专题三十二 三相同步电机的工作原理（课件）-河北省对口升学《电机与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测

《电机与变压器》（第5版） 高教社 专题三十二 三相同步电机的工作原理 目录 01 考纲解读 04 内容归纳小结 02 知识点梳理和重点概念复习 03 真题或常考题讲解 2 考纲解读—常见考点 03 02 01 明确同步发电机与同步电动机的核心能量转换过程，能准确区分两者能量流向（同步发电机：机械能→电能；同步电动机：电能→机械能）。 理解同步发电机三相交变电动势的产生机制，能结合电磁感应定律。 掌握同步发电机转子旋转磁场的形成条件，理解 “转子励磁绕组通入直流电→形成恒定磁极→转子旋转带动磁极运动→产生气隙旋转磁场” 的逻辑链。 考纲解读—考试要求 清晰描述同步电动机的旋转过程，能分阶段说明各阶段的关键动作与作用，解释启动绕组的必要性。 掌握同步电动机的工作原理，理解 “定子通三相交流电产生旋转磁场→转子通直流电形成恒定磁场→定子磁场牵引转子磁场同步旋转” 的核心逻辑。 熟记同步发电机三相电动势频率公式与同步电动机同步转速公式。 4 考纲解读—易考题型 深入理解三相交变电动势的产生机制，能结合电磁感应定律。 简答题 清晰掌握转子旋转磁场的形成条件与过程，具体包括：知晓需向转子励磁绕组通入直流电，理解直流电使转子铁芯形成恒定磁极。 论述题 能准确阐述同步发电机的能量转换路径，即明确其是将原动机（如汽轮机、水轮机）输入的机械能。 选择题 5 知识点梳理和重点概念复习—知识点思维导图 知识点梳理和重点概念复习 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。 一、三相同步电机的工作原理 知识点梳理和重点概念复习 1.同步发电机的能量转换 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)。 二、同步发电机的工作原理 知识点梳理和重点概念复习 2.转子旋转磁场的形成 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,采用一定方法通人直流电进行励磁,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n1的旋转磁场。 二、同步发电机的工作原理 知识点梳理和重点概念复习 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euo、evo、ewo,即 二、同步发电机的工作原理 此时,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。 知识点梳理和重点概念复习 显然,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: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”。 二、同步发电机的工作原理 知识点梳理和重点概念复习 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。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。 二、同步发电机的工作原理 知识点梳理和重点概念复习 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 二、同步发电机的工作原理 知识点梳理和重点概念复习 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人三相对称交流电源,在定子铁心中便建立旋转磁场。转子绕组中通人直流电,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,沿定子旋转磁场国的转向,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。 三、同步电动机的工作原理 知识点梳理和重点概念复习 图6-11所示为同步电动机两磁场相互作用示意图。 三、同步电动机的工作原理 知识点梳理和重点概念复习 2.同步电动机的工作原理 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)。 三、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, 知识点梳理和重点概念复习 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6-12(a)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。 三、同步电动机的工作原理 知识点梳理和重点概念复习 三、同步电动机的工作原理 知识点梳理和重点概念复习 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6-12(b)所示。 角称为功率角,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。功角的大小随电动机轴上的负载增加而增大。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。 三、同步电动机的工作原理 知识点梳理和重点概念复习 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。 如果电动机负载增大,则转子磁极落后的角度更大。到达满载时,转子还能以同步转速随旋转磁场转动。 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6-12(d)所示。这就是同步电动机运行过程中的功角关系,即功角特性。 三、同步电动机的工作原理 知识点梳理和重点概念复习 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 n=n1= 三、同步电动机的工作原理 知识点梳理和重点概念复习 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: 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; 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。 三、同步电动机的工作原理 知识点梳理和重点概念复习 (1)同步电动机的功率关系 三、同步电动机的工作原理 知识点梳理和重点概念复习 (2)工作特性 由转矩方程可知，当输出功率P2=0时,T=随着输出功率的增加,为了克服负载转矩,电磁转矩将成正比增大,电枢电流也将随之增大。因此,T=f(P2)是一直线。I=f(P2)也近似为一条直线。因此,在电网电压U=常数,励磁电流L=常数时电磁转矩T、电枢电流I、效率η、功率因数与输出功率P2之间的关系,即T、I、η、cos φ=f(P2),称为工作特性,如图6-13所示。其中,同步电动机的效率特性和异步电动机相同。 三、同步电动机的工作原理 知识点梳理和重点概念复习 同步电动机在不同励磁下的功率因数特性如图6-14所示,曲线1对应较小的励磁电流,只能使空载时 cos φ=1,负载加大后,功率因数降低,电枢电流是滞后的:曲线2对应稍大的励磁电流,负载小于半载时,功率因数也降低,电枢电流是超前的,负载大于半载时,功率因数也降低,电枢电流是滞后的:曲线3对应于更大的励磁电流,可使满载时功率因数cosφ=1。由此可见改变励磁电流,可使同步电动机在任意负载下功率因数达到1。电枢电流可在滞后与超前之间变化这是同步电动机的可贵性能之一。 三、同步电动机的工作原理 知识点梳理和重点概念复习 三、同步电动机的工作原理 知识点梳理和重点概念复习 (3)V形曲线 同步电动机在恒定电压下输出恒定功率时,励磁电流与电枢电流的关系曲线=f(If)形似英文字母V,故称V形曲线,如图6-15所示。 三、同步电动机的工作原理 知识点梳理和重点概念复习 在分析励磁电流If与电枢(电动机定子绕组)电流I的关系时,忽略定子绕组电阻,不计定子铜损耗;忽略改变励磁电流时铁损耗和附加损耗的变化。 由于电动机负载转矩不变,即输出功率P2不变又忽略了所有损耗,所以输入功率P1与电磁功率Pe相等。 三、同步电动机的工作原理 知识点梳理和重点概念复习 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。 三、同步电动机的工作原理 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：交变磁场穿过导体时会产生涡流（闭合回路的感应电流），导致能量损耗（涡流损耗）。转子铁芯用硅钢片叠压，且硅钢片表面涂有绝缘层，可将导体分割成多个小回路，显著减小涡流的流通面积，从而降低涡流损耗。 1.同步发电机转子铁芯采用硅钢片叠压制成，主要目的是？（ ） A. 减小磁滞损耗 B. 减小涡流损耗 C. 提高导磁性能 D. 降低制造成本 30 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：根据电磁感应定律，感应电动势的幅值与磁场的磁通量成正比。转子励磁电流越大，转子磁场的磁通量越强，切割定子绕组时产生的感应电动势幅值就越大；转速主要影响频率，负载影响输出功率，匝数虽有影响但设计时已固定，运行中调节励磁电流是改变电动势幅值的主要手段。 2.同步发电机三相电动势的幅值大小，主要取决于哪种因素？（ ） A. 转子转速 B. 转子励磁电流大小 C. 负载大小 D. 定子绕组匝数 31 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：同步电动机作为电动机，其功能是将电网输入的电能，通过电磁作用转换为带动负载旋转的机械能，与发电机的能量转换方向相反。 3.同步电动机的核心能量转换过程是？（ ） A. 机械能→电能 B. 电能→机械能 C. 化学能→机械能 D. 电能→热能 32 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：同步电动机定子绕组通入三相交流电后，会产生旋转磁场；转子绕组通入直流电后形成恒定磁场。只有当转子恒定磁场与定子旋转磁场“同步”（转速相同、方向一致）时，两者才能产生稳定的电磁转矩，带动转子和负载旋转；若不同步，会出现“失步”，无法稳定运行。 4.同步电动机能够稳定旋转的关键条件是？（ ） A. 转子通入交流电 B. 转子磁场与定子旋转磁场保持同步 C. 转子转速低于定子磁场转速 D. 定子通入直流电 33 常考习题练习与讲解—选择题 答案：C 解析：启动瞬间转子处于静止状态，而定子三相交流电产生的旋转磁场转速极高（如50Hz、2极电机转速为3000r/min）。由于转子静止，定子磁场与转子磁场无相对运动，无法在转子上产生感应电流和电磁转矩，因此无法自行启动，需借助启动装置（如异步启动绕组）。 5.同步电动机启动时，若直接通入额定电压，会出现“启动困难”的原因是？（ ） A. 定子旋转磁场转速过低 B. 转子磁场未建立 C. 启动瞬间转子静止，定子磁场与转子磁场无相对运动，无法产生启动转矩 D. 负载转矩过大 34 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：异步电动机的转速会随负载增加而略有下降（存在转差率），而同步电动机在额定负载范围内，转速始终等于定子旋转磁场转速，保持恒定，这是“同步”的核心体现，也是其与异步电动机最关键的区别；两者均需启动转矩，部分异步电机（如绕线式）也需励磁，效率高并非绝对区别。 6.以下哪种特性是同步电动机区别于异步电动机的关键？（ ） A. 有启动转矩 B. 转速恒定（在额定负载内） C. 需通入励磁电流 D. 效率高 35 常考习题练习与讲解—选择题 答案：A 解析：同步电动机的最大电磁转矩是其稳定运行的极限。当负载转矩突然超过最大电磁转矩时，转子无法再跟随定子旋转磁场同步旋转，转速急剧下降，出现“失步”，此时电机需停机重启，否则可能损坏。 7.同步电动机的“失步”现象通常发生在哪种情况下？（ ） A. 负载转矩突然超过最大电磁转矩 B. 电网频率稳定 C. 励磁电流恒定 D. 定子电压稳定 36 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：同步电动机的功率因数可通过励磁电流调节：欠励磁（励磁电流偏小）时，电机需从电网吸收感性无功功率，功率因数滞后；正常励磁时，功率因数接近1；过励磁（励磁电流偏大）时，电机向电网输出感性无功功率，功率因数超前。 8.同步电动机在滞后功率因数运行时，其转子励磁状态是？（ ） A. 过励磁 B. 欠励磁 C. 正常励磁 D. 无励磁 37 常考习题练习与讲解—填空题 答案：启动绕组（或笼型启动绕组）；转子励磁绕组 解析：同步电动机启动初期转子静止，定子旋转磁场无法直接带动转子，需在转子上安装启动绕组（类似异步电机的笼型绕组），利用启动绕组与定子磁场的作用产生异步转矩，使转子加速；当转速接近同步转速时，通入励磁电流建立转子磁场，才能实现 “同步牵引”。 1.同步电动机启动时需借助________产生异步转矩，待转子转速接近同步转速时，再向________通入直流电，将转子拉入同步。 38 常考习题练习与讲解—填空题 答案：相位差（或功率角）；保持不变（仍等于同步转速） 解析：同步电动机在额定负载范围内，转速始终等于同步转速，不受负载变化影响；当负载转矩增大时，转子会略微 “滞后” 定子磁场，导致两者的相位差（功率角）增大，电磁转矩随之增大，维持转速稳定。 2.同步电动机运行时，若负载转矩增大（未超过最大转矩），转子与定子磁场的________会增大，以产生更大的电磁转矩平衡负载转矩，而转子转速________。 39 常考习题练习与讲解—填空题 答案：励磁电流；容；感 解析：同步电动机的功率因数由励磁电流控制：励磁电流为额定值时，功率因数为 1（纯电阻性）；励磁电流过大（过励），电机向电网输出无功功率，呈容性；励磁电流过小（欠励），电机从电网吸收无功功率，呈感性。 3.调节同步电动机的________大小，可改变其功率因数：当该电流大于额定值时，电机呈________性；小于额定值时，电机呈________性。 40 常考习题练习与讲解—填空题 答案：定子磁场；转子磁场 解析：同步电动机启动时，定子绕组通入三相交流电首先产生旋转的定子磁场；转子启动绕组带动转子初步加速，待转速接近同步转速时，转子励磁绕组通入直流电建立转子磁场，此时定子磁场会牵引转子磁场同步旋转，完成 “同步运行” 切换。 4.同步电动机旋转过程的启动阶段，________先旋转，通过电磁引力牵引________随其一同旋转，最终达到同步转速。 41 常考习题练习与讲解—判断题 答案：× 解析：同步电动机启动初期转子静止，定子绕组通入交流电后会立即产生高速旋转的定子磁场；由于转子惯性较大，定子旋转磁场无法瞬间带动转子转动，转子与定子磁场之间存在相对运动，无法建立稳定的电磁转矩，电机无法启动。因此需在转子上安装启动绕组（异步启动绕组）等特殊装置，辅助电机启动，故该说法错误。 1.同步电动机可直接通入额定电压启动，无需特殊启动装置。（ ） 42 常考习题练习与讲解—判断题 答案：× 解析：同步电动机在额定负载范围内运行时，转速始终等于同步转速，不受负载变化影响；当负载转矩增大时，转子与定子磁场的相位差（功率角）会增大，以产生更大的电磁转矩平衡负载转矩，转子转速保持不变，故该说法错误。 2.同步电动机运行时，若负载转矩增大（未超过最大转矩），转子转速会随之降低。（ ） 43 常考习题练习与讲解—判断题 答案：√ 解析：同步电动机的功率因数由励磁电流控制：励磁电流为额定值时，功率因数为 1（纯电阻性）；励磁电流大于额定值（过励）时，电机向电网输出无功功率，呈容性；励磁电流小于额定值（欠励）时，电机从电网吸收无功功率，呈感性。因此调节励磁电流可改变功率因数，故该说法正确。 3.调节同步电动机的励磁电流大小，可改变其功率因数。（ ） 44 常考习题练习与讲解—判断题 答案：× 解析：同步电动机启动时，定子绕组通入三相交流电后，首先产生旋转的定子磁场；转子启动绕组带动转子初步加速，待转速接近同步转速时，转子励磁绕组通入直流电建立转子磁场，此时定子磁场牵引转子磁场同步旋转。因此定子磁场先旋转，转子磁场后旋转，并非同时旋转，故该说法错误。 4.同步电动机旋转过程中，定子磁场与转子磁场同时开始旋转。（ ） 45 常考习题练习与讲解—简答题 答案：同步电动机的 “失步” 是指：转子转速偏离同步转速，无法跟随定子旋转磁场同步旋转，电机失去稳定运行能力的现象。​ 产生失步的原因：当负载转矩超过同步电动机的最大电磁转矩时，定子旋转磁场的电磁引力无法克服负载阻力，转子转速开始下降，与定子磁场间的相对运动加剧，最终脱离同步转速。 1.什么是同步电动机的 “失步” 现象？产生失步的原因是什么？ 46 常考习题练习与讲解—简答题 答案：同步电动机的功率因数通过调节转子励磁电流实现，具体调节方式与无功特性如下：​ ① 欠励状态（励磁电流＜额定值）：转子磁场较弱，定子需提供额外磁动势补充磁场，电机呈感性，从电网吸收无功功率；​ ② 额定励磁状态（励磁电流 = 额定值）：转子磁场强度适中，定子无需额外提供磁动势，电机呈纯电阻性，功率因数 = 1，不吸收也不输出无功功率； 2. 如何调节同步电动机的功率因数？不同调节状态下电机的无功功率特性如何？ 47 常考习题练习与讲解—简答题 答案：同步电动机不能直接启动的原因：启动初期转子处于静止状态，定子绕组通入额定电压后会立即产生高速旋转的定子磁场（转速为同步转速 n_s）；由于转子惯性极大，定子旋转磁场无法瞬间带动转子跟随旋转，转子与定子磁场间存在剧烈相对运动，无法建立稳定的电磁转矩，电机无法启动，甚至可能因电流过大烧毁绕组。 3.同步电动机为何不能直接通入额定电压启动？ 48 常考习题练习与讲解—简答题 答案：同步电动机的核心能量转换过程是电能→机械能。具体为：从电网吸收三相交流电，定子绕组通入交流电后产生旋转磁场；转子励磁绕组通入直流电形成恒定磁场；定子旋转磁场通过电磁引力牵引转子恒定磁场，使转子随定子磁场同步旋转，进而带动负载（如风机、水泵）运转，将电能转换为机械能。 4.简述同步电动机的能量转换过程。 49 重点复习知识点： 1.同步发电机工作原理具体过程：原动机（如汽轮机、水轮机）提供机械动力，带动同步发电机转子旋转，通过电磁感应作用，将输入的机械能转换为电能，最终通过定子绕组输出至电网。 2.直流电在转子铁芯中建立恒定磁极（N 极、S 极），当转子在原动机驱动下旋转时，恒定磁极随转子同步转动，进而在电机气隙中形成连续旋转的磁场（旋转方向与转子转向一致，转速与转子转速相同）。 3.三相交变电动势的产生：转子旋转磁场在气隙中旋转，持续切割定子侧对称布置的三相绕组；由于定子三相绕组在空间上互差 120° 电角度，绕组中会分别产生感应电动势，最终形成 “幅值相等、频率相同、相位互差 120°” 的对称三相交变电动势。 阅读相关教材和课堂笔记，梳理重点知识点和关键概念。制作复习提纲或思维导图，以帮助理清知识框架和内部逻辑。进行练习题和例题的练习，加深对知识的理解和应用。 课堂小结 50 $