李發(fā)海電機與拖動基礎(chǔ)第四版第九章

第九章同步電動機9.1概述

三相交流電機的轉(zhuǎn)速滿足方程式的電機就稱為同步電機。由于我國交流電源的頻率恒為50HZ,所以同步機的轉(zhuǎn)速與極對數(shù)間有嚴格的對應(yīng)關(guān)系。

同步電機主要用作發(fā)電機。對大功率生產(chǎn)機械，由于同步電機比同容量的異步電機的功率因數(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機也獲得廣泛應(yīng)用。

同步電機的定子結(jié)構(gòu)與三相異步電機完全相同；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)裝有勵磁繞組，如圖9.2所示，用于大容量、高轉(zhuǎn)速的同步機。圖9.1凸極同步電動機圖9.2隱極同步電動機轉(zhuǎn)子

同步電機的電源有兩種，即有勵磁機供電或交流電源整流供電，都可方便地調(diào)節(jié)勵磁電流。

國產(chǎn)同步電機的型號如TD118/41-6的含義如下：

常用同步電機的型號有TD系列、TDK系列、TDZ系列、TDK系列、TDG系列和TDL。

同步電機的額定數(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（），額定勵磁電壓（）和額定勵磁電流（）。9.2同步電動機的電磁關(guān)系

9.2.1同步電動機的磁通勢

將同步機定子繞組接到三相對稱電源上時，便產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的電樞磁通勢，用空間矢量表示，設(shè)其作逆時針以同步速轉(zhuǎn)動。由轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的磁通勢叫勵磁磁通勢，也是一個空間矢量，與轉(zhuǎn)子一起逆時針旋轉(zhuǎn)。下面先分析勵磁磁通勢單獨作用的況。

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)生的磁通依縱軸對稱分布，并隨轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)，見圖9.4。圖9.3同步電機的縱軸與橫軸圖9.4由勵磁磁通勢單獨產(chǎn)生的磁通而雖然與同步，但位置卻不同，即不在縱軸上，由于凸極同步機氣隙很不均勻，無法計算磁通，故提出雙反應(yīng)原理。

9.2.2凸極同步機的雙反應(yīng)原理設(shè)電樞磁通勢與勵磁磁通勢已經(jīng)給定，見圖9.5（a）。由于這兩個磁通勢相對靜止，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，他們分別為縱軸和橫軸的對稱磁路，這就給分析問題帶來方便，這種分析問題的方法稱為雙反應(yīng)原理。將單獨在主磁路里產(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針旋轉(zhuǎn)。圖9.5縱軸與橫軸磁通勢及磁通電樞磁通勢的大小為縱軸磁通勢可寫成橫軸磁通勢可寫成由于三相對稱，只取其一相，則與縱軸和橫軸對應(yīng)的電流可分別表示成與，根據(jù)關(guān)系式可得：

9.2.3凸極同步電動機電壓平衡方程式

將、、分別在繞組中的感應(yīng)電動勢表示為、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，對同一臺電機都是數(shù)。

把式（9-2）、式（9-3）代入式（9-1）得：再將代入上式，整理得：圖9.6同步電機各電量的正方向

（用電動機慣例）在同步機容量較大時可忽略，于是得：

（9-4）式中稱為縱軸同步電抗，稱為橫軸同步抗。由于同步機作電動機運行，必有，即定子相電流有功分量與相電壓同相位。9.2.4凸極同步電動機的電動勢相量圖

根據(jù)式（9-4）的關(guān)系式，畫出同步機運行于電動機狀態(tài)的<的向量圖，見圖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，凸極同步電動機的電磁關(guān)系符合圖9.8的思路。

9.2.5隱極同步電動機

由于隱極同步電動機氣隙是均勻的，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機的同步電抗。對隱極式同步電動機，式（9-4）變?yōu)椋?/p>

（9-5）圖9.9是該電動機的電動勢向量圖。圖9.9隱極式同步電動機的電動勢向量圖

9.3同步電動機的功率關(guān)系與矩角特性9.3.1功率關(guān)系

同步電動機的輸入功率減去定子繞組同耗就是電磁功率，即再從電磁功率中扣除鐵耗和機械損耗變?yōu)檩敵龅臋C械功率即（9-6）其中，鐵耗和機械損耗之和稱為空載損耗，即。圖9.11為同步電動機的功率流程圖。圖9.11同步電動機的功率流程圖依據(jù)電磁功率就可算出電磁轉(zhuǎn)矩為：，式中為同步電動機的角速度。

將式（9-6）等號兩邊都除以，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功角特性

電網(wǎng)的電源電壓、頻率通常不變，若保持勵磁電流也變，則也不變，而，為已知數(shù)，因此與為函數(shù)關(guān)系。我們把的關(guān)系式稱為同步電動機的功角特性，見圖9.12。圖9.12凸極同步機的功角、矩角特性式中第一項時主要的，為勵磁功率，即，見圖9.12曲線1,。當(dāng)時，勵磁功率達到最大，為第二項為凸極電磁功率，即當(dāng)時，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矩角特性

把式（9-7）等號兩邊同除以機械角速度Ω，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，與矩角特性僅差個比例尺。而隱極電機的參數(shù)，于是式（9-7）變?yōu)椋哼@就是隱極電機的工角特性。

上式兩邊同除以Ω，則得隱極同步機的矩角特性的關(guān)系式：圖9.13為隱極同步機的矩角特性。圖9.13隱極同步電動機的矩角特性在固定勵磁電流的條件下，隱極1式同步電機的最大電磁功率與最大電磁轉(zhuǎn)矩分別為：

9.3.5穩(wěn)定運行1.當(dāng)電動機在θ范圍內(nèi)拖動負載見圖9.14（a），在角時，電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩相平衡即，當(dāng)負載增到時，轉(zhuǎn)子減速使θ角增至，與其對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩為，若此時則電機繼續(xù)同步運行。而當(dāng)負載又恢復(fù)到圖9.14同步電動機的穩(wěn)定運行時，電動機的θ又恢復(fù)到，所以電動機能穩(wěn)定運行。

2.當(dāng)電機帶負載運行在范圍內(nèi)本來電機運行于，見圖9.14（b），此時電磁轉(zhuǎn)矩與負載相平衡，即，現(xiàn)在負載突然增至，此時θ角增至，對應(yīng)電磁轉(zhuǎn)矩小于負載轉(zhuǎn)矩，即，這樣，θ角繼續(xù)增大，電磁轉(zhuǎn)矩繼續(xù)變小，找不到平衡點，轉(zhuǎn)子失去同步，無法穩(wěn)定運行。同步電動機負載變化時，θ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，所以同步電機的機械特性為一條直線，是硬特性。同步電動機最大電磁轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比叫過載倍數(shù)，用λ表示，即

θ角有雙重含義。一為與之間的時間電角度；二為勵磁磁通勢與與合成磁通間的空間電角度。對應(yīng)，圖9.15等效磁極

近似對應(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)電機運行狀態(tài)，反子為電動機運行狀態(tài)。

9.4同步電動機功率因數(shù)的調(diào)節(jié)

9.4.1同步電動機功率因數(shù)的調(diào)節(jié)

同步電動機在電源電壓U、頻率f不變，其有功負載保持常數(shù)時，改變其勵磁電流，就能調(diào)節(jié)它的功率因數(shù)。忽略空載轉(zhuǎn)矩，同步機負載不變，可認為是電磁轉(zhuǎn)矩不變，即，根據(jù)（9-8）式，有

由于上式中，U、Ω

和都是常數(shù)，則上式可寫成（9-9）同理，負載轉(zhuǎn)矩不變，可認為輸入功率不變，忽略各種損耗后，可認為在電壓不變的條件下，必有（9-10）該式表示負載不變時，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磁電流對應(yīng)不同電動勢的向量圖，如圖9.17所示。圖中所以由圖可以看出調(diào)節(jié)勵磁電流時，同步電動機的功率因數(shù)的變化規(guī)律如下：圖9.17同步電動機機械負載不變，僅改變勵磁電流的電動勢相量圖（1）若勵磁電流為時，定子電流與同相，稱為正常勵磁狀態(tài)，見圖9.17中的，相量。這類似純電阻狀態(tài)，。（2）減小勵磁電流，稱為欠勵狀態(tài)，見圖中的和。此時定子電流落后為角，像電感電阻負載。（3）增加勵磁電流，稱為過勵狀態(tài)，見圖中的和。此時定子電流超前為，像電容電阻負載。這是同步電動機常運行的狀態(tài)?？梢姡{(diào)節(jié)勵磁電流能改變同步機的功率因數(shù)，這是異步電動機辦不到的。

9.4.2U型曲線在圖9.17中，正常勵磁時，定子電流最小，過勵或欠勵時，定子電流都會增大，定子電流和勵磁電流之間的關(guān)系像U字形，故圖9.19同步電動機U形曲線稱