同步電動機課件

同步電動機

9.1概述9.2同步電動機的基本工作原理9.3同步電動機的結構與分類

9.4同步電動機的基本方程式和運行特性

9.5同步電動機的起動9.6小功率同步電動機9.7稀土永磁式同步電動機

思考題及習題同步電動機9.1概述9.1概述

同步電機是交流旋轉電機中的一種，轉子的轉速始終與定子旋轉磁場的轉速（同步速）相同。同步電機主要分為同步發(fā)電機、同步電動機、同步調相機。現代電力工業(yè)中，無論是火力發(fā)電、水力發(fā)電、還是原子能發(fā)電，幾乎全部采用同步發(fā)電機。

同步電動機主要用于功率較大，轉速不要求調節(jié)的生產機械，如大型水泵、空氣壓縮機、礦井通風機等。

9.1概述同步電機是交流旋轉同步調相機是空載運行的同步電動機，專門提供感性無功功率，用來改善電網的功率因數，以提高電網的運行經濟性及電壓的穩(wěn)定性。同步調相機是空載運行的同步電動機，專門提供感9.2同步電動機的基本工作原理

同步電機的定子和異步電機的定子相同，即在定子鐵心內圓均勻分布的槽內嵌放三相對稱繞組，如圖9-1所示，同步電機的結構原理圖中只畫出一相繞組。同步電機的定子又稱電樞，轉子主要由磁極鐵心與勵磁繞組組成。當勵磁繞組通以直流電流后，轉子即建立恒定磁場。同步電機作為電動機運行，在定子繞組上通以三相交流電源，產生一個旋轉速度為同步速n1的旋轉磁場。

9.2同步電動機的基本工作原理同圖9-1同步電機的結構原理圖圖9-1同步電機的結構原理圖

在轉子繞組加上直流勵磁，轉子將在定子旋轉磁場的帶動下，帶動負載沿定子磁場的方向以相同的轉速旋轉，轉子的轉速n與定子電源頻率f、磁極對數p之間應滿足

(9-1)

上式表明，同步電動機的轉速與頻率之間將保持嚴格不變的關系，當電源頻率f不變時，轉速恒為同步速，與負載大小無關。這是同步電機和異步電機的基本差別之一。

在轉子繞組加上直流勵磁，轉子將在定子

我國電力系統(tǒng)的標準頻率為50Hz，電機的磁極對數為整數，所以同步電動機的轉速為一固定值。當2p=2時，n為3000r／min；當2p=4時，n為1500r／min；當2p=6時，n為1000r／min；依此類推。我國電力系統(tǒng)的標準頻率為50Hz，電機圖9-2a)氣隙合成磁場的等效磁極b)同步電動機的工作原理

圖9-2a)氣隙合成磁場的等效磁極b)同步

假如轉子以某種方法起動，并使轉速接近n1，這時轉子的磁場極性與定子旋轉磁場極性之間異性對齊(定子S極與轉子N0極對齊)。根據磁極異性相吸原理，定轉子磁場間就產生電磁轉矩，促使轉子跟旋轉磁場一起同步轉動，即n=n1，故稱為同步電動機。同步電動機實際運行時，由于空載總存在阻力，轉子的磁極軸線總要滯后旋轉磁場軸線一個很小角度δ，促使產生一個異性吸力（驅動性質的電磁轉矩），如圖9-2所示。

假如轉子以某種方法起動，并使轉速接

負載時，δ角增大，電網輸入的電功率P1和相應的電磁功率PM增大，電磁轉矩隨之增大，電動機仍保持同步狀態(tài)。負載若超過同步異性吸力(電磁轉矩)時，轉子就無法正常運轉。負載時，δ角增大，電網輸入的電功率P19.3同步電動機的結構與分類

同步電機可以按運行方式、結構型式和原動機的類別進行分類。按運行方式，同步電機可分為發(fā)電機、電動機和調相機三類。按結構型式，同步電機可分為旋轉電樞式和旋轉磁極式兩種。

旋轉電樞式應用在小容量電動機中；而旋轉磁極式用于大容量電動機中，應用比較廣泛。9.3同步電動機的結構與分類同步電

旋轉磁極式同步電機按磁極的形狀，又可分為隱極式和凸極式兩種類型，如圖9-3所示。

隱極式氣隙是均勻的，轉子做成圓柱型。

凸極式氣隙是不均勻的，極弧底下氣隙較小，極間部分氣隙較大。旋轉磁極式同步電機按磁極的形狀，又凸極式(b)隱極式圖9-3旋轉磁極式同步電動機結構示意圖凸極式轉子定子圖9-4凸極同步發(fā)電機的結構轉子定子圖9-4凸極同步發(fā)電機的結構定子轉子圖9-5隱極同步發(fā)電機的結構定子轉子圖9-5隱極同步發(fā)電機的結構按原動機類別，同步電機可分為汽輪發(fā)電機、水輪發(fā)電機和柴油發(fā)電機等。

汽輪發(fā)電機由于轉速高，轉子各部分受到的離心力很大，機械強度要求高，一般采用隱極式；轉子細而長，以減小線速度。如圖9-6所示。用于火力發(fā)電廠和核電廠。

水輪發(fā)電機轉速低、極數多，采用結構和制造上比較簡單的凸極式。同步電動機、柴油發(fā)電機和調相機，一般也做成凸極式；轉子粗而短，以增加極數。如圖9-7所示。用于水力發(fā)電廠。按原動機類別，同步電機可分為汽輪發(fā)圖9-6國產60萬kW汽輪發(fā)電機正在安裝轉子目前世界最大的汽輪發(fā)電機已經超過100萬kW圖9-7世界最大的水輪發(fā)電機組在三峽電站安裝三峽電站總裝機26臺，單機容量70萬千瓦。

圖9-6國產60萬kW汽輪發(fā)電機圖9-7世界最大的9.4同步電動機的基本方程和運行特性一、同步電動機的基本方程式和相量圖隱極式同步電動機的電動勢平衡方程式為

(9-2)式中——勵磁磁通在定子繞組里的感應電動勢(V)；Ra——電樞電阻；Xt——電樞繞組等效電抗，稱同步電抗(Ω)；Xt反應了電樞反應磁場和漏磁場的總作用。9.4同步電動機的基本方程和運行特性一、同步電動機的基本圖9-8隱極式同步電動機的電動勢相量圖

圖中滯后于一個夾角δ，稱為功率角，其物理定

義是合成等效磁極與轉子磁極軸線之間的夾角，如圖9-2所示。

***δ角的大?。罕碚髁送诫妱訖C電磁功率和電磁轉矩的大小。圖9-8隱極式同步電

二、功角特性和矩角特性同步電動機接在電網上運行時，當δ角變化時，電磁功率PM的大小也隨之變化，PM=f(δ)的關系稱為同步電動機的功角特性。其數學表達式(隱極式)為

(9-3)電磁轉矩T=f(δ)的關系稱為矩角特性，其表達式：

(9-4)功角特性和矩角特性曲線如圖9-9所示。二、功角特性和矩角特性

額定運行時，δN=20°~30°。當δ=90°時，PM=PMmax，T=Tmax；當δ＞90°，會出現“失步”現象，同步電動機不能正常運行。圖9-9隱極式同步電動機的圖9-10同步電動機的V形曲線功角、矩角特性

額定運行時，δN=20°~30°。圖9-9隱極

三、V形曲線***

同步電動機的V形曲線是指在電網恒定和電動機輸出功率恒定的情況下，電樞電流和勵磁電流之間的關系曲線，即I=f(If)，如圖9-10所示。如果電網電壓恒定，則U與f1均保持不變。忽略電樞電阻和磁路飽和的影響，則電動機的輸出功率不變時，電磁功率也保持不變。=常數(9-5)可得：E0sinδ=常數；Icosφ=常數三、V形曲線***

左邊是欠勵區(qū)，右邊是過勵區(qū)。正常勵磁時，cosφ=1，電樞電流全部為有功電流；

當欠勵時，功率因數是滯后的，電樞電流為感性電流，起增磁作用，電動機從電網中吸收滯后的無功電流和功率；

過勵時，功率因數是超前的，電樞電流為容性電流，起去磁作用，電動機從電網中吸收超前的無功電流和功率。其中PM=0的這條曲線對應于同步調相機的運行狀態(tài)。

左邊是欠勵區(qū)，右邊是過勵區(qū)。

由于同步電動機的PM與E0成正比，所以當減小勵磁電流時，它的過載能力也要降低，而對應功率角δ則增大；在某一負載下，當勵磁電流減少到一定數值時，δ角就超過90°，隱極式同步電動機就不能穩(wěn)定運行而失去同步。圖9-10虛線表示了同步電動機不穩(wěn)定運行的界限。由于同步電動機的PM與E0成正比，所以V形曲線:并聯于無窮大電網的同步電動機，保持有功功率不變時，表示電樞電流I和勵磁電流If的關系曲線I=f（If）V形曲線:并聯于無窮大電網的同步電動機，保持有功功率不變時，***由于電網上的負載多為感性負載（感應電動機和變壓器），它們從電網中吸收感性的無功功率。同步電動機工作在過勵狀態(tài)下，從電網中吸收容性的無功功率，則可向其它感性負載提供感性的無功功率，從而提高功率因數，這是同步電動機的最大優(yōu)點。因此，為改善電網功率因數和提高電機過載能力，同步電動機的額定功率因數一般設計為1~0.8(超前)。***由于電網上的負載多為感性負載（感應電動機和9-5同步電動機的起動***

一、同步電動機的起動同步電動機的定、轉子通電，定子三相繞組產生旋轉磁場，轉子繞組產生恒定磁場。假設起動瞬間，定、轉子磁極的相對位置如圖9-11a所示。起動瞬間，轉子是靜止的，轉子磁場也是靜止的，定子旋轉磁場以同步速對轉子磁場作相對運動，產生逆時針方向轉矩。而轉子存在慣性，一下子達不到同步速。這時定子的旋轉磁場已經轉過180°到了圖9-11b，這時轉子上又產生一個順時針轉矩。

9-5同步電動機的起動***一、同步電動機

可見在一個周期內，作用在同步電動機轉子上的平均起動轉矩為零。所以，同步電動機就不能自行起動?？梢娫谝粋€周期內，作用在同步電動機轉圖9-11同步電動機起動時定子磁場對轉子磁場的作用圖9-11同步電動機起動時定子磁場對轉子磁場的作用

同步電動機的起動方法有三種：輔助電動機起動法、變頻起動法和異步起動法。主要介紹應用較廣的異步起動法。***異步起動法就是在凸極式同步電動機的轉子極靴上裝一個起動繞組(阻尼繞組)來獲得起動轉矩，利用異步電動機起動原理來起動，如圖9-11a所示。同步電動機的起動方法有三種：輔助電動圖9-12同步電動機異步起動法的原理接線圖

圖9-12同步電動機異步起動法的原理接線圖具體步驟如下：

(1)首先將同步電動機的勵磁繞組通過一個附加電阻短接，該附加電阻約為勵磁繞組電阻的10倍，并且勵磁繞組不能開路。因為勵磁繞組的匝數很多，定子旋轉磁場將在該繞組中感應很高的電壓，可能擊穿勵磁繞組的絕緣。具體步驟如下：

(2)將定子繞組通以三相交流電源，建立旋轉磁場，在轉子的起動繞組中產生感應電動勢及電流，此電流與定子旋轉磁場相互作用而產生異步電磁轉矩——異步起動。(3)當同步電動機的轉速接近同步轉速時（達95%n1時），將附加電阻切除，勵磁繞組與直流電源連接，依靠同步轉矩保持電動機同步運行——牽入同步。(2)將定子繞組通以三相交流電源，建立旋轉磁場，在

在同步電動機異步起動時，為了限制起動電流，可采用減壓起動。通常采用自耦變壓器或電抗器來降壓。當轉速達到同步轉速時，電壓恢復至額定值，然后再給直流勵磁，使同步電機牽入同步運行。在同步電動機異步起動時，為了限制起動

二、同步電動機的振蕩

雖然同步電動機通常以恒定的同步速轉動，但有時會發(fā)生所謂“振蕩現象”。這種振蕩現象一般發(fā)生在電機發(fā)出的轉矩或者軸上的負載阻轉矩突然發(fā)生變化的時候。下面以反應式同步電動機為例，說明同步電動機的振蕩現象。

二、同步電動機的振蕩

圖9-20是說明同步電動機振蕩現象的原理圖。假定電機原先是在定子磁場軸線與轉子直軸方向夾角為θ=θ1(圖中未畫出)的情況下運轉的，此時電動機發(fā)出的反應轉矩T1與軸上負載阻轉矩TL1

恰巧平衡。這時如果突然發(fā)生擾動(如空氣、軸上摩擦等阻轉矩發(fā)生變化)，使軸上負載阻轉矩突然減小為TL2

，則電動機發(fā)出的轉矩就大于負載阻轉矩，轉子就要加速，定子磁場軸線與轉子直軸方向之間的夾角就會減小，直到夾角θ=θ2，此時電動機發(fā)出的反應轉矩T2又等于TL2

。圖9-20是說明同步電動機振蕩現象

但此時轉子速度已超過同步速，由于轉子具有慣性，在慣性矩作用下，轉子不能停留在這個新的平衡點運轉，而要越過平衡點，這樣夾角θ就會小于θ2。時電動機發(fā)出的轉矩小于負載阻轉矩，轉子就要減速，夾角θ又開始增大并趨向于θ2。當θ=θ2時轉子轉速已低于同步速，又由于轉子慣性矩作用，轉子要越過θ2使夾角θ大于θ2。然后再重復前面的過程。但此時轉子速度已超過同步速，由于轉子具有慣性，在

這樣，轉子要在θ=θ2處來回振蕩一段時間，由于空氣和軸上摩擦或其它阻尼作用，振蕩就會逐漸衰減，最后在新的平衡點θ=θ2，T2=TL2

的情況下運轉。轉子在新的平衡點來回振蕩的現象與彈簧的振蕩現象相類似。當彈簧下面掛的重量突然變化時，重物也是在新的平衡位置A處上下振蕩一段時間，然后再停留在位置A，如圖9-21所示。這樣，轉子要在θ=θ2處來回振蕩一圖9-20同步電動機的振蕩圖9-20同步電動機的振蕩圖9-21彈簧的振蕩圖9-21彈簧的振蕩

振蕩使同步電動機的瞬時轉速產生忽高忽低的不穩(wěn)定現象，對于一些要求轉速穩(wěn)定度很高的儀器和設備，如同步隨動系統(tǒng)、無線電通訊設備、錄音傳真設備等會帶來很大誤差。所以在選用同步電動機時，一般還會提出速度穩(wěn)定度的要求。**減弱同步電動機振蕩的方法：

其中一種方法是在轉子上裝設鼠籠式的短路繞組。當轉子振蕩時，轉子相對于旋轉磁場發(fā)生相對運動，在鼠籠導條中產生了切割電流。根據楞次定律，這個電流與磁場相互作用所產生的轉矩是阻止轉子相對于旋轉磁場運動的，因而使振蕩得到減弱，起到了阻尼作用。

振蕩使同步電動機的瞬時轉速產生忽高忽低9.6小功率同步電動機

也稱微型同步電動機，其特點：轉速恒定。有些控制設備和自動裝置中，往往要求電動機具有恒定不變的轉速，即要求電動機的轉速不隨負載和電壓的變化而變化。廣泛應用于恒速運轉的自動控制裝置中作為驅動電動機，如驅動儀器儀表中的走紙、打印記錄機構、自動記錄儀、電子鐘、電唱機、錄音機、錄像機、電影攝影機、放映機、傳真機、無線電通訊設備，同步聯絡系統(tǒng)等。9.6小功率同步電動機也稱微

在自動控制系統(tǒng)中，也可用來作為執(zhí)行元件。

功率從零點幾瓦到數百瓦。微型同步電動機主要可分為永磁式、反應式、磁滯式和自控式。1、自控式同步電動機也稱為無換向器式電動機，由電力電子技術發(fā)展而來的頻率閉環(huán)控制的同步電動機。2、永磁式同步電動機的轉子由永久磁鋼做成。

在自動控制系統(tǒng)中，也可用來作為

3、反應式同步電動機又稱為磁阻電動機，轉子本身沒有磁性，只是依靠轉子上兩個正交方向磁阻的不同而產生轉矩(反應轉矩)。

反應式同步電動機由于結構簡單，成本低廉，運行可靠，廣泛的應用于自動及遙控裝置、同步聯絡裝置，錄音傳真及鐘表工業(yè)中。目前國內外反應式同步電動機有單相和三相的，功率從幾瓦到幾百瓦。3、反應式同步電動機

4、磁滯式同步電動機

主要特點在于它的轉子鐵心不是用一般的軟磁材料，而是用硬磁材料做成的。具有比較寬的磁滯回環(huán)，即剩余磁感應Br及矯頑磁力Hc要比軟磁材料大，單位場強的磁滯損耗比較大，如圖9-13所示。一般電機用的軟磁材料的回環(huán)很窄小，如回環(huán)3，所以，異步電動機中雖也有磁滯轉矩，但與異步轉矩相比小得多，可略去不計。4、磁滯式同步電動機圖9-13鐵磁材料的磁滯回環(huán)

圖9-13鐵磁材料的磁滯回環(huán)

為增大磁滯轉矩，應利用磁滯回環(huán)寬的硬磁材料制造轉子，最理想回環(huán)是矩形，如圖9-14中的虛曲線1。目前在磁滯電動機中所應用的磁滯材料如鐵鈷釩、鐵鈷鉬等合金的磁滯回環(huán)(如回環(huán)2)很近于理想。磁滯同步電動機與其它類型同步電動機相比具有的一個最大優(yōu)點是：具有很大的啟動轉矩，因而它不要附加任何啟動繞組就能很快自行啟動。為增大磁滯轉矩，應利用磁滯回環(huán)寬圖9–14各種鐵磁材料的磁滯回環(huán)

圖9–14各種鐵磁材料的磁滯回環(huán)

磁滯同步電動機主要優(yōu)點是結構簡單，運轉可靠，啟動轉矩大，不需要裝任何啟動裝置就能平穩(wěn)地抵達同步速，運轉時噪聲也很小。主要應用于電鐘、電唱機、無線電通訊設備、自動記錄儀器，以及錄音、傳真、自動及遙控裝置等，功率從幾瓦到200W，其中功率小于50W以下應用得更為廣泛。磁滯同步電動機主要優(yōu)點是結構簡單9.7稀土永磁式同步電動機

永磁式同步電動機的轉子由永久磁鋼制成。定子與異步電動機定子完全相同，轉子結構有多種型式，如圖9-15(a)~(e)所示。它們都具有永久磁鋼和鼠籠式的啟動繞組兩部分，永久磁鋼可以做成兩極的或多極的。隨著永磁材料性能的不斷提高，高性能、低價格稀土永磁材料(如釹鐵硼NdFeB)的出現，使永磁式同步電動機的應用范圍更加擴大。9.7稀土永磁式同步電動機永圖9-15永磁式同步電動機轉子結構

c)徑向式d)并聯式e)切向式圖9-15永磁式同步電動機轉子結構

稀土永磁釹鐵硼(NdFeB)是當代磁體中性能最強的永磁體，它不僅具有高剩磁、高矯頑力、高磁能積、高性價比等特性，而且容易加工成各種尺寸，現已廣泛應用于航空、航天、電子、電聲、機電、儀器。

與其它類型同步電動機相比，優(yōu)點：出力大，體積小，耗電小，結構簡單、可靠，功率從幾瓦到幾百瓦，甚至是幾個千瓦。在各種自動控制系統(tǒng)中得到廣泛的應用。

鐵磁材料

軟磁材料：磁導率μ高，剩磁Br小，磁滯回線窄而長，如：

鑄鋼、硅鋼、坡莫合金，制作電機鐵心；硬磁材料：μ不高，剩磁Br大，磁滯回線寬而胖、高矯頑力和高剩磁，如：鐵鈷釩（FeCoV）、鐵鈷鉬（FeCoMo）、錳鉍（MnBi）及稀土永磁材料鐵氧體、釹鐵硼、釤鈷(SmCo)、釹鎳鈷（NdNiCO），制造永久磁鐵。鐵磁材料

缺點：成本高，對溫度敏感，熱穩(wěn)定性差（稀土永磁體的工作溫度較低，電機運行時的溫升不能太高），環(huán)境溫度一旦超過規(guī)定值就會退磁，而這個規(guī)定值目前只能做到80℃～180℃（居里點溫度）。

居里點溫度是衡量磁性材料的重要指標，是指磁性材料永久失去磁性的溫度，一旦環(huán)境溫度超過居里點溫度，即使時間很短，永磁材料也會退磁。隨著居里點溫度的提高永磁體的價格增加很快，如工作溫度為180℃的永磁體的價格為工作溫度為80℃的3倍以上。例如：永磁體的價格占永磁攪拌裝置價格的70％～80％。缺點：成本高，對溫度敏感，熱穩(wěn)定性差（稀土永磁體的釹鐵硼磁鋼屬于負溫度系數永磁材料，主要是在高溫下發(fā)生退磁現象，即隨溫度上升，矯頑力Hc值將下降。因此，我們采用正溫穩(wěn)磁處理法。正溫穩(wěn)磁就是把充好磁的產品放入溫度比使用溫度高30~50℃的烘箱中保持2～4小時。穩(wěn)磁處理后，磁鋼磁性能略有下降。電機在峰值轉矩為4倍額定轉矩的過載情況下運行，電樞反應使磁場畸變，磁鋼呈現不可逆去磁現象。

釹鐵硼磁鋼屬于負溫度系數永磁材料，主永磁材料在受到振動、高溫和過載電流作用時，其導磁性能可能會下降或發(fā)生退磁現象，將降低永磁電動機的性能，嚴重時還會損壞電動機。稀土永磁同步電機分為：正弦波稀土永磁同步電機（稱為稀土永磁同步電機）和方波型稀土永磁同步電機（稱為稀土永磁無刷直流電機）。永磁材料在受到振動、高溫和過載電流作電飯煲和鐵磁性

電飯煲核心技術裝置是自動限溫裝置，其感測元件是一感溫磁鋼，具有高溫去磁現象。按下按鍵開關則接電源的動靜觸頭接通，電熱板發(fā)熱，溫度高到居里點（103℃±2℃）時，由于感溫磁鋼失去磁性而不能吸住永磁鋼片，則永磁鋼片下落。致使永磁體在重力及彈簧的作用下斷開觸點，使加熱電路斷電。同時，接通另一保溫電路，保持飯的溫度在70℃左右。

電飯煲和鐵磁性電飯煲核心技術裝置是自動限溫圖9-16電飯煲自動限溫原理圖9-16電飯煲自動限溫原理同步電動機課件

發(fā)熱板的中央的圓孔內有一感溫磁鋼是軟磁材料（鎳鋅鐵氧體或鐵-鎳合金

），它借著彈簧向上頂貼著鍋底。它在100℃或以下時，可以被永久磁鐵吸引。當鍋內的飯沸騰后，水分被煮干時其溫度會超過100℃，當升至103℃時，則失去磁性，不再受永久磁鐵吸引。以免飯被煮焦。

這也就是為什么飯不會燒焦的道理。因電飯鍋限溫器的動作溫度是103℃，常壓下水的溫度不可能超過100℃，這就是電飯鍋燒水煮湯時開關不跳而煮飯?zhí)脑颉?/p>

發(fā)熱板的中央的圓孔內有一感溫磁鋼是軟

如果因磁鋼失磁而導致煮生飯，應更換磁鋼限溫器；如果磁鋼未失磁而出現生飯現象，則大多發(fā)球內鍋鍋底變形，當鍋底向上凸起時，感溫磁鋼被鍋底下壓的幅度減小，因此，當鍋內溫度還未達到居里點時就將電路斷開，即出現了生飯現象；反之，當鍋底向下凹時，感溫磁鋼被鍋底下壓的幅度增大，因此，當鍋內溫度超過居里點時才將電路斷開，即出現了焦飯的現象。解決的辦法是將內鍋鍋底按原樣校正。

如果因磁鋼失磁而導致煮生飯，應更換例題[例1]某工廠電源電壓為6000V，廠中使用了多臺異步電動機，設其總輸出功率為1500kW，平均效率為70%，功率因數為0.7(滯后)，由于生產需要又增添一臺同步電動機。設當該同步電動機的功率因數為0.8(超前)時，將全廠的功率因數調整到1，求此同步電動機承擔多少視在功率和有功功率。[解]這些異步電動機總的視在功率S為

由于cosφ=0.7，sinφ=0.713

例題[例1]某工廠電源電壓為6000V，廠中使用了多臺異故這些異步電動機總的無功功率Q為

Q=S*sinφ=3060*0.713kvar=2185kvar

同步電動機運行后，cosφ=1，故全廠的感性無功全由該同步電動機提供，即有

=Q=2185kvar

=0.8，=0.6

故同步電動機的視在功率為

有功功率為

故這些異步電動機總的無功功率Q為

Q1、設有一臺發(fā)電機帶有一感性負載，負載需要的有功分量電流IP=1000A，無功分量電流IQ=1000A。為了減少發(fā)電機和線路中的無功電流，在用戶端安裝一臺同步調相機，自電網吸收容性無功電流IC=250A，試求補償后發(fā)電機和線路中的無功電流和功率因素。

思考題與習題1、設有一臺發(fā)電機帶有一感性負載，負載思考題與2、同步電機的主要類型？3、一水電站供應一遠距離用戶，為改善功率因素添置一臺同步調相機，此機應裝在水電站內還是裝在用戶（受電端）附近？為什么？4、同步電動機能否自行起動？為什么？5、簡述同步電動機的異步起動法？6、什么是功率角？功率角的物理意義？同步電動機什么時候出現失步現象？2、同步電機的主要類型？7、應用同步電動機如何提高系統(tǒng)的功率因數？8、同步調相機的作用？9、微型同步電動機的應用？其轉速的特點？10、過去常用永磁材料有哪些？高性能的稀土永磁材料有哪些？其主要特點？軟磁材料？硬磁材料？11、什么是居里點溫度？12、永磁材料在什么情況下會發(fā)生退磁現象？7、應用同步電動機如何提高系統(tǒng)的功率因數？同步電動機

9.1概述9.2同步電動機的基本工作原理9.3同步電動機的結構與分類

9.4同步電動機的基本方程式和運行特性

9.5同步電動機的起動9.6小功率同步電動機9.7稀土永磁式同步電動機

思考題及習題同步電動機9.1概述9.1概述

同步電機是交流旋轉電機中的一種，轉子的轉速始終與定子旋轉磁場的轉速（同步速）相同。同步電機主要分為同步發(fā)電機、同步電動機、同步調相機。現代電力工業(yè)中，無論是火力發(fā)電、水力發(fā)電、還是原子能發(fā)電，幾乎全部采用同步發(fā)電機。

同步電動機主要用于功率較大，轉速不要求調節(jié)的生產機械，如大型水泵、空氣壓縮機、礦井通風機等。

9.1概述同步電機是交流旋轉同步調相機是空載運行的同步電動機，專門提供感性無功功率，用來改善電網的功率因數，以提高電網的運行經濟性及電壓的穩(wěn)定性。同步調相機是空載運行的同步電動機，專門提供感9.2同步電動機的基本工作原理

同步電機的定子和異步電機的定子相同，即在定子鐵心內圓均勻分布的槽內嵌放三相對稱繞組，如圖9-1所示，同步電機的結構原理圖中只畫出一相繞組。同步電機的定子又稱電樞，轉子主要由磁極鐵心與勵磁繞組組成。當勵磁繞組通以直流電流后，轉子即建立恒定磁場。同步電機作為電動機運行，在定子繞組上通以三相交流電源，產生一個旋轉速度為同步速n1的旋轉磁場。

9.2同步電動機的基本工作原理同圖9-1同步電機的結構原理圖圖9-1同步電機的結構原理圖

在轉子繞組加上直流勵磁，轉子將在定子旋轉磁場的帶動下，帶動負載沿定子磁場的方向以相同的轉速旋轉，轉子的轉速n與定子電源頻率f、磁極對數p之間應滿足

(9-1)

上式表明，同步電動機的轉速與頻率之間將保持嚴格不變的關系，當電源頻率f不變時，轉速恒為同步速，與負載大小無關。這是同步電機和異步電機的基本差別之一。

在轉子繞組加上直流勵磁，轉子將在定子

我國電力系統(tǒng)的標準頻率為50Hz，電機的磁極對數為整數，所以同步電動機的轉速為一固定值。當2p=2時，n為3000r／min；當2p=4時，n為1500r／min；當2p=6時，n為1000r／min；依此類推。我國電力系統(tǒng)的標準頻率為50Hz，電機圖9-2a)氣隙合成磁場的等效磁極b)同步電動機的工作原理

圖9-2a)氣隙合成磁場的等效磁極b)同步

假如轉子以某種方法起動，并使轉速接近n1，這時轉子的磁場極性與定子旋轉磁場極性之間異性對齊(定子S極與轉子N0極對齊)。根據磁極異性相吸原理，定轉子磁場間就產生電磁轉矩，促使轉子跟旋轉磁場一起同步轉動，即n=n1，故稱為同步電動機。同步電動機實際運行時，由于空載總存在阻力，轉子的磁極軸線總要滯后旋轉磁場軸線一個很小角度δ，促使產生一個異性吸力（驅動性質的電磁轉矩），如圖9-2所示。

假如轉子以某種方法起動，并使轉速接

負載時，δ角增大，電網輸入的電功率P1和相應的電磁功率PM增大，電磁轉矩隨之增大，電動機仍保持同步狀態(tài)。負載若超過同步異性吸力(電磁轉矩)時，轉子就無法正常運轉。負載時，δ角增大，電網輸入的電功率P19.3同步電動機的結構與分類

同步電機可以按運行方式、結構型式和原動機的類別進行分類。按運行方式，同步電機可分為發(fā)電機、電動機和調相機三類。按結構型式，同步電機可分為旋轉電樞式和旋轉磁極式兩種。

旋轉電樞式應用在小容量電動機中；而旋轉磁極式用于大容量電動機中，應用比較廣泛。9.3同步電動機的結構與分類同步電

旋轉磁極式同步電機按磁極的形狀，又可分為隱極式和凸極式兩種類型，如圖9-3所示。

隱極式氣隙是均勻的，轉子做成圓柱型。

凸極式氣隙是不均勻的，極弧底下氣隙較小，極間部分氣隙較大。旋轉磁極式同步電機按磁極的形狀，又凸極式(b)隱極式圖9-3旋轉磁極式同步電動機結構示意圖凸極式轉子定子圖9-4凸極同步發(fā)電機的結構轉子定子圖9-4凸極同步發(fā)電機的結構定子轉子圖9-5隱極同步發(fā)電機的結構定子轉子圖9-5隱極同步發(fā)電機的結構按原動機類別，同步電機可分為汽輪發(fā)電機、水輪發(fā)電機和柴油發(fā)電機等。

汽輪發(fā)電機由于轉速高，轉子各部分受到的離心力很大，機械強度要求高，一般采用隱極式；轉子細而長，以減小線速度。如圖9-6所示。用于火力發(fā)電廠和核電廠。

水輪發(fā)電機轉速低、極數多，采用結構和制造上比較簡單的凸極式。同步電動機、柴油發(fā)電機和調相機，一般也做成凸極式；轉子粗而短，以增加極數。如圖9-7所示。用于水力發(fā)電廠。按原動機類別，同步電機可分為汽輪發(fā)圖9-6國產60萬kW汽輪發(fā)電機正在安裝轉子目前世界最大的汽輪發(fā)電機已經超過100萬kW圖9-7世界最大的水輪發(fā)電機組在三峽電站安裝三峽電站總裝機26臺，單機容量70萬千瓦。

圖9-6國產60萬kW汽輪發(fā)電機圖9-7世界最大的9.4同步電動機的基本方程和運行特性一、同步電動機的基本方程式和相量圖隱極式同步電動機的電動勢平衡方程式為

(9-2)式中——勵磁磁通在定子繞組里的感應電動勢(V)；Ra——電樞電阻；Xt——電樞繞組等效電抗，稱同步電抗(Ω)；Xt反應了電樞反應磁場和漏磁場的總作用。9.4同步電動機的基本方程和運行特性一、同步電動機的基本圖9-8隱極式同步電動機的電動勢相量圖

圖中滯后于一個夾角δ，稱為功率角，其物理定

義是合成等效磁極與轉子磁極軸線之間的夾角，如圖9-2所示。

***δ角的大?。罕碚髁送诫妱訖C電磁功率和電磁轉矩的大小。圖9-8隱極式同步電

二、功角特性和矩角特性同步電動機接在電網上運行時，當δ角變化時，電磁功率PM的大小也隨之變化，PM=f(δ)的關系稱為同步電動機的功角特性。其數學表達式(隱極式)為

(9-3)電磁轉矩T=f(δ)的關系稱為矩角特性，其表達式：

(9-4)功角特性和矩角特性曲線如圖9-9所示。二、功角特性和矩角特性

額定運行時，δN=20°~30°。當δ=90°時，PM=PMmax，T=Tmax；當δ＞90°，會出現“失步”現象，同步電動機不能正常運行。圖9-9隱極式同步電動機的圖9-10同步電動機的V形曲線功角、矩角特性

額定運行時，δN=20°~30°。圖9-9隱極

三、V形曲線***

同步電動機的V形曲線是指在電網恒定和電動機輸出功率恒定的情況下，電樞電流和勵磁電流之間的關系曲線，即I=f(If)，如圖9-10所示。如果電網電壓恒定，則U與f1均保持不變。忽略電樞電阻和磁路飽和的影響，則電動機的輸出功率不變時，電磁功率也保持不變。=常數(9-5)可得：E0sinδ=常數；Icosφ=常數三、V形曲線***

左邊是欠勵區(qū)，右邊是過勵區(qū)。正常勵磁時，cosφ=1，電樞電流全部為有功電流；

當欠勵時，功率因數是滯后的，電樞電流為感性電流，起增磁作用，電動機從電網中吸收滯后的無功電流和功率；

過勵時，功率因數是超前的，電樞電流為容性電流，起去磁作用，電動機從電網中吸收超前的無功電流和功率。其中PM=0的這條曲線對應于同步調相機的運行狀態(tài)。

左邊是欠勵區(qū)，右邊是過勵區(qū)。

由于同步電動機的PM與E0成正比，所以當減小勵磁電流時，它的過載能力也要降低，而對應功率角δ則增大；在某一負載下，當勵磁電流減少到一定數值時，δ角就超過90°，隱極式同步電動機就不能穩(wěn)定運行而失去同步。圖9-10虛線表示了同步電動機不穩(wěn)定運行的界限。由于同步電動機的PM與E0成正比，所以V形曲線:并聯于無窮大電網的同步電動機，保持有功功率不變時，表示電樞電流I和勵磁電流If的關系曲線I=f（If）V形曲線:并聯于無窮大電網的同步電動機，保持有功功率不變時，***由于電網上的負載多為感性負載（感應電動機和變壓器），它們從電網中吸收感性的無功功率。同步電動機工作在過勵狀態(tài)下，從電網中吸收容性的無功功率，則可向其它感性負載提供感性的無功功率，從而提高功率因數，這是同步電動機的最大優(yōu)點。因此，為改善電網功率因數和提高電機過載能力，同步電動機的額定功率因數一般設計為1~0.8(超前)。***由于電網上的負載多為感性負載（感應電動機和9-5同步電動機的起動***

一、同步電動機的起動同步電動機的定、轉子通電，定子三相繞組產生旋轉磁場，轉子繞組產生恒定磁場。假設起動瞬間，定、轉子磁極的相對位置如圖9-11a所示。起動瞬間，轉子是靜止的，轉子磁場也是靜止的，定子旋轉磁場以同步速對轉子磁場作相對運動，產生逆時針方向轉矩。而轉子存在慣性，一下子達不到同步速。這時定子的旋轉磁場已經轉過180°到了圖9-11b，這時轉子上又產生一個順時針轉矩。

9-5同步電動機的起動***一、同步電動機

可見在一個周期內，作用在同步電動機轉子上的平均起動轉矩為零。所以，同步電動機就不能自行起動?？梢娫谝粋€周期內，作用在同步電動機轉圖9-11同步電動機起動時定子磁場對轉子磁場的作用圖9-11同步電動機起動時定子磁場對轉子磁場的作用

同步電動機的起動方法有三種：輔助電動機起動法、變頻起動法和異步起動法。主要介紹應用較廣的異步起動法。***異步起動法就是在凸極式同步電動機的轉子極靴上裝一個起動繞組(阻尼繞組)來獲得起動轉矩，利用異步電動機起動原理來起動，如圖9-11a所示。同步電動機的起動方法有三種：輔助電動圖9-12同步電動機異步起動法的原理接線圖

圖9-12同步電動機異步起動法的原理接線圖具體步驟如下：

(1)首先將同步電動機的勵磁繞組通過一個附加電阻短接，該附加電阻約為勵磁繞組電阻的10倍，并且勵磁繞組不能開路。因為勵磁繞組的匝數很多，定子旋轉磁場將在該繞組中感應很高的電壓，可能擊穿勵磁繞組的絕緣。具體步驟如下：

(2)將定子繞組通以三相交流電源，建立旋轉磁場，在轉子的起動繞組中產生感應電動勢及電流，此電流與定子旋轉磁場相互作用而產生異步電磁轉矩——異步起動。(3)當同步電動機的轉速接近同步轉速時（達95%n1時），將附加電阻切除，勵磁繞組與直流電源連接，依靠同步轉矩保持電動機同步運行——牽入同步。(2)將定子繞組通以三相交流電源，建立旋轉磁場，在

在同步電動機異步起動時，為了限制起動電流，可采用減壓起動。通常采用自耦變壓器或電抗器來降壓。當轉速達到同步轉速時，電壓恢復至額定值，然后再給直流勵磁，使同步電機牽入同步運行。在同步電動機異步起動時，為了限制起動

二、同步電動機的振蕩

雖然同步電動機通常以恒定的同步速轉動，但有時會發(fā)生所謂“振蕩現象”。這種振蕩現象一般發(fā)生在電機發(fā)出的轉矩或者軸上的負載阻轉矩突然發(fā)生變化的時候。下面以反應式同步電動機為例，說明同步電動機的振蕩現象。

二、同步電動機的振蕩

圖9-20是說明同步電動機振蕩現象的原理圖。假定電機原先是在定子磁場軸線與轉子直軸方向夾角為θ=θ1(圖中未畫出)的情況下運轉的，此時電動機發(fā)出的反應轉矩T1與軸上負載阻轉矩TL1

恰巧平衡。這時如果突然發(fā)生擾動(如空氣、軸上摩擦等阻轉矩發(fā)生變化)，使軸上負載阻轉矩突然減小為TL2

，則電動機發(fā)出的轉矩就大于負載阻轉矩，轉子就要加速，定子磁場軸線與轉子直軸方向之間的夾角就會減小，直到夾角θ=θ2，此時電動機發(fā)出的反應轉矩T2又等于TL2

。圖9-20是說明同步電動機振蕩現象

但此時轉子速度已超過同步速，由于轉子具有慣性，在慣性矩作用下，轉子不能停留在這個新的平衡點運轉，而要越過平衡點，這樣夾角θ就會小于θ2。時電動機發(fā)出的轉矩小于負載阻轉矩，轉子就要減速，夾角θ又開始增大并趨向于θ2。當θ=θ2時轉子轉速已低于同步速，又由于轉子慣性矩作用，轉子要越過θ2使夾角θ大于θ2。然后再重復前面的過程。但此時轉子速度已超過同步速，由于轉子具有慣性，在

這樣，轉子要在θ=θ2處來回振蕩一段時間，由于空氣和軸上摩擦或其它阻尼作用，振蕩就會逐漸衰減，最后在新的平衡點θ=θ2，T2=TL2

的情況下運轉。轉子在新的平衡點來回振蕩的現象與彈簧的振蕩現象相類似。當彈簧下面掛的重量突然變化時，重物也是在新的平衡位置A處上下振蕩一段時間，然后再停留在位置A，如圖9-21所示。這樣，轉子要在θ=θ2處來回振蕩一圖9-20同步電動機的振蕩圖9-20同步電動機的振蕩圖9-21彈簧的振蕩圖9-21彈簧的振蕩

振蕩使同步電動機的瞬時轉速產生忽高忽低的不穩(wěn)定現象，對于一些要求轉速穩(wěn)定度很高的儀器和設備，如同步隨動系統(tǒng)、無線電通訊設備、錄音傳真設備等會帶來很大誤差。所以在選用同步電動機時，一般還會提出速度穩(wěn)定度的要求。**減弱同步電動機振蕩的方法：

其中一種方法是在轉子上裝設鼠籠式的短路繞組。當轉子振蕩時，轉子相對于旋轉磁場發(fā)生相對運動，在鼠籠導條中產生了切割電流。根據楞次定律，這個電流與磁場相互作用所產生的轉矩是阻止轉子相對于旋轉磁場運動的，因而使振蕩得到減弱，起到了阻尼作用。

振蕩使同步電動機的瞬時轉速產生忽高忽低9.6小功率同步電動機

也稱微型同步電動機，其特點：轉速恒定。有些控制設備和自動裝置中，往往要求電動機具有恒定不變的轉速，即要求電動機的轉速不隨負載和電壓的變化而變化。廣泛應用于恒速運轉的自動控制裝置中作為驅動電動機，如驅動儀器儀表中的走紙、打印記錄機構、自動記錄儀、電子鐘、電唱機、錄音機、錄像機、電影攝影機、放映機、傳真機、無線電通訊設備，同步聯絡系統(tǒng)等。9.6小功率同步電動機也稱微

在自動控制系統(tǒng)中，也可用來作為執(zhí)行元件。

功率從零點幾瓦到數百瓦。微型同步電動機主要可分為永磁式、反應式、磁滯式和自控式。1、自控式同步電動機也稱為無換向器式電動機，由電力電子技術發(fā)展而來的頻率閉環(huán)控制的同步電動機。2、永磁式同步電動機的轉子由永久磁鋼做成。

在自動控制系統(tǒng)中，也可用來作為

3、反應式同步電動機又稱為磁阻電動機，轉子本身沒有磁性，只是依靠轉子上兩個正交方向磁阻的不同而產生轉矩(反應轉矩)。

反應式同步電動機由于結構簡單，成本低廉，運行可靠，廣泛的應用于自動及遙控裝置、同步聯絡裝置，錄音傳真及鐘表工業(yè)中。目前國內外反應式同步電動機有單相和三相的，功率從幾瓦到幾百瓦。3、反應式同步電動機

4、磁滯式同步電動機

主要特點在于它的轉子鐵心不是用一般的軟磁材料，而是用硬磁材料做成的。具有比較寬的磁滯回環(huán)，即剩余磁感應Br及矯頑磁力Hc要比軟磁材料大，單位場強的磁滯損耗比較大，如圖9-13所示。一般電機用的軟磁材料的回環(huán)很窄小，如回環(huán)3，所以，異步電動機中雖也有磁滯轉矩，但與異步轉矩相比小得多，可略去不計。4、磁滯式同步電動機圖9-13鐵磁材料的磁滯回環(huán)

圖9-13鐵磁材料的磁滯回環(huán)

為增大磁滯轉矩，應利用磁滯回環(huán)寬的硬磁材料制造轉子，最理想回環(huán)是矩形，如圖9-14中的虛曲線1。目前在磁滯電動機中所應用的磁滯材料如鐵鈷釩、鐵鈷鉬等合金的磁滯回環(huán)(如回環(huán)2)很近于理想。磁滯同步電動機與其它類型同步電動機相比具有的一個最大優(yōu)點是：具有很大的啟動轉矩，因而它不要附加任何啟動繞組就能很快自行啟動。為增大磁滯轉矩，應利用磁滯回環(huán)寬圖9–14各種鐵磁材料的磁滯回環(huán)

圖9–14各種鐵磁材料的磁滯回環(huán)

磁滯同步電動機主要優(yōu)點是結構簡單，運轉可靠，啟動轉矩大，不需要裝任何啟動裝置就能平穩(wěn)地抵達同步速，運轉時噪聲也很小。主要應用于電鐘、電唱機、無線電通訊設備、自動記錄儀器，以及錄音、傳真、自動及遙控裝置等，功率從幾瓦到200W，其中功率小于50W以下應用得更為廣泛。磁滯同步電動機主要優(yōu)點是結構簡單9.7稀土永磁式同步電動機

永磁式同步電動機的轉子由永久磁鋼制成。定子與異步電動機定子完全相同，轉子結構有多種型式，如圖9-15(a)~(e)所示。它們都具有永久磁鋼和鼠籠式的啟動繞組兩部分，永久磁鋼可以做成兩極的或多極的。隨著永磁材料性能的不斷提高，高性能、低價格稀土永磁材料(如釹鐵硼NdFeB)的出現，使永磁式同步電動機的應用范圍更加擴大。9.7稀土永磁式同步電動機永圖9-15永磁式同步電動機轉子結構

c)徑向式d)并聯式e)切向式圖9-15永磁式同步電動機轉子結構

稀土永磁釹鐵硼(NdFeB)是當代磁體中性能最強的永磁體，它不僅具有高剩磁、高矯頑力、高磁能積、高性價比等特性，而且容易加工成各種尺寸，現已廣泛應用于航空、航天、電子、電聲、機電、儀器。

與其它類型同步電動機相比，優(yōu)點：出力大，體積小，耗電小，結構簡單、可靠，功率從幾瓦到幾百瓦，甚至是幾個千瓦。在各種自動控制系統(tǒng)中得到廣泛的應用。

鐵磁材料

軟磁材料：磁導率μ高，剩磁Br小，磁滯回線窄而長，如：

鑄鋼、硅鋼、坡莫合金，制作電機鐵心；硬磁材料：μ不高，剩磁Br大，磁滯回線寬而胖、高矯頑力和高剩磁，如：鐵鈷釩（FeCoV）、鐵鈷鉬（FeCoMo）、錳鉍（MnBi）及稀土永磁材料鐵氧體、釹鐵硼、釤鈷(SmCo)、釹鎳鈷（NdNiCO），制造永久磁鐵。鐵磁材料

缺點：成本高，對溫度敏感，熱穩(wěn)定性差（稀土永磁體的工作溫度較低，電機運行時的溫升不能太高），環(huán)境