電機及拖動基礎(chǔ)第八章

第8章同步電動機8.1同步電機的結(jié)構(gòu)和工作原理8.1.1同步電機的主要結(jié)構(gòu)同步電機同交流感應(yīng)電機一樣，由定子和和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。定子上有三相交流繞組；轉(zhuǎn)子上有勵磁繞組，通入直流勵磁電流，產(chǎn)生磁場。同步電機分為發(fā)電機、電動機和補償機。同步電機的定子也稱為電樞，其構(gòu)造與感應(yīng)電動機一樣，包括定子鐵芯、三相電樞繞組、機座和端蓋等部件。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利★同步電機的定子鐵芯是由硅鋼片沖壓后疊裝而成的?！锎笮屯诫姍C沖片外圓的直徑大于1m時，由于受材料尺寸所限，定子鐵芯沖片做成扇形的,如圖8-1所示,然后拼合疊裝成圓形?！镄⌒屯诫姍C定子繞組電壓較低，如400V;★大型同步電機定子繞組電壓較高，因此它對繞組絕緣材料的要求也較高。高壓定子繞組常采用云母帶作為絕緣材料。1.定子21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利電機的機座用于支撐定子鐵芯，固定定子繞組，同時，它也是電機磁路的一部分。中小型同步電動機的機座、端蓋和異步電機一樣；大型同步電機的機座常由鋼板焊接而成，其結(jié)構(gòu)形式與采用的通風系統(tǒng)有直接關(guān)系。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利2.轉(zhuǎn)子同步電機的轉(zhuǎn)子有兩種結(jié)構(gòu)形式即凸極式和隱極式。圖8-2（a）所示為凸極式轉(zhuǎn)子的示意圖。沿著轉(zhuǎn)子的圓周安裝凸出的磁極，由直流電勵磁產(chǎn)生磁通，其磁通對轉(zhuǎn)子是不變化的，因此轉(zhuǎn)子不需要用硅鋼片來制造。在一般情況下，轉(zhuǎn)子的磁極鐵芯由普通的薄鋼片沖壓制成如圖8-3所示的形狀，然后疊裝成轉(zhuǎn)子。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利磁極的鐵芯上放置集中的勵磁繞組。整個磁極利用T形尾部固定在磁軛上，如圖8-4所示。

磁極的表面裝設(shè)籠型短路繞組，在發(fā)電機中稱為阻尼繞組，在電動機中稱為起動繞組。圖8-5所示為同步電機轉(zhuǎn)子上的阻尼繞組的結(jié)構(gòu)形式。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利圖8-2（b）所示為隱極式轉(zhuǎn)子的示意圖。轉(zhuǎn)子上沒有凸出的磁極。沿著轉(zhuǎn)子的圓周上有槽和齒，槽的部分約占圓周的2/3。勵磁繞組是分布的，分布在各槽中。圓周上沒有繞組的部分形成的所謂大齒，是磁極的中心區(qū)域。凸極式轉(zhuǎn)子的優(yōu)點是制造方便，缺點是機械強度較差，因此多用在離心力較小、轉(zhuǎn)速較低的電機中，如水輪發(fā)電機。水輪發(fā)電機極數(shù)較多、轉(zhuǎn)速較慢、軸向較短、徑向較長。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利隱極式轉(zhuǎn)子的優(yōu)點是機械強度較好，但是其制造工藝較復(fù)雜，因此多用在離心力較大、轉(zhuǎn)速較高的電機中，如氣輪發(fā)電機。氣輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)速較高、離心力較大、軸向較長、徑向較短，因此多采用隱極結(jié)構(gòu)。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利3.

冷卻問題介紹

在中、小型電機中，都采用空氣作為冷卻介質(zhì)。當空氣從電機內(nèi)部流過時，將電機產(chǎn)生的熱量帶走。當電機的容量很大時，電機內(nèi)部的損耗及發(fā)熱量迅速增加，冷卻問題顯得格外重要，此時必須加強通風或采用其他的冷卻方式，否則電機的出力將受到限制，制造容量也不可能很大。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利在大型氣輪發(fā)電機中，為了提高冷卻效率，往往不用空氣作為冷卻介質(zhì)，而采用氫氣冷卻，這是因為氫氣的比重比空氣小，所以在旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的摩擦損耗大為減??；同時，氫氣的導熱率比空氣大，散熱良好。所以，采用氫氣冷卻后，可以降低電機的通風損耗及溫升，發(fā)電機容量也可以得到提高。但是氫氣與空氣混合后。有爆炸的危險，因此必須有一套控制設(shè)備來保護外界空氣不會滲入到電機內(nèi)部。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利目前，在更大容量的發(fā)電機中，可以采用導線內(nèi)部直接冷卻。所謂內(nèi)部直接冷卻，就是使冷卻介質(zhì)直接與銅線相接觸。例如，采用空心導體，如圖8-6所示，冷卻介質(zhì)直接在導體中流通，從而把熱量帶走，這樣能更有效地降低電機的溫升。采用的冷卻介質(zhì)一般有氫氣及水。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利4.同步電機的額定值（1）額定電壓UN是指在正常運行時，按照制造廠的規(guī)定，定子三相繞組上的線電壓。電壓的單位用V或kV表示。（2）額定電壓IN是指在正常運行時，按照制造廠的規(guī)定，流過定子繞組上的線電流。電流的單位用A表示。（3）額定電壓PN是指在正常運行時，電機的輸出功率。對于發(fā)電機是指輸出的電功率；對于電動機是指輸出的機械功率。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利它們與額定電壓和額定電流之間有如下關(guān)系：發(fā)電機電動機PN的單位為kW（4）相數(shù)m，一般m=3。（5）額定頻率fN，我國額定工業(yè)頻率規(guī)定fN=50Hz。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利（6）額定轉(zhuǎn)速nN為電動機的同步轉(zhuǎn)速，當極數(shù)及頻率一定時，其轉(zhuǎn)速是定值，即（7）國產(chǎn)同步電動機的型號如TD118/41-6,其含義為21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利8.2

同步電動機的工作原理同步電機也是一種交流電機,按運行方式和功率傳遞關(guān)系,分為同步發(fā)電機和同步電動機兩種。同步電動機運行時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速保持著嚴格的相等關(guān)系，所以稱為同步電動機。

同步電動機定子三相對稱繞組接到三相對稱交流電源上時，就會產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢，這個磁動勢一般稱為電樞磁動勢?a。它的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速。先不考慮同步電動機的起動過程，且認為它的轉(zhuǎn)子也以同步轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利轉(zhuǎn)子勵磁繞組通入直流勵磁電流后將產(chǎn)生直流磁動勢，當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)后，使它變成旋轉(zhuǎn)磁動勢?0，?0也以同步轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)向與電樞磁動勢?a同向，即兩者相對靜止。在定、轉(zhuǎn)子磁場的相互作用下，電動機轉(zhuǎn)子受磁吸力的作用，隨著氣隙合成磁場一同旋轉(zhuǎn)，電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速一定和氣隙磁場的旋轉(zhuǎn)速度是同步的。電樞磁動勢的轉(zhuǎn)速只取決于電源頻率和電機的極對數(shù)。其工作原理如圖8-7所示。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利

8.3同步電動機的運行特性

8.3.1同步電動機定子電壓方程1．同步電動機的磁動勢當同步電動機穩(wěn)定運行時，其氣隙內(nèi)存在著電樞磁動勢?a和勵磁磁動勢?0，二者轉(zhuǎn)向相同，轉(zhuǎn)速均為同步轉(zhuǎn)速n1，因而二者在空間相對靜止，但二者在空間的位置卻不一定相同。一般?a在前，?0在后。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利為了分析方便，不考慮主磁路有飽和現(xiàn)象，并認為主磁路是線性磁路，這樣可以利用疊加原理分別考慮各個以感應(yīng)電動勢的形式反映定子電路中的作用及其結(jié)果。最后把相繞組里的各個電動勢根據(jù)基爾霍夫定律一起考慮。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利在同步電動機運行時，轉(zhuǎn)子勵磁磁動勢?0是不變的（不調(diào)節(jié)時），而電樞磁動勢?a則隨軸上負載的變化而變化，如同直流電動機的電樞磁動勢隨軸上負載而改變一樣。因此，在分析同步電動機的磁動勢時，將轉(zhuǎn)子勵磁磁動勢?0作為主磁場，并將坐標取在轉(zhuǎn)子上，即將轉(zhuǎn)子磁極中心線定為縱軸d，與縱軸d相距90度空間角度的軸為橫軸q，如圖8-8（a）所示。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利轉(zhuǎn)子勵磁磁動勢?0總是作用在d軸方向上，它產(chǎn)生的磁通用表示。由于以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，因此它要切割定子繞組并在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢?0。電樞磁動勢?a也要產(chǎn)生磁通。由于?a的大小、相位由定子電流I決定，而定子電流又由負載大小決定，因此在不同的負載下，?a和?0空間相位不同。也就是說，?a相對于?0的空間位置不同。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利對于隱極式同步電動機來說，由于氣隙均勻，在相對于轉(zhuǎn)子d軸的不同位置處，通過時磁路磁阻可認為是相同的，因此不存在分析上的困難。對于凸極式同步電動機來說，由于氣隙不均勻，因此相對于轉(zhuǎn)子d軸的不同位置處，磁路磁阻不相等，則?a形成的便不同，這給定量分析凸極式同步電動機的電磁關(guān)系帶來了困難。因此，凸極式同步電動機采用雙反應(yīng)理論來分析它的電磁關(guān)系。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利2．凸極式同步電動機的雙反應(yīng)原理把電樞磁動勢?a分解成兩個量：縱軸電樞磁動勢?ad，作用在縱軸方向上；橫軸電樞磁動勢?aq，作用在橫軸方向上。如圖8—3（a）所示。即21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利這種分解是等效的，即?ad和?aq分別存在，共同作用的效果等于?a作用的效果。盡管氣隙不均勻，但對?ad、?aq來說，它們都是對稱磁路。?ad產(chǎn)生的磁通稱為縱軸電樞磁通；?aq產(chǎn)生的磁通稱為橫軸電樞磁通。根據(jù)同步電動機的磁路特點用矢量分解法處理。如圖8—8（b）（c）所示。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利由前面的分析可知，電樞磁動勢的大小為縱軸電樞磁動勢?ad為橫軸電樞磁動勢?aq為21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利考慮到的關(guān)系，則有。也就是說，在利用雙反應(yīng)原理分析磁動勢時，可直接把電樞電流分解成兩個分量，即縱軸電樞電流Id和橫軸電樞電流Iq；

Id產(chǎn)生?ad，Iq產(chǎn)生?aq。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利3．凸極同步電動機的電壓平衡方程式由于、、均以同步轉(zhuǎn)速同方向旋轉(zhuǎn)，因此它們切割定子繞組并分別在定子繞組中感應(yīng)電動勢。勵磁磁通感應(yīng)的電動勢為?0；感應(yīng)的電動勢用?ad表示；感應(yīng)的電動勢用?aq表示。根據(jù)圖8-9繪出的同步電動機定子一相繞組各物理量的正方向，可列出該回路的電壓方程式，即（8-1）21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利式中：R1為定子一相繞組的電阻；X1為定子一相繞組的漏電抗。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利由于不計飽和影響，磁路是線性的，即Rm＝常數(shù)，因此Φ∝F，又因e=BLV，所以E∝Φ（U恒定）。由于F∝I，因此感應(yīng)電勢E正比于形成它的電流。這樣就可將電動勢表達成電流的壓降形式，即

?ad=－j?dXad

(8—2)

?aq

=－j?qXaq

(8—3)式中：Xad為縱軸電樞反應(yīng)電抗；Xaq為橫軸電樞反應(yīng)電抗。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利將式(8—2)，(8—3)代入式(8—1)得：

式中：稱為縱軸同步電抗；

稱為橫軸同步電抗。

21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利一般情況下，當同步電動機容量較大時，可以忽略R1。則有（8—4）對于同一臺電機，Xd，Xq都是常數(shù)，它們可以通過計算或?qū)嶒灥姆椒ㄇ笕?。圖為8—10所示為根據(jù)式（8—4）畫出的?領(lǐng)先ù時的電動勢相量圖。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利圖中ù與?之間的夾角為

，是功率因數(shù)角；

－?0與?之間的夾角為ψ；－?0與ù之間的夾角為θ，θ角又稱為功角；綜上所述，凸極同步電動機的電磁關(guān)系如圖8-11所示。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利4．隱極同步電動機隱極同步電動機，其氣隙是均勻的，表現(xiàn)的參數(shù)，如縱軸、橫軸同步電抗Xd、Xq是相等的，即Xd=Xq=Xc式中：Xc為隱極同步電動機的同步電抗隱極同步電動機同步電壓平衡方程式為（不計定子每相電阻）（8—5）21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利圖8-12是隱極式電動機電動勢相量圖。

21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利

[例8-1]已知一臺隱極式同步電動機的端電壓標么值U*＝1，電流的標么值I*＝1，同步電抗的標么值Xc*和功率因數(shù)cos

＝1（忽略定子電阻）。求：（1）畫出這種情況的電動勢相量圖；（2）E0*，即E0的標么值；（3）θ角。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利解：（1）圖8-13所示為這種情況下的電動勢相量圖；（2）從8-13相量圖中直接看出，等邊直角三角形斜邊長為，即

（3）從圖8-13中可以看出，這種情況下θ＝450。T0是同步電動機的空載轉(zhuǎn)距；是同步電動機的電磁轉(zhuǎn)距。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利8.3.2同步電動機的功率關(guān)系和轉(zhuǎn)矩在電網(wǎng)中運行的同步電動機，從電網(wǎng)吸收的有功率批P1=3U1I1cos

，減去定子上繞組的銅耗pCu=3I2R1后，就轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶殴β蔖T=P1－pCu從電磁功率PT里再減去鐵損耗pFe和機械摩擦損耗pm，余下的機械功率輸出給負載，即P2=PT－pFe－

pm（8-6）其中，鐵損耗pFe與機械摩擦損耗pm之和為空載損耗，即p0=pFe+

pm

21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利圖8-14所示為同步電動機功率流程圖。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利把式（8－6）等號兩端同除以同步角速度Ω1，就得到同步電動機的轉(zhuǎn)矩平衡方程式，即式中:是電動機的同步角速度;T2同步電動機的輸出轉(zhuǎn)矩；T0同步電動機的空載轉(zhuǎn)矩；同步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利[例8－2]已知一臺三相六極同步電動機的數(shù)據(jù)如下：額定容量PN＝250kW,額定功率因數(shù)cos

＝0.8，額定效率ηN=88%，定子繞組為Y接，每相電阻R1=0.03求：（1）額定運行時輸入定子的電功率P1；（2）額定電流IN；（3）額定運行時的電磁功率PT；（4）額定電磁轉(zhuǎn)矩T。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利解（1）額定運行時輸出定子的電功率（2）額定電流（３）額定電磁功率

21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利(4)額定電磁轉(zhuǎn)矩

21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利8.3.3同步電動機的功角特性和矩角特性１.功角特性同步電動機的功角特性是指在定子電壓、頻率及轉(zhuǎn)子勵磁電流不變時，電磁功率PT與功角θ的關(guān)系。功角特性公式用凸極同步電動機的相量圖推導。不計定子電阻時，電磁功率為根據(jù)圖8-10可知,=ψ-θ,則電磁功率PT為

21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利根據(jù)圖8-10，可知因此PT為

（8－7）

21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利其中，PT′稱為基本電磁功率，它與勵磁電動勢E0成正比，是功角θ的正弦函數(shù)，波形如圖8-15曲線1所示。當θ=900時,PT′為最大，其值為。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利PT′′為附加電磁功率，它與勵磁電流IL大小無關(guān)，是由于參數(shù)Xd≠Xq引起的，即因為電動機的轉(zhuǎn)子凸極式而引起的，它是功角的正弦函數(shù)，其最大值P′′max發(fā)生在θ=450時，波形如圖8-15曲線2所示，其值為。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利圖8-15中的曲線3是總的電磁功率PT與功角θ的關(guān)系曲線，即同步電動機的功角特性PT=f（θ）。由此可見，發(fā)生最大電磁功率Pmax的θ小于900。隱極式同步電動機由于氣隙均勻，其參數(shù)Xd=Xq=Xc，因此PT′′等于零，則它的電磁功率PT的表達式為（8-8）21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利其功角特性如圖8-16所示。當θ=900時，最大電磁功率為2.矩角特性把式（8-7）等號兩端同乘以機械角速度，得電磁轉(zhuǎn)矩為

（8-9）

電磁功率與T、功角θ的關(guān)系，稱為矩角特性。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利凸極同步電動機的電磁功率也包含兩部分，T=T′+T"，其值為為基本電磁轉(zhuǎn)矩，為附加電磁轉(zhuǎn)矩。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利對隱極式同步電動機，由于氣隙均勻，Xd=Xq=Xc

因此T"=0，其電磁轉(zhuǎn)矩與功角的關(guān)系為（8－10）由式（8－10）可知，當θ＝900時電磁轉(zhuǎn)矩T最大，其最大值為21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利3.功角的物理意義當同步電動機所加的電壓U及勵磁電流IL的大小不變時，電磁轉(zhuǎn)矩T的大小隨功角θ的變化而變化。當同步電動機以同步轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行時，其電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩平衡。一定的負載轉(zhuǎn)矩要求一定的功角θ。功角θ在相量圖中表示為電壓ù與－?0

之間的夾角，是一個時間電角度。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利它的另一層的含義是，當忽略定子繞組的電阻R1和漏抗X1時，定子繞組的電壓方程式可寫成ù≈－?0－?a=－∑?。根據(jù)電磁理論，磁動勢比它所產(chǎn)生的電動勢在相量圖中應(yīng)超前900電角度。?0是由勵磁磁動勢?L

產(chǎn)生的，

∑?=?a+?0是由合成磁動勢∑?=?L+?a產(chǎn)生的，因此?L超前?0900，∑?超前

∑?900，如圖8-17（a）所示。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利功角θ

也是合成磁動勢∑?在空間超前直流勵磁磁動勢?L的空間電角度。我們把∑?形象地表示為定子等效磁動極，由它拖著轉(zhuǎn)子磁極以同步轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn)，如圖8－17（b）所示。功角θ為等效磁極軸線與轉(zhuǎn)子磁極軸線之間的夾角。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利4.穩(wěn)定運行以隱極式同步電動機為例，當電動機的電磁轉(zhuǎn)矩T與負載轉(zhuǎn)矩TZ相平衡時，從圖8-18中可以看到，對應(yīng)同一個負載轉(zhuǎn)矩在矩角特性上有兩個交點A和B，其中交點A是穩(wěn)定工作點，交點B是不穩(wěn)定工作點。下面分析一下同步電動機穩(wěn)定運行的條件。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利（1）同步電動機拖動負載運行在θ=0~900范圍內(nèi)。在圖8-18（a）中的A點處工作的電動機其θ=θ1，T=TZ

，轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn)。若負載轉(zhuǎn)矩突然增大到TZ′，這時功角θ將增大，電磁轉(zhuǎn)矩T也隨θ的增大而按照正弦規(guī)律增大，當θ增大到θ2時，電磁轉(zhuǎn)矩T′重新與負載轉(zhuǎn)矩TZ′相平衡,即T′

=TZ′，轉(zhuǎn)子又以同步轉(zhuǎn)速運行。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利若負載轉(zhuǎn)矩又減小到TZ，則角θ也減小到θ1，電磁轉(zhuǎn)矩重新與負載轉(zhuǎn)矩平衡，即T=TZ，轉(zhuǎn)子仍以同轉(zhuǎn)速運行。所以在00＜θ＜900范圍內(nèi)，同步電動機可以穩(wěn)定工作。

(2)同步電動機拖動負載運行在θ＝900~1800范圍內(nèi),如圖8-18（b）所示。對圖8-18（b）中的B點，同步電動機的θ=θ3，T=TZ。由于某種原因，負載轉(zhuǎn)矩突然增大為TZ′，這時θ角要加大，21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利如為θ4對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩T′比增大了的負載轉(zhuǎn)矩小，即T′

<TZ′

。動轉(zhuǎn)矩是制動轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子繼續(xù)減速，功角θ繼續(xù)增大，工作點偏離B點愈來愈遠，使轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速偏離同步速，即失去同步而無法工作；同理，若負載轉(zhuǎn)矩減小，則轉(zhuǎn)子會加速而使θ角減小，而電磁轉(zhuǎn)矩T隨θ值的減小而增加，動轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子繼續(xù)加速，在900＜θ＜1800為同步電動機的不穩(wěn)定區(qū)。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利同步電動機所能提供的最大轉(zhuǎn)矩有一個極限，這個極限就是θ=900時的最大電磁轉(zhuǎn)矩,與異步電動機具有最大轉(zhuǎn)矩一樣。不同的是，同步電動機的最大轉(zhuǎn)矩還可以通過勵磁適當調(diào)節(jié)。為了同步電動機能夠安全地帶動負載工作，同時保證同步電動機的使用壽命，也必須使同步電動機具有一定的過載能力.21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利從這一點考慮，一般隱極式同步電動機在額定運行時，功角θN≈300~16.50

。最大電磁轉(zhuǎn)矩Tmax與額定轉(zhuǎn)矩TN之比稱為過載倍數(shù)，用λM表示。比凸極同步電動機額定運行的功角還要小些。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利[例8—3]

已知一臺隱極式同步電動機，額定電壓UN＝6000V，額定電流IN＝71.5A，額定功率因數(shù)cos

＝0.9(領(lǐng)先性)，定子繞組為Y接，同步電抗Xc＝48.5Ω，忽略定子電阻Rl。當這臺電機在額定運行，且功率因數(shù)cos

N＝0.9領(lǐng)先時，求：（1）空載電動勢E0；（2）功角θ；（3）電磁功率PT；（4）過載倍數(shù)λM。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利解：(1)計算空載電動勢E0。用標么值計算

N=arccos0.9=25.80

IN*Xc*=1根據(jù)電壓方程UN*=－E0*+jIN*Xc*可以畫出相量圖，如圖8－19所示。從圖8－19中可以直接量出E0的大小。也可以根據(jù)幾何關(guān)系計算E0的大小。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利即（2）功角θN。先求ψ角所以

21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利

（3）電磁功率（4）過載倍數(shù)

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8.3.4

同步電動機無功功的調(diào)節(jié)和V形曲線1．無功功率調(diào)節(jié)的意義工業(yè)企業(yè)中大部分用電設(shè)備，如異步電動機、變壓器、電抗器和感應(yīng)電爐等，都是感性負載，這些設(shè)備從電網(wǎng)吸收滯后的無功電流，導致電網(wǎng)的功率因數(shù)降低。視在功率一定，功率因數(shù)越低，有功功率越小，發(fā)電機容量、輸電線路和電器設(shè)備容量都不能被充分利用。

21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利如某變電所變壓器容量為10000kV·A，當cos

=0.9時，其傳輸?shù)挠泄β蕿?000kW，無功功率為4359kvar。當cos

=0.7時，則傳輸?shù)挠泄β首優(yōu)?000kW，無功功率變?yōu)闉?141kVar。變壓器負載并無改變，后者傳輸?shù)挠泄β蕼p少了2000kW。在一定的負載下，如果無功電流增加，視在電流將增大，將會導致發(fā)電機及輸電線路的電壓降和銅損耗增大。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利顯然，提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，在經(jīng)濟上有十分重大的意義。為了提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，除采用在變電站并聯(lián)電力電容方法外，還可以采用同步電動機作為動力設(shè)備的機械驅(qū)動裝置來代替異步電動機。同步電動機不僅可以輸出有功功率來帶動生產(chǎn)機械工作，還可以通過調(diào)節(jié)勵磁電流進行無功補償。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利1.同步電動機無功功率的調(diào)節(jié)當電網(wǎng)電壓和頻率不變，同步電動機拖動的有功負載也保持恒定，而勵磁電流改變時，就可以改變電樞電流的大小和相位，即可將電動機的功率因數(shù)調(diào)節(jié)成感性、容性或阻性。下面以隱極同步電動機為例進行介紹。設(shè)磁路不飽和、忽略電樞繞組電阻銅損耗、忽略勵磁電流變化引起的鐵損耗及附加損耗，得出的結(jié)論同樣適合凸極同步電動機。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利在上述假設(shè)條件下有在圖8-20中繪出隱極同步電動機的簡化相量圖。調(diào)節(jié)勵磁電流時，保持Icos

不變，即電流的有功分量不變，電樞電流?相量端點軌跡為一條垂直電壓ù相量的直線，即圖8-20中虛線cd。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利E0=sinθ不變則為一條與電壓ù相量平行的直線，圖8-20中虛線ab。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利在圖8-20中，當電樞電流?與端電壓ù同相位時，

=0o，cos

=1，表示電動機只從電網(wǎng)吸收有功功率，電樞電流為純有功電流，數(shù)值最小，此時為正常勵磁狀態(tài)。當減小勵磁電流時，E0值減小，從︱E0︱減至︱E0′︱，電樞電流由I增至I′，I′落后ù

′電角度，電動機從電網(wǎng)吸收滯后的無功功率，此時，同步電動機運行在“欠勵”狀態(tài)。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利（如繼續(xù)減小勵磁電流，功角θ將接近或超過900，同步電動機就達到靜態(tài)穩(wěn)定運行極限，甚至進入不穩(wěn)定區(qū)而失步）。當增加勵磁電流時，E0值增大，從︱E0︱增至︱E0′︱，電樞電流由I增至I′，I′超前ù

′電角度，電動機從電網(wǎng)吸收超前的無功功率，同時向電網(wǎng)輸出滯后的無功功率，以供給電網(wǎng)上其他感性負載的需要，改善了電網(wǎng)的功率因數(shù)，此時同步電動機運行在“過勵”狀態(tài)。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利2．V形曲線同步電動機在輸出功率恒定、電網(wǎng)電壓不變時，電樞電流I與勵磁電流IL的關(guān)系曲線稱為“V”形曲線，如圖8-21所示。每一個恒定的負載都可以做出一條V形曲線，負載越大曲線的最低點越向上移，見圖8-21所示的V形曲線最小值與虛線cos

=1的交點。cos

=1的虛線為正常勵磁。虛線右側(cè)為過勵狀態(tài)，勵磁電流IL和電樞電流I都大于正常勵磁時的值；虛線左側(cè)為欠勵狀態(tài)，勵磁電流IL和電樞電流I都小于正常勵磁時的值。左上部虛線θ=900為同步電動機靜態(tài)穩(wěn)定運行極限，虛線以上為電動機的不穩(wěn)定運行區(qū)。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利[例8-4]

一臺隱極式同步電動機，同步電抗的標么值Xc*＝1，忽略定子繞組電阻，不考慮磁路的飽和。求：（1）當電動機電壓為額定值UN，定子電流為額定值IN，cos

=1時，E0*及θ角為多少？（2）在輸出有功功率不變的條件下，把該電動機的勵磁電流減小了20%，這時，電動機定子電流及功率因數(shù)各為多少？（3）在輸出功率不變的條件下，把該電動機的勵磁電流增加20%，這時，電動機的定子電流及功率因數(shù)各為多少？21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利解：用標么值計算（1）已知：UN*=1，IN*=1，IN*Xc*＝1×1=1，電勢相量圖如圖8-22所示。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利（2）勵磁電流減小20%，E0也減少20％，用E0'表示

E0′*=0.8E0*=0.8×1.41=1.13由于輸出功率不變，減小勵磁電流后的E0′*=sinθ′

=IN*Xc*=1，因此

21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利從圖8-22看出即I′*＝1.1功率因數(shù)

21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利（3）勵磁電流增加20％，E0也增加20％，用′′表示，即E0′′*=1.2E0*=1.2×1.41=1.69由于電動機輸出功率不變，因此增加勵磁電流后的E0′′*sin=IN*Xc*=1，則

21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利所以

21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利8.4

同步電動機的起動8.4.1同步電動機無法自行起動分析同步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩是由氣隙合成磁場與轉(zhuǎn)子勵磁磁場相互作用產(chǎn)生的，只有兩者同步旋轉(zhuǎn)時才能產(chǎn)生平均的電磁轉(zhuǎn)矩。但是在電動機合閘起動的瞬間，雖然加入勵磁電流，但轉(zhuǎn)子磁場靜止不動，故定子旋轉(zhuǎn)磁場以同步轉(zhuǎn)速對轉(zhuǎn)子磁場作相對運動，時而產(chǎn)生拖動力，時而產(chǎn)生制動力。平均起動轉(zhuǎn)矩為零，即不能自行起動，21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利如圖8-23所示。圖8-23中示出無平均電磁轉(zhuǎn)矩的原理。圖8-23（a）中，氣隙合成磁場磁極(磁極Nδ)與轉(zhuǎn)子磁極(磁極SL)有相對運動，如果n1＞n，則此時氣隙磁場磁極比轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)得快。如圖8-23所示，轉(zhuǎn)子受負轉(zhuǎn)矩作用，迫使它逆著氣隙合成旋轉(zhuǎn)磁場方向運動。如圖8-23（b）所示，兩磁極只有徑向磁拉力，即T＝0。如圖8-23(c)所示，轉(zhuǎn)子受正轉(zhuǎn)矩作用，促使它順著氣隙合成旋轉(zhuǎn)磁場方向運動。由此可見，轉(zhuǎn)子受到時正時負的轉(zhuǎn)矩作用，平均電磁轉(zhuǎn)矩為零，因而不能起。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利氣隙合成磁場磁極與轉(zhuǎn)子磁極有相對運動時，氣隙合成磁場同步角速度Ω1比轉(zhuǎn)子磁場角速度Ω大，兩者軸線間的夾角即功角θ是時間的函數(shù)，當兩者軸線間起始功角為θ0時，θ可表示為θ=(Ω1－Ω

)t+θ0（8－11）將式（8－11）代入式（8—9）得

21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利（8－12）由式(8－11)可知，電磁轉(zhuǎn)矩的基本分量和附加分量都是交變性質(zhì)的，其平均轉(zhuǎn)矩為0，轉(zhuǎn)子不能加速，所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)不起來，必須借助其他方法起動。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利8.4.2同步電動機的起動方法同步電動機的起動方法有三種，即輔助起動、異步起動和變頻起動1.同步電動機的輔助起動法用一臺容量為同步電動機容量的5%－15％、同步轉(zhuǎn)速和同步電動機相同的異步電動機，拖動同步電動機起動直至其同步電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時，然后通入勵磁電流，21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利即，利用整步法(在n接近n1時利用整步轉(zhuǎn)矩)將其投入電網(wǎng)，且切除輔助電動機電源。這種方法僅用于空載起動，設(shè)備投資大，操作復(fù)雜。2.同步電動機的異步起動法同步電動機的異步起動是經(jīng)常使用的起動方法。它的原理是，在凸極同步電動機轉(zhuǎn)子磁極上開槽并安裝起動繞組，繞組結(jié)構(gòu)和籠型異步電動機的籠型繞組一樣。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利※當同步電動機定子繞組接到電網(wǎng)時，因起動繞組的作用而產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩，電動機就自行起動?！@個起動過程和異步電動機的起動過程完全相同?！斵D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升到約95%n1時，通入勵磁電流，使轉(zhuǎn)子被定子磁場的磁拉力自動牽入同步，并以同步轉(zhuǎn)速運行?！鶊D8-24為同步電動機異步起動法原理接線圖。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利

同步電動機采用異步起動法起動時，可在額定電壓下直接起動，也可降壓起動，如利用YD起動、自耦變壓器降壓起動或定子串電抗降壓起動等。應(yīng)當注意的是，同步電動機起動時，勵磁繞組不能開路，也不能短路。如勵磁繞組開路，則在低轉(zhuǎn)速時，即轉(zhuǎn)差率大時，氣隙旋轉(zhuǎn)磁場在勵磁繞組中會感應(yīng)出較高的電動勢，有可能損壞電機的絕緣。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利如勵磁繞短路，則會在勵磁繞組中產(chǎn)生很大的交流電流，該交流電流為單相電流，并將產(chǎn)生脈振磁場，引起脈振磁動勢，導致正向和負向電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)，兩者疊加形成單軸轉(zhuǎn)矩，如圖8-25中曲線1所示。實際起動轉(zhuǎn)矩是起動繞組產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩曲線2與單軸轉(zhuǎn)矩曲線合成，如圖8-25中曲線3所示。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利電動機起動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升到約n1/2轉(zhuǎn)速時便穩(wěn)定運行于A點，不能繼續(xù)加速。解決此問題的方法是，起動時，在勵磁繞組中串入10倍勵磁繞組電阻值的附加電阻(圖8-24開關(guān)所示Q2左合)，合成曲線變?yōu)榍€4，將曲線3凹陷部分基本消除，電動機就能一直加速至同步轉(zhuǎn)速n1。此時，應(yīng)切除附加電阻(圖8-24開關(guān)Q2右合)，通入直流勵磁，電動機自動牽入同步，起動結(jié)束。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利3

同步電動機的變頻起動法變頻起動方法是，在同步電動機開始起動時，轉(zhuǎn)子先加上勵磁電流；定子接入頻率極低的三相交流電源，使轉(zhuǎn)子在低速起動；然后將定子邊的電源頻率逐漸升高，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也隨之升高；電源頻率達額定值后，轉(zhuǎn)子也達額定轉(zhuǎn)速，起動完畢。采用此法必須有變頻電源。大型同步電動機采用變頻起動方法起動的日漸增多。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利8.5同步電動機的調(diào)速同步電動機的轉(zhuǎn)速為

n=n1=60f1/p從該公式可知，改變同步電動機轉(zhuǎn)速的主要方法是改變供電電源的頻率，即變頻調(diào)速。從控制方式上可將同步電動機變頻調(diào)速分成如下兩種。

1．他控式變頻調(diào)速這種變頻調(diào)速方法所采用的變頻裝置是獨立的，變頻裝置的輸出頻率是由速度給定信號決定的，通常這種調(diào)速系統(tǒng)是開環(huán)控制系統(tǒng)。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利他控式恒壓頻比的同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)多用于小容量系統(tǒng)場合，如永磁同步電動機、磁阻同步電動機等。2．自控式變頻調(diào)速這種變頻凋速方法采用頻率閉環(huán)控制方式，用電動機軸上所裝轉(zhuǎn)子位置檢測器來控制變頻裝置的輸出頻率，使定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速相等，始終保持同步。自控式變頻調(diào)速也可分為以下兩種類型。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利（1）負載換向自控式同步電動機變頻調(diào)速(無換向器電動機)

該調(diào)速系統(tǒng)主電路常采用交—直—交電流型逆變器。利用同步電動機電流超前電壓的特點，使逆變器的晶閘管工作在自然換流狀態(tài)。國際上簡稱這種系統(tǒng)為LCI(Load

CommutatedInverter)。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利目前這種系統(tǒng)容量已達數(shù)萬千伏安，電壓達萬伏以上。這種超大容量系統(tǒng)所用同步電動機勵磁系統(tǒng)為無刷勵磁機系統(tǒng)。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利

2．交－交變頻器供電的自控式同步電動機變頻調(diào)速該調(diào)速系統(tǒng)變頻器采用交—交循環(huán)變流結(jié)構(gòu)，由晶閘管組成，提供頻率可變的三相正弦電流給同步電動機。采用矢量控制后，使系統(tǒng)具有優(yōu)良的動態(tài)性能，廣泛用于軋鋼機主傳動調(diào)速系統(tǒng)中。目前，這種系統(tǒng)容量已達10000kV·A以上，但頻率最高只能達20Hz，這是系統(tǒng)的不足之處。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利8.6

永磁同步電動機永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子勵磁采用永久磁鐵勵磁，因此該電動機可省去集電環(huán)、電刷及勵磁裝置，使結(jié)構(gòu)大為簡化。由于無勵磁電流，也就無勵磁損耗，因此電動機效率較高。在磁性能優(yōu)異的永磁材料尚未面世前，勵磁不能調(diào)節(jié)，也就限制了該電機的應(yīng)用。目前，該電動機只用于自動化儀表中，且功率很小。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利自從20世紀80年代研制出價格相對較低、磁性能優(yōu)異的第三代稀土永磁材料釹鐵硼(NdFcB)后，稀土永磁電機已被廣泛用到工業(yè)和民用等各個領(lǐng)域上。釹鐵硼磁性能很高，室溫下的剩余磁感應(yīng)強度Br高達1.47T，磁感應(yīng)矯頑力Hc，可達992kA／m，最大磁能積高達397.9kJ/m3，是目前最好的永磁材料。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利進入20世紀90年代后，釹鐵硼永磁的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性得到進一步改善，價格逐步洚低。隨著電力電子器件和控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，在永磁電機的應(yīng)用中，可以不必進行磁場控制而只進行電樞控制，加之與微機控制相結(jié)合，使得稀土永磁電機及其控制技術(shù)日趨成熟，在國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等方面獲得越來越廣泛的應(yīng)用。

21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利稀土永磁電機單機容量已超過1000kW，最高轉(zhuǎn)速已超過300000r／min。最低轉(zhuǎn)速低于0.0lr／min，最小電機外徑0.8mm,長1.2mm。稀土永磁電機的分支——同步電動機及無換向器電動機廣泛用于航空、航天、數(shù)控機床、加工中心、機器人、電動汽車、家用電器及計算機外圍設(shè)備。我國已批量生產(chǎn)數(shù)控機床用的稀土永磁無換向器電動機，其調(diào)速范圍，即最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比值達10000。

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8.6.1永磁同步電動機的結(jié)構(gòu)和運行特性

1．永磁同步電動機的結(jié)構(gòu)圖8-26為永磁同步電動機示意圖。它由定子鐵心、定子繞糾組、永磁體轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)軸等部件構(gòu)成。定子與普通異步電動機基本相同，矩形波永磁同步電動機采用集中整距繞組，正弦波永磁同步電動機采用分布短距繞組。這種電動機與其他電動機最主要的區(qū)別是轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，它可分為表面式(如圖8-26)、內(nèi)置式、內(nèi)置混合式、爪極式等，圖8-27所示為性能最優(yōu)的內(nèi)置混合式四種轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利

2．永磁同步電動機的運行特性正弦波永磁同步電動機與電勵磁凸極式同步電動機有著相似的內(nèi)部電磁關(guān)系，因此，凸極式同步電動機的基本原理、電動勢方程、等效電路、向量圖及雙電樞反應(yīng)理論等均可用于分析永磁同步電動機。

21世紀高等學校規(guī)劃教材張方謝勝利需要注意的是，永