自動化元件-11同步電機(jī)

第五章同步電機(jī)同步電機(jī)轉(zhuǎn)速

和旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速相同：同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)同步電動機(jī)的兩類轉(zhuǎn)子通過直流發(fā)電機(jī)或可控整流器提供直流電源，直流電流通過集電環(huán)和電刷引入轉(zhuǎn)子繞組。1、定子上：三相繞組，空間互差1200電角度，匝數(shù)相等2、轉(zhuǎn)子上：If,由轉(zhuǎn)子N極出來氣隙定子鐵心氣隙轉(zhuǎn)子S極原動機(jī)n逆時針恒速旋轉(zhuǎn)定子上導(dǎo)體切割磁力線產(chǎn)生E同步發(fā)電機(jī)工作原理感應(yīng)電勢e設(shè)沿極面正弦分布，則導(dǎo)體電ec=Bxlv=EcmsinwtBm——正弦波磁通密度最大值則：eA=EcmsinwteB=Ecmsin（wt-1200）

eC=Ecmsin（wt+1200）同步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)電動機(jī)—把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能補(bǔ)償機(jī)—沒有有功功率轉(zhuǎn)換，只發(fā)出或吸收無功功率發(fā)電機(jī)—把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能

同步電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，主要取決于氣隙合成磁場與轉(zhuǎn)子主磁場之間的夾角θ，θ稱為功率角

發(fā)電機(jī)(功率角大于0)電動機(jī)(功率角小于0)補(bǔ)償機(jī)(功率角等于0)同步電動機(jī)的電磁關(guān)系同步電動機(jī)的磁通勢凸極同步電動機(jī)的雙反應(yīng)原理即有即把電樞電流按相量的關(guān)系分解成兩個分量：一個分量是，另一個分量是，其中產(chǎn)生磁動勢；產(chǎn)生磁動勢。根據(jù)“雙反應(yīng)法”，凸極同步電動機(jī)電磁關(guān)系如下：

電磁關(guān)系同步電動機(jī)的電壓平衡方程式

1.凸極同步電動機(jī)的電壓方程不管是勵磁磁通f，還是直軸磁通ad

和交軸磁通aq，都是以同步轉(zhuǎn)速逆時針旋轉(zhuǎn)，因此都要在定子繞組中產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電動勢。根據(jù)同步電動機(jī)定子繞組各電量正方向，可以列出A相回路的電壓方程Rs——定子繞組的相電阻；Xs——定子繞阻的相漏電抗。感應(yīng)電動勢、可以寫成式中Xad——直軸電樞反應(yīng)電抗；

Xaq——交軸電樞反應(yīng)電抗。整理，可得得一般情況下，當(dāng)同步電動機(jī)容量較大時，可忽略電阻R1，于是式中——直軸同步電抗，；

——交軸同步電抗。在一般凸極同步電動機(jī)中，。

2.隱極同步電動機(jī)的電壓方程對于隱極同步電動機(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，即有式中——隱極同步電動機(jī)的同步電抗。這樣，由式可寫出隱極同步電動機(jī)的電壓方程為（9-5）3.同步電動機(jī)相量圖同步電機(jī)作為電動機(jī)運(yùn)行時，電源必須向電機(jī)的定子繞組輸入有功功率，這時輸入電動機(jī)的有功功率P1必須滿足這就是說，定子相電流的有功分量應(yīng)與相電壓同相位。由此可見，與二者之間的功率因數(shù)角必須小于90

，才能使電機(jī)運(yùn)行于電動機(jī)狀態(tài)。隱極同步電動機(jī)的電壓方程式畫出的相量圖在介紹直流電動機(jī)和三相異步電動機(jī)時，都重點(diǎn)分析了對應(yīng)的機(jī)械特性T=?(n)，而同步電動機(jī)由于以同步轉(zhuǎn)速n1轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速不隨轉(zhuǎn)矩變化，其機(jī)械特性為一條直線。在同步電動機(jī)中，功率或轉(zhuǎn)矩是隨功角變化的，所以下面討論功角特性PM=?(θ)和矩角特性T=?(θ)。同步電動機(jī)的功率關(guān)系和矩角特性

同步電動機(jī)的功率方程同步電動機(jī)從電源吸收有功功率P1

，在扣除消耗于定子繞組的銅損耗后，轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶殴β蔖M

，即有從電磁功率PM里再扣除鐵損耗和機(jī)械摩擦損耗后，得到輸出給負(fù)載的機(jī)械功率P2其中，鐵損耗與機(jī)械損耗之和稱為空載損耗P0

，即同步電動機(jī)的功率關(guān)系和矩角特性

同步電動機(jī)的電磁功率與功角特性對于凸極同步電動機(jī)，當(dāng)忽略定子繞組的電阻R1

時，同步電動機(jī)的電磁功率為由凸極同步電動機(jī)的相量圖可見，，于是此外，根據(jù)相量圖可得考慮以上這些關(guān)系，得

接在電網(wǎng)上運(yùn)行的同步電動機(jī)，已知電源電壓U、電源的頻率f1都維持不變，如果保持電動機(jī)的勵磁電流If

不變，則對應(yīng)的電動勢E0

的大小也是常數(shù)，此外電動機(jī)的參數(shù)Xd

、Xq又是已知的常數(shù)，這樣同步電動機(jī)的電磁功率PM

就僅僅是θ的函數(shù)，當(dāng)θ角變化時，電磁功率PM也跟著變化。我們把的關(guān)系定義為同步電動機(jī)的功角特性，由此所繪制出的曲線稱為功角特性曲線。

上式所示凸極同步電動機(jī)的電磁功率PM

中，第一項(xiàng)與勵磁電流If

的大小有關(guān)，稱為勵磁電磁功率。第二項(xiàng)與勵磁電流If

的大小無關(guān)，是由參數(shù)引起的，這部分功率只有凸極同步電動機(jī)才有，而對隱極同步電動機(jī)則不存在，所以該電磁功率稱為凸極電磁功率。第一項(xiàng)勵磁電磁功率是主要的，第二項(xiàng)凸極電磁功率比第一項(xiàng)小得多。

將功率平衡式兩邊同除以Ω，得到同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式中T0——空載轉(zhuǎn)矩。將電磁功率的表達(dá)式代入上式，得到的電磁轉(zhuǎn)矩為

上式說明，在電源電壓Us

、電源的頻率f1、勵磁電流If

都保持不變時，同步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T也僅是θ的函數(shù)。即當(dāng)θ角變化時，電磁轉(zhuǎn)矩T也跟著變化。把的關(guān)系定義為同步電動機(jī)的矩角特性，由此所繪制出的曲線稱為矩角特性曲線。功角特性與矩角特性的表達(dá)式相互之間僅相差一個比例常數(shù)Ω

若是隱極式同步電動機(jī)，因Xd=Xq

，則功角特性和矩角特性的表達(dá)式為穩(wěn)定運(yùn)行下面以隱極同步電動機(jī)為例來討論同步電動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行問題。由圖可見，當(dāng)電動機(jī)拖動負(fù)載運(yùn)行在

=0～90的范圍內(nèi)，電動機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)電動機(jī)拖動負(fù)載運(yùn)行在

=90～180的范圍內(nèi)，電動機(jī)不能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

如果與異步電動機(jī)一樣，將最大電磁轉(zhuǎn)矩Tm與額定電磁轉(zhuǎn)矩TN之比，稱為過載倍數(shù)，用表示。這里

可見，為了滿足過載限制的要求，隱極同步電動機(jī)額定運(yùn)行時，。對于凸極同步電動機(jī)，額定運(yùn)行時的功率角還要小些。當(dāng)負(fù)載改變時，θ角隨之變化，就能使同步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T或電磁功率PM跟著變化，以達(dá)到新的平衡狀態(tài)。在同步電動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時，電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n是嚴(yán)格按照同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，不發(fā)生任何變化。所以，同步電動機(jī)的機(jī)械特性為一條水平的直線。

同步電動機(jī)的功率因數(shù)調(diào)節(jié)當(dāng)同步電動機(jī)接在交流電源上，可以認(rèn)為電源的電壓U以及頻率f1都保持不變。另外，假設(shè)同步電動機(jī)拖動的有功負(fù)載也保持不變，僅改變同步電動機(jī)的勵磁電流If，就能調(diào)節(jié)同步電動機(jī)的功率因數(shù)。為分析方便起見，以隱極同步電動機(jī)為例，并忽略電機(jī)中的各種損耗。假若同步電動機(jī)的負(fù)載保持不變，則電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的輸出轉(zhuǎn)矩T2也不變，如果忽略空載轉(zhuǎn)矩，有?？梢?，當(dāng)T2不變時，可以認(rèn)為電磁轉(zhuǎn)矩T也不變，這說明當(dāng)改變勵磁電流If時，電動勢E0的大小也要跟著改變，以滿足上式的關(guān)系。

當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時，由于同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定不變，所以同步電動機(jī)的輸出功率不變。在忽略電機(jī)中的各種損耗的情況下，同步電動機(jī)的輸入功率與輸出功率相等。于是有

上式的物理意義是：在只改變勵磁電流的情況下，同步電動機(jī)定子繞組中電流的有功分量保持不變由此可畫出隱極同步電動機(jī)在三種不同勵磁電流時的相量圖。在電壓U

不變的條件下，必有

當(dāng)改變同步電動機(jī)的勵磁電流時，能夠改變同步電動機(jī)的功率因數(shù)，這點(diǎn)是三相異步電動機(jī)所不具備的。當(dāng)改變勵磁電流時，同步電動機(jī)功率因數(shù)變化的規(guī)律可以分為三種情況，即正常勵磁狀態(tài)、欠勵狀態(tài)和過勵狀態(tài)。同步電動機(jī)拖動負(fù)載運(yùn)行時，一般要過勵，至少運(yùn)行在正常勵磁狀態(tài)，不要讓它運(yùn)行在欠勵狀態(tài)。同步電動機(jī)的U形曲線同步電動機(jī)的U形曲線是指當(dāng)電源電壓和電源的頻率均為額定值時，在輸出功率不變的條件下，調(diào)節(jié)勵磁電流If

時定子電流I的相應(yīng)變化。以勵磁電流If

為橫座標(biāo)，定子電流I

為縱座標(biāo)，將兩個電流數(shù)值變化關(guān)系繪制成曲線，由于其形狀象英文字母“U”，故稱其為U形曲線。

對每條U形曲線，定子電流有一最小值，這時定子僅從電網(wǎng)吸收有功功率，功率因數(shù)。把這些點(diǎn)連起來，稱為線。它微微向