第08章-同步電機(jī)原理

1、-1- 第八章第八章 同步電機(jī)原理同步電機(jī)原理 電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)（第電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)（第2版）版） 第一節(jié)第一節(jié) 同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式 第二節(jié)第二節(jié) 同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程和相量圖同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程和相量圖 第三節(jié)第三節(jié) 同步電動(dòng)機(jī)的功率方程和功角特性同步電動(dòng)機(jī)的功率方程和功角特性 第四節(jié)第四節(jié) 同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)及同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)及U形曲線形曲線 第五節(jié)第五節(jié) 永磁同步電動(dòng)機(jī)永磁同步電動(dòng)機(jī)* -2- 引引 言言 本章主要闡述同步電機(jī)的工作原理，利用雙反應(yīng)本章主要闡述同步電機(jī)的工作原理，利用雙反應(yīng) 理論建立同步電機(jī)的基本電磁關(guān)系，在此基礎(chǔ)上對(duì)同理論建立同步電機(jī)的基

2、本電磁關(guān)系，在此基礎(chǔ)上對(duì)同 步電機(jī)的功角特性、矩角特性及功率因數(shù)的調(diào)節(jié)進(jìn)行步電機(jī)的功角特性、矩角特性及功率因數(shù)的調(diào)節(jié)進(jìn)行 深入分析。本章還對(duì)迅速發(fā)展的永磁同步電機(jī)做了簡(jiǎn)深入分析。本章還對(duì)迅速發(fā)展的永磁同步電機(jī)做了簡(jiǎn) 要介紹。要介紹。 第八章第八章 同步電機(jī)原理同步電機(jī)原理 -3- 第一節(jié)第一節(jié) 同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式 第八章第八章 同步電機(jī)原理同步電機(jī)原理 如果三相交流電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速如果三相交流電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與定子電流的頻率與定子電流的頻率f1滿足下滿足下 面的方程式關(guān)系，這種電機(jī)就稱為同步電機(jī)。同步電機(jī)多被用面的方程式關(guān)系，這種電機(jī)就稱為同步電機(jī)。同步電機(jī)多被用

3、作發(fā)電機(jī)，當(dāng)今作為動(dòng)力用的強(qiáng)大電力幾乎全是由三相同步發(fā)作發(fā)電機(jī)，當(dāng)今作為動(dòng)力用的強(qiáng)大電力幾乎全是由三相同步發(fā) 電機(jī)發(fā)出的，因此它是各類發(fā)電廠的核心設(shè)備之一。同步電機(jī)電機(jī)發(fā)出的，因此它是各類發(fā)電廠的核心設(shè)備之一。同步電機(jī) 也可以作電動(dòng)機(jī)使用，例如空氣壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、電力推進(jìn)裝也可以作電動(dòng)機(jī)使用，例如空氣壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、電力推進(jìn)裝 置和電動(dòng)發(fā)電機(jī)組等。置和電動(dòng)發(fā)電機(jī)組等。 p n f nn 1 1 60 （8-1） -4- 一、同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)一、同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 1. 定子定子 同步電機(jī)的定子，就其基本結(jié)構(gòu)來(lái)看，與異步電機(jī)的定子同步電機(jī)的定子，就其基本結(jié)構(gòu)來(lái)看，與異步電機(jī)的定子 沒(méi)有多大區(qū)別

4、，也是由定子鐵心、定子繞組以及機(jī)座、端蓋等沒(méi)有多大區(qū)別，也是由定子鐵心、定子繞組以及機(jī)座、端蓋等 附件組成。附件組成。 第八章第八章 同步電機(jī)原理同步電機(jī)原理 -5- 2. 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子 同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子有兩種結(jié)構(gòu)形式：一種有明顯的磁極，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子有兩種結(jié)構(gòu)形式：一種有明顯的磁極， 稱稱 為凸極式，如圖為凸極式，如圖8-1a所示；另一種轉(zhuǎn)子為一個(gè)圓柱體，表面上所示；另一種轉(zhuǎn)子為一個(gè)圓柱體，表面上 開(kāi)有槽，無(wú)明顯的磁極，稱為隱極式，如圖開(kāi)有槽，無(wú)明顯的磁極，稱為隱極式，如圖8-1b所示。所示。 同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子可以采用凸極式，也可以采用隱極式。同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子可以采用凸極式，也可以采用隱極式。 對(duì)

5、于水輪發(fā)電機(jī)，由于水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速較低，把發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子做對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)，由于水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速較低，把發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子做 成凸極式的；對(duì)于汽輪發(fā)電機(jī)，由于汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，為了成凸極式的；對(duì)于汽輪發(fā)電機(jī)，由于汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，為了 很好地固定勵(lì)磁繞組，把發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子做成隱極式的。同步電很好地固定勵(lì)磁繞組，把發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子做成隱極式的。同步電 動(dòng)機(jī)一般都做成凸極式的，在結(jié)構(gòu)上與凸極式同步發(fā)電機(jī)類似，動(dòng)機(jī)一般都做成凸極式的，在結(jié)構(gòu)上與凸極式同步發(fā)電機(jī)類似， 為了能夠自起動(dòng)，在轉(zhuǎn)子磁極的極靴上裝了起動(dòng)繞組。為了能夠自起動(dòng)，在轉(zhuǎn)子磁極的極靴上裝了起動(dòng)繞組。 同步電機(jī)的勵(lì)磁電源有兩種：一種是由勵(lì)磁機(jī)供電，同步電機(jī)的勵(lì)磁

6、電源有兩種：一種是由勵(lì)磁機(jī)供電， 另一另一 種是由交流電源經(jīng)過(guò)整流而得到。種是由交流電源經(jīng)過(guò)整流而得到。 每臺(tái)同步電機(jī)應(yīng)配備一臺(tái)勵(lì)每臺(tái)同步電機(jī)應(yīng)配備一臺(tái)勵(lì) 磁機(jī)或整流勵(lì)磁裝置，可以很方便地調(diào)節(jié)它的勵(lì)磁電流。磁機(jī)或整流勵(lì)磁裝置，可以很方便地調(diào)節(jié)它的勵(lì)磁電流。 第八章第八章 同步電機(jī)原理同步電機(jī)原理 -6- 二、同步電機(jī)的基本工作原理二、同步電機(jī)的基本工作原理 1. 同步電機(jī)的物理模型同步電機(jī)的物理模型 第八章第八章 同步電機(jī)原理同步電機(jī)原理 -7- 2. 同步電機(jī)的工作原理同步電機(jī)的工作原理 現(xiàn)以同步發(fā)電機(jī)為例來(lái)說(shuō)明同步電機(jī)的工作原理。當(dāng)同步現(xiàn)以同步發(fā)電機(jī)為例來(lái)說(shuō)明同步電機(jī)的工作原理。當(dāng)同步 發(fā)

7、電機(jī)的轉(zhuǎn)子在原動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)下達(dá)到同步轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子在原動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)下達(dá)到同步轉(zhuǎn)速n0時(shí)，由于轉(zhuǎn)子時(shí)，由于轉(zhuǎn)子 繞組是由直流電流繞組是由直流電流If 勵(lì)磁，所以轉(zhuǎn)子繞組在氣隙中所建立的磁場(chǎng)勵(lì)磁，所以轉(zhuǎn)子繞組在氣隙中所建立的磁場(chǎng) 相對(duì)于定子來(lái)說(shuō)是一個(gè)與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同，轉(zhuǎn)速大小相等的相對(duì)于定子來(lái)說(shuō)是一個(gè)與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同，轉(zhuǎn)速大小相等的 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)切割定子上開(kāi)路的三相對(duì)稱繞組，在三相對(duì)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)切割定子上開(kāi)路的三相對(duì)稱繞組，在三相對(duì) 稱繞組中產(chǎn)生三相對(duì)稱空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)稱繞組中產(chǎn)生三相對(duì)稱空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E0 。若改變勵(lì)磁電流的。若改變勵(lì)磁電流的 大小則可相應(yīng)地改變感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，此時(shí)同步

8、發(fā)電機(jī)處于大小則可相應(yīng)地改變感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，此時(shí)同步發(fā)電機(jī)處于 空載運(yùn)行。空載運(yùn)行。 當(dāng)同步發(fā)電機(jī)帶負(fù)載后，定子繞組構(gòu)成閉合回路，產(chǎn)生定當(dāng)同步發(fā)電機(jī)帶負(fù)載后，定子繞組構(gòu)成閉合回路，產(chǎn)生定 子電流，該電流是三相對(duì)稱電流，因而要在氣隙中產(chǎn)生與與轉(zhuǎn)子電流，該電流是三相對(duì)稱電流，因而要在氣隙中產(chǎn)生與與轉(zhuǎn) 子旋轉(zhuǎn)方向相同，轉(zhuǎn)速大小相等的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。此時(shí)定、轉(zhuǎn)子間子旋轉(zhuǎn)方向相同，轉(zhuǎn)速大小相等的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。此時(shí)定、轉(zhuǎn)子間 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)靜止，氣隙中的磁場(chǎng)是定、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的合成。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)靜止，氣隙中的磁場(chǎng)是定、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的合成。 由于氣隙中磁場(chǎng)的改變，定子繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小也由于氣隙中磁場(chǎng)的改變，定子

9、繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小也 發(fā)生變化。發(fā)生變化。 第八章第八章 同步電機(jī)原理同步電機(jī)原理 -8- 3. 同步電機(jī)的運(yùn)行方式同步電機(jī)的運(yùn)行方式 第八章第八章 同步電機(jī)原理同步電機(jī)原理 -9- 第二節(jié)第二節(jié) 同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程和相量圖同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程和相量圖 一、同步電動(dòng)機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)一、同步電動(dòng)機(jī)的磁動(dòng)勢(shì) 當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)的定子三相對(duì)稱繞組連接到三相對(duì)稱電源上當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)的定子三相對(duì)稱繞組連接到三相對(duì)稱電源上 時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生三相合成旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，簡(jiǎn)稱電樞磁動(dòng)勢(shì)，用空間時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生三相合成旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，簡(jiǎn)稱電樞磁動(dòng)勢(shì)，用空間 矢量矢量Fa表示。設(shè)電樞磁動(dòng)勢(shì)表示。設(shè)電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa 的轉(zhuǎn)向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较?，轉(zhuǎn)速為同

10、的轉(zhuǎn)向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较?，轉(zhuǎn)速為同 步轉(zhuǎn)速。在同步電動(dòng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，其轉(zhuǎn)子也是逆時(shí)針?lè)较蛞圆睫D(zhuǎn)速。在同步電動(dòng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，其轉(zhuǎn)子也是逆時(shí)針?lè)较蛞?同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。由直流勵(lì)磁電流同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。由直流勵(lì)磁電流If 產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)稱為勵(lì)磁磁動(dòng)產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)稱為勵(lì)磁磁動(dòng) 勢(shì)，用勢(shì)，用Ff 表示，它也是一個(gè)空間矢量。電樞磁動(dòng)勢(shì)表示，它也是一個(gè)空間矢量。電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa 與勵(lì)磁磁與勵(lì)磁磁 動(dòng)勢(shì)動(dòng)勢(shì)Ff ，兩者都以同步轉(zhuǎn)速按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，但是兩者在空，兩者都以同步轉(zhuǎn)速按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，但是兩者在空 間的位置不一定相同。間的位置不一定相同。 這里規(guī)定兩個(gè)軸方向：轉(zhuǎn)子這里規(guī)定兩個(gè)軸方向：轉(zhuǎn)子N極和極和S極的中心線稱為極的中

11、心線稱為直軸或直軸或 縱軸縱軸，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱d 軸軸；與直軸相距；與直軸相距90 空間電角度的方向稱為空間電角度的方向稱為交軸或交軸或 橫軸橫軸，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱q 軸軸。直軸和交軸隨轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)，如圖。直軸和交軸隨轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)，如圖8-4所示。所示。 第八章第八章 同步電機(jī)原理同步電機(jī)原理 -10- 先考慮勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)先考慮勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff單獨(dú)在電機(jī)主磁路中產(chǎn)生磁通時(shí)的情單獨(dú)在電機(jī)主磁路中產(chǎn)生磁通時(shí)的情 況。勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)況。勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff總是在直軸方向，產(chǎn)生的磁通如圖總是在直軸方向，產(chǎn)生的磁通如圖8-5所示。所示。 將由勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)將由勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff單獨(dú)產(chǎn)生的磁通叫勵(lì)磁磁通，用單獨(dú)產(chǎn)生的磁通叫勵(lì)磁磁通，用

12、f 表示。表示。 f 經(jīng)過(guò)的磁路是以直軸為對(duì)稱的。經(jīng)過(guò)的磁路是以直軸為對(duì)稱的。 第八章第八章 同步電機(jī)原理同步電機(jī)原理 -11- 二、凸極同步電動(dòng)機(jī)的雙反應(yīng)原理二、凸極同步電動(dòng)機(jī)的雙反應(yīng)原理 對(duì)于電樞磁動(dòng)勢(shì)對(duì)于電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa 單獨(dú)在電機(jī)主磁路中產(chǎn)生磁通時(shí)的情況，單獨(dú)在電機(jī)主磁路中產(chǎn)生磁通時(shí)的情況， 則比勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)則比勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff 產(chǎn)生磁通時(shí)的情況復(fù)雜。由于產(chǎn)生磁通時(shí)的情況復(fù)雜。由于Fa 與與Ff 的空間的空間 位置不一定相同，所以只要位置不一定相同，所以只要Fa 與與Ff 的空間位置不相同，就必然的空間位置不相同，就必然 使使Fa的方向不在直軸方向。對(duì)于凸極式同步電動(dòng)機(jī)，由于氣隙的方向不在直

13、軸方向。對(duì)于凸極式同步電動(dòng)機(jī)，由于氣隙 的不均勻，即使知道電樞磁動(dòng)勢(shì)的不均勻，即使知道電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa 的大小和位置，也無(wú)法的大小和位置，也無(wú)法 求得磁通。求得磁通。 如果電樞磁動(dòng)勢(shì)如果電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa 與勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)與勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff 的相對(duì)位置給定，如圖的相對(duì)位置給定，如圖 8-6，由于電樞磁動(dòng)勢(shì)，由于電樞磁動(dòng)勢(shì)Fa與勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)與勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff 無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可以把電無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可以把電 樞磁動(dòng)勢(shì)樞磁動(dòng)勢(shì)Fa分解成兩個(gè)分量：分解成兩個(gè)分量： 一個(gè)分量叫一個(gè)分量叫直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)，用，用 Fad 表示，作用在直軸方向；另一個(gè)分量叫表示，作用在直軸方向；另一個(gè)分量叫交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)交軸電樞磁動(dòng)

14、勢(shì)，用，用 Faq 表示，作用在交軸方向，即表示，作用在交軸方向，即 第八章第八章 同步電機(jī)原理同步電機(jī)原理 aqada FFF （8-2） -12- 第八章第八章 同步電機(jī)原理同步電機(jī)原理 -13- 根據(jù)前一章的分析，這里可以寫(xiě)出由定子電流產(chǎn)生的電樞根據(jù)前一章的分析，這里可以寫(xiě)出由定子電流產(chǎn)生的電樞 磁動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式磁動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式 第八章第八章 同步電機(jī)原理同步電機(jī)原理 s p W11 a 2 2 4 2 3 I n kN F （8-3） 將上式分解為將上式分解為d、q軸上的直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)和交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)：軸上的直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)和交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)： d p W11 ad 2 2 4 2 3 I n

15、 kN F q p W11 aq 2 2 4 2 3 I n kN F （8-4） （8-5） -14- 考慮到式（考慮到式（8-2）的關(guān)系，即有）的關(guān)系，即有 第八章第八章 同步電機(jī)原理同步電機(jī)原理 qds III （8-6） 即把電樞電流即把電樞電流 按相量的關(guān)系分解成兩個(gè)分量：按相量的關(guān)系分解成兩個(gè)分量： 一個(gè)分一個(gè)分 量是量是 ，另一個(gè)分量是，另一個(gè)分量是 ，其中，其中 產(chǎn)生磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生磁動(dòng)勢(shì) ； 產(chǎn)生磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生磁動(dòng)勢(shì) 。 s I d I d I q I q I aq F ad F -15- 三、同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程三、同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程 1. 凸極同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程凸極同步電動(dòng)機(jī)的

16、電壓方程 不管是勵(lì)磁磁通不管是勵(lì)磁磁通 f ， 還是直軸磁通還是直軸磁通 ad 和交軸磁通和交軸磁通 aq，都，都 是以同步轉(zhuǎn)速逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，因此都要在定子繞組中產(chǎn)生相應(yīng)的感是以同步轉(zhuǎn)速逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，因此都要在定子繞組中產(chǎn)生相應(yīng)的感 應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)圖應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)圖8-7給出的同步電動(dòng)機(jī)定子繞組各電量正方向，給出的同步電動(dòng)機(jī)定子繞組各電量正方向， 可以列出可以列出A相回路的電壓方程相回路的電壓方程 第八章第八章 同步電機(jī)原理同步電機(jī)原理 s0adaqsss jUEEEIRX （8-7） Rs 定子繞組的相電阻；定子繞組的相電阻； Xs 定子繞阻的相漏電抗。定子繞阻的相漏電抗。 -16- 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

17、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 、 可以寫(xiě)成可以寫(xiě)成 第八章第八章 同步電機(jī)原理同步電機(jī)原理 ad E aq E addad jEI X aqqaq jEI X （8-9） （8-8） 式中式中 Xad 直軸電樞反應(yīng)電抗；直軸電樞反應(yīng)電抗； Xaq 交軸電樞反應(yīng)電抗。交軸電樞反應(yīng)電抗。 把式（把式（8-8）、式（）、式（8-9）代入式（）代入式（8-7），得），得 s0dadqaqsss jjjUEI XI XIRX 在將式（在將式（8-6）代入上式，得）代入上式，得 s0dadsqaqsdqs jjUEIXXIXXIIR -17- 一般情況下，當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)容量較大時(shí)，可忽略電阻一般情況下，當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)容量較大時(shí)

18、，可忽略電阻Rs，于是，于是 第八章第八章 同步電機(jī)原理同步電機(jī)原理 s0ddqq jjUEI XI X （8-10） 式中式中 直軸同步電抗，直軸同步電抗， ； 交軸同步電抗交軸同步電抗 。 在一般凸極同步電動(dòng)機(jī)中，在一般凸極同步電動(dòng)機(jī)中， 。 2. 隱極同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程隱極同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程 對(duì)于隱極同步電動(dòng)機(jī)，由于氣隙均勻，因而直軸和交軸的對(duì)于隱極同步電動(dòng)機(jī)，由于氣隙均勻，因而直軸和交軸的 同步電抗在數(shù)值上彼此相等，即有同步電抗在數(shù)值上彼此相等，即有 sadd XXX saqq XXX qd XX d X q X cqd XXX （8-11） 式中式中 隱極同步電動(dòng)機(jī)的同步電抗。隱

19、極同步電動(dòng)機(jī)的同步電抗。 c X -18- 這樣，由式（這樣，由式（8-10）可寫(xiě)出隱極同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程為）可寫(xiě)出隱極同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程為 第八章第八章 同步電機(jī)原理同步電機(jī)原理 （8-12） 四、同步電動(dòng)機(jī)相量圖四、同步電動(dòng)機(jī)相量圖 同步電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，電源必須向電機(jī)的定子繞組同步電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，電源必須向電機(jī)的定子繞組 輸入有功功率，這時(shí)輸入電動(dòng)機(jī)的有功功率輸入有功功率，這時(shí)輸入電動(dòng)機(jī)的有功功率P1必須滿足必須滿足 s0sc jUEI X 0cos3 1ss1 IUP（8-13） 這就是說(shuō)，定子相電流的有功分量這就是說(shuō)，定子相電流的有功分量 應(yīng)與相電壓應(yīng)與相電壓 同相同相

20、 位。位。 由此可見(jiàn)，由此可見(jiàn)， 與與 二者之間的功率因數(shù)角二者之間的功率因數(shù)角 必須小于必須小于 90 ，才能使電機(jī)運(yùn)行于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)。圖，才能使電機(jī)運(yùn)行于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)。圖8-8a是根據(jù)凸極同步電是根據(jù)凸極同步電 動(dòng)機(jī)的電壓方程，在動(dòng)機(jī)的電壓方程，在 （超前）時(shí)，（超前）時(shí)， 電機(jī)運(yùn)行于電動(dòng)機(jī)電機(jī)運(yùn)行于電動(dòng)機(jī) 狀態(tài)的相量圖。狀態(tài)的相量圖。 1 cos s I s U s U s I 1 o 1 90 -19- 圖圖8-8b是根據(jù)隱極同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程式畫(huà)出的相量圖。是根據(jù)隱極同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程式畫(huà)出的相量圖。 第八章第八章 同步電機(jī)原理同步電機(jī)原理 -20- 第三節(jié)第三節(jié) 同步電動(dòng)機(jī)的功率方

21、程和功角特性同步電動(dòng)機(jī)的功率方程和功角特性 一、同步電動(dòng)機(jī)的功率方程一、同步電動(dòng)機(jī)的功率方程 同步電動(dòng)機(jī)從電源吸收有功功率同步電動(dòng)機(jī)從電源吸收有功功率P1 ，在扣除消耗于定子繞，在扣除消耗于定子繞 組的銅損耗組的銅損耗 后，轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶殴β屎螅D(zhuǎn)變?yōu)殡姶殴β蔖em ，即有，即有 第八章第八章 同步電機(jī)原理同步電機(jī)原理 ss RIp 2 Cu 3 emCu1 PpP （8-14） 從電磁功率從電磁功率Pem里再扣除鐵損耗里再扣除鐵損耗 和機(jī)械摩擦損耗和機(jī)械摩擦損耗 后，后， 得到輸出給負(fù)載的機(jī)械功率得到輸出給負(fù)載的機(jī)械功率P2 Fe p m p 2mFeem PppP （8-15） 其中，鐵損耗其

22、中，鐵損耗 與機(jī)械損耗與機(jī)械損耗 之和稱為空載損耗之和稱為空載損耗P0 ，即，即 Fe p m p mFe0 ppP （8-16） -21- 圖圖8-9是同步電動(dòng)機(jī)的功率流程圖。是同步電動(dòng)機(jī)的功率流程圖。 第八章第八章 同步電機(jī)原理同步電機(jī)原理 -22- 二、同步電動(dòng)機(jī)的電磁功率與功角特性二、同步電動(dòng)機(jī)的電磁功率與功角特性 對(duì)于凸極同步電動(dòng)機(jī)，當(dāng)忽略定子繞組的電阻對(duì)于凸極同步電動(dòng)機(jī)，當(dāng)忽略定子繞組的電阻Rs 時(shí)，同步時(shí)，同步 電動(dòng)機(jī)的電磁功率為電動(dòng)機(jī)的電磁功率為 第八章第八章 同步電機(jī)原理同步電機(jī)原理 11em cos3 ssI UPP（8-17） 由凸極同步電動(dòng)機(jī)的相量圖（圖由凸極同步電動(dòng)機(jī)

23、的相量圖（圖8-8）可見(jiàn)，）可見(jiàn)， ，于是，于是 1 sinsin3coscos3 ssssem IUIUP 此外，根據(jù)相量圖可得此外，根據(jù)相量圖可得 sin cos cos sin sqq s0dd sq sd UXI UEXI II II （8-18） -23- 考慮以上這些關(guān)系，得考慮以上這些關(guān)系，得 第八章第八章 同步電機(jī)原理同步電機(jī)原理 （8-19） 接在電網(wǎng)上運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)，已知電源電壓接在電網(wǎng)上運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)，已知電源電壓Us、 電源的電源的 頻率頻率f1都維持不變，如果保持電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流都維持不變，如果保持電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流If 不變，則對(duì)應(yīng)不變，則對(duì)應(yīng) 的電動(dòng)勢(shì)的電動(dòng)勢(shì)E

24、0 的大小也是常數(shù)，此外電動(dòng)機(jī)的參數(shù)的大小也是常數(shù)，此外電動(dòng)機(jī)的參數(shù)Xd 、Xq又是已又是已 知的常數(shù)，這樣同步電動(dòng)機(jī)的電磁功率知的常數(shù)，這樣同步電動(dòng)機(jī)的電磁功率Pem 就僅僅是就僅僅是的函數(shù)，的函數(shù)， 當(dāng)當(dāng)角變化時(shí)，電磁功率角變化時(shí)，電磁功率Pem也跟著變化。也跟著變化。 我們把我們把 的關(guān)的關(guān) 系定義為同步電動(dòng)機(jī)的功角特性，系定義為同步電動(dòng)機(jī)的功角特性， 由此所繪制出的曲線稱為功由此所繪制出的曲線稱為功 角特性曲線，如圖角特性曲線，如圖8-10所示。所示。 （8-20） sincos 11 3sin3 dq 2 s d s0 em XX U X UE P 2sin 2 3 sin3 qd

25、qd 2 s d s0 em XX XXU X UE P )( em fP -24- 上式所示凸極同步電動(dòng)上式所示凸極同步電動(dòng) 機(jī)的電磁功率機(jī)的電磁功率Pem 中，第一中，第一 項(xiàng)與勵(lì)磁電流項(xiàng)與勵(lì)磁電流If 的大小有關(guān)，的大小有關(guān)， 稱為稱為勵(lì)磁電磁功率勵(lì)磁電磁功率。第二項(xiàng)。第二項(xiàng) 與勵(lì)磁電流與勵(lì)磁電流If 的大小無(wú)關(guān)，的大小無(wú)關(guān)， 是由參數(shù)是由參數(shù) 引起的，引起的， 這部分功率只有凸極同步電這部分功率只有凸極同步電 動(dòng)機(jī)才有，而對(duì)隱極同步電動(dòng)機(jī)才有，而對(duì)隱極同步電 動(dòng)機(jī)則不存在，所以該電磁動(dòng)機(jī)則不存在，所以該電磁 功率稱為功率稱為凸極電磁功率凸極電磁功率。第。第 一項(xiàng)勵(lì)磁電磁功率是主要的，一

26、項(xiàng)勵(lì)磁電磁功率是主要的， 第二項(xiàng)凸極電磁功率比第一第二項(xiàng)凸極電磁功率比第一 項(xiàng)小得多。項(xiàng)小得多。 第八章第八章 同步電機(jī)原理同步電機(jī)原理 （8-21） （8-22） sin 3 d s0 em1 X UE P 2sin 2 3 qd qd 2 s em2 XX XXU P qd XX -25- 三、同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與矩角特性三、同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與矩角特性 首先根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩的通用公式推導(dǎo)同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩首先根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩的通用公式推導(dǎo)同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 表達(dá)式。第一章的式（表達(dá)式。第一章的式（1-46）即是電磁轉(zhuǎn)矩的通用公式：）即是電磁轉(zhuǎn)矩的通用公式： 第八章第八章 同步電機(jī)原理同步

27、電機(jī)原理 sssr 2 pe sin 2 FnT 式中式中 電機(jī)極對(duì)數(shù)；電機(jī)極對(duì)數(shù)； 每極合成磁通；每極合成磁通； 定子磁動(dòng)勢(shì)幅值；定子磁動(dòng)勢(shì)幅值； 定子磁動(dòng)勢(shì)與合成磁動(dòng)勢(shì)間的夾角。定子磁動(dòng)勢(shì)與合成磁動(dòng)勢(shì)間的夾角。 p n sr s F s 這里，因?yàn)檫@里，因?yàn)?，由式（，由式（8-3）可得）可得 as FF s p W11 s 3 2 I n kN F -26- 根據(jù)第七章的式（根據(jù)第七章的式（7-7）以及圖）以及圖8-11所示的磁動(dòng)勢(shì)關(guān)系，可以所示的磁動(dòng)勢(shì)關(guān)系，可以 得到如下關(guān)系得到如下關(guān)系 第八章第八章 同步電機(jī)原理同步電機(jī)原理 sr 11W1 2 E f N k s 2 -27- 把上

28、述三式代入電磁轉(zhuǎn)矩的通用公式，可得把上述三式代入電磁轉(zhuǎn)矩的通用公式，可得 第八章第八章 同步電機(jī)原理同步電機(jī)原理 1 s e cos3 IE T 式中式中 同步角速度。同步角速度。 不計(jì)定子電阻時(shí)，不計(jì)定子電阻時(shí)， ，且，且 ，因此上式可以寫(xiě)成，因此上式可以寫(xiě)成 1 1ss e cos3 IU T p 1 1 2 n f EUs 1 （8-23） （8-24） 根據(jù)功率與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，同樣可以導(dǎo)出電磁轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩平衡根據(jù)功率與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，同樣可以導(dǎo)出電磁轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩平衡 方程。與異步電動(dòng)機(jī)一樣，電磁轉(zhuǎn)矩方程。與異步電動(dòng)機(jī)一樣，電磁轉(zhuǎn)矩Te等于電磁功率等于電磁功率Pem與電機(jī)角與電機(jī)角 速度速度之比，

29、但對(duì)于同步電動(dòng)機(jī)，由式（之比，但對(duì)于同步電動(dòng)機(jī)，由式（8-1）知道其轉(zhuǎn)速即為同）知道其轉(zhuǎn)速即為同 步轉(zhuǎn)速。因此，同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩應(yīng)為步轉(zhuǎn)速。因此，同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩應(yīng)為 -28- 第八章第八章 同步電機(jī)原理同步電機(jī)原理 （8-25） （8-26） 此式與式（此式與式（8-24）是完全一致的。）是完全一致的。 將式（將式（8-15）等號(hào)兩邊同除以）等號(hào)兩邊同除以1，得到同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩平，得到同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩平 衡方程衡方程 1 1ss 1 em e cos3 IUP T 0e2 TTT 式中式中 T0空載轉(zhuǎn)矩。空載轉(zhuǎn)矩。 將電磁功率的表達(dá)式（將電磁功率的表達(dá)式（8-20）代入式（）代入式

30、（8-25），得到的電磁轉(zhuǎn)），得到的電磁轉(zhuǎn) 矩為矩為 2sin 2 3 sin3 qd1 qd 2 s d1 s0 e XX XXU X UE T （8-27） -29- 第八章第八章 同步電機(jī)原理同步電機(jī)原理 上式說(shuō)明，在電源電壓上式說(shuō)明，在電源電壓Us 、電源的頻率、電源的頻率f1、勵(lì)磁電流、勵(lì)磁電流 If 都保都保 持不變時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩持不變時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te也僅是也僅是的函數(shù)。的函數(shù)。 即當(dāng)即當(dāng) 角變角變 化時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩化時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩Te也跟著變化。把也跟著變化。把 的關(guān)系定義為同步電動(dòng)的關(guān)系定義為同步電動(dòng) 機(jī)的矩角特性，由此所繪制出的曲線稱為矩角特性曲線。機(jī)的矩角

31、特性，由此所繪制出的曲線稱為矩角特性曲線。 功角功角 特性與矩角特性的表達(dá)式相互之間僅相差一個(gè)比例常數(shù)特性與矩角特性的表達(dá)式相互之間僅相差一個(gè)比例常數(shù) 1 ， 所以所以 圖圖8-10和圖和圖8-11中的曲線也可視為矩角特性曲線。中的曲線也可視為矩角特性曲線。 )( e fT 若是隱極式同步電動(dòng)若是隱極式同步電動(dòng) 機(jī)，因機(jī)，因Xd =Xq ，則功角特，則功角特 性和矩角特性的表達(dá)式為性和矩角特性的表達(dá)式為 sin3 c 0 em X UE P s sin3 1 s0 e d X UE T -30- 第八章第八章 同步電機(jī)原理同步電機(jī)原理 四、同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行四、同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行 下面以隱

32、極同步電動(dòng)機(jī)為例來(lái)討論同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行問(wèn)下面以隱極同步電動(dòng)機(jī)為例來(lái)討論同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行問(wèn) 題。由圖可見(jiàn)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行在題。由圖可見(jiàn)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行在 = 0 90 的范圍內(nèi)，的范圍內(nèi)， 電動(dòng)機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行在電動(dòng)機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行在 = 90 180 的的 范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)不能夠穩(wěn)定運(yùn)行。范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)不能夠穩(wěn)定運(yùn)行。 -31- 第八章第八章 同步電機(jī)原理同步電機(jī)原理 如果與異步電動(dòng)機(jī)一樣，將最大電磁轉(zhuǎn)矩如果與異步電動(dòng)機(jī)一樣，將最大電磁轉(zhuǎn)矩Tem與額定電磁轉(zhuǎn)矩與額定電磁轉(zhuǎn)矩 TN之比，稱為過(guò)載倍數(shù)，用之比，稱為過(guò)載倍數(shù)，用 表示。這里表

33、示。這里 o em NN sin90 2 3.5 sin T T （8-30） 可見(jiàn)，可見(jiàn)， 為了滿足過(guò)載限制的要求，為了滿足過(guò)載限制的要求， 隱極同步電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)隱極同步電動(dòng)機(jī)額定運(yùn) 行時(shí)，行時(shí)， 。對(duì)于凸極同步電動(dòng)機(jī)，額定運(yùn)行時(shí)的功率。對(duì)于凸極同步電動(dòng)機(jī)，額定運(yùn)行時(shí)的功率 角還要小些。角還要小些。 當(dāng)負(fù)載改變時(shí)，當(dāng)負(fù)載改變時(shí)，角隨之變化，就能使同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩角隨之變化，就能使同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 Te或電磁功率或電磁功率Pem跟著變化，以達(dá)到新的平衡狀態(tài)。在同步電動(dòng)機(jī)跟著變化，以達(dá)到新的平衡狀態(tài)。在同步電動(dòng)機(jī) 穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n是嚴(yán)格按照同步轉(zhuǎn)速旋

34、轉(zhuǎn)，不發(fā)生是嚴(yán)格按照同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，不發(fā)生 任何變化。任何變化。所以，同步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為一條水平的直線。所以，同步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為一條水平的直線。 oo N 5 .1630 例例8-18-1 -32- 第八章第八章 同步電機(jī)原理同步電機(jī)原理 第四節(jié)第四節(jié) 同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)及同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)及U形曲線形曲線 一、同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)調(diào)節(jié)一、同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)調(diào)節(jié) 當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)接在交流電源上，可以認(rèn)為電源的電壓當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)接在交流電源上，可以認(rèn)為電源的電壓Us以及以及 頻率頻率f1都保持不變。另外，假設(shè)同步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的有功負(fù)載也保持都保持不變。另外，假設(shè)同步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的有功負(fù)載也保持

35、 不變，不變，僅改變同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流僅改變同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流If ，就能調(diào)節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的，就能調(diào)節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的 功率因數(shù)。功率因數(shù)。為分析方便起見(jiàn)，以隱極同步電動(dòng)機(jī)為例，為分析方便起見(jiàn)，以隱極同步電動(dòng)機(jī)為例， 并忽略并忽略 電機(jī)中的各種損耗。電機(jī)中的各種損耗。 假若同步電動(dòng)機(jī)的負(fù)載保持不變，假若同步電動(dòng)機(jī)的負(fù)載保持不變， 則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的輸出則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的輸出 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩T2也不變，如果忽略空載轉(zhuǎn)矩，由式（也不變，如果忽略空載轉(zhuǎn)矩，由式（8-26），有），有 。 可見(jiàn)，當(dāng)可見(jiàn)，當(dāng)T2不變時(shí)，可以認(rèn)為電磁轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，可以認(rèn)為電磁轉(zhuǎn)矩Te也不變，由式（也不變，由式（8-29），）， （8-3

36、1） 2e TT 0s e 1c 3sin E U T X 常數(shù)常數(shù)sin 0 E 這說(shuō)明這說(shuō)明當(dāng)改變勵(lì)磁電流當(dāng)改變勵(lì)磁電流If時(shí)，電動(dòng)勢(shì)時(shí)，電動(dòng)勢(shì)E0的大小也要跟著改變的大小也要跟著改變，以滿，以滿 足上式的關(guān)系。足上式的關(guān)系。 -33- 第八章第八章 同步電機(jī)原理同步電機(jī)原理 當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，由于同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定不變，所以當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，由于同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定不變，所以 同步電動(dòng)機(jī)的輸出功率不變。在忽略電機(jī)中的各種損耗的情況下，同步電動(dòng)機(jī)的輸出功率不變。在忽略電機(jī)中的各種損耗的情況下， 同步電動(dòng)機(jī)的輸入功率與輸出功率相等。于是有同步電動(dòng)機(jī)的輸入功率與輸出功率相等。于是有 （8-3

37、2） 上式的物理意義是：上式的物理意義是：在只改變勵(lì)磁電流的情況下，同步電動(dòng)在只改變勵(lì)磁電流的情況下，同步電動(dòng) 機(jī)定子繞組中電流的有功分量保持不變。機(jī)定子繞組中電流的有功分量保持不變。 根據(jù)式（根據(jù)式（8-31）和式）和式 （8-32）的條件）的條件 可畫(huà)出隱極同步電動(dòng)機(jī)在三種不同勵(lì)磁電流時(shí)的可畫(huà)出隱極同步電動(dòng)機(jī)在三種不同勵(lì)磁電流時(shí)的 相量圖，如圖相量圖，如圖8-14所示。所示。 常數(shù) 11 cos3 ss IUP 在電壓在電壓Us 不變的條件下，必有不變的條件下，必有 常數(shù) 1 cos s I -34- 第八章第八章 同步電機(jī)原理同步電機(jī)原理 當(dāng)改變同步電動(dòng)機(jī)當(dāng)改變同步電動(dòng)機(jī) 的勵(lì)磁電流時(shí)，

38、能夠改的勵(lì)磁電流時(shí)，能夠改 變同步電動(dòng)機(jī)的功率因變同步電動(dòng)機(jī)的功率因 數(shù)，這點(diǎn)是三相異步電數(shù)，這點(diǎn)是三相異步電 動(dòng)機(jī)所不具備的。動(dòng)機(jī)所不具備的。當(dāng)改當(dāng)改 變勵(lì)磁電流時(shí)，同步電變勵(lì)磁電流時(shí)，同步電 動(dòng)機(jī)功率因數(shù)變化的規(guī)動(dòng)機(jī)功率因數(shù)變化的規(guī) 律可以分為三種情況，律可以分為三種情況， 即即正常勵(lì)磁狀態(tài)、欠勵(lì)正常勵(lì)磁狀態(tài)、欠勵(lì) 狀態(tài)和過(guò)勵(lì)狀態(tài)狀態(tài)和過(guò)勵(lì)狀態(tài)。同步。同步 電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行時(shí)， 一般要過(guò)勵(lì)，至少運(yùn)行一般要過(guò)勵(lì)，至少運(yùn)行 在正常勵(lì)磁狀態(tài)，不要在正常勵(lì)磁狀態(tài)，不要 讓 它 運(yùn) 行 在 欠 勵(lì) 狀讓 它 運(yùn) 行 在 欠 勵(lì) 狀 態(tài)。態(tài)。 -35- 第八章第八章 同步電機(jī)原

39、理同步電機(jī)原理 二、同步電動(dòng)機(jī)的二、同步電動(dòng)機(jī)的U形曲線形曲線 同步電動(dòng)機(jī)的同步電動(dòng)機(jī)的U形曲線是指當(dāng)電源電壓和電源的頻率均為額定形曲線是指當(dāng)電源電壓和電源的頻率均為額定 值時(shí)，在輸出功率不變的條件下，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流值時(shí)，在輸出功率不變的條件下，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流If 時(shí)定子電流時(shí)定子電流Is的的 相應(yīng)變化。以勵(lì)磁電流相應(yīng)變化。以勵(lì)磁電流If 為橫座標(biāo)，定子電流為橫座標(biāo)，定子電流Is 為縱座標(biāo)，將兩個(gè)為縱座標(biāo)，將兩個(gè) 電流數(shù)值變化關(guān)系繪制成曲線，由于其形狀象英文字母電流數(shù)值變化關(guān)系繪制成曲線，由于其形狀象英文字母“U”，故，故 稱其為稱其為U形曲線。形曲線。 -36- 第八章第八章 同步電機(jī)原理同步電

40、機(jī)原理 對(duì)每條對(duì)每條U形曲線，定子電流有一最小值，這時(shí)定子僅從電網(wǎng)吸形曲線，定子電流有一最小值，這時(shí)定子僅從電網(wǎng)吸 收有功功率，功率因數(shù)收有功功率，功率因數(shù) 。把這些點(diǎn)連起來(lái)，稱。把這些點(diǎn)連起來(lái)，稱 線。線。 它微微向右傾斜，說(shuō)明輸出為純有功功率情況下，它微微向右傾斜，說(shuō)明輸出為純有功功率情況下， 輸出功率增大輸出功率增大 的同時(shí)，必須相應(yīng)地增加一些勵(lì)磁電流。這樣，的同時(shí)，必須相應(yīng)地增加一些勵(lì)磁電流。這樣， 線可作為線可作為 分界線，在線的左邊是分界線，在線的左邊是欠勵(lì)區(qū)欠勵(lì)區(qū)，右邊是，右邊是過(guò)勵(lì)區(qū)過(guò)勵(lì)區(qū)。 當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)帶一定負(fù)載時(shí)，當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)帶一定負(fù)載時(shí)， 若減小勵(lì)磁電流若減小勵(lì)磁電流If

41、，電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)E0、 電磁功率電磁功率 Pem減小。當(dāng)減小。當(dāng)Pem減小到一定程度，減小到一定程度，超過(guò)超過(guò)90 ， 電動(dòng)機(jī)就電動(dòng)機(jī)就 失去同步，如圖失去同步，如圖8-16中虛線所示的不穩(wěn)定區(qū)。中虛線所示的不穩(wěn)定區(qū)。從這個(gè)角度來(lái)看，同從這個(gè)角度來(lái)看，同 步電動(dòng)機(jī)最好也不運(yùn)行于欠勵(lì)狀態(tài)。步電動(dòng)機(jī)最好也不運(yùn)行于欠勵(lì)狀態(tài)。 1cos 1 1cos 1 1cos 1 -37- 第八章第八章 同步電機(jī)原理同步電機(jī)原理 第五節(jié)第五節(jié) 永磁同步電動(dòng)機(jī)永磁同步電動(dòng)機(jī)* 一、概述一、概述 世界上第一臺(tái)電機(jī)就是永磁電機(jī)，但是早期的永磁材料磁性世界上第一臺(tái)電機(jī)就是永磁電機(jī)，但是早期的永磁材料磁性 能很差，致使永磁

42、電機(jī)體積很大，非常笨重，因而很快就為電勵(lì)能很差，致使永磁電機(jī)體積很大，非常笨重，因而很快就為電勵(lì) 磁式電機(jī)所取代。近年來(lái)，隨著稀土永磁材料的快速發(fā)展，特別磁式電機(jī)所取代。近年來(lái)，隨著稀土永磁材料的快速發(fā)展，特別 是第三代稀土永磁材料釹鐵硼（是第三代稀土永磁材料釹鐵硼（NdFeB）的問(wèn)世，給永磁電機(jī)的）的問(wèn)世，給永磁電機(jī)的 研究和開(kāi)發(fā)帶來(lái)了新的活力。從上世紀(jì)八十年代初開(kāi)始，各工業(yè)研究和開(kāi)發(fā)帶來(lái)了新的活力。從上世紀(jì)八十年代初開(kāi)始，各工業(yè) 發(fā)達(dá)國(guó)家竟相研制高性能永磁電機(jī)，其中永磁同步電動(dòng)機(jī)以其高發(fā)達(dá)國(guó)家竟相研制高性能永磁電機(jī)，其中永磁同步電動(dòng)機(jī)以其高 效節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)而受到特別的關(guān)注。效節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)而受到

43、特別的關(guān)注。 二、正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)二、正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī) 1. 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 永磁同步電動(dòng)機(jī)包括定子和轉(zhuǎn)子兩部分。定子部分與一般同永磁同步電動(dòng)機(jī)包括定子和轉(zhuǎn)子兩部分。定子部分與一般同 步電動(dòng)機(jī)的定子相同，步電動(dòng)機(jī)的定子相同， 定子鐵心通常由帶有齒和槽的沖片疊成，定子鐵心通常由帶有齒和槽的沖片疊成， 在槽中嵌入交流繞組。當(dāng)交流電流通入交流繞組時(shí)，在氣隙中產(chǎn)在槽中嵌入交流繞組。當(dāng)交流電流通入交流繞組時(shí)，在氣隙中產(chǎn) 生同步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；轉(zhuǎn)子部分則采用永磁體勵(lì)磁。生同步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；轉(zhuǎn)子部分則采用永磁體勵(lì)磁。 -38- 第八章第八章 同步電機(jī)原理同步電機(jī)原理 -39- 第八章第八章 同步電機(jī)原理同步

44、電機(jī)原理 同步電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)同步電抗同步電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)同步電抗Xd、Xq決定于磁路的磁導(dǎo)，決定于磁路的磁導(dǎo)， 在電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)中，在電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)中， Xd Xq 。但在永磁同步電動(dòng)機(jī)中，情。但在永磁同步電動(dòng)機(jī)中，情 況有所不同，因?yàn)樵谥陛S磁路中有永磁體，況有所不同，因?yàn)樵谥陛S磁路中有永磁體， 永磁體的磁導(dǎo)率很永磁體的磁導(dǎo)率很 低，其導(dǎo)磁性能與空氣相似，因而大大減小了直軸電樞反應(yīng)的作低，其導(dǎo)磁性能與空氣相似，因而大大減小了直軸電樞反應(yīng)的作 用，表現(xiàn)為用，表現(xiàn)為Xd較?。欢诮惠S磁路中，主要是軟鐵極靴和套環(huán)類較??；而在交軸磁路中，主要是軟鐵極靴和套環(huán)類 的磁性材料，導(dǎo)磁性能較好，交軸電樞

45、反應(yīng)的作用較大，的磁性材料，導(dǎo)磁性能較好，交軸電樞反應(yīng)的作用較大， Xq較較 大，因而在永磁同步電動(dòng)機(jī)中大，因而在永磁同步電動(dòng)機(jī)中Xd Xq 。 2. 工作原理與起動(dòng)問(wèn)題工作原理與起動(dòng)問(wèn)題 永磁體的引入固然使同步電動(dòng)機(jī)面貌一新，但由此而產(chǎn)生的永磁體的引入固然使同步電動(dòng)機(jī)面貌一新，但由此而產(chǎn)生的 一些問(wèn)題也不容忽視，這其中最主要的當(dāng)屬起動(dòng)問(wèn)題，在由變頻一些問(wèn)題也不容忽視，這其中最主要的當(dāng)屬起動(dòng)問(wèn)題，在由變頻 電源供電的場(chǎng)合，永磁同步電動(dòng)機(jī)可以順利起動(dòng)，但當(dāng)由工頻電電源供電的場(chǎng)合，永磁同步電動(dòng)機(jī)可以順利起動(dòng)，但當(dāng)由工頻電 源直接供電時(shí)，由于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永磁體磁場(chǎng)之間有相對(duì)源直接供電時(shí)，由于定

46、子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永磁體磁場(chǎng)之間有相對(duì) 運(yùn)動(dòng)，不能產(chǎn)生恒定方向的電磁轉(zhuǎn)矩，造成起動(dòng)困難。運(yùn)動(dòng)，不能產(chǎn)生恒定方向的電磁轉(zhuǎn)矩，造成起動(dòng)困難。 -40- 第八章第八章 同步電機(jī)原理同步電機(jī)原理 為克服這一困難，永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子一般設(shè)計(jì)成磁鋼內(nèi)為克服這一困難，永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子一般設(shè)計(jì)成磁鋼內(nèi) 埋式結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子表面裝有和異步電動(dòng)機(jī)相似的籠型繞組（如圖埋式結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子表面裝有和異步電動(dòng)機(jī)相似的籠型繞組（如圖8- 18所示），稱為自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)。當(dāng)永磁同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)所示），稱為自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)。當(dāng)永磁同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng) 時(shí)，依靠籠型繞組產(chǎn)生如同異步電動(dòng)機(jī)工作時(shí)一樣的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，時(shí)，依靠籠型繞組產(chǎn)生如同

47、異步電動(dòng)機(jī)工作時(shí)一樣的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩， 帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來(lái)。等到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升到接近同步速時(shí)，依靠定帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來(lái)。等到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升到接近同步速時(shí)，依靠定 子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永磁體的相互吸引把轉(zhuǎn)子牽入同步。這就是所子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永磁體的相互吸引把轉(zhuǎn)子牽入同步。這就是所 謂的謂的“異步起動(dòng)，同步運(yùn)行異步起動(dòng)，同步運(yùn)行”。在整個(gè)起動(dòng)過(guò)程中，籠型繞組產(chǎn)。在整個(gè)起動(dòng)過(guò)程中，籠型繞組產(chǎn) 生異步起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，而永磁體產(chǎn)生發(fā)電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，但當(dāng)達(dá)到同步速生異步起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，而永磁體產(chǎn)生發(fā)電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，但當(dāng)達(dá)到同步速 時(shí)，異步起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為零，而發(fā)電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)變?yōu)橥綘恳D(zhuǎn)矩，時(shí)，異步起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為零，而發(fā)電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)變?yōu)橥綘恳D(zhuǎn)矩，

48、帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)正常同步運(yùn)行。帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)正常同步運(yùn)行?？梢?jiàn)，對(duì)于自起動(dòng)永磁式同步電動(dòng)機(jī)可見(jiàn)，對(duì)于自起動(dòng)永磁式同步電動(dòng)機(jī) 來(lái)說(shuō)，永磁體和籠型起動(dòng)繞組之間的合理設(shè)計(jì)是十分重要的。來(lái)說(shuō)，永磁體和籠型起動(dòng)繞組之間的合理設(shè)計(jì)是十分重要的。 應(yīng)當(dāng)指出，如果電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子本身慣性不大，或者是多極的低應(yīng)當(dāng)指出，如果電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子本身慣性不大，或者是多極的低 速電機(jī)，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速不是很大，那么永磁同步電動(dòng)機(jī)不另速電機(jī)，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速不是很大，那么永磁同步電動(dòng)機(jī)不另 裝起動(dòng)繞組也是可以直接起動(dòng)的。裝起動(dòng)繞組也是可以直接起動(dòng)的。 -41- 第八章第八章 同步電機(jī)原理同步電機(jī)原理 三、梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)三、梯形波永磁同步電

49、動(dòng)機(jī) 直流電動(dòng)機(jī)由于調(diào)速性能好、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn)而在各種運(yùn)直流電動(dòng)機(jī)由于調(diào)速性能好、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn)而在各種運(yùn) 動(dòng)控制系統(tǒng)中等到廣泛應(yīng)用，但是直流電動(dòng)機(jī)具有電刷和換向器動(dòng)控制系統(tǒng)中等到廣泛應(yīng)用，但是直流電動(dòng)機(jī)具有電刷和換向器 裝置，運(yùn)行時(shí)所形成的機(jī)械摩擦嚴(yán)重影響電機(jī)的精度和可靠性，裝置，運(yùn)行時(shí)所形成的機(jī)械摩擦嚴(yán)重影響電機(jī)的精度和可靠性， 因摩擦而產(chǎn)生的火花還會(huì)引起無(wú)線電干擾。電刷和換向器裝置使因摩擦而產(chǎn)生的火花還會(huì)引起無(wú)線電干擾。電刷和換向器裝置使 直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、噪音大，維護(hù)也比較困難。所以，長(zhǎng)期以直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、噪音大，維護(hù)也比較困難。所以，長(zhǎng)期以 來(lái)人們?cè)诓粩鄬で罂梢圆挥秒娝⒑蛽Q

50、向器裝置的直流電動(dòng)機(jī)。隨來(lái)人們?cè)诓粩鄬で罂梢圆挥秒娝⒑蛽Q向器裝置的直流電動(dòng)機(jī)。隨 著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和永磁材料的迅速發(fā)展，誕生了著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和永磁材料的迅速發(fā)展，誕生了梯形波梯形波 永磁同步電動(dòng)機(jī)永磁同步電動(dòng)機(jī)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。這種電動(dòng)機(jī)利用電子開(kāi)關(guān)。這種電動(dòng)機(jī)利用電子開(kāi)關(guān) 線路和位置傳感器來(lái)代替電刷和換向器，既具有直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)線路和位置傳感器來(lái)代替電刷和換向器，既具有直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn) 行特性，又具有交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)行特性，又具有交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu) 點(diǎn)，它的轉(zhuǎn)速不再受機(jī)械換向的限制，可以制成轉(zhuǎn)速高達(dá)每分鐘點(diǎn)，它的轉(zhuǎn)速不

51、再受機(jī)械換向的限制，可以制成轉(zhuǎn)速高達(dá)每分鐘 幾十萬(wàn)轉(zhuǎn)的高速電動(dòng)機(jī)。因此，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)用途非常廣泛，幾十萬(wàn)轉(zhuǎn)的高速電動(dòng)機(jī)。因此，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)用途非常廣泛， 可作為一般直流電動(dòng)機(jī)、伺服電動(dòng)機(jī)和力矩電動(dòng)機(jī)等使用?？勺鳛橐话阒绷麟妱?dòng)機(jī)、伺服電動(dòng)機(jī)和力矩電動(dòng)機(jī)等使用。 -42- 第八章第八章 同步電機(jī)原理同步電機(jī)原理 1. 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)由電動(dòng)機(jī)本體、電子開(kāi)關(guān)線路和轉(zhuǎn)子位置傳無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)由電動(dòng)機(jī)本體、電子開(kāi)關(guān)線路和轉(zhuǎn)子位置傳 感器三部分組成，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖感器三部分組成，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖8-19所示，其中直流電源通過(guò)所示，其中直流電源通過(guò) 開(kāi)關(guān)線路向電動(dòng)機(jī)的定子繞組供電，位置傳感器

52、檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)線路向電動(dòng)機(jī)的定子繞組供電，位置傳感器檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn) 子位置，并提供信號(hào)控制開(kāi)關(guān)線路中的功率開(kāi)關(guān)元件，使之按照子位置，并提供信號(hào)控制開(kāi)關(guān)線路中的功率開(kāi)關(guān)元件，使之按照 一定的規(guī)律導(dǎo)通和關(guān)斷，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。一定的規(guī)律導(dǎo)通和關(guān)斷，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。 -43- 第八章第八章 同步電機(jī)原理同步電機(jī)原理 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖8-20所示，其中電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)所示，其中電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu) 與永磁同步電動(dòng)機(jī)相似，轉(zhuǎn)子是由永磁材料制成的具有一定極數(shù)與永磁同步電動(dòng)機(jī)相似，轉(zhuǎn)子是由永磁材料制成的具有一定極數(shù) 的永磁體，主要有凸極式和內(nèi)嵌式兩種結(jié)構(gòu)；定子是電動(dòng)機(jī)的

53、電的永磁體，主要有凸極式和內(nèi)嵌式兩種結(jié)構(gòu)；定子是電動(dòng)機(jī)的電 樞，定子鐵心中安放著對(duì)稱的多相繞組，可接成星形或角形，各樞，定子鐵心中安放著對(duì)稱的多相繞組，可接成星形或角形，各 相繞組分別與電子開(kāi)關(guān)線路中的相應(yīng)開(kāi)關(guān)元件相連接，電子開(kāi)關(guān)相繞組分別與電子開(kāi)關(guān)線路中的相應(yīng)開(kāi)關(guān)元件相連接，電子開(kāi)關(guān) 線路有橋式和非橋式兩種。圖線路有橋式和非橋式兩種。圖11-26表示的是常用的三相星形橋表示的是常用的三相星形橋 式連接方式。式連接方式。 -44- 第八章第八章 同步電機(jī)原理同步電機(jī)原理 2. 工作原理工作原理 根據(jù)電子開(kāi)關(guān)線路結(jié)構(gòu)和定子繞組聯(lián)接方式，無(wú)刷直流電動(dòng)根據(jù)電子開(kāi)關(guān)線路結(jié)構(gòu)和定子繞組聯(lián)接方式，無(wú)刷直流電動(dòng) 機(jī)可以有多種運(yùn)行狀態(tài)，下面以兩相導(dǎo)通三相星形六狀態(tài)為例說(shuō)機(jī)可以有多種運(yùn)行狀態(tài)，下面以兩相導(dǎo)通三相星形六狀態(tài)為例說(shuō) 明無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。明無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。 假設(shè)在任意時(shí)刻開(kāi)關(guān)線路的上橋臂和下橋臂各有一個(gè)晶體管假設(shè)在任意時(shí)刻開(kāi)關(guān)線路