第9章同步電動機

SynchronousMachines南昌航空大學信息工程學院吳劍第9章同步電動機

SynchronousMachines1同步電機的基本結構同步電機的基本結構2同步電動機的兩類轉子同步電動機的兩類轉子39.2同步電動機的電磁關系9.2.1同步電動機的磁通勢9.2同步電動機的電磁關系9.2.1同步電動機的磁通勢49.2.2凸極同步電動機的雙反應原理9.2.2凸極同步電動機的雙反應原理5根據前一章的分析，這里可以寫出由定子電流產生的電樞磁動勢的表達式將上式分解為d、q軸上的直軸電樞磁動勢和交軸電樞磁動勢：根據前一章的分析，這里可以寫出由定子電流產生6考慮到式（8-2）的關系，即有即把電樞電流按相量的關系分解成兩個分量：一個分量是，另一個分量是，其中產生磁動勢；產生磁動勢。考慮到式（8-2）的關系，即有即把電樞電流7根據“雙反應法”，凸極同步電動機電磁關系如下：

電磁關系根據“雙反應法”，凸極同步電動機電磁關系如下：89.2.3同步電動機的電壓平衡方程式1.凸極同步電動機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，都是以同步轉速逆時針旋轉，因此都要在定子繞組中產生相應的感應電動勢。根據圖9-6給出的同步電動機定子繞組各電量正方向，可以列出A相回路的電壓方程（9-1）Rs——定子繞組的相電阻；Xs——定子繞阻的相漏電抗。9.2.3同步電動機的電壓平衡方程式（99感應電動勢、可以寫成式中Xad——直軸電樞反應電抗；Xaq——交軸電樞反應電抗。整理，可得得感應電動勢、可以寫成式中10一般情況下，當同步電動機容量較大時，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中，。2.隱極同步電動機的電壓方程對于隱極同步電動機，由于氣隙均勻，因而直軸和交軸的同步電抗在數值上彼此相等，即有式中——隱極同步電動機的同步電抗。一般情況下，當同步電動機容量較大時，可忽略電阻R1，于是式11這樣，由式（9-4）可寫出隱極同步電動機的電壓方程為（9-5）9.2.4同步電動機相量圖同步電機作為電動機運行時，電源必須向電機的定子繞組輸入有功功率，這時輸入電動機的有功功率P1必須滿足這就是說，定子相電流的有功分量應與相電壓同相位。由此可見，與二者之間的功率因數角必須小于90，才能使電機運行于電動機狀態。圖9-9是根據凸極同步電動機的電壓方程，在（超前）時，電機運行于電動機狀態的相量圖。這樣，由式（9-4）可寫出隱極同步電動機的電壓方程為（9-12圖9-7是根據隱極同步電動機的電壓方程式畫出的相量圖。圖9-7是根據隱極同步電動機的電壓方程式畫出的相量圖。13前面在介紹直流電動機和三相異步電動機時，都重點分析了對應的機械特性T=?(n)，而同步電動機由于以同步轉速n1轉動，轉速不隨轉矩變化，其機械特性為一條直線。在同步電動機中，功率或轉矩是隨功角變化的，所以下面討論功角特性PM=?(θ)和矩角特性T=?(θ)。9.3同步電動機的功率關系和矩角特性

9.3同步電動機的功率關系和矩角特性

149.3.1同步電動機的功率方程同步電動機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，轉變為電磁功率PM，即有（8-14）從電磁功率PM里再扣除鐵損耗和機械摩擦損耗后，得到輸出給負載的機械功率P2（8-15）其中，鐵損耗與機械損耗之和稱為空載損耗P0，即（8-16）9.3同步電動機的功率關系和矩角特性

9.3.1同步電動機的功率方程（8-14）從電磁功率PM里15圖9-11是同步電動機的功率流程圖。圖9-11是同步電動機的功率流程圖。169.3.2同步電動機的電磁功率與功角特性對于凸極同步電動機，當忽略定子繞組的電阻R1時，同步電動機的電磁功率為由凸極同步電動機的相量圖（圖9-7）可見，，于是此外，根據相量圖可得9.3.2同步電動機的電磁功率與功角特性由凸極同步電動機的17考慮以上這些關系，得接在電網上運行的同步電動機，已知電源電壓U、電源的頻率f1都維持不變，如果保持電動機的勵磁電流If不變，則對應的電動勢E0的大小也是常數，此外電動機的參數Xd、Xq又是已知的常數，這樣同步電動機的電磁功率PM就僅僅是θ的函數，當θ角變化時，電磁功率PM也跟著變化。我們把的關系定義為同步電動機的功角特性，由此所繪制出的曲線稱為功角特性曲線，如圖9-12所示。（9-7）考慮以上這些關系，得接在電網上運行的同步電動18上式所示凸極同步電動機的電磁功率PM

中，第一項與勵磁電流If的大小有關，稱為勵磁電磁功率。第二項與勵磁電流If的大小無關，是由參數引起的，這部分功率只有凸極同步電動機才有，而對隱極同步電動機則不存在，所以該電磁功率稱為凸極電磁功率。第一項勵磁電磁功率是主要的，第二項凸極電磁功率比第一項小得多。上式所示凸極同步電動機的電磁功率PM中，第19將式（9-6）等號兩邊同除以Ω，得到同步電動機的轉矩平衡方程式中T0——空載轉矩。將電磁功率的表達式（9-7）代入上式，得到的電磁轉矩為（9-8）式中T0——空載轉矩。（9-8）20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，同步電動機的電磁轉矩T也僅是θ的函數。即當θ角變化時，電磁轉矩T也跟著變化。把的關系定義為同步電動機的矩角特性，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式相互之間僅相差一個比例常數Ω若是隱極式同步電動機，因Xd=Xq，則功角特性和矩角特性的表達式為上式說明，在電源電壓Us、電源的頻率f1、勵21

9.3.5穩定運行下面以隱極同步電動機為例來討論同步電動機的穩定運行問題。由圖可見，當電動機拖動負載運行在

=0～90的范圍內，電動機能夠穩定運行；當電動機拖動負載運行在

=90～180的范圍內，電動機不能夠穩定運行。9.3.5穩定運行22如果與異步電動機一樣，將最大電磁轉矩Tm與額定電磁轉矩TN之比，稱為過載倍數，用表示。這里（8-30）可見，為了滿足過載限制的要求，隱極同步電動機額定運行時，。對于凸極同步電動機，額定運行時的功率角還要小些。當負載改變時，θ角隨之變化，就能使同步電動機的電磁轉矩T或電磁功率PM跟著變化，以達到新的平衡狀態。在同步電動機穩定運行時，電機的轉子轉速n是嚴格按照同步轉速旋轉，不發生任何變化。所以，同步電動機的機械特性為一條水平的直線。

如果與異步電動機一樣，將最大電磁轉矩Tm與額239.4同步電動機的功率因數調節9.4.1同步電動機的功率因數調節當同步電動機接在交流電源上，可以認為電源的電壓U以及頻率f1都保持不變。另外，假設同步電動機拖動的有功負載也保持不變，僅改變同步電動機的勵磁電流If，就能調節同步電動機的功率因數。為分析方便起見，以隱極同步電動機為例，并忽略電機中的各種損耗。假若同步電動機的負載保持不變，則電動機轉軸上的輸出轉矩T2也不變，如果忽略空載轉矩，有。可見，當T2不變時，可以認為電磁轉矩T也不變，由式（9-8），（9-9）這說明當改變勵磁電流If時，電動勢E0的大小也要跟著改變，以滿足上式的關系。9.4同步電動機的功率因數調節（9-9）這說明當改變勵磁電24當負載轉矩不變時，由于同步電動機的轉速恒定不變，所以同步電動機的輸出功率不變。在忽略電機中的各種損耗的情況下，同步電動機的輸入功率與輸出功率相等。于是有（9-10）上式的物理意義是：在只改變勵磁電流的情況下，同步電動機定子繞組中電流的有功分量保持不變。根據式（9-9）和式（9-10）的條件可畫出隱極同步電動機在三種不同勵磁電流時的相量圖，如圖9-17所示。在電壓U不變的條件下，必有當負載轉矩不變時，由于同步電動機的轉速恒定不25

當改變同步電動機的勵磁電流時，能夠改變同步電動機的功率因數，這點是三相異步電動機所不具備的。當改變勵磁電流時，同步電動機功率因數變化的規律可以分為三種情況，即正常勵磁狀態、欠勵狀態和過勵狀態。同步電動機拖動負載運行時，一般要過勵，至少運行在正常勵磁狀態，不要讓它運行在欠勵狀態。當改變同步電動機的勵磁電流時，能夠改變同步電26

9.4.2同步電動機的U形曲線同步電動機的U形曲線是指當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，調節勵磁電流If時定子電流I的相應變化。以勵磁電流If為橫座標，定子電流I

為縱座標，將兩個電流數值變化關系繪制成曲線，由于其形狀象英文字母“U”，故稱其為U形曲線。9.4.2同步電動機的U形曲線27對每條U形曲線，定子電流有一最小值，這時定子僅從電網吸收有功功率，功率因數。把這些點連起來，稱為線。它微微向右傾斜，說明輸出為純有功功率情況下，輸出功率增大的同時，必須相應地增加一些勵磁電流。這樣，線可作為分界線，在線的左邊是欠勵區，右邊是過勵區。當同步電動機帶一定負載時，若減小勵磁電流If，電動勢E0、電磁功率PM減小。當PM減小到一定程度，θ超過90，電動機就失去同步，如圖9-19中虛線所示的不穩定區。從這個角度來看，同步電動機最好也不運行于欠勵狀態。對每條U形曲線，定子電流有一最小值，這時定子28*第五節永磁同步電動機一、概述世界上第一臺電機就是永磁電機，但是早期的永磁材料磁性能很差，致使永磁電機體積很大，非常笨重，因而很快就為電勵磁式電機所取代。近年來，隨著稀土永磁材料的快速發展，特別是第三代稀土永磁材料釹鐵硼（NdFeB）的問世，給永磁電機的研究和開發帶來了新的活力。從上世紀八十年代初開始，各工業發達國家竟相研制高性能永磁電機，其中永磁同步電動機以其高效節能的優點而受到特別的關注。二、正弦波永磁同步電動機1.基本結構永磁同步電動機包括定子和轉子兩部分。定子部分與一般同步電動機的定子相同，定子鐵心通常由帶有齒和槽的沖片疊成，在槽中嵌入交流繞組。當交流電流通入交流繞組時，在氣隙中產生同步旋轉磁場；轉子部分則采用永磁體勵磁。*第五節永磁同步電動機29稀土永磁材料釹鐵硼（NdFeB）稀土永磁材料釹鐵硼（NdFeB）30第9章同步電動機原理介紹ppt課件31同步電動機的主要參數同步電抗Xd、Xq決定于磁路的磁導，在電勵磁同步電動機中，Xd>Xq。但在永磁同步電動機中，情況有所不同，因為在直軸磁路中有永磁體，永磁體的磁導率很低，其導磁性能與空氣相似，因而大大減小了直軸電樞反應的作用，表現為Xd較小；而在交軸磁路中，主要是軟鐵極靴和套環類的磁性材料，導磁性能較好，交軸電樞反應的作用較大，Xq較大，因而在永磁同步電動機中Xd<Xq。

2.工作原理與起動問題永磁體的引入固然使同步電動機面貌一新，但由此而產生的一些問題也不容忽視，這其中最主要的當屬起動問題，在由變頻電源供電的場合，永磁同步電動機可以順利起動，但當由工頻電源直接供電時，由于定子旋轉磁場與轉子永磁體磁場之間有相對運動，不能產生恒定方向的電磁轉矩，造成起動困難。同步電動機的主要參數同步電抗Xd、Xq決定于32為克服這一困難，永磁同步電動機的轉子一般設計成磁鋼內埋式結構，轉子表面裝有和異步電動機相似的籠型繞組（如圖8-18所示），稱為自起動永磁同步電動機。當永磁同步電動機起動時，依靠籠型繞組產生如同異步電動機工作時一樣的起動轉矩，帶動轉子旋轉起來。等到轉子轉速上升到接近同步速時，依靠定子旋轉磁場與轉子永磁體的相互吸引把轉子牽入同步。這就是所謂的“異步起動，同步運行”。在整個起動過程中，籠型繞組產生異步起動轉矩，而永磁體產生發電制動轉矩，但當達到同步速時，異步起動轉矩為零，而發電制動轉矩轉變為同步牽引轉矩，帶動電動機正常同步運行。可見，對于自起動永磁式同步電動機來說，永磁體和籠型起動繞組之間的合理設計是十分重要的。應當指出，如果電動機轉子本身慣性不大，或者是多極的低速電機，定子旋轉磁場轉速不是很大，那么永磁同步電動機不另裝起動繞組也是可以直接起動的。為克服這一困難，永磁同步電動機的轉子一般設計33

三、梯形波永磁同步電動機直流電動機由于調速性能好、堵轉轉矩大等優點而在各種運動控制系統中等到廣泛應用，但是直流電動機具有電刷和換向器裝置，運行時所形成的機械摩擦嚴重影響電機的精度和可靠性，因摩擦而產生的火花還會引起無線電干擾。電刷和換向器裝置使直流電動機結構復雜、噪音大，維護也比較困難。所以，長期以來人們在不斷尋求可以不用電刷和換向器裝置的直流電動機。隨著電子技術、計算機技術和永磁材料的迅速發展，誕生了梯形波永磁同步電動機——無刷直流電動機。這種電動機利用電子開關線路和位置傳感器來代替電刷和換向器，既具有直流電動機的運行特性，又具有交流電動機結構簡單、運行可靠、維護方便等優點，它的轉速不再受機械換向的限制，可以制成轉速高達每分鐘幾十萬轉的高速電動機。因此，無刷直流電動機用途非常廣泛，可作為一般直流電動機、伺服電動機和力矩電動機等使用。三、梯形波永磁同步電動機34

1.基本結構無刷直流電動機由電動機本體、電子開關線路和轉子位置傳感器三部分組成，其系統構成如圖所示，其中直流電源通過開關線路向電動機的定子繞組供電，位置傳感器檢測電動機的轉子位置，并提供信號控制開關線路中的功率開關元件，使之按照一定的規律導通和關斷，從而控制電動機的轉動。1.基本結構35無刷直流電動機的基本結構如圖所示，其中電動機結構與永磁同步電動機相似，轉子是由永磁材料制成的具有一定極數的永磁體，主要有凸極式和內嵌式兩種結構；定子是電動機的電樞，定子鐵心中安放著對稱的多相繞組，可接成星形或角形，各相繞組分別與電子開關線路中的相應開關元件相連接，電子開關線路有橋式和非橋式兩種。圖11-26表示的是常用的三相星形橋式連接方式。無刷直流電動機的基本結構如圖所示，其中電動機362.工作原理根據電子開關線路結構和定子繞組聯接方式，無刷直流電動機可以有多種運行狀態，下面以兩相導通三相星形六狀態為例說明無刷直流電動機的工作原理。假設在任意時刻開關線路的上橋臂和下橋臂各有一個晶體管導通，即三相繞組的通電順序依次為AC、BC、BA、CA、CB、AB（120導通型逆變器）。當A、C相通電時，電流流通的路徑為：電源正極→V1管→A相繞組→C相繞組→V2管→電源負極。當B、C相通電時，電流流通的路徑為：電源正極→V3管→B相繞組→C相繞組→V2管→電源負極。2.工作原理37第9章同步電動機原理介紹ppt課件38從下表可以看出，在1個周期內電動機共有6個通電狀態，每個狀態都是兩相同時導通，每個晶體管