16kw-6極變頻調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)的電磁方案及控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)（含外文翻譯）

1、<p>　　密級(jí)： </p><p>　　學(xué) 士 學(xué) 位 論 文</p><p>　　THESIS OF BACHELOR</p><p>　?。?006—2010年）</p><p>　　題 目 16KW-6極變頻調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)的電磁方案</p><p><b>　　及控

2、制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　16KW-6極變頻調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)的電磁方案</p><p><b>　　及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　專 業(yè)： 學(xué) 號(hào)：</p><p>　　學(xué)生姓名： 指

3、導(dǎo)教師：</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文討論的是同步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)方案及其變頻調(diào)速的控制回路的設(shè)計(jì)。根據(jù)課題的要求，本論文主要介紹了同步發(fā)電機(jī)的基本特點(diǎn)、工作原理、運(yùn)行方式，及其電磁設(shè)計(jì)的基本方法。根據(jù)變頻調(diào)速的要求，本文也對(duì)電機(jī)的定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、氣隙磁場(chǎng)的分布、各電機(jī)參數(shù)的合理選擇等多方面的情況進(jìn)行了研究，從而確定有效地控制回路

4、方案。</p><p>　　本文在電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中采用的步驟是：</p><p>　?、僭趪?guó)家有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)用戶的需求，大致確定電機(jī)的尺寸結(jié)構(gòu)。</p><p>　　②進(jìn)行電機(jī)空載磁場(chǎng)的研究，確定包括磁體的尺寸、每槽導(dǎo)體數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)在內(nèi)的定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。</p><p>　　③根據(jù)電機(jī)工作性能的計(jì)算公式計(jì)算電機(jī)性能，由計(jì)算結(jié)果調(diào)整電機(jī)的

5、結(jié)構(gòu)，得出三套可行的方案。第一套方案是選定各項(xiàng)數(shù)據(jù)按照計(jì)算程序來(lái)初步設(shè)計(jì)一臺(tái)電機(jī)，使其符合同步發(fā)電機(jī)的效率、溫升等要求；第二套方案是研究通過(guò)增加每槽導(dǎo)體數(shù)來(lái)使材料最?。ㄖ饕侵搞~和鐵的耗用量）的方案；第三套方案是主要是研究減小每槽導(dǎo)體數(shù)來(lái)使效率達(dá)到最高的方案。</p><p>　　④通過(guò)比較三種設(shè)計(jì)方案，兼顧效率、溫升、節(jié)省材料等多方面的要求，得到一個(gè)既省材又提高性能的綜合方案。</p><p

6、>　?、葸\(yùn)用AUTOCAD繪圖軟件，繪制定轉(zhuǎn)子沖片和繞組連接圖。</p><p>　　最后，選擇合適的變頻調(diào)速控制回路，校驗(yàn)變頻器的特性，使其符合同步電機(jī)的工作特性。</p><p>　　關(guān)鍵詞： 同步電動(dòng)機(jī)、變頻調(diào)速、設(shè)計(jì) </p><p>　　The scheme of electromagnetic design for 16KW-6 pole

7、 synchronous motor and the design of the control system of the frequency converter</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This article introduces the scheme of electromagnetic design for

8、synchronous motor and the design of the control system of the frequency converter. According to the requirements of the topic,this paper mainly introduces the fundamental characteristic,working mechanism,working method,t

9、he basic method of electromagnetic design of a synchronous motor.According to the requirements of frequency control This article is also on the motor stator and rotor structure, air gap magnetic field distribution, </

10、p><p>　　In this paper, the process of design is:</p><p>　　1.On the basis of the national technical standards, according to the needs of users , we can determine the size of the motor structure.<

11、/p><p>　　2. To research the no-load airgap flux distribution,so as to select the rotor configuration ,which consists of some important parameters,such as the permanent magnet dimension and conductor number per

12、slot</p><p>　　3.To get the performance of motor by calculation with known formulas,as a result an adjustment for the motor’s configuration can be practised, we can get three logical and feasible project. The

13、 first set of the data the program is selected, according to preliminary calculation program to design a motor to make it consistent with the efficiency of synchronous generator, temperature and other requirements. Secon

14、d program is the study by increasing the number of conductors per slot to make the mate</p><p>　　4. By comparing the three types of design, balance between efficiency, temperature rise, saving materials, and

15、 many other requirements, have a material and also enhance the performance of both the province's comprehensive plan.</p><p>　　5. Using AUTOCAD drawing software, drawing tablet and stator and rotor windi

16、ng connection diagram.</p><p>　　Finally, select the appropriate frequency conversion control circuit, checking the inverter characteristics,to meet the synchronous motor operating characteristics.</p>

17、<p>　　Keywords: synchronous motor；frequency control； design</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><

18、b>　　目 錄IV</b></p><p>　　第一章 緒 論1</p><p><b>　　1.1概述1</b></p><p>　　1.2 同步電動(dòng)機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀1</p><p>　　1.3電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)介2</p><p>　　第二章 同步電動(dòng)機(jī)的概述

19、3</p><p>　　2.1同步電動(dòng)機(jī)用途和主要類型3</p><p>　　2.1.1同步電動(dòng)機(jī)的用途3</p><p>　　2.1.2同步電動(dòng)機(jī)的主要類型3</p><p>　　2.2同步電動(dòng)機(jī)的基本特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)5</p><p>　　2.2.1同步電動(dòng)機(jī)的基本特點(diǎn)5</p><p&g

20、t;　　2.2.2同步電動(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)的比較5</p><p>　　2.3 同步電動(dòng)機(jī)的主要構(gòu)件6</p><p>　　2.3.1定子結(jié)構(gòu)6</p><p>　　2.3.2轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)7</p><p>　　2.4同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)7</p><p>　　2.4.1同步電動(dòng)機(jī)對(duì)勵(lì)磁裝置的要求8</p&

21、gt;<p>　　2.4.2同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁裝置的發(fā)展和現(xiàn)狀8</p><p>　　2.4.3同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)工作原理8</p><p>　　第三章 同步電動(dòng)機(jī)的工作特性10</p><p>　　3.1同步電動(dòng)機(jī)的工作原理10</p><p>　　3.2 同步電動(dòng)機(jī)的電磁關(guān)系11</p><p>

22、;　　3.2.1同步電機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)及磁通11</p><p>　　3.2.2 同步電機(jī)的雙反應(yīng)理論13</p><p>　　3.2.3 同步電機(jī)的電壓平衡方程式及相量圖15</p><p>　　3.3同步電動(dòng)機(jī)的功率關(guān)系與矩角特性19</p><p>　　3.3.1同步電動(dòng)機(jī)的功率方程及轉(zhuǎn)矩方程19</p><p&

23、gt;　　3.3.2同步電動(dòng)機(jī)的功角特性21</p><p>　　3.3.3同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性22</p><p>　　3.3.4 同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行23</p><p>　　3.4同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)調(diào)節(jié)和Ｖ形曲線26</p><p>　　3.4.1同步電機(jī)的功率因數(shù)調(diào)節(jié)26</p><p>　　3.4.2

24、　同步電機(jī)的Ｖ形曲線29</p><p>　　3.5同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)30</p><p>　　3.5.1 同步電動(dòng)機(jī)為什么不能直接起動(dòng)？30</p><p>　　3.5.2同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方式30</p><p>　　第四章 同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的理論分析33</p><p>　　4.1 電機(jī)設(shè)計(jì)的任務(wù)與過(guò)程33

25、</p><p>　　4.1.1電機(jī)設(shè)計(jì)的任務(wù)33</p><p>　　4.1.2電機(jī)設(shè)計(jì)的過(guò)程33</p><p>　　4.2 同步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)34</p><p>　　4.2.1 同步電動(dòng)機(jī)主要尺寸確定34</p><p>　　4.2.2同步電動(dòng)機(jī)電樞繞組的設(shè)計(jì)37</p><p&

26、gt;　　4.2.3電機(jī)的效率計(jì)算40</p><p>　　4.2.4 電機(jī)的損耗及溫升計(jì)算41</p><p>　　4.3同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中影響電機(jī)性能的因素42</p><p>　　4.3.1氣隙對(duì)電機(jī)性能的影響42</p><p>　　4.3.2槽滿率對(duì)電機(jī)性能的影響43</p><p>　　4.3.3集

27、膚效應(yīng)對(duì)電機(jī)參數(shù)的影響43</p><p>　　4.3.4飽和對(duì)電機(jī)參數(shù)的影響44</p><p>　　4.4同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)45</p><p>　　4.5同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)46</p><p>　　第五章 電磁設(shè)計(jì)方案計(jì)算47</p><p>　　5.1額定數(shù)據(jù)和技術(shù)要求47</p>

28、<p>　　5.2計(jì)算前的設(shè)計(jì)思路：48</p><p>　　5.3方案的主要調(diào)整方法49</p><p>　　5.4同步電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì)方案49</p><p>　　第六章 電磁方案結(jié)果分析66</p><p>　　6.1計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比66</p><p>　　6.1.1定子繞組與鐵芯長(zhǎng)度的對(duì)比6

29、6</p><p>　　6.1.2方案材料用量計(jì)算結(jié)果的對(duì)比66</p><p>　　6.1.3 電機(jī)損耗與效率計(jì)算結(jié)果的對(duì)比66</p><p>　　6.1.4 三個(gè)方案電磁負(fù)荷的對(duì)比67</p><p>　　6.1.5 三個(gè)方案電機(jī)參數(shù)的對(duì)比67</p><p>　　6.2結(jié)果分析68</p>

30、<p>　　第七章 變頻調(diào)速控制回路的設(shè)計(jì)69</p><p>　　7.1電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀69</p><p>　　7.2同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展綜述70</p><p>　　7.2.1同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展70</p><p>　　7.2.2調(diào)速用同步電動(dòng)機(jī)的幾種分類72</p><p&g

31、t;　　7.3同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的分類及其特點(diǎn)72</p><p>　　7.4 同步電動(dòng)機(jī)的矢量變換控制73</p><p>　　7.5 同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制77</p><p>　　第八章 Autocad 繪圖81</p><p>　　8.1 AutoCAD 2006繪圖軟件的使用方法和常用命令81</p><

32、p>　　8.2定子沖片圖，轉(zhuǎn)子沖片圖和繞組連接圖的繪制82</p><p>　　8.1.1 定、轉(zhuǎn)子沖片圖的繪制82</p><p>　　8.2.2 繞組連接圖的繪制83</p><p>　　第九章 總 結(jié)85</p><p>　　參考文獻(xiàn)（References）86</p><p><b&g

33、t;　　致 謝87</b></p><p><b>　　附錄88</b></p><p><b>　　外文資料原文89</b></p><p><b>　　外文資料譯文99</b></p><p><b>　　第一章 緒 論</b>

34、;</p><p>　　在直流電機(jī)、交流異步電機(jī)、交流同步電機(jī)三大電機(jī)形式中，同步電動(dòng)機(jī)因其優(yōu)良的性能和多樣的結(jié)構(gòu)而在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、日常生活中、航空航天和國(guó)防等各個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。為獲得高性能、高精度的執(zhí)行效果，常常使用變頻器對(duì)同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和控制，本文正是針對(duì)這樣一種需求產(chǎn)生的。本文所涉及的電機(jī)是由變頻調(diào)速回路控制的同步電動(dòng)機(jī)，即后文所說(shuō)的變頻調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)。</p><p>&

35、lt;b>　　1.1概述</b></p><p>　　本文設(shè)計(jì)的電機(jī)是用于變頻調(diào)速的同步電動(dòng)機(jī)。它的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想是除了要符合同步機(jī)適用于電動(dòng)機(jī)的一般要求外，還應(yīng)符合上文指出的對(duì)變頻調(diào)速的特殊要求。根據(jù)用戶提出的數(shù)據(jù)規(guī)格的要求，該電動(dòng)機(jī)也就沿用傳統(tǒng)電機(jī)軸向立式的結(jié)構(gòu)。這樣可以參考和借用已有的規(guī)格電機(jī)的機(jī)座、定子等部件的結(jié)構(gòu)尺寸，以提高這些部件的通用性，縮短電機(jī)的研制周期，并且節(jié)省研制資金。<

36、/p><p>　　1.2 同步電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)及我們的日常生活，幾乎離不開(kāi)各種各樣的電機(jī)。電機(jī)已是當(dāng)今生產(chǎn)活動(dòng)和日常生活中最重要的原動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)裝置。電機(jī)數(shù)量之多，應(yīng)用范圍之廣，地位之重要，沒(méi)有其它設(shè)備所能與之相比。 同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)一樣是一種常用的交流電機(jī)。</p><p>　　同步電機(jī)的應(yīng)用也是十分廣泛的。比如：TYZ系列同步電機(jī)主要

37、特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，遇到一定阻力時(shí)能夠自動(dòng)反向旋轉(zhuǎn)，常用于轉(zhuǎn)向要求不高的恒轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合，如旋轉(zhuǎn)燈具、圣誕樹(shù)、廣告畫(huà)等。但是可以通過(guò)在電機(jī)內(nèi)部安裝機(jī)械定向裝置，實(shí)現(xiàn)定向旋轉(zhuǎn)，使該產(chǎn)品能夠用于塑封機(jī)等有轉(zhuǎn)向要求的場(chǎng)合。 TYD系列可逆同步電機(jī)同TYZ系列的區(qū)別是：該系列電機(jī)內(nèi)部采用兩組繞組，用電容實(shí)現(xiàn)定向旋轉(zhuǎn)。通過(guò)改變電容和電機(jī)輸出引線的接法，能夠可靠的實(shí)現(xiàn)電機(jī)定向旋轉(zhuǎn)并控制旋轉(zhuǎn)方向。本系列電機(jī)功率比TYZ系列大。主要用于監(jiān)控器材、醫(yī)療器械、辦

38、公設(shè)備和自動(dòng)麻將桌等。</p><p>　　1.3電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)介</p><p>　　電氣傳動(dòng)系統(tǒng)由控制部分、功率部分和電動(dòng)機(jī)三大要素組成，成為一個(gè)有機(jī)的整體。各部分之間的不同組合，可以構(gòu)成多種多樣的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)。雖然調(diào)速傳動(dòng)從電流型上分為直流調(diào)速和交流調(diào)速兩大類，但在交流調(diào)速中，異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已發(fā)展成為兩類占有相當(dāng)比重的調(diào)速系統(tǒng)，且同步電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系

39、統(tǒng)占主導(dǎo)地位，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)也并未被淘汰，它在電氣調(diào)速系統(tǒng)中仍占有一席之地。</p><p>　　本文所要介紹的是同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)，接下來(lái)簡(jiǎn)要介紹一下同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的有關(guān)理論知識(shí)，普通的同步電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上要比籠型異步電動(dòng)機(jī)復(fù)雜，但比直流電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)單。和同容量的直流電動(dòng)機(jī)相比，它具有效率高、過(guò)載能力大、體積小、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、省維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，并且可以做到大容量、高轉(zhuǎn)速和高電壓。雖說(shuō)同步電動(dòng)機(jī)較直流電動(dòng)機(jī)有上述的優(yōu)點(diǎn)

40、，但客觀來(lái)將，同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速也有自身的缺點(diǎn)和不足：</p><p>　?。?）同步電動(dòng)機(jī)需要在轉(zhuǎn)子側(cè)加一套勵(lì)磁裝置。無(wú)論是無(wú)刷勵(lì)磁還是有刷勵(lì)磁，和籠型異步電動(dòng)機(jī)相比，都要增加維護(hù)工作量。</p><p>　?。?）同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制比異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制復(fù)雜，需要準(zhǔn)確檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置或轉(zhuǎn)子磁鏈位置。</p><p>　　總的來(lái)講，在三種調(diào)速系統(tǒng)中，直流電動(dòng)機(jī)雖然調(diào)速系

41、統(tǒng)歷史悠久，技術(shù)成熟，并且在不斷的完善自己，但由于直流電動(dòng)機(jī)的固有缺陷，必然被交流調(diào)速系統(tǒng)所取代，與異步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)相比較，有競(jìng)爭(zhēng)力的當(dāng)屬同步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，它引起了人們的極大興趣，在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域占有很大的比重，從國(guó)內(nèi)外研究和國(guó)外引進(jìn)設(shè)備來(lái)看，同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)越來(lái)越受到電氣傳動(dòng)專家、學(xué)者、工程技術(shù)人員的廣泛重視，相信不久的將來(lái)，在取代直流調(diào)速系統(tǒng)方面其作用將超過(guò)異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　第二章

42、 同步電動(dòng)機(jī)的概述</p><p>　　同步電動(dòng)機(jī)歷來(lái)是以轉(zhuǎn)速與電源頻率保持嚴(yán)格同步著稱的，只要電源頻率保持恒定，同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就絕對(duì)不變。小到電鐘和記錄式儀表的定時(shí)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，大到大型同步電動(dòng)機(jī)一直流發(fā)電機(jī)組，無(wú)一不是為了發(fā)揮其轉(zhuǎn)速恒定的優(yōu)勢(shì)而得到應(yīng)用的。除此以外，同步電動(dòng)機(jī)還有一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)，就是可以控制勵(lì)磁來(lái)調(diào)節(jié)它的功率因數(shù)，可使功率因數(shù)高到1.0，甚至超前。在一個(gè)工廠里，只需有一臺(tái)或幾臺(tái)大容量設(shè)備(例如水

43、泵、空氣壓縮機(jī))采用同步電動(dòng)機(jī)，就足以改善全廠的功率因數(shù)。</p><p>　　同步電動(dòng)機(jī)是運(yùn)用電磁感應(yīng)原理的一種交流旋轉(zhuǎn)，它的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和定子電流頻率維持嚴(yán)格不變的關(guān)系，即。而感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速是可以變化的。</p><p>　　2.1同步電動(dòng)機(jī)用途和主要類型</p><p>　　2.1.1同步電動(dòng)機(jī)的用途</p><p>　　同步電機(jī)作為

44、電動(dòng)機(jī)使用，用以拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械，尤其是在不要求調(diào)速的大功率生產(chǎn)機(jī)械中，同步電動(dòng)機(jī)用的很多，可通過(guò)調(diào)節(jié)其勵(lì)磁電流來(lái)改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。同步電機(jī)還可作為同步調(diào)相機(jī)使用，同步調(diào)相機(jī)實(shí)際上是一臺(tái)接在交流電網(wǎng)上空載運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)，能向電網(wǎng)發(fā)出感性的無(wú)功功率，滿足電網(wǎng)對(duì)無(wú)功功率的要求。</p><p>　　2.1.2同步電動(dòng)機(jī)的主要類型</p><p>　　同步電動(dòng)機(jī)按結(jié)構(gòu)形式分為旋轉(zhuǎn)電樞式和旋轉(zhuǎn)磁極

45、式，其中旋轉(zhuǎn)電樞式在小容量同步電動(dòng)機(jī)中得到某些應(yīng)用；而應(yīng)用比較廣泛，并成為同步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)形式的是旋轉(zhuǎn)磁極式。</p><p>　　對(duì)于旋轉(zhuǎn)磁極同步電動(dòng)機(jī)按照磁極的形狀又可分為凸極式和隱極式，兩者的區(qū)別見(jiàn)下表：</p><p>　　圖2.1 同步電動(dòng)機(jī)的磁極結(jié)構(gòu)分類</p><p>　　按照軸的安裝方式還可分為立式和臥式，按照冷卻方式可分為空氣冷卻、氫氣冷卻、水

46、冷卻、混合冷卻方式。</p><p>　　此外，根據(jù)轉(zhuǎn)子有無(wú)勵(lì)磁，同步電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)還可分為兩種：</p><p>　　1、轉(zhuǎn)子用直流電進(jìn)行勵(lì)磁。它的轉(zhuǎn)子做成凸極式的，安裝在磁極鐵芯上面的磁場(chǎng)線圈是相互串聯(lián)的，接成具有交替相反的極性，并有兩根引線連接到裝在軸上的兩只滑環(huán)上面。磁場(chǎng)線圈是由一只小型直流發(fā)電機(jī)或蓄電池來(lái)激勵(lì)，在大多數(shù)同步電動(dòng)機(jī)中，直流發(fā)電機(jī)是裝在電動(dòng)機(jī)軸上的，用以供應(yīng)轉(zhuǎn)子磁極線圈

47、的勵(lì)磁電流。</p><p>　　由于這種同步電動(dòng)機(jī)不能自動(dòng)啟動(dòng)，所以在轉(zhuǎn)子上還裝有鼠籠式繞組而作為電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)之用。鼠籠繞組放在轉(zhuǎn)子的周圍，結(jié)構(gòu)與異步電動(dòng)機(jī)相似。</p><p>　　當(dāng)在定子繞組通上三相交流電源時(shí)，電動(dòng)機(jī)內(nèi)就產(chǎn)生了一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，鼠籠繞組切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而使電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)起來(lái)。電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)之后，其速度慢慢增高到稍低于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，此時(shí)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)線圈經(jīng)由直流電來(lái)激勵(lì)，使

48、轉(zhuǎn)子上面形成一定的磁極，這些磁極就企圖跟蹤定子上的旋轉(zhuǎn)磁極，這樣就增加電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的速率直至與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)為止。</p><p>　　2、轉(zhuǎn)子不需要?jiǎng)?lì)磁的同步電機(jī)。轉(zhuǎn)子不勵(lì)磁的同步電動(dòng)機(jī)能夠運(yùn)用于單相電源上，也能運(yùn)用于多相電源上。這種電動(dòng)機(jī)中，有一種的定子繞組與分相電動(dòng)機(jī)或多相電動(dòng)機(jī)的定子相似，同時(shí)有一個(gè)鼠籠轉(zhuǎn)子，而轉(zhuǎn)子的表面切成平面。所以是屬于凸極轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子磁極是由一種磁化鋼做成的，而且能夠經(jīng)常保持磁性。鼠籠

49、繞組是用來(lái)產(chǎn)生啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的，而當(dāng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)到一定的轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子凸極就跟住定子線圈的電流頻率而達(dá)到同步。凸極的極性是由定子感應(yīng)出來(lái)的，因此它的數(shù)目應(yīng)和定子上極數(shù)相等，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)到它應(yīng)有的速度時(shí)，鼠籠繞組就失去了作用，維持旋轉(zhuǎn)是靠著轉(zhuǎn)子與磁極跟住定子磁極，使之同步。</p><p>　　2.2同步電動(dòng)機(jī)的基本特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)</p><p>　　2.2.1同步電動(dòng)機(jī)的基本特點(diǎn)</p>&

50、lt;p>　　同步電動(dòng)機(jī)的基本特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速不隨負(fù)載的變化而變化，它的功率因數(shù)可調(diào)節(jié)。特別是在過(guò)勵(lì)狀態(tài)下，還可使功率因數(shù)超前，從而提高了電網(wǎng)的功率因數(shù)。同步調(diào)相機(jī)實(shí)際上是空載運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)，專門(mén)用來(lái)調(diào)節(jié)無(wú)功功率，改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。</p><p>　　同步電動(dòng)機(jī)及同步調(diào)相機(jī)一般都采用凸極結(jié)構(gòu)。為了能夠自起動(dòng)，在轉(zhuǎn)子磁極的極靴上還裝有起動(dòng)繞組。</p><p>　　2.2.2同步電動(dòng)機(jī)

51、與異步電動(dòng)機(jī)的比較</p><p>　　同步電動(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)比較有下列優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　① 轉(zhuǎn)矩紋波小，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快速準(zhǔn)確，過(guò)載能力強(qiáng)。同步電動(dòng)機(jī)比異步電動(dòng)機(jī)對(duì)電壓和轉(zhuǎn)矩的擾動(dòng)具有更強(qiáng)的承受能力，能做出比較快的反應(yīng)。當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時(shí)，要求電機(jī)的轉(zhuǎn)差率也跟著變化，即電機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生相應(yīng)的變化，但是系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的慣性阻礙電機(jī)響應(yīng)的快速性。同步電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩變

52、化時(shí)，只要電機(jī)的功角做適當(dāng)變化，而轉(zhuǎn)速始終維持在原夾的同步速不變，轉(zhuǎn)動(dòng)部分的慣性不會(huì)影響電機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)。同步電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到額足轉(zhuǎn)矩的3倍以上，對(duì)電機(jī)系統(tǒng)在負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化較大的工況下穩(wěn)定運(yùn)行非常有利。</p><p>　?、?高功率因數(shù)、高效率同步電動(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)相比，可以不需要無(wú)功勵(lì)磁電流，以致顯著提高功率因數(shù)，減少定子電流和定子銅耗，而且在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)沒(méi)有轉(zhuǎn)子銅耗，進(jìn)而可以因總損耗降低而減小風(fēng)扇容

53、量甚至去掉風(fēng)扇，從而減小甚至省去了相應(yīng)的風(fēng)摩損耗。這樣，它的效率比同規(guī)格的異步電動(dòng)機(jī)可以提高2一8個(gè)百分點(diǎn)。</p><p>　?、?結(jié)構(gòu)多樣化，應(yīng)用范圍廣。同步電動(dòng)機(jī)由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)極其多樣，產(chǎn)生了特點(diǎn)和性能各異的許許多多的品種，從工業(yè)到農(nóng)業(yè)，從民用到國(guó)防，從日常生活到航空航天，從簡(jiǎn)單電動(dòng)工具到高科技產(chǎn)品，幾乎無(wú)所不在。</p><p>　　2.3 同步電動(dòng)機(jī)的主要構(gòu)件</p>

54、<p>　　同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與直流電機(jī)和異步電機(jī)相同，都是由定子與轉(zhuǎn)子兩大部分組成。其主要結(jié)構(gòu)部件有:定子、轉(zhuǎn)子、軸承裝置、滑環(huán)裝置和底板等，其中定子與轉(zhuǎn)子之間為空氣隙，其典型結(jié)構(gòu)圖如圖2.3所示。</p><p>　　圖2.3 同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　2.3.1定子結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　同步電動(dòng)

55、機(jī)的定子由鐵心、電樞繞組、機(jī)座以及端蓋等結(jié)構(gòu)件組成。</p><p>　　定子鐵心是構(gòu)成磁路的部件，一般采用硅鋼片疊裝而成，以減少磁滯和渦流損耗。定子沖片分段疊裝，每段之間有通風(fēng)槽片，以構(gòu)成徑向通風(fēng)。大型同步電動(dòng)機(jī)由于尺寸太大，硅鋼片常為扇形沖片，然后組裝成圓形。電樞繞組為三相對(duì)稱交流繞組，多為雙層繞組，嵌裝在定子槽內(nèi)。</p><p>　　定子機(jī)座是支承部件，用于安放定子鐵心和電樞繞組，

56、并構(gòu)成所需的通風(fēng)路徑，因此要求它有足夠的剛度和強(qiáng)度。大型同步電機(jī)的機(jī)座都采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)。 </p><p>　　端蓋的作用與異步電機(jī)相同，將電機(jī)本體的兩端封蓋起來(lái)，并與機(jī)座、定子鐵心和轉(zhuǎn)子一起構(gòu)成電機(jī)內(nèi)部完整的通風(fēng)系統(tǒng)。</p><p><b>　　2.3.2轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　與異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同，通常由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)軸

57、、阻尼繞組、勵(lì)磁繞組和滑環(huán)等組成。同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有兩種類型，可分為隱極式和凸極式兩種。</p><p>　　隱極式轉(zhuǎn)子如圖2.1所示，轉(zhuǎn)子呈圓柱形，無(wú)明顯的磁極。隱極式轉(zhuǎn)子的圓周上開(kāi)槽，槽中嵌放分布式直流勵(lì)磁繞組。隱極式轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度高，故多用于高速同步電動(dòng)機(jī)。在同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，轉(zhuǎn)子由于高速旋轉(zhuǎn)而承受很大的機(jī)械應(yīng)力，所以隱極式轉(zhuǎn)子大多由整塊強(qiáng)度高和導(dǎo)磁性能好的鑄鋼或鍛鋼加工而成。隱極電動(dòng)機(jī)的氣隙是均勻

58、的，圓周上各處的磁阻相同。</p><p>　　凸極式轉(zhuǎn)子如圖2.1所示，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，磁極形狀與直流機(jī)相似，磁極上裝有集中式直流勵(lì)磁繞阻。凸極式轉(zhuǎn)子制造方便，容易制成多極，但是機(jī)械強(qiáng)度低，多用于中速或低速的場(chǎng)合。凸極電動(dòng)機(jī)的氣隙是不均勻的，圓周上各處的磁阻各不相同，在轉(zhuǎn)子磁極的幾何中線處氣隙最大，磁阻也大。</p><p>　　此外，同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁極表面都裝有類似籠型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的短

59、路繞組，由嵌入磁極表面的若干銅條組成，這些銅條的兩端用短路環(huán)聯(lián)結(jié)起來(lái)。此繞組在同步電動(dòng)機(jī)中主要作起動(dòng)繞組使用，同步運(yùn)行時(shí)也起穩(wěn)定作用。</p><p>　　滑環(huán)裝在轉(zhuǎn)子軸上，經(jīng)引線接至勵(lì)磁繞組，并借電刷接到勵(lì)磁裝置。</p><p>　　2.4同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)</p><p>　　勵(lì)磁系統(tǒng)是同步電動(dòng)機(jī)的重要組成部分之一。同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁裝置主要有2個(gè)作用：一是完

60、成同步機(jī)的異步啟動(dòng)并牽入同步運(yùn)行；二是進(jìn)行勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)控制。在電力網(wǎng)運(yùn)行中，要求功率因數(shù)越大越好，希望電網(wǎng)視在功率中的大部分為有功功率。提高企業(yè)電網(wǎng)的功率因數(shù)，既發(fā)揮供電設(shè)備的生產(chǎn)能力、改善電壓質(zhì)量，又減少線路損失、提高用戶設(shè)備的工作效率，為用戶節(jié)約電能。同步電動(dòng)機(jī)消耗的有功功率取決于電動(dòng)機(jī)所帶機(jī)械負(fù)荷的大小，而無(wú)功取決于轉(zhuǎn)子中的勵(lì)磁電流的大小。在欠勵(lì)狀態(tài)時(shí)，定子繞組向電網(wǎng)“吸取”無(wú)功功率；在過(guò)勵(lì)狀態(tài)時(shí)，定繞組向電網(wǎng)“回送”無(wú)功功率。通

61、過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流，使其處于過(guò)激狀態(tài)，可以使同步電動(dòng)機(jī)向電網(wǎng)“送出”無(wú)功功率，減少電網(wǎng)輸送的無(wú)功功率，從而提高工礦企業(yè)電網(wǎng)的功率因數(shù)。</p><p>　　2.4.1同步電動(dòng)機(jī)對(duì)勵(lì)磁裝置的要求</p><p>　　通過(guò)對(duì)同步電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析，要求勵(lì)磁裝置必須具備以下幾種要求：</p><p>　?、偬峁└叻€(wěn)定可靠的、可控制的直流勵(lì)磁電源；</p&g

62、t;<p>　　②在起動(dòng)過(guò)程中，具有將啟動(dòng)限流電阻自動(dòng)切入和切除勵(lì)磁繞組回路的功能，就是具有可靠的滅磁控制功能；</p><p>　?、蹫榱吮ＷC投勵(lì)的準(zhǔn)確性和可靠性，系統(tǒng)必須具有高精度而準(zhǔn)確的頻率和最小工作電壓的檢測(cè)系統(tǒng)；</p><p>　　④裝置還應(yīng)具有各種完善的故障診斷和處理功能。</p><p>　　2.4.2同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁裝置的發(fā)展和現(xiàn)狀&l

63、t;/p><p>　　同步電動(dòng)機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段：</p><p>　?、?0-60年代是用直流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁；</p><p>　?、?0-60年代是用由分立元件組成的模擬控制可控硅勵(lì)磁；</p><p>　?、?0年代以后使用微機(jī)控制同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁，同時(shí)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)通信功能。</p><p>　　同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁裝置的現(xiàn)狀

64、。</p><p>　　目前國(guó)內(nèi)占統(tǒng)治地位的是由微機(jī)控制的可控硅整流勵(lì)磁裝置實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁。</p><p>　　主回路的組成有全控橋和半空橋兩種；</p><p>　?、诟鶕?jù)同步機(jī)勵(lì)磁的特點(diǎn)，我國(guó)自主研發(fā)的微機(jī)全數(shù)字可控硅整流勵(lì)磁裝置已經(jīng)投入到生產(chǎn)應(yīng)用中去；</p><p>　　利用國(guó)外的直流傳動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)改造后的全數(shù)字可控整流裝置。</p&g

65、t;<p>　　2.4.3同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)工作原理</p><p>　　設(shè)備的總功率為，供電電壓為，實(shí)際功率因數(shù)為，理想功率因數(shù)為，則系統(tǒng)的總無(wú)功電流為</p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　系統(tǒng)理想無(wú)功電流為</b></p><p><b&g

66、t;　?。?）</b></p><p>　　同步電動(dòng)機(jī)的無(wú)功電流為</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　設(shè)同步電動(dòng)機(jī)的有功功率為，無(wú)功功率為，則同步電動(dòng)機(jī)所負(fù)擔(dān)無(wú)功功率為</p><p><b>　　（4）</b></p><p>　　

67、此時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)為</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　所設(shè)計(jì)的裝置采取恒功率因數(shù)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，將功率因數(shù)設(shè)定為同步電動(dòng)機(jī)的目標(biāo)功率因數(shù)。</p><p>　　第三章 同步電動(dòng)機(jī)的工作特性</p><p>　　3.1同步電動(dòng)機(jī)的工作原理</p><p>　　主

68、磁場(chǎng)的建立：勵(lì)磁繞組通以直流勵(lì)磁電流，建立極性相間的勵(lì)磁磁場(chǎng)，即建立起主磁場(chǎng)。 </p><p>　　載流導(dǎo)體：三相對(duì)稱的電樞繞組充當(dāng)功率繞組，成為感應(yīng)電勢(shì)或者感應(yīng)電流的載體。</p><p>　　切割運(yùn)動(dòng)：原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)（給電機(jī)輸入機(jī)械能），極性相間的勵(lì)磁磁場(chǎng)隨軸一起旋轉(zhuǎn)并順次切割定子各相繞組（相當(dāng)于繞組的導(dǎo)體反向切割勵(lì)磁磁場(chǎng)）。</p><p>　　交變電勢(shì)

69、的產(chǎn)生：由于電樞繞組與主磁場(chǎng)之間的相對(duì)切割運(yùn)動(dòng)，電樞繞組中將會(huì)感應(yīng)出大小和方向按周期性變化的三相對(duì)稱交變電勢(shì)。通過(guò)引出線，即可提供交流電源。</p><p>　　交變性與對(duì)稱性：由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)極性相間，使得感應(yīng)電勢(shì)的極性交變；由于電樞繞組的對(duì)稱性，保證了感應(yīng)電勢(shì)的三相對(duì)稱性。</p><p>　　三相同步電動(dòng)機(jī)的定子繞組和三相異步電動(dòng)機(jī)相同，都是三相對(duì)稱交流繞組。當(dāng)同步電機(jī)三相定子繞組通入三

70、相對(duì)稱交流電時(shí)，和異步電機(jī)一樣，同步電機(jī)的定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。為了說(shuō)明簡(jiǎn)單，同步電機(jī)的定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)用一對(duì)旋轉(zhuǎn)的磁極（上N極，下S極）表示，如圖11—2所示。和異步電機(jī)不同的是，同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是由另外的直流電源勵(lì)磁(或用永久磁鐵)產(chǎn)生的固定磁極（上S下N），如圖3-1中的轉(zhuǎn)子磁極所示。</p><p>　　圖3-1同步電動(dòng)機(jī)工作原理</p><p>　　從圖3-1表示了同步電動(dòng)

71、機(jī)電磁關(guān)系的物理模型。圖中定、轉(zhuǎn)子都是一對(duì)磁極，當(dāng)定子旋轉(zhuǎn)磁極（即旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁極）以的速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，根據(jù)同性相斥、異性相吸的原則，不管定子磁極與轉(zhuǎn)子磁極的原始相對(duì)位置如何不同，轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)子的磁極S和N極很快分別被定子旋轉(zhuǎn)磁極的N和S極吸住，它們之間產(chǎn)生相應(yīng)的磁拉力，只要這個(gè)磁拉力足夠大，定子旋轉(zhuǎn)磁極將拉著轉(zhuǎn)子磁極以恒定的同步轉(zhuǎn)速一起旋轉(zhuǎn)?？梢?jiàn)，同步電動(dòng)機(jī)的工作原理就是三相定子交流繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以磁拉力拖著轉(zhuǎn)子磁極(轉(zhuǎn)子)共同以同步速

72、旋轉(zhuǎn)，如圖3-1所示。</p><p>　　3.2 同步電動(dòng)機(jī)的電磁關(guān)系</p><p>　　雖然同步電機(jī)的定子繞組與異步電機(jī)完全相同，但是轉(zhuǎn)子相差較大，特別是凸極式轉(zhuǎn)子。因此同步電機(jī)電磁關(guān)系的特點(diǎn)就是由于轉(zhuǎn)子的不同而引起的。</p><p>　　3.2.1同步電機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)及磁通</p><p>　　1．同步電動(dòng)機(jī)的空載磁動(dòng)勢(shì)</p&g

73、t;<p>　　對(duì)于同步電動(dòng)機(jī)，空載是指轉(zhuǎn)子繞組通入直流勵(lì)磁，電樞繞組接三相電源，轉(zhuǎn)子輸出轉(zhuǎn)矩為0，以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。但是同步電動(dòng)機(jī)空載時(shí)，電樞繞組流過(guò)較小的三相交流電流。如果忽略同步電機(jī)空載時(shí)的電樞電流（定子電流），即，同步電動(dòng)機(jī)只有轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁繞組里通入直流勵(lì)磁電流，勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)稱勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)，用表示。由于轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，是一個(gè)空間向量。而勵(lì)磁電流是直流，且勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)相對(duì)于轉(zhuǎn)子而言是靜止的。但轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速相對(duì)于

74、定子旋轉(zhuǎn)，所以勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)相對(duì)于定子也以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，被稱為空載磁動(dòng)勢(shì)。無(wú)論是同步電動(dòng)機(jī)還是同步發(fā)電機(jī)，勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)均被稱為空載磁動(dòng)勢(shì)。如圖3-2所示。</p><p>　　圖3-2 凸極同步電機(jī)的空載磁動(dòng)勢(shì)與直軸和交軸</p><p>　　對(duì)于凸極同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子（有明顯凸出的磁極）和異步電機(jī)轉(zhuǎn)子明顯不同，所以磁動(dòng)勢(shì)和磁通分析方有很大的不同。為了方便分析同步電機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)和磁通，需要

75、依照轉(zhuǎn)子設(shè)置一個(gè)坐標(biāo)，即把轉(zhuǎn)子一個(gè)N極和與其相鄰的一個(gè)S極的中心線稱縱軸，或稱d軸；與縱軸相距90°空間電角度的地方稱橫軸，或稱q軸，如圖3-3 所示。顯然d軸與q軸都隨著轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)。這樣勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)便設(shè)定為作用在縱軸方向，產(chǎn)生的磁通如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 同步電機(jī)的空載磁通</p><p>　　把由勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的磁通叫勵(lì)磁磁通（空載磁通），用表示

76、。顯然經(jīng)過(guò)的磁路是依縱軸對(duì)稱的磁路，并且隨著轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)。定子繞組切割，并在其中感應(yīng)電勢(shì)，被稱為空載電勢(shì)，顯然定子繞組的空載電勢(shì)與有關(guān)。</p><p>　　當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)負(fù)載以后，電樞繞組產(chǎn)生三相合成旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)（這點(diǎn)與異步電機(jī)相同），用空間向量表示。的出現(xiàn)對(duì)原空載磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生一定的影響，并使氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生顯著變化，這就是同步電機(jī)的電樞反應(yīng)。由于同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行原理是定子繞組產(chǎn)生的磁極吸引轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)動(dòng)，那么同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)

77、向亦是旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速。同步電動(dòng)機(jī)負(fù)載以后，其定子磁動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)雖然均為同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，但是二者在空間卻不一定位置相同，大部分情況是一個(gè)在前，一個(gè)在后（而且隨運(yùn)行狀態(tài)而變）。這給分析同步電機(jī)的電樞反應(yīng)帶來(lái)了困難。</p><p>　　2.同步電機(jī)的電樞磁動(dòng)勢(shì)與磁通分布</p><p>　　前面已經(jīng)分析了空載磁動(dòng)勢(shì)作用在縱軸方向，而與的轉(zhuǎn)速雖然相同，但空間位置不同，必然的作用

78、方向不在縱軸上。由于凸極式同步電機(jī)沿定子內(nèi)圓的圓周方向氣隙很不均勻，極面下（d軸處）的氣隙小，兩極之間（q軸處）的氣隙較大。這樣產(chǎn)生的氣隙磁通在q軸處有較小的磁通，在d軸處有較大的磁通，如圖3-4所示。</p><p>　　圖3-4 凸極式同步電機(jī)的電樞磁動(dòng)勢(shì)和磁通分布波形</p><p>　　從圖3-4可見(jiàn)，由于凸極同步電機(jī)氣隙不是均勻分布，導(dǎo)致其氣隙磁通在空間呈現(xiàn)非正弦分布。這樣即

79、使知道了電樞磁通勢(shì)的大小和位置，求解磁通也非常困難。為此必須尋求一個(gè)合適的分析方法——同步電機(jī)的雙反應(yīng)原理。</p><p>　　3.2.2 同步電機(jī)的雙反應(yīng)理論</p><p>　　由于穩(wěn)態(tài)時(shí)電樞磁動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子之間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電樞磁動(dòng)勢(shì)與勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)的相對(duì)位置已知時(shí)，如圖3-5(a)所示?？梢匀藶榈匕央姌写磐▌?shì)分成兩個(gè)正弦分量；一個(gè)分量是縱軸電樞磁動(dòng)勢(shì)，用表示，作用在縱軸方向；另一個(gè)分量是

80、橫軸電樞磁動(dòng)勢(shì)，用表示，作用在橫軸方向。即（3—1）</p><p>　　其分布波形可用圖3-5所示。</p><p>　　圖3-5 電樞磁動(dòng)勢(shì)及交軸和直軸分量</p><p>　　這樣可以單獨(dú)考慮正弦磁動(dòng)勢(shì)或在電機(jī)主磁路里產(chǎn)生磁通的情況。從圖3-5可見(jiàn)，永遠(yuǎn)作用在縱軸方向，而永遠(yuǎn)作用在橫軸方向，盡管氣隙還不是均勻的，但對(duì)縱軸或橫軸來(lái)說(shuō)，磁路均為對(duì)稱，這就給分析帶

81、來(lái)了方便。這種處理問(wèn)題的方法，稱為雙反應(yīng)原理。</p><p>　　由縱軸電樞磁動(dòng)勢(shì)單獨(dú)在電機(jī)的主磁路里產(chǎn)生的磁通，稱縱軸電樞磁通，用表示，如圖3-6（a）所示。而橫軸電樞磁動(dòng)勢(shì)單獨(dú)在電機(jī)的主磁路里產(chǎn)生的磁通，稱橫軸電樞磁通，用表示，如圖3-6（b）所示。和都以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。</p><p>　　(a) (b)<

82、;/p><p>　　圖3-6 電樞磁通</p><p>　　(a) 直軸電樞磁通； (b) 交軸電樞磁通</p><p>　　另外，除了和產(chǎn)生的主磁通外，還要產(chǎn)生漏磁通，關(guān)于漏磁通的處理方法與異步電機(jī)相同。</p><p>　　從第六章分析知道，電樞磁動(dòng)勢(shì)的大小為</p><p><b>　?。?-2）&l

83、t;/b></p><p>　　這樣縱軸電樞磁動(dòng)勢(shì)可以寫(xiě)成</p><p><b>　　（3-3）</b></p><p><b>　　橫軸電樞磁動(dòng)勢(shì)寫(xiě)成</b></p><p><b>　　（3-4）</b></p><p>　　根據(jù)交流繞組相矢

84、圖的基本原理，磁動(dòng)勢(shì)與產(chǎn)生磁動(dòng)勢(shì)的電流同相位，所以與同相位，與在相矢圖同相位。根據(jù)和的相位關(guān)系可知，和之間的夾角為90°，且有</p><p><b>　　(3-5)</b></p><p>　　根據(jù)式（3-5），可以把電樞電流按相量的關(guān)系分成兩個(gè)分量：一個(gè)是直軸分量，產(chǎn)生了磁通勢(shì)；另一個(gè)是交軸分量，產(chǎn)生了磁通勢(shì)。</p><p>　

85、　顯然通過(guò)雙反應(yīng)原理的應(yīng)用，將一個(gè)電樞磁動(dòng)勢(shì)的電樞反應(yīng)的復(fù)雜問(wèn)題轉(zhuǎn)化成了直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)和交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)兩個(gè)電樞反應(yīng)的簡(jiǎn)單問(wèn)題。</p><p>　　3.2.3 同步電機(jī)的電壓平衡方程式及相量圖</p><p>　　1.凸極同步電機(jī)的電壓平衡方程</p><p>　　根據(jù)以上的分析可知，負(fù)載以后同步電機(jī)中有勵(lì)磁磁通、交軸電樞反應(yīng)磁通和直軸電樞反應(yīng)磁通，它們都是以同步轉(zhuǎn)

86、速旋轉(zhuǎn)，它們?cè)诙ㄗ永@組里感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)（空載電勢(shì)），直軸電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，交軸電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。如果按圖3-7的所示參考方向，即用電動(dòng)機(jī)慣例定向。</p><p>　　圖3-7 同步電動(dòng)機(jī)各電量的參考方向</p><p>　　根據(jù)這一定向，可得同步電動(dòng)機(jī)相電壓平衡方程如下：</p><p><b>　　(3-6)</b></p>

87、;<p>　　式中，為定子繞組相電阻；為定子繞組相漏電抗。</p><p>　　為了分析簡(jiǎn)單，不考慮磁路飽和，認(rèn)為磁路線性。即有</p><p><b>　??；</b></p><p>　　和異步電機(jī)類似，電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可以表示為電流和電抗降的形式，即</p><p><b>　?。?-7）<

88、;/b></p><p>　　式中， 是比例常數(shù)，稱為直軸電樞反應(yīng)電抗；是比例常數(shù)，稱為交軸電樞反應(yīng)電抗。對(duì)同一臺(tái)電機(jī)，和都是常數(shù)。</p><p>　　將式（3-7）帶入式（3-6）得</p><p><b>　　(3-8)</b></p><p>　　將式（3-5）帶入式（3-8）得</p>&l

89、t;p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　一般情況下，當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)容量較大時(shí)，可以忽略電阻。于是</p><p><b>　　(3-10)</b></p><p>　　式中，稱為直軸同步電抗；稱為交軸同步電抗。對(duì)同一臺(tái)電機(jī)，和都是常數(shù)，可以用實(shí)驗(yàn)和計(jì)算的方法求得。</p><p&

90、gt;　　結(jié)合同步電機(jī)的電勢(shì)方程，其電磁關(guān)系可表示為如下關(guān)系,即</p><p>　　2.凸極同步電機(jī)的電勢(shì)相量圖</p><p>　　根據(jù)式（3-8）可以畫(huà)出同步電機(jī)的相矢圖（領(lǐng)先型），如圖3-8所示。</p><p>　　圖3-8 凸極同步電機(jī)相矢圖（用電樞反應(yīng)電抗表示）</p><p>　　根據(jù)式(3-10)可以畫(huà)出凸極同步電動(dòng)機(jī)相量圖

91、（領(lǐng)先型）如圖3-9所示。</p><p>　　圖3-9 凸極同步電機(jī)相量圖（忽略定子繞組，用同步電抗表示）</p><p><b>　?。?）功率因數(shù)角</b></p><p>　　從圖3-9中可見(jiàn)，是電樞電壓與是電樞電流之間的夾角，稱為功率因數(shù)角，用它可以表示電樞電壓和電樞電流之間的相位關(guān)系，即同步電機(jī)從電網(wǎng)取的功率情況，按電動(dòng)機(jī)慣例有

92、</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　顯然功率因數(shù)角時(shí)，同步電機(jī)從電網(wǎng)取得功率，電機(jī)運(yùn)行與電動(dòng)機(jī)狀態(tài)。</p><p>　?。?）功率角（也稱功角）</p><p>　　相量圖中，功率角是電樞電壓和空載電勢(shì)之間的夾角，稱為功率角。功率角的含義很豐富。除了表示電動(dòng)勢(shì)與之間的夾角，即時(shí)間電角

93、度外。第二個(gè)含義是，產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)與作用在同步電動(dòng)機(jī)主磁路上總的合成磁動(dòng)勢(shì)（）之間的角度，這是個(gè)空間電角度。對(duì)應(yīng)著，近似地對(duì)應(yīng)著。如果把磁動(dòng)勢(shì)用一個(gè)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的“等效磁極”表示，同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行可以看成等效磁極拖著轉(zhuǎn)子磁極以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，如圖3-10所示。</p><p>　　圖3-10 功率角的空間含義</p><p>　　而同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行是轉(zhuǎn)子磁極在前，等效磁極在后，即轉(zhuǎn)子

94、拖著等效磁極旋轉(zhuǎn)。由此可見(jiàn)，同步電機(jī)作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行還是作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，要視轉(zhuǎn)子磁極與等效磁極之間的相對(duì)位置來(lái)決定。</p><p><b>　?。?）內(nèi)功率因數(shù)角</b></p><p>　　由于是電樞電流與之間的夾角，稱為內(nèi)功率因數(shù)角。同時(shí)有</p><p><b>　　（3-12）</b></p><p

95、>　　上述三個(gè)角度：功率因數(shù)角、內(nèi)功率因數(shù)角和功率角在分析凸極同步電動(dòng)機(jī)時(shí)非常有用。</p><p>　　3．隱極同步電動(dòng)機(jī)的電勢(shì)方程和相量圖</p><p>　　對(duì)于隱極式同步電動(dòng)機(jī)，電機(jī)的氣隙是均勻的。這時(shí)同步電動(dòng)機(jī)的直軸同步電抗和交軸同步電抗在數(shù)值上相等，即</p><p><b>　?。?-13）</b></p>&

96、lt;p>　　式中，為隱極同步電動(dòng)機(jī)的同步電抗。</p><p>　　由此可得隱極同步電動(dòng)機(jī)的電勢(shì)方程可寫(xiě)為：</p><p><b>　?。?-14）</b></p><p>　　根據(jù)式（3-14）可一繪出隱極式同步電機(jī)電動(dòng)勢(shì)相量圖如3-11所示</p><p>　　圖3-11 隱極式同步電機(jī)電動(dòng)勢(shì)相量圖<

97、;/p><p>　　3.3同步電動(dòng)機(jī)的功率關(guān)系與矩角特性</p><p>　　3.3.1同步電動(dòng)機(jī)的功率方程及轉(zhuǎn)矩方程</p><p><b>　　1．功率方程</b></p><p>　　同步電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)，若轉(zhuǎn)子勵(lì)磁損耗由另外的直流電源供給，同步電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)吸收的有功功率為，扣除定子的銅損耗、其余部分為電磁功率，即&

98、lt;/p><p><b>　　（3-15）</b></p><p>　　從電磁功率中扣除定子鐵耗和機(jī)械損耗后，其余部分轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功率輸出給負(fù)載，即</p><p><b>　　(3-16)</b></p><p>　　其中鐵損耗與機(jī)械摩擦損耗之和稱為空載損耗，即</p><p>

99、;<b>　?。?-17）</b></p><p>　　式（3-15）和式(3-16)聯(lián)合表明了電動(dòng)機(jī)的功率傳遞關(guān)系，稱為功率方程。通常同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子直流勵(lì)磁功率也應(yīng)計(jì)入總損耗之中。</p><p><b>　　2．電磁功率</b></p><p>　　當(dāng)忽略同步電動(dòng)機(jī)的定子電阻時(shí)，電磁功率為</p>&l

100、t;p><b>　　(3-18)</b></p><p>　　從圖3-9可見(jiàn)，將其帶入式(3-18)得</p><p><b>　　（3-19）</b></p><p>　　根據(jù)圖3-9中的幾何關(guān)系有</p><p><b>　?。?-20）</b></p>

101、<p>　　將式（3-12）帶入式（3-19）得</p><p><b>　?。?-21）</b></p><p>　　再將式（3-20）帶入式（3-21）得</p><p><b>　　（3-22）</b></p><p><b>　　已知，并帶入上式得</b>&

102、lt;/p><p><b>　?。?-23）</b></p><p><b>　　3．轉(zhuǎn)矩方程</b></p><p>　　根據(jù)電磁功率，可以比較方便地計(jì)算同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，即</p><p><b>　?。?-24）</b></p><p>　　式中，是

103、同步電動(dòng)機(jī)的同步角速度。</p><p>　　根據(jù)功率方程式(11—17)可得同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程為</p><p><b>　　(3-25)</b></p><p><b>　　式中，為空載轉(zhuǎn)矩。</b></p><p>　　式(3-25)表明，同步電動(dòng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，從定子輸入的電功率（忽略定子繞

104、組電阻）轉(zhuǎn)變的電磁轉(zhuǎn)矩與空載轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，電機(jī)有穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，并輸出穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩，即。</p><p>　　根據(jù)式（3-24）可得電磁轉(zhuǎn)矩為</p><p><b>　　(3-26)</b></p><p>　　3.3.2同步電動(dòng)機(jī)的功角特性</p><p>　　當(dāng)定子加額定電壓，勵(lì)磁電流不變，和均為常數(shù)時(shí)，同步電動(dòng)

105、機(jī)的電磁功率與功率角的關(guān)系，稱為同步電動(dòng)機(jī)的功角特性，即。同步電動(dòng)機(jī)的功角特性是同步電機(jī)重要特性之一。</p><p>　　從式（3-23）可見(jiàn)，當(dāng)電機(jī)參數(shù)、為已知時(shí)，電磁功率與功率角之間的關(guān)系可以很方便的確定，而且由兩部分組成。式（3-23）右邊第一部分與勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)成正比，即與勵(lì)磁電流大小有關(guān)，稱為勵(lì)磁電功率。第二項(xiàng)是由于引起，也就是因電機(jī)轉(zhuǎn)子是凸極引起的，因此稱為凸極電磁功率。即使同步電動(dòng)機(jī)沒(méi)有勵(lì)磁電流（），

106、只要轉(zhuǎn)子為凸極時(shí)（即存在），凸極電磁功率就會(huì)出現(xiàn)。當(dāng)電機(jī)氣隙均勻時(shí)，例如隱極式同步電機(jī)，，不存在凸極電磁功率。</p><p>　　根據(jù)前面分析結(jié)果，勵(lì)磁電磁功率為</p><p><b>　　(3-27)</b></p><p>　　式中，為勵(lì)磁電磁功率的最大值。當(dāng)時(shí)，。</p><p><b>　　凸極電磁

107、功率為</b></p><p><b>　　(3-28)</b></p><p>　　式中，為凸極電磁功率的最大值。當(dāng)時(shí)，。</p><p>　　根據(jù)式(3-26) ~ (3-28)繪出凸極同步電動(dòng)機(jī)的功角特性曲線，如圖3-12所示。</p><p>　　圖3-12 凸極同步電動(dòng)機(jī)的功角特性曲線</

108、p><p>　　圖3-12中曲線1為勵(lì)磁電磁功率與的關(guān)系曲線，曲線2為凸極電磁功率與的關(guān)系曲線，曲線3為合成的總電磁功率與的關(guān)系曲線，可見(jiàn)的最大電磁功率對(duì)應(yīng)與小于90°的地方。</p><p>　　對(duì)于隱極式同步電機(jī)，，于是電磁功率為</p><p><b>　?。?-29）</b></p><p>　　式（3-2

109、9）為同步電動(dòng)機(jī)的功角特性，它沒(méi)有凸極電磁功率這一項(xiàng)。其最大電磁功率為</p><p><b>　?。?-30）</b></p><p>　　3.3.3同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性</p><p>　　當(dāng)定子加額定電壓，勵(lì)磁電流不變，和均為常數(shù)時(shí)（以下在討論同步電動(dòng)機(jī)特性和運(yùn)行時(shí)，沒(méi)有特別說(shuō)明這一條件不變），同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與功率角的關(guān)系，稱為同步

110、電動(dòng)機(jī)的矩角特性，即，這個(gè)特性與功角特性僅差一個(gè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度，對(duì)于同步電機(jī)是常數(shù)。這樣式（3-26)表示的矩角特性曲線與功角曲線有相同的形狀，它們之間只差一個(gè)比例尺。把凸極同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與功率角的關(guān)系也可畫(huà)出來(lái)，其形狀如圖3-12所示。</p><p>　　對(duì)于隱極式同步電機(jī)，在某固定勵(lì)磁電流條件下，根據(jù)式（3-29），可以得到隱極式同步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與功率角的關(guān)系為 </p><p

111、><b>　?。?-31）</b></p><p><b>　　其最大電磁轉(zhuǎn)矩為</b></p><p><b>　　（3-32）</b></p><p>　　根據(jù)式（3-31），可以繪出隱極式同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性，如圖3-13所示。</p><p>　　圖3-13 隱極

112、式同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性</p><p>　　3.3.4 同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行</p><p>　　下面以隱極式同步電動(dòng)機(jī)為例，簡(jiǎn)單分析同步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的問(wèn)題。</p><p>　　1． 同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行范圍</p><p>　　當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)機(jī)械負(fù)載運(yùn)行在的范圍內(nèi)某一點(diǎn)，如圖3-14中的</p><p>　　圖3-

113、14 同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性</p><p>　　時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等，拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。如果由于某種原因，負(fù)載轉(zhuǎn)矩突然變由增大為，同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩同時(shí)也必需增加至。根據(jù)式（3-29），當(dāng)勵(lì)磁電流不變時(shí)，這時(shí)角必將增大至，這表明不但和之間的夾角增大，轉(zhuǎn)子也會(huì)有一個(gè)短暫地減速，使功率角增大為。可見(jiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加，電磁轉(zhuǎn)矩也會(huì)增加，電機(jī)繼續(xù)同步運(yùn)行，不過(guò)這時(shí)運(yùn)行在角度上。如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩又恢復(fù)為，電動(dòng)機(jī)的角恢

114、復(fù)為，所以電動(dòng)機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。</p><p>　　2. 同步電動(dòng)機(jī)的不穩(wěn)定運(yùn)行范圍</p><p>　　當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)機(jī)械負(fù)載運(yùn)行在的范圍內(nèi)某一點(diǎn)，如圖11—17中的</p><p>　　圖3-15 同步電動(dòng)機(jī)非穩(wěn)定性運(yùn)行</p><p>　　時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡。如果由于某種原因，負(fù)載轉(zhuǎn)矩突然變由增大為，當(dāng)勵(lì)磁電流不變時(shí)，這

115、時(shí)角必將增大至。根據(jù)式（3-29），由于，使得處的電磁轉(zhuǎn)矩小于處的電磁轉(zhuǎn)矩，即。于是，電動(dòng)機(jī)的角必將進(jìn)一步增加，電磁轉(zhuǎn)矩也會(huì)進(jìn)一步減小。這樣發(fā)展下去，電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速會(huì)偏離同步速，即失去同步（也稱失步）而無(wú)法工作?？梢?jiàn)，在范圍內(nèi)，電機(jī)不能穩(wěn)定運(yùn)行。</p><p>　　綜合以上分析可見(jiàn)：和異步電動(dòng)機(jī)一樣，同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也不能超過(guò)其最大轉(zhuǎn)矩，否則同步電動(dòng)機(jī)將進(jìn)入不穩(wěn)定運(yùn)行范圍。</p><p

116、>　　同步電動(dòng)機(jī)的最大電磁轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比，叫過(guò)載倍數(shù)，用表示。即</p><p><b>　?。?-33）</b></p><p>　　根據(jù)式（3-33）隱極式同步電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)，。對(duì)凸極式同步電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行的功率角還要小些。</p><p>　　當(dāng)負(fù)載改變時(shí)，角隨之變化，使同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率跟著變化，以達(dá)到相平衡的狀態(tài)