同步電動機相關理論

6.9同步電動機與同步補償機一、同步電機的可逆原理改變電樞電流的參考方向，以輸入電流作為電樞電流的正方向，記為IM，此時輸入電功率為正值，電壓方程式為

隱極同步電動機

1.同步電動機的電壓方程和向量圖二、同步電動機畫凸極同步電動機向量圖時，需要先確定ψ0M角。凸極同步電動機2.同步電動機的功角特性，功率方程和轉(zhuǎn)矩方程在電動機慣例下，把

滯后

的功率角為正，用M表示，則這時電磁功率為正，表示從電能轉(zhuǎn)換為機械能。將上式除以同步角速度Ωs，便得電動機的電磁轉(zhuǎn)矩同步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動性質(zhì)的。功率方程Pe=pFe+pΩ+P2

Te=T0+T2Te為電動機的電磁轉(zhuǎn)矩T0為空載轉(zhuǎn)矩T2為輸出轉(zhuǎn)矩P1=pcua+Pe轉(zhuǎn)矩方程3.同步電動機的運行特性

同步電動機的運行特性包括工作特性和V形曲線兩部分。U=UN、If=IfN時，Te、IM、η、cosφM=f(P2)。當輸出功率P2=0時，電樞電流為很小的空載電流；隨著輸出功率的增加，電樞電流也隨之增大，電樞電流也隨之增大，IM=f(P2)近似為一直線。（1）工作特性

Te=f(P2)是一條直線同步電動機的效率特性與其他電機基本相同?？蛰d時，η=0，隨著輸出功率的增加，效率逐步增加，達到某個最大之后開始下降。同步電動機的功率因數(shù)特性與額定功率因數(shù)有關。曲線1對應勵磁電流較小，空載時功率因數(shù)等于1。曲線2對應勵磁電流稍大，半載時功率因數(shù)等于1。曲線3對應勵磁電流更大，滿載時功率因數(shù)等于1。改變勵磁電流，可使電動機在任意特定負載下的功率因數(shù)達到1，甚至變成超前。同步電動機的最大電磁功率與額定功率之比，稱為過載能力。和發(fā)電機一樣，增加電動機的勵磁，可以提高最大電磁功率Pe(max)，從而提高過載能力。U=UN，Pe=C時，IM=f(If)。(2)V形曲線內(nèi)功率因數(shù)角為：4.同步電動機的起動同步電動機僅在同步轉(zhuǎn)速時才產(chǎn)生恒定的同步電磁轉(zhuǎn)矩。起動時若把定子直接投入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子加上直流勵磁，則定子旋轉(zhuǎn)磁場以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，而轉(zhuǎn)子磁場靜止不動，定、轉(zhuǎn)子磁場之間具有相對運動，所以作用在轉(zhuǎn)子上的同步電磁轉(zhuǎn)矩正、負交變，平均轉(zhuǎn)矩為零，電機不能自行起動。因此，要把同步電動機起動起來，必須借助其他方法。起動方法異步起動法輔機起動法變頻起動法（1）異步起動法起動繞組：電機的主極極靴上設有起動繞組，相當于感應電機的鼠籠繞組。起動方法：起動時，先把勵磁繞組通過電阻短接，然后把定子繞組接到三相交流電網(wǎng)。依靠定子旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子繞組中感應電流所產(chǎn)生的異步電磁轉(zhuǎn)矩，電機便能轉(zhuǎn)起來。自耦變壓器籠形起動繞組＋－運行起動異步起動時的線路圖待轉(zhuǎn)速上升到接近于同步轉(zhuǎn)速時，再將勵磁電流接入勵磁繞組，使轉(zhuǎn)子建立主極磁場。此時依靠定、轉(zhuǎn)子磁場相互作用所產(chǎn)生的同步電磁轉(zhuǎn)矩，再加上由于凸極效應所引起的磁阻轉(zhuǎn)矩，便可能將轉(zhuǎn)子牽入同步。通常選用與同步電動機極數(shù)相同的感應電動機作為輔助電動機，當輔助電機把主機拖動到接近同步轉(zhuǎn)速時，再用自整步法把主機投入電網(wǎng)。(2)輔機起動方法(3)變頻起動法起動時，加上勵磁，把變頻電源輸出頻率調(diào)的很低。變頻器＋－緩慢提高變頻器的輸出頻率，直到額定頻率。

切除變頻器。5.同步電動機的調(diào)速和控制方式(1)調(diào)速原理由改變供電電源的頻率，可以方便地控制同步電動機的轉(zhuǎn)速。對于隱極同步電機當轉(zhuǎn)子勵磁電流不變時，若采用恒電壓/頻率比控制同步電機的最大轉(zhuǎn)矩保持不變。(2)控制方式同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)可分為它控式和自控式兩種。自控式是從外部控制變頻器頻率來準確地控制轉(zhuǎn)速。這種控制方式簡單，但有失步和振蕩問題，對急劇升、降速必須加以限制。自控式是頻率的閉環(huán)控制，采用轉(zhuǎn)子位置傳感器隨時檢測定、轉(zhuǎn)子磁極相對位置和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，由位置傳感器發(fā)出的位置信號去控制變頻器中主開關元件的導通順序和頻率。電機的轉(zhuǎn)速在任何時候都與變頻器的供電頻率保持嚴格的同步，故不存在失步和振蕩現(xiàn)象，三、同步補償機

1.同步補償機的原理

同步補償機可以看作為空載運行的同步電動機。在正常勵磁時，電樞電流極小，接近于零。過勵時，從電網(wǎng)吸收超前的無功電流；欠勵時，則從電網(wǎng)吸取滯后的無功電流。

2.同步補償機的額定容量和結(jié)構(gòu)特點同步補償機的轉(zhuǎn)子上裝有起動繞組，供異步起動之用。為提高材料利用率，大型補償機常常采用氫冷。同步補償機的額定容量是按過勵時所能補償?shù)臒o功功率來確定，其容量主要受定、轉(zhuǎn)子繞組溫升的限制。由于補償機不帶任何機械負載，故可沒有軸伸，對其機械結(jié)構(gòu)要求亦較低。允許其同步電抗稍大，因而電機的用銅量較少、造價較低。6.10同步發(fā)電機的不對稱運行不對稱運行的原因：系統(tǒng)內(nèi)接有較大的單相負載；雷擊；不對稱短路。不對稱運行的分析方法：對稱分量法二、同步發(fā)電機的各相序阻抗和等效電路同步發(fā)電機不對稱運行時電壓和電流的對稱分量分別為，由于轉(zhuǎn)子對各相序電流所產(chǎn)生磁場的反應不同，使各相序阻抗互不相同。考慮到對稱繞組中感應的勵磁電動勢只有正序分量，可畫出各相序的等效電路。，對應的電壓方程為

1.正序阻抗和正序等效電路

在轉(zhuǎn)子正向同步旋轉(zhuǎn)、勵磁繞組接通，電樞三相繞組流過對稱的正序電流時，同步電機所表現(xiàn)的阻抗稱為正序阻抗，用Z+表示。上述情況實質(zhì)上就是前面所研究的對稱運行情況，所以穩(wěn)態(tài)情況下同步電機的正序阻抗。

Z+＝R＋＋jX＋Z+就是隱極電機的同步阻抗正序電阻R＋就是電樞電阻Ra，即R＋＝Ra正序電抗X＋就是同步電抗Xs

，即X＋＝Xs對于隱極電機對于凸極電機當電樞磁動勢與直軸重合時，X＋＝Xd當電樞磁動勢與交軸重合時，X＋＝Xq在其他位置時，X＋的值將在Xd和Xq之間2.負序阻抗和負序等效電路在轉(zhuǎn)子正向同步旋轉(zhuǎn)、勵磁繞組短接，電樞三相繞組流過一組對稱的負序電流時，同步電機所表現(xiàn)的阻抗成為負序阻抗，用Z-表示。此時該同步電機相當于s=2的感應電動機運行狀態(tài)。故把s=2帶入感應電動機的等效電路，并考慮到交軸及直軸的差別，就可得到同步電機的負序阻抗，分別討論轉(zhuǎn)子上有、無阻尼繞組兩種情況。（1）轉(zhuǎn)子無阻尼繞組Z-q=Ra+jXqZ-d將近似地等于負序電抗X-為（2）轉(zhuǎn)子有阻尼繞組直軸和交軸的負序電抗將近似等于稱為交軸超瞬態(tài)電抗稱為直軸超瞬態(tài)電抗如果轉(zhuǎn)子的阻尼作用極強，則負序電抗將接近于電樞繞組的漏抗。而負序電抗X-則近似等于阻尼回路的參數(shù)對負序電抗的影響較大。結(jié)論：轉(zhuǎn)子的阻尼作用越強（即阻尼繞組的漏阻抗越?。琗-越小。電樞電流產(chǎn)生的負序氣隙磁場被轉(zhuǎn)子阻尼繞組中感應電流所產(chǎn)生的去磁磁場抵消得就越多，合成負序磁場就越弱。3.零序阻抗和零序等效電路在轉(zhuǎn)子正向同步旋轉(zhuǎn)、勵磁繞組短接，電樞三相繞組流過一組零序電流時，同步電機所表現(xiàn)的阻抗稱為零序阻抗，用Z0表示。

當電樞三相對稱繞組通入零序電流時，由于各相的零序電流為同幅值、同相位，故氣隙基波合成磁動勢和磁場將等于零，零序電抗X0屬于漏電抗性質(zhì)。分析表明若繞組為整距，則X0與定子漏抗Xσ基本相等若繞組為短距，則X0<Xσ零序電阻R0就是電樞電阻Ra零序阻抗Z0等于Z0＝R0＋jX0設同步發(fā)電機的A相對中點短路，B、C相為空載。二、同步發(fā)電機的單相短路發(fā)電機端點的約束條件為：單相穩(wěn)態(tài)短路電流比三相穩(wěn)態(tài)短路電流大。B相和C相的開路電壓為:單相短路時，定子短路電流中除基波分量外，還有3次，5次…等奇次諧波；轉(zhuǎn)子電流中除直流勵磁分量外，還將含有一系列偶次諧波。定子繞組的脈振磁場分解為兩個大小相等轉(zhuǎn)向相反的旋轉(zhuǎn)磁場反向的負序磁場將以2ns的相對轉(zhuǎn)速“切割”轉(zhuǎn)子在勵磁繞組內(nèi)產(chǎn)生一個頻率為2f1的感應電流產(chǎn)生一個頻率為2f1的脈振磁場分解為兩個大小相等轉(zhuǎn)向相反的旋轉(zhuǎn)磁場，在空間的旋轉(zhuǎn)速度分別為-ns和3ns3ns的這個旋轉(zhuǎn)磁場將在定子繞組內(nèi)感生3f1（150Hz）的電動勢和短路電流定子中有一系列奇次諧波，轉(zhuǎn)子中有一系列偶次諧波三、同步發(fā)電機的線間短路

設B、C兩相發(fā)生線間短路，A相為空載。現(xiàn)分析其短路電流和A相開路電壓

B、C相線間短路、A相空載時，發(fā)電機端點的約束條件為由于?0＝0，所以零序系統(tǒng)可以不予考慮。正序和負序電流為：短路電流則為：正、負序電壓為：開路相電壓為：三相穩(wěn)態(tài)短路電流<兩相穩(wěn)態(tài)短路電流<單相穩(wěn)態(tài)短路電流6.11同步發(fā)電機的三相突然短路同步發(fā)電機突然短路時，各繞組中會出現(xiàn)很大的沖擊電流，其峰值可達額定電流的10倍以上，因而將在電機內(nèi)產(chǎn)生很大的電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩。為了簡化分析，作如下假設：(1)在整個電磁瞬態(tài)過程中，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速保持同步轉(zhuǎn)速；(2)不計磁路飽和，因而可利用疊加原理來分析；(3)突然短路前，發(fā)電機空載運行；(4)轉(zhuǎn)子上只有勵磁繞組。一、超導回路磁鏈守恒原理磁極相對于回路移動在回路中感應電動勢感應電流產(chǎn)生一自感磁鏈和自感電動勢電壓方程為超導體閉合回路的總磁鏈保持不變。二、三相突然短路過程中的基本電磁關系1．定子各相繞組的磁鏈轉(zhuǎn)子磁場產(chǎn)生的定子三相繞組磁鏈定子三相繞組磁鏈初值分別為

勵磁繞組磁鏈初始值為

突然短路后定子各相繞組的磁鏈定子三相短路電流產(chǎn)生的與定子繞組交鏈的磁鏈

2．定子各相繞組的電流3．轉(zhuǎn)子繞組的電流和磁鏈

突然短路后轉(zhuǎn)子勵磁繞組總電流的表達式為

對應的磁鏈是4．瞬態(tài)磁場和瞬態(tài)電抗直軸瞬態(tài)主磁路磁阻直軸瞬態(tài)主磁路磁導直軸瞬態(tài)磁路磁導直軸瞬態(tài)電抗三、突然短路電流及其衰減時間常數(shù)1．各個電流分量定子短路電流周期性分量

定子短路電流非周期性分量

勵磁繞組電流的周期性分量

三相短路電流的穩(wěn)態(tài)分量2．突然短路電流的衰減變化規(guī)律（1），瞬態(tài)分量，與勵磁繞組中的非周期性分量對應；（2），穩(wěn)態(tài)分量，與恒定勵磁電流對應；（3）非周期分量，與勵磁繞組中的周期性分量對應。穩(wěn)態(tài)分量不衰減；與對應的瞬態(tài)分量衰減時間常數(shù)為；與對應的非周期分量衰減時間常數(shù)。勵磁繞組非周期電流和定子電流瞬態(tài)分量衰減的時間常數(shù)

定子非周期電流衰減時間常數(shù)

定子繞組短路時，勵磁繞組的等效電抗三相突然短路（無阻尼繞組）的A相電流波形有阻尼繞組時三相突然短路電流為超瞬變分量，；是直軸阻尼繞組非周期電流和定子電流超瞬態(tài)分量衰減的時間常數(shù)。最大沖擊電流某相交鏈的磁鏈達正最大值時短路，若不考慮衰減，經(jīng)過半個周期后最大沖擊電流為

，可達實際衰減后最大電流也可達到。三相突然短路（有阻尼繞組）的A相電流波形

6．12永磁同步電機一、永磁同步電動機1．異步起動永磁同步電動機

異步起動永磁電動機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)起動轉(zhuǎn)矩發(fā)電制動轉(zhuǎn)矩異步驅(qū)動轉(zhuǎn)矩單軸轉(zhuǎn)矩，時產(chǎn)生。2．正弦波永磁同步電動機電機本體；轉(zhuǎn)子位置