控制電機(jī)同步電動(dòng)機(jī)

第9章同步電動(dòng)機(jī)

9.1概述9.2同步電動(dòng)機(jī)的基本工作原理9.3同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與分類(lèi)

9.4同步電動(dòng)機(jī)的基本方程式和運(yùn)行特性

9.5同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)9.6小功率同步電動(dòng)機(jī)9.7稀土永磁式同步電動(dòng)機(jī)

思考題及習(xí)題控制電機(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁(yè)!9.1概述

同步電機(jī)是交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)中的一種，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速始終與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速（同步速）相同。同步電機(jī)主要分為同步發(fā)電機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)、同步調(diào)相機(jī)?，F(xiàn)代電力工業(yè)中，無(wú)論是火力發(fā)電、水力發(fā)電、還是原子能發(fā)電，幾乎全部采用同步發(fā)電機(jī)。

同步電動(dòng)機(jī)主要用于功率較大，轉(zhuǎn)速不要求調(diào)節(jié)的生產(chǎn)機(jī)械，如大型水泵、空氣壓縮機(jī)、礦井通風(fēng)機(jī)等。

控制電機(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁(yè)!同步調(diào)相機(jī)是空載運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)，專(zhuān)門(mén)提供感性無(wú)功功率，用來(lái)改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，以提高電網(wǎng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性及電壓的穩(wěn)定性?？刂齐姍C(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁(yè)!9.2同步電動(dòng)機(jī)的基本工作原理

同步電機(jī)的定子和異步電機(jī)的定子相同，即在定子鐵心內(nèi)圓均勻分布的槽內(nèi)嵌放三相對(duì)稱(chēng)繞組，如圖9-1所示，同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖中只畫(huà)出一相繞組。同步電機(jī)的定子又稱(chēng)電樞，轉(zhuǎn)子主要由磁極鐵心與勵(lì)磁繞組組成。當(dāng)勵(lì)磁繞組通以直流電流后，轉(zhuǎn)子即建立恒定磁場(chǎng)。同步電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，在定子繞組上通以三相交流電源，產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)速度為同步速n1的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。

控制電機(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁(yè)!

在轉(zhuǎn)子繞組加上直流勵(lì)磁，轉(zhuǎn)子將在定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的帶動(dòng)下，帶動(dòng)負(fù)載沿定子磁場(chǎng)的方向以相同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n與定子電源頻率f、磁極對(duì)數(shù)p之間應(yīng)滿足

(9-1)

上式表明，同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與頻率之間將保持嚴(yán)格不變的關(guān)系，當(dāng)電源頻率f不變時(shí)，轉(zhuǎn)速恒為同步速，與負(fù)載大小無(wú)關(guān)。這是同步電機(jī)和異步電機(jī)的基本差別之一。

控制電機(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁(yè)!圖9-2a)氣隙合成磁場(chǎng)的等效磁極b)同步電動(dòng)機(jī)的工作原理

控制電機(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁(yè)!

負(fù)載時(shí)，δ角增大，電網(wǎng)輸入的電功率P1和相應(yīng)的電磁功率PM增大，電磁轉(zhuǎn)矩隨之增大，電動(dòng)機(jī)仍保持同步狀態(tài)。負(fù)載若超過(guò)同步異性吸力(電磁轉(zhuǎn)矩)時(shí)，轉(zhuǎn)子就無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。控制電機(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁(yè)!

旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機(jī)按磁極的形狀，又可分為隱極式和凸極式兩種類(lèi)型，如圖9-3所示。

隱極式氣隙是均勻的，轉(zhuǎn)子做成圓柱型。

凸極式氣隙是不均勻的，極弧底下氣隙較小，極間部分氣隙較大?？刂齐姍C(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁(yè)!轉(zhuǎn)子定子圖9-4凸極同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)控制電機(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁(yè)!按原動(dòng)機(jī)類(lèi)別，同步電機(jī)可分為汽輪發(fā)電機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)等。

汽輪發(fā)電機(jī)由于轉(zhuǎn)速高，轉(zhuǎn)子各部分受到的離心力很大，機(jī)械強(qiáng)度要求高，一般采用隱極式；轉(zhuǎn)子細(xì)而長(zhǎng)，以減小線速度。如圖9-6所示。用于火力發(fā)電廠和核電廠。

水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速低、極數(shù)多，采用結(jié)構(gòu)和制造上比較簡(jiǎn)單的凸極式。同步電動(dòng)機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)和調(diào)相機(jī)，一般也做成凸極式；轉(zhuǎn)子粗而短，以增加極數(shù)。如圖9-7所示。用于水力發(fā)電廠。控制電機(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁(yè)!

共安裝26臺(tái)發(fā)電機(jī)組（現(xiàn)32臺(tái)）。左廠房安裝14臺(tái)機(jī)組，右廠房12臺(tái)，單機(jī)容量均為70萬(wàn)千瓦，總裝機(jī)容量1820萬(wàn)千瓦。已經(jīng)總裝完畢的機(jī)組，每臺(tái)重達(dá)6000多噸。僅轉(zhuǎn)子直徑就達(dá)18米多，3.5米高，有200多平方米的房子那么大，1600多噸重。每臺(tái)機(jī)組用一條直徑為12.4米的鋼管，從水庫(kù)引水導(dǎo)向水輪機(jī)，被驅(qū)動(dòng)的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。一臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組還配備一臺(tái)重達(dá)450噸的變壓器，電流將通過(guò)三峽輸變電工程送出?？刂齐姍C(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁(yè)!圖9-8隱極式同步電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)相量圖

圖中滯后于一個(gè)夾角δ，稱(chēng)為功率角，其物理定

義是合成等效磁極與轉(zhuǎn)子磁極軸線之間的夾角，如圖9-2所示。

***δ角的大小：表征了同步電動(dòng)機(jī)電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩的大小。控制電機(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁(yè)!

額定運(yùn)行時(shí)，δN=20°~30°。當(dāng)δ=90°時(shí)，PM=PMmax，T=Tmax；當(dāng)δ＞90°，會(huì)出現(xiàn)“失步”現(xiàn)象，同步電動(dòng)機(jī)不能正常運(yùn)行。圖9-9隱極式同步電動(dòng)機(jī)的圖9-10同步電動(dòng)機(jī)的V形曲線功角、矩角特性

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左邊是欠勵(lì)區(qū)，右邊是過(guò)勵(lì)區(qū)。正常勵(lì)磁時(shí)，cosφ=1，電樞電流全部為有功電流；

當(dāng)欠勵(lì)時(shí)，功率因數(shù)是滯后的，電樞電流為感性電流，起增磁作用，電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)中吸收滯后的無(wú)功電流和功率；

過(guò)勵(lì)時(shí)，功率因數(shù)是超前的，電樞電流為容性電流，起去磁作用，電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)中吸收超前的無(wú)功電流和功率。其中PM=0的這條曲線對(duì)應(yīng)于同步調(diào)相機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

控制電機(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁(yè)!V形曲線:并聯(lián)于無(wú)窮大電網(wǎng)的同步電動(dòng)機(jī)，保持有功功率不變時(shí)，表示電樞電流I和勵(lì)磁電流If的關(guān)系曲線I=f（If）控制電機(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁(yè)!9-5同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)***

一、同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)的定、轉(zhuǎn)子通電，定子三相繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)。假設(shè)起動(dòng)瞬間，定、轉(zhuǎn)子磁極的相對(duì)位置如圖9-11a所示。起動(dòng)瞬間，轉(zhuǎn)子是靜止的，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)也是靜止的，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以同步速對(duì)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)矩。而轉(zhuǎn)子存在慣性，一下子達(dá)不到同步速。這時(shí)定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)已經(jīng)轉(zhuǎn)過(guò)180°到了圖9-11b，這時(shí)轉(zhuǎn)子上又產(chǎn)生一個(gè)順時(shí)針轉(zhuǎn)矩。

控制電機(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁(yè)!圖9-11同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)定子磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的作用控制電機(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁(yè)!圖9-12同步電動(dòng)機(jī)異步起動(dòng)法的原理接線圖

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(2)將定子繞組通以三相交流電源，建立旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在轉(zhuǎn)子的起動(dòng)繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及電流，此電流與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生異步電磁轉(zhuǎn)矩——異步起動(dòng)。(3)當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)（達(dá)95%n1時(shí)），將附加電阻切除，勵(lì)磁繞組與直流電源連接，依靠同步轉(zhuǎn)矩保持電動(dòng)機(jī)同步運(yùn)行——牽入同步?？刂齐姍C(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁(yè)!

二、同步電動(dòng)機(jī)的振蕩

雖然同步電動(dòng)機(jī)通常以恒定的同步速轉(zhuǎn)動(dòng)，但有時(shí)會(huì)發(fā)生所謂“振蕩現(xiàn)象”。這種振蕩現(xiàn)象一般發(fā)生在電機(jī)發(fā)出的轉(zhuǎn)矩或者軸上的負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩突然發(fā)生變化的時(shí)候。下面以反應(yīng)式同步電動(dòng)機(jī)為例，說(shuō)明同步電動(dòng)機(jī)的振蕩現(xiàn)象。

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但此時(shí)轉(zhuǎn)子速度已超過(guò)同步速，由于轉(zhuǎn)子具有慣性，在慣性矩作用下，轉(zhuǎn)子不能停留在這個(gè)新的平衡點(diǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)，而要越過(guò)平衡點(diǎn)，這樣夾角θ就會(huì)小于θ2。時(shí)電動(dòng)機(jī)發(fā)出的轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子就要減速，夾角θ又開(kāi)始增大并趨向于θ2。當(dāng)θ=θ2時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速已低于同步速，又由于轉(zhuǎn)子慣性矩作用，轉(zhuǎn)子要越過(guò)θ2使夾角θ大于θ2。然后再重復(fù)前面的過(guò)程?？刂齐姍C(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁(yè)!圖9-20同步電動(dòng)機(jī)的振蕩控制電機(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁(yè)!

振蕩使同步電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生忽高忽低的不穩(wěn)定現(xiàn)象，對(duì)于一些要求轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度很高的儀器和設(shè)備，如同步隨動(dòng)系統(tǒng)、無(wú)線電通訊設(shè)備、錄音傳真設(shè)備等會(huì)帶來(lái)很大誤差。所以在選用同步電動(dòng)機(jī)時(shí)，一般還會(huì)提出速度穩(wěn)定度的要求。**減弱同步電動(dòng)機(jī)振蕩的方法：

其中一種方法是在轉(zhuǎn)子上裝設(shè)鼠籠式的短路繞組。當(dāng)轉(zhuǎn)子振蕩時(shí)，轉(zhuǎn)子相對(duì)于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在鼠籠導(dǎo)條中產(chǎn)生了切割電流。根據(jù)楞次定律，這個(gè)電流與磁場(chǎng)相互作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是阻止轉(zhuǎn)子相對(duì)于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的，因而使振蕩得到減弱，起到了阻尼作用。

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在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，也可用來(lái)作為執(zhí)行元件。

功率從零點(diǎn)幾瓦到數(shù)百瓦。微型同步電動(dòng)機(jī)主要可分為永磁式、反應(yīng)式、磁滯式和自控式。1、自控式同步電動(dòng)機(jī)也稱(chēng)為無(wú)換向器式電動(dòng)機(jī)，由電力電子技術(shù)發(fā)展而來(lái)的頻率閉環(huán)控制的同步電動(dòng)機(jī)。2、永磁式同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子由永久磁鋼做成。

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4、磁滯式同步電動(dòng)機(jī)

主要特點(diǎn)在于它的轉(zhuǎn)子鐵心不是用一般的軟磁材料，而是用硬磁材料做成的。具有比較寬的磁滯回環(huán)，即剩余磁感應(yīng)Br及矯頑磁力Hc要比軟磁材料大，單位場(chǎng)強(qiáng)的磁滯損耗比較大，如圖9-13所示。一般電機(jī)用的軟磁材料的回環(huán)很窄小，如回環(huán)3，所以，異步電動(dòng)機(jī)中雖也有磁滯轉(zhuǎn)矩，但與異步轉(zhuǎn)矩相比小得多，可略去不計(jì)?？刂齐姍C(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁(yè)!

為增大磁滯轉(zhuǎn)矩，應(yīng)利用磁滯回環(huán)寬的硬磁材料制造轉(zhuǎn)子，最理想回環(huán)是矩形，如圖9-14中的虛曲線1。目前在磁滯電動(dòng)機(jī)中所應(yīng)用的磁滯材料如鐵鈷釩、鐵鈷鉬等合金的磁滯回環(huán)(如回環(huán)2)很近于理想。磁滯同步電動(dòng)機(jī)與其它類(lèi)型同步電動(dòng)機(jī)相比具有的一個(gè)最大優(yōu)點(diǎn)是：具有很大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因而它不要附加任何啟動(dòng)繞組就能很快自行啟動(dòng)?？刂齐姍C(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁(yè)!

磁滯同步電動(dòng)機(jī)主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，不需要裝任何啟動(dòng)裝置就能平穩(wěn)地抵達(dá)同步速，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)噪聲也很小。主要應(yīng)用于電鐘、電唱機(jī)、無(wú)線電通訊設(shè)備、自動(dòng)記錄儀器，以及錄音、傳真、自動(dòng)及遙控裝置等，功率從幾瓦到200W，其中功率小于50W以下應(yīng)用得更為廣泛?？刂齐姍C(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁(yè)!圖9-15永磁式同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

c)徑向式d)并聯(lián)式e)切向式控制電機(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁(yè)!鐵磁材料

軟磁材料：磁導(dǎo)率μ高，剩磁Br小，磁滯回線窄而長(zhǎng)，如：

鑄鋼、硅鋼、坡莫合金，制作電機(jī)鐵心；硬磁材料：μ不高，剩磁Br大，磁滯回線寬而胖、高矯頑力和高剩磁，如：鐵鈷釩（FeCoV）、鐵鈷鉬（FeCoMo）、錳鉍（MnBi）及稀土永磁材料鐵氧體、釹鐵硼、釤鈷(SmCo)、釹鎳鈷（NdNiCO），制造永久磁鐵?？刂齐姍C(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第29頁(yè)!釹鐵硼磁鋼屬于負(fù)溫度系數(shù)永磁材料，主要是在高溫下發(fā)生退磁現(xiàn)象，即隨溫度上升，矯頑力Hc值將下降。因此，我們采用正溫穩(wěn)磁處理法。正溫穩(wěn)磁就是把充好磁的產(chǎn)品放入溫度比使用溫度高30~50℃的烘箱中保持2～4小時(shí)。穩(wěn)磁處理后，磁鋼磁性能略有下降。電機(jī)在峰值轉(zhuǎn)矩為4倍額定轉(zhuǎn)矩的過(guò)載情況下運(yùn)行，電樞反應(yīng)使磁場(chǎng)畸變，磁鋼呈現(xiàn)不可逆去磁現(xiàn)象。

控制電機(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第30頁(yè)!電飯煲和鐵磁性

電飯煲核心技術(shù)裝置是自動(dòng)限溫裝置，其感測(cè)元件是一感溫磁鋼，具有高溫去磁現(xiàn)象。按下按鍵開(kāi)關(guān)則接電源的動(dòng)靜觸頭接通，電熱板發(fā)熱，溫度高到居里點(diǎn)（103℃±2℃）時(shí)，由于感溫磁鋼失去磁性而不能吸住永磁鋼片，則永磁鋼片下落。致使永磁體在重力及彈簧的作用下斷開(kāi)觸點(diǎn)，使加熱電路斷電。同時(shí)，接通另一保溫電路，保持飯的溫度在70℃左右。

控制電機(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第31頁(yè)!控制電機(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第32頁(yè)!

如果因磁鋼失磁而導(dǎo)致煮生飯，應(yīng)更換磁鋼限溫器；如果磁鋼未失磁而出現(xiàn)生飯現(xiàn)象，則大多發(fā)球內(nèi)鍋鍋底變形，當(dāng)鍋底向上凸起時(shí)，感溫磁鋼被鍋底下壓的幅度減小，因此，當(dāng)鍋內(nèi)溫度還未達(dá)到居里點(diǎn)時(shí)就將電路斷開(kāi)，即出現(xiàn)了生飯現(xiàn)象；反之，當(dāng)鍋底向下凹時(shí)，感溫磁鋼被鍋底下壓的幅度增大，因此，當(dāng)鍋內(nèi)溫度超過(guò)居里點(diǎn)時(shí)才將電路斷開(kāi)，即出現(xiàn)了焦飯的現(xiàn)象。解決的辦法是將內(nèi)鍋鍋底按原樣校正。

控制電機(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第33頁(yè)!故這些異步電動(dòng)機(jī)總的無(wú)功功率Q為

Q=S*sinφ=3060*0.713kvar=2185kvar

同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行后，cosφ=1，故全廠的感性無(wú)功全由該同步電動(dòng)機(jī)提供，即有

=Q=2185kvar

=0.8，=0.6

故同步電動(dòng)機(jī)的視在功率為

有功功率為

控制電機(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第34頁(yè)!2、同步電機(jī)的主要類(lèi)型？3、一水電站供應(yīng)一遠(yuǎn)距離用戶，為改善功率因素添置一臺(tái)同步調(diào)相機(jī)，此機(jī)應(yīng)裝在水電站內(nèi)還是裝在用戶（受電端）附近？為什么？4、同步電動(dòng)機(jī)能否自行起動(dòng)？為什么？5、簡(jiǎn)述同步電動(dòng)機(jī)的異步起動(dòng)法？6、什么是功率角？功率角的物理意義？同步電動(dòng)機(jī)什么時(shí)候出現(xiàn)失步現(xiàn)象？控制電機(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第35頁(yè)!圖9-1同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖控制電機(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第36頁(yè)!

我國(guó)電力系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)頻率為50Hz，電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)為整數(shù)，所以同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為一固定值。當(dāng)2p=2時(shí)，n為3000r／min；當(dāng)2p=4時(shí)，n為1500r／min；當(dāng)2p=6時(shí)，n為1000r／min；依此類(lèi)推。控制電機(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第37頁(yè)!

假如轉(zhuǎn)子以某種方法起動(dòng)，并使轉(zhuǎn)速接近n1，這時(shí)轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)極性與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)極性之間異性對(duì)齊(定子S極與轉(zhuǎn)子N0極對(duì)齊)。根據(jù)磁極異性相吸原理，定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)間就產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，促使轉(zhuǎn)子跟旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)一起同步轉(zhuǎn)動(dòng)，即n=n1，故稱(chēng)為同步電動(dòng)機(jī)。同步電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，由于空載總存在阻力，轉(zhuǎn)子的磁極軸線總要滯后旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軸線一個(gè)很小角度δ，促使產(chǎn)生一個(gè)異性吸力（驅(qū)動(dòng)性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩），如圖9-2所示。

控制電機(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第38頁(yè)!9.3同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與分類(lèi)

同步電機(jī)可以按運(yùn)行方式、結(jié)構(gòu)型式和原動(dòng)機(jī)的類(lèi)別進(jìn)行分類(lèi)。按運(yùn)行方式，同步電機(jī)可分為發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和調(diào)相機(jī)三類(lèi)。按結(jié)構(gòu)型式，同步電機(jī)可分為旋轉(zhuǎn)電樞式和旋轉(zhuǎn)磁極式兩種。

旋轉(zhuǎn)電樞式應(yīng)用在小容量電動(dòng)機(jī)中；而旋轉(zhuǎn)磁極式用于大容量電動(dòng)機(jī)中，應(yīng)用比較廣泛?？刂齐姍C(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第39頁(yè)!(a)凸極式(b)隱極式圖9-3旋轉(zhuǎn)磁極式同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖控制電機(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第40頁(yè)!定子轉(zhuǎn)子圖9-5隱極同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)控制電機(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第41頁(yè)!圖9-6國(guó)產(chǎn)60萬(wàn)kW汽輪發(fā)電機(jī)正在安裝轉(zhuǎn)子目前世界最大的汽輪發(fā)電機(jī)已經(jīng)超過(guò)100萬(wàn)kW圖9-7世界最大的水輪發(fā)電機(jī)組在三峽電站安裝三峽電站總裝機(jī)26臺(tái)，單機(jī)容量70萬(wàn)千瓦。

控制電機(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第42頁(yè)!9.4同步電動(dòng)機(jī)的基本方程和運(yùn)行特性一、同步電動(dòng)機(jī)的基本方程式和相量圖隱極式同步電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)平衡方程式為

(9-2)式中——?jiǎng)?lì)磁磁通在定子繞組里的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(V)；Ra——電樞電阻；Xt——電樞繞組等效電抗，稱(chēng)同步電抗(Ω)；Xt反應(yīng)了電樞反應(yīng)磁場(chǎng)和漏磁場(chǎng)的總作用?？刂齐姍C(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第43頁(yè)!

二、功角特性和矩角特性同步電動(dòng)機(jī)接在電網(wǎng)上運(yùn)行時(shí)，當(dāng)δ角變化時(shí)，電磁功率PM的大小也隨之變化，PM=f(δ)的關(guān)系稱(chēng)為同步電動(dòng)機(jī)的功角特性。其數(shù)學(xué)表達(dá)式(隱極式)為

(9-3)電磁轉(zhuǎn)矩T=f(δ)的關(guān)系稱(chēng)為矩角特性，其表達(dá)式：

(9-4)功角特性和矩角特性曲線如圖9-9所示?？刂齐姍C(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第44頁(yè)!

三、V形曲線***

同步電動(dòng)機(jī)的V形曲線是指在電網(wǎng)恒定和電動(dòng)機(jī)輸出功率恒定的情況下，電樞電流和勵(lì)磁電流之間的關(guān)系曲線，即I=f(If)，如圖9-10所示。如果電網(wǎng)電壓恒定，則U與f1均保持不變。忽略電樞電阻和磁路飽和的影響，則電動(dòng)機(jī)的輸出功率不變時(shí)，電磁功率也保持不變。=常數(shù)(9-5)可得：E0sinδ=常數(shù)；Icosφ=常數(shù)控制電機(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第45頁(yè)!

由于同步電動(dòng)機(jī)的PM與E0成正比，所以當(dāng)減小勵(lì)磁電流時(shí)，它的過(guò)載能力也要降低，而對(duì)應(yīng)功率角δ則增大；在某一負(fù)載下，當(dāng)勵(lì)磁電流減少到一定數(shù)值時(shí)，δ角就超過(guò)90°，隱極式同步電動(dòng)機(jī)就不能穩(wěn)定運(yùn)行而失去同步。圖9-10虛線表示了同步電動(dòng)機(jī)不穩(wěn)定運(yùn)行的界限?？刂齐姍C(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第46頁(yè)!***由于電網(wǎng)上的負(fù)載多為感性負(fù)載（感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和變壓器），它們從電網(wǎng)中吸收感性的無(wú)功功率。同步電動(dòng)機(jī)工作在過(guò)勵(lì)狀態(tài)下，從電網(wǎng)中吸收容性的無(wú)功功率，則可向其它感性負(fù)載提供感性的無(wú)功功率，從而提高功率因數(shù)，這是同步電動(dòng)機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)。因此，為改善電網(wǎng)功率因數(shù)和提高電機(jī)過(guò)載能力，同步電動(dòng)機(jī)的額定功率因數(shù)一般設(shè)計(jì)為1~0.8(超前)?？刂齐姍C(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第47頁(yè)!

可見(jiàn)在一個(gè)周期內(nèi)，作用在同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的平均起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為零。所以，同步電動(dòng)機(jī)就不能自行起動(dòng)?？刂齐姍C(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第48頁(yè)!

同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法有三種：輔助電動(dòng)機(jī)起動(dòng)法、變頻起動(dòng)法和異步起動(dòng)法。主要介紹應(yīng)用較廣的異步起動(dòng)法。***異步起動(dòng)法就是在凸極式同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子極靴上裝一個(gè)起動(dòng)繞組(阻尼繞組)來(lái)獲得起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，利用異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)原理來(lái)起動(dòng)，如圖9-11a所示?？刂齐姍C(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第49頁(yè)!具體步驟如下：

(1)首先將同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組通過(guò)一個(gè)附加電阻短接，該附加電阻約為勵(lì)磁繞組電阻的10倍，并且勵(lì)磁繞組不能開(kāi)路。因?yàn)閯?lì)磁繞組的匝數(shù)很多，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)將在該繞組中感應(yīng)很高的電壓，可能擊穿勵(lì)磁繞組的絕緣?？刂齐姍C(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第50頁(yè)!

在同步電動(dòng)機(jī)異步起動(dòng)時(shí)，為了限制起動(dòng)電流，可采用減壓起動(dòng)。通常采用自耦變壓器或電抗器來(lái)降壓。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到同步轉(zhuǎn)速時(shí)，電壓恢復(fù)至額定值，然后再給直流勵(lì)磁，使同步電機(jī)牽入同步運(yùn)行?？刂齐姍C(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第51頁(yè)!

圖9-20是說(shuō)明同步電動(dòng)機(jī)振蕩現(xiàn)象的原理圖。假定電機(jī)原先是在定子磁場(chǎng)軸線與轉(zhuǎn)子直軸方向夾角為θ=θ1(圖中未畫(huà)出)的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)的，此時(shí)電動(dòng)機(jī)發(fā)出的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩T1與軸上負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩TL1

恰巧平衡。這時(shí)如果突然發(fā)生擾動(dòng)(如空氣、軸上摩擦等阻轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化)，使軸上負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩突然減小為T(mén)L2

，則電動(dòng)機(jī)發(fā)出的轉(zhuǎn)矩就大于負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子就要加速，定子磁場(chǎng)軸線與轉(zhuǎn)子直軸方向之間的夾角就會(huì)減小，直到夾角θ=θ2，此時(shí)電動(dòng)機(jī)發(fā)出的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩T2又等于TL2

?？刂齐姍C(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第52頁(yè)!

這樣，轉(zhuǎn)子要在θ=θ2處來(lái)回振蕩一段時(shí)間，由于空氣和軸上摩擦或其它阻尼作用，振蕩就會(huì)逐漸衰減，最后在新的平衡點(diǎn)θ=θ2，T2=TL2

的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子在新的平衡點(diǎn)來(lái)回振蕩的現(xiàn)象與彈簧的振蕩現(xiàn)象相類(lèi)似。當(dāng)彈簧下面掛的重量突然變化時(shí)，重物也是在新的平衡位置A處上下振蕩一段時(shí)間，然后再停留在位置A，如圖9-21所示?？刂齐姍C(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第53頁(yè)!圖9-21彈簧的振蕩控制電機(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第54頁(yè)!9.6小功率同步電動(dòng)機(jī)

也稱(chēng)微型同步電動(dòng)機(jī)，其特點(diǎn)：轉(zhuǎn)速恒定。有些控制設(shè)備和自動(dòng)裝置中，往往要求電動(dòng)機(jī)具有恒定不變的轉(zhuǎn)速，即要求電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不隨負(fù)載和電壓的變化而變化。廣泛應(yīng)用于恒速運(yùn)轉(zhuǎn)的自動(dòng)控制裝置中作為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，如驅(qū)動(dòng)儀器儀表中的走紙、打印記錄機(jī)構(gòu)、自動(dòng)記錄儀、電子鐘、電唱機(jī)、錄音機(jī)、錄像機(jī)、電影攝影機(jī)、放映機(jī)、傳真機(jī)、無(wú)線電通訊設(shè)備，同步聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)等?？刂齐姍C(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第55頁(yè)!

3、反應(yīng)式同步電動(dòng)機(jī)又稱(chēng)為磁阻電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子本身沒(méi)有磁性，只是依靠轉(zhuǎn)子上兩個(gè)正交方向磁阻的不同而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩(反應(yīng)轉(zhuǎn)矩)。

反應(yīng)式同步電動(dòng)機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，運(yùn)行可靠，廣泛的應(yīng)用于自動(dòng)及遙控裝置、同步聯(lián)絡(luò)裝置，錄音傳真及鐘表工業(yè)中。目前國(guó)內(nèi)外反應(yīng)式同步電動(dòng)機(jī)有單相和三相的，功率從幾瓦到幾百瓦?？刂齐姍C(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第56頁(yè)!圖9-13鐵磁材料的磁滯回環(huán)

控制電機(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第57頁(yè)!圖9–14各種鐵磁材料的磁滯回環(huán)

控制電機(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第58頁(yè)!9.7稀土永磁式同步電動(dòng)機(jī)

永磁式同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子由永久磁鋼制成。定子與異步電動(dòng)機(jī)定子完全相同，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有多種型式，如圖9-15(a)~(e)所示。它們都具有永久磁鋼和鼠籠式的啟動(dòng)繞組兩部分，永久磁鋼可以做成兩極的或多極的。隨著永磁材料性能的不斷提高，高性能、低價(jià)格稀土永磁材料(如釹鐵硼NdFeB)的出現(xiàn)，使永磁式同步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍更加擴(kuò)大?？刂齐姍C(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第59頁(yè)!

稀土永磁釹鐵硼(NdFeB)是當(dāng)代磁體中性能最強(qiáng)的永磁體，它不僅具有高剩磁、高矯頑力、高磁能積、高性價(jià)比等特性，而且容易加工成各種尺寸，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空、航天、電子、電聲、機(jī)電、儀器。

與其它類(lèi)型同步電動(dòng)機(jī)相比，優(yōu)點(diǎn)：出力大，體積小，耗電小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，功率從幾瓦到幾百瓦，甚至是幾個(gè)千瓦。在各種自動(dòng)控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。

控制電機(jī)同步電動(dòng)機(jī)共67頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第60頁(yè)!

缺點(diǎn)：成本高，對(duì)溫度敏感，熱穩(wěn)定性差（稀土永磁體的工作溫度較低，電機(jī)運(yùn)行時(shí)的溫升不能太高），環(huán)境溫度一旦超過(guò)規(guī)定值就會(huì)退磁，而這個(gè)規(guī)定值目前只能做到80℃～180℃（居里點(diǎn)溫度）。

居里點(diǎn)溫度是衡量磁性材料的重要指標(biāo)，