電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)第八章

第8章同步電動(dòng)機(jī)8.1同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理8.1.1同步電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)同步電機(jī)同交流感應(yīng)電機(jī)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(lì)磁繞組，通入直流勵(lì)磁電流，產(chǎn)生磁場(chǎng)。同步電機(jī)分為發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和補(bǔ)償機(jī)。同步電機(jī)的定子也稱為電樞，其構(gòu)造與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)一樣，包括定子鐵芯、三相電樞繞組、機(jī)座和端蓋等部件。21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利★同步電機(jī)的定子鐵芯是由硅鋼片沖壓后疊裝而成的?！锎笮屯诫姍C(jī)沖片外圓的直徑大于1m時(shí)，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(jī)定子繞組電壓較低，如400V;★大型同步電機(jī)定子繞組電壓較高，因此它對(duì)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(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利電機(jī)的機(jī)座用于支撐定子鐵芯，固定定子繞組，同時(shí)，它也是電機(jī)磁路的一部分。中小型同步電動(dòng)機(jī)的機(jī)座、端蓋和異步電機(jī)一樣；大型同步電機(jī)的機(jī)座常由鋼板焊接而成，其結(jié)構(gòu)形式與采用的通風(fēng)系統(tǒng)有直接關(guān)系。21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利2.轉(zhuǎn)子同步電機(jī)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(lì)磁產(chǎn)生磁通，其磁通對(duì)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(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利磁極的鐵芯上放置集中的勵(lì)磁繞組。整個(gè)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(jī)中稱為阻尼繞組，在電動(dòng)機(jī)中稱為起動(dòng)繞組。圖8-5所示為同步電機(jī)轉(zhuǎn)子上的阻尼繞組的結(jié)構(gòu)形式。21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利21世紀(jì)高等學(xué)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(lì)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(diǎn)是制造方便，缺點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度較差，因此多用在離心力較小、轉(zhuǎn)速較低的電機(jī)中，如水輪發(fā)電機(jī)。水輪發(fā)電機(jī)極數(shù)較多、轉(zhuǎn)速較慢、軸向較短、徑向較長(zhǎng)。21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利隱極式轉(zhuǎn)子的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)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(jī)中，如氣輪發(fā)電機(jī)。氣輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速較高、離心力較大、軸向較長(zhǎng)、徑向較短，因此多采用隱極結(jié)構(gòu)。21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利3.

冷卻問題介紹

在中、小型電機(jī)中，都采用空氣作為冷卻介質(zhì)。當(dāng)空氣從電機(jī)內(nèi)部流過時(shí)，將電機(jī)產(chǎn)生的熱量帶走。當(dāng)電機(jī)的容量很大時(shí)，電機(jī)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(shí)必須加強(qiáng)通風(fēng)或采用其他的冷卻方式，否則電機(jī)的出力將受到限制，制造容量也不可能很大。21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利在大型氣輪發(fā)電機(jī)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?yàn)闅錃獾谋戎乇瓤諝庑?，所以在旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的摩擦損耗大為減小；同時(shí)，氫氣的導(dǎo)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(jī)的通風(fēng)損耗及溫升，發(fā)電機(jī)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(xiǎn)，因此必須有一套控制設(shè)備來保護(hù)外界空氣不會(huì)滲入到電機(jī)內(nèi)部。21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利目前，在更大容量的發(fā)電機(jī)中，可以采用導(dǎo)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(dǎo)體，如圖8-6所示，冷卻介質(zhì)直接在導(dǎo)體中流通，從而把熱量帶走，這樣能更有效地降低電機(jī)的溫升。采用的冷卻介質(zhì)一般有氫氣及水。21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利4.同步電機(jī)的額定值（1）額定電壓UN是指在正常運(yùn)行時(shí)，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(yùn)行時(shí)，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(yùn)行時(shí)，電機(jī)的輸出功率。對(duì)于發(fā)電機(jī)是指輸出的電功率；對(duì)于電動(dòng)機(jī)是指輸出的機(jī)械功率。21世紀(jì)高等學(xué)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(jī)電動(dòng)機(jī)PN的單位為kW（4）相數(shù)m，一般m=3。（5）額定頻率fN，我國(guó)額定工業(yè)頻率規(guī)定fN=50Hz。21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利（6）額定轉(zhuǎn)速nN為電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，當(dāng)極數(shù)及頻率一定時(shí)，其轉(zhuǎn)速是定值，即（7）國(guó)產(chǎn)同步電動(dòng)機(jī)的型號(hào)如TD118/41-6,其含義為21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利8.2

同步電動(dòng)機(jī)的工作原理同步電機(jī)也是一種交流電機(jī),按運(yùn)行方式和功率傳遞關(guān)系,分為同步發(fā)電機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)兩種。同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速保持著嚴(yán)格的相等關(guān)系，所以稱為同步電動(dòng)機(jī)。

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

8.3同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性

8.3.1同步電動(dòng)機(jī)定子電壓方程1．同步電動(dòng)機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，其氣隙內(nèi)存在著電樞磁動(dòng)勢(shì)?a和勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)?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(duì)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(jì)高等學(xué)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(rèn)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(gè)以感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(gè)電動(dòng)勢(shì)根據(jù)基爾霍夫定律一起考慮。21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利在同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)?0是不變的（不調(diào)節(jié)時(shí)），而電樞磁動(dòng)勢(shì)?a則隨軸上負(fù)載的變化而變化，如同直流電動(dòng)機(jī)的電樞磁動(dòng)勢(shì)隨軸上負(fù)載而改變一樣。因此，在分析同步電動(dòng)機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)時(shí)，將轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)?0作為主磁場(chǎng)，并將坐標(biāo)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(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)?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(dòng)勢(shì)?0。電樞磁動(dòng)勢(shì)?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(fù)載大小決定，因此在不同的負(fù)載下，?a和?0空間相位不同。也就是說，?a相對(duì)于?0的空間位置不同。21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利對(duì)于隱極式同步電動(dòng)機(jī)來說，由于氣隙均勻，在相對(duì)于轉(zhuǎn)子d軸的不同位置處，通過時(shí)磁路磁阻可認(rèn)為是相同的，因此不存在分析上的困難。對(duì)于凸極式同步電動(dòng)機(jī)來說，由于氣隙不均勻，因此相對(duì)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(dòng)機(jī)的電磁關(guān)系帶來了困難。因此，凸極式同步電動(dòng)機(jī)采用雙反應(yīng)理論來分析它的電磁關(guān)系。21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利2．凸極式同步電動(dòng)機(jī)的雙反應(yīng)原理把電樞磁動(dòng)勢(shì)?a分解成兩個(gè)量：縱軸電樞磁動(dòng)勢(shì)?ad，作用在縱軸方向上；橫軸電樞磁動(dòng)勢(shì)?aq，作用在橫軸方向上。如圖8—3（a）所示。即21世紀(jì)高等學(xué)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(duì)?ad、?aq來說，它們都是對(duì)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(dòng)機(jī)的磁路特點(diǎn)用矢量分解法處理。如圖8—8（b）（c）所示。21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利由前面的分析可知，電樞磁動(dòng)勢(shì)的大小為縱軸電樞磁動(dòng)勢(shì)?ad為橫軸電樞磁動(dòng)勢(shì)?aq為21世紀(jì)高等學(xué)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(dòng)勢(shì)時(shí)，可直接把電樞電流分解成兩個(gè)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(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利3．凸極同步電動(dòng)機(jī)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(dòng)勢(shì)。勵(lì)磁磁通感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)為?0；感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)用?ad表示；感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)用?aq表示。根據(jù)圖8-9繪出的同步電動(dòng)機(jī)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(jì)高等學(xué)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(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利由于不計(jì)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(shì)E正比于形成它的電流。這樣就可將電動(dòng)勢(shì)表達(dá)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(jì)高等學(xué)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(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利一般情況下，當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)容量較大時(shí)，可以忽略R1。則有（8—4）對(duì)于同一臺(tái)電機(jī)，Xd，Xq都是常數(shù)，它們可以通過計(jì)算或?qū)嶒?yàn)的方法求取。圖為8—10所示為根據(jù)式（8—4）畫出的?領(lǐng)先ù時(shí)的電動(dòng)勢(shì)相量圖。21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利21世紀(jì)高等學(xué)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(dòng)機(jī)的電磁關(guān)系如圖8-11所示。21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利4．隱極同步電動(dòng)機(jī)隱極同步電動(dòng)機(jī)，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(dòng)機(jī)的同步電抗隱極同步電動(dòng)機(jī)同步電壓平衡方程式為（不計(jì)定子每相電阻）（8—5）21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利圖8-12是隱極式電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)相量圖。

21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利

[例8-1]已知一臺(tái)隱極式同步電動(dòng)機(jī)的端電壓標(biāo)么值U*＝1，電流的標(biāo)么值I*＝1，同步電抗的標(biāo)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(dòng)勢(shì)相量圖；（2）E0*，即E0的標(biāo)么值；（3）θ角。21世紀(jì)高等學(xué)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(dòng)勢(shì)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(zhǎng)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(dòng)機(jī)的空載轉(zhuǎn)距；是同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)距。21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利8.3.2同步電動(dòng)機(jī)的功率關(guān)系和轉(zhuǎn)矩在電網(wǎng)中運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)，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(jī)械摩擦損耗pm，余下的機(jī)械功率輸出給負(fù)載，即P2=PT－pFe－

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

pm

21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利圖8-14所示為同步電動(dòng)機(jī)功率流程圖。21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利把式（8－6）等號(hào)兩端同除以同步角速度Ω1，就得到同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式，即式中:是電動(dòng)機(jī)的同步角速度;T2同步電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩；T0同步電動(dòng)機(jī)的空載轉(zhuǎn)矩；同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利[例8－2]已知一臺(tái)三相六極同步電動(dòng)機(jī)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(yùn)行時(shí)輸入定子的電功率P1；（2）額定電流IN；（3）額定運(yùn)行時(shí)的電磁功率PT；（4）額定電磁轉(zhuǎn)矩T。21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利解（1）額定運(yùn)行時(shí)輸出定子的電功率（2）額定電流（３）額定電磁功率

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

21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利8.3.3同步電動(dòng)機(jī)的功角特性和矩角特性１.功角特性同步電動(dòng)機(jī)的功角特性是指在定子電壓、頻率及轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流不變時(shí)，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(dòng)機(jī)的相量圖推導(dǎo)。不計(jì)定子電阻時(shí)，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(jì)高等學(xué)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(jì)高等學(xué)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(lì)磁電動(dòng)勢(shì)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(dāng)θ=900時(shí),PT′為最大，其值為。21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利PT′′為附加電磁功率，它與勵(lì)磁電流IL大小無(wú)關(guān)，是由于參數(shù)Xd≠Xq引起的，即因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)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(shí)，波形如圖8-15曲線2所示，其值為。21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利21世紀(jì)高等學(xué)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dá)式為（8-8）21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利其功角特性如圖8-16所示。當(dāng)θ=900時(shí)，最大電磁功率為2.矩角特性把式（8-7）等號(hào)兩端同乘以機(jī)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(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利凸極同步電動(dòng)機(jī)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(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利對(duì)隱極式同步電動(dòng)機(jī)，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(dāng)θ＝900時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩T最大，其最大值為21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利3.功角的物理意義當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)所加的電壓U及勵(lì)磁電流IL的大小不變時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩T的大小隨功角θ的變化而變化。當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)以同步轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，其電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡。一定的負(fù)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(gè)時(shí)間電角度。21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利它的另一層的含義是，當(dāng)忽略定子繞組的電阻R1和漏抗X1時(shí)，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(dòng)勢(shì)比它所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)在相量圖中應(yīng)超前900電角度。?0是由勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)?L

產(chǎn)生的，

∑?=?a+?0是由合成磁動(dòng)勢(shì)∑?=?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(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利功角θ

也是合成磁動(dòng)勢(shì)∑?在空間超前直流勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)?L的空間電角度。我們把∑?形象地表示為定子等效磁動(dòng)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(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利4.穩(wěn)定運(yùn)行以隱極式同步電動(dòng)機(jī)為例，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T與負(fù)載轉(zhuǎn)矩TZ相平衡時(shí)，從圖8-18中可以看到，對(duì)應(yīng)同一個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩在矩角特性上有兩個(gè)交點(diǎn)A和B，其中交點(diǎn)A是穩(wěn)定工作點(diǎn)，交點(diǎn)B是不穩(wěn)定工作點(diǎn)。下面分析一下同步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的條件。21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利（1）同步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行在θ=0~900范圍內(nèi)。在圖8-18（a）中的A點(diǎn)處工作的電動(dòng)機(jī)其θ=θ1，T=TZ

，轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn)。若負(fù)載轉(zhuǎn)矩突然增大到TZ′，這時(shí)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(dāng)θ增大到θ2時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩T′重新與負(fù)載轉(zhuǎn)矩TZ′相平衡,即T′

=TZ′，轉(zhuǎn)子又以同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行。21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利若負(fù)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(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡，即T=TZ，轉(zhuǎn)子仍以同轉(zhuǎn)速運(yùn)行。所以在00＜θ＜900范圍內(nèi)，同步電動(dòng)機(jī)可以穩(wěn)定工作。

(2)同步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行在θ＝900~1800范圍內(nèi),如圖8-18（b）所示。對(duì)圖8-18（b）中的B點(diǎn)，同步電動(dòng)機(jī)的θ=θ3，T=TZ。由于某種原因，負(fù)載轉(zhuǎn)矩突然增大為TZ′，這時(shí)θ角要加大，21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利如為θ4對(duì)應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩T′比增大了的負(fù)載轉(zhuǎn)矩小，即T′

<TZ′

。動(dòng)轉(zhuǎn)矩是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子繼續(xù)減速，功角θ繼續(xù)增大，工作點(diǎn)偏離B點(diǎn)愈來愈遠(yuǎn)，使轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速偏離同步速，即失去同步而無(wú)法工作；同理，若負(fù)載轉(zhuǎn)矩減小，則轉(zhuǎn)子會(huì)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(dòng)轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子繼續(xù)加速，在900＜θ＜1800為同步電動(dòng)機(jī)的不穩(wěn)定區(qū)。21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利同步電動(dòng)機(jī)所能提供的最大轉(zhuǎn)矩有一個(gè)極限，這個(gè)極限就是θ=900時(shí)的最大電磁轉(zhuǎn)矩,與異步電動(dòng)機(jī)具有最大轉(zhuǎn)矩一樣。不同的是，同步電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩還可以通過勵(lì)磁適當(dāng)調(diào)節(jié)。為了同步電動(dòng)機(jī)能夠安全地帶動(dòng)負(fù)載工作，同時(shí)保證同步電動(dòng)機(jī)的使用壽命，也必須使同步電動(dòng)機(jī)具有一定的過載能力.21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利從這一點(diǎn)考慮，一般隱極式同步電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)，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(dòng)機(jī)額定運(yùn)行的功角還要小些。21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利[例8—3]

已知一臺(tái)隱極式同步電動(dòng)機(jī)，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(dāng)這臺(tái)電機(jī)在額定運(yùn)行，且功率因數(shù)cos

N＝0.9領(lǐng)先時(shí)，求：（1）空載電動(dòng)勢(shì)E0；（2）功角θ；（3）電磁功率PT；（4）過載倍數(shù)λM。21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利解：(1)計(jì)算空載電動(dòng)勢(shì)E0。用標(biāo)么值計(jì)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(jì)算E0的大小。21世紀(jì)高等學(xué)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(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利

（3）電磁功率（4）過載倍數(shù)

21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利

8.3.4

同步電動(dòng)機(jī)無(wú)功功的調(diào)節(jié)和V形曲線1．無(wú)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(dòng)機(jī)、變壓器、電抗器和感應(yīng)電爐等，都是感性負(fù)載，這些設(shè)備從電網(wǎng)吸收滯后的無(wú)功電流，導(dǎo)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(jī)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(jì)高等學(xué)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(dāng)cos

=0.9時(shí)，其傳輸?shù)挠泄β蕿?000kW，無(wú)功功率為4359kvar。當(dāng)cos

=0.7時(shí)，則傳輸?shù)挠泄β首優(yōu)?000kW，無(wú)功功率變?yōu)闉?141kVar。變壓器負(fù)載并無(wú)改變，后者傳輸?shù)挠泄β蕼p少了2000kW。在一定的負(fù)載下，如果無(wú)功電流增加，視在電流將增大，將會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)及輸電線路的電壓降和銅損耗增大。21世紀(jì)高等學(xué)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(jì)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(dòng)機(jī)作為動(dòng)力設(shè)備的機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置來代替異步電動(dòng)機(jī)。同步電動(dòng)機(jī)不僅可以輸出有功功率來帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械工作，還可以通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利1.同步電動(dòng)機(jī)無(wú)功功率的調(diào)節(jié)當(dāng)電網(wǎng)電壓和頻率不變，同步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的有功負(fù)載也保持恒定，而勵(lì)磁電流改變時(shí)，就可以改變電樞電流的大小和相位，即可將電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)為例進(jìn)行介紹。設(shè)磁路不飽和、忽略電樞繞組電阻銅損耗、忽略勵(lì)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(dòng)機(jī)。21世紀(jì)高等學(xué)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(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)化相量圖。調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流時(shí)，保持Icos

不變，即電流的有功分量不變，電樞電流?相量端點(diǎn)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(jì)高等學(xué)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(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利在圖8-20中，當(dāng)電樞電流?與端電壓ù同相位時(shí)，

=0o，cos

=1，表示電動(dòng)機(jī)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(shí)為正常勵(lì)磁狀態(tài)。當(dāng)減小勵(lì)磁電流時(shí)，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(dòng)機(jī)從電網(wǎng)吸收滯后的無(wú)功功率，此時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在“欠勵(lì)”狀態(tài)。21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利（如繼續(xù)減小勵(lì)磁電流，功角θ將接近或超過900，同步電動(dòng)機(jī)就達(dá)到靜態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行極限，甚至進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)而失步）。當(dāng)增加勵(lì)磁電流時(shí)，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(dòng)機(jī)從電網(wǎng)吸收超前的無(wú)功功率，同時(shí)向電網(wǎng)輸出滯后的無(wú)功功率，以供給電網(wǎng)上其他感性負(fù)載的需要，改善了電網(wǎng)的功率因數(shù)，此時(shí)同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在“過勵(lì)”狀態(tài)。21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利2．V形曲線同步電動(dòng)機(jī)在輸出功率恒定、電網(wǎng)電壓不變時(shí)，電樞電流I與勵(lì)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(gè)恒定的負(fù)載都可以做出一條V形曲線，負(fù)載越大曲線的最低點(diǎn)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(diǎn)。cos

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

一臺(tái)隱極式同步電動(dòng)機(jī)，同步電抗的標(biāo)么值Xc*＝1，忽略定子繞組電阻，不考慮磁路的飽和。求：（1）當(dāng)電動(dòng)機(jī)電壓為額定值UN，定子電流為額定值IN，cos

=1時(shí)，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(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流減小了20%，這時(shí)，電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流增加20%，這時(shí)，電動(dòng)機(jī)的定子電流及功率因數(shù)各為多少？21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利解：用標(biāo)么值計(jì)算（1）已知：UN*=1，IN*=1，IN*Xc*＝1×1=1，電勢(shì)相量圖如圖8-22所示。21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利（2）勵(lì)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(lì)磁電流后的E0′*=sinθ′

=IN*Xc*=1，因此

21世紀(jì)高等學(xué)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(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利（3）勵(lì)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(dòng)機(jī)輸出功率不變，因此增加勵(lì)磁電流后的E0′′*sin=IN*Xc*=1，則

21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利所以

21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利8.4

同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)8.4.1同步電動(dòng)機(jī)無(wú)法自行起動(dòng)分析同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是由氣隙合成磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的，只有兩者同步旋轉(zhuǎn)時(shí)才能產(chǎn)生平均的電磁轉(zhuǎn)矩。但是在電動(dòng)機(jī)合閘起動(dòng)的瞬間，雖然加入勵(lì)磁電流，但轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)靜止不動(dòng)，故定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以同步轉(zhuǎn)速對(duì)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，時(shí)而產(chǎn)生拖動(dòng)力，時(shí)而產(chǎn)生制動(dòng)力。平均起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為零，即不能自行起動(dòng)，21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利如圖8-23所示。圖8-23中示出無(wú)平均電磁轉(zhuǎn)矩的原理。圖8-23（a）中，氣隙合成磁場(chǎng)磁極(磁極Nδ)與轉(zhuǎn)子磁極(磁極SL)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，如果n1＞n，則此時(shí)氣隙磁場(chǎng)磁極比轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)得快。如圖8-23所示，轉(zhuǎn)子受負(fù)轉(zhuǎn)矩作用，迫使它逆著氣隙合成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)。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(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)。由此可見，轉(zhuǎn)子受到時(shí)正時(shí)負(fù)的轉(zhuǎn)矩作用，平均電磁轉(zhuǎn)矩為零，因而不能起。21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利氣隙合成磁場(chǎng)磁極與轉(zhuǎn)子磁極有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣隙合成磁場(chǎng)同步角速度Ω1比轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)角速度Ω大，兩者軸線間的夾角即功角θ是時(shí)間的函數(shù)，當(dāng)兩者軸線間起始功角為θ0時(shí)，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(jì)高等學(xué)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(dòng)。21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利8.4.2同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法有三種，即輔助起動(dòng)、異步起動(dòng)和變頻起動(dòng)1.同步電動(dòng)機(jī)的輔助起動(dòng)法用一臺(tái)容量為同步電動(dòng)機(jī)容量的5%－15％、同步轉(zhuǎn)速和同步電動(dòng)機(jī)相同的異步電動(dòng)機(jī)，拖動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)直至其同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，然后通入勵(lì)磁電流，21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利即，利用整步法(在n接近n1時(shí)利用整步轉(zhuǎn)矩)將其投入電網(wǎng)，且切除輔助電動(dòng)機(jī)電源。這種方法僅用于空載起動(dòng)，設(shè)備投資大，操作復(fù)雜。2.同步電動(dòng)機(jī)的異步起動(dòng)法同步電動(dòng)機(jī)的異步起動(dòng)是經(jīng)常使用的起動(dòng)方法。它的原理是，在凸極同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁極上開槽并安裝起動(dòng)繞組，繞組結(jié)構(gòu)和籠型異步電動(dòng)機(jī)的籠型繞組一樣。21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利※當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)定子繞組接到電網(wǎng)時(shí)，因起動(dòng)繞組的作用而產(chǎn)生起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)就自行起動(dòng)?！@個(gè)起動(dòng)過程和異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程完全相同?！?dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升到約95%n1時(shí)，通入勵(lì)磁電流，使轉(zhuǎn)子被定子磁場(chǎng)的磁拉力自動(dòng)牽入同步，并以同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行?！鶊D8-24為同步電動(dòng)機(jī)異步起動(dòng)法原理接線圖。21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利

同步電動(dòng)機(jī)采用異步起動(dòng)法起動(dòng)時(shí)，可在額定電壓下直接起動(dòng)，也可降壓起動(dòng)，如利用YD起動(dòng)、自耦變壓器降壓起動(dòng)或定子串電抗降壓起動(dòng)等。應(yīng)當(dāng)注意的是，同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，勵(lì)磁繞組不能開路，也不能短路。如勵(lì)磁繞組開路，則在低轉(zhuǎn)速時(shí)，即轉(zhuǎn)差率大時(shí)，氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在勵(lì)磁繞組中會(huì)感應(yīng)出較高的電動(dòng)勢(shì)，有可能損壞電機(jī)的絕緣。21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利如勵(lì)磁繞短路，則會(huì)在勵(lì)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(chǎng)，引起脈振磁動(dòng)勢(shì)，導(dǎo)致正向和負(fù)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(shí)際起動(dòng)轉(zhuǎn)矩是起動(dòng)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(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升到約n1/2轉(zhuǎn)速時(shí)便穩(wěn)定運(yùn)行于A點(diǎn)，不能繼續(xù)加速。解決此問題的方法是，起動(dòng)時(shí)，在勵(lì)磁繞組中串入10倍勵(lì)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(dòng)機(jī)就能一直加速至同步轉(zhuǎn)速n1。此時(shí)，應(yīng)切除附加電阻(圖8-24開關(guān)Q2右合)，通入直流勵(lì)磁，電動(dòng)機(jī)自動(dòng)牽入同步，起動(dòng)結(jié)束。21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利3

同步電動(dòng)機(jī)的變頻起動(dòng)法變頻起動(dòng)方法是，在同步電動(dòng)機(jī)開始起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子先加上勵(lì)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(dòng)；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(dá)額定值后，轉(zhuǎn)子也達(dá)額定轉(zhuǎn)速，起動(dòng)完畢。采用此法必須有變頻電源。大型同步電動(dòng)機(jī)采用變頻起動(dòng)方法起動(dòng)的日漸增多。21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利8.5同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為

n=n1=60f1/p從該公式可知，改變同步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dú)立的，變頻裝置的輸出頻率是由速度給定信號(hào)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(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利他控式恒壓頻比的同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)多用于小容量系統(tǒng)場(chǎng)合，如永磁同步電動(dòng)機(jī)、磁阻同步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)軸上所裝轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器來控制變頻裝置的輸出頻率，使定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利（1）負(fù)載換向自控式同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速(無(wú)換向器電動(dòng)機(jī))

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(dòng)機(jī)電流超前電壓的特點(diǎn)，使逆變器的晶閘管工作在自然換流狀態(tài)。國(guó)際上簡(jiǎn)稱這種系統(tǒng)為L(zhǎng)CI(Load

CommutatedInverter)。21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利目前這種系統(tǒng)容量已達(dá)數(shù)萬(wàn)千伏安，電壓達(dá)萬(wàn)伏以上。這種超大容量系統(tǒng)所用同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)為無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)。21世紀(jì)高等學(xué)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)。采用矢量控制后，使系統(tǒng)具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能，廣泛用于軋鋼機(jī)主傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)中。目前，這種系統(tǒng)容量已達(dá)10000kV·A以上，但頻率最高只能達(dá)20Hz，這是系統(tǒng)的不足之處。21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利8.6

永磁同步電動(dòng)機(jī)永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁采用永久磁鐵勵(lì)磁，因此該電動(dòng)機(jī)可省去集電環(huán)、電刷及勵(lì)磁裝置，使結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化。由于無(wú)勵(lì)磁電流，也就無(wú)勵(lì)磁損耗，因此電動(dòng)機(jī)效率較高。在磁性能優(yōu)異的永磁材料尚未面世前，勵(lì)磁不能調(diào)節(jié)，也就限制了該電機(jī)的應(yīng)用。目前，該電動(dòng)機(jī)只用于自動(dòng)化儀表中，且功率很小。21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利自從20世紀(jì)80年代研制出價(jià)格相對(duì)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(jī)已被廣泛用到工業(yè)和民用等各個(gè)領(lǐng)域上。釹鐵硼磁性能很高，室溫下的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br高達(dá)1.47T，磁感應(yīng)矯頑力Hc，可達(dá)992kA／m，最大磁能積高達(dá)397.9kJ/m3，是目前最好的永磁材料。21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，釹鐵硼永磁的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性得到進(jìn)一步改善，價(jià)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(jī)的應(yīng)用中，可以不必進(jìn)行磁場(chǎng)控制而只進(jìn)行電樞控制，加之與微機(jī)控制相結(jié)合，使得稀土永磁電機(jī)及其控制技術(shù)日趨成熟，在國(guó)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(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利稀土永磁電機(jī)單機(jī)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(jī)外徑0.8mm,長(zhǎng)1.2mm。稀土永磁電機(jī)的分支——同步電動(dòng)機(jī)及無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)廣泛用于航空、航天、數(shù)控機(jī)床、加工中心、機(jī)器人、電動(dòng)汽車、家用電器及計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備。我國(guó)已批量生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床用的稀土永磁無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)，其調(diào)速范圍，即最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比值達(dá)10000。

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8.6.1永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特性

1．永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖8-26為永磁同步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)基本相同，矩形波永磁同步電動(dòng)機(jī)采用集中整距繞組，正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)采用分布短距繞組。這種電動(dòng)機(jī)與其他電動(dòng)機(jī)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(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利

2．永磁同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)與電勵(lì)磁凸極式同步電動(dòng)機(jī)有著相似的內(nèi)部電磁關(guān)系，因此，凸極式同步電動(dòng)機(jī)的基本原理、電動(dòng)勢(shì)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(dòng)機(jī)。

21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材張方謝勝利需要注意的是，永