第六章 同步電機(jī)

1、第六章 同步電機(jī)中國石油大學(xué)（華東）信控學(xué)院趙仁德什么是同步電機(jī)？同步是相對(duì)于異步而言，是指這種電機(jī)在正常工作時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速始終保持同步速不變。而不是像異步電機(jī)一樣，轉(zhuǎn)速隨負(fù)載的變化而變化。我們目前所用的電能，99%以上是同步發(fā)電機(jī)發(fā)出來的。為什么要學(xué)習(xí)同步電機(jī)？電勵(lì)磁的同步電機(jī)可以通過改變勵(lì)磁來調(diào)節(jié)功率因數(shù)，可以運(yùn)行于功率因數(shù)為1的狀態(tài)，甚至可以超前。永磁同步電機(jī)不需勵(lì)磁，沒有勵(lì)磁損耗，也不需從電網(wǎng)吸收無功，效率和功率密度非常高，是一種非常有潛力的電機(jī)。不足：成本較高，難起動(dòng)，存在失步問題，永磁存在失磁問題，電勵(lì)磁存在滑環(huán)和電刷，可靠性不如感應(yīng)電機(jī)。6-1 基本工作原理和結(jié)構(gòu)一、基本工作原理

2、電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)化模型只有同步時(shí)才能產(chǎn)生平穩(wěn)的電磁轉(zhuǎn)矩，即正常運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子處于同步轉(zhuǎn)速。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)增加負(fù)載以后，轉(zhuǎn)速會(huì)下降，重新達(dá)到平衡。同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不下降，如何達(dá)到新的平衡？電磁轉(zhuǎn)矩的大小與兩磁場(chǎng)夾角有關(guān)。1n真實(shí)的同步電動(dòng)機(jī)，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)分別由真實(shí)的旋轉(zhuǎn)磁極和三相對(duì)稱繞組中通入三相對(duì)稱電流產(chǎn)生。即定子結(jié)構(gòu)與感應(yīng)電機(jī)完全一致，轉(zhuǎn)子磁極是由直流電勵(lì)磁或永磁磁極。發(fā)電機(jī)簡(jiǎn)化模型0002sin2sin(120 )2sin(120 )abcEEtEEtEEt0?E 01114.44wmEf N k當(dāng)發(fā)電機(jī)端接上三相對(duì)稱負(fù)載，定子就有三相電流流通，發(fā)電機(jī)就將軸上輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能向負(fù)載輸出。112260n

3、 pf1n電樞將機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的樞紐，稱為電樞。與主磁極相對(duì)應(yīng)。直流電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)、同步電機(jī)不相同。電樞電流在三相對(duì)稱繞組中流通，會(huì)不會(huì)形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)？轉(zhuǎn)速如何？轉(zhuǎn)向如何？1n電樞產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)與磁極的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)以相同的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)，在空間中相對(duì)靜止?？梢院铣?。合成氣隙磁動(dòng)勢(shì)也是以同步速旋轉(zhuǎn)，但與旋轉(zhuǎn)磁極所建立的磁動(dòng)勢(shì)在大小和相位上已不同。這種變化稱為電樞反應(yīng)。二、基本結(jié)構(gòu)定子、氣隙、轉(zhuǎn)子，一般都采用轉(zhuǎn)極式。定子的結(jié)構(gòu)和繞組形式與感應(yīng)電機(jī)定子基本一樣。鐵芯也是由硅鋼片疊成。定子轉(zhuǎn)子有隱極式和凸極式兩種。隱式是指轉(zhuǎn)子磁極鐵芯表面是個(gè)圓，氣隙均勻，而凸極式，則氣隙不均勻。前者轉(zhuǎn)子鐵芯用整塊合金

4、鋼鍛造而成，適用于高轉(zhuǎn)速的汽輪發(fā)電機(jī)，軸長(zhǎng)，電機(jī)外徑小，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁線圈匝數(shù)少，導(dǎo)線粗，電流大。下好線的轉(zhuǎn)子大型汽輪發(fā)電機(jī)完工后的轉(zhuǎn)子 為什么可以用整塊鋼而不是用硅鋼片來用作轉(zhuǎn)子鐵芯？1n電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子鐵芯中的主磁通不變。不會(huì)產(chǎn)生渦流和磁滯損耗。凸極同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子由主磁極、磁軛、勵(lì)磁繞組、滑環(huán)和轉(zhuǎn)軸構(gòu)成。通常在轉(zhuǎn)子極靴槽內(nèi)還嵌放阻尼繞組，阻尼繞組由槽內(nèi)的銅條和端部短路銅環(huán)焊接而成，防止運(yùn)行中的振蕩和用作起動(dòng)繞組。主磁極鐵心的構(gòu)成一般用作水輪發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)速慢，極對(duì)數(shù)多，軸短，電機(jī)外徑大。三、同步機(jī)的額定值(1) 額定容量SN和額定功率PN額定容量SN是指同步發(fā)電機(jī)輸出的額定視在功率，單位kVA或

5、MVAPN是指輸出的額定有功功率，對(duì)發(fā)電機(jī)而言是輸出的額定有效電功率，對(duì)電動(dòng)機(jī)而言，是指軸上輸出的有效機(jī)械功率。單位kW或MW(2)額定電壓UN額定運(yùn)行時(shí)，加在定子繞組上的線電壓，單位V或kV(3)額定電流IN額定運(yùn)行時(shí)，流過定子繞組的線電流，單位A(4)額定頻率fN額定運(yùn)行時(shí)的頻率，我國為50Hz。(5)額定轉(zhuǎn)速nN是指同步電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，單位r/min(6)額定效率N額定運(yùn)行時(shí)的效率(7)額定功率因數(shù)cosN額定運(yùn)行時(shí)的同步電機(jī)的功率因數(shù)cos3cosNNNNNNPSU I對(duì)于三相同步發(fā)電機(jī)：3cosNNNNNPU I對(duì)于三相同步電動(dòng)機(jī)：6-2 同步電機(jī)的電樞反應(yīng)負(fù)載時(shí)，對(duì)稱三相電樞繞組中

6、流過對(duì)稱三相電流圓形旋轉(zhuǎn)的基波磁動(dòng)勢(shì)，轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)子磁極相同，轉(zhuǎn)速為同步速aF所謂電樞反應(yīng)，就是電樞電流產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)對(duì)氣隙中的主磁場(chǎng)產(chǎn)生的影響。 會(huì)改變由主磁極勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì) 形成的氣隙磁場(chǎng)的分布，氣隙磁場(chǎng)由 與 合成的氣隙磁動(dòng)勢(shì)建立，與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)不同，磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也不同。aFfFaFfF這種負(fù)載時(shí)電樞磁動(dòng)勢(shì)對(duì)主極基波磁場(chǎng)的影響稱為電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)與電流的大小、主磁路的飽和程度有關(guān)，與電樞磁動(dòng)勢(shì)與勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)在空間中的相對(duì)位置有關(guān)，還與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有關(guān)。正方向的規(guī)定：100fFE 1faFFEF aaaFEIFE 電流與由其產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)符合右手螺旋關(guān)系，磁動(dòng)勢(shì)與磁通方向相同。 與

7、為關(guān)聯(lián)參考方向；UI感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的正方向與產(chǎn)生它的磁通的正方向不符合右手螺旋關(guān)系。與電流方向相反，為反電勢(shì)。011101111111114.444.444.444.44wawawwEjf N kEjf N kEjf N kEjf N k對(duì)嗎？為便于分析，假設(shè)磁路不飽和，不考慮鐵耗，轉(zhuǎn)子為隱極，則電樞反應(yīng)決定于電樞磁動(dòng)勢(shì)基波 的大小及其與勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)基波 在空間中的相對(duì)位置。aF1fF在時(shí)空矢量圖中，電樞磁動(dòng)勢(shì)矢量 與產(chǎn)生它的電樞電流 同相位，而若不計(jì)鐵耗，則基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)矢量 與勵(lì)磁磁通 同相位，而由勵(lì)磁磁通產(chǎn)生的勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì) 則超前90度電角度。aFI1fF00EaFI1fF00E電樞電流與勵(lì)磁電

8、動(dòng)勢(shì)之間的相位差 就決定了電樞磁動(dòng)勢(shì)與勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)在空間中的相對(duì)位置。與直流電機(jī)相同，主磁極的軸線為直軸，稱為d軸，與主磁極軸線正交的軸線為交軸，稱為q軸，一般來說，規(guī)定q軸滯后于d軸90度電角度。dq1ndq與直流電機(jī)不同的是，由于直流電機(jī)的主磁極不動(dòng)，所以，交直軸是不動(dòng)的，但同步電機(jī)的交直軸隨主磁極旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)注意，軸線關(guān)系是根據(jù)統(tǒng)一矢量重合的先后順序定的，而物理量的相位關(guān)系則是由它們?cè)诳臻g中的前后關(guān)系決定。一、電樞電流和勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)同相位時(shí)的電樞反應(yīng)各相繞組的軸線方向與該相繞組的電流正方向符合右手螺旋關(guān)系。直軸即主磁極軸線，方向與磁力線方向相同，交軸與直軸垂直，且滯后90度電角度。主磁極旋轉(zhuǎn)，

9、dq軸也以相同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)同步旋轉(zhuǎn)，且超前于主極磁通90度電角度，始終在交軸上。電樞電流與勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)同相位，也是在交軸上，由其產(chǎn)生的電樞磁動(dòng)勢(shì)也在交軸上。電樞反應(yīng)使氣隙合成磁動(dòng)勢(shì)的軸線向前移了一個(gè)電角度，幅值有所增加。此時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)瞬時(shí)值的方向？電樞電流的瞬時(shí)值方向？參考方向相反，相位相同，瞬時(shí)值的方向恰好相反。此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩的方向及電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)？先判斷電樞導(dǎo)體受力，根據(jù)作用與反作用，磁極受力恰好相反。也可以根據(jù)e與i的乘積的符號(hào)確定。交軸電樞電流產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。不計(jì)飽和時(shí)，直流電機(jī)的交軸電樞反應(yīng)是去磁還是助磁？計(jì)及飽和呢？不助磁也不去磁，去磁。為什么不計(jì)飽和，同步電機(jī)的交軸電樞反應(yīng)會(huì)

10、助磁呢？由于電刷和換向器的作用，使得電流的流向以電刷為分界，有效的每極磁通中的“每極”所包含的范圍是固定的，而同步電機(jī)則不是。二、電樞電流滯后于勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)一個(gè)銳角時(shí)的電樞反應(yīng)sincosaadaqadaaqaFFFFFFFsincosdqdqIIIIIII111.35waN kFIp1111sin1.35sin1.35wwadadN kN kFFIIpp1111cos1.35cos1.35wwaqaqN kN kFFIIppIq產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)是交軸磁動(dòng)勢(shì)，作用與前面一樣。Id產(chǎn)生的是直軸磁動(dòng)勢(shì)，是助磁還是去磁？如果電樞電流的大小、頻率不變，那么Id和Iq是正弦量還是一個(gè)固定的常數(shù)（直流量）？常數(shù)

11、（直流量）！三相對(duì)稱正弦量每一相的瞬時(shí)值可以用一個(gè)在復(fù)平面中恒速等幅旋轉(zhuǎn)的統(tǒng)一時(shí)間相量在三相參考軸上的投影來表示。因?yàn)槿鄥⒖驾S不正交，所以在三相ABC坐標(biāo)系下描述三相對(duì)稱正弦量的統(tǒng)一時(shí)間相量在時(shí)空矢量圖中的運(yùn)動(dòng)，很不方便。通常用兩種直角坐標(biāo)系來描述統(tǒng)一時(shí)間相量。一種是靜止直角坐標(biāo)系(坐標(biāo)系)，一種是同步旋轉(zhuǎn)直角坐標(biāo)系(dq坐標(biāo)系)。mIdqABC在兩相靜止坐標(biāo)系中，統(tǒng)一相量在兩軸上分量仍為交流。但在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，兩個(gè)分量是直流。mIdqABC交流電機(jī)之所以難分析、難控制，就是因?yàn)槲覀兠鎸?duì)的是交流量，不僅僅要考慮物理量的大小關(guān)系，而且還要考慮相位關(guān)系。j1122cosMmTCIMaTCI如

12、果通過選擇合適的參考坐標(biāo)系，將交流量的復(fù)雜關(guān)系變成直流量的簡(jiǎn)單的大小關(guān)系，對(duì)于分析交流電機(jī)的運(yùn)行及對(duì)其進(jìn)行控制，甚至對(duì)于整個(gè)電氣領(lǐng)域的其它問題的分析都是很有意義的。實(shí)際上，一百多年以前，這一思路及理論分析就已成熟。將ABC坐標(biāo)系中的正弦量，先變換成坐標(biāo)系下的量(Clarke變換或3S/2S變換或3/2變換)，再變換成dq坐標(biāo)系下的量(PARK變換或3S/2r變換或同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換），進(jìn)行分析計(jì)算，最后得到的結(jié)果再經(jīng)過反變換，變換到ABC坐標(biāo)系中的量。變換過程中，統(tǒng)一時(shí)間相量是紐帶。直軸電樞電流對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的貢獻(xiàn)BCBYCZId在A軸上的投影為0，此時(shí)盡管A相導(dǎo)體處于磁密最大位置，但不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩

13、。Id在B、C軸上的投影為不為0，但產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩之和為零。是不是意味著對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩沒有貢獻(xiàn)？直軸電樞電流不直接產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，但影響磁場(chǎng)，通過影響磁場(chǎng)影響電磁轉(zhuǎn)矩。直軸電樞電流與勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)方向相同，起助磁作用。如果主磁路不飽和，磁密增大，在相同交軸電流情況下，電磁轉(zhuǎn)矩增大。但如果主磁路已接近飽和，磁密增加很小，直軸電流對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩貢獻(xiàn)很小。BCBYCZ交軸電樞反應(yīng)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的貢獻(xiàn)此時(shí)，電機(jī)吸收還是發(fā)出無功？助磁，肯定是從電網(wǎng)吸收無功；關(guān)聯(lián)參考方向下的電流滯后于電壓降。0E0E電機(jī)從電網(wǎng)吸收無功，也吸收有功。0E三、電樞電流超前于勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)一個(gè)銳角時(shí)的電樞反應(yīng)交軸電樞反應(yīng)與前面一樣，助磁，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)性

14、質(zhì)電磁轉(zhuǎn)矩。直軸電樞反應(yīng)起去磁作用，盡管不直接產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，但它的去磁作用會(huì)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生間接影響。去磁，應(yīng)向電網(wǎng)發(fā)出無功，從圖中也可以看出。當(dāng)電樞電流與勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)之間的夾角為銳角時(shí)，電樞磁動(dòng)勢(shì)超前于勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)，電機(jī)交軸電樞電流產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)性質(zhì)電磁轉(zhuǎn)矩，電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)。何時(shí)處于發(fā)電狀態(tài)？當(dāng)電樞電流與勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)之間的夾角為鈍角時(shí)，電樞磁動(dòng)勢(shì)滯后于勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)，電機(jī)交軸電樞電流將產(chǎn)生制動(dòng)性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)。四、雙反應(yīng)理論氣隙磁動(dòng)勢(shì)是由電樞磁動(dòng)勢(shì)與勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)的合成，當(dāng)電機(jī)為隱極，氣隙均勻，若不計(jì)飽和，可根據(jù)氣隙磁動(dòng)勢(shì)求出氣隙磁場(chǎng)的分布。FH00FBH當(dāng)電機(jī)為凸極，氣隙不均勻，無法用解析表達(dá)

15、式來求解。雙反應(yīng)理論應(yīng)運(yùn)而生。利用合成磁動(dòng)勢(shì)的方法走不通，在不計(jì)磁路飽和的情況下，先把交直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)及勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)各自形成的磁場(chǎng)分別求出來，然后把我們所關(guān)心的基波基波磁場(chǎng)的效果進(jìn)行疊加。這種分別計(jì)算交軸和直軸電樞反應(yīng)的方法，就是雙反應(yīng)理論。類似于電路中的疊加原理。課堂練習(xí)：6-1，6-3，6-5作業(yè)：6-4，6-3 同步電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)平衡方程式、同步電抗和相量圖一、隱極同步電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)平衡方程式、同步電抗和相量圖不計(jì)磁路飽和，可分別計(jì)算勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的磁場(chǎng)及磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；考慮飽和，應(yīng)先進(jìn)行磁動(dòng)勢(shì)合成，再求出相應(yīng)的氣隙合成磁通和氣隙電動(dòng)勢(shì)。fII1fFaFaaEEE0E0F電壓平衡方程

16、式0EaaaRIEERIEEEU0EjIX 與 參考方向相反EI等效電路非常簡(jiǎn)單，但還不夠理想，因?yàn)闅庀峨妱?dòng)勢(shì)與電流有一部分關(guān)系，最好能用電流表示。0aEEEaRXIEUaaaEFI UI0EtXXa為電樞反應(yīng)電抗，相當(dāng)于感應(yīng)電機(jī)的勵(lì)磁電抗，當(dāng)磁路不飽和時(shí)，Xa為常數(shù)。000aaaaatUEEEIREIRjI XjI XEIRjI XXt為隱極同步電機(jī)的同步電抗taXXX大容量的同步電機(jī)，電樞電阻很小，一般不計(jì)，等效電路可簡(jiǎn)化。不計(jì)鐵耗， 與 同相位， 與 同相位， 與 符合左手螺旋關(guān)系， 超前 90度電角度，即超前 90度電角度。aaFaFIaEaaaEIIaFaaEaaaEjI X0aUE

17、jI XjI X0aEU jI XjI X 已知： 、 、 和Ra、Xa、X。UIcos0aEEjI XU jI X 1afFFF注意：(1). 角度的定義與它們之間的關(guān)系 為電樞電流與勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)之間的夾角端電壓與電樞電流之間夾角為功率因數(shù)角 ，氣隙電動(dòng)勢(shì)與電樞電流之間的夾角為內(nèi)功率因數(shù)角 。 i端電壓與勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)之間夾角為功率角 ，氣隙電動(dòng)勢(shì)與勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)之間的夾角為內(nèi)功率角 。 iii不是簡(jiǎn)單的角度相加，要根據(jù)相應(yīng)的關(guān)系判斷角度的正負(fù)。(2). 各量在dq軸投影之間的關(guān)系0cossintUIXE0cosdtUI XEsincostqtUIXI X(3). 多個(gè)直角三角形共底邊0coscosc

18、osiEEU二、凸極同步電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)平衡方程式、同步電抗和相量圖磁路不飽和時(shí)，根據(jù)雙反應(yīng)理論，可分別求出交、直軸勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)及它們分別產(chǎn)生的基波磁通和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，將感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行疊加。正方向的規(guī)定如圖所示，電流與由其產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)符合右手螺旋關(guān)系。.0adaqaUEEEEI RdadadaddaqaqaqqEFIEFI 不計(jì)鐵耗， 與 同相位， 與 同相位， 與 符合左手螺旋關(guān)系， 超前 90度電角度，即超前 90度電角度。adadFadFdIadEadadadEdIaddadaqqaqEj IXEj I XIadFadadEdIqIq同理， 超前于 90度電角度。aqEqIaqEXad為直軸電

19、樞反應(yīng)電抗，Xaq為交軸電樞反應(yīng)電抗。電抗與哪些量有關(guān)系？頻率、磁路的磁導(dǎo)、匝數(shù)課堂練習(xí)：6-7直軸磁路的氣隙小，磁阻小，故直軸電樞反應(yīng)電抗比交軸電樞反應(yīng)電抗大。.00000()()adaqdqaadaqadqadaqadqdqdqadqUEEEEI REj IXj I Xj I XI REj IXXj IXXI REj IXj I XI REj IXj I XdadXXX為凸極同步電機(jī)的直軸同步電抗qaqXXX為凸極同步電機(jī)的交軸同步電抗對(duì)于隱極同步電機(jī)，氣隙均勻，電樞電流不需要分解成直軸和交軸，同步電抗也相等。已知： 、 、 和Ra、Xd、 Xq、X，畫相量圖。UIcos.0dqdqUEj

20、 IXj IX 已知，但 和 未知，無法直接求 IdIqI0E如何才能求出兩個(gè)電流分量？最好能知道dq軸與電流之間的夾角，d軸與勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)及勵(lì)磁磁通重合，而勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)則與q軸重合。有沒有其它物理量與dq軸重合？.000()()dqdqdddqdqqddqqUEj IXj IXEj IXj IIXj IXEj IXXj I X.0()dQqdqUj I XEj IXXE.0()dQqdqUj I XEj IXXE 在交軸上， 也在交軸上，所以 也在交軸上，則電樞電流與交軸的相位關(guān)系可以確定，交直軸電流也可求出。0E()ddqj IXX.QqUj I XE0()QddqdqdqEEj IXXUj

21、IXj IX注意：(1). 角度的定義與它們之間的關(guān)系端電壓與電樞電流之間夾角為功率因數(shù)角 ，氣隙電動(dòng)勢(shì)與電樞電流之間的夾角為內(nèi)功率因數(shù)角 。 i端電壓與勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)之間夾角為功率角 ，氣隙電動(dòng)勢(shì)與勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)之間的夾角為內(nèi)功率角 。 i課堂練習(xí)：6-14、9(2). 各量在dq軸投影之間的關(guān)系ii 為電樞電流與勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)之間的夾角(3). 直角三角形之間的關(guān)系不是簡(jiǎn)單的角度相加，要根據(jù)相應(yīng)的關(guān)系判斷角度的正負(fù)。0cossindUIXE0cosddUI XEsincosqqqUIXI X0()QddqEIXXEcoscoscosQiEEUdqQE0EIUaIRjIXqjIXdjIXiiEsinar

22、ctancosqaUIXUIR6-4 同步電動(dòng)機(jī)的功角特性、矩角特性和有功功率調(diào)節(jié)同步電機(jī)跟直流電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)的不同之處是，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，它的轉(zhuǎn)速始終是同步速不變，而是氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和勵(lì)磁磁場(chǎng)的夾角即內(nèi)功率角發(fā)生變化。對(duì)于同步電機(jī)，輸出功率及轉(zhuǎn)矩與內(nèi)功率角的關(guān)系很重要。忽略定子漏阻抗上的壓降，內(nèi)功率角即為功率角。一、功角特性與矩角特性電磁功率PM與功角之間的關(guān)系 稱為功角特性( )MPf電磁轉(zhuǎn)矩T與功角之間的關(guān)系 稱為矩角特性( )Tf電磁功率PM與電磁轉(zhuǎn)矩T有何關(guān)系？1MPT從等效電路上看，電網(wǎng)的輸入功率，除了定子銅耗之外，絕大部分通過電磁感應(yīng)作用傳遞到轉(zhuǎn)子上，這部分功率就是電磁功率PM。co

23、sMiPmE IaRXIEU 為內(nèi)功率因數(shù)角idqQE0EIUaIRjIXqjIXdjIXiiEcoscosiQEE0()QddqEEIXX0coscoscos()MiQdqdqPmE ImE ImE ImI IXX對(duì)于隱極電機(jī)，Xd=Xq=Xt00coscosMiqPmE ImE ImE I隱極同步電機(jī)的電磁功率只與q軸電流有關(guān)。如忽略電樞電阻Ra及其損耗1coscoscos()coscossinsincossinMiqdPmE ImUIPmUImUImUImUImUI0cosddUI XEsincosqqqUIXI X0cosddEUIXsinqqUIX02020cossincossinc

24、ossin11()sincossin111()sin2sin2MqdqdqddqddPmUImUIEUUmUmUXXE UmUmXXXE UmUmXXX 基本電磁功率MP 附加電磁功率MP隱極電機(jī)，只有基本電磁功率。2011111sin()sin22MdqdE UPmUTmXXX 基本電磁轉(zhuǎn)矩T 附加電磁轉(zhuǎn)矩、磁阻轉(zhuǎn)矩、反應(yīng)轉(zhuǎn)矩T隱極同步電機(jī)，只有基本電磁轉(zhuǎn)矩01sintE UTmX當(dāng)U和E0不變時(shí)PM和T 的大小只取決于角。故將PM =f()和T= f() 分別稱為功角特性和矩角特性，簡(jiǎn)稱為功（矩）角特性。凸極同步電機(jī)在E0=0，即If=0時(shí)，仍然有附加的磁阻轉(zhuǎn)矩存在，有一些小功率的同步電機(jī)

25、利用這一特點(diǎn)，轉(zhuǎn)子省去勵(lì)磁繞組，利用磁阻轉(zhuǎn)矩進(jìn)行工作。這一類電機(jī)稱為磁阻同步電動(dòng)機(jī)或反應(yīng)式同步電動(dòng)機(jī)。功率角是同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的一個(gè)重要參數(shù)，當(dāng)角為正時(shí)，電機(jī)運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)，U超前于E0，即氣隙合成磁場(chǎng)超前于轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)。當(dāng)角為負(fù)時(shí)，表示電機(jī)運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)，U滯后于E0，氣隙合成磁場(chǎng)滯后于轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)。i內(nèi)功率角 即為 與 ，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì) 與氣隙合成磁動(dòng)勢(shì) 之間的夾角。i0EE1fFF當(dāng)忽略定子電阻和漏抗aEjIXIRUEUi轉(zhuǎn)矩平衡方程式：02zTTTT課堂練習(xí)：6-12，6-13，6-16若： ，則電樞中只有直軸電流。二、有功功率的調(diào)節(jié)和靜態(tài)穩(wěn)定UI0EtX同步電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行且不計(jì)損耗00

26、T 0MP 0EUE0U時(shí)，電樞電流是助磁還是去磁？E0U呢？0( )zzTnTTTTf同步電動(dòng)機(jī)的有功功率調(diào)節(jié)，取決于總的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化，電動(dòng)機(jī)會(huì)自動(dòng)改變角，調(diào)整從電網(wǎng)吸收的有功功率，以達(dá)到新的功率和轉(zhuǎn)矩平衡。對(duì)于隱極同步電動(dòng)機(jī)，當(dāng)=90度時(shí)，有最大的電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩，分別稱為隱極同步電機(jī)的極限功率和極限轉(zhuǎn)矩。0maxMtE UPmX0max1tE UTmX過載能力maxmaxMMNNTPTP隱極同步電機(jī)增大氣隙，使Xt減小(仍保持氣隙磁通不變）或增大勵(lì)磁使感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)增大，可提高過載能力。凸極同步電機(jī)附加轉(zhuǎn)矩的存在，使得其過載能力較隱極的大。AB負(fù)載轉(zhuǎn)矩或電網(wǎng)發(fā)生微小擾動(dòng)時(shí)，當(dāng)擾動(dòng)消失后能

27、否回復(fù)到原來的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，或在負(fù)載變化后能否達(dá)到新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，如能回復(fù)或達(dá)到，就是靜態(tài)穩(wěn)定，否則，就是不穩(wěn)定。運(yùn)行于A點(diǎn)，負(fù)載增大，功率角增大，電磁轉(zhuǎn)矩增大，從而達(dá)到新的平衡。穩(wěn)定。運(yùn)行于B點(diǎn)，負(fù)載增大，功率角增大，電磁轉(zhuǎn)矩減小，不能達(dá)到新的平衡。不穩(wěn)定。靜態(tài)穩(wěn)定的條件為：0dTd0MdPd或0dTd0MdPd當(dāng)時(shí)，稱為靜態(tài)穩(wěn)定極限。或通常用比整步轉(zhuǎn)矩和比整步功率來表示同步電動(dòng)機(jī)抗干擾能力的強(qiáng)弱。MsyndPPdsyndTTd實(shí)際上是矩角與功角特性曲線的斜率。對(duì)于隱極同步電機(jī)01cossyntE UdTTmdX0cosMsyntE UdPPmdX穩(wěn)定運(yùn)行能力下降0/2 ，syssysTP

28、對(duì)于凸極同步電機(jī)201111cos()cos2syndqdE UdTUTmmdXXX2011cos()cos2MsyndqdE UdPPmmUdXXX0MdPd0dTd和lim2t的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的在功率角小于45度時(shí)，在相同的功率角下，凸極同步電機(jī)的比整步轉(zhuǎn)矩和比整步功率較隱極同步電機(jī)大。凸極同步電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行的功率角范圍較隱極同步電機(jī)小。過載能力較隱極的大，同步電動(dòng)機(jī)大都做成凸極式。課堂練習(xí)：6-196-5 同步電動(dòng)機(jī)的無功功率調(diào)節(jié)同步電機(jī)的一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)就是可以調(diào)節(jié)從電網(wǎng)吸收的無功功率。當(dāng)同步電機(jī)的電樞電流超前于勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)一個(gè)銳角時(shí)，即直軸電樞反應(yīng)是去磁時(shí)，電機(jī)向電網(wǎng)發(fā)出感性(滯后)無功或從電網(wǎng)

29、吸收容性(超前)無功?？梢岳眠@一特點(diǎn)，來進(jìn)行無功補(bǔ)償。無功補(bǔ)償裝置應(yīng)裝在電站附近還是裝在用戶附近？課后6-22。如何來調(diào)節(jié)同步電機(jī)的無功功率？電樞電流？端電壓？Xt？E0？UI0EtX電樞電流是結(jié)果，端電壓是電網(wǎng)電壓，同步電抗是電機(jī)參數(shù)，不可調(diào)。只有E0可調(diào)。調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流即可調(diào)節(jié)E0。轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流對(duì)電樞電流有何影響？一、無功功率調(diào)節(jié)：電網(wǎng)電壓不變，氣隙電動(dòng)勢(shì)近似不變，氣隙磁場(chǎng)近似不變，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流變化，有改變氣隙磁場(chǎng)的趨勢(shì)，電樞電流會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化來阻止氣隙磁場(chǎng)的改變。從而改變從電網(wǎng)吸收的無功功率。UaRXaXE0E恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，不計(jì)定子銅耗1cosMPPmUI0011sinsinttE

30、UUTmmEXX常數(shù)常數(shù)當(dāng)磁路不飽和時(shí)01ffEFI最小的E0對(duì)應(yīng)的是功角為90度時(shí)。此時(shí)處于靜態(tài)穩(wěn)定極限。當(dāng)勵(lì)磁電流大于正常勵(lì)磁電流時(shí)，稱為過勵(lì)，小于正常勵(lì)磁電流時(shí)，稱為欠勵(lì)。過勵(lì)時(shí)，需電樞反應(yīng)去磁，向電網(wǎng)發(fā)出無功。欠勵(lì)時(shí)，需電樞反應(yīng)助磁，從電網(wǎng)吸收無功。過勵(lì)欠勵(lì)當(dāng)=0，cos=1，電機(jī)只從電網(wǎng)吸收有功，而不吸收無功，定子電流因無無功分量而最小，此時(shí)勵(lì)磁狀態(tài)稱為正常勵(lì)磁。0, cos1二、V形曲線在保持負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tz和電機(jī)端電壓U不變的條件下，改變If測(cè)出對(duì)應(yīng)的電樞電流I，將I=f(If)畫出，得到同步電動(dòng)機(jī)的V形曲線。對(duì)應(yīng)每一恒定電磁轉(zhuǎn)矩，都可以作出一條V形曲線。特點(diǎn)：(1)隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大，

31、曲線向上移動(dòng)。(2)每條曲線最低點(diǎn)，cos=1。為什么？1cosMPPmUI相同負(fù)載轉(zhuǎn)矩和端電壓情況下，此時(shí)定子電流最小。把不同轉(zhuǎn)矩下功率因數(shù)為1的點(diǎn)連起來，得到一條向右傾斜的曲線。在這條曲線上對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁為正常勵(lì)磁。而在曲線的右邊為過勵(lì)，超前，左邊為欠勵(lì)，滯后。在欠勵(lì)區(qū)，=90度所對(duì)應(yīng)的虛線為靜態(tài)穩(wěn)定極限。為何向右傾斜？意味著隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩的增大，要保證功率因數(shù)為1，勵(lì)磁電流要增大。0220cos1()ftTIEIEUIX(3)If不變，僅改變負(fù)載轉(zhuǎn)矩，這時(shí)電機(jī)吸收的有功功率、無功功率、功率因數(shù)、功率角都隨之改變。增大負(fù)載轉(zhuǎn)矩，它們將如何變化？E0不變，有功功率和功角都增大。11MPTP 01si

32、ntE UTmX功率因數(shù)如何變化？課后6-17。U0EtjIXI過勵(lì)時(shí)，先增大，后減小，由超前變?yōu)闇?。欠?lì)時(shí)，先增大，后減小，均為滯后。U0EtjIXI端電壓不變，勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)相量大小不變，但與的夾角增大。(4)為了改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，提高過載能力和運(yùn)行的穩(wěn)定性，同步電動(dòng)機(jī)大都運(yùn)行在過勵(lì)狀態(tài)，即功率因數(shù)超前。額定功率因數(shù)多設(shè)計(jì)為0.8(超前)或1。不帶機(jī)械負(fù)載運(yùn)行于空載狀態(tài)，專門用來改善電網(wǎng)功率因數(shù)的同步電動(dòng)機(jī)，稱為同步調(diào)相機(jī)或同步補(bǔ)償機(jī)。例：6-1 第一問。課堂練習(xí)：6-206-6 同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速即轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速與定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速不相等時(shí)，功率角將隨時(shí)間變化而變化，以兩極電機(jī)空載起動(dòng)

33、為例：10()t 2010101111sin()()sin2()22dqdE UUTmtmtXXX zdJTTTdt001001120101111(coscos()()111()(cos 2cos2()2)2()tdqdE UTdtmtJJXUmtJXX 電機(jī)轉(zhuǎn)速始終在零速附近脈振，升不起來。同步電動(dòng)機(jī)不能依靠同步轉(zhuǎn)矩起動(dòng)，必須借助其它起動(dòng)方法。一、起動(dòng)方法輔助電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、變頻起動(dòng)、異步起動(dòng)輔助電動(dòng)機(jī)起動(dòng)：選用極數(shù)與同步電動(dòng)機(jī)相同，功率為主機(jī)功率的（1015）%的異步電動(dòng)機(jī)，將主機(jī)拖動(dòng)到接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，將同步電動(dòng)機(jī)接入電網(wǎng)，同步電機(jī)利用自同步法進(jìn)入同步運(yùn)行。再卸掉異步電動(dòng)機(jī)。只適用于同步電動(dòng)機(jī)

34、的空載起動(dòng)空載起動(dòng)。變頻起動(dòng)：采用變頻電源，起動(dòng)頻率很低，利用同步電磁轉(zhuǎn)矩將電動(dòng)機(jī)起動(dòng)起來，逐漸升高頻率，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將隨定子轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速的升高而同步地上升，直到額定頻率。必須采用變頻電源，且勵(lì)磁機(jī)為非同軸的。異步起動(dòng)：利用阻尼繞組作為起動(dòng)繞組，產(chǎn)生異步電磁轉(zhuǎn)矩將電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，等電機(jī)的轉(zhuǎn)速升到接近同步速，再接入勵(lì)磁，利用同步轉(zhuǎn)矩將轉(zhuǎn)子牽入同步。二、異步起動(dòng)過程(1)異步起動(dòng)時(shí)，勵(lì)磁繞組切忌開路勵(lì)磁繞組切忌開路，否則因轉(zhuǎn)差率很大，勵(lì)磁繞組匝數(shù)又多，將在其中感應(yīng)出危險(xiǎn)的高電壓，使勵(lì)磁繞組擊穿或引起人身事故。(2)勵(lì)磁繞組也不能直接短路勵(lì)磁繞組也不能直接短路，否則勵(lì)磁繞組(相當(dāng)于集中的單相繞組)中感應(yīng)電流較大，與氣隙磁場(chǎng)相作用，將會(huì)產(chǎn)生較大的單軸轉(zhuǎn)矩，使合成轉(zhuǎn)矩特性曲線在n=0.5n1附近產(chǎn)生明顯的凹陷，使電動(dòng)機(jī)在異步起動(dòng)過程中卡在附近而不能繼續(xù)升速。單軸轉(zhuǎn)矩阻尼繞組的異步轉(zhuǎn)矩合成轉(zhuǎn)矩改善后名義牽入轉(zhuǎn)矩起動(dòng)轉(zhuǎn)矩B+轉(zhuǎn)矩B-轉(zhuǎn)矩B合成轉(zhuǎn)矩