控制电机同步电动机

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1、第9章同步电动机9.1概述9.2同步电动机的基本工作原理9.3同步电动机的结构与分类9.4同步电动机的基本方程式和运行特性9.5同步电动机的起动9.6小功率同步电动机9.7稀土永磁式同步电动机思考题及习题9.1概述同步电机是交流旋转电机中的一种，转子的转速始终与定子旋转磁场的转速（同步速）相同。同步电机主要分为同步发电机、同步电动机、同步调相机。现代电力工业中，无论是火力发电、水力发电、还是原子能发电，几乎全部采用同步发电机。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，如大型水泵、空气压缩机、矿井通风机等。同步调相机是空载运行的同步电动机，专门提供感性无功功

2、率，用来改善电网的功率因数，以提高电网的运行经济性及电压的稳定性。9.2同步电动机的基本工作原理同步电机的定子和异步电机的定子相同，即在定子铁心内圆均匀分布的槽内嵌放三相对称绕组，如图9-1所示，同步电机的结构原理图中只画出一相绕组。同步电机的定子又称电枢，转子主要由磁极铁心与励磁绕组组成。当励磁绕组通以直流电流后，转子即建立恒定磁场。同步电机作为电动机运行，在定子绕组上通以三相交流电源，产生一个旋转速度为同步速n1的旋转磁场。图9-1同步电机的结构原理图在转子绕组加上直流励磁，转子将在定子旋转磁场的带动下，带动负载沿定子磁场的方向以相同的转速旋转，转子的转速n与定子

3、电源频率f、磁极对数p之间应满足(9-1)上式表明，同步电动机的转速与频率之间将保持严格不变的关系，当电源频率f不变时，转速恒为同步速，与负载大小无关。这是同步电机和异步电机的基本差别之一。我国电力系统的标准频率为50Hz，电机的磁极对数为整数，所以同步电动机的转速为一固定值。当2p=2时，n为3000r／min；当2p=4时，n为1500r／min；当2p=6时，n为1000r／min；依此类推。图9-2a)气隙合成磁场的等效磁极b)同步电动机的工作原理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N0极对

4、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，转子的磁极轴线总要滞后旋转磁场轴线一个很小角度δ，促使产生一个异性吸力（驱动性质的电磁转矩），如图9-2所示。负载时，δ角增大，电网输入的电功率P1和相应的电磁功率PM增大，电磁转矩随之增大，电动机仍保持同步状态。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。9.3同步电动机的结构与分类同步电机可以按运行方式、结构型式和原动机的类别进行分类。按运行方式，同步电机可分为发电机、电动机和调相机三类。按结

5、构型式，同步电机可分为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，应用比较广泛。旋转磁极式同步电机按磁极的形状，又可分为隐极式和凸极式两种类型，如图9-3所示。隐极式气隙是均匀的，转子做成圆柱型。凸极式气隙是不均匀的，极弧底下气隙较小，极间部分气隙较大。(a)凸极式(b)隐极式图9-3旋转磁极式同步电动机结构示意图转子定子图9-4凸极同步发电机的结构定子转子图9-5隐极同步发电机的结构按原动机类别，同步电机可分为汽轮发电机、水轮发电机和柴油发电机等。汽轮发电机由于转速高，转子各部分受到的离心力很大，机械强度要求高，一般采

6、用隐极式；转子细而长，以减小线速度。如图9-6所示。用于火力发电厂和核电厂。水轮发电机转速低、极数多，采用结构和制造上比较简单的凸极式。同步电动机、柴油发电机和调相机，一般也做成凸极式；转子粗而短，以增加极数。如图9-7所示。用于水力发电厂。图9-6国产60万kW汽轮发电机正在安装转子目前世界最大的汽轮发电机已经超过100万kW图9-7世界最大的水轮发电机组在三峡电站安装三峡电站总装机26台，单机容量70万千瓦。共安装26台发电机组（现32台）。左厂房安装14台机组，右厂房12台，单机容量均为70万千瓦，总装机容量1820万千瓦。已经总装完毕的机组，每台重达6000多

7、吨。仅转子直径就达18米多，3.5米高，有200多平方米的房子那么大，1600多吨重。每台机组用一条直径为12.4米的钢管，从水库引水导向水轮机，被驱动的水轮机转轮带动发电机发电。一台水轮发电机组还配备一台重达450吨的变压器，电流将通过三峡输变电工程送出。9.4同步电动机的基本方程和运行特性一、同步电动机的基本方程式和相量图隐极式同步电动机的电动势平衡方程式为(9-2)式中——励磁磁通在定子绕组里的感应电动势(V)；Ra——电枢电阻；Xt——电枢绕组等效电抗，称同步电抗(Ω)；Xt反应了电枢反应磁场和漏磁场的总作用。图9-8隐极式同步电动机的电动势