李發(fā)海電機(jī)與拖動基礎(chǔ)第四版第九章

第九章同步電動機(jī)9.1概述

三相交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速滿足方程式的電機(jī)就稱為同步電機(jī)。由于我國交流電源的頻率恒為50HZ,所以同步機(jī)的轉(zhuǎn)速與極對數(shù)間有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系。

同步電機(jī)主要用作發(fā)電機(jī)。對大功率生產(chǎn)機(jī)械，由于同步電機(jī)比同容量的異步電機(jī)的功率因數(shù)高，并且功率因數(shù)可調(diào)而獲得應(yīng)用。目前小功率永磁同步電動機(jī)也獲得廣泛應(yīng)用。

同步電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與三相異步電機(jī)完全相同；轉(zhuǎn)子有兩種結(jié)構(gòu)，一種是凸極式，轉(zhuǎn)子上裝有磁極，如圖9.1所示，磁極由鋼板疊成或由鑄鋼鑄成。磁極上套有線圈，通電后產(chǎn)生極性，如圖9.1中的N，S極。另一種是隱極式的，即轉(zhuǎn)子是圓柱體，內(nèi)裝有勵(lì)磁繞組，如圖9.2所示，用于大容量、高轉(zhuǎn)速的同步機(jī)。圖9.1凸極同步電動機(jī)圖9.2隱極同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子

同步電機(jī)的電源有兩種，即有勵(lì)磁機(jī)供電或交流電源整流供電，都可方便地調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流。

國產(chǎn)同步電機(jī)的型號如TD118/41-6的含義如下：

常用同步電機(jī)的型號有TD系列、TDK系列、TDZ系列、TDK系列、TDG系列和TDL。

同步電機(jī)的額定數(shù)據(jù)有：額定容量（），額定電壓（），額定電流（），額定功率因數(shù)，額定轉(zhuǎn)速（），額定效率，額定頻率（），額定勵(lì)磁電壓（）和額定勵(lì)磁電流（）。9.2同步電動機(jī)的電磁關(guān)系

9.2.1同步電動機(jī)的磁通勢

將同步機(jī)定子繞組接到三相對稱電源上時(shí)，便產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的電樞磁通勢，用空間矢量表示，設(shè)其作逆時(shí)針以同步速轉(zhuǎn)動。由轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的磁通勢叫勵(lì)磁磁通勢，也是一個(gè)空間矢量，與轉(zhuǎn)子一起逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。下面先分析勵(lì)磁磁通勢單獨(dú)作用的況。

分析前，先假設(shè)轉(zhuǎn)子N極和S極的中心線為縱軸，又稱d軸,與縱軸相距電角度處的軸為橫軸，又稱q軸，見圖9.3。由圖可知作用在縱軸方向，它產(chǎn)生的磁通依縱軸對稱分布，并隨轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)，見圖9.4。圖9.3同步電機(jī)的縱軸與橫軸圖9.4由勵(lì)磁磁通勢單獨(dú)產(chǎn)生的磁通而雖然與同步，但位置卻不同，即不在縱軸上，由于凸極同步機(jī)氣隙很不均勻，無法計(jì)算磁通，故提出雙反應(yīng)原理。

9.2.2凸極同步機(jī)的雙反應(yīng)原理設(shè)電樞磁通勢與勵(lì)磁磁通勢已經(jīng)給定，見圖9.5（a）。由于這兩個(gè)磁通勢相對靜止，可將分成縱軸分量和橫軸分量，即，當(dāng)分別考慮他們的作用時(shí)，他們分別為縱軸和橫軸的對稱磁路，這就給分析問題帶來方便，這種分析問題的方法稱為雙反應(yīng)原理。將單獨(dú)在主磁路里產(chǎn)生的磁通稱縱軸電樞磁通，畫在圖9.5（b）中，將單獨(dú)在主磁路里產(chǎn)生的磁通稱橫軸電樞磁通

畫在圖9.5（c）中，兩者都以同步速逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。圖9.5縱軸與橫軸磁通勢及磁通電樞磁通勢的大小為縱軸磁通勢可寫成橫軸磁通勢可寫成由于三相對稱，只取其一相，則與縱軸和橫軸對應(yīng)的電流可分別表示成與，根據(jù)關(guān)系式可得：

9.2.3凸極同步電動機(jī)電壓平衡方程式

將、、分別在繞組中的感應(yīng)電動勢表示為、和

，根據(jù)圖9.6給定的各電量正方向可立出A相回路的電壓方程式為（9-1）式中，是定子繞組的一相電阻，是定子繞組的一相電抗。

由于磁路線性，落后電角度，故得：同理有：式中為縱軸電樞反應(yīng)電抗，為縱軸電樞反應(yīng)電抗，對同一臺電機(jī)都是數(shù)。

把式（9-2）、式（9-3）代入式（9-1）得：再將代入上式，整理得：圖9.6同步電機(jī)各電量的正方向

（用電動機(jī)慣例）在同步機(jī)容量較大時(shí)可忽略，于是得：

（9-4）式中稱為縱軸同步電抗，稱為橫軸同步抗。由于同步機(jī)作電動機(jī)運(yùn)行，必有，即定子相電流有功分量與相電壓同相位。9.2.4凸極同步電動機(jī)的電動勢相量圖

根據(jù)式（9-4）的關(guān)系式，畫出同步機(jī)運(yùn)行于電動機(jī)狀態(tài)的<的向量圖，見圖9.7。

圖中，與之間的夾角為；與的夾角為；與的夾角為。并且其中，為功率因數(shù)角，為功率角。

綜上所述，凸極同步電動機(jī)的電磁關(guān)系符合圖9.8的思路。

9.2.5隱極同步電動機(jī)

由于隱極同步電動機(jī)氣隙是均勻的，縱軸電抗與橫軸電抗在數(shù)值上是相等的，即式中為隱極同步電動機(jī)的同步電抗。對隱極式同步電動機(jī)，式（9-4）變?yōu)椋?/p>

（9-5）圖9.9是該電動機(jī)的電動勢向量圖。圖9.9隱極式同步電動機(jī)的電動勢向量圖

9.3同步電動機(jī)的功率關(guān)系與矩角特性9.3.1功率關(guān)系

同步電動機(jī)的輸入功率減去定子繞組同耗就是電磁功率，即再從電磁功率中扣除鐵耗和機(jī)械損耗變?yōu)檩敵龅臋C(jī)械功率即（9-6）其中，鐵耗和機(jī)械損耗之和稱為空載損耗，即。圖9.11為同步電動機(jī)的功率流程圖。圖9.11同步電動機(jī)的功率流程圖依據(jù)電磁功率就可算出電磁轉(zhuǎn)矩為：，式中為同步電動機(jī)的角速度。

將式（9-6）等號兩邊都除以，就得到其轉(zhuǎn)矩平衡式，即式中稱為空載轉(zhuǎn)矩。

9.3.2電磁功率

忽略定子電阻，電磁功率為

。由圖9.7中的關(guān)系可得從圖9.7還知綜合上述關(guān)系得將三角函數(shù)式代入上式，整得：

式（9-7）推出了電磁轉(zhuǎn)矩和的關(guān)系。

9.3.3功角特性

電網(wǎng)的電源電壓、頻率通常不變，若保持勵(lì)磁電流也變，則也不變，而，為已知數(shù)，因此與為函數(shù)關(guān)系。我們把的關(guān)系式稱為同步電動機(jī)的功角特性，見圖9.12。圖9.12凸極同步機(jī)的功角、矩角特性式中第一項(xiàng)時(shí)主要的，為勵(lì)磁功率，即，見圖9.12曲線1,。當(dāng)時(shí)，勵(lì)磁功率達(dá)到最大，為第二項(xiàng)為凸極電磁功率，即當(dāng)時(shí)，其值最大，表示為：

與的關(guān)系如圖9.12中的曲線2。曲線3是是合成的總的電磁功率與的關(guān)系。

9.3.4矩角特性

把式（9-7）等號兩邊同除以機(jī)械角速度Ω，得電磁轉(zhuǎn)矩與角的關(guān)系式為將此關(guān)系式也畫在圖9.12中，與矩角特性僅差個(gè)比例尺。而隱極電機(jī)的參數(shù)，于是式（9-7）變?yōu)椋哼@就是隱極電機(jī)的工角特性。

上式兩邊同除以Ω，則得隱極同步機(jī)的矩角特性的關(guān)系式：圖9.13為隱極同步機(jī)的矩角特性。圖9.13隱極同步電動機(jī)的矩角特性在固定勵(lì)磁電流的條件下，隱極1式同步電機(jī)的最大電磁功率與最大電磁轉(zhuǎn)矩分別為：

9.3.5穩(wěn)定運(yùn)行1.當(dāng)電動機(jī)在θ范圍內(nèi)拖動負(fù)載見圖9.14（a），在角時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡即，當(dāng)負(fù)載增到時(shí)，轉(zhuǎn)子減速使θ角增至，與其對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩為，若此時(shí)則電機(jī)繼續(xù)同步運(yùn)行。而當(dāng)負(fù)載又恢復(fù)到圖9.14同步電動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電動機(jī)的θ又恢復(fù)到，所以電動機(jī)能穩(wěn)定運(yùn)行。

2.當(dāng)電機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行在范圍內(nèi)本來電機(jī)運(yùn)行于，見圖9.14（b），此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載相平衡，即，現(xiàn)在負(fù)載突然增至，此時(shí)θ角增至，對應(yīng)電磁轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，即，這樣，θ角繼續(xù)增大，電磁轉(zhuǎn)矩繼續(xù)變小，找不到平衡點(diǎn)，轉(zhuǎn)子失去同步，無法穩(wěn)定運(yùn)行。同步電動機(jī)負(fù)載變化時(shí)，θ角隨之變化，且電磁轉(zhuǎn)矩或電磁功率也隨之變化，而轉(zhuǎn)速始終為同步速，所以同步電機(jī)的機(jī)械特性為一條直線，是硬特性。同步電動機(jī)最大電磁轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比叫過載倍數(shù)，用λ表示，即

θ角有雙重含義。一為與之間的時(shí)間電角度；二為勵(lì)磁磁通勢與與合成磁通間的空間電角度。對應(yīng)，圖9.15等效磁極

近似對應(yīng)著。為等效磁極，拖著轉(zhuǎn)子以同步速旋轉(zhuǎn)，如圖9.15所示。如果轉(zhuǎn)子磁極在前，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)運(yùn)行狀態(tài)，反子為電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。

9.4同步電動機(jī)功率因數(shù)的調(diào)節(jié)

9.4.1同步電動機(jī)功率因數(shù)的調(diào)節(jié)

同步電動機(jī)在電源電壓U、頻率f不變，其有功負(fù)載保持常數(shù)時(shí)，改變其勵(lì)磁電流，就能調(diào)節(jié)它的功率因數(shù)。忽略空載轉(zhuǎn)矩，同步機(jī)負(fù)載不變，可認(rèn)為是電磁轉(zhuǎn)矩不變，即，根據(jù)（9-8）式，有

由于上式中，U、Ω

和都是常數(shù)，則上式可寫成（9-9）同理，負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，可認(rèn)為輸入功率不變，忽略各種損耗后，可認(rèn)為在電壓不變的條件下，必有（9-10）該式表示負(fù)載不變時(shí)，定子邊的有功電流應(yīng)保持不變。根據(jù)（9-9）、（9-10）的條件畫出不同三種不同勵(lì)磁電流對應(yīng)不同電動勢的向量圖，如圖9.17所示。圖中所以由圖可以看出調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流時(shí)，同步電動機(jī)的功率因數(shù)的變化規(guī)律如下：圖9.17同步電動機(jī)機(jī)械負(fù)載不變，僅改變勵(lì)磁電流的電動勢相量圖（1）若勵(lì)磁電流為時(shí)，定子電流與同相，稱為正常勵(lì)磁狀態(tài)，見圖9.17中的，相量。這類似純電阻狀態(tài)，。（2）減小勵(lì)磁電流，稱為欠勵(lì)狀態(tài)，見圖中的和。此時(shí)定子電流落后為角，像電感電阻負(fù)載。（3）增加勵(lì)磁電流，稱為過勵(lì)狀態(tài)，見圖中的和。此時(shí)定子電流超前為，像電容電阻負(fù)載。這是同步電動機(jī)常運(yùn)行的狀態(tài)。可見，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流能改變同步機(jī)的功率因數(shù)，這是異步電動機(jī)辦不到的。

9.4.2U型曲線在圖9.17中，正常勵(lì)磁時(shí)，定子電流最小，過勵(lì)或欠勵(lì)時(shí)，定子電流都會增大，定子電流和勵(lì)磁電流之間的關(guān)系像U字形，故圖9.19同步電動機(jī)U形曲線稱