1、第六章 同步電機中國石油大學(xué)（華東）信控學(xué)院什么是同步電機？同步是相對于異步而言，是指這種電機在正常工作時，電機的轉(zhuǎn)速始終保持同步速不變。而不是像異步電機一樣，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)電機發(fā)出來的。為什么要學(xué)習(xí)同步電機？電勵磁的同步電機可以通過改變勵磁來調(diào)節(jié)功率因數(shù)，可以運行于功率因數(shù)為1的狀態(tài)，甚至可以超前。永磁同步電機不需勵磁，沒有勵磁損耗，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。不足：成本較高，難起動，存在失步問題，永磁存在失磁問題，電勵磁存在滑環(huán)和電刷，可靠性不如感應(yīng)電機。6-1 基本工作原理和結(jié)構(gòu)一、基本工作原理電動機

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

3、1n電樞將機電能量轉(zhuǎn)換的樞紐，稱為電樞。與主磁極相對應(yīng)。直流電機、感應(yīng)電機、同步電機不相同。電樞電流在三相對稱繞組中流通，會不會形成一個旋轉(zhuǎn)磁場？轉(zhuǎn)速如何？轉(zhuǎn)向如何？1n電樞產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁動勢與磁極的勵磁磁動勢以相同的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)，在空間中相對靜止。可以合成。合成氣隙磁動勢也是以同步速旋轉(zhuǎn)，但與旋轉(zhuǎn)磁極所建立的磁動勢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。隱極式是指轉(zhuǎn)子磁極鐵芯表面是個圓，氣隙均勻，而凸極式，則氣隙不均勻。前者轉(zhuǎn)子鐵芯用整塊合金鋼鍛

4、造而成，適用于高轉(zhuǎn)速的汽輪發(fā)電機，軸長，電機外徑小，轉(zhuǎn)子勵磁線圈匝數(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電機穩(wěn)定運行時，轉(zhuǎn)子鐵芯中的主磁通不變。不會產(chǎn)生渦流和磁滯損耗。凸極同步電機的轉(zhuǎn)子由主磁極、磁軛、勵磁繞組、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，防止運行中的振蕩和用作起動繞組。主磁極鐵心的構(gòu)成一般用作水輪發(fā)電機，轉(zhuǎn)速慢，極對數(shù)多，軸短，電機外徑大。三、同步機的額定值(1) 額定容量SN和額定功率PN額定容量SN是指同步發(fā)電機輸出的額定視在功率，單位kVA或MV

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

6、對稱三相電流圓形旋轉(zhuǎn)的基波磁動勢，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)生的磁動勢對氣隙中的主磁場產(chǎn)生的影響。 會改變由主磁極勵磁磁動勢 形成的氣隙磁場的分布，氣隙磁場由 與 合成的氣隙磁動勢建立，與轉(zhuǎn)子勵磁磁動勢所產(chǎn)生的磁場不同，磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢也不同。aFfFaFfF這種負(fù)載時電樞磁動勢對主極基波磁場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)，與電樞磁動勢與勵磁磁動勢在空間中的相對位置有關(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)生的磁動勢符合右手螺旋關(guān)系，磁動勢與磁通方向相同。 與 為關(guān)

7、聯(lián)參考方向；UI感應(yīng)電動勢的正方向與產(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。011101111111114.444.444.444.44wawawwEjf N kEjf N kEjf N kEjf N k對嗎？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)決定于電樞磁動勢基波 的大小及其與勵磁磁動勢基波 在空間中的相對位置。aF1fF在時空矢量圖中，電樞磁動勢矢量 與產(chǎn)生它的電樞電流 同相位，而若不計鐵耗，則基波勵磁磁動勢矢量 與勵磁磁通 同相位，而由勵磁磁通產(chǎn)生的勵磁電動勢 則超前90度電角度。aFI1fF00EaFI1fF00E電樞電流與勵磁電動勢

8、之間的相位差 就決定了電樞磁動勢與勵磁磁動勢在空間中的相對位置。與直流電機相同，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與直流電機不同的是，由于直流電機的主磁極不動，所以，交直軸是不動的，但同步電機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)系則是由它們在空間中的前后關(guān)系決定。一、電樞電流和勵磁電動勢同相位時的電樞反應(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)，dq

9、軸也以相同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，勵磁電動勢同步旋轉(zhuǎn)，且超前于主極磁通90度電角度，始終在交軸上。電樞電流與勵磁電動勢同相位，也是在交軸上，由其產(chǎn)生的電樞磁動勢也在交軸上。電樞反應(yīng)使氣隙合成磁動勢的軸線向前移了一個電角度，幅值有所增加。此時感應(yīng)電動勢瞬時值的方向？電樞電流的瞬時值方向？參考方向相反，相位相同，瞬時值的方向恰好相反。此時電磁轉(zhuǎn)矩的方向及電機的運行狀態(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的乘積的符號確定。交軸電樞電流產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。不計飽和時，直流電機的交軸電樞反應(yīng)是去磁還是助磁？計及飽和呢？不助磁也不去磁，去磁。為什么不計飽和，同步電機的交軸電樞反應(yīng)會助磁

10、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，而同步電機則不是。二、電樞電流滯后于勵磁電動勢一個銳角時的電樞反應(yīng)sincosaadaqadaaqaFFFFFFFsincosdqdqIIIIIII111.35waN kFIp1111sin1.35sin1.35wwadadN kN kFFIIpp1111cos1.35cos1.35wwaqaqN kN kFFIIppIq產(chǎn)生的磁動勢是交軸磁動勢，作用與前面一樣。Id產(chǎn)生的是直軸磁動勢，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是正弦量還是一個固定的常數(shù)（直流量）？常數(shù)（直

11、流量）！三相對稱正弦量每一相的瞬時值可以用一個在復(fù)平面中恒速等幅旋轉(zhuǎn)的統(tǒng)一時間相量在三相參考軸上的投影來表示。因為三相參考軸不正交，所以在三相ABC坐標(biāo)系下描述三相對稱正弦量的統(tǒng)一時間相量在時空矢量圖中的運動，很不方便。通常用兩種直角坐標(biāo)系來描述統(tǒng)一時間相量。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，兩個分量是直流。mIdqABC交流電機之所以難分析、難控制，就是因為我們面對的是交流量，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如果通

12、過選擇合適的參考坐標(biāo)系，將交流量的復(fù)雜關(guān)系變成直流量的簡單的大小關(guān)系，對于分析交流電機的運行及對其進(jìn)行控制，甚至對于整個電氣領(lǐng)域的其它問題的分析都是很有意義的。實際上，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)一時間相量是紐帶。直軸電樞電流對電磁轉(zhuǎn)矩的貢獻(xiàn)BCBYCZId在A軸上的投影為0，此時盡管A相導(dǎo)體處于磁密最大位置，但不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。I

13、d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，通過影響磁場影響電磁轉(zhuǎn)矩。直軸電樞電流與勵磁磁動勢方向相同，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，直軸電流對電磁轉(zhuǎn)矩貢獻(xiàn)很小。BCBYCZ交軸電樞反應(yīng)對電磁轉(zhuǎn)矩的貢獻(xiàn)此時，電機吸收還是發(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電機從電網(wǎng)吸收無功，也吸收有功。0E三、電樞電流超前于勵磁電動勢一個銳角時的電樞反應(yīng)交軸電樞反應(yīng)與前面一樣，助磁，產(chǎn)生驅(qū)動性質(zhì)電

14、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，但它的去磁作用會對電磁轉(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)電樞電流與勵磁電動勢之間的夾角為銳角時，電樞磁動勢超前于勵磁磁動勢，電機交軸電樞電流產(chǎn)生驅(qū)動性質(zhì)電磁轉(zhuǎn)矩，電機處于電動狀態(tài)。何時處于發(fā)電狀態(tài)？當(dāng)電樞電流與勵磁電動勢之間的夾角為鈍角時，電樞磁動勢滯后于勵磁磁動勢，電機交軸電樞電流將產(chǎn)生制動性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩，電機處于發(fā)電狀態(tài)。四、雙反應(yīng)理論氣隙磁動勢是由電樞磁動勢與勵磁磁動勢的合成，當(dāng)電機為隱極，氣隙均勻，若不計飽和，可根據(jù)氣隙磁動勢求出氣隙磁場的分布。FH00FBH當(dāng)電機為凸極，氣隙不均勻，無法用解析表達(dá)式來

15、求解。雙反應(yīng)理論應(yīng)運而生。利用合成磁動勢的方法走不通，在不計磁路飽和的情況下，先把交直軸電樞磁動勢及勵磁磁動勢各自形成的磁場分別求出來，然后把我們所關(guān)心的基波基波磁場的效果進(jìn)行疊加。這種分別計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， 6-4 ， 6-56-3 同步電動機的電動勢平衡方程式、同步電抗和相量圖一、隱極同步電動機的電動勢平衡方程式、同步電抗和相量圖不計磁路飽和，可分別計算勵磁磁動勢產(chǎn)生的磁場及磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢；考慮飽和，應(yīng)先進(jìn)行磁動勢合成，再求出相應(yīng)的氣隙合成磁通和氣隙電動勢。fII1fFaFaaEEE0E0F電壓平衡方程式0

16、EaaaRIEERIEEEU0EjIX 與 參考方向相反EI等效電路非常簡單，但還不夠理想，因為氣隙電動勢與電流有一部分關(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)電機的勵磁電抗，當(dāng)磁路不飽和時，Xa為常數(shù)。000aaaaatUEEEIREIRjI XjI XEIRjI XXt為隱極同步電機的同步電抗taXXX大容量的同步電機，電樞電阻很小，一般不計，等效電路可簡化。不計鐵耗， 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 X0aUEjI

17、 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 為電樞電流與勵磁電動勢之間的夾角端電壓與電樞電流之間夾角為功率因數(shù)角 ，氣隙電動勢與電樞電流之間的夾角為內(nèi)功率因數(shù)角 。 i端電壓與勵磁電動勢之間夾角為功率角 ，氣隙電動勢與勵磁電動勢之間的夾角為內(nèi)功率角 。 iii不是簡單的角度相加，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). 多個直角三角形共底邊0coscoscos

18、iEEU二、凸極同步電動機的電動勢平衡方程式、同步電抗和相量圖磁路不飽和時，根據(jù)雙反應(yīng)理論，可分別求出交、直軸勵磁磁動勢及它們分別產(chǎn)生的基波磁通和感應(yīng)電動勢，將感應(yīng)電動勢進(jìn)行疊加。正方向的規(guī)定如圖所示，電流與由其產(chǎn)生的磁動勢符合右手螺旋關(guān)系。.0adaqaUEEEEI RdadadaddaqaqaqqEFIEFI 不計鐵耗， 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為直軸電樞反

19、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為凸極同步電機的直軸同步電抗qaqXXX為凸極同步電機的交軸同步電抗對于隱極同步電機，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 I

20、Xj IX 已知，但 和 未知，無法直接求 IdIqI0E如何才能求出兩個電流分量？最好能知道dq軸與電流之間的夾角，d軸與勵磁磁動勢及勵磁磁通重合，而勵磁電動勢則與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 IX

21、j 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 ，氣隙電動勢與電樞電流之間的夾角為內(nèi)功率因數(shù)角 。 i端電壓與勵磁電動勢之間夾角為功率角 ，氣隙電動勢與勵磁電動勢之間的夾角為內(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 為電樞電流與勵磁電動勢之間的夾角(3). 直角三角形之間的關(guān)系不是簡單的角度相加，要根據(jù)相應(yīng)的關(guān)系判斷角度的正負(fù)。0cossindUIXE0cosddUI XEsincosqqqUIXI X0()QddqEIXXEcoscoscosQiEEUdqQE0EIUaIRjIXqjIXdjIXiiEsinarct

22、ancosqaUIXUIR6-4 同步電動機的功角特性、矩角特性和有功功率調(diào)節(jié)同步電機跟直流電機和感應(yīng)電機的不同之處是，當(dāng)負(fù)載變化時，它的轉(zhuǎn)速始終是同步速不變，而是氣隙旋轉(zhuǎn)磁場和勵磁磁場的夾角即內(nèi)功率角發(fā)生變化。對于同步電機，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。cosM

23、iPmE IaRXIEU 為內(nèi)功率因數(shù)角idqQE0EIUaIRjIXqjIXdjIXiiEcoscosiQEE0()QddqEEIXX0coscoscos()MiQdqdqPmE ImE ImE ImI IXX對于隱極電機，Xd=Xq=Xt00coscosMiqPmE ImE ImE I隱極同步電機的電磁功率只與q軸電流有關(guān)。如忽略電樞電阻Ra及其損耗1coscoscos()coscossinsincossinMiqdPmE ImUIPmUImUImUImUImUI0cosddUI XEsincosqqqUIXI X0cosddEUIXsinqqUIX02020cossincossincos

24、sin11()sincossin111()sin2sin2MqdqdqddqddPmUImUIEUUmUmUXXE UmUmXXXE UmUmXXX 基本電磁功率MP 附加電磁功率MP隱極電機，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，只有基本電磁轉(zhuǎn)矩01sintE UTmX當(dāng)U和E0不變時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，簡稱為功（矩）角特性。凸極同步電機在E0=0，即If=0時，仍然有附加的磁阻轉(zhuǎn)矩存在，有一些小功率的同步電機利用

25、這一特點，轉(zhuǎn)子省去勵磁繞組，利用磁阻轉(zhuǎn)矩進(jìn)行工作。這一類電機稱為磁阻同步電動機或反應(yīng)式同步電動機。功率角是同步電動機運行的一個重要參數(shù)，當(dāng)角為正時，電機運行在電動狀態(tài)，U超前于E0，即氣隙合成磁場超前于轉(zhuǎn)子勵磁磁場。當(dāng)角為負(fù)時，表示電機運行在發(fā)電狀態(tài)，U滯后于E0，氣隙合成磁場滯后于轉(zhuǎn)子勵磁磁場。i內(nèi)功率角 即為 與 ，轉(zhuǎn)子勵磁磁動勢 與氣隙合成磁動勢 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同步電動機空載運行且不計損耗00T

26、0MP 0EUE0U時，電樞電流是助磁還是去磁？E0U呢？0( )zzTnTTTTf同步電動機的有功功率調(diào)節(jié)，取決于總的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化，電動機會自動改變角，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。對于隱極同步電動機，當(dāng)=90度時，有最大的電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩，分別稱為隱極同步電機的極限功率和極限轉(zhuǎn)矩。0maxMtE UPmX0max1tE UTmX過載能力maxmaxMMNNTPTP隱極同步電機增大氣隙，使Xt減小(仍保持氣隙磁通不變）或增大勵磁使感應(yīng)電動勢增大，可提高過載能力。凸極同步電機附加轉(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)生微小擾動時，當(dāng)擾動消失后能否回

27、復(fù)到原來的穩(wěn)定運行狀態(tài)，或在負(fù)載變化后能否達(dá)到新的穩(wěn)定運行狀態(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。運行于A點，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。運行于B點，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，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機抗干擾能力的強弱。MsyndPPdsyndTTd實際上是矩角與功角特性曲線的斜率。對于隱極同步電機01cossyntE UdTTmdX0cosMsyntE UdPPmdX穩(wěn)定運行能力下降0/2 ，syssysTP對于

28、凸極同步電機201111cos()cos2syndqdE UdTUTmmdXXX2011cos()cos2MsyndqdE UdPPmmUdXXX0MdPd0dTd和lim2t的點對應(yīng)的在功率角小于45度時，在相同的功率角下，凸極同步電機的比整步轉(zhuǎn)矩和比整步功率較隱極同步電機大。凸極同步電機的穩(wěn)定運行的功率角范圍較隱極同步電機小。過載能力較隱極的大，同步電動機大都做成凸極式。課堂練習(xí)：6-196-5 同步電動機的無功功率調(diào)節(jié)同步電機的一個很大的優(yōu)點就是可以調(diào)節(jié)從電網(wǎng)吸收的無功功率。當(dāng)同步電機的電樞電流超前于勵磁電動勢一個銳角時，即直軸電樞反應(yīng)是去磁時，電機向電網(wǎng)發(fā)出感性(滯后)無功或從電網(wǎng)吸收

29、容性(超前)無功。可以利用這一特點，來進(jìn)行無功補償。無功補償裝置應(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，同步電抗是電機參數(shù)，不可調(diào)。只有E0可調(diào)。調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流即可調(diào)節(jié)E0。轉(zhuǎn)子勵磁電流對電樞電流有何影響？一、無功功率調(diào)節(jié)：電網(wǎng)電壓不變，氣隙電動勢近似不變，氣隙磁場近似不變，轉(zhuǎn)子勵磁電流變化，有改變氣隙磁場的趨勢，電樞電流會產(chǎn)生相應(yīng)的變化來阻止氣隙磁場的改變。從而改變從電網(wǎng)吸收的無功功率。UaRXaXE0E恒轉(zhuǎn)矩運行，不計定子銅耗1cosMPPmUI0011sinsinttE UU

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

31、向上移動。(2)每條曲線最低點，cos=1。為什么？1cosMPPmUI相同負(fù)載轉(zhuǎn)矩和端電壓情況下，此時定子電流最小。把不同轉(zhuǎn)矩下功率因數(shù)為1的點連起來，得到一條向右傾斜的曲線。在這條曲線上對應(yīng)的勵磁為正常勵磁。而在曲線的右邊為過勵，超前，左邊為欠勵，滯后。在欠勵區(qū)，=90度所對應(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，勵磁電流要增大。0220cos1()ftTIEIEUIX(3)If不變，僅改變負(fù)載轉(zhuǎn)矩，這時電機吸收的有功功率、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 01sint

32、E UTmX功率因數(shù)如何變化？課后6-17。U0EtjIXI過勵時，先增大，后減小，由超前變?yōu)闇蟆Ｇ穭顣r，先增大，后減小，均為滯后。U0EtjIXI端電壓不變，勵磁電動勢相量大小不變，但與的夾角增大。(4)為了改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，提高過載能力和運行的穩(wěn)定性，同步電動機大都運行在過勵狀態(tài)，即功率因數(shù)超前。額定功率因數(shù)多設(shè)計為0.8(超前)或1。不帶機械負(fù)載運行于空載狀態(tài)，專門用來改善電網(wǎng)功率因數(shù)的同步電動機，稱為同步調(diào)相機或同步補償機。例：6-1 第一問。課堂練習(xí)：6-206-6 同步電動機的起動當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速即轉(zhuǎn)子磁場的轉(zhuǎn)速與定子磁場轉(zhuǎn)速不相等時，功率角將隨時間變化而變化，以兩極電機空載起動為例

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

34、空載起動空載起動。變頻起動：采用變頻電源，起動頻率很低，利用同步電磁轉(zhuǎn)矩將電動機起動起來，逐漸升高頻率，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將隨定子轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)磁場轉(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，且勵磁機為非同軸的。異步起動：利用阻尼繞組作為起動繞組，產(chǎn)生異步電磁轉(zhuǎn)矩將電動機起動，等電機的轉(zhuǎn)速升到接近同步速，再接入勵磁，利用同步轉(zhuǎn)矩將轉(zhuǎn)子牽入同步。二、異步起動過程(1)異步起動時，勵磁繞組切忌開路勵磁繞組切忌開路，否則因轉(zhuǎn)差率很大，勵磁繞組匝數(shù)又多，將在其中感應(yīng)出危險的高電壓，使勵磁繞組擊穿或引起人身事故。(2)勵磁繞組也不能直接短路勵磁繞組也不能直接短路，否則勵磁繞組(相當(dāng)于集中的單相繞組)中感應(yīng)電流較大，與氣隙磁場相作用，將會產(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，使電動機在異步起動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)矩起動轉(zhuǎn)矩B+轉(zhuǎn)矩B-轉(zhuǎn)矩B合成轉(zhuǎn)矩