6.3 三相同步电机的工作原理（课件）-《电机与变压器》同步精品课堂（高等教育出版社）

6.3 三相同步电机的工作原理 同步精品课堂 电机与变压器 高教版 1 学习目标 掌握同步发电机的工作原理 掌握同步电动机的工作原理 掌握并学会同步发电机的能量转换的内容 知识目标 能力目标 新知学习 一 、同步发电机的工作原理 一般同步电机的定子和异步电机的定子相同，在定子铁心内圆上分布一定数量的槽，在槽中 嵌放三相对称绕组。对于发电机，定子又称电枢。 同步电机的转子，主要是由磁极和励磁绕组构成，励磁绕组是靠外接直流电源供给励磁电流的。 01 02 新知学习 一 、同步发电机的工作原理 1 同步电机作为发电机运行时，是通过原动力机械将机械能输入同步电机，在原动力机拖动下 运转，成为发电机 将机械能或其他形式的能转变成电能，这取决于原动力机械的动力源(如水 力、风力、热力等)。 2 1. 同步发电机的能量转换 新知学习 一 、同步发电机的工作原理 旋转磁极式发电机转子上绕有励磁绕组。在静止不动的转子绕组内，采用一定方法通入直 流电进行励磁，这时，在转子磁极轴线上(即直轴方向)产生空间不动的幅值恒定的磁场，这就是 转子的主磁场。 当原动机拖动转子旋转时，就得到一个旋转磁场。 一旦原动机将转子带动到同 步转速n₁ 时，则转子磁场以n1转速旋转，在气隙中便形成了一个转速为n,的旋转磁场。 2.转子旋转磁场的形成 新知学习 一 、同步发电机的工作原理 3.三相交变电动势的产生 发电机定子铁心内嵌放如同三相异步电动机定子绕组式的对称绕组。 转子磁场旋转时，该 磁场与定子绕组有相对运动，并以同步转速切割定子三相对称绕组，在定子绕组中产生三相对称的电动势 01 02 新知学习 一 、同步发电机的工作原理 3.三相交变电动势的产生 三相交变电动势的产生 而同步发电机在负载运行时，定子三相对称 绕组中将有三相对称电流通过，也要建立一个旋转磁场，即电枢磁场，电枢磁场的转速n₁ 同步发电机外电路开路时，电机处于空载运行状态，这时没有电流输送给负载，也就没 有电磁功率的转换，但此时的损耗均由原动机供给； 如果同步发电机上接有负载，在负载内就有三相电流通过，这说明同步发电机将机械 能转变成了电能。 新知学习 一 、同步发电机的工作原理 3.三相交变电动势的产生 三相交变电动势的产生 电枢磁场(磁通势)对主 极磁场的影响称为电枢反应。它与旋转的转子磁场——励磁磁场相对静止，在原动机的作用下， 转轴带动转子磁场拉着电枢磁场一起旋转，从而把原动机的机械能转换为电能，供给负载。 这就是同步 发电机的由来。电枢磁场只是使气隙磁场的大小及位置发生了变化。 与转子 磁场的转速n 相 同 ，n₁=n, 转向也相同，在空间上是相对静止的，所以称为“同步”。 新知学习 一 、同步发电机的工作原理 4.三相电动势的频率 同步发电机三相电动势的频率与磁极对数和磁极相对于定子绕组相对运动速度有关，可以表示为 p—— 电机的磁极对数； n—— 转子每分钟转数。 新知学习 一 、同步发电机的工作原理 4.三相电动势的频率 PART 01 可见，当电机的磁极对数、转数一定时，产生电动势的频率是一定的。 PART 03 这就是同步发电 机的基本工作原理。 PART 02 反之，如果磁极对数一 定，要使电动势频率达到规定的f,则电机的转速必须达到与f、相适应的nN。 新知学习 二、同步电动机的工作原理 1.同步电动机的能量转换 三相同步电动机工作时，定子的三相对称绕组接入三相对称交流电源，在定子铁心中便建立旋转磁场。 。转子绕组中通入直流电，转子铁心中便产生转子磁场。 这 两磁场相互作用，转子磁场将在定子磁场的带动下，沿定子旋转磁场 的转向，以旋转磁场的转速旋转，输出转矩，带动工作机构工作，实现 电能向机械能的转换。 新知学习 二、同步电动机的工作原理 1.同步电动机的能量转换 图所示为同步电动机两磁场相互作用示意图 新知学习 二、同步电动机的工作原理 2.同步电动机的工作原理 同步电动机是一种定子绕组用三相交流电励磁以建立旋转磁场， 转子绕组用直流电流励磁以建立转子磁场，这是双边励磁的交流电动 机 其工作原理是定子的旋转磁场以磁拉力拖着转子磁场以同步转速 一同旋转(在转子转动起来以后，拖动转子旋转的 实际上是定子旋 转磁场和转子磁场的合成磁场),这就是同步电动机的工作原理。它 们之间没有相对运动，所以称为“同步”(相对异步而言)。 新知学习 二、同步电动机的工作原理 3. 同步电动机旋转过程 当三相交流电通入定子绕组时产生旋转磁场，转子绕组中通入直流电，产生极性固定的磁 极，磁极的对数与旋转磁场的磁极对数相等。 当转子上的N 极与旋转磁场的S 极对齐时，转子的 S 极与旋转磁场的N极也对齐，异性磁极相互吸引，转子就随着旋转磁场转动。 理想空载时，如图所示。转子磁极与定子旋转磁场磁极时时对正，转子磁极的轴线与定子旋转磁场磁 极的轴线重合。 新知学习 二、同步电动机的工作原理 同步电动机工作原理 新知学习 二、同步电动机的工作原理 同步电动机工作原理 电动机空载时，转子的轴承及空气对转子总有一些阻力，实际上转子上的磁极总要比旋转磁 场的磁极落后一个小小的角度，如图所示。 新知学习 二、同步电动机的工作原理 同步电动机工作原理 工作原理 1 2 角φ。称为功率角，简称功角，是同步电动机 的一个基本参数，如同转差率s 是异步电动机的基本参数一样。 3 可把磁吸引力比作弹簧的作用，功角增大，气隙间磁感线拉长，犹如弹簧被拉长 一样。但转子转速不变，随旋转磁场一起转动。 功角的大小随电动机轴上的负 载增加而增大。 新知学习 二、同步电动机的工作原理 同步电动机工作原理 当电动机加上部分负载(轻载情况)时，转子磁极落后于旋转磁场的角度增大，但转速仍不 变，随旋转磁场一起转动，如图6-12(c) 所示。 新知学习 二、同步电动机的工作原理 如果负载太大，落后角度更大，当负载力矩超过磁拉力力矩时，旋转磁场就无法拖着转子一 起旋转，犹如弹簧被拉断一样，转子就不随旋转磁场转动了。这种现象称为失步，电动机不能稳 定工作，这时电动机就要停止转动，如图所示。 新知学习 二、同步电动机的工作原理 4. 同步电动机的转速 同步电动机的转速，决定于同步电机的磁极对数和电源频率，即 同步电动机的转速 n恒等于同步转速n₁。我国电源标准频率规定为50 Hz, 而电机的磁极对 数为整数，故当p=1时 ，n=3000 r/min;p=2时 ，n=1500 r/min。同步电机正常运行时，都是以同步转速运行的。 新知学习 二、同步电动机的工作原理 5. 同步电动机运行特性 同步电动机的运行特性一般从两个方面进行分析： 二是在输出有功功率 不变时，改变励磁电流的大小，电枢电流及功率因数的变化规律 V形曲线。 一是在励磁电流不变的条件下，输出有功 功率变化时，前面叙述的电磁功率与功率角之间的变化关系 功角特性； 新知学习 二、同步电动机的工作原理 同步电动机工作特性 新知学习 二、同步电动机的工作原理 同步电动机在不同励磁下的功率因数特性 新知学习 二、同步电动机的工作原理 同步电动机V形曲线 新知学习 二、同步电动机的工作原理 同步电动机V形曲线 1 2 3 由于调节励磁电流可以调节电枢电流的无功分量，即可以调节功率因数，过励的同步电动机 要从电网吸取超前的无功电流，与异步电动机要从电网吸取滞后的无功电流的情况刚好相反。 因此，同步电动机可以改善电网的功率因数，这是同步电动机最可贵的特点。还要指出，当同步电动机不带负载运行时，输出功率P₂ 很小，几乎为零。 在这种状 态下运行的同步电动机，称为同步补偿机，专门用来改善电网的功率因数，达到为供电线路供给 无功功率的要求，提高供电质量。 新知学习 二、同步电动机的工作原理 如图中最下 面一条V 形曲线，在过励时，只从电网吸取电容性无功功率，相当于一只三相电容器。 1.三相同步电机的转子通常由什么产生磁场？ A. 三相交流电源 B. 直流电源 C. 永磁体 D. 旋转磁场的感应 课堂练习 答案：B 2.三相同步电机在运行时，其转速与哪个因素有关？ A. 电源频率 B. 负载大小 C. 电机体积 D. 电机颜色 课堂练习 答案：A 3.三相同步电机的同步速度可以通过以下公式计算：Ns = 120 * f / P。其中Ns代表什么？ A. 电源频率 B. 电机极数 C. 同步速度 D. 电源电压 课堂练习 答案：C。 4.三相同步电机不能自启动的原因是？ A. 它需要外部信号来启动 B. 转子没有初始旋转时，无法与旋转磁场同步 C. 它只适用于直流电源 D. 它需要特殊的启动电机 课堂练习 答案：B 5.三相同步电机通常用于哪些场合？ A. 家用电器 B. 高精度工业控制 C. 便携式电动工具 D. 汽车启动 课堂练习 答案：B 6.三相同步电机在什么情况下会失去同步？ A. 当负载突然增大时 B. 当电源频率变化时 C. 当电机过热时 D. 所有上述情况 课堂练习 答案：D 7.三相同步电机不能自启动的原因是什么？ A. 转子没有足够的启动扭矩 B. 转子和定子磁场不同步 C. 电机设计不允许自启动 D. 需要外部励磁电源 课堂练习 答案：B 8.三相同步电机的定子绕组产生的是什么类型的磁场？ A. 恒定磁场 B. 脉动磁场 C. 旋转磁场 D. 随机磁场 课堂练习 答案：C 课堂小结 1.简述同步电动机V形曲线。 2.简述同步电动机工作特性。 3.简述同步电动机的功率关系。 作业布置 感谢观看 $$