲线上还有一个起动转矩，即在特性曲线上还有一个起动转矩，即时的转矩时的转矩:
结论：
当其它参数一定时结论：
当其它参数一定时11、起动转矩与电源电压平方成正比；、起动转矩与电源电压平方成正比；22、频率越高，起动转矩越小；漏抗越大，起动转矩越小；、频率越高，起动转矩越小；漏抗越大，起动转矩越小；33、绕线式电动机，转子回路电阻越大，起动转矩先增后减。
、绕线式电动机，转子回路电阻越大，起动转矩先增后减。
44、起动转矩倍数、起动转矩倍数第4章同步电动机三、实用表达式工程上常根据电机的额定功率、额定转速、过载能力来工程上常根据电机的额定功率、额定转速、过载能力来求出实用表达式。
方法是：
求出实用表达式。
方法是：
将将TTmm和和ssmm代入即可得到机械特性方程式代入即可得到机械特性方程式。
利用电磁转矩除以最大电磁转矩可得电磁转矩的实用表达式利用电磁转矩除以最大电磁转矩可得电磁转矩的实用表达式：
第4章同步电动机3.2.23.2.2三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性一、固有机械特性固有机械特性固有机械特性是指电动机在额定电压和额定频率下，按规定的接是指电动机在额定电压和额定频率下，按规定的接线，定、转子电路不外接阻抗时的机械特性。
线，定、转子电路不外接阻抗时的机械特性。
sn0nNsNnmsm10TNTstTmTem几个特殊点：
几个特殊点：
AABBCCD1.起动点A:
2.最大转矩点B:
3.额定运行点C4.同步运行点D第4章同步电动机二、人为机械特性人为机械特性人为机械特性是指人为改变电源参数或电动机参数而得到的机是指人为改变电源参数或电动机参数而得到的机械特性。
械特性。
1.1.降压时的人为机械特性降压时的人为机械特性snsm10TLUN0TstTmTemn10.8UN0.64Tst0.64Tm下降后下降后,和和均下降均下降,但但不变不变,和和减少。
减少。
如果电机在定额负载下运如果电机在定额负载下运行行,下降后下降后,下降下降,增大增大,转子电流因转子电流因增大而增增大而增大大,导致电机过载。
长期欠压导致电机过载。
长期欠压过载运行将使电机过热，减过载运行将使电机过热，减少使用寿命。
少使用寿命。
第4章同步电动机2.2.转子回路串对称电阻时的人为机械特性转子回路串对称电阻时的人为机械特性串电阻后串电阻后,、不变，不变，增大。
增大。
在一定范围内增加电阻，可以在一定范围内增加电阻，可以增加增加。
当。
当时时，若，若再增加电阻，再增加电阻，减小。
减小。
串电阻后，机械特性线性段斜率变大，特性变软。
串电阻后，机械特性线性段斜率变大，特性变软。
除了上述特性外，还有除了上述特性外，还有改变电源频率、极对数等人改变电源频率、极对数等人为机械特性。
为机械特性。
10TstTmTemsn0n1smR2TstsmR2+Rs第4章同步电动机3.3三相异步电动机的起动起动指电动机接通电源后由静止状态加速到稳定运行状态的起动指电动机接通电源后由静止状态加速到稳定运行状态的过程过程.对电动机的起动性能要求二：
起动电流小对电动机的起动性能要求二：
起动电流小,起动转矩不大。
起动转矩不大。
1.1.起动电流大的原因起动电流大的原因起动时起动时,转子感应电动势大转子感应电动势大,使转子电流大使转子电流大,根据磁根据磁动势平衡关系动势平衡关系,定子电流必然增大定子电流必然增大.2.2.起动转矩不大的原因起动转矩不大的原因从下述公式分析从下述公式分析起动时起动时,远大于运行时的远大于运行时的,转子漏抗转子漏抗很大很大,很低很低,尽管尽管很大很大,但但并不大并不大.由于起动电流大由于起动电流大,定子漏阻抗压降大定子漏阻抗压降大,使定子感应电动势减小使定子感应电动势减小,对应的气隙磁通减小对应的气隙磁通减小.由上述两个原因使得起动转矩不大由上述两个原因使得起动转矩不大.第4章同步电动机3.3.13.3.1三相笼型异步电动机的起动三相笼型异步电动机的起动一、直接起动可以直接起动的条件：
起动电流倍数可以直接起动的条件：
起动电流倍数二、降压起动适用于正常运行时定子绕组为三角形接线适用于正常运行时定子绕组为三角形接线的电动机。
的电动机。
起动时起动时YY接；运行时接；运行时接。
接。
起动电流关系:
Y-Y-降压起动降压起动多用于空载或轻载起动多用于空载或轻载起动1.Y-1.Y-降压起动降压起动起动转矩关系:
第4章同步电动机2.2.自耦变压器降压起动自耦变压器降压起动直接起动时的起动电流：
直接起动时的起动电流：
降压后二次侧起动电流：
降压后二次侧起动电流：
变压器一次侧电流：
变压器一次侧电流：
电网提供的起动电流减小倍数：
电网提供的起动电流减小倍数：
起动转矩减小的倍数：
起动转矩减小的倍数：
自耦变压器一般有三个分接头可供选用。
自耦变压器一般有三个分接头可供选用。
第4章同步电动机3.3.2绕线式异步电动机的起动一、转子回路串电阻起动在转子回路中串联适当的电阻在转子回路中串联适当的电阻,既能既能限制起动电流，又能增大起动转矩。
限制起动电流，又能增大起动转矩。
为了有较大的起动转矩、使起动为了有较大的起动转矩、使起动过程平滑，应在转子回路中串入多级过程平滑，应在转子回路中串入多级对称电阻，并随着转速的升高，逐渐对称电阻，并随着转速的升高，逐渐切除起动电阻。
切除起动电阻。
第4章同步电动机电动机由电动机由aa点点开始起动，经开始起动，经bcdebcdefghfgh，完，完成起动过程。
成起动过程。
起动过程起动过程第4章同步电动机二、转子串频敏变阻器起动频敏变阻器是一铁损很大的三相电抗器。
频敏变阻器是一铁损很大的三相电抗器。
起动时，起动时，S2S2断开，转子串入频敏断开，转子串入频敏变阻器变阻器,S1,S1闭合，电机通电开始起动。
闭合，电机通电开始起动。
起动时起动时,频敏变阻器铁损大频敏变阻器铁损大,反反映铁损耗的等效电阻映铁损耗的等效电阻大大,相当于转相当于转子回路串入一个较大电阻。
随着子回路串入一个较大电阻。
随着上上升升,减小减小,铁损减少铁损减少,等效电阻等效电阻减小减小,相当于逐渐切除相当于逐渐切除,起动结束起动结束,S2,S2闭合，切除频敏变阻器，转子电闭合，切除频敏变阻器，转子电路直接短路。
路直接短路。
第4章同步电动机3.4三相异步电动机的制动3.4.1能耗制动实现实现：
制动时，：
制动时，S1S1断开断开,电机脱离电网，电机脱离电网，同时同时S2S2闭合闭合,在定子绕组中通入直流励磁在定子绕组中通入直流励磁电流。
电流。
直流励磁电流产生一个恒定的磁场，直流励磁电流产生一个恒定的磁场，因惯性继续旋转的转子切割恒定磁场，导因惯性继续旋转的转子切割恒定磁场，导体中感应电动势和电流。
感应电流与磁场体中感应电动势和电流。
感应电流与磁场作用产生的电磁转矩为制动性质，转速迅作用产生的电磁转矩为制动性质，转速迅速下降，当转速为零时，感应电动势和电速下降，当转速为零时，感应电动势和电流为零，制动过程结束。
流为零，制动过程结束。
制动过程中，转子的动能转变为电能消耗在转子回路电阻制动过程中，转子的动能转变为电能消耗在转子回路电阻上上能耗制动。
能耗制动。
第4章同步电动机nTemA0n1C1B23对笼型异步电动机对笼型异步电动机,可以增可以增大直流励磁电流来增大初始制大直流励磁电流来增大初始制动转矩动转矩。
对绕线型异步电动机对绕线型异步电动机,可可以增大转子回路电阻来增大以增大转子回路电阻来增大初始制动转矩初始制动转矩。
制动电阻大小：
制动电阻大小：
第4章同步电动机一、电源两相反接的反接制动3.4.23.4.2反接制动反接制动实现实现：
将电动机电源两相反接可实现反接制动。
：
将电动机电源两相反接可实现反接制动。
机械特性由曲线机械特性由曲线11变为曲线变为曲线22，工作点由，工作点由ABCABC，n=0,n=0,制动过程结束。
制动过程结束。
绕线式电动机绕线式电动机在定子两反在定子两反接同时接同时,可在转子回路串联可在转子回路串联制动电阻来限制制动电流制动电阻来限制制动电流和增大制动转矩和增大制动转矩,曲线曲线33。
第4章同步电动机二、倒拉反转的反接制动条件条件:
适用于绕线式异步电动机带位能性负载情况。
适用于绕线式异步电动机带位能性负载情况。
实现实现：
在转子回路串联适当大电阻：
在转子回路串联适当大电阻RRBB。
电机工作点由电机工作点由ABABCC，n=0n=0，制动过程，制动过程开始，电机反转子，开始，电机反转子，直到直到DD点。
在第四象点。
在第四象限才是制动状态。
限才是制动状态。
由于电机反向旋转，由于电机反向旋转，n0n1s1。
第4章同步电动机反接制动时，反接制动时，s1s1，所以有，所以有机械功率为机械功率为电磁功率为电磁功率为机械功率为负，说明电机从轴上输入机械功率；电磁功率为机械功率为负，说明电机从轴上输入机械功率；电磁功率为正说明电机从电源输入电功率，并轴定子向转子传递功率。
正说明电机从电源输入电功率，并轴定子向转子传递功率。
而而表明，轴上输入的机械功率转变成电功率后，连同定子传递给转表明，轴上输入的机械功率转变成电功率后，连同定子传递给转子的电磁功率一起消耗在转子回路电阻上，所反接制动的能量损子的电磁功率一起消耗在转子回路电阻上，所反接制动的能量损耗较大。
耗较大。
第4章同步电动机3.4.3回馈制动实现实现：
电动机转子在外力作用下，使：
电动机转子在外力作用下，使nnnn11.回馈制动状态实际上就是将轴上的机回馈制动状态实际上就是将轴上的机械能转变成电能并回馈到电网的异步发电械能转变成电能并回馈到电网的异步发电机状态。
机状态。
一、下放重物时的回馈制动首先将定子两相反接首先将定子两相反接,定子旋转磁场定子旋转磁场的同步速为的同步速为-n-n11，特性曲线变为特性曲线变为22。
工作。
工作点由点由AA到到BB。
经过反接制动过程（由。
经过反接制动过程（由BB到到CC）、反向加速过程（）、反向加速过程（CC到到-n-n11变化），最变化），最后在位能负载作用下反向加速并超过同后在位能负载作用下反向加速并超过同步速，直到步速，直到CC点保持稳定运行。
点保持稳定运行。
电机机械特性曲线电机机械特性曲线11，运行于，运行于AA点。
点。
第4章同步电动机二、变极或变频调速过程中的回馈制动电机机械特性曲线电机机械特性曲线11，运行于，运行于AA点。
点。
电机工作点由电机工作点由AA变到变到BB，电磁转矩，电磁转矩为负，为负，电机处于回馈制，电机处于回馈制动状态。
动状态。
当电机采用变极（增加极数）或变当电机采用变极（增加极数）或变频（降低频率）进行调速时，机械频（降低频率）进行调速时，机械特性变为特性变为22。
同步速变为。
同步速变为。
第4章同步电动机3.5三相异步电动机的调速由异步电动机的转速公式由异步电动机的转速公式可知，异步电动机有下列三种基本可知，异步电动机有下列三种基本调速方法调速方法：
（11）改变定子极对数）改变定子极对数调速。
调速。
（22）改变电源频率）改变电源频率调速。
调速。
（33）改变转差率）改变转差率调速。
调速。
第4章同步电动机3.5.1变极调速一、变极原理变极调速只用于笼型电动机。
变极调速只用于笼型电动机。
以以44极变极变22极为例：
极为例：
UU相两个线圈，相两个线圈，顺向串联顺向串联，定子绕组产生定子绕组产生44极磁场：
极磁场：
反向串联反向串联和和反向并联反向并联，定子绕组，定子绕组产生产生22极磁场：
极磁场：
第4章同步电动机二、三种常用变极接线方式Y反并反并YY，2p-pY反串反串Y，2p-pYY，2p-p注意注意：
当改变当改变定子绕定子绕组接线组接线时，必时，必须同时须同时改变定改变定子绕组子绕组的相序的相序第4章同步电动机三、变极调速时容许输出容许输出容许输出时是指保持电流为额定值条件下，调速前、后电时是指保持电流为额定值条件下，调速前、后电动机轴上输出的功率和转矩。
动机轴上输出的功率和转矩。
1.1.Y-YYY-YY联结方式联结方式Y-YYY-YY后后,极数减少一半极数减少一半,转速增大一倍转速增大一倍,即即，保持每一绕组，保持每一绕组电流为电流为,则输出功率和转矩为则输出功率和转矩为可见，可见，Y-YYY-YY联结方式时，电动机的转速增大一倍，容许输出联结方式时，电动机的转速增大一倍，容许输出功率增大一倍，而容许输出转矩保持不变，所以这种变极调速属功率增大一倍，而容许输出转矩保持不变，所以这种变极调速属于恒转矩调速，它适用于恒转矩负载。
于恒转矩调速，它适用于恒转矩负载。
第4章同步电动机2.2.-YY-YY联结方式联结方式-YY-YY后后,极数减少一半极数减少一半,转速增大一倍转速增大一倍,即即，保持每一，保持每一绕组电流为绕组电流为,则输出功率和转矩为则输出功率和转矩为可见，可见，-YY-YY联结方式时，电动机的转速增大一倍，容许输联结方式时，电动机的转速增大一倍，容许输出功率近似不变，而容许输出转矩近似减少一半，所以这种变出功率近似不变，而容许输出转矩近似减少一半，所以这种变极调速属于恒功率调速，它适用于恒功率负载。
极调速属于恒功率调速，它适用于恒功率负载。
同理可以分析，同理可以分析，正串正串Y-Y-反串反串YY联结方式的变极调速属恒功联结方式的变极调速属恒功率调速。
率调速。
第4章同步电动机四、变极调速时的机械特性1.Y-YY联结方式联结方式2.-YY联结方式联结方式变极调速时变极调速时,转速几乎是成倍变化的转速几乎是成倍变化的,调速的平滑性较差调速的平滑性较差,但但具有较硬的机械特性具有较硬的机械特性,稳定性好稳定性好,可用于恒功率和恒转矩负载可用于恒功率和恒转矩负载.第4章同步电动机3.5.2变频调速一、电压随频率调节的规律当转差率当转差率ss变化不大时，电动机的转速变化不大时，电动机的转速nn基本与电源频率基本与电源频率ff11正比，连续调节电源频率，可以平滑地改变电动机的转速。
但正比，连续调节电源频率，可以平滑地改变电动机的转速。
但是，是，频率改变将影响磁路的饱和程度、励磁电流、功率因数、铁频率改变将影响磁路的饱和程度、励磁电流、功率因数、铁损及过载能力的大小。
为了保持变频率前、后过载能力不变，要损及过载能力的大小。
为了保持变频率前、后过载能力不变，要求下式成立：
求下式成立：
第4章同步电动机11、恒转矩变频率调速、恒转矩变频率调速此条件下变频调速，电机的主磁通和过载能力不变。
此条件下变频调速，电机的主磁通和过载能力不变。
对恒转矩负载对恒转矩负载22、恒功率变频率调速、恒功率变频率调速此条件下变频调速，电机的过载能力不变，但主磁通发生变化此条件下变频调速，电机的过载能力不变，但主磁通发生变化。
对恒功率负载对恒功率负载得第4章同步电动机二、频率调速时电动机的机械特性变频调速时电动机的机械特性可用下列各式表示变频调速时电动机的机械特性可用下列各式表示最大转矩最大转矩起动转矩起动转矩临界点转速降临界点转速降在基频以下调速时在基频以下调速时,保持保持,即恒转矩调速。
即恒转矩调速。
在基频以上调速时在基频以上调速时,电压只能电压只能，迫使主磁通与频率成，迫使主磁通与频率成反比降低，近似为恒功率调速。
反比降低，近似为恒功率调速。
第4章同步电动机3.5.33.5.3变转差率调速变转差率调速一、绕线转子电动机的转子串接电阻调速绕线转子电动机的转子回路串接对称电阻时的机械特性为绕线转子电动机的转子回路串接对称电阻时的机械特性为从机械特性看，转子串电阻从机械特性看，转子串电阻时，同步速和最大转矩不变，但时，同步速和最大转矩不变，但临界转差率增大。
当恒转矩负载临界转差率增大。
当恒转矩负载时，电机的转速随转子串联电阻时，电机的转速随转子串联电阻的增大而减小。
的增大而减小。
设设、是转子串联电阻是转子串联电阻前的量，前的量，、是串联电阻后是串联电阻后的量，的量，则转子串接的电阻为：
则转子串接的电阻为：
第4章同步电动机二、绕线转子电动机的串级调速在绕线转子电动机的转子回在绕线转子电动机的转子回路串接一个与转子电动势路串接一个与转子电动势同步频率的附加电动势同步频率的附加电动势。
通过改变通过改变的幅值和相的幅值和相位，也可实现调速，这就位，也可实现调速，这就是串级调速。
是串级调速。
第4章同步电动机改变电动机的电压改变电动机的电压时，机械特性为时，机械特性为三、调压调速调压调速既非恒转矩调调压调速既非恒转矩调速，也非恒功率调速，它最速，也非恒功率调速，它最适用于转矩随转速降低而减适用于转矩随转速降低而减小的负载，如风机类负载，小的负载，如风机类负载，也可用于恒转矩负载，最不也可用于恒转矩负载，最不适用恒功率负载。
适用恒功率负载。
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