第十四次13同步電動(dòng)機(jī)及補(bǔ)償機(jī)

同步電動(dòng)機(jī)教學(xué)要求：了解同步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)了解同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)，功率因數(shù)的調(diào)節(jié)熟悉同步補(bǔ)償機(jī)的用途。了解特殊同步電動(dòng)機(jī)工作原理第一節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的基本電磁關(guān)系、方程式和相量圖第二節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的無(wú)功功率調(diào)節(jié)第三節(jié)三相同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)第四節(jié)同步調(diào)相機(jī)第五節(jié)特殊同步電動(dòng)機(jī)大功率同步電動(dòng)機(jī)與同容量的異步電動(dòng)機(jī)相比，同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)高，在運(yùn)行時(shí)，不僅不使電網(wǎng)的功率因數(shù)降低，而且能夠改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。同步電動(dòng)機(jī)一般都作成凸極式的，為了能夠自起動(dòng)，在轉(zhuǎn)子磁極的極靴上裝起動(dòng)繞組。同步電動(dòng)機(jī)不帶機(jī)械負(fù)載運(yùn)行時(shí)，可以作為同步補(bǔ)償機(jī)使用，它可以改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，調(diào)整電網(wǎng)的電壓。同步電動(dòng)機(jī)特點(diǎn):（1）n=n1不變,n1=60f/P（調(diào)f可以調(diào)速）（2）功率固數(shù)可以任意調(diào)節(jié)（調(diào)If）（3）與異步電動(dòng)機(jī)比，氣隙大，電抗小，過(guò)載能力強(qiáng)。(x小，Pemax大）。靜態(tài)穩(wěn)定好（4）；異步電動(dòng)機(jī):（5）η高。大連理工大學(xué)電氣工程系三相同步電機(jī)的可逆運(yùn)行NSSNn0n0θ電動(dòng)機(jī)狀態(tài)NSSNn0n0理想空載狀態(tài)SNn0NSn0θ發(fā)電機(jī)運(yùn)行5.1三相同步電機(jī)的工作原理第一節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的基本電磁關(guān)系、方程式和相量圖一、從發(fā)電機(jī)狀態(tài)過(guò)渡到電動(dòng)機(jī)狀態(tài)過(guò)程

同步電機(jī)運(yùn)行于發(fā)電機(jī)狀態(tài)時(shí)，如圖所示。轉(zhuǎn)子磁極軸線超前定子合成磁極軸線，δ>0，電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能。逐步減少發(fā)電機(jī)的輸入功率，轉(zhuǎn)子將瞬時(shí)減速，δ角減小，相應(yīng)的電磁功率也減少。當(dāng)發(fā)電機(jī)的輸入功率只能滿(mǎn)足空載損耗時(shí)，發(fā)電機(jī)處于空載運(yùn)行狀態(tài)若此時(shí)去掉原動(dòng)機(jī)

T1-T0=-T0<0轉(zhuǎn)子降速，δ角為負(fù)，F(xiàn)超前Ff

，此時(shí)F拖動(dòng)Ff前進(jìn)。電磁轉(zhuǎn)矩為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩?？蛰d時(shí)(T1=T0)。若在轉(zhuǎn)子上加負(fù)載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子磁極更加落后，T=T2+T0，δ角↑，T↑，電機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行。二、方程式和相量圖同步電動(dòng)機(jī)分析時(shí)采用電動(dòng)機(jī)慣例，則電流超前端電壓（從電網(wǎng)吸收超前的容性電流），勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)滯后與電壓，和角為正值，產(chǎn)生的電磁功率也為正值。電動(dòng)勢(shì)平衡方程式分別為：隱極同步電動(dòng)機(jī)：根據(jù)電動(dòng)勢(shì)方程可以畫(huà)出等效電路和相量圖，如圖17-2。圖17-2電動(dòng)機(jī)慣例表示的隱極同步電動(dòng)機(jī)的等效電路和相量圖（a）等效電路（b）滯后功率因數(shù)（c）超前功率因數(shù)凸極同步電動(dòng)機(jī)：

同理根據(jù)電動(dòng)勢(shì)方程可以畫(huà)出相量圖。三、功率與轉(zhuǎn)矩平衡方程和功角特性（一）功率平衡方程式同步電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，由電網(wǎng)輸入的電功率P1除了很小部分消耗于定子銅耗外，即為由電磁場(chǎng)從定子傳送到轉(zhuǎn)子的電磁功率Pem。轉(zhuǎn)子上獲得的總機(jī)械功率Pm為Pem中減去定子鐵心損耗、機(jī)械損耗pm，總機(jī)械功率Pm除去和附加損耗ps（有的還包括勵(lì)磁機(jī)功率pf）后才是電動(dòng)機(jī)最后的輸出功率P2。其中稱(chēng)為空載損耗

（二）轉(zhuǎn)矩平衡方程式各項(xiàng)除以得到轉(zhuǎn)矩平衡式

T=T0+T2

轉(zhuǎn)矩平衡式說(shuō)明，電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩與制動(dòng)性質(zhì)的輸出轉(zhuǎn)矩和空載轉(zhuǎn)矩之和平衡。（三）功角特性電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)滯后與電壓功角為正值，同理有：

若令即得隱極同步電動(dòng)機(jī)的電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式

大連理工大學(xué)電氣工程系三相同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的調(diào)節(jié)同步電動(dòng)機(jī)可以通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來(lái)調(diào)節(jié)其功率因數(shù)

即：

調(diào)節(jié)If

→

調(diào)節(jié)cos

→－90o＜＜90o第5章同步電機(jī)的基本理論第二節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的無(wú)功功率調(diào)節(jié)一、同步電動(dòng)機(jī)的無(wú)功功率調(diào)節(jié)同步電動(dòng)機(jī)并在恒壓電網(wǎng)上運(yùn)行時(shí)，若輸出功率P2恒定，以隱極同步電動(dòng)機(jī)為例，且忽略電樞電阻損耗。則由于m、U、xs均不變，則圖17-3給出了輸出功率不變而勵(lì)磁電勢(shì)變化時(shí)隱極發(fā)電機(jī)的電勢(shì)相量圖，和的末端必須落在直線AB和CD上。可見(jiàn)，同步電動(dòng)機(jī)輸出有功功率P2恒定，改變勵(lì)磁電流可以調(diào)節(jié)其無(wú)功功率；“正?！眲?lì)磁時(shí)功率因數(shù)cos

=1，電樞電流全部為有功電流，故數(shù)值最小；圖17-3P2=常數(shù)，調(diào)節(jié)勵(lì)磁時(shí)的相量圖勵(lì)磁電流小于正常勵(lì)磁值(欠勵(lì))時(shí)，電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)cos

滯后，同步電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于感性負(fù)載，要從電網(wǎng)吸取滯后無(wú)功；勵(lì)磁電流大于正常勵(lì)磁值(過(guò)勵(lì))時(shí)，電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)cos超前，同步電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于容性負(fù)載，要從電網(wǎng)吸取超前無(wú)功圖17-3P2=常數(shù)，調(diào)節(jié)勵(lì)磁時(shí)的相量圖二、同步電動(dòng)機(jī)的V型曲線同步電動(dòng)機(jī)在有功功率恒定、勵(lì)磁電流變化時(shí)，電樞電流隨勵(lì)磁電流變化的曲線，即I=f(If)，如圖在欠勵(lì)區(qū)，勵(lì)磁電流減小到一定數(shù)值時(shí)，電動(dòng)機(jī)將失步，不能穩(wěn)定運(yùn)行；改變勵(lì)磁可以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)；利用同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)可調(diào)的特點(diǎn)，讓其工作于過(guò)勵(lì)狀態(tài)，從電網(wǎng)吸收容性無(wú)功，可以改善電網(wǎng)的無(wú)功平衡狀況，從而提高電網(wǎng)的功率因數(shù)和運(yùn)行性能及效益大連理工大學(xué)電氣工程系第三節(jié)三相同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)

三相同步電動(dòng)機(jī)的主要缺點(diǎn)是自身沒(méi)有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即TST=0。因此無(wú)法自己起動(dòng)。1.拖動(dòng)起動(dòng)法2.異步起動(dòng)法3.變頻起動(dòng)法第6章同步電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)大連理工大學(xué)電氣工程系1.拖動(dòng)起動(dòng)法6.2三相同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)三相同步電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)：p功率：PN輔助電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)：p功率：(10%~20%)

PN異步機(jī)同步機(jī)大連理工大學(xué)電氣工程系起動(dòng)運(yùn)行2.異步起動(dòng)法

起動(dòng)過(guò)程：(1)異步起動(dòng)：勵(lì)磁繞組不能開(kāi)路、不能短路，需接限流電阻：RS≈(8~12)Rf(2)牽入同步籠型起動(dòng)繞組3~Q1

＋

Uf

－RSQ2電刷滑環(huán)6.2三相同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)大連理工大學(xué)電氣工程系3.變頻起動(dòng)法3~

變頻電源Qf由零逐漸緩慢增加50HzNSSN6.2三相同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)第四節(jié)同步調(diào)相機(jī)同步調(diào)相機(jī)，也稱(chēng)同步補(bǔ)償機(jī)，利用不帶機(jī)械負(fù)載的同步電動(dòng)機(jī)改變勵(lì)磁可以調(diào)節(jié)功率因數(shù)的原理，并聯(lián)運(yùn)行于電網(wǎng)上提供感性無(wú)功功率，提高功率因數(shù)，降低線路壓降和損耗，提高發(fā)電設(shè)備的利用率和效率。一、調(diào)相機(jī)兩種運(yùn)行狀態(tài)過(guò)勵(lì)狀態(tài)；欠勵(lì)狀態(tài)，同步調(diào)相機(jī)由于不帶有功負(fù)載，運(yùn)行只有兩種狀態(tài)，如圖（a）為過(guò)勵(lì)狀態(tài)，領(lǐng)先于，吸收容性無(wú)功功率，即發(fā)出感性無(wú)功功率。如圖（b）為欠勵(lì)狀態(tài)，落后于，吸收感性無(wú)功功率。二、調(diào)相機(jī)用途調(diào)相機(jī)向電網(wǎng)補(bǔ)充無(wú)功功率，根據(jù)其所在位置不同，補(bǔ)償作用也不同。如圖，調(diào)相機(jī)在負(fù)荷節(jié)點(diǎn)補(bǔ)償，當(dāng)負(fù)荷較大時(shí)，為了改善功率因素，同步補(bǔ)償機(jī)應(yīng)過(guò)勵(lì)運(yùn)行；當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷很輕時(shí)，高壓長(zhǎng)輸電線路將呈現(xiàn)較大的電容作用，使受端電網(wǎng)電壓升高，此時(shí)，同步補(bǔ)償機(jī)應(yīng)運(yùn)行在欠勵(lì)狀態(tài)，吸收電網(wǎng)中多余的無(wú)功功率。（二）中間補(bǔ)償

如圖，調(diào)相機(jī)在輸電線路上進(jìn)行補(bǔ)償，發(fā)電機(jī)送到系統(tǒng)的功率為當(dāng)減小時(shí)對(duì)穩(wěn)定有利，因?yàn)樵黾?/p>

，角減小，穩(wěn)定提高；當(dāng)保持原過(guò)載能力時(shí)，輸送的功率將增大；中間加補(bǔ)償機(jī)相當(dāng)于線路的減小，提高了穩(wěn)定性或增加輸出。

三、調(diào)相機(jī)特點(diǎn)（1）因不帶機(jī)械負(fù)載，補(bǔ)償機(jī)轉(zhuǎn)軸可以比細(xì)。因?yàn)檩敵鲇泄β蕿榱悖ê雎哉{(diào)相機(jī)本身的損耗），過(guò)勵(lì)時(shí)，電流超前電壓90°；欠勵(lì)時(shí)，電流滯后電壓90°，只要調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，就能靈活地調(diào)節(jié)無(wú)功功率的性質(zhì)和大小。電力系統(tǒng)在大多數(shù)情況下呈感性，故調(diào)相機(jī)通常都是在過(guò)勵(lì)狀態(tài)下運(yùn)行，作為無(wú)功功率電源，提供感性無(wú)功，改善電網(wǎng)功率因數(shù)，保持電網(wǎng)電壓穩(wěn)定。（2）由于沒(méi)有穩(wěn)定問(wèn)題，xs可較大，使得氣隙較小，勵(lì)磁也較小，轉(zhuǎn)子用銅量少。（3)額定容量對(duì)應(yīng)過(guò)勵(lì)而言。（4)也存在起動(dòng)問(wèn)題，一般利用異步起動(dòng)，加起動(dòng)繞組。水電站在枯水期間，水輪發(fā)電機(jī)可作調(diào)相運(yùn)行；在同時(shí)有水輪機(jī)和汽輪發(fā)電機(jī)的電網(wǎng)，豐水期間，水輪發(fā)電機(jī)發(fā)有功功率，汽輪發(fā)電機(jī)作調(diào)相機(jī)運(yùn)行。第五節(jié)特殊同步電動(dòng)機(jī)一、永磁同步電動(dòng)機(jī)一般同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁采是用電磁式，如果用永久磁鐵來(lái)代替，則成為永磁同步電機(jī)。永磁同步電機(jī)即可作發(fā)電機(jī)也可作電動(dòng)機(jī)。永磁同步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)近年引起極大的關(guān)注，風(fēng)力發(fā)電作為綠色能源之一，已在世界上和我國(guó)得到一定的應(yīng)用，風(fēng)力發(fā)電采用永磁同步發(fā)電機(jī)有重量輕、可靠性和效率高的優(yōu)點(diǎn)。磁鋼是永磁同步電機(jī)的關(guān)鍵材料，永磁材料近年來(lái)的開(kāi)發(fā)很快，現(xiàn)有鋁鎳鈷、鐵氧體和稀土永磁體三類(lèi)。根據(jù)永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖如圖17-8，可以設(shè)計(jì)出不同結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子，圖17-9為凸極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)靈活，不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)往往帶來(lái)自身性能上的特點(diǎn)，因而稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)可根據(jù)使用需要選擇不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式。圖17-9不同勵(lì)磁形式同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的一個(gè)極矩的橫截面17-8永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1-轉(zhuǎn)軸2-軸承3-端蓋4-定子繞組5-機(jī)座6-定子鐵心7-轉(zhuǎn)子鐵心8-永磁體9-起動(dòng)籠10-風(fēng)扇11-風(fēng)罩與電磁式同步電動(dòng)機(jī)相比較，稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)具有的優(yōu)點(diǎn)，稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)無(wú)需電流勵(lì)磁,不設(shè)電刷和肩環(huán),因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、可靠性高；由于上述結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，使得稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上無(wú)勵(lì)磁損耗，無(wú)電刷和滑環(huán)之間的磨擦損耗和接觸電損耗。因此，稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)的效率比電磁式同步電動(dòng)機(jī)要高，并且其功率因數(shù)可以設(shè)計(jì)在1.0附近；稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)在一定功率范圍內(nèi)，可以比電磁式同步電動(dòng)機(jī)具有更小的體積和重量。二、步進(jìn)同步電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移的控制微電機(jī)，可在各種數(shù)控系統(tǒng)中作可執(zhí)行元件,可在寬廣的范圍內(nèi)調(diào)速，在負(fù)載能力范圍內(nèi)，其角位移的定位精度無(wú)積累誤差，特別適用于開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按其工作原理來(lái)分，主要有磁電式和反應(yīng)式兩大類(lèi)，這里介紹常用的反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移的控制微電機(jī)，可在各種數(shù)控系統(tǒng)中作可執(zhí)行元件,可在寬廣的范圍內(nèi)調(diào)速，在負(fù)載能力范圍內(nèi)，其角位移的定位精度無(wú)積累誤差，特別適用于開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按其工作原理來(lái)分，主要有磁電式和反應(yīng)式兩大類(lèi)，這里介紹常用的反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理。上圖表示一臺(tái)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，定子為三相繞組，每相有兩個(gè)磁極，三相繞組為Y接法。轉(zhuǎn)子鐵心及定子極靴上均有小齒，且定、轉(zhuǎn)子齒距相等，圖中轉(zhuǎn)子齒數(shù)為40。因此每一齒距對(duì)應(yīng)的空間角度為。B、C兩相與A相相差120和2400，通過(guò)計(jì)算可知B極和C極正中的齒超前轉(zhuǎn)子14號(hào)齒和27號(hào)齒的距離分別為1/3齒和2/3齒距。首先有一相線圈(設(shè)為A相)通電，于是建立如圖17-11（a）磁場(chǎng)，由于轉(zhuǎn)子力求整個(gè)磁路磁阻最小，轉(zhuǎn)子1號(hào)齒對(duì)準(zhǔn)磁極A極軸。然后，A相斷電，B相通電，則磁極A的磁場(chǎng)消失磁極B產(chǎn)生了磁場(chǎng)，如圖17-11（b）,磁極的磁場(chǎng)把離它最近的14號(hào)齒吸引過(guò)去，14號(hào)齒對(duì)準(zhǔn)磁極B極軸，這時(shí)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)了30°。再接下去B相斷電，C相通電，如圖17-11（c）。根據(jù)同樣道理，轉(zhuǎn)子又逆時(shí)針轉(zhuǎn)了3°，27號(hào)齒對(duì)準(zhǔn)磁極C極軸。若再A相通電，C相斷開(kāi)，那么轉(zhuǎn)子再逆轉(zhuǎn)3°，使轉(zhuǎn)子1號(hào)齒對(duì)準(zhǔn)磁極A極軸。定子各相輪流通電一次轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒。這樣按A→B→C→A→B→C→A→次序輪流通電，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就一步一步地按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。通電線圈每轉(zhuǎn)換一次，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)3°，我們把步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每步轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱(chēng)之為步距角。如果把步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通電線圈轉(zhuǎn)換的次序倒過(guò)來(lái)?yè)Q成A→C→B→A→C→B→…的順序，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)將按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，所以要改變步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向可以在任何一相通電時(shí)進(jìn)行。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已成為除直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)以外的第三類(lèi)電動(dòng)機(jī)。傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，在人類(lèi)的生產(chǎn)和生活進(jìn)入電氣化過(guò)程中起著關(guān)鍵的作用?？墒窃谌祟?lèi)社會(huì)進(jìn)入自動(dòng)化時(shí)代的今天，傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的功能已不能滿(mǎn)足工廠自動(dòng)化和辦公自動(dòng)化等各種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的要求。為適應(yīng)這些要求，發(fā)展了一系列新的具備控制功能的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其中較有自己特點(diǎn)，且應(yīng)用十分廣泛的一類(lèi)便是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。隨著微型計(jì)算機(jī)和數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，又將作為數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行部件的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)推