第6章：三相同步电动机

第6章三相同步电机电机拖动与控制6.1三相同步电机的概述一.结构同步电机的定子和三相异步机的定子完全一样。同步电机的转子是磁极，按照其磁极结构不同：可分为凸极式和隐极式两种。二.励磁方式供给同步电机励磁的直流电源及附属装置称为励磁系统。1.直流励磁机励磁：由小型直流发电机供电。2.静止的整流器励磁交流励磁机→整流→直流电电刷集电环励磁绕组。3.旋转的交流整流器励磁（无刷励磁）交流励磁机→整流→直流电→励磁绕组。三峡电站首台机组安装三、同步电机的三种工作状态1.发电状态：原动力输入的机械功率通过电机内部的电磁作用而转换为电功率输出。2.电动状态：将电功率变为机械功率输出。3.同步调相状态：转子上未带任何负载，则同步电机将工作在同步调相机状态。此时，通过调节转子的直流励磁，便可改变向电网输出无功功率的大小和性质。6.2同步电动机工作原理当同步电动机的定子三相绕组通入三相交流电流时，将产生旋转磁场，如果在转子绕组内通入直流励磁电流则形成固定的磁极。根据磁极异性相吸原理，这时转子磁极就会被旋转磁场的磁极所吸引，而作同步旋转，故称为同步电动机。同步电动机的转速为同步电动机的转速n恒等于同步转速。电源频率为50Hz，故当p＝1时，n＝3000r／min，p=2，n＝1500r／min，p=3,n=1000r/min等。可见，同步电动机转子转速不随负载而变化，其机械特性是一条水平直线，属于绝对硬特性。1160fnnp二、同步电动机的电路分析同步电动机接至电网，电源电压=感应电动势+阻抗压降。定子绕组中的感应电势E1是由合成磁场Ф(定子磁场和转子主磁场Ф0)共同感应产生的，因此可分解为U1=－E1+(r1＋jX)I1E0-转子主磁场Ф0在定子绕组中产生的电动势Ea-定子磁场在定子绕组产生的电势，称电抠反应电势10aEEE电抠反应电势Ea与定子电流I1成正比，在定子绕组中形成电抗压降，可表示为xa-定子磁场引起的电抗，称为电枢反应电抗。适用隐极式同步电机。对凸极式，气隙分布不均匀，需用双反应理论。1aaEjIx101110111()asUEIrjIxxEIrjIxxs–同步电抗，xs≈xa10aEEE同步电动机的相量图101110111()asUEIrjIxxEIrjIx简化相量图U1与E0之间的相位角称为功角θ。合成磁场滞后E190º，主磁场滞后(-E0)90º，所以合成磁场与主磁场之间的夹角也近似等于功角θ。可见功角还是合成磁场轴线与主磁场轴线的夹角。功角既是时间角又是空间角，它是表示同步电机情况的重要参数。1101sUEEjIx三、同步电动机的功角特性同步电动机的电磁功率等于定子绕组输入的电功率减去定子铜损和铁芯损耗，即定子经气隙传递到转子上的功率。10113sinemsPUETx11113cosemPPUI110cossinIE10113sinemsPUETx当电源电压不变，励磁电流也不变，则电磁转矩只与功角有关，它们之间的关系称为功角特性。当θ＝0时，T＝0，这表明合成磁场的轴线与转子主磁场的轴线重合，不产生磁拉力，所以电磁转矩为零。当θ＝90°时，转矩达到最大值θ＞90°时，会出现“失步”现象，同步电动机不能正常工作。额定功角θ一般为20°-30°，所以过载能力为maxsin902~2.9sinNNTT四、同步电动机的功率因数调节当外加三相交流电电压一定时,合成磁场基本为定值当负载转矩不变时，同步电动机的输出功率不变，则输入功率也基本不变。11cosI常数可见，改变励磁电流引起I1改变时，功率因数也随之改变。110cossinIE常数增大励磁电流，E0变大，θ减小，电动机功率因数角减小。（1）基准励磁状态：调节励磁电流至某值，恰使同步电动机功率因电动机相当于纯电阻性负载。（2）欠励磁状态:相当于感性负载。（3）过励磁状态：相当于容性负载。同步补偿机五、起动在电流一个周期内，同步电动机产生的平均起动转矩为零。同步电动机最大缺点就是起动性能差，本身没有起动转矩。（一）、异步起动法在转子磁极的极掌上装着类似于异步电动机笼型绕组的起动绕组，让同步电动机靠异步转矩起动。起动前，先将励磁绕组经过电阻短接。当电动机转速接近亚同步转速(约0．95n1)时，给转子通入励磁电流，将转子牵入同步。（二）、变频起动法起动时，首先给转子直流励磁，然后在定子三相绕组上加低频交流电，低频旋转磁场可以拖动转子起动，然后逐渐提高电源频率，将电机起动到要求转速为止。这种方法耗能少，起动平稳不足之处是需要一个变频电源，且励磁机必须是非同轴的，否则在低速时，励磁机无法提供所需的励磁电流。