三相同步電動機的建模與特性

1、三相同步電動機的建模與特性第1頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日各類同步電動機的圖片第2頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日第3頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日第4頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日內(nèi)容簡介 三相同步電機的基本運行原理結(jié)構(gòu)電磁關(guān)系數(shù)學(xué)模型（即基本方程式和等效電路和相量圖）功率流程圖 三相同步電動機運行特性（矩角特性與V形曲線）的分析與計算。第5頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日8.1 三相同步電機的基本運行原理A、三相同步電動機的基本運行原理 圖8.1a給出了同步電機的

2、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分別表示等效的定子三相繞組。圖8.1 同步電機的結(jié)構(gòu)示意圖第6頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日則在三相對稱電流的作用下，定子三相對稱繞組必然產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁勢和磁場，定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速（即同步速）為： 上式表明：同步速既取決于電機自身的極對數(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)磁場將反向。 與異步電動機不同，同步電機采用的是雙邊激磁，即不僅定子繞組通以三相交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁勢和磁場，而且轉(zhuǎn)子繞組也通以直流勵磁（或采用永磁體）產(chǎn)生磁勢和磁場，從而要求轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速必須與定子旋轉(zhuǎn)磁場保持同步（其轉(zhuǎn)差為

3、零），才能產(chǎn)生有效的電磁轉(zhuǎn)矩。 在原動機拖動下，轉(zhuǎn)子磁極以同步速拖動氣隙合成磁場旋轉(zhuǎn)，因而在定子繞組中感應(yīng)電勢，并輸出電功率，從而將原動機輸入的機械功率轉(zhuǎn)換為電功率輸出，實現(xiàn)了機電能量轉(zhuǎn)換。 同步發(fā)電機的工作原理： 若在同步電動機的定子三相對稱繞組中分別通以如下三相對稱電流：第7頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日B、同步電機的結(jié)構(gòu) 同步電機定子的結(jié)構(gòu)與異步電機完全相同，而轉(zhuǎn)子則有所不同。按通風(fēng)方式分：開啟式、防護式、封閉式；按冷卻方式分：空氣冷卻式、氫氣冷卻式、水冷卻和混合冷卻式；按發(fā)電機原動機分有：汽輪發(fā)電機、水輪發(fā)電機、其他原動機帶動的發(fā)電機（如柴油機等。）按用途分有

4、: 發(fā)電機、電動機和調(diào)相機。按照轉(zhuǎn)子勵磁方式的不同，同步電機可分為永磁式同步電機和轉(zhuǎn)子帶直流勵磁繞組的同步電機；按照轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同，同步電機又分為隱極式同步電機和凸極式同步電機。 第8頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日圖8.2 同步電機的結(jié)構(gòu)隱極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)實物凸極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)實物單個凸極式轉(zhuǎn)子主極 凸極式一般用在水輪機發(fā)電機上，水輪機轉(zhuǎn)速較低，結(jié)構(gòu)和工藝都比隱極式簡單，轉(zhuǎn)子扁而大。 隱極式一般用在汽輪機上，汽輪機轉(zhuǎn)速較高，為了增大容量，只能增加轉(zhuǎn)子長度，轉(zhuǎn)子細(xì)而長。第9頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日C、同步電機的三種運行狀態(tài)圖8.3a、b、c分別給

5、出了三相同步電機的幾種不同運行狀態(tài)的示意圖。圖8.3 三相同步電機的不同運行狀態(tài)示意圖Ia0，處于過勵狀態(tài)時，電機呈容性，見圖8.28第10頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日C、同步電機的額定數(shù)據(jù) 額定功率 （kW）；同步電動機指額定狀態(tài)下轉(zhuǎn)子軸上輸出的機械功率,同步發(fā)電機,指額定狀態(tài)下從定子側(cè)發(fā)出的有功電功率。 額定電壓 (V或kV) ；額定狀態(tài)下定子繞組的線電壓。 額定電流 （A或kA）；額定狀態(tài)下定子繞組的線電流。 額定功率因數(shù) ；額定狀態(tài)下定子側(cè)的功率因數(shù)。 額定頻率 (Hz)；工頻50HZ。 額定轉(zhuǎn)速 (r/min)，即為同步速； 額定效率 ；額定狀態(tài)下同步電動

6、機的輸出功率與輸入功率之比。此外，還包括：轉(zhuǎn)子額定勵磁功率 、額定勵磁電壓 以及額定溫升等。第11頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日 額定數(shù)據(jù)之間滿足下列關(guān)系式： 對于三相同步發(fā)電機：對于三相同步電動機：第12頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日8.2 三相同步電機的電磁關(guān)系同步電機負(fù)載后,電機內(nèi)部存在兩部分磁場:一、由轉(zhuǎn)子直流勵磁磁勢產(chǎn)生的主磁場；二、由定子電樞繞組電流對應(yīng)的電樞磁勢產(chǎn) 生的電樞磁場。通常，定子電樞磁場對主磁場的影響，稱為同步電機的電樞反應(yīng)。第13頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日同步電機工作在不同運行狀態(tài)下，其

7、主磁勢與電樞磁勢間的關(guān)系是不同的。同步發(fā)電機運行：原動機驅(qū)動同步電機轉(zhuǎn)子以同步速n1旋轉(zhuǎn)（n=n1），在氣隙中形成旋轉(zhuǎn)磁場，磁勢為Ff，氣隙磁密為Bf，與氣隙磁密基波對應(yīng)的等效正弦波勵磁磁勢可用空間矢量Ff表示。同步發(fā)電機負(fù)載以后，定子三相交流繞組出現(xiàn)電樞電流Ia，對應(yīng)產(chǎn)生電樞磁場Fa，此時，F(xiàn)f在前，F(xiàn)a在后。同步電動機運行：定子三相交流繞組接三相電源，定子產(chǎn)生在相合成旋轉(zhuǎn)磁場Fa，依靠磁拉力驅(qū)動直流勵磁的轉(zhuǎn)子同速同向旋轉(zhuǎn)。此時，F(xiàn)a在前，F(xiàn)f在后。無論何種運行狀態(tài)，F(xiàn)a與Ff始終同速同向旋轉(zhuǎn)，故兩磁勢矢量總是相對靜止的，形成合成氣隙磁勢F=Fa +Ff。同步電機空載運行時，F(xiàn)=Ff。第14

8、頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日 由勵磁磁勢 建立主磁場并產(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 ，其電磁關(guān)系可用圖8.4表示之。 若在轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)通以直流勵磁電流 ，則轉(zhuǎn)子的直流勵磁磁勢（或安匝數(shù)） 為：A、三相同步電機空載時的電磁關(guān)系空載： 同步電機空載運行時，定子電樞電流 。（8-1）圖8.4 同步電機空載運行的電磁關(guān)系8.2 三相同步電機的電磁關(guān)系第15頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日 根據(jù)電磁感應(yīng)定律， 可表示為：（8-2）其中， 為定子繞組感應(yīng)電勢的頻率，它由下式給出：（8-3） 改變 的大小，主磁通 將發(fā)生變

9、化， 也將隨之發(fā)生改變。 與 之間的關(guān)系又稱為同步電機的空載特性。典型同步電機的空載特性如圖8.5所示。圖8.5 典型同步電機的空載特性轉(zhuǎn)子If產(chǎn)生的主磁通定子繞組感應(yīng)電勢它反映了主磁路的磁化情況。在額定值條件下，磁通接近飽和區(qū)。第16頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日 根據(jù)式（8-2）繪出同步電機空載運行時的時空相量圖如圖8.5所示。圖8.5 同步電機空載時的時-空相量圖 B、三相同步電機負(fù)載后的電樞反應(yīng)電樞反應(yīng)： 同步電機負(fù)載后，定子三相對稱繞組中就有三相對稱電流 流過，從而在定子中產(chǎn)生以同步速旋轉(zhuǎn)的電樞磁勢 和磁場 ，它與以同步速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁勢 和主磁場 保持相對靜

10、止，因此可以疊加產(chǎn)生有效的氣隙磁勢 和磁場 。 換句話說，與空載運行相比，同步電機負(fù)載后的氣隙磁場將發(fā)生改變，這一變化是由電樞磁勢引起的。通常，把定子電樞磁勢對主磁場的影響稱為電樞反應(yīng)。 勃朗特提出雙反映理論，將Fa分解為Fad和Faq。第17頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日 電樞磁勢 對主磁勢 的影響結(jié)果取決于 與 之間的空間相對位置，即 與 之間的夾角 （又稱為內(nèi)功率因數(shù)角）。 下面僅以同步發(fā)電機為例對電樞磁勢 對主磁勢 的影響結(jié)果討論如下：相應(yīng)于電樞反應(yīng)的磁勢又稱為電樞反應(yīng)磁勢，其大小可以表示為： （8-4） 既然勵磁磁勢 和電樞磁勢 均以同步速旋轉(zhuǎn)，兩者相對靜止

11、，因而可以相互疊加共同產(chǎn)生氣隙磁勢 。于是，氣隙磁勢可以表示為：（8-5）B、三相同步電機負(fù)載后的電樞反應(yīng)第18頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日a、當(dāng) 與 同相（即 ）時 圖8.7給出了當(dāng) 與 同相時的時-空相量圖。 角度正負(fù)規(guī)定：以Ia為參考，Eo超前為正；Eo滯后為負(fù)。B、三相同步電機負(fù)載后的電樞反應(yīng)圖8.7 與 同相時的時空相量圖定義轉(zhuǎn)子軸線為d軸，電角度與d軸垂直，且滯后90的軸線為q軸。它們均與轉(zhuǎn)子一起以同步速旋轉(zhuǎn)。+A表示A相繞組的軸線*第19頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日 由圖8.7可見： 與 空間上相互垂直，此時電樞反應(yīng)表現(xiàn)為交

12、磁作用。由于電樞磁勢 沿交軸（即q軸）方向，相應(yīng)的電樞反應(yīng)又稱為交軸電樞反應(yīng)。此時， 一般用 來表示。 交軸電樞反應(yīng)使得氣隙合成磁勢 的幅值有所增加，相位滯后于 一定角度。第20頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日b、當(dāng) 滯后 （即 ）時 圖8.8給出了 滯后于 時的時空向量圖。 圖8.8 滯后于 時的時空相量圖 由圖8.8可見： 與 方向相反，導(dǎo)致合成氣隙磁場削弱，電樞反應(yīng)表現(xiàn)為去磁作用。由于電樞反應(yīng)沿d 軸方向，相應(yīng)的電樞反應(yīng)又稱為直軸電樞反應(yīng)。此時， 一般用 來表示。 直軸電樞反應(yīng)對同步電機的運行特性有較大影響。第21頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，

13、星期日c、當(dāng) 超前 （即 ）時圖8.9給出了 超前于 時的時空相量圖。B、三相同步電機負(fù)載后的電樞反應(yīng)圖8.9 超前于 時的時空相量圖 由圖8.9可見： 與 方向相同，導(dǎo)致合成氣隙磁場加強。此時，電樞反應(yīng)表現(xiàn)為助磁作用。由于電樞反應(yīng)沿d軸方向，相應(yīng)的電樞反應(yīng)仍為直軸電樞反應(yīng)。磁勢、磁通和激磁電流同相位！第22頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日d、當(dāng) 滯后于 角（即一般情況）時 圖8.10給出了 滯后于 角時的時空向量圖。圖8.10 滯后于 角時的時空相量圖B、三相同步電機負(fù)載后的電樞反應(yīng) 由圖8.10可見：此時， 對 的影響既包括交磁作用又包括去磁作用。對于這種電樞反應(yīng)磁

14、勢 ，通常采用雙反應(yīng)理論將其分解為直軸電樞反應(yīng)磁勢 和交軸電樞反應(yīng)磁勢 兩個分量，然后再對這兩個磁勢分量分別作用于直軸和交軸磁路所產(chǎn)生的磁場情況進行討論。第23頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日 于是，電樞磁勢 可表示為：（8-6）其中，（8-7）相應(yīng)的電流分量為：其中， 對于同步電動機，分析電樞反應(yīng)的影響時，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，然后再采取與上述過程完全相同的方法進行分析。d、當(dāng) 滯后于 角（即一般情況）時B、三相同步電機負(fù)載后的電樞反應(yīng)第24頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日C、三相同步電機負(fù)載后的電磁關(guān)系a、隱極

15、式同步發(fā)電機 根據(jù)上一節(jié)的分析，隱極式同步發(fā)電機負(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。當(dāng)不計磁路飽和時，電樞反應(yīng)電勢 可表示為 ，且 滯后于 （或 ）。第25頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日于是， 可用下列關(guān)系表示為：（8-10）式中， 為電樞反應(yīng)電抗，它反映了電樞反應(yīng)磁通 所經(jīng)過的磁路情況。漏電勢 可用漏電抗表示為：其中， 反映了定子漏磁路的情況。C、三相同步電機負(fù)載后的電磁關(guān)系a、隱極式同步發(fā)電機第26頁，共58頁，2022年，5月20日，0點1

16、3分，星期日b、凸極式同步發(fā)電機 綜上，凸極式同步發(fā)電機負(fù)載后的電磁關(guān)系可總結(jié)為：主磁通是磁極處產(chǎn)生的，隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)切割定子繞組產(chǎn)生Eo，磁路氣隙恒為近短；電樞磁通, Faa，磁路要跨越不均勻氣隙，應(yīng)分解成d和q兩個分量。d對應(yīng)近短氣隙，q對應(yīng)遠(yuǎn)長氣隙。漏磁通僅與繞組自身交鏈，不跨越氣隙。第27頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日b、凸極式同步發(fā)電機 綜上，凸極式同步發(fā)電機負(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。 當(dāng)不計磁路飽和時，直軸電樞反應(yīng)電勢 可表示為： ；交軸電樞反

17、應(yīng)電勢 可表示為： 。第28頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日于是 和 可分別用下式表示為：（8-11）式中， 為直軸電樞反應(yīng)電抗； 為交軸電樞反應(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)過的磁路情況。b、凸極式同步發(fā)電機第29頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日8.3 三相同步電機的基本方程式、等效電路與相量圖A、隱極式同步電機的基本方程式、等值電路與相量圖 a、隱極式同步發(fā)電機圖8.11 同步發(fā)電機各物理量正方向的假定 假定正方向如圖8.11所示（由于電功率趨向于流出電機，故又稱為發(fā)電機慣例），利用上一節(jié)介紹的電磁過程，由基爾

18、霍夫電壓定律（KVL）得：由于三相對稱，可以取一相來分析。這里的討論都是對一向定子電路進行的。第30頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日 將式（8-10）和漏電勢 的表達(dá)式代入上式得：（8-12）式中， 又稱為隱極式同步電機的同步電抗。它綜合反映了電樞反應(yīng)磁通和電樞漏磁通所經(jīng)過的磁路情況。第31頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日根據(jù)式（8-12）繪出隱極式同步發(fā)電機的相量圖和等效電路如圖8.12所示。圖中， 與 之間的夾角 又稱為功率角。它是同步電機的一個很重要的物理量。圖8.12 隱極式同步發(fā)電機的相量圖和等效電路+-發(fā)電機：Eo超前U; 電動機：U

19、超前Eo; 畫向量圖的實際步驟*：第32頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日b、隱極式同步電動機圖8.13 同步電動機各物理量正方向的假定 假定各物理量的正方向如圖8.13所示（由于電功率趨向于流入電機，故又稱為電動機慣例），很顯然，與圖8.12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)電機基本方程式（8-12）中電流 的方向便可獲得隱極式同步電動機的基本方程式。第33頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日即：（8-13）根據(jù)式（8-13），繪出隱極式同步電動機的矢量圖和等效電路如圖8.14所示。 于是有：b、隱極式同步電動機第34頁，共58頁，

20、2022年，5月20日，0點13分，星期日一般結(jié)論： 對于同步發(fā)電機和同步電動機，其功率角 有所不同。發(fā)電機 超前于 , 角（見圖8.12b）；電動機 滯后于 , 角（見圖8.14b）。 發(fā)電機：Eo超前U電動機：U超前Eo+-電機呈電容性時：電流Ia超前U電機呈電感性時：電流Ia滯后U圖8.14 隱極式同步電動機的相量圖和等效電路第35頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日B、凸極式同步電機的基本方程式、等值電路與相量圖 a、凸極式同步發(fā)電機 根據(jù)上一節(jié)介紹的電磁過程，并參考圖8.11的正方向假定，由基爾霍夫電壓定律（KVL）得：將式（8-8）、（8-11）以及漏電勢 的表

21、達(dá)式代入上式得：（8-14）式中， 又稱為凸極式同步電機的直軸同步電抗； 又稱為交軸同步電抗。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)過的磁路情況。圖8.15給出了交、直軸同步電抗物理意義的示意圖。第36頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日圖8.15 交、直軸同步電抗的物理意義圖8.16 凸極式同步發(fā)電機的相量圖根據(jù)式（8-14）便可繪出凸極式同步發(fā)電機的相量圖如圖8.16所示。 第37頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日b、凸極式同步電動機 與隱極式同步電機一樣，對于凸極式同步電動機，只需改變凸極式同步發(fā)電機基本方程式（8-14）中的電

22、流方向便可獲得凸極式同步電動機的基本方程式。于是有：即：（8-15）根據(jù)式（8-15）繪出凸極式同步電動機的相量圖如圖8.17所示。電機呈電容性時：電流Ia超前U電機呈電感性時：電流Ia滯后U發(fā)電機：Eo超前U電動機：U超前Eo圖8.17 凸極式同步電動機的矢量圖第38頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日8.4 三相同步電動機的矩角特性與V形曲線A、同步電動機的矩角特性矩角特性： 定子電壓 一定、轉(zhuǎn)子外加直流勵磁電流 一定條件下電磁轉(zhuǎn)矩 與功率角 之間的關(guān)系曲線，即 。矩角反映了負(fù)載改變時電磁轉(zhuǎn)矩的變化情況，它相當(dāng)于三相異步電動機的T-S曲線（或機械特性） 。 在引入矩角特

23、性之前，首先介紹一下功率流程圖和轉(zhuǎn)矩平衡方程式。a、同步電動機的功率流程圖 根據(jù)等效電路（圖8.14），同步電動機定子側(cè)輸入的電功率 可表示為：（8-16）其中，電磁功率 可表示為：（8-17）第39頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日根據(jù)上式繪出同步電動機的功率流程圖如圖8.18所示。圖8.18 同步電動機的功率流程圖b、同步電動機的轉(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： 即：第40頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日c、同步電動機的矩角特性矩角特性： 矩角特性定為： ，其中， 為 與 之間的夾角，即功率角，它相當(dāng)

24、于感應(yīng)電動機的轉(zhuǎn)差率s。 考慮到實際同步電機的定子電樞電阻遠(yuǎn)小于同步電抗，故定子電樞電阻可忽略不計。于是，凸極同步電動機的相量圖（圖8.17）變?yōu)閳D8.19。凸極式同步電動機的矩角特性圖8.19 忽略定子電阻時凸極同步電動機的相量圖第41頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日 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：又由相量圖8.19得：于是，電磁功率變?yōu)椋菏剑?-19）又稱為凸極式同步電動機的功角特性。 （8-19）第42頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日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：（8-20）式（8-2

25、0）又稱為凸極式同步電動機的矩角特性，它可用圖8.20所示曲線表示之。圖8.20 凸極同步電動機的矩角特性 結(jié)論： 凸極式同步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩由兩部分組成（見圖8.20）：一部分為基本電磁轉(zhuǎn)矩 ，它是由轉(zhuǎn)子直流勵磁磁勢和定子氣隙磁場相互作用產(chǎn)生的；另一部分是由d軸和q軸磁阻不同（又稱為凸極效應(yīng)）引起的附加電磁轉(zhuǎn)矩 ?；倦姶呸D(zhuǎn)矩附加電磁轉(zhuǎn)矩第43頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日附加電磁轉(zhuǎn)矩部分的物理意義可借助于圖8.21加以解釋之。圖8.21 凸極同步電動機的磁阻轉(zhuǎn)矩這里的磁場是指：圖（a）,=0時，磁路磁阻最小，xdxq，轉(zhuǎn)子只受徑向電磁力，不產(chǎn)生切向電磁轉(zhuǎn)矩。圖（b

26、）， 0， xdxq，磁力線發(fā)生扭曲，轉(zhuǎn)子受沿切線方向電磁轉(zhuǎn)矩作用，并帶動轉(zhuǎn)子以同步速旋轉(zhuǎn)。圖（c）, 0， xd=xq(隱極式同步電機，氣隙均勻，磁場分布也均勻)，轉(zhuǎn)子不產(chǎn)生沿切線方向電磁轉(zhuǎn)矩。第44頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日隱極式同步電動機的矩角特性 對于隱極式同步電動機，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機的功角特性為：（8-21） 將上式除以同步角速度 ，便可獲得隱極式同步電動機的矩角特性為：（8-22）圖8.22 隱極式同步電動機的矩角特性第45頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日d、功率

27、角 的物理意義 同步電動機的矩角特性類似于異步電動機的機械特性，其中的功率角相當(dāng)于異步電動機的轉(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。但同步電動機仍保持同步速運行。同步電機的功率角 的雙重含義：從時間上看：功率角 為定子感應(yīng)電勢 與定子電壓 之間的夾 角；從空間上看：功率角 為轉(zhuǎn)子勵磁磁勢 和氣隙合成磁勢 （ ）之間的夾角。 其中， 是由轉(zhuǎn)子勵磁磁勢 在定子繞組中感應(yīng)的電勢；而 可近似看作為由氣隙合成磁勢 在定子繞組中的感應(yīng)電壓。 第46頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日 同步電機

28、的功率角的物理意義可用圖8.23所示等效磁極來表示。圖8.23 功率角 的物理意義結(jié)論： 功率角 的正、負(fù)是同步電機運行狀態(tài)的一個重要標(biāo)志。當(dāng)同步電動機作電動機運行時，超前于 功率角 。規(guī)定此時的功率角為正；當(dāng)同步電動機作發(fā)電機運行時， 滯后于 功率角 。此時的功率角則為負(fù)。 第47頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日e、同步電動機的穩(wěn)定運行與過載能力 以隱極式同步電動機為例來說明同步電動機的穩(wěn)定運行問題。 圖8.24給出了同步電動機靜態(tài)穩(wěn)定與“失步”概念的解釋。圖8.24 同步電動機靜態(tài)穩(wěn)定與“失步”的解釋 由圖8.24可見，對于隱極式同步電動機，其靜態(tài)穩(wěn)定運行區(qū)域為：

29、；當(dāng)功率角 時，同步電動機將不穩(wěn)定運行。穩(wěn)定判據(jù)：當(dāng) 系統(tǒng)是穩(wěn)定的。否則是不穩(wěn)定的。靜態(tài)穩(wěn)定能力可用過載能力 來描述。對于隱極式同步電動機有：（8-23） 一般情況下，隱極式同步電動機額定負(fù)載運行的功率角 ，此時 。第48頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日一般結(jié)論： 隱極同步電動機的穩(wěn)定運行范圍是： 。超過該范圍，同步電動機將不穩(wěn)定運行； 增加轉(zhuǎn)子直流勵磁電流可以提高同步電動機的過載能力，進而提高電力拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 為確保隱極式同步電動機的可靠運行，通常?。?。第49頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日B、同步電動機的V形曲線與功率因數(shù)的調(diào)節(jié)V形曲

30、線： 在 、 以及電磁功率（或電磁轉(zhuǎn)矩 ）一定的條件下，定子電樞電流 與轉(zhuǎn)子勵磁電流 之間的關(guān)系曲線。 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)在勵磁電流改變時的變化情況。 改變If可以改變功率因數(shù)。下面僅以隱極式同步電動機為例對其進行說明。 忽略定子銅耗、鐵耗以及轉(zhuǎn)子機械耗，于是有：設(shè)電網(wǎng)的容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同步電動機的容量。改變If時，U、f1、Tz、Tem和Pem均不變，于是存在下列關(guān)系式：根據(jù)上述條件，繪出不同轉(zhuǎn)子勵磁條件下同步電動機的相量圖如圖8.27所示。第50頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日定義: 通常，將定子電樞電流

31、與定子電壓同相位時的勵磁電流稱為正常勵磁電流，對應(yīng)的運行狀態(tài)稱為正常勵磁狀態(tài)；超過正常勵磁電流的運行狀態(tài)稱為過勵狀態(tài)；低于正常勵磁電流的運行狀態(tài)稱為欠勵狀態(tài)；圖8.27分別給出了上述三種狀態(tài)下的相量圖。過勵：對應(yīng)較大的If，即較大的Eo。相應(yīng)的Ia超前U，電動機功率因數(shù)呈容性。呈純阻性圖8.27 轉(zhuǎn)子直流勵磁改變時同步電動機的相量圖第51頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日一般結(jié)論： 調(diào)節(jié)同步電動機的勵磁電流可以改變定子電流的無功分量和功率因數(shù)。正常勵磁時，同步電動機從電網(wǎng)全部吸收有功；欠勵時，同步電動機從電網(wǎng)吸收滯后無功（或發(fā)出超前無功）；過勵時，同步電動機從電網(wǎng)吸收超前

32、無功（或發(fā)出滯后無功）； 若調(diào)節(jié)同步電動機的勵磁電流，使之工作在過勵狀態(tài)，則可以改善同步電動機的功率因數(shù)； 若同步電動機在空載狀態(tài)下運行，且轉(zhuǎn)子處于勵磁過勵，同步電動機可以向電網(wǎng)發(fā)出滯后無功（或吸收超前無功），有利于改善電網(wǎng)的功率因數(shù)（通常將工作在這一狀態(tài)下的空載同步電動機稱為“同步調(diào)相機”（或同步補償機）（見圖8.28同步調(diào)相機的相量圖）。過勵：對應(yīng)較大的If，即較大的Eo。相應(yīng)的Ia超前U，這里超前90，電動機功率因數(shù)呈容性。第52頁，共58頁，2022年，5月20日，0點13分，星期日 很顯然，對于輸出功率一定的同步電動機，其定子電樞電流與轉(zhuǎn)子直流勵磁電流之間的變化曲線呈“V字”形狀，V形曲線由此而得名。圖8.29 同步電動機的V形曲線 對于不同輸出功率（或電磁功率），隨著輸出功率的增加，V形曲線上移。 此外，由圖8.27可見，當(dāng)轉(zhuǎn)子直流勵磁電流 由小到大（即由欠勵正常勵磁過勵）變化時，則定子電樞電流 首先逐漸減小，至正常勵磁時降為最低。然后，電樞電流又逐漸增加。 上述結(jié)論可用圖8.29所示曲線表示之。第53頁，共58頁，