同步电动机课件

同步电动机同步电动机 9.1 概述概述 9.2 同步电动机的基本工作原理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 同步电动机的起动同步电动机的起动9.6 小功率同步电动机小功率同步电动机9.7 稀土永磁式同步电动机稀土永磁式同步电动机 思考题及习题思考题及习题同步电动机9.1概述同同 步步 电电 动动 机机 9.1 概述概述同步电机是交流旋转电机中的一种，同步电机是交流旋转电机中的一种，转子的转速始终转子的转速始终与定子旋转磁场的转速（同步速）相同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电机主要分为同步发电机、同步电动机、同步调同步发电机、同步电动机、同步调相机相机。现代电力工业中，无论是火力发电、水力发电、还是现代电力工业中，无论是火力发电、水力发电、还是原子能发电，几乎全部采用原子能发电，几乎全部采用同步发电机同步发电机。同步电动机同步电动机主要用于功率较大，转速不要求调节的生主要用于功率较大，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。产机械，如大型水泵、空气压缩机、矿井通风机等。9.1概述同步电机是交流旋转同同 步步 电电 动动 机机 同步调相机同步调相机是是空载运行空载运行的的同步电动机，同步电动机，专门提供专门提供感性感性无功功率无功功率，用来改善电网的功率因数，以提高电网的运行，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。经济性及电压的稳定性。同步调相机是空载运行的同步电动机，专门提供感同同 步步 电电 动动 机机 9.2 同步电动机同步电动机的基本工作原理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。所示，同步电机的结构原理图中只画出一相绕组。同步电机的同步电机的定子又称电枢定子又称电枢，转子主要由磁极铁心转子主要由磁极铁心与励磁绕组组成与励磁绕组组成。当励磁绕组通以当励磁绕组通以直流电流直流电流后，转子后，转子即建立恒定磁场即建立恒定磁场。同步电机作为电动机运行，在定子。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绕组上通以三相交流电源，产生一个旋转速度为同步同步速速n1的旋转磁场的旋转磁场。9.2同步电动机的基本工作原理同同同 步步 电电 动动 机机 图图9-1 同步电机的结构原理图同步电机的结构原理图图9-1同步电机的结构原理图同同 步步 电电 动动 机机 在转子绕组加上直流励磁，转子将在定子旋转磁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，转子的转速速旋转，转子的转速n与定子电源频率与定子电源频率f、磁极对数、磁极对数p之之间应满足间应满足 (9-1)上式表明，上式表明，同步电动机的转速与频率之间将保持同步电动机的转速与频率之间将保持严格不变的关系严格不变的关系，当电源频率当电源频率f不变时，转速恒为同步不变时，转速恒为同步速，与负载大小无关。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。这是同步电机和异步电机的基本差别之一。在转子绕组加上直流励磁，转子将在定子同同 步步 电电 动动 机机 我国电力系统的标准频率为我国电力系统的标准频率为50Hz，电机的磁极对，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。数为整数，所以同步电动机的转速为一固定值。当当2p=2时，时，n为为3000rmin；当当2p=4时，时，n为为1500rmin；当当2p=6时，时，n为为1000rmin；依此类推。；依此类推。我国电力系统的标准频率为50Hz，电机同同 步步 电电 动动 机机 图图9-2 a)气隙合成磁场的等效磁极气隙合成磁场的等效磁极 b)同步电动机的工作原理同步电动机的工作原理图9-2a)气隙合成磁场的等效磁极b)同步同同 步步 电电 动动 机机 假如转子以某种方法起动，并使转速接近假如转子以某种方法起动，并使转速接近n1，这时，这时转子的磁场极性与定子旋转磁场极性之间异性对齐转子的磁场极性与定子旋转磁场极性之间异性对齐(定定子子S极与转子极与转子N0极对齐极对齐)。根据根据磁极异性相吸原理磁极异性相吸原理，定转子磁场间就产生电磁，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，即转矩，促使转子跟旋转磁场一起同步转动，即n=n1，故，故称为称为同步电动机同步电动机。同步电动机实际运行时，由于空载总存在阻力，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转子的磁极轴线总要滞后旋转磁场轴线一个很小角度很小角度，促使产生一个，促使产生一个异性吸力异性吸力（驱动性质的电磁转矩），如（驱动性质的电磁转矩），如图图9-2所示。所示。假如转子以某种方法起动，并使转速接同同 步步 电电 动动 机机 负载时，负载时，角增大，电网输入的电功率角增大，电网输入的电功率P1和相应的和相应的电磁功率电磁功率PM增大，电磁转矩随之增大，电动机仍保持增大，电磁转矩随之增大，电动机仍保持同步状态。同步状态。负载若超过同步异性吸力负载若超过同步异性吸力(电磁转矩电磁转矩)时，转子就时，转子就无法正常运转。无法正常运转。负载时，角增大，电网输入的电功率P1同同 步步 电电 动动 机机 9.3 同步电动机的结构与分类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。别进行分类。按按运行方式运行方式，同步电机可分为，同步电机可分为发电机、电动机和发电机、电动机和调相机调相机三类。三类。按按结构型式结构型式，同步电机可分为，同步电机可分为旋转电枢式旋转电枢式和和旋转旋转磁极式磁极式两种。两种。旋转电枢式应用在小容量电动机中旋转电枢式应用在小容量电动机中；而；而旋转磁极旋转磁极式用于大容量电动机中式用于大容量电动机中，应用比较广泛。，应用比较广泛。9.3同步电动机的结构与分类同步电同同 步步 电电 动动 机机 旋旋转转磁磁极极式式同同步步电电机机按按磁磁极极的的形形状状，又又可可分分为为隐隐极式和凸极式两种类型，如图极式和凸极式两种类型，如图9-3所示。所示。隐极式隐极式气隙是气隙是均匀均匀的，转子做成圆柱型。的，转子做成圆柱型。凸凸极极式式气气隙隙是是不不均均匀匀的的，极极弧弧底底下下气气隙隙较较小小，极极间部分气隙较大。间部分气隙较大。旋转磁极式同步电机按磁极的形状，又同同 步步 电电 动动 机机 (a)凸极式凸极式 (b)隐极式隐极式图图9-3 旋转磁极式同步电动机结构示意图旋转磁极式同步电动机结构示意图 凸极式同同 步步 电电 动动 机机 转子定子图图9-4 凸极同步发电机的结构凸极同步发电机的结构转子定子图9-4凸极同步发电机的结构同同 步步 电电 动动 机机 定子转子图图9-5 隐极同步发电机的结构隐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同同 步步 电电 动动 机机 按原动机类别，同步电机可分为按原动机类别，同步电机可分为汽轮发电机汽轮发电机、水水轮发电机轮发电机和和柴油发电机柴油发电机等。等。汽轮发电机汽轮发电机由于由于转速高转速高，转子各部分受到的离心，转子各部分受到的离心力很大，机械强度要求高，一般采用力很大，机械强度要求高，一般采用隐极式隐极式；转子细；转子细 而长，以减小线速度。如图而长，以减小线速度。如图9-6所示。用于所示。用于火力发电厂火力发电厂和核电厂和核电厂。水轮发电机转速低水轮发电机转速低、极数多，采用结构和制造上、极数多，采用结构和制造上比较简单的比较简单的凸极式凸极式。同步电动机、柴油发电机和调相同步电动机、柴油发电机和调相机机，一般也做成凸极式；转子粗而短，以增加极数。，一般也做成凸极式；转子粗而短，以增加极数。如图如图9-7所示。用于水力发电厂所示。用于水力发电厂。按原动机类别，同步电机可分为汽轮发同同 步步 电电 动动 机机 图图9-6 国产国产60万万kW汽轮发电机汽轮发电机正在安装转子正在安装转子目前世界最大的汽轮发电机目前世界最大的汽轮发电机已经超过已经超过100万万kW图图9-7 世界最大的水轮发电机组世界最大的水轮发电机组在三峡电站安装在三峡电站安装三峡电站总装机三峡电站总装机26台，单机容量台，单机容量70万千瓦。万千瓦。图9-6国产60万kW汽轮发电机图9-7世界最大的同同 步步 电电 动动 机机 9.4 同步电动机的基本方程和运行特性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隐极式同步电动机的电动势平衡方程式为 (9-2)式中式中 励磁磁通在定子绕组里的感应电动势励磁磁通在定子绕组里的感应电动势(V)；Ra 电枢电阻；电枢电阻；Xt 电枢绕组等效电抗，称同步电抗电枢绕组等效电抗，称同步电抗()；Xt反应了电枢反应磁场和漏磁场的总作用。反应了电枢反应磁场和漏磁场的总作用。9.4同步电动机的基本方程和运行特性一、同步电动机的基本同同 步步 电电 动动 机机 图图9-8 隐极式同步电动机的电动势相量图隐极式同步电动机的电动势相量图 图中图中 滞后滞后 于一个夹角于一个夹角，称为，称为功率角功率角，其物理定，其物理定义是合成等效磁极与转子磁极轴线之间的夹角，如图义是合成等效磁极与转子磁极轴线之间的夹角，如图9-2所所示。示。*角的大小：表征了同步电动机电磁功率和电磁转矩的角的大小：表征了同步电动机电磁功率和电磁转矩的大小。大小。图9-8隐极式同步电同同 步步 电电 动动 机机 二、功角特性和矩角特性二、功角特性和矩角特性 同步电动机接在电网上运行时，当同步电动机接在电网上运行时，当角变化时，电角变化时，电磁功率磁功率PM的大小也随之变化，的大小也随之变化，PM=f()的关系称为同步的关系称为同步电动机的电动机的功角特性功角特性。其数学表达式。其数学表达式(隐极式隐极式)为为 (9-3)电磁转矩电磁转矩T=f()的关系称为的关系称为矩角特性矩角特性，其表达式：，其表达式：(9-4)功角特性和矩角特性曲线如图功角特性和矩角特性曲线如图9-9所示。所示。二、功角特性和矩角特性同同 步步 电电 动动 机机 额定运行时，额定运行时，N=2030。当当=90时，时，PM=PMmax，T=Tmax；当当90，会出现，会出现“失步失步”现象，同步电动机不能正现象，同步电动机不能正常运行。常运行。图图9-9 隐极式同步电动机的隐极式同步电动机的 图图9-10 同步电动机的同步电动机的V形曲线形曲线 功角、矩角特性功角、矩角特性额定运行时，N=2030。图9-9隐极同同 步步 电电 动动 机机 三、三、V形曲线形曲线*同步电动机的同步电动机的V形曲线形曲线是指在电网恒定和电动机输出功是指在电网恒定和电动机输出功率恒定的情况下，率恒定的情况下，电枢电流和励磁电流之间的关系电枢电流和励磁电流之间的关系曲线，曲线，即即I=f(If)，如图如图9-10所示。所示。如果电网电压恒定，则如果电网电压恒定，则U与与f1均保持不变。忽略电枢电均保持不变。忽略电枢电阻和磁路饱和的影响，则电动机的输出功率不变时，电磁阻和磁路饱和的影响，则电动机的输出功率不变时，电磁功率也保持不变。功率也保持不变。=常数常数 (9-5)可得：可得：E0sin=常数；常数；Icos=常数常数三、V形曲线*同同 步步 电电 动动 机机 左边是欠励区，右边是过励区。左边是欠励区，右边是过励区。正常励磁时，正常励磁时，cos=1，电枢电流全部为有功电流；，电枢电流全部为有功电流；当欠励时，功率因数是滞后的，电枢电流为感性电当欠励时，功率因数是滞后的，电枢电流为感性电流，起流，起增磁增磁作用，电动机从电网中吸收作用，电动机从电网中吸收滞后的无功电流滞后的无功电流和功率；和功率；过励时，功率因数是超前的，电枢电流为容性电流，过励时，功率因数是超前的，电枢电流为容性电流，起去磁作用，电动机从电网中吸收超前的无功电流和功起去磁作用，电动机从电网中吸收超前的无功电流和功率。率。其中其中PM=0的这条曲线对应于同步调相机的运行状态。的这条曲线对应于同步调相机的运行状态。左边是欠励区，右边是过励区。同同 步步 电电 动动 机机 由于同步电动机的由于同步电动机的PM与与E0成正比，所以当减小励成正比，所以当减小励磁电流时，它的过载能力也要降低，而对应功率角磁电流时，它的过载能力也要降低，而对应功率角则则增大；增大；在某一负载下，当励磁电流减少到一定数值时，在某一负载下，当励磁电流减少到一定数值时，角就超过角就超过90，隐极式同步电动机就不能稳定运行而失，隐极式同步电动机就不能稳定运行而失去同步去同步。图图9-10虚线表示了同步电动机不稳定运行的界限。虚线表示了同步电动机不稳定运行的界限。由于同步电动机的PM与E0成正比，所以同同 步步 电电 动动 机机 V V形曲线形曲线:并联于无穷大电网的同步电动机，保持有功功率不变时，表示电枢电流I和励磁电流If的关系曲线I=f（If）V形曲线:并联于无穷大电网的同步电动机，保持有功功率不变时，同同 步步 电电 动动 机机 *由于由于电网上的负载多为感性负载电网上的负载多为感性负载（感应电动机和变（感应电动机和变压器），它们从电网中吸收感性的无功功率。压器），它们从电网中吸收感性的无功功率。同步电动机工作同步电动机工作在过励状态下，从电网中吸收容性在过励状态下，从电网中吸收容性的无功功率，则可向其它感性负载提供感性的无功功率，的无功功率，则可向其它感性负载提供感性的无功功率，从而提高功率因数从而提高功率因数，这是同步电动机的最大优点。，这是同步电动机的最大优点。因此，为改善电网功率因数和提高电机过载能力，因此，为改善电网功率因数和提高电机过载能力，同步电动机的额定功率因数一般设计为同步电动机的额定功率因数一般设计为10.8(超前超前)。*由于电网上的负载多为感性负载（感应电动机和同同 步步 电电 动动 机机 9-5 同步电动机的起动同步电动机的起动*一、同步电动机的起动一、同步电动机的起动 同步电动机的定、转子通电，定子三相绕组产生旋转磁同步电动机的定、转子通电，定子三相绕组产生旋转磁场，转子绕组产生恒定磁场。假设起动瞬间，定、转子磁极场，转子绕组产生恒定磁场。假设起动瞬间，定、转子磁极的相对位置如图的相对位置如图9-11a所示。起动瞬间，转子是静止的，转子所示。起动瞬间，转子是静止的，转子磁场也是静止的，定子旋转磁场以同步速对转子磁场作相对磁场也是静止的，定子旋转磁场以同步速对转子磁场作相对运动，产生运动，产生逆时针方向转矩逆时针方向转矩。而。而转子存在惯性转子存在惯性，一下子达不，一下子达不到同步速。这时定子的旋转磁场已经转过到同步速。这时定子的旋转磁场已经转过180到了图到了图9-11b，这时转子上又产生一个这时转子上又产生一个顺时针转矩顺时针转矩。9-5同步电动机的起动*一、同步电动机同同 步步 电电 动动 机机 可见在一个周期内，作用在同步电动机可见在一个周期内，作用在同步电动机转转子上的平均起动转矩为零子上的平均起动转矩为零。所以，所以，同步电动机就不能自行起动同步电动机就不能自行起动。可见在一个周期内，作用在同步电动机转同同 步步 电电 动动 机机 图图9-11 同步电动机起动时定子磁场对转子磁场的作用同步电动机起动时定子磁场对转子磁场的作用 图9-11同步电动机起动时定子磁场对转子磁场的作用同同 步步 电电 动动 机机 同步电动机的起动方法有三种：同步电动机的起动方法有三种：辅助电动机辅助电动机起动法、变频起动法和异步起动法起动法、变频起动法和异步起动法。主要介绍应用较广的主要介绍应用较广的异步起动法异步起动法。*异步起动法就是在凸极式同步电动机的转子异步起动法就是在凸极式同步电动机的转子极靴上装一个起动绕组极靴上装一个起动绕组(阻尼绕组阻尼绕组)来获得起动转来获得起动转矩矩，利用异步电动机起动原理来起动，如图，利用异步电动机起动原理来起动，如图9-11a所示。所示。同步电动机的起动方法有三种：辅助电动同同 步步 电电 动动 机机 图图9-12 同步电动机异步起动法的原理接线图同步电动机异步起动法的原理接线图图9-12同步电动机异步起动法的原理接线图同同 步步 电电 动动 机机 具体步骤如下：具体步骤如下：(1)首先将同步电动机的首先将同步电动机的励磁绕组通过一个附励磁绕组通过一个附加电阻短接加电阻短接，该，该附加电阻约为励磁绕组电阻的附加电阻约为励磁绕组电阻的10倍倍，并且，并且励磁绕组不能开路励磁绕组不能开路。因为励磁绕组的匝数很多，定子旋转磁场因为励磁绕组的匝数很多，定子旋转磁场将在该绕组中感应很高的电压，可能击穿励磁将在该绕组中感应很高的电压，可能击穿励磁绕组的绝缘。绕组的绝缘。具体步骤如下：同同 步步 电电 动动 机机 (2)将定子绕组通以三相交流电源，将定子绕组通以三相交流电源，建立旋转建立旋转磁场磁场，在转子的起动绕组中产生感应电动势及，在转子的起动绕组中产生感应电动势及电流，此电流与定子旋转磁场相互作用而产生电流，此电流与定子旋转磁场相互作用而产生异步电磁转矩异步电磁转矩异步起动异步起动。(3)当同步电动机的当同步电动机的转速接近同步转速时转速接近同步转速时（达（达95%n1时），将附加电阻切除，励磁绕组与直时），将附加电阻切除，励磁绕组与直流电源连接，依靠同步转矩保持电动机同步运流电源连接，依靠同步转矩保持电动机同步运行行牵入同步牵入同步。(2)将定子绕组通以三相交流电源，建立旋转磁场，在同同 步步 电电 动动 机机 在同步电动机异步起动时，为了限制起动在同步电动机异步起动时，为了限制起动电流，可电流，可采用减压起动采用减压起动。通常通常采用自耦变压器或电抗器来降压采用自耦变压器或电抗器来降压。当。当转速达到同步转速时，电压恢复至额定值，然转速达到同步转速时，电压恢复至额定值，然后再给直流励磁，使同步电机牵入同步运行。后再给直流励磁，使同步电机牵入同步运行。在同步电动机异步起动时，为了限制起动同同 步步 电电 动动 机机 二、同步电动机的振荡二、同步电动机的振荡 虽虽然然同同步步电电动动机机通通常常以以恒恒定定的的同同步步速速转转动动，但但有有时时会会发发生生所所谓谓“振振荡荡现现象象”。这这种种振振荡荡现现象象一一般般发发生生在在电电机机发发出出的的转转矩矩或或者者轴轴上上的的负负载载阻阻转转矩矩突突然然发发生生变变化的时候。化的时候。下下面面以以反反应应式式同同步步电电动动机机为为例例，说说明明同同步步电电动动机机的振荡现象。的振荡现象。二、同步电动机的振荡同同 步步 电电 动动 机机 图图9-20是说明同步电动机振荡现象的原理图是说明同步电动机振荡现象的原理图。假定电机原先是在定子磁场轴线与转子直轴方向假定电机原先是在定子磁场轴线与转子直轴方向夹角为夹角为=1(图中未画出图中未画出)的情况下运转的，的情况下运转的，此时电动此时电动机发出的反应转矩机发出的反应转矩T1与轴上负载阻转矩与轴上负载阻转矩TL1 恰巧平衡。恰巧平衡。这时如果突然发生扰动这时如果突然发生扰动(如空气、轴上摩擦等阻转矩发如空气、轴上摩擦等阻转矩发生变化生变化)，使轴上负载阻转矩突然减小为使轴上负载阻转矩突然减小为TL2，则电动则电动机发出的转矩就大于负载阻转矩，机发出的转矩就大于负载阻转矩，转子就要加速，转子就要加速，定定子磁场轴线与转子直轴方向之间的夹角就会减小，子磁场轴线与转子直轴方向之间的夹角就会减小，直直到夹角到夹角=2，此时电动机发出的反应转矩此时电动机发出的反应转矩T2又等于又等于TL2。图9-20是说明同步电动机振荡现象同同 步步 电电 动动 机机 但但此此时时转转子子速速度度已已超超过过同同步步速速，由由于于转转子子具具有有惯惯性性，在在惯惯性性矩矩作作用用下下，转转子子不不能能停停留留在在这这个个新新的的平平衡衡点点运运转转，而而要要越越过过平平衡衡点点，这这样样夹夹角角就就会会小小于于2。时时电电动动机机发发出出的的转转矩矩小小于于负负载载阻阻转转矩矩，转转子子就就要要减减速速，夹夹角角又又开开始始增增大大并并趋趋向向于于2。当当=2时时转转子子转转速速已已低低于于同同步步速速，又又由由于于转转子子惯惯性性矩矩作作用用，转转子子要要越越过过2使使夹夹角角大于大于2。然后再重复前面的过程。然后再重复前面的过程。但此时转子速度已超过同步速，由于转子具有惯性，在同同 步步 电电 动动 机机 这这样样，转转子子要要在在=2处处来来回回振振荡荡一一段段时时间间，由由于于空空气气和和轴轴上上摩摩擦擦或或其其它它阻阻尼尼作作用用，振振荡荡就就会会逐逐渐渐衰衰减减，最后在新的平衡点最后在新的平衡点=2，T2=TL2 的情况下运转。的情况下运转。转转子子在在新新的的平平衡衡点点来来回回振振荡荡的的现现象象与与弹弹簧簧的的振振荡荡现现象象相相类类似似。当当弹弹簧簧下下面面挂挂的的重重量量突突然然变变化化时时，重重物物也也是是在在新新的的平平衡衡位位置置A处处上上下下振振荡荡一一段段时时间间，然然后后再再停停留在位置留在位置A，如图，如图9-21所示。所示。这样，转子要在=2处来回振荡一同同 步步 电电 动动 机机 图9-20同步电动机的振荡图9-20同步电动机的振荡同同 步步 电电 动动 机机 图9-21弹簧的振荡图9-21弹簧的振荡同同 步步 电电 动动 机机 振荡使同步电动机的瞬时转速产生忽高忽低的不稳定振荡使同步电动机的瞬时转速产生忽高忽低的不稳定现象现象，对于一些要求转速稳定度很高的仪器和设备，如，对于一些要求转速稳定度很高的仪器和设备，如同步随动系统、无线电通讯设备、录音传真设备等会带同步随动系统、无线电通讯设备、录音传真设备等会带来很大误差。所以在选用同步电动机时，一般还会提出来很大误差。所以在选用同步电动机时，一般还会提出速度稳定度速度稳定度的要求。的要求。*减弱同步电动机振荡的方法：减弱同步电动机振荡的方法：其中一种方法是其中一种方法是在转子上装设鼠笼式的短路绕组在转子上装设鼠笼式的短路绕组。当转子振荡时，转子相对于旋转磁场发生相对运动，在当转子振荡时，转子相对于旋转磁场发生相对运动，在鼠笼导条中产生了切割电流。根据鼠笼导条中产生了切割电流。根据楞次定律楞次定律，这个电流这个电流与磁场相互作用所产生的转矩是阻止转子相对于旋转磁与磁场相互作用所产生的转矩是阻止转子相对于旋转磁场运动的，场运动的，因而使振荡得到减弱，因而使振荡得到减弱，起到了阻尼作用。起到了阻尼作用。振荡使同步电动机的瞬时转速产生忽高忽低同同 步步 电电 动动 机机 9.6 小功率同步电动机小功率同步电动机 也称也称微型同步电动机微型同步电动机，其，其特点：转速恒定特点：转速恒定。有有些些控控制制设设备备和和自自动动装装置置中中，往往往往要要求求电电动动机机具具有有恒恒定定不不变变的的转转速速，即即要要求求电电动动机机的的转转速速不不随负载和电压的变化而变化随负载和电压的变化而变化。广泛应用于恒速运转的自动控制装置中作为广泛应用于恒速运转的自动控制装置中作为驱动电动机，如驱动电动机，如驱动仪器仪表中的走纸、打印记驱动仪器仪表中的走纸、打印记录机构、自动记录仪、电子钟、电唱机、录音机、录机构、自动记录仪、电子钟、电唱机、录音机、录像机、电影摄影机、放映机、传真机、无线电录像机、电影摄影机、放映机、传真机、无线电通讯设备通讯设备，同步联络系统等。同步联络系统等。9.6小功率同步电动机也称微同同 步步 电电 动动 机机 在自动控制系统中，也可用来作为执行元在自动控制系统中，也可用来作为执行元件。件。功率从零点几瓦到数百瓦功率从零点几瓦到数百瓦。微型同步电动机主要可分为微型同步电动机主要可分为永磁式、反应永磁式、反应式、磁滞式和自控式式、磁滞式和自控式。1、自控式同步电动机也称为、自控式同步电动机也称为无换向器式无换向器式电动机电动机，由，由电力电子技术电力电子技术发展而来的频率闭环发展而来的频率闭环控制的同步电动机。控制的同步电动机。2、永磁式同步电动机的、永磁式同步电动机的转子由永久磁钢转子由永久磁钢做成做成。在自动控制系统中，也可用来作为同同 步步 电电 动动 机机 3、反应式同步电动机、反应式同步电动机 又又称称为为磁磁阻阻电电动动机机，转转子子本本身身没没有有磁磁性性，只只是是依依靠靠转转子子上上两两个个正正交交方方向向磁磁阻阻的的不不同同而而产产生转矩生转矩(反应转矩反应转矩)。反反应应式式同同步步电电动动机机由由于于结结构构简简单单，成成本本低低廉廉，运运行行可可靠靠，广广泛泛的的应应用用于于自自动动及及遥遥控控装装置置、同步联络装置同步联络装置，录音传真及钟表工业录音传真及钟表工业中。中。目目前前国国内内外外反反应应式式同同步步电电动动机机有有单单相相和和三三相的，相的，功率从几瓦到几百瓦。功率从几瓦到几百瓦。3、反应式同步电动机同同 步步 电电 动动 机机 4、磁滞式同步电动机磁滞式同步电动机 主主要要特特点点在在于于它它的的转转子子铁铁心心不不是是用用一一般般的的软软磁磁材材料料，而而是是用用硬硬磁磁材材料料做做成成的的。具具有有比比较较宽宽的的磁磁滞滞回回环环，即即剩剩余余磁磁感感应应Br及及矫矫顽顽磁磁力力Hc要要比比软软磁磁材材料料大大，单单位位场场强强的的磁磁滞滞损损耗耗比比较较大大，如图如图9-13所示。所示。一一般般电电机机用用的的软软磁磁材材料料的的回回环环很很窄窄小小，如如回回环环3，所所以以，异异步步电电动动机机中中虽虽也也有有磁磁滞滞转转矩矩，但与异步转矩相比小得多，可但与异步转矩相比小得多，可略去不计略去不计。4、磁滞式同步电动机同同 步步 电电 动动 机机 图图 9-13 铁磁材料的磁滞回环铁磁材料的磁滞回环图9-13铁磁材料的磁滞回环同同 步步 电电 动动 机机 为为增增大大磁磁滞滞转转矩矩，应应利利用用磁磁滞滞回回环环宽宽的的硬硬磁磁材材料料制制造造转转子子，最最理理想想回回环环是是矩矩形形，如如图图9-14中中的的虚虚曲曲线线1。目目前前在在磁磁滞滞电电动动机机中中所所应应用用的的磁磁滞滞材材料料如如铁铁钴钴钒钒、铁铁钴钴钼钼等等合合金金的的磁磁滞滞回回环环(如回环如回环2)很近于理想。很近于理想。磁磁滞滞同同步步电电动动机机与与其其它它类类型型同同步步电电动动机机相相比比具具有有的的一一个个最最大大优优点点是是：具具有有很很大大的的启启动动转转矩矩，因因而而它它不不要要附附加加任任何何启启动动绕绕组组就就能能很很快快自自行启动行启动。为增大磁滞转矩，应利用磁滞回环宽同同 步步 电电 动动 机机 图图 914 各种铁磁材料的磁滞回环各种铁磁材料的磁滞回环图914各种铁磁材料的磁滞回环同同 步步 电电 动动 机机 磁磁滞滞同同步步电电动动机机主主要要优优点点是是结结构构简简单单，运运转转可可靠靠，启启动动转转矩矩大大，不不需需要要装装任任何何启启动动装装置置就能平稳地抵达同步速，就能平稳地抵达同步速，运转时噪声也很小运转时噪声也很小。主主要要应应用用于于电电钟钟、电电唱唱机机、无无线线电电通通讯讯设设备备、自自动动记记录录仪仪器器，以以及及录录音音、传传真真、自自动动及及遥遥控控装装置置等等，功功率率从从几几瓦瓦到到200W，其其中中功功率率小小于于50W以下应用得更为广泛。以下应用得更为广泛。磁滞同步电动机主要优点是结构简单同同 步步 电电 动动 机机 9.7 稀土稀土永磁式同步电动机永磁式同步电动机 永磁式同步电动机的永磁式同步电动机的转子由永久磁钢制成转子由永久磁钢制成。定定子子与与异异步步电电动动机机定定子子完完全全相相同同，转转子子结结构构有有多多种种型型式式，如如图图9-15(a)(e)所所示示。它它们们都都具具有有永永久久磁磁钢钢和和鼠鼠笼笼式式的的启启动动绕绕组组两两部部分分，永永久久磁磁钢钢可可以以做做成成两两极极的的或多极的。或多极的。随随着着永永磁磁材材料料性性能能的的不不断断提提高高，高高性性能能、低低价价格格稀稀土土永永磁磁材材料料(如如钕钕铁铁硼硼NdFeB)的的出出现现，使使永永磁磁式式同同步电动机的应用范围更加扩大。步电动机的应用范围更加扩大。9.7稀土永磁式同步电动机永同同 步步 电电 动动 机机 图图 9-15 永磁式同步电动机转子结构永磁式同步电动机转子结构c)径向式径向式 d)并联式并联式 e)切向式切向式图9-15永磁式同步电动机转子结构同同 步步 电电 动动 机机 稀稀土土永永磁磁钕钕铁铁硼硼(NdFeB)是是当当代代磁磁体体中中性性能能最最强强的的永永磁磁体体，它它不不仅仅具具有有高高剩剩磁磁、高高矫矫顽顽力力、高高磁磁能能积积、高高性性价价比比等等特特性性，而而且且容容易易加加工工成成各各种种尺尺寸寸，现现已已广广泛应用于航空、航天、电子、电声、机电、仪器。泛应用于航空、航天、电子、电声、机电、仪器。与与其其它它类类型型同同步步电电动动机机相相比比，优优点点：出出力力大大，体体积积小小，耗耗电电小小，结结构构简简单单、可可靠靠，功功率率从从几几瓦瓦到到几几百百瓦瓦，甚甚至至是是几几个个千千瓦瓦。在在各各种种自自动动控控制制系系统统中中得得到到广广泛的应用。泛的应用。同同 步步 电电 动动 机机 铁磁材料铁磁材料 软磁材料软磁材料：磁导率：磁导率高，高，剩磁剩磁Br小，磁滞回线窄而长，如：小，磁滞回线窄而长，如：铸钢、硅钢、坡莫合金铸钢、硅钢、坡莫合金，制作电机铁心；，制作电机铁心；硬磁材料硬磁材料：不高，不高，剩磁剩磁Br大，磁滞回线宽而胖、大，磁滞回线宽而胖、高矫高矫 顽力顽力和和高剩磁高剩磁，如：，如：铁钴钒（铁钴钒（FeCoV）、铁钴钼（）、铁钴钼（FeCoMo）、锰铋）、锰铋（MnBi）及）及稀土永磁材料铁氧体稀土永磁材料铁氧体、钕铁硼钕铁硼、钐钴钐钴(SmCo)、钕镍钴钕镍钴（NdNiCO），制造永久磁铁。），制造永久磁铁。铁磁材料同同 步步 电电 动动 机机 缺点缺点：成本高，对温度敏感，热稳定性差成本高，对温度敏感，热稳定性差（稀土永磁体（稀土永磁体的工作温度较低，电机运行时的温升不能太高），环境的工作温度较低，电机运行时的温升不能太高），环境温度一旦超过规定值就会温度一旦超过规定值就会退磁退磁，而这个规定值目前只能，而这个规定值目前只能做到做到80180（居里点温度居里点温度）。）。居里点温度居里点温度是衡量磁性材料的重要指标，是指磁性是衡量磁性材料的重要指标，是指磁性材料永久失去磁性的温度，一旦环境温度超过居里点温材料永久失去磁性的温度，一旦环境温度超过居里点温度，即使时间很短，永磁材料也会退磁。度，即使时间很短，永磁材料也会退磁。随着居里点温度的提高永磁体的价格增加很快，如随着居里点温度的提高永磁体的价格增加很快，如工作温度为工作温度为180的永磁体的价格为工作温度为的永磁体的价格为工作温度为80的的3倍以上。例如：永磁体的价格占倍以上。例如：永磁体的价格占永磁搅拌装置永磁搅拌装置价格的价格的7080。缺点：成本高，对温度敏感，热稳定性差（稀土永磁体的同同 步步 电电 动动 机机 钕铁硼磁钢属于钕铁硼磁钢属于负温度系数永磁材料负温度系数永磁材料，主要是在，主要是在高温下发生高温下发生退磁现象退磁现象，即随温度上升，矫顽力，即随温度上升，矫顽力Hc值将值将下降。因此，我们采用正温稳磁处理法。正温稳磁就下降。因此，我们采用正温稳磁处理法。正温稳磁就是把充好磁的产品放入温度比使用温度高是把充好磁的产品放入温度比使用温度高3050的烘的烘箱中保持箱中保持24小时。稳磁处理后，磁钢磁性能略有下小时。稳磁处理后，磁钢磁性能略有下降。降。电机在峰值转矩为电机在峰值转矩为4倍额定转矩的过载情况下运行，倍额定转矩的过载情况下运行，电枢反应使磁场畸变，磁钢呈现不可逆去磁现象。电枢反应使磁场畸变，磁钢呈现不可逆去磁现象。钕铁硼磁钢属于负温度系数永磁材料，主同同 步步 电电 动动 机机 永磁材料在受到永磁材料在受到振动振动、高温高温和和过载过载电流作用时，其电流作用时，其导磁性能可能会下降或发生退磁现象，将降低永磁电动导磁性能可能会下降或发生退磁现象，将降低永磁电动机的性能，严重时还会损坏电动机。机的性能，严重时还会损坏电动机。稀土永磁同步电机分为：稀土永磁同步电机分为：正弦波稀土永磁同步电机（称为稀土永磁同步电机）和正弦波稀土永磁同步电机（称为稀土永磁同步电机）和方波型稀土永磁同步电机（称为稀土永磁方波型稀土永磁同步电机（称为稀土永磁无刷直流电机无刷直流电机）。永磁材料在受到振动、高温和过载电流作同同 步步 电电 动动 机机 电饭煲和铁磁性电饭煲和铁磁性电饭煲核心技术装置是电饭煲核心技术装置是自动限温装置自动限温装置，其感测元件是，其感测元件是一一感温磁钢感温磁钢，具有，具有高温去磁现象高温去磁现象。按下按键开关则接电源的动静触头接通，电热板发热，按下按键开关则接电源的动静触头接通，电热板发热，温度高到居里点温度高到居里点（103 2）时，由于感温磁钢失去）时，由于感温磁钢失去磁性而不能吸住磁性而不能吸住永磁钢片永磁钢片，则永磁钢片下落。致使永磁体，则永磁钢片下落。致使永磁体在重力及弹簧的作用下断开触点，使在重力及弹簧的作用下断开触点，使加热电路加热电路断电。同时，断电。同时，接通另一接通另一保温电路保温电路，保持饭的温度在，保持饭的温度在70左右。左右。电饭煲和铁磁性电饭煲核心技术装置是自动限温同同 步步 电电 动动 机机 图图 9-16 电饭煲自动限温原理电饭煲自动限温原理图9-16电饭煲自动限温原理同同 步步 电电 动动 机机 同步电动机课件同同 步步 电电 动动 机机 发热板的中央的圆孔内有一发热板的中央的圆孔内有一感温磁钢是软磁材料感温磁钢是软磁材料（镍锌铁氧体或铁镍锌铁氧体或铁-镍合金镍合金），它借着弹簧向上顶贴着），它借着弹簧向上顶贴着锅底。它在锅底。它在100或以下时，可以被永久磁铁吸引。当或以下时，可以被永久磁铁吸引。当锅内的饭沸腾后，水分被煮干时其温度会超过锅内的饭沸腾后，水分被煮干时其温度会超过100，当升至当升至103时，则失去磁性，不再受永久磁铁吸引。时，则失去磁性，不再受永久磁铁吸引。以免饭被煮焦。以免饭被煮焦。这也就是这也就是为什么饭不会烧焦为什么饭不会烧焦的道理。的道理。因电饭锅限温器的动作温度是因电饭锅限温器的动作温度是103，常压下水的，常压下水的温度不可能超过温度不可能超过100，这就是电饭锅，这就是电饭锅烧水煮汤时开关烧水煮汤时开关不跳不跳而煮饭跳的原因。而煮饭跳的原因。发热板的中央的圆孔内有一感温磁钢是软同同 步步 电电 动动 机机 如果如果因磁钢失磁而导致煮生饭因磁钢失磁而导致煮生饭，应更换磁钢限温，应更换磁钢限温器；如果磁钢未失磁而出现生饭现象，则大多发球内器；如果磁钢未失磁而出现生饭现象，则大多发球内锅锅底变形，当锅底向上凸起时，感温磁钢被锅底下锅锅底变形，当锅底向上凸起时，感温磁钢被锅底下压的幅度减小，因此，当锅内温度还未达到居里点时压的幅度减小，因此，当锅内温度还未达到居里点时就将电路断开，即出现了生饭现象；就将电路断开，即出现了生饭现象；反之，反之，当锅底向下凹时当锅底向下凹时，感温磁钢被锅底下压的，感温磁钢被锅底下压的幅度增大，因此，当锅内温度超过居里点时才将电路幅度增大，因此，当锅内温度超过居里点时才将电路断开，即断开，即出现了焦饭的现象出现了焦饭的现象。解决的办法是。解决的办法是将内锅锅将内锅锅底按原样校正底按原样校正。如果因磁钢失磁而导致煮生饭，应更换同同 步步 电电 动动 机机 例例 题题例例1某工厂电源电压为某工厂电源电压为6000V，厂中使用了多台异步电动，厂中使用了多台异步电动机，设其总输出功率为机，设其总输出功率为1500 kW，平均效率为，平均效率为70%，功率，功率因数为因数为0.7(滞后滞后)，由于生产需要又增添一台同步电动机。，由于生产需要又增添一台同步电动机。设当该同步电动机的功率因数为设当该同步电动机的功率因数为0.8(超前超前)时，将全厂的功时，将全厂的功率因数调整到率因数调整到1，求此同步电动机承担多少视在功率和有功，求此同步电动机承担多少视在功率和有功功率。功率。解解 这些异步电动机总的视在功率这些异步电动机总的视在功率S为为 由于由于 cos=0.7，sin=0.713例题例1某工厂电源电压为6000V，厂中使用了多台异同同 步步 电电 动动 机机 故这些异步电动机总的无功功率故这些异步电动机总的无功功率Q 为为 Q=S*sin=3060*0.713 kvar=2185 kvar 同步电动机运行后，同步电动机运行后，cos=1，故全厂的感性无功全由该，故全厂的感性无功全由该同步电动机提供，即有同步电动机提供，即有 =Q=2185 kvar =0.8，=0.6故同步电动机的视在功率为故同步电动机的视在功率为 有功功率为有功功率为 故这些异步电动机总的无功功率Q为Q同同 步步 电电 动动 机机 1、设有一台发电机带有一感性负载，负载、设有一台发电机带有一感性负载，负载需要的有功分量电流需要的有功分量电流IP=1000A，无功分量电流，无功分量电流IQ=1000A。为了减少发电机和线路中的无功电。为了减少发电机和线路中的无功电流，在用户端安装一台同步调相机，自电网吸流，在用户端安装一台同步调相机，自电网吸收容性无功电流收容性无功电流IC=250A，试求补偿后发电机，试求补偿后发电机和线路中的无功电流和功率因素。和线路中的无功电流和功率因素。思考题与习题思考题与习题1、设有一台发电机带有一感性负载，负载思考题与同同 步步 电电 动动 机机 2、同步电机的主要类型？、同步电机的主要类型？3、一水电站供应一远距离用户，为改善功率因素添置一、一水电站供应一远距离用户，为改善功率因素添置一台同步调相机，此机应装在水电站内还是装在用户台同步调相机，此机应装在水电站内还是装在用户（受电端）附近？为什么？（受电端）附近？为什么？4、同步电动机、同步电动机能否自行起动？能否自行起动？为什么？为什么？5、简述同步电动机的、简述同步电动机的异步起动法？异步起动法？6、什么是功率角？、什么是功率角？功率角的物理意义？功率角的物理意义？同步电动机什么同步电动机什么时候出现失步现象？时候出现失步现象？2、同步电机的主要类型？同同 步步 电电 动动 机机 7、应用同步电动机如何提高系统的功率因数？、应用同步电动机如何提高系统的功率因数？8、同步调相机的作用？、同步调相机的作用？9、微型同步电动机的应用？其转速的特点？、微型同步电动机的应用？其转速的特点？10、过去常用永磁材料有哪些？高性能的稀土永磁材料、过去常用永磁材料有哪些？高性能的稀土永磁材料有哪些？有哪些？其主要特点其主要特点？软磁材料？硬磁材料？软磁材料？硬磁材料？11、什么是居里点温度？、什么是居里点温度？12、永磁材料在什么情况下会发生退磁现象？、永磁材料在什么情况下会发生退磁现象？7、应用同步电动机如何提高系统的功率因数？