同步電動(dòng)機(jī)相關(guān)理論

6.9同步電動(dòng)機(jī)與同步補(bǔ)償機(jī)一、同步電機(jī)的可逆原理改變電樞電流的參考方向，以輸入電流作為電樞電流的正方向，記為IM，此時(shí)輸入電功率為正值，電壓方程式為

隱極同步電動(dòng)機(jī)

1.同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程和向量圖二、同步電動(dòng)機(jī)畫凸極同步電動(dòng)機(jī)向量圖時(shí)，需要先確定ψ0M角。凸極同步電動(dòng)機(jī)2.同步電動(dòng)機(jī)的功角特性，功率方程和轉(zhuǎn)矩方程在電動(dòng)機(jī)慣例下，把

滯后

的功率角為正，用M表示，則這時(shí)電磁功率為正，表示從電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。將上式除以同步角速度Ωs，便得電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動(dòng)性質(zhì)的。功率方程Pe=pFe+pΩ+P2

Te=T0+T2Te為電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T0為空載轉(zhuǎn)矩T2為輸出轉(zhuǎn)矩P1=pcua+Pe轉(zhuǎn)矩方程3.同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性

同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性包括工作特性和V形曲線兩部分。U=UN、If=IfN時(shí)，Te、IM、η、cosφM=f(P2)。當(dāng)輸出功率P2=0時(shí)，電樞電流為很小的空載電流；隨著輸出功率的增加，電樞電流也隨之增大，電樞電流也隨之增大，IM=f(P2)近似為一直線。（1）工作特性

Te=f(P2)是一條直線同步電動(dòng)機(jī)的效率特性與其他電機(jī)基本相同。空載時(shí)，η=0，隨著輸出功率的增加，效率逐步增加，達(dá)到某個(gè)最大之后開始下降。同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)特性與額定功率因數(shù)有關(guān)。曲線1對(duì)應(yīng)勵(lì)磁電流較小，空載時(shí)功率因數(shù)等于1。曲線2對(duì)應(yīng)勵(lì)磁電流稍大，半載時(shí)功率因數(shù)等于1。曲線3對(duì)應(yīng)勵(lì)磁電流更大，滿載時(shí)功率因數(shù)等于1。改變勵(lì)磁電流，可使電動(dòng)機(jī)在任意特定負(fù)載下的功率因數(shù)達(dá)到1，甚至變成超前。同步電動(dòng)機(jī)的最大電磁功率與額定功率之比，稱為過(guò)載能力。和發(fā)電機(jī)一樣，增加電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁，可以提高最大電磁功率Pe(max)，從而提高過(guò)載能力。U=UN，Pe=C時(shí)，IM=f(If)。(2)V形曲線內(nèi)功率因數(shù)角為：4.同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)僅在同步轉(zhuǎn)速時(shí)才產(chǎn)生恒定的同步電磁轉(zhuǎn)矩。起動(dòng)時(shí)若把定子直接投入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子加上直流勵(lì)磁，則定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，而轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)靜止不動(dòng)，定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)之間具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以作用在轉(zhuǎn)子上的同步電磁轉(zhuǎn)矩正、負(fù)交變，平均轉(zhuǎn)矩為零，電機(jī)不能自行起動(dòng)。因此，要把同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)起來(lái)，必須借助其他方法。起動(dòng)方法異步起動(dòng)法輔機(jī)起動(dòng)法變頻起動(dòng)法（1）異步起動(dòng)法起動(dòng)繞組：電機(jī)的主極極靴上設(shè)有起動(dòng)繞組，相當(dāng)于感應(yīng)電機(jī)的鼠籠繞組。起動(dòng)方法：起動(dòng)時(shí)，先把勵(lì)磁繞組通過(guò)電阻短接，然后把定子繞組接到三相交流電網(wǎng)。依靠定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電流所產(chǎn)生的異步電磁轉(zhuǎn)矩，電機(jī)便能轉(zhuǎn)起來(lái)。自耦變壓器籠形起動(dòng)繞組＋－運(yùn)行起動(dòng)異步起動(dòng)時(shí)的線路圖待轉(zhuǎn)速上升到接近于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，再將勵(lì)磁電流接入勵(lì)磁繞組，使轉(zhuǎn)子建立主極磁場(chǎng)。此時(shí)依靠定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用所產(chǎn)生的同步電磁轉(zhuǎn)矩，再加上由于凸極效應(yīng)所引起的磁阻轉(zhuǎn)矩，便可能將轉(zhuǎn)子牽入同步。通常選用與同步電動(dòng)機(jī)極數(shù)相同的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)作為輔助電動(dòng)機(jī)，當(dāng)輔助電機(jī)把主機(jī)拖動(dòng)到接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，再用自整步法把主機(jī)投入電網(wǎng)。(2)輔機(jī)起動(dòng)方法(3)變頻起動(dòng)法起動(dòng)時(shí)，加上勵(lì)磁，把變頻電源輸出頻率調(diào)的很低。變頻器＋－緩慢提高變頻器的輸出頻率，直到額定頻率。

切除變頻器。5.同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速和控制方式(1)調(diào)速原理由改變供電電源的頻率，可以方便地控制同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。對(duì)于隱極同步電機(jī)當(dāng)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流不變時(shí)，若采用恒電壓/頻率比控制同步電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩保持不變。(2)控制方式同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)可分為它控式和自控式兩種。自控式是從外部控制變頻器頻率來(lái)準(zhǔn)確地控制轉(zhuǎn)速。這種控制方式簡(jiǎn)單，但有失步和振蕩問題，對(duì)急劇升、降速必須加以限制。自控式是頻率的閉環(huán)控制，采用轉(zhuǎn)子位置傳感器隨時(shí)檢測(cè)定、轉(zhuǎn)子磁極相對(duì)位置和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，由位置傳感器發(fā)出的位置信號(hào)去控制變頻器中主開關(guān)元件的導(dǎo)通順序和頻率。電機(jī)的轉(zhuǎn)速在任何時(shí)候都與變頻器的供電頻率保持嚴(yán)格的同步，故不存在失步和振蕩現(xiàn)象，三、同步補(bǔ)償機(jī)

1.同步補(bǔ)償機(jī)的原理

同步補(bǔ)償機(jī)可以看作為空載運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)。在正常勵(lì)磁時(shí)，電樞電流極小，接近于零。過(guò)勵(lì)時(shí)，從電網(wǎng)吸收超前的無(wú)功電流；欠勵(lì)時(shí)，則從電網(wǎng)吸取滯后的無(wú)功電流。

2.同步補(bǔ)償機(jī)的額定容量和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)同步補(bǔ)償機(jī)的轉(zhuǎn)子上裝有起動(dòng)繞組，供異步起動(dòng)之用。為提高材料利用率，大型補(bǔ)償機(jī)常常采用氫冷。同步補(bǔ)償機(jī)的額定容量是按過(guò)勵(lì)時(shí)所能補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率來(lái)確定，其容量主要受定、轉(zhuǎn)子繞組溫升的限制。由于補(bǔ)償機(jī)不帶任何機(jī)械負(fù)載，故可沒有軸伸，對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)要求亦較低。允許其同步電抗稍大，因而電機(jī)的用銅量較少、造價(jià)較低。6.10同步發(fā)電機(jī)的不對(duì)稱運(yùn)行不對(duì)稱運(yùn)行的原因：系統(tǒng)內(nèi)接有較大的單相負(fù)載；雷擊；不對(duì)稱短路。不對(duì)稱運(yùn)行的分析方法：對(duì)稱分量法二、同步發(fā)電機(jī)的各相序阻抗和等效電路同步發(fā)電機(jī)不對(duì)稱運(yùn)行時(shí)電壓和電流的對(duì)稱分量分別為，由于轉(zhuǎn)子對(duì)各相序電流所產(chǎn)生磁場(chǎng)的反應(yīng)不同，使各相序阻抗互不相同?？紤]到對(duì)稱繞組中感應(yīng)的勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)只有正序分量，可畫出各相序的等效電路。，對(duì)應(yīng)的電壓方程為

1.正序阻抗和正序等效電路

在轉(zhuǎn)子正向同步旋轉(zhuǎn)、勵(lì)磁繞組接通，電樞三相繞組流過(guò)對(duì)稱的正序電流時(shí)，同步電機(jī)所表現(xiàn)的阻抗稱為正序阻抗，用Z+表示。上述情況實(shí)質(zhì)上就是前面所研究的對(duì)稱運(yùn)行情況，所以穩(wěn)態(tài)情況下同步電機(jī)的正序阻抗。

Z+＝R＋＋jX＋Z+就是隱極電機(jī)的同步阻抗正序電阻R＋就是電樞電阻Ra，即R＋＝Ra正序電抗X＋就是同步電抗Xs

，即X＋＝Xs對(duì)于隱極電機(jī)對(duì)于凸極電機(jī)當(dāng)電樞磁動(dòng)勢(shì)與直軸重合時(shí)，X＋＝Xd當(dāng)電樞磁動(dòng)勢(shì)與交軸重合時(shí)，X＋＝Xq在其他位置時(shí)，X＋的值將在Xd和Xq之間2.負(fù)序阻抗和負(fù)序等效電路在轉(zhuǎn)子正向同步旋轉(zhuǎn)、勵(lì)磁繞組短接，電樞三相繞組流過(guò)一組對(duì)稱的負(fù)序電流時(shí)，同步電機(jī)所表現(xiàn)的阻抗成為負(fù)序阻抗，用Z-表示。此時(shí)該同步電機(jī)相當(dāng)于s=2的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。故把s=2帶入感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的等效電路，并考慮到交軸及直軸的差別，就可得到同步電機(jī)的負(fù)序阻抗，分別討論轉(zhuǎn)子上有、無(wú)阻尼繞組兩種情況。（1）轉(zhuǎn)子無(wú)阻尼繞組Z-q=Ra+jXqZ-d將近似地等于負(fù)序電抗X-為（2）轉(zhuǎn)子有阻尼繞組直軸和交軸的負(fù)序電抗將近似等于稱為交軸超瞬態(tài)電抗稱為直軸超瞬態(tài)電抗如果轉(zhuǎn)子的阻尼作用極強(qiáng)，則負(fù)序電抗將接近于電樞繞組的漏抗。而負(fù)序電抗X-則近似等于阻尼回路的參數(shù)對(duì)負(fù)序電抗的影響較大。結(jié)論：轉(zhuǎn)子的阻尼作用越強(qiáng)（即阻尼繞組的漏阻抗越小），X-越小。電樞電流產(chǎn)生的負(fù)序氣隙磁場(chǎng)被轉(zhuǎn)子阻尼繞組中感應(yīng)電流所產(chǎn)生的去磁磁場(chǎng)抵消得就越多，合成負(fù)序磁場(chǎng)就越弱。3.零序阻抗和零序等效電路在轉(zhuǎn)子正向同步旋轉(zhuǎn)、勵(lì)磁繞組短接，電樞三相繞組流過(guò)一組零序電流時(shí)，同步電機(jī)所表現(xiàn)的阻抗稱為零序阻抗，用Z0表示。

當(dāng)電樞三相對(duì)稱繞組通入零序電流時(shí)，由于各相的零序電流為同幅值、同相位，故氣隙基波合成磁動(dòng)勢(shì)和磁場(chǎng)將等于零，零序電抗X0屬于漏電抗性質(zhì)。分析表明若繞組為整距，則X0與定子漏抗Xσ基本相等若繞組為短距，則X0<Xσ零序電阻R0就是電樞電阻Ra零序阻抗Z0等于Z0＝R0＋jX0設(shè)同步發(fā)電機(jī)的A相對(duì)中點(diǎn)短路，B、C相為空載。二、同步發(fā)電機(jī)的單相短路發(fā)電機(jī)端點(diǎn)的約束條件為：?jiǎn)蜗喾€(wěn)態(tài)短路電流比三相穩(wěn)態(tài)短路電流大。B相和C相的開路電壓為:單相短路時(shí)，定子短路電流中除基波分量外，還有3次，5次…等奇次諧波；轉(zhuǎn)子電流中除直流勵(lì)磁分量外，還將含有一系列偶次諧波。定子繞組的脈振磁場(chǎng)分解為兩個(gè)大小相等轉(zhuǎn)向相反的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)反向的負(fù)序磁場(chǎng)將以2ns的相對(duì)轉(zhuǎn)速“切割”轉(zhuǎn)子在勵(lì)磁繞組內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)頻率為2f1的感應(yīng)電流產(chǎn)生一個(gè)頻率為2f1的脈振磁場(chǎng)分解為兩個(gè)大小相等轉(zhuǎn)向相反的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在空間的旋轉(zhuǎn)速度分別為-ns和3ns3ns的這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)將在定子繞組內(nèi)感生3f1（150Hz）的電動(dòng)勢(shì)和短路電流定子中有一系列奇次諧波，轉(zhuǎn)子中有一系列偶次諧波三、同步發(fā)電機(jī)的線間短路

設(shè)B、C兩相發(fā)生線間短路，A相為空載。現(xiàn)分析其短路電流和A相開路電壓

B、C相線間短路、A相空載時(shí)，發(fā)電機(jī)端點(diǎn)的約束條件為由于?0＝0，所以零序系統(tǒng)可以不予考慮。正序和負(fù)序電流為：短路電流則為：正、負(fù)序電壓為：開路相電壓為：三相穩(wěn)態(tài)短路電流<兩相穩(wěn)態(tài)短路電流<單相穩(wěn)態(tài)短路電流6.11同步發(fā)電機(jī)的三相突然短路同步發(fā)電機(jī)突然短路時(shí)，各繞組中會(huì)出現(xiàn)很大的沖擊電流，其峰值可達(dá)額定電流的10倍以上，因而將在電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生很大的電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩。為了簡(jiǎn)化分析，作如下假設(shè)：(1)在整個(gè)電磁瞬態(tài)過(guò)程中，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速保持同步轉(zhuǎn)速；(2)不計(jì)磁路飽和，因而可利用疊加原理來(lái)分析；(3)突然短路前，發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行；(4)轉(zhuǎn)子上只有勵(lì)磁繞組。一、超導(dǎo)回路磁鏈?zhǔn)睾阍泶艠O相對(duì)于回路移動(dòng)在回路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)感應(yīng)電流產(chǎn)生一自感磁鏈和自感電動(dòng)勢(shì)電壓方程為超導(dǎo)體閉合回路的總磁鏈保持不變。二、三相突然短路過(guò)程中的基本電磁關(guān)系1．定子各相繞組的磁鏈轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)產(chǎn)生的定子三相繞組磁鏈定子三相繞組磁鏈初值分別為

勵(lì)磁繞組磁鏈初始值為

突然短路后定子各相繞組的磁鏈定子三相短路電流產(chǎn)生的與定子繞組交鏈的磁鏈

2．定子各相繞組的電流3．轉(zhuǎn)子繞組的電流和磁鏈

突然短路后轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組總電流的表達(dá)式為

對(duì)應(yīng)的磁鏈?zhǔn)?．瞬態(tài)磁場(chǎng)和瞬態(tài)電抗直軸瞬態(tài)主磁路磁阻直軸瞬態(tài)主磁路磁導(dǎo)直軸瞬態(tài)磁路磁導(dǎo)直軸瞬態(tài)電抗三、突然短路電流及其衰減時(shí)間常數(shù)1．各個(gè)電流分量定子短路電流周期性分量

定子短路電流非周期性分量

勵(lì)磁繞組電流的周期性分量

三相短路電流的穩(wěn)態(tài)分量2．突然短路電流的衰減變化規(guī)律（1），瞬態(tài)分量，與勵(lì)磁繞組中的非周期性分量對(duì)應(yīng)；（2），穩(wěn)態(tài)分量，與恒定勵(lì)磁電流對(duì)應(yīng)；（3）非周期分量，與勵(lì)磁繞組中的周期性分量對(duì)應(yīng)。穩(wěn)態(tài)分量不衰減；與對(duì)應(yīng)的瞬態(tài)分量衰減時(shí)間常數(shù)為；與對(duì)應(yīng)的非周期分量衰減時(shí)間常數(shù)。勵(lì)磁繞組非周期電流和定子電流瞬態(tài)分量衰減的時(shí)間常數(shù)

定子非周期電流衰減時(shí)間常數(shù)

定子繞組短路時(shí)，勵(lì)磁繞組的等效電抗三相突然短路（無(wú)阻尼繞組）的A相電流波形有阻尼繞組時(shí)三相突然短路電流為超瞬變分量，；是直軸阻尼繞組非周期電流和定子電流超瞬態(tài)分量衰減的時(shí)間常數(shù)。最大沖擊電流某相交鏈的磁鏈達(dá)正最大值時(shí)短路，若不考慮衰減，經(jīng)過(guò)半個(gè)周期后最大沖擊電流為

，可達(dá)實(shí)際衰減后最大電流也可達(dá)到。三相突然短路（有阻尼繞組）的A相電流波形

6．12永磁同步電機(jī)一、永磁同步電動(dòng)機(jī)1．異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)

異步起動(dòng)永磁電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩發(fā)電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩異步驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩單軸轉(zhuǎn)矩，時(shí)產(chǎn)生。2．正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)電機(jī)本體；轉(zhuǎn)子位置