第10章-交流同步電機(jī)

1、-1-第第1010章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ) -2-引引 言言 本章主要闡述同步電機(jī)的工作原理，利用本章主要闡述同步電機(jī)的工作原理，利用雙反應(yīng)理論雙反應(yīng)理論建立建立同步電動(dòng)機(jī)的基本電磁關(guān)系，在此基礎(chǔ)上對(duì)同步電動(dòng)機(jī)的功率同步電動(dòng)機(jī)的基本電磁關(guān)系，在此基礎(chǔ)上對(duì)同步電動(dòng)機(jī)的功率關(guān)系、關(guān)系、功角特性、矩角特性功角特性、矩角特性及及功率因數(shù)的調(diào)節(jié)功率因數(shù)的調(diào)節(jié)等進(jìn)行深入的分等進(jìn)行深入的分析。本章還對(duì)迅速發(fā)展的永磁式同步電動(dòng)機(jī)做了簡(jiǎn)要介紹。析。本章還對(duì)迅速發(fā)展的永磁式同步電動(dòng)機(jī)做了簡(jiǎn)要介紹。 第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)-3-10.1 同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方

2、式同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式 如果三相交流電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速如果三相交流電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與定子電流的頻率與定子電流的頻率f1滿足下滿足下面的方程式關(guān)系，這種電機(jī)就稱為同步電機(jī)。同步電機(jī)多被用面的方程式關(guān)系，這種電機(jī)就稱為同步電機(jī)。同步電機(jī)多被用作發(fā)電機(jī)，當(dāng)今作為動(dòng)力用的強(qiáng)大電力幾乎全是由三相同步發(fā)作發(fā)電機(jī)，當(dāng)今作為動(dòng)力用的強(qiáng)大電力幾乎全是由三相同步發(fā)電機(jī)發(fā)出的，因此它是各類發(fā)電廠的核心設(shè)備之一。同步電機(jī)電機(jī)發(fā)出的，因此它是各類發(fā)電廠的核心設(shè)備之一。同步電機(jī)也可以作電動(dòng)機(jī)使用，例如空氣壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、電力推進(jìn)裝也可以作電動(dòng)機(jī)使用，例如空氣壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、電力推進(jìn)裝置和電動(dòng)發(fā)電機(jī)組等。置和電動(dòng)發(fā)電機(jī)組等

3、。 p1160nfnn第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)-4-10.1.1 同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 1. 定子定子 同步電機(jī)的定子，就其基本結(jié)構(gòu)來看，與異步電機(jī)的定子同步電機(jī)的定子，就其基本結(jié)構(gòu)來看，與異步電機(jī)的定子沒有多大區(qū)別，也是由定子鐵心、定子繞組以及機(jī)座、端蓋等沒有多大區(qū)別，也是由定子鐵心、定子繞組以及機(jī)座、端蓋等附件組成。附件組成。 第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)-5- 2. 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子 同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子有兩種結(jié)構(gòu)形式：一種有明顯的磁極，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子有兩種結(jié)構(gòu)形式：一種有明顯的磁極， 稱稱為為凸極式凸極式，如圖，如圖10-1a所示；另一種轉(zhuǎn)子為一個(gè)

4、圓柱體，表面上所示；另一種轉(zhuǎn)子為一個(gè)圓柱體，表面上開有槽，無明顯的磁極，稱為開有槽，無明顯的磁極，稱為隱極式隱極式，如圖，如圖10-1b所示。所示。第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī) 同步電機(jī)的勵(lì)磁電源有兩種：一種是由勵(lì)磁機(jī)供電，另一同步電機(jī)的勵(lì)磁電源有兩種：一種是由勵(lì)磁機(jī)供電，另一種是由交流電源經(jīng)過整流而得到。每臺(tái)同步電機(jī)應(yīng)配備一臺(tái)勵(lì)種是由交流電源經(jīng)過整流而得到。每臺(tái)同步電機(jī)應(yīng)配備一臺(tái)勵(lì)磁機(jī)或整流勵(lì)磁裝置，以便調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流。磁機(jī)或整流勵(lì)磁裝置，以便調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流。 水輪發(fā)電機(jī)水輪發(fā)電機(jī) 凸極式凸極式汽輪發(fā)電機(jī)汽輪發(fā)電機(jī) 隱極式隱極式轉(zhuǎn)速較低轉(zhuǎn)速較低 轉(zhuǎn)速較高轉(zhuǎn)速較高-6-10.1.2

5、 同步電機(jī)的基本原理同步電機(jī)的基本原理 1. 同步電機(jī)的物理模型同步電機(jī)的物理模型 第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)-7- 2. 同步電機(jī)的工作原理同步電機(jī)的工作原理 現(xiàn)以現(xiàn)以同步發(fā)電機(jī)同步發(fā)電機(jī)為例來說明同步電機(jī)的工作原理。當(dāng)同步發(fā)為例來說明同步電機(jī)的工作原理。當(dāng)同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子在原動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)下達(dá)到同步轉(zhuǎn)速電機(jī)的轉(zhuǎn)子在原動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)下達(dá)到同步轉(zhuǎn)速n1時(shí)，由于轉(zhuǎn)子繞組時(shí)，由于轉(zhuǎn)子繞組是由直流電流是由直流電流If 勵(lì)磁，勵(lì)磁， 所以轉(zhuǎn)子繞組在氣隙中所建立的磁場(chǎng)相對(duì)所以轉(zhuǎn)子繞組在氣隙中所建立的磁場(chǎng)相對(duì)于定子來說是一個(gè)與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同，轉(zhuǎn)速大小相等的旋轉(zhuǎn)磁于定子來說是一個(gè)與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相

6、同，轉(zhuǎn)速大小相等的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)切割定子上開路的三相對(duì)稱繞組，場(chǎng)。該磁場(chǎng)切割定子上開路的三相對(duì)稱繞組， 在三相對(duì)稱繞組中在三相對(duì)稱繞組中產(chǎn)生三相對(duì)稱空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生三相對(duì)稱空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E0 。若改變勵(lì)磁電流的大小則可相。若改變勵(lì)磁電流的大小則可相應(yīng)地改變感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，此時(shí)同步發(fā)電機(jī)處于應(yīng)地改變感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，此時(shí)同步發(fā)電機(jī)處于空載運(yùn)行空載運(yùn)行。 當(dāng)同步發(fā)電機(jī)帶當(dāng)同步發(fā)電機(jī)帶負(fù)載負(fù)載后，定子繞組構(gòu)成閉合回路，產(chǎn)生定子后，定子繞組構(gòu)成閉合回路，產(chǎn)生定子電流，該電流是三相對(duì)稱電流，因而要在氣隙中產(chǎn)生與與轉(zhuǎn)子旋電流，該電流是三相對(duì)稱電流，因而要在氣隙中產(chǎn)生與與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同，轉(zhuǎn)速大小相等

7、的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。此時(shí)定、轉(zhuǎn)子間旋轉(zhuǎn)磁轉(zhuǎn)方向相同，轉(zhuǎn)速大小相等的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。此時(shí)定、轉(zhuǎn)子間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)靜止，氣隙中的磁場(chǎng)是定、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的合成。由于氣場(chǎng)相對(duì)靜止，氣隙中的磁場(chǎng)是定、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的合成。由于氣隙中磁場(chǎng)的改變，定子繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小也將發(fā)生變化。隙中磁場(chǎng)的改變，定子繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小也將發(fā)生變化。 第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)-8- 3. 同步電機(jī)的運(yùn)行方式同步電機(jī)的運(yùn)行方式 第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)-9-10.2 同步電動(dòng)機(jī)的電磁關(guān)系同步電動(dòng)機(jī)的電磁關(guān)系10.2.1 同步電動(dòng)機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)同步電動(dòng)機(jī)的磁動(dòng)勢(shì) 當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)的定子三相對(duì)稱繞組當(dāng)同步電

8、動(dòng)機(jī)的定子三相對(duì)稱繞組 連接到三相對(duì)稱電源上連接到三相對(duì)稱電源上時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生三相合成旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生三相合成旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)， 簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱電樞磁動(dòng)勢(shì)電樞磁動(dòng)勢(shì)，用空間，用空間矢量矢量Fa表示。設(shè)電樞磁動(dòng)勢(shì)表示。設(shè)電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa 的轉(zhuǎn)向?yàn)榈霓D(zhuǎn)向?yàn)槟鏁r(shí)針方向逆時(shí)針方向，轉(zhuǎn)速為同，轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速。在同步電動(dòng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，步轉(zhuǎn)速。在同步電動(dòng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)， 其轉(zhuǎn)子也是逆時(shí)針方向以其轉(zhuǎn)子也是逆時(shí)針方向以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。由直流勵(lì)磁電流同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。由直流勵(lì)磁電流 If 產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)稱為產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)稱為勵(lì)磁磁動(dòng)勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)勢(shì)，用，用Ff 表示，它也是一個(gè)空間矢量。表示，它也是一個(gè)空間矢量。 這里規(guī)定兩個(gè)軸方向：轉(zhuǎn)

9、子這里規(guī)定兩個(gè)軸方向：轉(zhuǎn)子N極和極和S極的中心線稱為極的中心線稱為直軸或直軸或縱軸縱軸，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱d 軸軸；與直軸相距；與直軸相距90 空間電角度的方向稱為空間電角度的方向稱為交軸或交軸或橫軸橫軸，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱q 軸軸。直軸和交軸隨轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)，如圖。直軸和交軸隨轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)，如圖10-4所示。所示。 第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)-10- 先考慮先考慮勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff單獨(dú)在電機(jī)主磁路中產(chǎn)生磁通時(shí)的情單獨(dú)在電機(jī)主磁路中產(chǎn)生磁通時(shí)的情況。勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)況。勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff 總是在直軸方向，總是在直軸方向， 產(chǎn)生的磁通如圖產(chǎn)生的磁通如圖8-5所示。所示。將由勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)將由勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)F

10、f單獨(dú)產(chǎn)生的磁通叫單獨(dú)產(chǎn)生的磁通叫勵(lì)磁磁通勵(lì)磁磁通，用，用 f 表示。表示。第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)-11- f 經(jīng)過的磁路是以直軸為對(duì)稱的，圖經(jīng)過的磁路是以直軸為對(duì)稱的，圖10-6是其計(jì)算機(jī)仿真是其計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果。結(jié)果。 第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)-12- 對(duì)于對(duì)于電樞磁動(dòng)勢(shì)電樞磁動(dòng)勢(shì) Fa 單獨(dú)在電機(jī)主磁路中產(chǎn)生磁通時(shí)的情況，單獨(dú)在電機(jī)主磁路中產(chǎn)生磁通時(shí)的情況，則比勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)則比勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff 產(chǎn)生磁通時(shí)的情況復(fù)雜。圖產(chǎn)生磁通時(shí)的情況復(fù)雜。圖10-7給出了電樞磁給出了電樞磁動(dòng)勢(shì)單獨(dú)在電機(jī)主磁路中產(chǎn)生磁通的計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果。動(dòng)勢(shì)單獨(dú)在電機(jī)主磁路中產(chǎn)生磁通的

11、計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果。 第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)-13-10.2.2 凸極同步電動(dòng)機(jī)的雙反應(yīng)理論凸極同步電動(dòng)機(jī)的雙反應(yīng)理論 第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)aqadaFFF-14- 根據(jù)第根據(jù)第8章的分析，可以寫出由定子電流產(chǎn)生的電樞磁動(dòng)勢(shì)章的分析，可以寫出由定子電流產(chǎn)生的電樞磁動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式的表達(dá)式spW11a35. 1InkNF（10-2）將上式分解為將上式分解為d、q軸上的直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)和交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)：軸上的直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)和交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)：（10-3）第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)qpW11aqdpW11ad35. 135. 1InkNFInkNF

12、-15- 考慮到式（考慮到式（10-1）的關(guān)系，即有）的關(guān)系，即有qdsIII（10-4）第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)-16-10.2.3 同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程 1. 凸極同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程凸極同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程 不管是勵(lì)磁磁通不管是勵(lì)磁磁通 f ，還是直軸磁通，還是直軸磁通 ad 和交軸磁通和交軸磁通 aq，都，都是以同步轉(zhuǎn)速逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，因此都要在定子繞組中產(chǎn)生相應(yīng)的感是以同步轉(zhuǎn)速逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，因此都要在定子繞組中產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)圖應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)圖10-9給出的同步電動(dòng)機(jī)定子繞組各電量正方向，給出的同步電動(dòng)機(jī)定子繞組各電量正方向， 可以列出可以

13、列出A相回路的電壓方程相回路的電壓方程 （10-5）第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)sssaqad0sjXRIEEEU-17-感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 、 可以寫成可以寫成 adEaqEaddadjXIEaqqaqjXIE（10-7）（10-6）把式（把式（10-6）、式（）、式（10-7）代入式（）代入式（10-5），得），得 sssaqqadd0sjjjXRIXIXIEU在將式（在將式（10-4）代入上式，得）代入上式，得 sqdsaqqsadd0sjjRIIXXIXXIEU第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)直軸電樞反直軸電樞反應(yīng)電抗應(yīng)電抗交軸電樞反交軸電樞反應(yīng)電抗應(yīng)電抗

14、-18-一般情況下，當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)容量較大時(shí)，可一般情況下，當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)容量較大時(shí)，可忽略電阻忽略電阻Rs，于是，于是 qqdd0sjjXIXIEU（10-10）saddXXXsaqqXXXqdXX第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)直軸同步直軸同步電抗電抗交軸同步交軸同步電抗電抗定子定子漏抗漏抗2mmmFNINXLIII RI RR-19- 2. 隱極同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程隱極同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程 對(duì)于隱極同步電動(dòng)機(jī)，由于氣隙均勻，因而直軸和交軸的對(duì)于隱極同步電動(dòng)機(jī)，由于氣隙均勻，因而直軸和交軸的同步電抗在數(shù)值上彼此相等，即有同步電抗在數(shù)值上彼此相等，即有 cqdXXX（10-11）第第

15、10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)同步同步電抗電抗這樣，由式（這樣，由式（10-10）可寫出隱極同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程為）可寫出隱極同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程為 （10-12）cs0sj XIEU-20-10.2.4 同步電動(dòng)機(jī)相量圖同步電動(dòng)機(jī)相量圖 同步電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，電源必須向電機(jī)的定子繞組同步電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，電源必須向電機(jī)的定子繞組輸入有功功率，這時(shí)輸入電動(dòng)機(jī)的有功功率輸入有功功率，這時(shí)輸入電動(dòng)機(jī)的有功功率P1必須滿足必須滿足 0cos31ss1IUP（10-13）這就是說，定子相電流的有功分量這就是說，定子相電流的有功分量 應(yīng)與相電壓應(yīng)與相電壓 同相同相位。位。 由此可見，由

16、此可見， 與與 二者之間的功率因數(shù)角二者之間的功率因數(shù)角 必須小于必須小于90 ，才能使電機(jī)運(yùn)行于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)。圖，才能使電機(jī)運(yùn)行于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)。圖10-10a是根據(jù)凸極同步是根據(jù)凸極同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程，在電動(dòng)機(jī)的電壓方程，在 （超前超前）時(shí)，）時(shí)， 電機(jī)運(yùn)行于電動(dòng)電機(jī)運(yùn)行于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)的相量圖。機(jī)狀態(tài)的相量圖。 1cossIsUsUsI1o190第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)cossinsqsdIIII（10-14）內(nèi)功率因數(shù)角內(nèi)功率因數(shù)角-21-圖圖10-10b是根據(jù)隱極同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程畫出的相量圖。是根據(jù)隱極同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程畫出的相量圖。 第第10 10章章 交流同步電

17、機(jī)交流同步電機(jī)-22-10.3 同步電動(dòng)機(jī)的功率與轉(zhuǎn)矩同步電動(dòng)機(jī)的功率與轉(zhuǎn)矩10.3.1 功率關(guān)系功率關(guān)系 同步電動(dòng)機(jī)從電源吸收有功功率同步電動(dòng)機(jī)從電源吸收有功功率P1 ，在扣除消耗于定子繞，在扣除消耗于定子繞組的銅損耗組的銅損耗 后，轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶殴β屎?，轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶殴β蔖em ，即有，即有 ssRIp2Cu3emCu1PpP（10-15）從電磁功率從電磁功率Pem里再扣除鐵損耗里再扣除鐵損耗 和機(jī)械摩擦損耗和機(jī)械摩擦損耗 后，后，得到輸出給負(fù)載的機(jī)械功率得到輸出給負(fù)載的機(jī)械功率P2FepmpmFeem2ppPP（10-16）其中，鐵損耗其中，鐵損耗 與機(jī)械損耗與機(jī)械損耗 之和稱為空載損耗之和稱為

18、空載損耗P0 ，即，即 FepmpmFe0ppP（10-17）第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)-23-根據(jù)上述分析，可以畫出同步電動(dòng)機(jī)的功率流程圖：根據(jù)上述分析，可以畫出同步電動(dòng)機(jī)的功率流程圖： 第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)-24-10.3.2 電磁功率與功角特性電磁功率與功角特性 對(duì)于凸極同步電動(dòng)機(jī)，當(dāng)忽略定子繞組的電阻對(duì)于凸極同步電動(dòng)機(jī)，當(dāng)忽略定子繞組的電阻Rs 時(shí)，同步時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)的電磁功率為電動(dòng)機(jī)的電磁功率為 11emcos3ssIUPP（10-18）由凸極同步電動(dòng)機(jī)的相量圖（圖由凸極同步電動(dòng)機(jī)的相量圖（圖10-10），）， ，于是，于是 1sinsin3

19、coscos3ssssemIUIUP此外，根據(jù)相量圖可得此外，根據(jù)相量圖可得 sincoscossinsqqs0ddsqsdUXIUEXIIIII（10-19）第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)-25-考慮以上這些關(guān)系，得考慮以上這些關(guān)系，得 （10-20）sincos113sin3dq2sds0emXXUXUEP2sin23sin3qdqd2sds0emXXXXUXUEP第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)勵(lì)磁電磁勵(lì)磁電磁功率功率1凸極電磁凸極電磁功率功率2-26- 上式所示凸極同步電動(dòng)機(jī)的電磁功率上式所示凸極同步電動(dòng)機(jī)的電磁功率Pem 中，中， 第一項(xiàng)與勵(lì)第一項(xiàng)與勵(lì)磁電流

20、磁電流If 的大小有關(guān)，稱為的大小有關(guān)，稱為勵(lì)磁電磁功率勵(lì)磁電磁功率。第二項(xiàng)與勵(lì)磁電流。第二項(xiàng)與勵(lì)磁電流If 的大小無關(guān)，是由參數(shù)的大小無關(guān)，是由參數(shù) 引起的，引起的， 這部分功率只有凸極這部分功率只有凸極同步電動(dòng)機(jī)才有，而對(duì)隱極同步電動(dòng)機(jī)則不存在，同步電動(dòng)機(jī)才有，而對(duì)隱極同步電動(dòng)機(jī)則不存在， 所以該電磁所以該電磁功率稱為功率稱為凸極電磁功率凸極電磁功率。 第一項(xiàng)勵(lì)磁電磁功率是主要的，第二第一項(xiàng)勵(lì)磁電磁功率是主要的，第二項(xiàng)凸極電磁功率比第一項(xiàng)小得多。項(xiàng)凸極電磁功率比第一項(xiàng)小得多。 圖圖10-12中中曲線曲線3是總的電磁功率是總的電磁功率Pem與與角的關(guān)系曲線，可角的關(guān)系曲線，可見與見與Pem最

21、大值所對(duì)應(yīng)的最大值所對(duì)應(yīng)的角小于角小于90。 qdXX第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)-27-10.3.3 電磁轉(zhuǎn)矩與矩角特性電磁轉(zhuǎn)矩與矩角特性 首先根據(jù)第首先根據(jù)第3章所介紹的章所介紹的電磁轉(zhuǎn)矩通用公式電磁轉(zhuǎn)矩通用公式來推導(dǎo)同步電動(dòng)來推導(dǎo)同步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式。電磁轉(zhuǎn)矩的通用公式為機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式。電磁轉(zhuǎn)矩的通用公式為 *sssr2pesin2FnT 式中式中 電機(jī)極對(duì)數(shù)；電機(jī)極對(duì)數(shù)； 每極合成磁通；每極合成磁通； 定子磁動(dòng)勢(shì)幅值；定子磁動(dòng)勢(shì)幅值； 定子磁動(dòng)勢(shì)與合成磁動(dòng)勢(shì)間的夾角。定子磁動(dòng)勢(shì)與合成磁動(dòng)勢(shì)間的夾角。 pnsrsFs這里，因?yàn)檫@里，因?yàn)?，由式（，由式（10-2

22、）可得）可得 asFF spW11s32InkNF 第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)-28- 由第由第9章的式（章的式（9-8），以及圖），以及圖10-13所示同步電動(dòng)機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)所示同步電動(dòng)機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)關(guān)系，可得關(guān)系，可得 W111sr2kNfEs2第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)內(nèi)功率因數(shù)角內(nèi)功率因數(shù)角 -29-把上述三式代入電磁轉(zhuǎn)矩的通用公式，可得把上述三式代入電磁轉(zhuǎn)矩的通用公式，可得 1secos3IET 式中式中 同步角速度。同步角速度。不計(jì)定子電阻時(shí)，不計(jì)定子電阻時(shí)， ，且，且 ，因此上式可以寫成，因此上式可以寫成 11ssecos3IUT p112nf EUs

23、1（10-23）（10-24）第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)-30- 根據(jù)功率與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，根據(jù)功率與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系， 同樣可以導(dǎo)出電磁轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩平衡同樣可以導(dǎo)出電磁轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩平衡方程。方程。與異步電動(dòng)機(jī)一樣，電磁轉(zhuǎn)矩與異步電動(dòng)機(jī)一樣，電磁轉(zhuǎn)矩Te等于電磁功率等于電磁功率Pem與電機(jī)角與電機(jī)角速度速度之比，但對(duì)于同步電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速即為同步轉(zhuǎn)速，因此之比，但對(duì)于同步電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速即為同步轉(zhuǎn)速，因此第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)（10-25）11ss1emecos3IUPT此式與上式是完全一致的。此式與上式是完全一致的。-31-（10-26） 將式（將式（10-16）等號(hào)兩

24、邊同除以）等號(hào)兩邊同除以1，即得到同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，即得到同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程平衡方程 0e2TTT式中式中 T0空載轉(zhuǎn)矩?？蛰d轉(zhuǎn)矩。 將電磁功率的表達(dá)式（將電磁功率的表達(dá)式（10-20）代入式（）代入式（10-25），得到的電磁），得到的電磁轉(zhuǎn)矩為轉(zhuǎn)矩為 2sin23sin3qd1qd2sd1s0eXXXXUXUET（10-27）第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī) 功角特性表達(dá)式與矩角特性表達(dá)式之間僅相差一個(gè)常數(shù)功角特性表達(dá)式與矩角特性表達(dá)式之間僅相差一個(gè)常數(shù)1 ，所以圖所以圖10-12中的功角特性曲線也可視為矩角特性曲線。中的功角特性曲線也可視為矩角特性曲線。 -32- 若是

25、隱極式同步電動(dòng)機(jī)，因若是隱極式同步電動(dòng)機(jī)，因Xd =Xq ，功角特性和矩角特性，功角特性和矩角特性的表達(dá)式為的表達(dá)式為 sin3c0emXUEPssin31s0edXUET 第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)-33-10.3.4 穩(wěn)定運(yùn)行問題穩(wěn)定運(yùn)行問題 下面以下面以隱極同步電動(dòng)機(jī)隱極同步電動(dòng)機(jī)為例來討論同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行問為例來討論同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行問題。由圖可見，當(dāng)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行在題。由圖可見，當(dāng)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行在 = 0 90 的范圍內(nèi)，的范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行在電動(dòng)機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行在 = 90 180 的的范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)

26、不能夠穩(wěn)定運(yùn)行范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)不能夠穩(wěn)定運(yùn)行（對(duì)照?qǐng)D（對(duì)照?qǐng)D10-3c）。 第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)-34- 如果與異步電動(dòng)機(jī)一樣，將最大電磁轉(zhuǎn)矩如果與異步電動(dòng)機(jī)一樣，將最大電磁轉(zhuǎn)矩Tem與額定電磁轉(zhuǎn)矩與額定電磁轉(zhuǎn)矩TN之比，稱為過載倍數(shù)，用之比，稱為過載倍數(shù)，用 表示。表示。oemNNsin902 3.5sinTT（10-30） 可見，可見， 為了滿足過載限制的要求，為了滿足過載限制的要求， 隱極同步電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)隱極同步電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)，行時(shí)， 。對(duì)于凸極同步電動(dòng)機(jī)，額定運(yùn)行時(shí)的功率對(duì)于凸極同步電動(dòng)機(jī)，額定運(yùn)行時(shí)的功率角還要小些（對(duì)照?qǐng)D角還要小些（對(duì)照?qǐng)D10-12）。）。

27、ooN5 .1630第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)例例10-1例例10-2-35-10.4 同步電動(dòng)機(jī)的工作特性同步電動(dòng)機(jī)的工作特性10.4.1 功率因數(shù)調(diào)節(jié)功率因數(shù)調(diào)節(jié) 當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)接在交流電源上，可以認(rèn)為電源的電壓當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)接在交流電源上，可以認(rèn)為電源的電壓Us以及以及頻率頻率f1都保持不變。另外，假設(shè)同步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩也保都保持不變。另外，假設(shè)同步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩也保持不變，那么持不變，那么僅改變同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流僅改變同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流If ，就能調(diào)節(jié)同步電，就能調(diào)節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)。動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)。下面以下面以隱極同步電動(dòng)機(jī)隱極同步電動(dòng)機(jī)為例進(jìn)行分析

28、。為例進(jìn)行分析。 （10-31）常數(shù)sin3d1s0eXUET常數(shù)sin0E 這說明當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)只改變勵(lì)磁電流這說明當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)只改變勵(lì)磁電流If時(shí)，電動(dòng)勢(shì)時(shí)，電動(dòng)勢(shì)E0的大小的大小及相位也要跟著改變，以滿足上式的關(guān)系。及相位也要跟著改變，以滿足上式的關(guān)系。 第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)-36- 當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，由于同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定不變，所以當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，由于同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定不變，所以同步電動(dòng)機(jī)的輸出功率不變。在忽略電機(jī)中的各種損耗的情況下，同步電動(dòng)機(jī)的輸出功率不變。在忽略電機(jī)中的各種損耗的情況下，同步電動(dòng)機(jī)的輸入功率與輸出功率相等。于是有同步電動(dòng)機(jī)的輸入功率與輸

29、出功率相等。于是有 （10-32） 上式的物理意義是：上式的物理意義是：在只改變勵(lì)磁電流的情況下，同步電動(dòng)在只改變勵(lì)磁電流的情況下，同步電動(dòng)機(jī)定子繞組中電流的有功分量保持不變。機(jī)定子繞組中電流的有功分量保持不變。 根據(jù)式（根據(jù)式（10-31）和式（）和式（10-32）所確定的條件可畫出隱極同）所確定的條件可畫出隱極同步電動(dòng)機(jī)在步電動(dòng)機(jī)在三種不同勵(lì)磁電流時(shí)三種不同勵(lì)磁電流時(shí)的相量圖，如圖的相量圖，如圖10-18所示。所示。 常數(shù)11cos3ssIUP在電壓在電壓Us 不變的條件下，必有不變的條件下，必有 常數(shù)1cossI第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)-37- 當(dāng)改變同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)當(dāng)

30、改變同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流時(shí)，能夠改變同步電磁電流時(shí)，能夠改變同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)，這點(diǎn)是三動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)，這點(diǎn)是三相異步電動(dòng)機(jī)所不具備的。相異步電動(dòng)機(jī)所不具備的。 當(dāng)改變勵(lì)磁電流時(shí)，同當(dāng)改變勵(lì)磁電流時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)變化的規(guī)步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)變化的規(guī)律可以分為三種情況，即律可以分為三種情況，即正正常勵(lì)磁狀態(tài)、常勵(lì)磁狀態(tài)、欠勵(lì)狀態(tài)欠勵(lì)狀態(tài)和和過過勵(lì)狀態(tài)勵(lì)狀態(tài)。同步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)。同步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，一般要過勵(lì)，至載運(yùn)行時(shí)，一般要過勵(lì)，至少運(yùn)行在正常勵(lì)磁狀態(tài)，少運(yùn)行在正常勵(lì)磁狀態(tài)，不不要讓它運(yùn)行在欠勵(lì)狀態(tài)。要讓它運(yùn)行在欠勵(lì)狀態(tài)。 第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)-38-10.4.

31、2 U形曲線形曲線 同步電動(dòng)機(jī)的同步電動(dòng)機(jī)的U形曲線是指當(dāng)電源電壓和電源的頻率均為額定形曲線是指當(dāng)電源電壓和電源的頻率均為額定值時(shí)，在輸出功率不變的條件下，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流值時(shí)，在輸出功率不變的條件下，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流If 時(shí)定子電流時(shí)定子電流Is的的相應(yīng)變化。相應(yīng)變化。第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)-39- 對(duì)每條對(duì)每條U形曲線，定子電流有一最小值，這時(shí)定子僅從電網(wǎng)吸形曲線，定子電流有一最小值，這時(shí)定子僅從電網(wǎng)吸收有功功率，功率因數(shù)收有功功率，功率因數(shù) 。把這些點(diǎn)連起來，稱為。把這些點(diǎn)連起來，稱為 線。它微微向右傾斜，說明輸出為純有功功率情況下，線。它微微向右傾斜，說明輸出為純有功功率

32、情況下， 輸出功率輸出功率增大的同時(shí)，必須相應(yīng)地增加一些勵(lì)磁電流。這樣，增大的同時(shí)，必須相應(yīng)地增加一些勵(lì)磁電流。這樣， 線可線可作為分界線，在線的左邊是作為分界線，在線的左邊是欠勵(lì)區(qū)欠勵(lì)區(qū)，右邊是，右邊是過勵(lì)區(qū)過勵(lì)區(qū)。 當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)帶一定負(fù)載時(shí)，當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)帶一定負(fù)載時(shí)， 若減小勵(lì)磁電流若減小勵(lì)磁電流If，電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)E0、電磁功率電磁功率 Pem減小。當(dāng)減小。當(dāng)Pem減小到一定程度，減小到一定程度，超過超過90 ， 電動(dòng)機(jī)就電動(dòng)機(jī)就失去同步，如圖失去同步，如圖10-19中虛線所示的中虛線所示的不穩(wěn)定區(qū)。從這個(gè)角度來看，不穩(wěn)定區(qū)。從這個(gè)角度來看，同步電動(dòng)機(jī)最好也不運(yùn)行于欠勵(lì)狀態(tài)。同步電動(dòng)機(jī)最

33、好也不運(yùn)行于欠勵(lì)狀態(tài)。 1cos11cos11cos1第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)-40-10.5 永磁式同步電動(dòng)機(jī)永磁式同步電動(dòng)機(jī)* 世界上第一臺(tái)電機(jī)就是永磁電機(jī)，但是早期的永磁材料磁性世界上第一臺(tái)電機(jī)就是永磁電機(jī)，但是早期的永磁材料磁性能很差，致使永磁電機(jī)體積很大，非常笨重，因而很快就為電勵(lì)能很差，致使永磁電機(jī)體積很大，非常笨重，因而很快就為電勵(lì)磁式電機(jī)所取代。近年來，隨著稀土永磁材料的快速發(fā)展，特別磁式電機(jī)所取代。近年來，隨著稀土永磁材料的快速發(fā)展，特別是是第三代稀土永磁材料釹鐵硼（第三代稀土永磁材料釹鐵硼（Nd-Fe-B）的問世，給永磁電機(jī)的問世，給永磁電機(jī)的研究和開發(fā)

34、帶來了新的活力。從的研究和開發(fā)帶來了新的活力。從20世紀(jì)世紀(jì)80年代初開始，各工業(yè)年代初開始，各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家竟相研制高性能永磁電機(jī)，其中永磁式同步電動(dòng)機(jī)以其發(fā)達(dá)國(guó)家竟相研制高性能永磁電機(jī)，其中永磁式同步電動(dòng)機(jī)以其高效節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)而備受青睞。目前在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中普遍使用的高效節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)而備受青睞。目前在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中普遍使用的永磁式同步電動(dòng)機(jī)主要有兩大類：永磁式同步電動(dòng)機(jī)主要有兩大類：正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)（簡(jiǎn)稱（簡(jiǎn)稱永磁同步電動(dòng)機(jī)永磁同步電動(dòng)機(jī)）和）和梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)（又稱（又稱無刷直流電動(dòng)無刷直流電動(dòng)機(jī)機(jī)）。）。 第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同

35、步電機(jī)-41-10.5.1 正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī) 1. 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)包括定子和轉(zhuǎn)子兩部分。定子部分與正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)包括定子和轉(zhuǎn)子兩部分。定子部分與一般交流同步電動(dòng)機(jī)的定子相同，轉(zhuǎn)子部分則采用一般交流同步電動(dòng)機(jī)的定子相同，轉(zhuǎn)子部分則采用永磁體勵(lì)磁永磁體勵(lì)磁。第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)-42- 同步電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)同步電抗同步電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)同步電抗Xd、Xq決定于磁路的磁導(dǎo)，決定于磁路的磁導(dǎo)，在電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)中，在電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)中， Xd Xq 。但在永磁同步電動(dòng)機(jī)中，情。但在永磁同步電動(dòng)機(jī)中，情況有所不同，因?yàn)樵谥陛S磁路

36、中有永磁體，況有所不同，因?yàn)樵谥陛S磁路中有永磁體， 永磁體的磁導(dǎo)率很永磁體的磁導(dǎo)率很低低，其導(dǎo)磁性能與空氣相似，因而大大減小了直軸電樞反應(yīng)的作，其導(dǎo)磁性能與空氣相似，因而大大減小了直軸電樞反應(yīng)的作用，表現(xiàn)為用，表現(xiàn)為Xd較?。欢诮惠S磁路中，主要是軟鐵極靴和套環(huán)類較小；而在交軸磁路中，主要是軟鐵極靴和套環(huán)類的磁性材料，導(dǎo)磁性能較好，交軸電樞反應(yīng)的作用較大，的磁性材料，導(dǎo)磁性能較好，交軸電樞反應(yīng)的作用較大， Xq較較大，因而在永磁同步電動(dòng)機(jī)中大，因而在永磁同步電動(dòng)機(jī)中Xd Xq 。第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)-43- 2. 工作原理與起動(dòng)問題工作原理與起動(dòng)問題 永磁體的引入固然使

37、同步電動(dòng)機(jī)面貌一新，但由此而產(chǎn)生的永磁體的引入固然使同步電動(dòng)機(jī)面貌一新，但由此而產(chǎn)生的一些問題也不容忽視，這其中最主要的當(dāng)屬起動(dòng)問題，在由變頻一些問題也不容忽視，這其中最主要的當(dāng)屬起動(dòng)問題，在由變頻電源供電的場(chǎng)合，永磁同步電動(dòng)機(jī)可以順利起動(dòng)，但當(dāng)由工頻電電源供電的場(chǎng)合，永磁同步電動(dòng)機(jī)可以順利起動(dòng)，但當(dāng)由工頻電源直接供電時(shí)，由于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永磁體磁場(chǎng)之間有相對(duì)源直接供電時(shí)，由于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永磁體磁場(chǎng)之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，不能產(chǎn)生恒定方向的電磁轉(zhuǎn)矩，造成起動(dòng)困難。運(yùn)動(dòng)，不能產(chǎn)生恒定方向的電磁轉(zhuǎn)矩，造成起動(dòng)困難。 為克服這一困難，永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子一般設(shè)計(jì)成磁鋼內(nèi)為克服這一困難，永磁同步電動(dòng)

38、機(jī)的轉(zhuǎn)子一般設(shè)計(jì)成磁鋼內(nèi)埋式結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子表面裝有和異步電動(dòng)機(jī)相似的籠型繞組（如圖埋式結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子表面裝有和異步電動(dòng)機(jī)相似的籠型繞組（如圖8-20所示），稱為所示），稱為自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)。第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)-44- 當(dāng)永磁同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，依靠籠型繞組產(chǎn)生如同異步電動(dòng)當(dāng)永磁同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，依靠籠型繞組產(chǎn)生如同異步電動(dòng)機(jī)工作時(shí)一樣的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來。等到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上機(jī)工作時(shí)一樣的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來。等到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升到接近同步速時(shí)，依靠定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永磁體的相互吸引升到接近同步速時(shí)，依靠定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永磁體的相互吸引把轉(zhuǎn)子牽入同

39、步。這就是所謂的把轉(zhuǎn)子牽入同步。這就是所謂的“異步起動(dòng)，同步運(yùn)行異步起動(dòng)，同步運(yùn)行”。在整。在整個(gè)起動(dòng)過程中，籠型繞組產(chǎn)生異步起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，而永磁體產(chǎn)生發(fā)電個(gè)起動(dòng)過程中，籠型繞組產(chǎn)生異步起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，而永磁體產(chǎn)生發(fā)電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，但當(dāng)達(dá)到同步速時(shí)，異步起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為零，而發(fā)電制動(dòng)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，但當(dāng)達(dá)到同步速時(shí)，異步起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為零，而發(fā)電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)變?yōu)橥綘恳D(zhuǎn)矩，帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)正常同步運(yùn)行。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)變?yōu)橥綘恳D(zhuǎn)矩，帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)正常同步運(yùn)行?？梢?，對(duì)可見，對(duì)于自起動(dòng)永磁式同步電動(dòng)機(jī)來說，永磁體和籠型起動(dòng)繞組之間的于自起動(dòng)永磁式同步電動(dòng)機(jī)來說，永磁體和籠型起動(dòng)繞組之間的合理設(shè)計(jì)是十分重要的。合理設(shè)計(jì)是十分重要的。 應(yīng)當(dāng)指出，

40、如果電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子本身慣性不大，或者是多極的低應(yīng)當(dāng)指出，如果電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子本身慣性不大，或者是多極的低速電機(jī)，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速不是很大，那么永磁同步電動(dòng)機(jī)不另速電機(jī)，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速不是很大，那么永磁同步電動(dòng)機(jī)不另裝起動(dòng)繞組也是可以直接起動(dòng)的。裝起動(dòng)繞組也是可以直接起動(dòng)的。第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)-45-10.5.2 梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī) 直流電動(dòng)機(jī)由于直流電動(dòng)機(jī)由于調(diào)速性能好調(diào)速性能好、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn)而在各種運(yùn)等優(yōu)點(diǎn)而在各種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中等到廣泛應(yīng)用，但是直流電動(dòng)機(jī)具有電刷和換向器動(dòng)控制系統(tǒng)中等到廣泛應(yīng)用，但是直流電動(dòng)機(jī)具有電刷和換向器裝置，運(yùn)行時(shí)

41、所形成的裝置，運(yùn)行時(shí)所形成的機(jī)械摩擦機(jī)械摩擦嚴(yán)重影響電機(jī)的精度和可靠性，嚴(yán)重影響電機(jī)的精度和可靠性，因摩擦而產(chǎn)生的火花還會(huì)引起無線電干擾。因摩擦而產(chǎn)生的火花還會(huì)引起無線電干擾。電刷和換向器裝置電刷和換向器裝置使使直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、噪音大，維護(hù)也比較困難。所以，長(zhǎng)期以直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、噪音大，維護(hù)也比較困難。所以，長(zhǎng)期以來人們?cè)诓粩鄬で罂梢圆挥秒娝⒑蛽Q向器裝置的直流電動(dòng)機(jī)。隨來人們?cè)诓粩鄬で罂梢圆挥秒娝⒑蛽Q向器裝置的直流電動(dòng)機(jī)。隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和永磁材料的迅速發(fā)展，誕生了著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和永磁材料的迅速發(fā)展，誕生了梯形波梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)永磁同步電動(dòng)機(jī)無刷直流電動(dòng)機(jī)無刷直流電

42、動(dòng)機(jī)。這種電動(dòng)機(jī)利用電子開關(guān)。這種電動(dòng)機(jī)利用電子開關(guān)線路和位置傳感器來代替電刷和換向器，線路和位置傳感器來代替電刷和換向器，既具有直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)既具有直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性，又具有交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)行特性，又具有交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，點(diǎn)，它的轉(zhuǎn)速不再受機(jī)械換向的限制，可以制成轉(zhuǎn)速高達(dá)每分鐘它的轉(zhuǎn)速不再受機(jī)械換向的限制，可以制成轉(zhuǎn)速高達(dá)每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)的高速電動(dòng)機(jī)。因此，無刷直流電動(dòng)機(jī)用途非常廣泛，幾十萬轉(zhuǎn)的高速電動(dòng)機(jī)。因此，無刷直流電動(dòng)機(jī)用途非常廣泛，可作為一般直流電動(dòng)機(jī)、伺服電動(dòng)機(jī)和力矩電動(dòng)機(jī)等使用?？勺鳛橐话阒绷麟妱?dòng)機(jī)、伺服電動(dòng)機(jī)和力矩電動(dòng)機(jī)等使

43、用。 第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)-46- 1. 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 無刷直流電動(dòng)機(jī)由電動(dòng)機(jī)本體、電子開關(guān)線路和轉(zhuǎn)子位置傳無刷直流電動(dòng)機(jī)由電動(dòng)機(jī)本體、電子開關(guān)線路和轉(zhuǎn)子位置傳感器三部分組成，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖感器三部分組成，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖10-21所示，其中直流電源通所示，其中直流電源通過開關(guān)線路向電動(dòng)機(jī)的定子繞組供電，位置傳感器檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的過開關(guān)線路向電動(dòng)機(jī)的定子繞組供電，位置傳感器檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置，并提供信號(hào)控制開關(guān)線路中的功率開關(guān)元件，使之按轉(zhuǎn)子位置，并提供信號(hào)控制開關(guān)線路中的功率開關(guān)元件，使之按照一定的規(guī)律導(dǎo)通和關(guān)斷，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。照一定的規(guī)律導(dǎo)通和關(guān)斷，從而控制

44、電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。 第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)-47- 無刷直流電動(dòng)機(jī)的主電路如圖無刷直流電動(dòng)機(jī)的主電路如圖10-22所示，所示， 其中電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)其中電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與永磁同步電動(dòng)機(jī)相似，轉(zhuǎn)子是由永磁材料制成的具有一定極數(shù)與永磁同步電動(dòng)機(jī)相似，轉(zhuǎn)子是由永磁材料制成的具有一定極數(shù)的永磁體，定子鐵心中安放著對(duì)稱的的永磁體，定子鐵心中安放著對(duì)稱的多相繞組多相繞組，可接成星形或角，可接成星形或角形，各相繞組分別與電子開關(guān)線路中的相應(yīng)開關(guān)元件相連接。電形，各相繞組分別與電子開關(guān)線路中的相應(yīng)開關(guān)元件相連接。電子開關(guān)線路有子開關(guān)線路有橋式橋式和和非橋式非橋式兩種。兩種。 圖圖10-20表示的是常用的

45、表示的是常用的三相三相星形橋式連接方式星形橋式連接方式。 第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)-48- 2. 工作原理工作原理 根據(jù)電子開關(guān)線路結(jié)構(gòu)和定子繞組聯(lián)接方式，無刷直流電動(dòng)根據(jù)電子開關(guān)線路結(jié)構(gòu)和定子繞組聯(lián)接方式，無刷直流電動(dòng)機(jī)可以有多種運(yùn)行狀態(tài)，機(jī)可以有多種運(yùn)行狀態(tài)， 下面以下面以三相導(dǎo)通三相星形三相導(dǎo)通三相星形6狀態(tài)狀態(tài)為例說為例說明無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。明無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。 第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)-49- 設(shè)在任意時(shí)刻與三相定子繞組分別相聯(lián)的上、下橋臂開關(guān)器設(shè)在任意時(shí)刻與三相定子繞組分別相聯(lián)的上、下橋臂開關(guān)器件總有一個(gè)是導(dǎo)通，而另一個(gè)是關(guān)斷

46、的（件總有一個(gè)是導(dǎo)通，而另一個(gè)是關(guān)斷的（180度導(dǎo)通型度導(dǎo)通型）。）。 三相三相繞組的通電順序依次為繞組的通電順序依次為 A+B-C+、 A+B-C-、 A+B+C-、 A-B+C-、A-B+C+、 A-B-C+。 圖圖10-23a所示的所示的“A+B-C+”通電狀態(tài)，電流流通的路徑為：通電狀態(tài)，電流流通的路徑為： 電源正極電源正極V1管和管和V5管管A相和相和C相繞組相繞組B相繞組相繞組V6管管電源負(fù)極電源負(fù)極 圖圖10-23b所示的所示的 “A+B-C-”通電狀態(tài)通電狀態(tài) ，電流流通的路徑為：，電流流通的路徑為：電源正極電源正極V1管管A相繞組相繞組B相和相和C相繞組相繞組V6管和管和V2

47、管管電源負(fù)極電源負(fù)極 第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)-50- 從下表可以看出，在從下表可以看出，在1個(gè)周期內(nèi)電動(dòng)機(jī)共有個(gè)周期內(nèi)電動(dòng)機(jī)共有6個(gè)通電狀態(tài)，每個(gè)通電狀態(tài)，每個(gè)狀態(tài)都是三相同時(shí)導(dǎo)通，每個(gè)晶體管導(dǎo)通角為個(gè)狀態(tài)都是三相同時(shí)導(dǎo)通，每個(gè)晶體管導(dǎo)通角為180度。度。 第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)-51-10.5.3 兩種永磁式同步電動(dòng)機(jī)的比較兩種永磁式同步電動(dòng)機(jī)的比較 （1）永磁同步電動(dòng)機(jī)（）永磁同步電動(dòng)機(jī)（permanent magnet synchronous motor，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱PMSM）：）：其出發(fā)點(diǎn)是用永磁體取代電勵(lì)磁式同步其出發(fā)點(diǎn)是用永磁體取代電勵(lì)磁式

48、同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的勵(lì)磁繞組，以省去勵(lì)磁線圈、滑環(huán)和電刷。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的勵(lì)磁繞組，以省去勵(lì)磁線圈、滑環(huán)和電刷。PMSM的定子與電勵(lì)磁式同步電動(dòng)機(jī)基本相同。為產(chǎn)生恒定電磁的定子與電勵(lì)磁式同步電動(dòng)機(jī)基本相同。為產(chǎn)生恒定電磁轉(zhuǎn)矩，要求系統(tǒng)向轉(zhuǎn)矩，要求系統(tǒng)向PMSM輸入三相對(duì)稱正弦電流，同時(shí)要求定子輸入三相對(duì)稱正弦電流，同時(shí)要求定子繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為正弦波，因此也稱繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為正弦波，因此也稱PMSM為為正弦波電動(dòng)機(jī)正弦波電動(dòng)機(jī)。 永磁同步電動(dòng)機(jī)通常采用正弦波脈寬調(diào)制（永磁同步電動(dòng)機(jī)通常采用正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）的變頻）的變頻電源供電電源供電，相對(duì)來講其控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，價(jià)格較貴。但是它基，相

49、對(duì)來講其控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，價(jià)格較貴。但是它基本上屬于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)式電機(jī)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性較高，特別本上屬于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)式電機(jī)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性較高，特別是這種電動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩的矢量控制，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能好，是這種電動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩的矢量控制，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能好，因 此因 此 適 用 于 要 求 高 精 度 控 制 和 寬 調(diào) 速 范 圍 的 場(chǎng) 合適 用 于 要 求 高 精 度 控 制 和 寬 調(diào) 速 范 圍 的 場(chǎng) 合 。第第10 10章章 交流同步電機(jī)交流同步電機(jī)-52- （2）無刷直流電動(dòng)機(jī)（）無刷直流電動(dòng)機(jī)（brushless DC motor，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱BDCM）：）：其出發(fā)點(diǎn)是用裝有永磁體的轉(zhuǎn)子取代有刷直流電動(dòng)機(jī)的定子磁極，其出發(fā)點(diǎn)是用裝有永磁體的轉(zhuǎn)子取代有刷直流電動(dòng)機(jī)的定子磁極，將原直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電樞變?yōu)槎ㄗ?。有刷直流電?dòng)機(jī)是依靠機(jī)將原直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電樞變?yōu)槎ㄗ?。有刷直流電?dòng)機(jī)是依靠機(jī)械換向器將直流電流轉(zhuǎn)換為近似梯形波的交流，