《电机及拖动基础》
讲 义主讲 张友斌参考教材：《电机及拖动基础》（第 3版）
顾绳谷 主编 机械工业出版社第六章 同步电动机
§ 6－ 1 三相同步电动机
一、三相同步电动机的工作原理若将一台绕线式三相异步电动机的转子出线端 a、
b,c引出后接到直流电源上（ a端接＋,b,c并联接－）
a
c
b
y z
x
axI
ybI
zcI
zcybax III
czbyzcybax IIIII2
1
每相电流形成的磁动势的基波在空间上是正弦分布（参见图教材 6－ 3）
如此可以将转子磁场可看成为一个直流磁场，也就是说，转子为一个磁极：
若异步电动机的定子为一对磁极，则定子磁场可以看成为一个以 旋转的磁极：
转子磁极在旋转的定子磁极作用下（异性相吸、
同性相斥）旋转，且也以 速度旋转。
0n
0n
0n 0n
此时异步电动机就作同步运行了。
即转子内无交流电流时而是直流电流时异步电动机即为同步运行
,0,0 12 sffs
同步电动机的工作原理将异步电动机的结构改变为转子通以直流电，则此时的电动机即为同步电动机。
故同步电动机的工作原理与异步电动机的工作原理则完全不同了。
同步电动机的工作原理是：定子通以交流电，转子通以直流电，构成双极磁极。
转子磁极在旋转的定子磁极的磁拉力的拖动下转动且达到同步转速。
二、同步电机的基本结构
1、定子与异步电动机结构无多大的差别，作用也一样：
接受能量，产生旋转磁场。
2、转子转子有两种形式,1)凸极式,2）隐极式转子也是由钢片叠加而成且套有励磁绕组。
励磁绕组通过集电环与电刷接到直流电源上。
也有定子作为直流磁极，转子作为电枢的。
注意：直流电机的转子称为电枢，但一般交流电机的定子是称为电枢的。所谓电枢是指转换电能量的枢纽。
三、电动势平衡方程式
1,同步电动机的励磁磁动势 Ff（ 转子磁动势）是由直流电源决定的，其不受电枢磁动势 Fa （定子磁动势）的影响
（因为二者无相对运动），但当负载不同时，定子电流的变化则会使电枢磁动势变化，则由励磁磁动势与电枢磁动势联合激励的气隙磁动势会显著变化。这与异步电动机有显著的不同。（异步电动机的气隙磁场在空载到额定负载都是不变的）
2,Ff与 Fa对转子都无相对运动。故电磁感应在转子中不存在，但对定子而言，
却受二者的作用而存在电磁感应。
三、电动势平衡方程式
3、同步电动机的电磁关系：
转子－励磁定子－电枢
00 EFIU fff
aaa EFIU
E?
aIr
（漏磁通）
（电枢电阻压降）aa
xIjE令：
xIjE
电枢反应电抗?ax 定子绕组漏电抗x
4、电动势平衡方程式：
aa rIEEEU0 aa rIxIxIjE0
xxx at:令 同步电抗?tx
四、相矢图
1,不计凸极效应时同步电动机的相矢图将时间量 与矢量 联系起来（参见异步电动机的相矢图）
I? aF?
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U?
axIj?
xIj?
ajr
0E
aF?
不计凸极效应时同步电动机的相矢图功率因数角
功率角
内功率因数角
Fa与 Ff之间的夹角是根据励磁磁动势的强弱决定的。
此处用 笼统表示电枢反应 ax
2、凸极式同步电动机的相矢图
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考虑凸极效应时的电动势平衡方程式：
xxx add
xxx aqq
直轴同步电抗?
dx
交轴同步电抗?
qx
五、运行特性与异步电动机一样，同步电动机的工作特性也有：
但是改变输出功率以及改变励磁电流都可改变同步电动机的工作特性，所以以输出功率 与励磁电流作为参数来分析同步电动机的运行特性。
可分为两个方面来讨论：
1、功角特性－励磁电流不变时，输出有功功率与功率角的关系
2,V形曲线－有功功率不变时，励磁电流与电枢电流及功率因数的关系
)(),(),(c o s),(),( 22222 PnPPPfIPfT em
五、运行特性
1、功角特性
a） 同步电动机的功率平衡关系：
b） 转矩平衡关系：
在下面的分析中采用相矢图导出功角特性。并不计定子电阻的影响。
C u aem PPP1
022 )( pPpppPP me cFeem
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0
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基本分量附加分量参见教材图 6－ 10 Pem与 Tem由两部分组成：
附加分量只要,则
附加分量的物理解释假设当凸极式同步电动机的转子不加励磁，且其轴线与定子磁场轴线重合时，则转子被磁化，
但气隙磁场不会被扭曲，然而若转子偏转一个角度 θ,则气隙磁场被扭曲了（因为磁回路总是要从磁阻最小的路径通过）。则转子受到切向拉力而形成切向电磁转矩，即附加转矩。
参见教材图 6－ 11
若转子是隐极式的则没有附加转矩
dq xx? 0emT0emP
同步电动机的运行过程与 θ变化的关系
1）、空载时：
不计凸极效应时，即则附加分量等于 0，故：
表明了转子磁极与定子磁极轴线几乎重合。
2）当电机带上负载后，转子被负载拖住，使得转子磁极轴线与定子合成磁极轴线被拉开，即则,电机克服负载继续同步转动。
故负载越大,就越大，但当 时，
即,
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0
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0
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1sin
0m a x 90 00 / te m M xmUET
3）当,
电动机只能减速，则 继续增大，最后转子失去同步（失步状态），电机最后被迫停机。
0m a x 90
emem PT,?s in
2,V形曲线当,电源提供的电流的有功分量不变，
调节励磁电流时，则引起定子电流的变化，即电源提供的电流的无功分量变化。
不计定子的损耗且,
)(,2,fNN IfIPffUU 不变时，
不变时2P
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改变改变－变化变化调节励磁电流 IEFI ff 00
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的一条直线上的矢端只能在平行则为使 UEc o n s tE 00,s i n
的一条直线上的矢端只能在垂直于则为使 UIc o n s tI,c o s
简化相量图分析：
1）在
，定子电流纯为有功分量，
同步电动机从电网只吸收有功功率－正常励磁。
2）减少励磁电流，使此时定子电流存在无功分量，功率因数为滞后，
同步电机从电网吸收滞后无功功率。 欠励磁
3）增加励磁电流，使此时定子电流存在无功分量，功率因数为超前同步电机向电网吸收超前无功功率。 过励磁因此将对应的定子电流与励磁电流描绘成曲线，
则可得到 V形曲线。 （参见教材图 6－ 14）
0,110101IIEEII ff时，，使－
11,1coscos
2101020 IIIEEE 由时，－
3101030 IIIEEE 由时，－
转速特性同步电动机的转速特性为,即转速不可调节。
同步电动机的起动步骤：
由于同步电动机转速不可调节，则同步电动机无法自行起动。故需要采取起动方法：异步起动法起动。
在同步电动机的转子上安装笼型绕组（起动绕组或阻尼绕组），起动时：
1）先将转子的励磁绕组串接限流电阻短接。
2）定子绕组接三相交流电源。
3）待转子速度上升到接近同步转速（ 95%)时，将励磁绕组换接到励磁电源上。使转子被“牵入同步”。
完成起动。
0nn?
§ 6-2无换向器电动机－自控式同步电动机
概述无换向器电动机本身是一个同步电动机，采用晶闸管技术，根据转子磁极与定子磁场的相对位置，改变定子频率，使定子磁场的旋转速度由转子的速度来控制决定，也就是一台反装式
（定子为电枢，转子为励磁）的直流电动机。
结构：
同步电动机、位置检测器、逆变器或变频器三部分组成。
晶闸管：
当 Uak>0,且 Ug>0时，晶闸管导通,作整流时可以改变整流后的直流电压的大小。作逆变时，可以改变输出的交流电的频率与大小。
A KG A－ 阳极,K－ 阴极,G－ 门极
～
＋
－
VH1 VH3 VH5
VH6 VH2 VH4
工作原理由电动机轴上的位置检测器测定转子磁极与定子的脉冲步进磁场的相对位置，并依此来确定晶闸管的触发信号，来控制逆变器输出的交流电的频率。使得定子的脉冲步进磁场与转子磁极同步转动。即电枢绕组中的定子频率随转子速度变化。
分类：
1、直流无换向器电动机
2、交流无换向器电动机
特点：
1）维护简便
2）调速范围广
3）控制方便
4）适应环境能力强
5）快速性好
§ 6－ 3其他同步电动机
一、磁阻同步电动机（反应式同步电动机）
转子用非磁性材料（铜、铝等）与钢片镶嵌组成，无励磁绕组。非磁性材料起笼型绕组作用使电动机异步起动，气隙磁场只能沿钢片方向进入转子直轴磁路，从而使得交轴磁阻大于直轴磁阻，则直轴同步电抗大于交轴同步电抗
（ xd>xq),则 为拖动转矩
02s i n)11(
2 0
2
dq
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emT?
二、永磁同步电动机永磁同步电动机的转子用永久磁铁励磁。则无集电环、电刷及励磁装置，结构简单、效率高。
但对永磁材料以及安装结构、机械强度、去磁效应等方面要求较高。
三、步进电动机步进电动机是“一步一步”地转动的一种电动机。
本质是磁阻同步电动机或永磁同步电动机。
工作原理：电源输入的是电脉冲，电动机对应一个脉冲就转动一个角度。故也称为脉冲电动机。
讲 义主讲 张友斌参考教材：《电机及拖动基础》（第 3版）
顾绳谷 主编 机械工业出版社第六章 同步电动机
§ 6－ 1 三相同步电动机
一、三相同步电动机的工作原理若将一台绕线式三相异步电动机的转子出线端 a、
b,c引出后接到直流电源上（ a端接＋,b,c并联接－）
a
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1
每相电流形成的磁动势的基波在空间上是正弦分布（参见图教材 6－ 3）
如此可以将转子磁场可看成为一个直流磁场，也就是说，转子为一个磁极：
若异步电动机的定子为一对磁极，则定子磁场可以看成为一个以 旋转的磁极：
转子磁极在旋转的定子磁极作用下（异性相吸、
同性相斥）旋转，且也以 速度旋转。
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此时异步电动机就作同步运行了。
即转子内无交流电流时而是直流电流时异步电动机即为同步运行
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同步电动机的工作原理将异步电动机的结构改变为转子通以直流电，则此时的电动机即为同步电动机。
故同步电动机的工作原理与异步电动机的工作原理则完全不同了。
同步电动机的工作原理是：定子通以交流电，转子通以直流电，构成双极磁极。
转子磁极在旋转的定子磁极的磁拉力的拖动下转动且达到同步转速。
二、同步电机的基本结构
1、定子与异步电动机结构无多大的差别，作用也一样：
接受能量，产生旋转磁场。
2、转子转子有两种形式,1)凸极式,2）隐极式转子也是由钢片叠加而成且套有励磁绕组。
励磁绕组通过集电环与电刷接到直流电源上。
也有定子作为直流磁极，转子作为电枢的。
注意：直流电机的转子称为电枢，但一般交流电机的定子是称为电枢的。所谓电枢是指转换电能量的枢纽。
三、电动势平衡方程式
1,同步电动机的励磁磁动势 Ff（ 转子磁动势）是由直流电源决定的，其不受电枢磁动势 Fa （定子磁动势）的影响
（因为二者无相对运动），但当负载不同时，定子电流的变化则会使电枢磁动势变化，则由励磁磁动势与电枢磁动势联合激励的气隙磁动势会显著变化。这与异步电动机有显著的不同。（异步电动机的气隙磁场在空载到额定负载都是不变的）
2,Ff与 Fa对转子都无相对运动。故电磁感应在转子中不存在，但对定子而言，
却受二者的作用而存在电磁感应。
三、电动势平衡方程式
3、同步电动机的电磁关系：
转子－励磁定子－电枢
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（漏磁通）
（电枢电阻压降）aa
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电枢反应电抗?ax 定子绕组漏电抗x
4、电动势平衡方程式：
aa rIEEEU0 aa rIxIxIjE0
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四、相矢图
1,不计凸极效应时同步电动机的相矢图将时间量 与矢量 联系起来（参见异步电动机的相矢图）
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不计凸极效应时同步电动机的相矢图功率因数角
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Fa与 Ff之间的夹角是根据励磁磁动势的强弱决定的。
此处用 笼统表示电枢反应 ax
2、凸极式同步电动机的相矢图
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考虑凸极效应时的电动势平衡方程式：
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直轴同步电抗?
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五、运行特性与异步电动机一样，同步电动机的工作特性也有：
但是改变输出功率以及改变励磁电流都可改变同步电动机的工作特性，所以以输出功率 与励磁电流作为参数来分析同步电动机的运行特性。
可分为两个方面来讨论：
1、功角特性－励磁电流不变时，输出有功功率与功率角的关系
2,V形曲线－有功功率不变时，励磁电流与电枢电流及功率因数的关系
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五、运行特性
1、功角特性
a） 同步电动机的功率平衡关系：
b） 转矩平衡关系：
在下面的分析中采用相矢图导出功角特性。并不计定子电阻的影响。
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基本分量附加分量参见教材图 6－ 10 Pem与 Tem由两部分组成：
附加分量只要,则
附加分量的物理解释假设当凸极式同步电动机的转子不加励磁，且其轴线与定子磁场轴线重合时，则转子被磁化，
但气隙磁场不会被扭曲，然而若转子偏转一个角度 θ,则气隙磁场被扭曲了（因为磁回路总是要从磁阻最小的路径通过）。则转子受到切向拉力而形成切向电磁转矩，即附加转矩。
参见教材图 6－ 11
若转子是隐极式的则没有附加转矩
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同步电动机的运行过程与 θ变化的关系
1）、空载时：
不计凸极效应时，即则附加分量等于 0，故：
表明了转子磁极与定子磁极轴线几乎重合。
2）当电机带上负载后，转子被负载拖住，使得转子磁极轴线与定子合成磁极轴线被拉开，即则,电机克服负载继续同步转动。
故负载越大,就越大，但当 时，
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3）当,
电动机只能减速，则 继续增大，最后转子失去同步（失步状态），电机最后被迫停机。
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2,V形曲线当,电源提供的电流的有功分量不变，
调节励磁电流时，则引起定子电流的变化，即电源提供的电流的无功分量变化。
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简化相量图分析：
1）在
，定子电流纯为有功分量，
同步电动机从电网只吸收有功功率－正常励磁。
2）减少励磁电流，使此时定子电流存在无功分量，功率因数为滞后，
同步电机从电网吸收滞后无功功率。 欠励磁
3）增加励磁电流，使此时定子电流存在无功分量，功率因数为超前同步电机向电网吸收超前无功功率。 过励磁因此将对应的定子电流与励磁电流描绘成曲线，
则可得到 V形曲线。 （参见教材图 6－ 14）
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3101030 IIIEEE 由时，－
转速特性同步电动机的转速特性为,即转速不可调节。
同步电动机的起动步骤：
由于同步电动机转速不可调节，则同步电动机无法自行起动。故需要采取起动方法：异步起动法起动。
在同步电动机的转子上安装笼型绕组（起动绕组或阻尼绕组），起动时：
1）先将转子的励磁绕组串接限流电阻短接。
2）定子绕组接三相交流电源。
3）待转子速度上升到接近同步转速（ 95%)时，将励磁绕组换接到励磁电源上。使转子被“牵入同步”。
完成起动。
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§ 6-2无换向器电动机－自控式同步电动机
概述无换向器电动机本身是一个同步电动机，采用晶闸管技术，根据转子磁极与定子磁场的相对位置，改变定子频率，使定子磁场的旋转速度由转子的速度来控制决定，也就是一台反装式
（定子为电枢，转子为励磁）的直流电动机。
结构：
同步电动机、位置检测器、逆变器或变频器三部分组成。
晶闸管：
当 Uak>0,且 Ug>0时，晶闸管导通,作整流时可以改变整流后的直流电压的大小。作逆变时，可以改变输出的交流电的频率与大小。
A KG A－ 阳极,K－ 阴极,G－ 门极
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工作原理由电动机轴上的位置检测器测定转子磁极与定子的脉冲步进磁场的相对位置，并依此来确定晶闸管的触发信号，来控制逆变器输出的交流电的频率。使得定子的脉冲步进磁场与转子磁极同步转动。即电枢绕组中的定子频率随转子速度变化。
分类：
1、直流无换向器电动机
2、交流无换向器电动机
特点：
1）维护简便
2）调速范围广
3）控制方便
4）适应环境能力强
5）快速性好
§ 6－ 3其他同步电动机
一、磁阻同步电动机（反应式同步电动机）
转子用非磁性材料（铜、铝等）与钢片镶嵌组成，无励磁绕组。非磁性材料起笼型绕组作用使电动机异步起动，气隙磁场只能沿钢片方向进入转子直轴磁路，从而使得交轴磁阻大于直轴磁阻，则直轴同步电抗大于交轴同步电抗
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二、永磁同步电动机永磁同步电动机的转子用永久磁铁励磁。则无集电环、电刷及励磁装置，结构简单、效率高。
但对永磁材料以及安装结构、机械强度、去磁效应等方面要求较高。
三、步进电动机步进电动机是“一步一步”地转动的一种电动机。
本质是磁阻同步电动机或永磁同步电动机。
工作原理：电源输入的是电脉冲，电动机对应一个脉冲就转动一个角度。故也称为脉冲电动机。
