電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)9章

第9章同步電動(dòng)機(jī)

9.1概述同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)同步轉(zhuǎn)速相同，即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子電流的頻率滿(mǎn)足：

(a)隱極式(b)凸極式1—定子2—轉(zhuǎn)子3—集電環(huán)同步電動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子部分與三相異步電動(dòng)機(jī)完全一樣，是同步電動(dòng)機(jī)的電樞。同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上裝有磁極，分為凸極式和隱極式兩種。當(dāng)勵(lì)磁繞組通入電流If時(shí)，轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生N、S極。三同步電動(dòng)機(jī)的基本工作原理

如果三相交流電源加在三相同步電動(dòng)機(jī)定子繞組時(shí)，就產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)速度為n的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組通電時(shí)建立固定磁場(chǎng)。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N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，因此轉(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θ，促使產(chǎn)生一個(gè)異性吸力(電磁場(chǎng)轉(zhuǎn)矩)；負(fù)載時(shí)，θ角增大，電磁場(chǎng)轉(zhuǎn)矩隨之增大。電動(dòng)機(jī)仍保持同步狀態(tài)。當(dāng)然，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)。三同步電動(dòng)機(jī)的額定數(shù)據(jù)1）額定容量PN2）額定電壓UN3）額定電流IN4）額定功率因數(shù)cosN5）額定轉(zhuǎn)速nN6）額定效率N9.2同步電動(dòng)機(jī)的電磁關(guān)系

9.2.1同步電動(dòng)機(jī)的磁通勢(shì)同步電動(dòng)機(jī)的主磁路上共有兩個(gè)磁通，即電樞磁通勢(shì)Fa和勵(lì)磁磁通勢(shì)F0。二者都以同步轉(zhuǎn)速逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，即所謂同步轉(zhuǎn)速。但二者空間位置卻不一定相同。以F0為縱軸方向d軸，垂直d軸方向的為橫軸q軸。9.2.2凸極同步電動(dòng)機(jī)的雙反應(yīng)原理把Fa分成兩個(gè)分量：縱軸電樞磁通勢(shì)Fad；橫軸電樞磁通勢(shì)Faq。Fad產(chǎn)生的磁通為縱軸電樞磁通ad，F(xiàn)aq產(chǎn)生的磁通為橫軸電樞磁通aq。Id與Iq相差90O9.2.2凸極同步電動(dòng)機(jī)的電壓平衡方程勵(lì)磁磁通

0

在定子繞組里感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E0，ad在定子繞組里感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Ead

，aq在定子繞組里感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Eaq

。同步電動(dòng)機(jī)定子繞組的電壓平衡式ABC電量正方向Xad為縱軸電樞反應(yīng)電抗Xaq為橫軸電樞反應(yīng)電抗忽略R1有：式中Xd=Xad+X1

為縱軸同步電抗；Xq=Xaq+X1為橫軸同步電抗。9.2.2凸極同步電動(dòng)機(jī)的電壓平衡方程同步電動(dòng)機(jī)要作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，電源必須向電動(dòng)機(jī)的定子繞組傳輸有功功率，P必須滿(mǎn)足：

P1=3UIcos>0Icos應(yīng)于U同相位。必須小于90o。9.2.4凸極同步電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)相量圖當(dāng)<90o(領(lǐng)先性)，電機(jī)運(yùn)行于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，有相量圖。Id=IsinIq=Icos角稱(chēng)為功率角。9.2.5隱極同步電動(dòng)機(jī)如果隱極同步電動(dòng)機(jī)氣隙是均勻的，則：Xd=Xq=Xc9.3同步電動(dòng)機(jī)的功率關(guān)系與轉(zhuǎn)矩特性9.3.1功率關(guān)系從電源輸入的有功功率P1=3UIcos，除去定子銅損耗pCu=3I2R1后，就是電磁功率PM：P1-pCu=PMPM-pFe-pm=P2p0=pFe+pmP1PMP2pCu=3I2R1p0=pFe+pm知道PM后，很容易算出T9.3.2電磁功率忽略R1時(shí)9.3.2電磁功率將三角函數(shù)關(guān)系式sin2=2consin代入上式得：9.3.3功角特性把的PM=f()關(guān)系稱(chēng)為同步電動(dòng)機(jī)的功角特性勵(lì)磁電磁功率曲線1：當(dāng)=90o時(shí)，PM勵(lì)最大9.3.3功角特性凸極電磁功率曲線2：當(dāng)=45o時(shí)，PM凸最大可見(jiàn)，總的最大電磁功率PMm對(duì)應(yīng)的角小于90O。9.3.4矩角特性PM除得電磁轉(zhuǎn)矩為：曲線形狀與功角特性一樣。隱極式同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性在固定勵(lì)磁電流條件下，隱極式同步電動(dòng)機(jī)的最大電磁功率PMm與最大電磁轉(zhuǎn)矩Tm分別為：090o180oTTmTNN9.3.5穩(wěn)定運(yùn)行1.當(dāng)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)機(jī)械負(fù)載運(yùn)行在=0o~90o的范圍，電動(dòng)機(jī)能穩(wěn)定運(yùn)行。2.當(dāng)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)機(jī)械負(fù)載運(yùn)行在=90o~180o的范圍，電動(dòng)機(jī)不能穩(wěn)定運(yùn)行。090o34TTT’N090o180oTT’T129.3.5穩(wěn)定運(yùn)行最大電磁轉(zhuǎn)矩Tm與額定轉(zhuǎn)矩TN之比，叫過(guò)載倍數(shù)同步電動(dòng)機(jī)是等效磁極拖著轉(zhuǎn)子磁極與同步轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)。如果轉(zhuǎn)子在前，等效磁極在后，即轉(zhuǎn)子拖著等效磁極旋轉(zhuǎn)，是發(fā)電機(jī)狀態(tài)。9.4同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的調(diào)節(jié)U，f都不變，僅改變勵(lì)磁電流，就能調(diào)節(jié)他的功率因數(shù)。當(dāng)負(fù)載不變時(shí)：當(dāng)改變If時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)變化如下。1.使I與U同相，稱(chēng)為正常勵(lì)磁狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)只吸收電網(wǎng)的有功功率，cos=1。2.當(dāng)If小于正常勵(lì)磁電流，稱(chēng)為欠勵(lì)狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)除吸收電網(wǎng)的有功功率外，還要吸收滯后的無(wú)功功率。電阻電感負(fù)載。3.當(dāng)If大于正常勵(lì)磁電流，稱(chēng)為過(guò)勵(lì)狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)除吸收電網(wǎng)的有功功率外，還要吸收領(lǐng)先的無(wú)功功率。電阻電容負(fù)載?？梢?jiàn)，過(guò)勵(lì)狀態(tài)下的同步電動(dòng)機(jī)對(duì)改善電網(wǎng)的功率因數(shù)有很大的好處。

當(dāng)改變If時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)變化如下。9.4.2U形曲線當(dāng)改變If時(shí)定子電流變化的情況。同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)呈領(lǐng)先感性還是呈容性，完全可以認(rèn)為地調(diào)節(jié)歷次電流改變勵(lì)磁磁通勢(shì)的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。9.5同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)9.5.1同步電動(dòng)機(jī)的異步啟動(dòng)三相同步電動(dòng)機(jī)異步啟動(dòng)法就是在轉(zhuǎn)子極靴上裝一個(gè)啟動(dòng)繞組(阻尼繞組)，利用異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)原理來(lái)起動(dòng)：

(1)將三相同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組通過(guò)阻值為勵(lì)磁繞組電阻的10倍一個(gè)附加電阻短接，勵(lì)磁繞組不可開(kāi)路。

(2)起動(dòng)過(guò)程中定子繞組建立旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在轉(zhuǎn)子的啟動(dòng)繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及電流，而產(chǎn)生類(lèi)似于異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。9.5.1同步電動(dòng)機(jī)的異步啟動(dòng)(3)當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，將附加電阻切除，勵(lì)磁繞組