电机及拖动基础第八章

第8章同步电动机8.1同步电机的结构和工作原理8.1.1同步电机的主要结构同步电机同交流感应电机一样，由定子和和转子两大部分组成。定子上有三相交流绕组；转子上有励磁绕组，通入直流励磁电流，产生磁场。同步电机分为发电机、电动机和补偿机。同步电机的定子也称为电枢，其构造与感应电动机一样，包括定子铁芯、三相电枢绕组、机座和端盖等部件。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利★同步电机的定子铁芯是由硅钢片冲压后叠装而成的。★大型同步电机冲片外圆的直径大于1m时，由于受材料尺寸所限，定子铁芯冲片做成扇形的,如图8-1所示,然后拼合叠装成圆形。★小型同步电机定子绕组电压较低，如400V;★大型同步电机定子绕组电压较高，因此它对绕组绝缘材料的要求也较高。高压定子绕组常采用云母带作为绝缘材料。1.定子21世纪高等学校规划教材张方谢胜利21世纪高等学校规划教材张方谢胜利电机的机座用于支撑定子铁芯，固定定子绕组，同时，它也是电机磁路的一部分。中小型同步电动机的机座、端盖和异步电机一样；大型同步电机的机座常由钢板焊接而成，其结构形式与采用的通风系统有直接关系。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利2.转子同步电机的转子有两种结构形式即凸极式和隐极式。图8-2（a）所示为凸极式转子的示意图。沿着转子的圆周安装凸出的磁极，由直流电励磁产生磁通，其磁通对转子是不变化的，因此转子不需要用硅钢片来制造。在一般情况下，转子的磁极铁芯由普通的薄钢片冲压制成如图8-3所示的形状，然后叠装成转子。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利21世纪高等学校规划教材张方谢胜利21世纪高等学校规划教材张方谢胜利磁极的铁芯上放置集中的励磁绕组。整个磁极利用T形尾部固定在磁轭上，如图8-4所示。

磁极的表面装设笼型短路绕组，在发电机中称为阻尼绕组，在电动机中称为起动绕组。图8-5所示为同步电机转子上的阻尼绕组的结构形式。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利21世纪高等学校规划教材张方谢胜利21世纪高等学校规划教材张方谢胜利图8-2（b）所示为隐极式转子的示意图。转子上没有凸出的磁极。沿着转子的圆周上有槽和齿，槽的部分约占圆周的2/3。励磁绕组是分布的，分布在各槽中。圆周上没有绕组的部分形成的所谓大齿，是磁极的中心区域。凸极式转子的优点是制造方便，缺点是机械强度较差，因此多用在离心力较小、转速较低的电机中，如水轮发电机。水轮发电机极数较多、转速较慢、轴向较短、径向较长。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利隐极式转子的优点是机械强度较好，但是其制造工艺较复杂，因此多用在离心力较大、转速较高的电机中，如气轮发电机。气轮发电机的转速较高、离心力较大、轴向较长、径向较短，因此多采用隐极结构。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利3.

冷却问题介绍

在中、小型电机中，都采用空气作为冷却介质。当空气从电机内部流过时，将电机产生的热量带走。当电机的容量很大时，电机内部的损耗及发热量迅速增加，冷却问题显得格外重要，此时必须加强通风或采用其他的冷却方式，否则电机的出力将受到限制，制造容量也不可能很大。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利在大型气轮发电机中，为了提高冷却效率，往往不用空气作为冷却介质，而采用氢气冷却，这是因为氢气的比重比空气小，所以在旋转时产生的摩擦损耗大为减小；同时，氢气的导热率比空气大，散热良好。所以，采用氢气冷却后，可以降低电机的通风损耗及温升，发电机容量也可以得到提高。但是氢气与空气混合后。有爆炸的危险，因此必须有一套控制设备来保护外界空气不会渗入到电机内部。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利目前，在更大容量的发电机中，可以采用导线内部直接冷却。所谓内部直接冷却，就是使冷却介质直接与铜线相接触。例如，采用空心导体，如图8-6所示，冷却介质直接在导体中流通，从而把热量带走，这样能更有效地降低电机的温升。采用的冷却介质一般有氢气及水。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利21世纪高等学校规划教材张方谢胜利4.同步电机的额定值（1）额定电压UN是指在正常运行时，按照制造厂的规定，定子三相绕组上的线电压。电压的单位用V或kV表示。（2）额定电压IN是指在正常运行时，按照制造厂的规定，流过定子绕组上的线电流。电流的单位用A表示。（3）额定电压PN是指在正常运行时，电机的输出功率。对于发电机是指输出的电功率；对于电动机是指输出的机械功率。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利它们与额定电压和额定电流之间有如下关系：发电机电动机PN的单位为kW（4）相数m，一般m=3。（5）额定频率fN，我国额定工业频率规定fN=50Hz。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利（6）额定转速nN为电动机的同步转速，当极数及频率一定时，其转速是定值，即（7）国产同步电动机的型号如TD118/41-6,其含义为21世纪高等学校规划教材张方谢胜利8.2

同步电动机的工作原理同步电机也是一种交流电机,按运行方式和功率传递关系,分为同步发电机和同步电动机两种。同步电动机运行时，转子转速与同步转速保持着严格的相等关系，所以称为同步电动机。

同步电动机定子三相对称绕组接到三相对称交流电源上时，就会产生圆形旋转磁动势，这个磁动势一般称为电枢磁动势Ḟa。它的转速为同步转速。先不考虑同步电动机的起动过程，且认为它的转子也以同步转速运转。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利转子励磁绕组通入直流励磁电流后将产生直流磁动势，当转子旋转后，使它变成旋转磁动势Ḟ0，Ḟ0也以同步转速n1旋转，且转向与电枢磁动势Ḟa同向，即两者相对静止。在定、转子磁场的相互作用下，电动机转子受磁吸力的作用，随着气隙合成磁场一同旋转，电动机转子的转速一定和气隙磁场的旋转速度是同步的。电枢磁动势的转速只取决于电源频率和电机的极对数。其工作原理如图8-7所示。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利21世纪高等学校规划教材张方谢胜利

8.3同步电动机的运行特性

8.3.1同步电动机定子电压方程1．同步电动机的磁动势当同步电动机稳定运行时，其气隙内存在着电枢磁动势Ḟa和励磁磁动势Ḟ0，二者转向相同，转速均为同步转速n1，因而二者在空间相对静止，但二者在空间的位置却不一定相同。一般Ḟa在前，Ḟ0在后。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利为了分析方便，不考虑主磁路有饱和现象，并认为主磁路是线性磁路，这样可以利用叠加原理分别考虑各个以感应电动势的形式反映定子电路中的作用及其结果。最后把相绕组里的各个电动势根据基尔霍夫定律一起考虑。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利在同步电动机运行时，转子励磁磁动势Ḟ0是不变的（不调节时），而电枢磁动势Ḟa则随轴上负载的变化而变化，如同直流电动机的电枢磁动势随轴上负载而改变一样。因此，在分析同步电动机的磁动势时，将转子励磁磁动势Ḟ0作为主磁场，并将坐标取在转子上，即将转子磁极中心线定为纵轴d，与纵轴d相距90度空间角度的轴为横轴q，如图8-8（a）所示。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利21世纪高等学校规划教材张方谢胜利转子励磁磁动势Ḟ0总是作用在d轴方向上，它产生的磁通用表示。由于以同步转速旋转，因此它要切割定子绕组并在定子绕组中产生感应电动势Ė0。电枢磁动势Ḟa也要产生磁通。由于Ḟa的大小、相位由定子电流I决定，而定子电流又由负载大小决定，因此在不同的负载下，Ḟa和Ḟ0空间相位不同。也就是说，Ḟa相对于Ḟ0的空间位置不同。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利对于隐极式同步电动机来说，由于气隙均匀，在相对于转子d轴的不同位置处，通过时磁路磁阻可认为是相同的，因此不存在分析上的困难。对于凸极式同步电动机来说，由于气隙不均匀，因此相对于转子d轴的不同位置处，磁路磁阻不相等，则Ḟa形成的便不同，这给定量分析凸极式同步电动机的电磁关系带来了困难。因此，凸极式同步电动机采用双反应理论来分析它的电磁关系。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利2．凸极式同步电动机的双反应原理把电枢磁动势Ḟa分解成两个量：纵轴电枢磁动势Ḟad，作用在纵轴方向上；横轴电枢磁动势Ḟaq，作用在横轴方向上。如图8—3（a）所示。即21世纪高等学校规划教材张方谢胜利这种分解是等效的，即Ḟad和Ḟaq分别存在，共同作用的效果等于Ḟa作用的效果。尽管气隙不均匀，但对Ḟad、Ḟaq来说，它们都是对称磁路。Ḟad产生的磁通称为纵轴电枢磁通；Ḟaq产生的磁通称为横轴电枢磁通。根据同步电动机的磁路特点用矢量分解法处理。如图8—8（b）（c）所示。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利由前面的分析可知，电枢磁动势的大小为纵轴电枢磁动势Ḟad为横轴电枢磁动势Ḟaq为21世纪高等学校规划教材张方谢胜利考虑到的关系，则有。也就是说，在利用双反应原理分析磁动势时，可直接把电枢电流分解成两个分量，即纵轴电枢电流Id和横轴电枢电流Iq；

Id产生Ḟad，Iq产生Ḟaq。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利3．凸极同步电动机的电压平衡方程式由于、、均以同步转速同方向旋转，因此它们切割定子绕组并分别在定子绕组中感应电动势。励磁磁通感应的电动势为Ė0；感应的电动势用Ėad表示；感应的电动势用Ėaq表示。根据图8-9绘出的同步电动机定子一相绕组各物理量的正方向，可列出该回路的电压方程式，即（8-1）21世纪高等学校规划教材张方谢胜利式中：R1为定子一相绕组的电阻；X1为定子一相绕组的漏电抗。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利由于不计饱和影响，磁路是线性的，即Rm＝常数，因此Φ∝F，又因e=BLV，所以E∝Φ（U恒定）。由于F∝I，因此感应电势E正比于形成它的电流。这样就可将电动势表达成电流的压降形式，即

Ėad=－jİdXad

(8—2)

Ėaq

=－jİqXaq

(8—3)式中：Xad为纵轴电枢反应电抗；Xaq为横轴电枢反应电抗。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利将式(8—2)，(8—3)代入式(8—1)得：

式中：称为纵轴同步电抗；

称为横轴同步电抗。

21世纪高等学校规划教材张方谢胜利一般情况下，当同步电动机容量较大时，可以忽略R1。则有（8—4）对于同一台电机，Xd，Xq都是常数，它们可以通过计算或实验的方法求取。图为8—10所示为根据式（8—4）画出的İ领先Ù时的电动势相量图。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利21世纪高等学校规划教材张方谢胜利图中Ù与İ之间的夹角为

，是功率因数角；

－Ė0与İ之间的夹角为ψ；－Ė0与Ù之间的夹角为θ，θ角又称为功角；综上所述，凸极同步电动机的电磁关系如图8-11所示。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利4．隐极同步电动机隐极同步电动机，其气隙是均匀的，表现的参数，如纵轴、横轴同步电抗Xd、Xq是相等的，即Xd=Xq=Xc式中：Xc为隐极同步电动机的同步电抗隐极同步电动机同步电压平衡方程式为（不计定子每相电阻）（8—5）21世纪高等学校规划教材张方谢胜利图8-12是隐极式电动机电动势相量图。

21世纪高等学校规划教材张方谢胜利

[例8-1]已知一台隐极式同步电动机的端电压标么值U*＝1，电流的标么值I*＝1，同步电抗的标么值Xc*和功率因数cos

＝1（忽略定子电阻）。求：（1）画出这种情况的电动势相量图；（2）E0*，即E0的标么值；（3）θ角。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利解：（1）图8-13所示为这种情况下的电动势相量图；（2）从8-13相量图中直接看出，等边直角三角形斜边长为，即

（3）从图8-13中可以看出，这种情况下θ＝450。T0是同步电动机的空载转距；是同步电动机的电磁转距。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利21世纪高等学校规划教材张方谢胜利8.3.2同步电动机的功率关系和转矩在电网中运行的同步电动机，从电网吸收的有功率批P1=3U1I1cos

，减去定子上绕组的铜耗pCu=3I2R1后，就转变为电磁功率PT=P1－pCu从电磁功率PT里再减去铁损耗pFe和机械摩擦损耗pm，余下的机械功率输出给负载，即P2=PT－pFe－

pm（8-6）其中，铁损耗pFe与机械摩擦损耗pm之和为空载损耗，即p0=pFe+

pm

21世纪高等学校规划教材张方谢胜利图8-14所示为同步电动机功率流程图。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利把式（8－6）等号两端同除以同步角速度Ω1，就得到同步电动机的转矩平衡方程式，即式中:是电动机的同步角速度;T2同步电动机的输出转矩；T0同步电动机的空载转矩；同步电动机的电磁转矩。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利[例8－2]已知一台三相六极同步电动机的数据如下：额定容量PN＝250kW,额定功率因数cos

＝0.8，额定效率ηN=88%，定子绕组为Y接，每相电阻R1=0.03求：（1）额定运行时输入定子的电功率P1；（2）额定电流IN；（3）额定运行时的电磁功率PT；（4）额定电磁转矩T。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利解（1）额定运行时输出定子的电功率（2）额定电流（３）额定电磁功率

21世纪高等学校规划教材张方谢胜利(4)额定电磁转矩

21世纪高等学校规划教材张方谢胜利8.3.3同步电动机的功角特性和矩角特性１.功角特性同步电动机的功角特性是指在定子电压、频率及转子励磁电流不变时，电磁功率PT与功角θ的关系。功角特性公式用凸极同步电动机的相量图推导。不计定子电阻时，电磁功率为根据图8-10可知,=ψ-θ,则电磁功率PT为

21世纪高等学校规划教材张方谢胜利根据图8-10，可知因此PT为

（8－7）

21世纪高等学校规划教材张方谢胜利其中，PT′称为基本电磁功率，它与励磁电动势E0成正比，是功角θ的正弦函数，波形如图8-15曲线1所示。当θ=900时,PT′为最大，其值为。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利PT′′为附加电磁功率，它与励磁电流IL大小无关，是由于参数Xd≠Xq引起的，即因为电动机的转子凸极式而引起的，它是功角的正弦函数，其最大值P′′max发生在θ=450时，波形如图8-15曲线2所示，其值为。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利21世纪高等学校规划教材张方谢胜利图8-15中的曲线3是总的电磁功率PT与功角θ的关系曲线，即同步电动机的功角特性PT=f（θ）。由此可见，发生最大电磁功率Pmax的θ小于900。隐极式同步电动机由于气隙均匀，其参数Xd=Xq=Xc，因此PT′′等于零，则它的电磁功率PT的表达式为（8-8）21世纪高等学校规划教材张方谢胜利其功角特性如图8-16所示。当θ=900时，最大电磁功率为2.矩角特性把式（8-7）等号两端同乘以机械角速度，得电磁转矩为

（8-9）

电磁功率与T、功角θ的关系，称为矩角特性。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利凸极同步电动机的电磁功率也包含两部分，T=T′+T"，其值为为基本电磁转矩，为附加电磁转矩。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利对隐极式同步电动机，由于气隙均匀，Xd=Xq=Xc

因此T"=0，其电磁转矩与功角的关系为（8－10）由式（8－10）可知，当θ＝900时电磁转矩T最大，其最大值为21世纪高等学校规划教材张方谢胜利3.功角的物理意义当同步电动机所加的电压U及励磁电流IL的大小不变时，电磁转矩T的大小随功角θ的变化而变化。当同步电动机以同步转速稳定运行时，其电磁转矩与负载转矩平衡。一定的负载转矩要求一定的功角θ。功角θ在相量图中表示为电压Ù与－Ė0

之间的夹角，是一个时间电角度。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利它的另一层的含义是，当忽略定子绕组的电阻R1和漏抗X1时，定子绕组的电压方程式可写成Ù≈－Ė0－Ėa=－∑Ė。根据电磁理论，磁动势比它所产生的电动势在相量图中应超前900电角度。Ė0是由励磁磁动势ḞL

产生的，

∑Ė=Ėa+Ė0是由合成磁动势∑Ḟ=ḞL+Ḟa产生的，因此ḞL超前Ė0900，∑Ḟ超前

∑Ė900，如图8-17（a）所示。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利功角θ

也是合成磁动势∑Ḟ在空间超前直流励磁磁动势ḞL的空间电角度。我们把∑Ḟ形象地表示为定子等效磁动极，由它拖着转子磁极以同步转速n1旋转，如图8－17（b）所示。功角θ为等效磁极轴线与转子磁极轴线之间的夹角。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利21世纪高等学校规划教材张方谢胜利4.稳定运行以隐极式同步电动机为例，当电动机的电磁转矩T与负载转矩TZ相平衡时，从图8-18中可以看到，对应同一个负载转矩在矩角特性上有两个交点A和B，其中交点A是稳定工作点，交点B是不稳定工作点。下面分析一下同步电动机稳定运行的条件。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利21世纪高等学校规划教材张方谢胜利（1）同步电动机拖动负载运行在θ=0~900范围内。在图8-18（a）中的A点处工作的电动机其θ=θ1，T=TZ

，转子以同步转速n1旋转。若负载转矩突然增大到TZ′，这时功角θ将增大，电磁转矩T也随θ的增大而按照正弦规律增大，当θ增大到θ2时，电磁转矩T′重新与负载转矩TZ′相平衡,即T′

=TZ′，转子又以同步转速运行。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利若负载转矩又减小到TZ，则角θ也减小到θ1，电磁转矩重新与负载转矩平衡，即T=TZ，转子仍以同转速运行。所以在00＜θ＜900范围内，同步电动机可以稳定工作。

(2)同步电动机拖动负载运行在θ＝900~1800范围内,如图8-18（b）所示。对图8-18（b）中的B点，同步电动机的θ=θ3，T=TZ。由于某种原因，负载转矩突然增大为TZ′，这时θ角要加大，21世纪高等学校规划教材张方谢胜利如为θ4对应的电磁转矩T′比增大了的负载转矩小，即T′

<TZ′

。动转矩是制动转矩，使转子继续减速，功角θ继续增大，工作点偏离B点愈来愈远，使转子的转速偏离同步速，即失去同步而无法工作；同理，若负载转矩减小，则转子会加速而使θ角减小，而电磁转矩T随θ值的减小而增加，动转矩使转子继续加速，在900＜θ＜1800为同步电动机的不稳定区。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利同步电动机所能提供的最大转矩有一个极限，这个极限就是θ=900时的最大电磁转矩,与异步电动机具有最大转矩一样。不同的是，同步电动机的最大转矩还可以通过励磁适当调节。为了同步电动机能够安全地带动负载工作，同时保证同步电动机的使用寿命，也必须使同步电动机具有一定的过载能力.21世纪高等学校规划教材张方谢胜利从这一点考虑，一般隐极式同步电动机在额定运行时，功角θN≈300~16.50

。最大电磁转矩Tmax与额定转矩TN之比称为过载倍数，用λM表示。比凸极同步电动机额定运行的功角还要小些。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利[例8—3]

已知一台隐极式同步电动机，额定电压UN＝6000V，额定电流IN＝71.5A，额定功率因数cos

＝0.9(领先性)，定子绕组为Y接，同步电抗Xc＝48.5Ω，忽略定子电阻Rl。当这台电机在额定运行，且功率因数cos

N＝0.9领先时，求：（1）空载电动势E0；（2）功角θ；（3）电磁功率PT；（4）过载倍数λM。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利解：(1)计算空载电动势E0。用标么值计算

N=arccos0.9=25.80

IN*Xc*=1根据电压方程UN*=－E0*+jIN*Xc*可以画出相量图，如图8－19所示。从图8－19中可以直接量出E0的大小。也可以根据几何关系计算E0的大小。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利即（2）功角θN。先求ψ角所以

21世纪高等学校规划教材张方谢胜利21世纪高等学校规划教材张方谢胜利

（3）电磁功率（4）过载倍数

21世纪高等学校规划教材张方谢胜利

8.3.4

同步电动机无功功的调节和V形曲线1．无功功率调节的意义工业企业中大部分用电设备，如异步电动机、变压器、电抗器和感应电炉等，都是感性负载，这些设备从电网吸收滞后的无功电流，导致电网的功率因数降低。视在功率一定，功率因数越低，有功功率越小，发电机容量、输电线路和电器设备容量都不能被充分利用。

21世纪高等学校规划教材张方谢胜利如某变电所变压器容量为10000kV·A，当cos

=0.9时，其传输的有功功率为9000kW，无功功率为4359kvar。当cos

=0.7时，则传输的有功功率变为7000kW，无功功率变为为7141kVar。变压器负载并无改变，后者传输的有功功率减少了2000kW。在一定的负载下，如果无功电流增加，视在电流将增大，将会导致发电机及输电线路的电压降和铜损耗增大。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利显然，提高电网的功率因数，在经济上有十分重大的意义。为了提高电网的功率因数，除采用在变电站并联电力电容方法外，还可以采用同步电动机作为动力设备的机械驱动装置来代替异步电动机。同步电动机不仅可以输出有功功率来带动生产机械工作，还可以通过调节励磁电流进行无功补偿。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利1.同步电动机无功功率的调节当电网电压和频率不变，同步电动机拖动的有功负载也保持恒定，而励磁电流改变时，就可以改变电枢电流的大小和相位，即可将电动机的功率因数调节成感性、容性或阻性。下面以隐极同步电动机为例进行介绍。设磁路不饱和、忽略电枢绕组电阻铜损耗、忽略励磁电流变化引起的铁损耗及附加损耗，得出的结论同样适合凸极同步电动机。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利在上述假设条件下有在图8-20中绘出隐极同步电动机的简化相量图。调节励磁电流时，保持Icos

不变，即电流的有功分量不变，电枢电流İ相量端点轨迹为一条垂直电压Ù相量的直线，即图8-20中虚线cd。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利E0=sinθ不变则为一条与电压Ù相量平行的直线，图8-20中虚线ab。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利在图8-20中，当电枢电流İ与端电压Ù同相位时，

=0o，cos

=1，表示电动机只从电网吸收有功功率，电枢电流为纯有功电流，数值最小，此时为正常励磁状态。当减小励磁电流时，E0值减小，从︱E0︱减至︱E0′︱，电枢电流由I增至I′，I′落后Ù

′电角度，电动机从电网吸收滞后的无功功率，此时，同步电动机运行在“欠励”状态。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利（如继续减小励磁电流，功角θ将接近或超过900，同步电动机就达到静态稳定运行极限，甚至进入不稳定区而失步）。当增加励磁电流时，E0值增大，从︱E0︱增至︱E0′︱，电枢电流由I增至I′，I′超前Ù

′电角度，电动机从电网吸收超前的无功功率，同时向电网输出滞后的无功功率，以供给电网上其他感性负载的需要，改善了电网的功率因数，此时同步电动机运行在“过励”状态。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利2．V形曲线同步电动机在输出功率恒定、电网电压不变时，电枢电流I与励磁电流IL的关系曲线称为“V”形曲线，如图8-21所示。每一个恒定的负载都可以做出一条V形曲线，负载越大曲线的最低点越向上移，见图8-21所示的V形曲线最小值与虚线cos

=1的交点。cos

=1的虚线为正常励磁。虚线右侧为过励状态，励磁电流IL和电枢电流I都大于正常励磁时的值；虚线左侧为欠励状态，励磁电流IL和电枢电流I都小于正常励磁时的值。左上部虚线θ=900为同步电动机静态稳定运行极限，虚线以上为电动机的不稳定运行区。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利21世纪高等学校规划教材张方谢胜利[例8-4]

一台隐极式同步电动机，同步电抗的标么值Xc*＝1，忽略定子绕组电阻，不考虑磁路的饱和。求：（1）当电动机电压为额定值UN，定子电流为额定值IN，cos

=1时，E0*及θ角为多少？（2）在输出有功功率不变的条件下，把该电动机的励磁电流减小了20%，这时，电动机定子电流及功率因数各为多少？（3）在输出功率不变的条件下，把该电动机的励磁电流增加20%，这时，电动机的定子电流及功率因数各为多少？21世纪高等学校规划教材张方谢胜利解：用标么值计算（1）已知：UN*=1，IN*=1，IN*Xc*＝1×1=1，电势相量图如图8-22所示。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利（2）励磁电流减小20%，E0也减少20％，用E0'表示

E0′*=0.8E0*=0.8×1.41=1.13由于输出功率不变，减小励磁电流后的E0′*=sinθ′

=IN*Xc*=1，因此

21世纪高等学校规划教材张方谢胜利从图8-22看出即I′*＝1.1功率因数

21世纪高等学校规划教材张方谢胜利（3）励磁电流增加20％，E0也增加20％，用′′表示，即E0′′*=1.2E0*=1.2×1.41=1.69由于电动机输出功率不变，因此增加励磁电流后的E0′′*sin=IN*Xc*=1，则

21世纪高等学校规划教材张方谢胜利所以

21世纪高等学校规划教材张方谢胜利8.4

同步电动机的起动8.4.1同步电动机无法自行起动分析同步电动机的电磁转矩是由气隙合成磁场与转子励磁磁场相互作用产生的，只有两者同步旋转时才能产生平均的电磁转矩。但是在电动机合闸起动的瞬间，虽然加入励磁电流，但转子磁场静止不动，故定子旋转磁场以同步转速对转子磁场作相对运动，时而产生拖动力，时而产生制动力。平均起动转矩为零，即不能自行起动，21世纪高等学校规划教材张方谢胜利如图8-23所示。图8-23中示出无平均电磁转矩的原理。图8-23（a）中，气隙合成磁场磁极(磁极Nδ)与转子磁极(磁极SL)有相对运动，如果n1＞n，则此时气隙磁场磁极比转子磁极转得快。如图8-23所示，转子受负转矩作用，迫使它逆着气隙合成旋转磁场方向运动。如图8-23（b）所示，两磁极只有径向磁拉力，即T＝0。如图8-23(c)所示，转子受正转矩作用，促使它顺着气隙合成旋转磁场方向运动。由此可见，转子受到时正时负的转矩作用，平均电磁转矩为零，因而不能起。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利21世纪高等学校规划教材张方谢胜利气隙合成磁场磁极与转子磁极有相对运动时，气隙合成磁场同步角速度Ω1比转子磁场角速度Ω大，两者轴线间的夹角即功角θ是时间的函数，当两者轴线间起始功角为θ0时，θ可表示为θ=(Ω1－Ω

)t+θ0（8－11）将式（8－11）代入式（8—9）得

21世纪高等学校规划教材张方谢胜利（8－12）由式(8－11)可知，电磁转矩的基本分量和附加分量都是交变性质的，其平均转矩为0，转子不能加速，所以转子转不起来，必须借助其他方法起动。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利8.4.2同步电动机的起动方法同步电动机的起动方法有三种，即辅助起动、异步起动和变频起动1.同步电动机的辅助起动法用一台容量为同步电动机容量的5%－15％、同步转速和同步电动机相同的异步电动机，拖动同步电动机起动直至其同步电动机的转子转速接近同步转速时，然后通入励磁电流，21世纪高等学校规划教材张方谢胜利即，利用整步法(在n接近n1时利用整步转矩)将其投入电网，且切除辅助电动机电源。这种方法仅用于空载起动，设备投资大，操作复杂。2.同步电动机的异步起动法同步电动机的异步起动是经常使用的起动方法。它的原理是，在凸极同步电动机转子磁极上开槽并安装起动绕组，绕组结构和笼型异步电动机的笼型绕组一样。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利※当同步电动机定子绕组接到电网时，因起动绕组的作用而产生起动转矩，电动机就自行起动。※这个起动过程和异步电动机的起动过程完全相同。※当转子转速上升到约95%n1时，通入励磁电流，使转子被定子磁场的磁拉力自动牵入同步，并以同步转速运行。※图8-24为同步电动机异步起动法原理接线图。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利21世纪高等学校规划教材张方谢胜利

同步电动机采用异步起动法起动时，可在额定电压下直接起动，也可降压起动，如利用YD起动、自耦变压器降压起动或定子串电抗降压起动等。应当注意的是，同步电动机起动时，励磁绕组不能开路，也不能短路。如励磁绕组开路，则在低转速时，即转差率大时，气隙旋转磁场在励磁绕组中会感应出较高的电动势，有可能损坏电机的绝缘。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利如励磁绕短路，则会在励磁绕组中产生很大的交流电流，该交流电流为单相电流，并将产生脉振磁场，引起脉振磁动势，导致正向和负向电磁转矩出现，两者叠加形成单轴转矩，如图8-25中曲线1所示。实际起动转矩是起动绕组产生的转矩曲线2与单轴转矩曲线合成，如图8-25中曲线3所示。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利21世纪高等学校规划教材张方谢胜利电动机起动转子转速升到约n1/2转速时便稳定运行于A点，不能继续加速。解决此问题的方法是，起动时，在励磁绕组中串入10倍励磁绕组电阻值的附加电阻(图8-24开关所示Q2左合)，合成曲线变为曲线4，将曲线3凹陷部分基本消除，电动机就能一直加速至同步转速n1。此时，应切除附加电阻(图8-24开关Q2右合)，通入直流励磁，电动机自动牵入同步，起动结束。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利3

同步电动机的变频起动法变频起动方法是，在同步电动机开始起动时，转子先加上励磁电流；定子接入频率极低的三相交流电源，使转子在低速起动；然后将定子边的电源频率逐渐升高，转子转速也随之升高；电源频率达额定值后，转子也达额定转速，起动完毕。采用此法必须有变频电源。大型同步电动机采用变频起动方法起动的日渐增多。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利8.5同步电动机的调速同步电动机的转速为

n=n1=60f1/p从该公式可知，改变同步电动机转速的主要方法是改变供电电源的频率，即变频调速。从控制方式上可将同步电动机变频调速分成如下两种。

1．他控式变频调速这种变频调速方法所采用的变频装置是独立的，变频装置的输出频率是由速度给定信号决定的，通常这种调速系统是开环控制系统。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利他控式恒压频比的同步电动机变频调速系统多用于小容量系统场合，如永磁同步电动机、磁阻同步电动机等。2．自控式变频调速这种变频凋速方法采用频率闭环控制方式，用电动机轴上所装转子位置检测器来控制变频装置的输出频率，使定子旋转磁场的转速和转子的转速相等，始终保持同步。自控式变频调速也可分为以下两种类型。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利（1）负载换向自控式同步电动机变频调速(无换向器电动机)

该调速系统主电路常采用交—直—交电流型逆变器。利用同步电动机电流超前电压的特点，使逆变器的晶闸管工作在自然换流状态。国际上简称这种系统为LCI(Load

CommutatedInverter)。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利目前这种系统容量已达数万千伏安，电压达万伏以上。这种超大容量系统所用同步电动机励磁系统为无刷励磁机系统。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利

2．交－交变频器供电的自控式同步电动机变频调速该调速系统变频器采用交—交循环变流结构，由晶闸管组成，提供频率可变的三相正弦电流给同步电动机。采用矢量控制后，使系统具有优良的动态性能，广泛用于轧钢机主传动调速系统中。目前，这种系统容量已达10000kV·A以上，但频率最高只能达20Hz，这是系统的不足之处。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利8.6

永磁同步电动机永磁同步电动机的转子励磁采用永久磁铁励磁，因此该电动机可省去集电环、电刷及励磁装置，使结构大为简化。由于无励磁电流，也就无励磁损耗，因此电动机效率较高。在磁性能优异的永磁材料尚未面世前，励磁不能调节，也就限制了该电机的应用。目前，该电动机只用于自动化仪表中，且功率很小。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利自从20世纪80年代研制出价格相对较低、磁性能优异的第三代稀土永磁材料钕铁硼(NdFcB)后，稀土永磁电机已被广泛用到工业和民用等各个领域上。钕铁硼磁性能很高，室温下的剩余磁感应强度Br高达1.47T，磁感应矫顽力Hc，可达992kA／m，最大磁能积高达397.9kJ/m3，是目前最好的永磁材料。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利进入20世纪90年代后，钕铁硼永磁的热稳定性和耐腐蚀性得到进一步改善，价格逐步洚低。随着电力电子器件和控制技术的迅猛发展，在永磁电机的应用中，可以不必进行磁场控制而只进行电枢控制，加之与微机控制相结合，使得稀土永磁电机及其控制技术日趋成熟，在国防、工农业生产和日常生活等方面获得越来越广泛的应用。

21世纪高等学校规划教材张方谢胜利稀土永磁电机单机容量已超过1000kW，最高转速已超过300000r／min。最低转速低于0.0lr／min，最小电机外径0.8mm,长1.2mm。稀土永磁电机的分支——同步电动机及无换向器电动机广泛用于航空、航天、数控机床、加工中心、机器人、电动汽车、家用电器及计算机外围设备。我国已批量生产数控机床用的稀土永磁无换向器电动机，其调速范围，即最高转速与最低转速之比值达10000。

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8.6.1永磁同步电动机的结构和运行特性

1．永磁同步电动机的结构图8-26为永磁同步电动机示意图。它由定子铁心、定子绕纠组、永磁体转子及转轴等部件构成。定子与普通异步电动机基本相同，矩形波永磁同步电动机采用集中整距绕组，正弦波永磁同步电动机采用分布短距绕组。这种电动机与其他电动机最主要的区别是转子磁路结构，它可分为表面式(如图8-26)、内置式、内置混合式、爪极式等，图8-27所示为性能最优的内置混合式四种转子磁路结构。21世纪高等学校规划教材张方谢胜利21世纪高等学校规划教材张方谢胜利21世纪高等学校规划教材张方谢胜利

2．永磁同步电动机的运行特性正弦波永磁同步电动机与电励磁凸极式同步电动机有着相似的内部电磁关系，因此，凸极式同步电动机的基本原理、电动势方程、等效电路、向量图及双电枢反应理论等均可用于分析永磁同步电动机。

21世纪高等学校规划教材张方谢胜利需要注意的是，永