李發(fā)海電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)第四版第九章

1、 第九章第九章 同步電動(dòng)機(jī)同步電動(dòng)機(jī) 9.1 概述概述 三相交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速滿足方程式 的電機(jī)就稱為同步電機(jī)。由于我國(guó)交流電源的頻率恒為50HZ,所以同步機(jī)的轉(zhuǎn)速與極對(duì)數(shù)間有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 同步電機(jī)主要用作發(fā)電機(jī)。對(duì)大功率生產(chǎn)機(jī)械，由于同步電機(jī)比同容量的異步電機(jī)的功率因數(shù)高，并且功率因數(shù)可調(diào)而獲得應(yīng)用。目前小功率永磁同步電動(dòng)機(jī)也獲得廣泛應(yīng)用。 同步電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與三相異步電機(jī)完全相同；轉(zhuǎn)子有兩種結(jié)構(gòu)，一種是凸極式，轉(zhuǎn)子上裝有磁極，如圖 9.1所示，磁極由鋼板疊成或由鑄鋼鑄成。磁極上套有線圈，通電后產(chǎn)生極性，如圖9.1中的 N，S 極。另一種是隱極式的，即轉(zhuǎn)子是圓柱體，內(nèi)裝有勵(lì)磁繞組，如圖 9.

2、2 所示，用于大容量、高轉(zhuǎn)速的同步機(jī)。圖圖 9.1 凸極同步電動(dòng)機(jī)凸極同步電動(dòng)機(jī)圖圖 9.2 隱極同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子隱極同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子 同步電機(jī)的電源有兩種，即有勵(lì)磁機(jī)供電或交流電源整流供電，都可方便地調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流。 國(guó)產(chǎn)同步電機(jī)的型號(hào)如TD118/41-6的含義如下： 常用同步電機(jī)的型號(hào)有TD系列 、TDK系列、TDZ系列、TDK系列、TDG系列和 TDL 。 同步電機(jī)的額定數(shù)據(jù)有：額定容量 （ ），額定電壓 （ ），額定電流 （ ），額定功率因數(shù) ，額定轉(zhuǎn)速 （ ），額定效率 ，額定頻率 （ ），額定勵(lì)磁電壓 （ ）和額定勵(lì)磁電流 （ ）。 9.2 9.2 同步電動(dòng)機(jī)的電磁關(guān)系同步電動(dòng)機(jī)的電磁

3、關(guān)系 9.2.1 9.2.1 同步電動(dòng)機(jī)的磁通勢(shì)同步電動(dòng)機(jī)的磁通勢(shì) 將同步機(jī)定子繞組接到三相對(duì)稱電源上時(shí)，便產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的電樞磁通勢(shì)，用空間矢量 表示，設(shè)其作逆時(shí)針以同步速轉(zhuǎn)動(dòng)。由轉(zhuǎn)子電流 產(chǎn)生的磁通勢(shì)叫勵(lì)磁磁通勢(shì) ，也是一個(gè)空間矢量，與轉(zhuǎn)子一起逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。下面先分析勵(lì)磁磁通勢(shì) 單獨(dú)作用的況。 分析前，先假設(shè)轉(zhuǎn)子 N極和 S極的中心線為縱軸，又稱 d 軸,與縱軸相距 電角度處的軸為橫軸，又稱 q 軸，見(jiàn)圖 9.3 。由圖可知 作用在縱軸方向，它產(chǎn)生的磁通 依縱軸對(duì)稱分布，并隨轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)，見(jiàn)圖9.4 。圖圖 9.3 同步電機(jī)的縱軸與橫軸同步電機(jī)的縱軸與橫軸圖圖 9.4 由勵(lì)磁磁通勢(shì)由勵(lì)磁磁通勢(shì) 單

4、獨(dú)產(chǎn)生的磁通單獨(dú)產(chǎn)生的磁通而 雖然與 同步，但位置卻不同，即不在縱軸上，由于凸極同步機(jī)氣隙很不均勻，無(wú)法計(jì)算磁通，故提出雙反應(yīng)原理。 9.2.2 9.2.2 凸極同步機(jī)的雙反應(yīng)原理凸極同步機(jī)的雙反應(yīng)原理 設(shè)電樞磁通勢(shì) 與勵(lì)磁磁通勢(shì) 已經(jīng)給定，見(jiàn)圖 9.5（a）。由于這兩個(gè)磁通勢(shì)相對(duì)靜止，可將 分成縱軸分量 和橫軸分量 ，即 ，當(dāng)分別考慮他們的作用時(shí)，他們分別為縱軸和橫軸的對(duì)稱磁路，這就給分析問(wèn)題帶來(lái)方便，這種分析問(wèn)題的方法稱為雙反應(yīng)原理。 將 單獨(dú)在主磁路里產(chǎn)生的磁通稱縱軸電樞磁通 ，畫在圖9.5（b）中，將 單獨(dú)在主磁路里產(chǎn)生的磁通稱橫軸電樞磁通 畫在圖 9.5（c）中，兩者都以同步速逆時(shí)針

5、旋轉(zhuǎn)。圖圖 9.5 縱軸與橫軸磁通勢(shì)及磁通縱軸與橫軸磁通勢(shì)及磁通 電樞磁通勢(shì) 的大小為縱軸磁通勢(shì) 可寫成橫軸磁通勢(shì) 可寫成 由于三相對(duì)稱，只取其一相，則與縱軸和橫軸對(duì)應(yīng)的電流可分別表示成 與 ，根據(jù)關(guān)系式 可得： 9.2.3 凸極同步電動(dòng)機(jī)電壓平衡方程式凸極同步電動(dòng)機(jī)電壓平衡方程式 將 、 、 分別在繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)表示為 、 和 ，根據(jù)圖 9.6給定的各電量正方向可立出 A 相回路的電壓方程式為 （9-1）式中， 是定子繞組的一相電阻， 是定子繞組的一相電抗。 由于磁路線性， 落后 電角度，故得：同理有：式中 為縱軸電樞反應(yīng)電抗， 為縱軸電樞反應(yīng)電抗，對(duì)同一臺(tái)電機(jī)都是數(shù)。 把式（9-2）、

6、式（9-3）代入式（9-1）得：再將 代入上式，整理得：圖圖 9.6 同步電機(jī)各電量的正方向同步電機(jī)各電量的正方向 （用電動(dòng)機(jī)慣例）（用電動(dòng)機(jī)慣例）在同步機(jī)容量較大時(shí)可忽略 ，于是得： （9-4）式中 稱為縱軸同步電抗， 稱為橫軸同 步抗。由于同步機(jī)作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，必有 ，即定子相電流有功分量與相電壓同相位。 9.2.4 9.2.4 凸極同步電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)相量圖凸極同步電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)相量圖 根據(jù)式（9-4）的關(guān)系式，畫出同步機(jī)運(yùn)行于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)的 的向量圖，見(jiàn)圖 9.7 。 圖中， 與 之間的夾角為 ； 與 的夾角為 ； 與 的夾角為 。并且其中， 為功率因數(shù)角， 為功率角。 綜上所述，凸極同步電

7、動(dòng)機(jī)的電磁關(guān)系符合圖 9.8 的思路。 9.2.5 9.2.5 隱極同步電動(dòng)機(jī)隱極同步電動(dòng)機(jī) 由于隱極同步電動(dòng)機(jī)氣隙是均勻的，縱軸電抗與橫軸電抗在數(shù)值上是相等的，即式中 為隱極同步電動(dòng)機(jī)的同步電抗。對(duì)隱極式同步電動(dòng)機(jī)，式（9-4）變?yōu)椋?（9-5）圖9.9 是該電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)向量圖。圖圖9.9 隱極式同步電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)向量圖隱極式同步電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)向量圖 9.3 9.3 同步電動(dòng)機(jī)的功率關(guān)系與矩角特性同步電動(dòng)機(jī)的功率關(guān)系與矩角特性 9.3.1 9.3.1 功率關(guān)系功率關(guān)系 同步電動(dòng)機(jī)的輸入功率 減去定子繞組同耗就是電磁功率 ，即再?gòu)碾姶殴β?中扣除鐵耗 和機(jī)械損耗 變?yōu)檩敵龅臋C(jī)械功率 即 （9

8、-6）其中，鐵耗和機(jī)械損耗之和稱為空載損耗 ，即 。圖 9.11為同步電動(dòng)機(jī)的功率流程圖。圖圖 9.11同步電動(dòng)機(jī)的功率流程圖同步電動(dòng)機(jī)的功率流程圖 依據(jù)電磁功率就可算出電磁轉(zhuǎn)矩為： ，式中為同步電動(dòng)機(jī)的角速度。 將式（9-6）等號(hào)兩邊都除以 ，就得到其轉(zhuǎn)矩平衡式，即式中 稱為空載轉(zhuǎn)矩。 9.3.2 9.3.2 電磁功率電磁功率 忽略定子電阻 ，電磁功率為 。由圖 9.7中 的關(guān)系可得從圖9.7還知綜合上述關(guān)系得將三角函數(shù)式 代入上式，整得： 式（9-7）推出了電磁轉(zhuǎn)矩 和 的關(guān)系。 9.3.3 9.3.3 功角特性功角特性 電網(wǎng)的電源電壓 、頻率 通常不變，若保持勵(lì)磁電流也變，則 也不變，而

9、 ， 為已知數(shù)，因此 與 為函數(shù)關(guān)系。我們把 的關(guān)系式稱為同步電動(dòng)機(jī)的功角特性，見(jiàn)圖 9.12 。圖圖 9.12 凸極同步機(jī)凸極同步機(jī)的功角、矩角特性的功角、矩角特性 式中第一項(xiàng)時(shí)主要的，為勵(lì)磁功率，即 ，見(jiàn)圖 9.12 曲線 1,。當(dāng) 時(shí)，勵(lì)磁功率達(dá)到最大，為 第二項(xiàng)為凸極電磁功率，即當(dāng) 時(shí)，其值最大，表示為： 與 的關(guān)系如圖 9.12 中的曲線 2 。曲線 3 是是合成的總的電 磁功率與 的關(guān)系。 9.3.4 9.3.4 矩角特性矩角特性 把式（9-7）等號(hào)兩邊同除以機(jī)械角速度，得電磁轉(zhuǎn)矩與 角的關(guān)系式為將此關(guān)系式也畫在圖 9.12中，與矩角特性僅差個(gè)比例尺。而隱極電機(jī)的參數(shù) ，于是式（9

10、-7）變?yōu)椋哼@就是隱極電機(jī)的工角特性。 上式兩邊同除以 ，則得隱極同步機(jī)的矩角特性的關(guān)系式：圖 9.13 為隱極同步機(jī)的矩角特性。 圖圖 9.13 隱極同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性隱極同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性在固定勵(lì)磁電流的條件下，隱極1式同步電機(jī)的最大電磁功率 與最大電磁轉(zhuǎn)矩 分別為： 9.3.5 9.3.5 穩(wěn)定運(yùn)行穩(wěn)定運(yùn)行 1. 當(dāng)電動(dòng)機(jī)在 范圍內(nèi)拖動(dòng)負(fù)載見(jiàn)圖 9.14（a），在 角時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡即 ，當(dāng)負(fù)載增到 時(shí)，轉(zhuǎn)子減速使 角增至 ，與其對(duì)應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩為 ，若此時(shí) 則電機(jī)繼續(xù)同步運(yùn)行。而當(dāng)負(fù)載又恢復(fù)到 圖圖 9.14 同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)的 又恢復(fù)到

11、 ， 所以電動(dòng)機(jī)能穩(wěn)定運(yùn)行。 2. 當(dāng)電機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行在 范圍內(nèi) 本來(lái)電機(jī)運(yùn)行于 ，見(jiàn)圖 9.14（b），此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載相平衡，即 ，現(xiàn)在負(fù)載突然增至 ，此時(shí) 角增至 ，對(duì)應(yīng)電磁轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，即 ，這樣，角繼續(xù)增大，電磁轉(zhuǎn)矩繼續(xù)變小，找不到平衡點(diǎn)，轉(zhuǎn)子失去同步，無(wú)法穩(wěn)定運(yùn)行。 同步電動(dòng)機(jī)負(fù)載變化時(shí)，角隨之變化，且電磁轉(zhuǎn)矩 或電磁 功率 也隨之變化，而轉(zhuǎn)速始終為同步速 ，所以同步電機(jī)的機(jī)械特性為一條直線，是硬特性。 同步電動(dòng)機(jī)最大電磁轉(zhuǎn)矩 與額定轉(zhuǎn)矩 之比叫過(guò)載倍數(shù)，用 表示，即 角有雙重含義。一為 與 之間的時(shí)間電角度；二為勵(lì)磁磁通勢(shì) 與與合成磁通 間的空間電角度。 對(duì)應(yīng) ，圖圖 9.1

12、5 等效磁極等效磁極 近似對(duì)應(yīng)著 。 為等效磁極，拖著轉(zhuǎn)子以同步速旋轉(zhuǎn)，如圖 9.15 所示。 如果轉(zhuǎn)子磁極在前，等效磁極在后，即轉(zhuǎn)子拖著等效磁極旋轉(zhuǎn)，是發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，反子為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。 9.4 9.4 同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的調(diào)節(jié)同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的調(diào)節(jié) 9.4.1 同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的調(diào)節(jié)同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的調(diào)節(jié) 同步電動(dòng)機(jī)在電源電壓 U 、頻率 f 不變，其有功負(fù)載保持常數(shù)時(shí)，改變其勵(lì)磁電流，就能調(diào)節(jié)它的功率因數(shù)。 忽略空載轉(zhuǎn)矩，同步機(jī)負(fù)載不變，可認(rèn)為是電磁轉(zhuǎn)矩不變，即 ，根據(jù)（9-8）式，有 由于上式中，U、 和 都是常數(shù)，則上式可寫成 （9-9） 同理，負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，可認(rèn)為輸入功率

13、不變，忽略各種損耗后，可認(rèn)為 在電壓不變的條件下，必有 （9-10） 該式表示負(fù)載不變時(shí)，定子邊的有功電流應(yīng)保持不變。 根據(jù)（9-9）、（9-10）的條件畫出不同三種不同勵(lì)磁電流對(duì)應(yīng)不同電動(dòng)勢(shì)的向量圖，如圖9.17所示。圖中 所以 由圖可以看出調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)的變化規(guī)律如下：圖圖9.17同步電動(dòng)機(jī)機(jī)械負(fù)載不變，同步電動(dòng)機(jī)機(jī)械負(fù)載不變，僅改變勵(lì)磁電流的電動(dòng)勢(shì)相量圖僅改變勵(lì)磁電流的電動(dòng)勢(shì)相量圖（1）若勵(lì)磁電流為 時(shí)，定子電流 與 同相，稱為正常勵(lì)磁狀態(tài)，見(jiàn)圖 9.17 中的 ， 相量。這類似純電阻狀態(tài)， 。（2）減小勵(lì)磁電流，稱為欠勵(lì)狀態(tài)，見(jiàn)圖中的 和 。此時(shí)定子電流 落后 為

14、 角，像電感電阻負(fù)載。（3）增加勵(lì)磁電流，稱為過(guò)勵(lì)狀態(tài)，見(jiàn)圖中的 和 。此時(shí)定子電流 超前 為 ，像電容電阻負(fù)載。這是同步電動(dòng)機(jī)常運(yùn)行的狀態(tài)。 可見(jiàn)，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流能改變同步機(jī)的功率因數(shù)，這是異步電動(dòng)機(jī)辦不到的。 9.4.2 U型曲線 在圖 9.17中，正常勵(lì)磁時(shí)，定子電流最小，過(guò)勵(lì)或欠勵(lì)時(shí)，定子電流都會(huì)增大，定子電流和勵(lì)磁電流之間的關(guān)系像U字形，故圖圖 9.19 同步電動(dòng)機(jī)同步電動(dòng)機(jī)U形曲線形曲線稱U形曲線。 圖中，在相同勵(lì)磁電流下，功率增大，定子電流也增大，曲線向右上方移動(dòng)。把每條曲線的的點(diǎn)連起來(lái)成為 的線。該線微微右斜，說(shuō)明輸出的純有功功率增大時(shí)，必須增加勵(lì)磁電流。 由圖可知， 線左邊是欠勵(lì)區(qū)，右邊是過(guò)勵(lì)區(qū)。嚴(yán)重欠勵(lì)將導(dǎo)致電機(jī)進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)，見(jiàn)圖 9.19 。 也可用另一種思路理解功率因數(shù)可調(diào)的原因：轉(zhuǎn)子欠勵(lì)時(shí)，定子需從電源吸收滯后的無(wú)功功率來(lái)建立磁場(chǎng)；轉(zhuǎn)子過(guò)勵(lì)時(shí)，需要從電源吸收超前的無(wú)功功率來(lái)建立磁場(chǎng)；轉(zhuǎn)子正常勵(lì)磁時(shí)，不需要定子邊提供無(wú)功功率。 9.5 9.5 同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng) 9.5.1 同步電動(dòng)機(jī)的異步啟動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)的異步啟動(dòng) 同步電機(jī)沒(méi)有啟動(dòng)力矩，解決方法之一是在凸極轉(zhuǎn)子上裝啟動(dòng)繞組