三相同步電動(dòng)機(jī)建模和特性

1、三相同步電動(dòng)機(jī)建模和特性各類(lèi)同步電動(dòng)機(jī)的圖片各類(lèi)同步電動(dòng)機(jī)的圖片內(nèi)容簡(jiǎn)介 三相同步電機(jī)的基本運(yùn)行原理三相同步電機(jī)的基本運(yùn)行原理結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)電磁關(guān)系電磁關(guān)系數(shù)數(shù)學(xué)模型（即基本方程式和等效電路和相量圖）學(xué)模型（即基本方程式和等效電路和相量圖）功功率流程圖率流程圖 三相同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性（矩角特性與三相同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性（矩角特性與V V形曲線）的分析與計(jì)算。形曲線）的分析與計(jì)算。8.1 8.1 三相同步電機(jī)的基本運(yùn)行原理三相同步電機(jī)的基本運(yùn)行原理A、三相同步電動(dòng)機(jī)的基本運(yùn)行原理、三相同步電動(dòng)機(jī)的基本運(yùn)行原理 圖給出了同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖和相應(yīng)的定子空間軸線位置。圖中，A-X、B-Y、C-Z分別表示等效

2、的定子三相繞組。圖8.1 同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖 若在同步電動(dòng)機(jī)的定子三相對(duì)稱(chēng)繞組中分別通以如下三相對(duì)稱(chēng)電流：)240cos(2)120cos(2)cos(2111tIitIitIiCBA則在三相對(duì)稱(chēng)電流的作用下，定子三相對(duì)稱(chēng)繞組必然產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)和磁場(chǎng)，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速（即同步速）為：pfn1160 上式表明：同步速既取決于電機(jī)自身的極對(duì)數(shù)，又取決于外部通電頻率。改變?nèi)嗬@組的通電相序，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)將反向。 與異步電動(dòng)機(jī)不同，同步電機(jī)采用的是雙邊激磁同步電機(jī)采用的是雙邊激磁，即不僅定子繞組通以三相交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)和磁場(chǎng)，而且轉(zhuǎn)子繞組也通以直流勵(lì)磁（或采用永磁體）產(chǎn)生磁勢(shì)和磁場(chǎng)，從而要求轉(zhuǎn)

3、子轉(zhuǎn)速必須與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)保持同步（其轉(zhuǎn)差為零），才能產(chǎn)生有效的電磁轉(zhuǎn)矩。 在原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)下，轉(zhuǎn)子磁極以同步速拖動(dòng)氣隙合成磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，在原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)下，轉(zhuǎn)子磁極以同步速拖動(dòng)氣隙合成磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，因而在定子繞組中感應(yīng)電勢(shì)，并輸出電功率，從而將原動(dòng)機(jī)輸入的因而在定子繞組中感應(yīng)電勢(shì)，并輸出電功率，從而將原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械功率轉(zhuǎn)換為電功率輸出，實(shí)現(xiàn)了機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。機(jī)械功率轉(zhuǎn)換為電功率輸出，實(shí)現(xiàn)了機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。 同步發(fā)電機(jī)的工作原理：同步發(fā)電機(jī)的工作原理：B、同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)、同步電機(jī)的結(jié)構(gòu) 同步電機(jī)定子的結(jié)構(gòu)與異步電機(jī)完全相同，而轉(zhuǎn)子則有所不同。按照轉(zhuǎn)子勵(lì)磁方式的不同，同步電機(jī)可分為永磁式同步電機(jī)和轉(zhuǎn)子帶直流勵(lì)磁繞組

4、的同步電機(jī)；按照轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同，同步電機(jī)又分為隱極式同步電機(jī)隱極式同步電機(jī)和凸極式同步電機(jī)凸極式同步電機(jī)。 圖8.2 同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)隱極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)實(shí)物凸極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)實(shí)物單個(gè)凸極式轉(zhuǎn)子主極C、同步電機(jī)的三種運(yùn)行狀態(tài)、同步電機(jī)的三種運(yùn)行狀態(tài)圖、b、c分別給出了三相同步電機(jī)的幾種不同運(yùn)行狀態(tài)的示意圖。圖8.3 三相同步電機(jī)的不同運(yùn)行狀態(tài)示意圖C、同步電機(jī)的額定數(shù)據(jù)、同步電機(jī)的額定數(shù)據(jù)l 額定功率額定功率 ；l 額定電壓額定電壓 ；l 額定電流額定電流 ；l 額定功率因數(shù)額定功率因數(shù) ；l 額定頻率額定頻率 ( (Hz) )；l 額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速 ( (r/min) )，即為同步速；，即為同步速；l

5、額定效率額定效率 ；此外，還包括：轉(zhuǎn)子額定勵(lì)磁功率此外，還包括：轉(zhuǎn)子額定勵(lì)磁功率 、額定勵(lì)磁電壓、額定勵(lì)磁電壓 以及額定以及額定溫升等。溫升等。NfNPNUNINcosNnNfNPfNU 額定數(shù)據(jù)之間滿足下列關(guān)系式： 對(duì)于三相同步發(fā)電機(jī)：對(duì)于三相同步發(fā)電機(jī)：NNNNNNIUSPcoscos3對(duì)于三相同步電動(dòng)機(jī)：對(duì)于三相同步電動(dòng)機(jī)：NNNNNIUPcos38.2 8.2 三相同步電機(jī)的電磁關(guān)系三相同步電機(jī)的電磁關(guān)系A(chǔ)、三相同步電機(jī)空載時(shí)的電磁關(guān)系、三相同步電機(jī)空載時(shí)的電磁關(guān)系空載：空載： 同步電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，電樞電流同步電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，電樞電流 。0aI 若在轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)通以直流勵(lì)磁電流 ，則轉(zhuǎn)子

6、的直流勵(lì)磁磁勢(shì)（或安匝數(shù)） 為：fIfFfffFN I（8-1） 由勵(lì)磁磁勢(shì) 建立主磁場(chǎng)并產(chǎn)生主磁通 ，主磁通 以同步速切割定子繞組，定子繞組所感應(yīng)的電勢(shì) ，其電磁關(guān)系可用圖表示之。fF000E圖8.4 同步電機(jī)空載運(yùn)行的電磁關(guān)系 根據(jù)電磁感應(yīng)定律， 可表示為：0E011104.44wEjf N k （8-2）其中， 為定子繞組感應(yīng)電勢(shì)的頻率，它由下式給出：1f6011npf （8-3） 改變 的大小，主磁通 將發(fā)生變化， 也將隨之發(fā)生改變。 與 之間的關(guān)系又稱(chēng)為同步電同步電機(jī)的空載特性機(jī)的空載特性。典型同步電機(jī)的空載特性如圖所示。fI00E0EfI圖8.5 典型同步電機(jī)的空載特性 根據(jù)式（8

7、-2）繪出同步電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)的時(shí)空相量圖如圖所示。圖8.5 同步電機(jī)空載時(shí)的時(shí)-空相量圖 B、三相同步電機(jī)負(fù)載后的電樞反應(yīng)、三相同步電機(jī)負(fù)載后的電樞反應(yīng)電樞反應(yīng)：電樞反應(yīng)： 同步電機(jī)負(fù)載后，定子三相對(duì)稱(chēng)繞組中就有三相對(duì)稱(chēng)電流流過(guò)，同步電機(jī)負(fù)載后，定子三相對(duì)稱(chēng)繞組中就有三相對(duì)稱(chēng)電流流過(guò)，從而在定子中產(chǎn)生以同步速旋轉(zhuǎn)的電樞磁勢(shì)從而在定子中產(chǎn)生以同步速旋轉(zhuǎn)的電樞磁勢(shì) 和磁場(chǎng)和磁場(chǎng) ，它與以同，它與以同步速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁勢(shì)步速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁勢(shì) 和主磁場(chǎng)和主磁場(chǎng) 保持相對(duì)靜止，因此可以疊加產(chǎn)保持相對(duì)靜止，因此可以疊加產(chǎn)生有效的氣隙磁勢(shì)生有效的氣隙磁勢(shì) 和磁場(chǎng)和磁場(chǎng) 。 換句話說(shuō)，與空載運(yùn)行相比，同步電機(jī)負(fù)載

8、后的氣隙磁場(chǎng)將發(fā)換句話說(shuō)，與空載運(yùn)行相比，同步電機(jī)負(fù)載后的氣隙磁場(chǎng)將發(fā)生改變，這一變化是由電樞磁勢(shì)引起的。通常，把定子電樞磁勢(shì)對(duì)生改變，這一變化是由電樞磁勢(shì)引起的。通常，把定子電樞磁勢(shì)對(duì)主磁場(chǎng)的影響稱(chēng)為主磁場(chǎng)的影響稱(chēng)為電樞反應(yīng)電樞反應(yīng)。 aFaBfF0BFB相應(yīng)于電樞反應(yīng)的磁勢(shì)又稱(chēng)為電樞反應(yīng)磁勢(shì)電樞反應(yīng)磁勢(shì)，其大小可以表示為： awaIpkNmF1119 . 02（8-4） 既然勵(lì)磁磁勢(shì) 和電樞磁勢(shì) 均以同步速旋轉(zhuǎn)，兩者相對(duì)靜止，因而可以相互疊加共同產(chǎn)生氣隙磁勢(shì) 。于是，氣隙磁勢(shì)可以表示為：afFFFfFaFF（8-5） 電樞磁勢(shì) 對(duì)主磁勢(shì) 的影響結(jié)果取決于 與 之間的空間相對(duì)位置，即 與 之

9、間的夾角 （又稱(chēng)為內(nèi)功率因數(shù)角內(nèi)功率因數(shù)角）。下面僅以同步發(fā)電機(jī)為例對(duì)電樞磁勢(shì) 對(duì)主磁勢(shì) 的影響結(jié)果討論如下：aFfFaFfF0EaIaFfFa、當(dāng)、當(dāng) 與與 同相（即同相（即 ）時(shí)）時(shí)aI0E0 圖給出了當(dāng) 與 同相時(shí)的時(shí)-空相量圖。aI0E圖8.7 與 同相時(shí)的時(shí)空相量圖aI0E 由圖可見(jiàn)： 與 空間上相互垂直，此時(shí)電樞反應(yīng)表現(xiàn)為交磁作用交磁作用。由于電樞磁勢(shì) 沿交軸（即q軸）方向，相應(yīng)的電樞反應(yīng)又稱(chēng)為交軸電樞反應(yīng)交軸電樞反應(yīng)。此時(shí)， 一般用 來(lái)表示。aFfFaFaFaqFFfF 交軸電樞反應(yīng)使得氣隙合成磁勢(shì) 的幅值有所增加，相位滯后于 一定角度。b、當(dāng)、當(dāng) 滯后滯后 （即（即 ）時(shí)）時(shí)a

10、I0E90 圖給出了 滯后于 時(shí)的時(shí)空向量圖。 aI0E90圖8.8 滯后于 時(shí)的時(shí)空相量圖aI0E 由圖可見(jiàn)： 與 方向相反，導(dǎo)致合成氣隙磁場(chǎng)削弱，電樞反應(yīng)表現(xiàn)為去磁作用去磁作用。由于電樞反應(yīng)沿d 軸方向，相應(yīng)的電樞反應(yīng)又稱(chēng)為直軸電樞反應(yīng)直軸電樞反應(yīng)。此時(shí)， 一般用 來(lái)表示。aFfFaFadF 直軸電樞反應(yīng)對(duì)同步電機(jī)的運(yùn)行特性有較大影響。c、當(dāng)、當(dāng) 超前超前 （即（即 ）時(shí)）時(shí)aI0E909090圖給出了 超前于 時(shí)的時(shí)空相量圖。aI0E圖8.9 超前于 時(shí)的時(shí)空相量圖aI0E 由圖可見(jiàn)： 與 方向相同，導(dǎo)致合成氣隙磁場(chǎng)加強(qiáng)。此時(shí)，電樞反應(yīng)表現(xiàn)為助磁作用助磁作用。由于電樞反應(yīng)沿d軸方向，相應(yīng)

11、的電樞反應(yīng)仍為直軸電樞反直軸電樞反應(yīng)應(yīng)。aFfFc、當(dāng)、當(dāng) 滯后于滯后于 角（即一般情況）時(shí)角（即一般情況）時(shí)aI0E 圖給出了 滯后于 角時(shí)的時(shí)空向量圖。aI0E圖8.10 滯后于 角時(shí)的時(shí)空相量圖aI0E 由圖可見(jiàn)：此時(shí)， 對(duì) 的影響既包括交磁交磁作用作用又包括去磁作用去磁作用。對(duì)于這種電樞反應(yīng)磁勢(shì) ，通常采用雙反應(yīng)理論雙反應(yīng)理論將其分解為直軸電樞反應(yīng)磁勢(shì)直軸電樞反應(yīng)磁勢(shì) 和交軸電樞反應(yīng)磁勢(shì)交軸電樞反應(yīng)磁勢(shì) 兩個(gè)分量，然后再對(duì)這兩個(gè)磁勢(shì)分量分別作用于直軸和交軸磁路所產(chǎn)生的磁場(chǎng)情況進(jìn)行討論。aFfFaFadFaqF 于是，電樞磁勢(shì) 可表示為：aFaqadaFFF（8-6）cossinaaqa

12、adFFFF其中，（8-7）相應(yīng)的電流分量為：qdaIIIcossinaqadIIII其中， 對(duì)于同步電動(dòng)機(jī)，分析電樞反應(yīng)的影響時(shí)，應(yīng)首先將電樞電流反向，由反向電流產(chǎn)生正向電樞反應(yīng)磁勢(shì)，然后再采取與上述過(guò)程進(jìn)行分析。C、三相同步電機(jī)負(fù)載后的電磁關(guān)系、三相同步電機(jī)負(fù)載后的電磁關(guān)系a a、隱極式同步發(fā)電機(jī)、隱極式同步發(fā)電機(jī) 根據(jù)上一節(jié)的分析，隱極式同步發(fā)電機(jī)負(fù)載后的電磁關(guān)系可總結(jié)為： 上述關(guān)系中， 為定子每相繞組的電阻； 、 分別表示電樞反應(yīng)磁通和定子漏磁通； 、 分別為相應(yīng)的磁通 和 在定子繞組內(nèi)所感應(yīng)的相電勢(shì)。當(dāng)不計(jì)磁路飽和時(shí)，電樞反應(yīng)電勢(shì) 可表示為： ，且 滯后于 （或 ）。于是， 可用下列

13、關(guān)系表示為：araaEEaaEaaaaIFEaEaIaaEaaaIjxE（8-10）式中， 為電樞反應(yīng)電抗電樞反應(yīng)電抗，它反映了電樞反應(yīng)磁通 所經(jīng)過(guò)的磁路情況。axa漏電勢(shì) 可用漏電抗表示為：aIjxE其中， 反映了定子漏磁路的情況。E1xb b、凸極式同步發(fā)電機(jī)、凸極式同步發(fā)電機(jī) 根據(jù)上一節(jié)內(nèi)容，凸極式同步發(fā)電機(jī)負(fù)載后的電磁關(guān)系可總結(jié)為： 上述關(guān)系中， 、 分別表示直軸電樞反應(yīng)磁通和交軸電樞反應(yīng)磁通； 、 分別為相應(yīng)的磁通 和 在定子繞組內(nèi)所感應(yīng)的電勢(shì)。 當(dāng)不計(jì)磁路飽和時(shí)，直軸電樞反應(yīng)電勢(shì) 可表示為： ；交軸電樞反應(yīng)電勢(shì) 可表示為： 。adaqadEaqEadaqadEdadadadIFEa

14、qEqaqaqaqIFE于是 和 可分別用下式表示為：adEaqEqaqaqdadadIjxEIjxE（8-11）式中， 為直軸電樞反應(yīng)電抗直軸電樞反應(yīng)電抗； 為交軸電樞反應(yīng)電抗交軸電樞反應(yīng)電抗。它們分別反映了直軸電樞反應(yīng)磁通 和交軸電樞反應(yīng)磁通 所經(jīng)過(guò)的磁路情況。adxaqxadaq8.3 三相同步電機(jī)的基本方程式、等效三相同步電機(jī)的基本方程式、等效電路與相量圖電路與相量圖A、隱極式同步電機(jī)的基本方程式、等值電路與、隱極式同步電機(jī)的基本方程式、等值電路與相量圖相量圖 a a、隱極式同步發(fā)電機(jī)、隱極式同步發(fā)電機(jī)圖8.11 同步發(fā)電機(jī)各物理量正方向的假定 假定正方向如圖所示（由于電功率趨向于流出

15、電機(jī)，故又稱(chēng)為發(fā)電機(jī)慣例發(fā)電機(jī)慣例），利用上一節(jié)介紹的電磁過(guò)程，由基爾霍夫電壓定律（KVL）得：UrIEEEaaa0 將式（8-10）和漏電勢(shì) 的表達(dá)式代入上式得：EataaaaaaaaaaaIjxIrUIxxjIrUIjxIjxIrUE)(0（8-12）式中， 又稱(chēng)為隱極式同步電機(jī)的同步同步電抗電抗。它綜合反映了電樞反應(yīng)磁通和電樞漏磁通所經(jīng)過(guò)的磁路情況。atxxx根據(jù)式（8-12）繪出隱極式同步發(fā)電機(jī)的相量圖和等效電路如圖所示。圖8.12 隱極式同步發(fā)電機(jī)的相量圖和等效電路圖中， 與 之間的夾角 又稱(chēng)為功率功率角角。它是同步電機(jī)的一個(gè)很重要的物理量。0EUb b、隱極式同步電動(dòng)機(jī)、隱極式同步

16、電動(dòng)機(jī)圖8.13 同步電動(dòng)機(jī)各物理量正方向的假定 假定各物理量的正方向如圖所示（由于電功率趨向于流入電機(jī)，故又稱(chēng)為電動(dòng)機(jī)慣例電動(dòng)機(jī)慣例），很顯然，與圖相比較，僅電樞電流方向發(fā)生改變。為此，只需改變同步發(fā)電機(jī)基本方程式（8-12）中電流 的方向便可獲得隱極式同步電動(dòng)機(jī)的基本方程式。 于是有：aI)()(0ataaIjxIrUE即：ataaIjxIrEU0（8-13）根據(jù)式（8-13），繪出隱極式同步電動(dòng)機(jī)的矢量圖和等效電路如圖所示。 圖8.14 隱極式同步電動(dòng)機(jī)的相量圖和等效電路一般結(jié)論：一般結(jié)論： 對(duì)于同步發(fā)電機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)，其功率角對(duì)于同步發(fā)電機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)，其功率角 有所不同。有所不同。前

17、者前者 超前于超前于 角角（見(jiàn)圖）；后者；后者 滯后于滯后于 角角（見(jiàn)圖）。 0EU0EUB、凸極式同步電機(jī)的基本方程式、等值電路與、凸極式同步電機(jī)的基本方程式、等值電路與相量圖相量圖 a a、凸極式同步發(fā)電機(jī)、凸極式同步發(fā)電機(jī) 根據(jù)上一節(jié)介紹的電磁過(guò)程，并參考圖的正方向假定，由基爾霍夫電壓定律（KVL）得：UrIEEEEaaaqad0將式（8-8）、（8-11）以及漏電勢(shì) 的表達(dá)式代入上式得：EqqddaaqaqdadaaqaqdadqdaaIjxIjxIrUIxxjIxxjIrUIjxIjxIIjxIrUE)()()(0（8-14）式中， 又稱(chēng)為凸極式同步電機(jī)的直軸同直軸同步電抗步電抗；

18、又稱(chēng)為交軸同步電抗交軸同步電抗。它們分別綜合反映了直軸、交軸電樞反應(yīng)磁通和電樞漏磁通所經(jīng)過(guò)的磁路情況。圖給出了交、直軸同步電抗物理意義的示意圖。addxxxaqqxxx圖8.15 交、直軸同步電抗的物理意義根據(jù)式（8-14）便可繪出凸極式同步發(fā)電機(jī)的相量圖如圖所示。 圖8.16 凸極式同步發(fā)電機(jī)的相量圖b b、凸極式同步電動(dòng)機(jī)、凸極式同步電動(dòng)機(jī) 與隱極式同步電機(jī)一樣，對(duì)于凸極式同步電動(dòng)機(jī)，只需改變凸極式同步發(fā)電機(jī)基本方程式（8-14）中的電流方向便可獲得凸極式同步電動(dòng)機(jī)的基本方程式。于是有：)()()(0qqddaaIjxIjxIrUE即：qqddaaIjxIjxIrEU0（8-15）根據(jù)式（

19、8-15）繪出凸極式同步電動(dòng)機(jī)的相量圖如圖所示。圖8.17 凸極式同步電動(dòng)機(jī)的矢量圖 三相同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性與三相同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性與V V形曲線形曲線A、同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性、同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性矩角特性：矩角特性： 定子電壓定子電壓 一定、轉(zhuǎn)子外加直流勵(lì)磁電流一定、轉(zhuǎn)子外加直流勵(lì)磁電流 一定條件下電磁轉(zhuǎn)矩一定條件下電磁轉(zhuǎn)矩 與功率角與功率角 之間的關(guān)系曲線，即之間的關(guān)系曲線，即 。矩角反映了負(fù)載改。矩角反映了負(fù)載改變時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩的變化情況，它相當(dāng)于三相異步電動(dòng)機(jī)的變時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩的變化情況，它相當(dāng)于三相異步電動(dòng)機(jī)的T-ST-S曲線曲線（或機(jī)械特性）（或機(jī)械特性） 。 UfIemT)(fTem

20、 在引入矩角特性之前，首先介紹一下功率流程圖和轉(zhuǎn)矩平衡方程式。a a、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 根據(jù)等效電路（圖），同步電動(dòng)機(jī)定子側(cè)輸入的電功率 可表示為：1PemcuPpP11（8-16）其中，電磁功率 可表示為：emP022)(pPpppPPadmecFeem（8-17）根據(jù)上式繪出同步電動(dòng)機(jī)的功率流程圖如圖所示。圖8.18 同步電動(dòng)機(jī)的功率流程圖b b、同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式、同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式式（8-17）兩邊同除以同步角速度 便可獲得轉(zhuǎn)矩平衡方程式為： 110121pPPem02TTTem即：c c、同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性、同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性矩角特性

21、：矩角特性： 矩角特性定為：矩角特性定為： ，其中，其中， 為為 與與 之間的夾角，之間的夾角，即功率角，它相當(dāng)于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率即功率角，它相當(dāng)于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率s s。)(fTconstUconstIemf0EU 考慮到實(shí)際同步電機(jī)的定子電樞電阻遠(yuǎn)小于同步電抗，故定子電樞電阻可忽略不計(jì)。于是，凸極同步電動(dòng)機(jī)的相量圖（圖）變?yōu)閳D。凸極式同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性凸極式同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性圖8.19 忽略定子電阻時(shí)凸極同步電動(dòng)機(jī)的相量圖 忽略定子繞組電阻 ，則電磁功率與輸入的電功率近似相等，于是有：ar又由相量圖得：ddqqddqqxUEIxUIUExIUxIcossincossin00于是，電

22、磁功率變?yōu)椋?sin)11(21sin20dqdemxxmUxUmEP（8-19）式（8-19）又稱(chēng)為凸極式同步電動(dòng)機(jī)的功角特性功角特性。 將上式兩邊同除以同步角速度 便可獲得相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩為：12sin)11(21sin12101dqdememxxmUxUmEPT（8-20）式（8-20）又稱(chēng)為凸極式同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性矩角特性，它可用圖所示曲線表示之。圖8.20 凸極同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性 結(jié)論：結(jié)論： 凸極式同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩由兩部分組成（見(jiàn)圖）：一部分為凸極式同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩由兩部分組成（見(jiàn)圖）：一部分為基本電磁轉(zhuǎn)矩基本電磁轉(zhuǎn)矩 ，它是由轉(zhuǎn)子直流勵(lì)磁磁勢(shì)和定子氣隙磁場(chǎng)相互，它是由轉(zhuǎn)

23、子直流勵(lì)磁磁勢(shì)和定子氣隙磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的；另一部分是由作用產(chǎn)生的；另一部分是由d d軸和軸和q q軸磁阻不同（又稱(chēng)為凸極效應(yīng)）軸磁阻不同（又稱(chēng)為凸極效應(yīng)）引起的附加電磁轉(zhuǎn)矩引起的附加電磁轉(zhuǎn)矩 。10demxUmET2sin)11(2112dqemxxmUT emTemT 基本電磁轉(zhuǎn)矩基本電磁轉(zhuǎn)矩附加電磁轉(zhuǎn)矩附加電磁轉(zhuǎn)矩附加電磁轉(zhuǎn)矩部分的物理意義可借助于圖加以解釋之。圖8.21 凸極同步電動(dòng)機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩隱極式同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性隱極式同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性 對(duì)于隱極式同步電動(dòng)機(jī)，由于d 軸和q 軸磁阻相同，即 ，將其代入式（8-19），便可獲得隱極式同步電動(dòng)機(jī)的功角特性為：tqdxxxsin0t

24、emxUmEP（8-21） 將上式除以同步角速度 ，便可獲得隱極式同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性矩角特性為：10max1sinsinemetmE UTTx（8-22）圖8.22 隱極式同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性d d、功率角、功率角 的物理意義的物理意義 同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性類(lèi)似于異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，其中的功率角相當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性類(lèi)似于異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，其中的功率角相當(dāng)于異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率于異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率 。同轉(zhuǎn)差率一樣，隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩的增加，功率角將有所增加，由矩角特性可知，電磁轉(zhuǎn)矩將相應(yīng)的增加，最終電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡。但同步電動(dòng)機(jī)仍保持同步速運(yùn)行。s同步電機(jī)的功率角同步電機(jī)的功率角 的

25、雙重含義：的雙重含義：從時(shí)間上看：功率角從時(shí)間上看：功率角 為定子感應(yīng)電勢(shì)為定子感應(yīng)電勢(shì) 與定子電壓與定子電壓 之間的夾之間的夾 角；角；從空間上看：功率角從空間上看：功率角 為轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁勢(shì)為轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁勢(shì) 和氣隙合成磁勢(shì)和氣隙合成磁勢(shì) （ ）之間的夾角。）之間的夾角。 其中，其中， 是由轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁勢(shì)是由轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁勢(shì) 在定子繞組中感應(yīng)的電勢(shì)；而在定子繞組中感應(yīng)的電勢(shì)；而 可近似看作為由氣隙合成磁勢(shì)可近似看作為由氣隙合成磁勢(shì) 在定子繞組中的感應(yīng)電壓。在定子繞組中的感應(yīng)電壓。 0EUfFFafFFF0EfFUF 同步電機(jī)的功率角的物理意義可用圖所示等效磁極來(lái)表示。圖 功率角 的物理意義結(jié)論：結(jié)論：

26、功率角功率角 的正、負(fù)是同步電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)重要標(biāo)志。的正、負(fù)是同步電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)重要標(biāo)志。當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，超前于當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，超前于 功率角功率角 。規(guī)定。規(guī)定此時(shí)的功率角為正；當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，此時(shí)的功率角為正；當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)， 滯后于滯后于 功率角功率角 。此時(shí)的功率角則為負(fù)。此時(shí)的功率角則為負(fù)。 U0EU0Ee e、同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行與過(guò)載能力、同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行與過(guò)載能力 以隱極式同步電動(dòng)機(jī)為例來(lái)說(shuō)明同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行問(wèn)題。 圖給出了同步電動(dòng)機(jī)靜態(tài)穩(wěn)定靜態(tài)穩(wěn)定與“失步失步”概念的解釋。圖8.24 同步電動(dòng)機(jī)靜態(tài)穩(wěn)定與“失步”

27、的解釋 由圖可見(jiàn)，對(duì)于隱極式同步電動(dòng)機(jī)，其靜態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域?yàn)椋?；當(dāng)功率角 時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)將不穩(wěn)定運(yùn)行。090A90180B靜態(tài)穩(wěn)定能力可用過(guò)載能力過(guò)載能力 來(lái)描述。對(duì)于隱極式同步電動(dòng)機(jī)有：Tmax1sineTNNTT（8-23） 一般情況下，隱機(jī)式同步電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載運(yùn)行的功率角 ，此時(shí) 。20 30N2 3T一般結(jié)論：一般結(jié)論： 隱極同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行范圍是：隱極同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行范圍是： 。超過(guò)該。超過(guò)該范圍，同步電動(dòng)機(jī)將不穩(wěn)定運(yùn)行；范圍，同步電動(dòng)機(jī)將不穩(wěn)定運(yùn)行； 增加轉(zhuǎn)子直流勵(lì)磁電流可以提高同步電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能增加轉(zhuǎn)子直流勵(lì)磁電流可以提高同步電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力，進(jìn)而提高電力拖動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定

28、性。力，進(jìn)而提高電力拖動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。0900750 為確保隱極式同步電動(dòng)機(jī)的可靠運(yùn)行，通常?。?。B、同步電動(dòng)機(jī)的、同步電動(dòng)機(jī)的V形曲線與功率因數(shù)的調(diào)節(jié)形曲線與功率因數(shù)的調(diào)節(jié)V V形曲線：形曲線： 在在 、 以及電磁功率（或電磁轉(zhuǎn)矩以及電磁功率（或電磁轉(zhuǎn)矩 ）一定的條件）一定的條件下，定子電樞電流下，定子電樞電流 與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流 之間的關(guān)系曲線。之間的關(guān)系曲線。NUU 1Nff 1emTaIfI V形曲線反映的是在輸出有功功率（或電磁功率）一定的條件下，定子側(cè)的電樞電流和功率因數(shù)在勵(lì)磁電流改變時(shí)的變化情況。 下面僅以隱極式同步電動(dòng)機(jī)為例對(duì)其進(jìn)行說(shuō)明。 忽略定子銅耗、鐵耗以及轉(zhuǎn)子

29、機(jī)械耗，于是有：常數(shù)cossin0atemImUxUmEP 對(duì)于在無(wú)窮大電網(wǎng)下運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)，即當(dāng)電網(wǎng)的容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同步電動(dòng)機(jī)的容量，且電壓和頻率均保持不變，于是存在下列關(guān)系式：210cossin常數(shù)常數(shù)IE根據(jù)上述條件，繪出不同轉(zhuǎn)子勵(lì)磁條件下同步電動(dòng)機(jī)的相量圖如圖所示。圖8.27 轉(zhuǎn)子直流勵(lì)磁改變時(shí)同步電動(dòng)機(jī)的相量圖定義定義: : 通常，將定子電樞電流與定子電壓同相位時(shí)的勵(lì)磁電流稱(chēng)為正常勵(lì)磁電流，對(duì)通常，將定子電樞電流與定子電壓同相位時(shí)的勵(lì)磁電流稱(chēng)為正常勵(lì)磁電流，對(duì)應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)稱(chēng)為正常勵(lì)磁狀態(tài)；超過(guò)正常勵(lì)磁電流的運(yùn)行狀態(tài)稱(chēng)為過(guò)勵(lì)狀態(tài)；應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)稱(chēng)為正常勵(lì)磁狀態(tài)；超過(guò)正常勵(lì)磁電流的運(yùn)行狀態(tài)

30、稱(chēng)為過(guò)勵(lì)狀態(tài)；低于正常勵(lì)磁電流的運(yùn)行狀態(tài)稱(chēng)為欠勵(lì)狀態(tài)；低于正常勵(lì)磁電流的運(yùn)行狀態(tài)稱(chēng)為欠勵(lì)狀態(tài)； 圖分別給出了上述三種狀態(tài)下的相量圖。一般結(jié)論：一般結(jié)論： 調(diào)節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流可以改變定子電流的無(wú)功分量和功率調(diào)節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流可以改變定子電流的無(wú)功分量和功率因數(shù)。正常勵(lì)磁時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)全部吸收有功；欠勵(lì)時(shí)，同因數(shù)。正常勵(lì)磁時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)全部吸收有功；欠勵(lì)時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)吸收滯后無(wú)功（或發(fā)出超前無(wú)功）；過(guò)勵(lì)時(shí)，同步步電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)吸收滯后無(wú)功（或發(fā)出超前無(wú)功）；過(guò)勵(lì)時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)吸收超前無(wú)功（或發(fā)出滯后無(wú)功）電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)吸收超前無(wú)功（或發(fā)出滯后無(wú)功）； 若調(diào)節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流，使之工作在過(guò)勵(lì)狀態(tài)，則可以改若調(diào)節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流，使之工作在過(guò)勵(lì)狀態(tài)，則可以改善同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)善同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)； 若同步電動(dòng)機(jī)在空載狀態(tài)下運(yùn)行，且轉(zhuǎn)子處于勵(lì)磁過(guò)勵(lì)，同步電若同步電動(dòng)機(jī)在空載狀態(tài)下運(yùn)行，且轉(zhuǎn)子處于勵(lì)磁過(guò)勵(lì)，同步電動(dòng)機(jī)可以向電網(wǎng)發(fā)出滯后無(wú)功（或吸收超前無(wú)功），有利于改善電動(dòng)機(jī)可以向電網(wǎng)發(fā)出滯后無(wú)功（或吸收超前無(wú)功），有利于改善電網(wǎng)的功率因數(shù)網(wǎng)的