1、 題 目 16KW-6極變頻調速同步電動機的電磁方案及控制系統的設計16KW-6極變頻調速同步電動機的電磁方案及控制系統的設計摘 要本文討論的是同步電動機的電磁設計方案及其變頻調速的控制回路的設計。根據課題的要求，本論文主要介紹了同步發電機的基本特點、工作原理、運行方式，及其電磁設計的基本方法。根據變頻調速的要求，本文也對電機的定轉子結構、氣隙磁場的分布、各電機參數的合理選擇等多方面的情況進行了研究，從而確定有效地控制回路方案。本文在電機設計過程中采用的步驟是：在國家有關技術標準的基礎上，根據用戶的需求，大致確定電機的尺寸結構。進行電機空載磁場的研究，確定包括磁體的尺寸、每槽導體數等關鍵參數在

2、內的定轉子結構。根據電機工作性能的計算公式計算電機性能，由計算結果調整電機的結構，得出三套可行的方案。第一套方案是選定各項數據按照計算程序來初步設計一臺電機，使其符合同步發電機的效率、溫升等要求；第二套方案是研究通過增加每槽導體數來使材料最省（主要是指銅和鐵的耗用量）的方案；第三套方案是主要是研究減小每槽導體數來使效率達到最高的方案。通過比較三種設計方案，兼顧效率、溫升、節省材料等多方面的要求，得到一個既省材又提高性能的綜合方案。運用AUTOCAD繪圖軟件，繪制定轉子沖片和繞組連接圖。最后，選擇合適的變頻調速控制回路，校驗變頻器的特性，使其符合同步電機的工作特性。關鍵詞： 同步電動機、變頻調速

3、、設計 The scheme of electromagnetic design for 16KW-6 pole synchronous motor and the design of the control system of the frequency converterAbstract According to the requirements of the topic,this paper mainly introduces the fundamental characteristic,working mechanism,working method,the basic method

4、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, the motor parameter selection, and many other studies carried out to determine the effective control

5、loop program.In this paper, the process of design is:1.On the basis of the national technical standards, according to the needs of users , we can determine the size of the motor structure.2. To research the no-load airgap flux distribution,so as to select the rotor configuration ,which consists of s

6、ome important parameters,such as the permanent magnet dimension and conductor number per slot3.To get the performance of motor by calculation with known formulas,as a result an adjustment for the motors configuration can be practised, we can get three logical and feasible project. The first set of t

7、he 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. Second program is the study by increasing the number of conductors per slot to make the material mos

8、t provinces (mainly refers to the consumption of copper and iron) program. The third set of program is to study reducing the number of conductors per slot to enable the highest efficiency program.4. By comparing the three types of design, balance between efficiency, temperature rise, saving material

9、s, and many other requirements, have a material and also enhance the performance of both the province's comprehensive plan.5. Using AUTOCAD drawing software, drawing tablet and stator and rotor winding connection diagram.Finally, select the appropriate frequency conversion control circuit, check

10、ing the inverter characteristics,to meet the synchronous motor operating characteristics.Keywords: synchronous motor；frequency control； design目 錄摘 要IAbstractII目 錄IV第一章 緒 論11.1概述11.2 同步電動機的發展現狀11.3電動機調速系統簡介2第二章 同步電動機的概述32.1同步電動機用途和主要類型3同步電動機的用途3同步電動機的主要類型32.2同步電動機的基本特點及優點5同步電動機的基本特點5同步電動機與異步電動機的比較52.

11、3 同步電動機的主要構件6定子結構6轉子結構72.4同步電動機的勵磁系統7同步電動機對勵磁裝置的要求8同步電動機勵磁裝置的發展和現狀8同步電動機勵磁系統工作原理8第三章 同步電動機的工作特性103.1同步電動機的工作原理103.2 同步電動機的電磁關系11同步電機的磁動勢及磁通113.2.2 同步電機的雙反應理論133.2.3 同步電機的電壓平衡方程式及相量圖153.3同步電動機的功率關系與矩角特性19同步電動機的功率方程及轉矩方程19同步電動機的功角特性21同步電動機的矩角特性223.3.4 同步電動機的運行233.4同步電動機的功率因數調節和形曲線26同步電機的功率因數調節26同步電機的形

12、曲線293.5同步電動機的起動303.5.1 同步電動機為什么不能直接起動？30同步電動機的起動方式30第四章 同步電動機設計的理論分析334.1 電機設計的任務與過程33電機設計的任務33電機設計的過程334.2 同步電動機的電磁設計344.2.1 同步電動機主要尺寸確定34同步電動機電樞繞組的設計37電機的效率計算404.2.4 電機的損耗及溫升計算414.3同步電動機設計中影響電機性能的因素42氣隙對電機性能的影響42槽滿率對電機性能的影響43集膚效應對電機參數的影響43飽和對電機參數的影響444.4同步電動機的結構設計454.5同步電動機的設計特點46第五章 電磁設計方案計算475.1

13、額定數據和技術要求475.2計算前的設計思路：485.3方案的主要調整方法495.4同步電動機電磁設計方案49第六章 電磁方案結果分析666.1計算數據對比66定子繞組與鐵芯長度的對比66方案材料用量計算結果的對比666.1.3 電機損耗與效率計算結果的對比666.1.4 三個方案電磁負荷的對比676.1.5 三個方案電機參數的對比676.2結果分析68第七章 變頻調速控制回路的設計697.1電機變頻調速技術發展現狀697.2同步電動機調速系統發展綜述70同步電動機調速系統的發展70調速用同步電動機的幾種分類727.3同步電動機調速系統的分類及其特點727.4 同步電動機的矢量變換控制737.

14、5 同步電動機的轉矩控制77第八章 Autocad 繪圖818.1 AutoCAD 2006繪圖軟件的使用方法和常用命令818.2定子沖片圖，轉子沖片圖和繞組連接圖的繪制828.1.1 定、轉子沖片圖的繪制828.2.2 繞組連接圖的繪制83第九章 總 結85參考文獻（References）86致 謝87附錄88外文資料原文89外文資料譯文99第一章 緒 論在直流電機、交流異步電機、交流同步電機三大電機形式中，同步電動機因其優良的性能和多樣的結構而在工農業生產、日常生活中、航空航天和國防等各個領域中得到廣泛的應用。為獲得高性能、高精度的執行效果，常常使用變頻器對同步電動機進行驅動和控制，本文正

15、是針對這樣一種需求產生的。本文所涉及的電機是由變頻調速回路控制的同步電動機，即后文所說的變頻調速同步電動機。1.1概述 本文設計的電機是用于變頻調速的同步電動機。它的設計指導思想是除了要符合同步機適用于電動機的一般要求外，還應符合上文指出的對變頻調速的特殊要求。根據用戶提出的數據規格的要求，該電動機也就沿用傳統電機軸向立式的結構。這樣可以參考和借用已有的規格電機的機座、定子等部件的結構尺寸，以提高這些部件的通用性，縮短電機的研制周期，并且節省研制資金。1.2 同步電機的發展現狀現代工業生產及我們的日常生活，幾乎離不開各種各樣的電機。電機已是當今生產活動和日常生活中最重要的原動力和驅動裝置。電機

16、數量之多，應用范圍之廣，地位之重要，沒有其它設備所能與之相比。 同步電機和感應電機一樣是一種常用的交流電機。同步電機的應用也是十分廣泛的。比如：TYZ系列同步電機主要特點是結構簡單，遇到一定阻力時能夠自動反向旋轉，常用于轉向要求不高的恒轉速驅動場合，如旋轉燈具、圣誕樹、廣告畫等。但是可以通過在電機內部安裝機械定向裝置，實現定向旋轉，使該產品能夠用于塑封機等有轉向要求的場合。 TYD系列可逆同步電機同TYZ系列的區別是：該系列電機內部采用兩組繞組，用電容實現定向旋轉。通過改變電容和電機輸出引線的接法，能夠可靠的實現電機定向旋轉并控制旋轉方向。本系列電機功率比TYZ系列大。主要用于監控器材、醫療器

17、械、辦公設備和自動麻將桌等。1.3電動機調速系統簡介電氣傳動系統由控制部分、功率部分和電動機三大要素組成，成為一個有機的整體。各部分之間的不同組合，可以構成多種多樣的電氣傳動系統。雖然調速傳動從電流型上分為直流調速和交流調速兩大類，但在交流調速中，異步電動機調速系統和同步電動機調速系統已發展成為兩類占有相當比重的調速系統，且同步電動機、異步電動機調速系統占主導地位，直流電動機調速系統也并未被淘汰，它在電氣調速系統中仍占有一席之地。本文所要介紹的是同步電動機的調速系統，接下來簡要介紹一下同步電動機調速的有關理論知識，普通的同步電動機在結構上要比籠型異步電動機復雜，但比直流電動機簡單。和同容量的直

18、流電動機相比，它具有效率高、過載能力大、體積小、轉動慣量小、省維護等優點，并且可以做到大容量、高轉速和高電壓。雖說同步電動機較直流電動機有上述的優點，但客觀來將，同步電動機調速也有自身的缺點和不足：（1）同步電動機需要在轉子側加一套勵磁裝置。無論是無刷勵磁還是有刷勵磁，和籠型異步電動機相比，都要增加維護工作量。（2）同步電動機的矢量控制比異步電動機的矢量控制復雜，需要準確檢測轉子位置或轉子磁鏈位置。總的來講，在三種調速系統中，直流電動機雖然調速系統歷史悠久，技術成熟，并且在不斷的完善自己，但由于直流電動機的固有缺陷，必然被交流調速系統所取代，與異步電動機傳動系統相比較，有競爭力的當屬同步電動機

19、傳動系統，它引起了人們的極大興趣，在電氣傳動領域占有很大的比重，從國內外研究和國外引進設備來看，同步電動機調速系統越來越受到電氣傳動專家、學者、工程技術人員的廣泛重視，相信不久的將來，在取代直流調速系統方面其作用將超過異步電動機調速系統。第二章 同步電動機的概述同步電動機歷來是以轉速與電源頻率保持嚴格同步著稱的，只要電源頻率保持恒定，同步電動機的轉速就絕對不變。小到電鐘和記錄式儀表的定時旋轉機構，大到大型同步電動機一直流發電機組，無一不是為了發揮其轉速恒定的優勢而得到應用的。除此以外，同步電動機還有一個突出的優點，就是可以控制勵磁來調節它的功率因數，可使功率因數高到1.0，甚至超前。在一個工廠

20、里，只需有一臺或幾臺大容量設備(例如水泵、空氣壓縮機)采用同步電動機，就足以改善全廠的功率因數。同步電動機是運用電磁感應原理的一種交流旋轉，它的特點是轉子轉速和定子電流頻率維持嚴格不變的關系，即。而感應電機的轉速是可以變化的。2.1同步電動機用途和主要類型同步電動機的用途 同步電機作為電動機使用，用以拖動生產機械，尤其是在不要求調速的大功率生產機械中，同步電動機用的很多，可通過調節其勵磁電流來改善電網的功率因數。同步電機還可作為同步調相機使用，同步調相機實際上是一臺接在交流電網上空載運行的同步電動機，能向電網發出感性的無功功率，滿足電網對無功功率的要求。同步電動機的主要類型同步電動機按結構形式

21、分為旋轉電樞式和旋轉磁極式，其中旋轉電樞式在小容量同步電動機中得到某些應用；而應用比較廣泛，并成為同步電動機的基本結構形式的是旋轉磁極式。對于旋轉磁極同步電動機按照磁極的形狀又可分為凸極式和隱極式，兩者的區別見下表：磁極的形狀氣隙特性轉子形狀結構特性采用條件凸極式不均勻，極弧底下氣隙較小，極間部氣隙較大結構簡單（） 隱極式均勻圓柱形結構復雜轉速較高圖2.1 同步電動機的磁極結構分類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、水冷卻、混合冷卻方式。2.2同步電動機的基本特點及優點同步電動機的基本特點同步電動機的基本特點是轉速不隨負載的變化而變化，它的功率因數可調節。

22、特別是在過勵狀態下，還可使功率因數超前，從而提高了電網的功率因數。同步調相機實際上是空載運行的同步電動機，專門用來調節無功功率，改善電網的功率因數。同步電動機及同步調相機一般都采用凸極結構。為了能夠自起動，在轉子磁極的極靴上還裝有起動繞組。同步電動機與異步電動機的比較同步電動機與異步電動機比較有下列優點： 轉矩紋波小，轉速平穩，動態響應快速準確，過載能力強。同步電動機比異步電動機對電壓和轉矩的擾動具有更強的承受能力，能做出比較快的反應。當異步電動機的負載轉矩發生變化時，要求電機的轉差率也跟著變化，即電機的轉速發生相應的變化，但是系統轉動部分的慣性阻礙電機響應的快速性。同步電動機的負載轉矩變化時

23、，只要電機的功角做適當變化，而轉速始終維持在原夾的同步速不變，轉動部分的慣性不會影響電機對轉矩的快速響應。同步電動機的最大轉矩可以達到額足轉矩的3倍以上，對電機系統在負載轉矩變化較大的工況下穩定運行非常有利。 高功率因數、高效率同步電動機與異步電動機相比，可以不需要無功勵磁電流，以致顯著提高功率因數，減少定子電流和定子銅耗，而且在穩定運行時沒有轉子銅耗，進而可以因總損耗降低而減小風扇容量甚至去掉風扇，從而減小甚至省去了相應的風摩損耗。這樣，它的效率比同規格的異步電動機可以提高2一8個百分點。 結構多樣化，應用范圍廣。同步電動機由于轉子結構極其多樣，產生了特點和性能各異的許許多多的品種，從工業到

24、農業，從民用到國防，從日常生活到航空航天，從簡單電動工具到高科技產品，幾乎無所不在。2.3 同步電動機的主要構件同步電機的基本結構與直流電機和異步電機相同，都是由定子與轉子兩大部分組成。其主要結構部件有:定子、轉子、軸承裝置、滑環裝置和底板等，其中定子與轉子之間為空氣隙，其典型結構圖如圖2.3所示。圖2.3 同步電動機結構圖定子結構同步電動機的定子由鐵心、電樞繞組、機座以及端蓋等結構件組成。定子鐵心是構成磁路的部件，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，每段之間有通風槽片，以構成徑向通風。大型同步電動機由于尺寸太大，硅鋼片常為扇形沖片，然后組裝成圓形。電樞繞組為三相對

25、稱交流繞組，多為雙層繞組，嵌裝在定子槽內。定子機座是支承部件，用于安放定子鐵心和電樞繞組，并構成所需的通風路徑，因此要求它有足夠的剛度和強度。大型同步電機的機座都采用鋼板焊接結構。 端蓋的作用與異步電機相同，將電機本體的兩端封蓋起來，并與機座、定子鐵心和轉子一起構成電機內部完整的通風系統。轉子結構與異步電動機轉子結構不同，通常由轉子鐵心、轉軸、阻尼繞組、勵磁繞組和滑環等組成。同步電動機的轉子結構有兩種類型，可分為隱極式和凸極式兩種。隱極式轉子如圖2.1所示，轉子呈圓柱形，無明顯的磁極。隱極式轉子的圓周上開槽，槽中嵌放分布式直流勵磁繞組。隱極式轉子的機械強度高，故多用于高速同步電動機。在同步電動

26、機運行過程中，轉子由于高速旋轉而承受很大的機械應力，所以隱極式轉子大多由整塊強度高和導磁性能好的鑄鋼或鍛鋼加工而成。隱極電動機的氣隙是均勻的，圓周上各處的磁阻相同。凸極式轉子如圖2.1所示，結構比較簡單，磁極形狀與直流機相似，磁極上裝有集中式直流勵磁繞阻。凸極式轉子制造方便，容易制成多極，但是機械強度低，多用于中速或低速的場合。凸極電動機的氣隙是不均勻的，圓周上各處的磁阻各不相同，在轉子磁極的幾何中線處氣隙最大，磁阻也大。此外，同步電動機轉子磁極表面都裝有類似籠型異步電動機轉子的短路繞組，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聯結起來。此繞組在同步電動機中主要作起動繞組使用，同步

27、運行時也起穩定作用。滑環裝在轉子軸上，經引線接至勵磁繞組，并借電刷接到勵磁裝置。2.4同步電動機的勵磁系統勵磁系統是同步電動機的重要組成部分之一。同步電動機的勵磁裝置主要有2個作用：一是完成同步機的異步啟動并牽入同步運行；二是進行勵磁電流調節控制。在電力網運行中，要求功率因數越大越好，希望電網視在功率中的大部分為有功功率。提高企業電網的功率因數，既發揮供電設備的生產能力、改善電壓質量，又減少線路損失、提高用戶設備的工作效率，為用戶節約電能。同步電動機消耗的有功功率取決于電動機所帶機械負荷的大小，而無功取決于轉子中的勵磁電流的大小。在欠勵狀態時，定子繞組向電網“吸取”無功功率；在過勵狀態時，定繞

28、組向電網“回送”無功功率。通過調節電動機的勵磁電流，使其處于過激狀態，可以使同步電動機向電網“送出”無功功率，減少電網輸送的無功功率，從而提高工礦企業電網的功率因數。2.4.1同步電動機對勵磁裝置的要求通過對同步電動機在起動過程進行分析，要求勵磁裝置必須具備以下幾種要求：提供高穩定可靠的、可控制的直流勵磁電源；在起動過程中，具有將啟動限流電阻自動切入和切除勵磁繞組回路的功能，就是具有可靠的滅磁控制功能；為了保證投勵的準確性和可靠性，系統必須具有高精度而準確的頻率和最小工作電壓的檢測系統；裝置還應具有各種完善的故障診斷和處理功能。2.4.2同步電動機勵磁裝置的發展和現狀 同步電動機的發展經歷了三

29、個階段： 50-60年代是用直流發電機勵磁；60-60年代是用由分立元件組成的模擬控制可控硅勵磁；90年代以后使用微機控制同步電動機勵磁，同時實現上位機通信功能。同步電動機勵磁裝置的現狀。目前國內占統治地位的是由微機控制的可控硅整流勵磁裝置實現勵磁。 主回路的組成有全控橋和半空橋兩種；根據同步機勵磁的特點，我國自主研發的微機全數字可控硅整流勵磁裝置已經投入到生產應用中去； 利用國外的直流傳動系統經改造后的全數字可控整流裝置。同步電動機勵磁系統工作原理設備的總功率為，供電電壓為，實際功率因數為，理想功率因數為，則系統的總無功電流為 （1）系統理想無功電流為 （2）同步電動機的無功電流為 （3）設

30、同步電動機的有功功率為，無功功率為，則同步電動機所負擔無功功率為 （4）此時，同步電動機的功率因數為 （5）所設計的裝置采取恒功率因數調節勵磁電流，將功率因數設定為同步電動機的目標功率因數。 第三章 同步電動機的工作特性3.1同步電動機的工作原理主磁場的建立：勵磁繞組通以直流勵磁電流，建立極性相間的勵磁磁場，即建立起主磁場。 載流導體：三相對稱的電樞繞組充當功率繞組，成為感應電勢或者感應電流的載體。切割運動：原動機拖動轉子旋轉（給電機輸入機械能），極性相間的勵磁磁場隨軸一起旋轉并順次切割定子各相繞組（相當于繞組的導體反向切割勵磁磁場）。交變電勢的產生：由于電樞繞組與主磁場之間的相對切割運動，電

31、樞繞組中將會感應出大小和方向按周期性變化的三相對稱交變電勢。通過引出線，即可提供交流電源。交變性與對稱性：由于旋轉磁場極性相間，使得感應電勢的極性交變；由于電樞繞組的對稱性，保證了感應電勢的三相對稱性。三相同步電動機的定子繞組和三相異步電動機相同，都是三相對稱交流繞組。當同步電機三相定子繞組通入三相對稱交流電時，和異步電機一樣，同步電機的定子繞組產生旋轉磁場。為了說明簡單，同步電機的定子繞組產生的旋轉磁場用一對旋轉的磁極（上N極，下S極）表示，如圖112所示。和異步電機不同的是，同步電動機的轉子是由另外的直流電源勵磁(或用永久磁鐵)產生的固定磁極（上S下N），如圖3-1中的轉子磁極所示。圖3-

32、1同步電動機工作原理從圖3-1表示了同步電動機電磁關系的物理模型。圖中定、轉子都是一對磁極，當定子旋轉磁極（即旋轉磁場的磁極）以的速度旋轉時，根據同性相斥、異性相吸的原則，不管定子磁極與轉子磁極的原始相對位置如何不同，轉動過程中轉子的磁極S和N極很快分別被定子旋轉磁極的N和S極吸住，它們之間產生相應的磁拉力，只要這個磁拉力足夠大，定子旋轉磁極將拉著轉子磁極以恒定的同步轉速一起旋轉。可見，同步電動機的工作原理就是三相定子交流繞組產生的旋轉磁場以磁拉力拖著轉子磁極(轉子)共同以同步速旋轉，如圖3-1所示。3.2 同步電動機的電磁關系雖然同步電機的定子繞組與異步電機完全相同，但是轉子相差較大，特別是

33、凸極式轉子。因此同步電機電磁關系的特點就是由于轉子的不同而引起的。同步電機的磁動勢及磁通1同步電動機的空載磁動勢對于同步電動機，空載是指轉子繞組通入直流勵磁，電樞繞組接三相電源，轉子輸出轉矩為0，以同步轉速旋轉。但是同步電動機空載時，電樞繞組流過較小的三相交流電流。如果忽略同步電機空載時的電樞電流（定子電流），即，同步電動機只有轉子的勵磁繞組里通入直流勵磁電流，勵磁電流產生的磁動勢稱勵磁磁動勢，用表示。由于轉子以同步轉速旋轉，是一個空間向量。而勵磁電流是直流，且勵磁磁動勢相對于轉子而言是靜止的。但轉子以同步轉速相對于定子旋轉，所以勵磁磁動勢相對于定子也以同步轉速旋轉，被稱為空載磁動勢。無論是同

34、步電動機還是同步發電機，勵磁繞組產生的磁動勢均被稱為空載磁動勢。如圖3-2所示。圖3-2 凸極同步電機的空載磁動勢與直軸和交軸對于凸極同步電機的轉子（有明顯凸出的磁極）和異步電機轉子明顯不同，所以磁動勢和磁通分析方有很大的不同。為了方便分析同步電機的磁動勢和磁通，需要依照轉子設置一個坐標，即把轉子一個N極和與其相鄰的一個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軸都隨著轉子圖3-3 同步電機的空載磁通由勵磁磁動勢產生的磁通叫勵磁磁通（空載磁通），用表示。顯然經過的磁路是依縱軸對稱的磁路，并且隨著轉子一起旋轉。定子繞組

35、切割，并在其中感應電勢，被稱為空載電勢，顯然定子繞組的空載電勢與有關。當同步電動機負載以后，電樞繞組產生三相合成旋轉磁動勢（這點與異步電機相同），用空間向量表示。的出現對原空載磁動勢產生一定的影響，并使氣隙磁場產生顯著變化，這就是同步電機的電樞反應。由于同步電動機運行原理是定子繞組產生的磁極吸引轉子磁極轉動，那么同步電動機的轉向亦是旋轉磁場的轉向，轉速為同步轉速。同步電動機負載以后，其定子磁動勢與轉子磁動勢雖然均為同步轉速旋轉，但是二者在空間卻不一定位置相同，大部分情況是一個在前，一個在后（而且隨運行狀態而變）。這給分析同步電機的電樞反應帶來了困難。2.同步電機的電樞磁動勢與磁通分布前面已經分

36、析了空載磁動勢作用在縱軸方向，而與的轉速雖然相同，但空間位置不同，必然的作用方向不在縱軸上。由于凸極式同步電機沿定子內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。 圖3-4 凸極式同步電機的電樞磁動勢和磁通分布波形從圖3-4可見，由于凸極同步電機氣隙不是均勻分布，導致其氣隙磁通在空間呈現非正弦分布。這樣即使知道了電樞磁通勢的大小和位置，求解磁通也非常困難。為此必須尋求一個合適的分析方法同步電機的雙反應原理。 同步電機的雙反應理論由于穩態時電樞磁動勢與轉子之間無相對運動，當電樞磁動

37、勢與勵磁磁動勢的相對位置已知時，如圖3-5(a)所示。可以人為地把電樞磁通勢分成兩個正弦分量；一個分量是縱軸電樞磁動勢，用表示，作用在縱軸方向；另一個分量是橫軸電樞磁動勢，用表示，作用在橫軸方向。即（31）其分布波形可用圖3-5所示。 圖3-5 電樞磁動勢及交軸和直軸分量這樣可以單獨考慮正弦磁動勢或在電機主磁路里產生磁通的情況。從圖3-5可見，永遠作用在縱軸方向，而永遠作用在橫軸方向，盡管氣隙還不是均勻的，但對縱軸或橫軸來說，磁路均為對稱，這就給分析帶來了方便。這種處理問題的方法，稱為雙反應原理。由縱軸電樞磁動勢單獨在電機的主磁路里產生的磁通，稱縱軸電樞磁通，用表示，如圖3-6（a）所示。而橫

38、軸電樞磁動勢單獨在電機的主磁路里產生的磁通，稱橫軸電樞磁通，用表示，如圖3-6（b）所示。和都以同步轉速旋轉。 (a) (b) 另外，除了和產生的主磁通外，還要產生漏磁通，關于漏磁通的處理方法與異步電機相同。 從第六章分析知道，電樞磁動勢的大小為 （3-2）這樣縱軸電樞磁動勢可以寫成 （3-3）橫軸電樞磁動勢寫成 （3-4）根據交流繞組相矢圖的基本原理，磁動勢與產生磁動勢的電流同相位，所以與同相位，與在相矢圖同相位。根據和的相位關系可知，和之間的夾角為90°，且有 (3-5)根據式（3-5），可以把電樞電流按相量的關系分成兩個分量：一個是直軸分量，產生了磁通勢；另一個是交軸分量，產生

39、了磁通勢。顯然通過雙反應原理的應用，將一個電樞磁動勢的電樞反應的復雜問題轉化成了直軸電樞磁動勢和交軸電樞磁動勢兩個電樞反應的簡單問題。3.2.3 同步電機的電壓平衡方程式及相量圖1.凸極同步電機的電壓平衡方程根據以上的分析可知，負載以后同步電機中有勵磁磁通、交軸電樞反應磁通和直軸電樞反應磁通，它們都是以同步轉速旋轉，它們在定子繞組里感應電動勢為：勵磁電動勢（空載電勢），直軸電樞反應電動勢，交軸電樞反應電動勢。如果按圖3-7的所示參考方向，即用電動機慣例定向。 圖3-7 同步電動機各電量的參考方向根據這一定向，可得同步電動機相電壓平衡方程如下： (3-6)式中，為定子繞組相電阻；為定子繞組相漏電

40、抗。為了分析簡單，不考慮磁路飽和，認為磁路線性。即有；和異步電機類似，電樞反應電動勢可以表示為電流和電抗降的形式，即 （3-7）式中， 是比例常數，稱為直軸電樞反應電抗；是比例常數，稱為交軸電樞反應電抗。對同一臺電機，和都是常數。將式（3-7）帶入式（3-6）得 (3-8)將式（3-5）帶入式（3-8）得 （3-9）一般情況下，當同步電動機容量較大時，可以忽略電阻。于是 (3-10)式中，稱為直軸同步電抗；稱為交軸同步電抗。對同一臺電機，和都是常數，可以用實驗和計算的方法求得。結合同步電機的電勢方程，其電磁關系可表示為如下關系,即2.凸極同步電機的電勢相量圖根據式（3-8）可以畫出同步電機的相

41、矢圖（領先型），如圖3-8所示。圖3-8 凸極同步電機相矢圖（用電樞反應電抗表示）根據式(3-10)可以畫出凸極同步電動機相量圖（領先型）如圖3-9所示。 圖3-9 凸極同步電機相量圖（忽略定子繞組，用同步電抗表示）（1）功率因數角從圖3-9中可見，是電樞電壓與是電樞電流之間的夾角，稱為功率因數角，用它可以表示電樞電壓和電樞電流之間的相位關系，即同步電機從電網取的功率情況，按電動機慣例有 （3-11）顯然功率因數角時，同步電機從電網取得功率，電機運行與電動機狀態。（2）功率角（也稱功角）相量圖中，功率角是電樞電壓和空載電勢之間的夾角，稱為功率角。功率角的含義很豐富。除了表示電動勢與之間的夾角，

42、即時間電角度外。第二個含義是，產生電動勢的勵磁磁動勢與作用在同步電動機主磁路上總的合成磁動勢（）之間的角度，這是個空間電角度。對應著，近似地對應著。如果把磁動勢用一個以同步轉速旋轉的“等效磁極”表示，同步電動機的運行可以看成等效磁極拖著轉子磁極以同步轉速旋轉，如圖3-10所示。 圖3-10 功率角的空間含義而同步發電機運行是轉子磁極在前，等效磁極在后，即轉子拖著等效磁極旋轉。由此可見，同步電機作電動機運行還是作發電機運行，要視轉子磁極與等效磁極之間的相對位置來決定。（3）內功率因數角由于是電樞電流與之間的夾角，稱為內功率因數角。同時有 （3-12） 上述三個角度：功率因數角、內功率因數角和功率

43、角在分析凸極同步電動機時非常有用。3隱極同步電動機的電勢方程和相量圖 對于隱極式同步電動機，電機的氣隙是均勻的。這時同步電動機的直軸同步電抗和交軸同步電抗在數值上相等，即 （3-13）式中，為隱極同步電動機的同步電抗。由此可得隱極同步電動機的電勢方程可寫為： （3-14）根據式（3-14）可一繪出隱極式同步電機電動勢相量圖如3-11所示 圖3-11 隱極式同步電機電動勢相量圖3.3同步電動機的功率關系與矩角特性同步電動機的功率方程及轉矩方程1功率方程同步電動機帶負載運行時，若轉子勵磁損耗由另外的直流電源供給，同步電動機從電網吸收的有功功率為，扣除定子的銅損耗、其余部分為電磁功率，即 （3-15

44、）從電磁功率中扣除定子鐵耗和機械損耗后，其余部分轉變為機械功率輸出給負載，即 (3-16)其中鐵損耗與機械摩擦損耗之和稱為空載損耗，即 （3-17）式（3-15）和式(3-16)聯合表明了電動機的功率傳遞關系，稱為功率方程。通常同步電動機的轉子直流勵磁功率也應計入總損耗之中。2電磁功率 當忽略同步電動機的定子電阻時，電磁功率為 (3-18)從圖3-9可見，將其帶入式(3-18)得 （3-19）根據圖3-9中的幾何關系有 （3-20）將式（3-12）帶入式（3-19）得 （3-21）再將式（3-20）帶入式（3-21）得 （3-22）已知，并帶入上式得 （3-23） 3轉矩方程根據電磁功率，可以

45、比較方便地計算同步電機的電磁轉矩，即 （3-24）式中，是同步電動機的同步角速度。根據功率方程式(1117)可得同步電動機的轉矩方程為 (3-25)式中，為空載轉矩。式(3-25)表明，同步電動機負載運行時，從定子輸入的電功率（忽略定子繞組電阻）轉變的電磁轉矩與空載轉矩和負載轉矩相平衡，電機有穩定的轉速，并輸出穩定的轉矩，即。根據式（3-24）可得電磁轉矩為 (3-26)同步電動機的功角特性當定子加額定電壓，勵磁電流不變，和均為常數時，同步電動機的電磁功率與功率角的關系，稱為同步電動機的功角特性，即。同步電動機的功角特性是同步電機重要特性之一。從式（3-23）可見，當電機參數、為已知時，電磁功

46、率與功率角之間的關系可以很方便的確定，而且由兩部分組成。式（3-23）右邊第一部分與勵磁電動勢成正比，即與勵磁電流大小有關，稱為勵磁電功率。第二項是由于引起，也就是因電機轉子是凸極引起的，因此稱為凸極電磁功率。即使同步電動機沒有勵磁電流（），只要轉子為凸極時（即存在），凸極電磁功率就會出現。當電機氣隙均勻時，例如隱極式同步電機，不存在凸極電磁功率。 根據前面分析結果，勵磁電磁功率為 (3-27)式中，為勵磁電磁功率的最大值。當時，。凸極電磁功率為 (3-28)式中，為凸極電磁功率的最大值。當時，。 根據式(3-26) (3-28)繪出凸極同步電動機的功角特性曲線，如圖3-12所示。圖3-12

47、凸極同步電動機的功角特性曲線圖3-12中曲線1為勵磁電磁功率與的關系曲線，曲線2為凸極電磁功率與的關系曲線，曲線3為合成的總電磁功率與的關系曲線，可見的最大電磁功率對應與小于90°的地方。對于隱極式同步電機，于是電磁功率為 （3-29）式（3-29）為同步電動機的功角特性，它沒有凸極電磁功率這一項。其最大電磁功率為 （3-30）同步電動機的矩角特性當定子加額定電壓，勵磁電流不變，和均為常數時（以下在討論同步電動機特性和運行時，沒有特別說明這一條件不變），同步電動機的電磁轉矩與功率角的關系，稱為同步電動機的矩角特性，即，這個特性與功角特性僅差一個電機旋轉角速度，對于同步電機是常數。這樣

48、式（3-26)表示的矩角特性曲線與功角曲線有相同的形狀，它們之間只差一個比例尺。把凸極同步電動機的電磁轉矩與功率角的關系也可畫出來，其形狀如圖3-12所示。對于隱極式同步電機，在某固定勵磁電流條件下，根據式（3-29），可以得到隱極式同步電動機電磁轉矩與功率角的關系為 （3-31）其最大電磁轉矩為 （3-32）根據式（3-31），可以繪出隱極式同步電動機的矩角特性，如圖3-13所示。圖3-13 隱極式同步電動機的矩角特性3.3.4 同步電動機的運行下面以隱極式同步電動機為例，簡單分析同步電動機穩定運行的問題。 1 同步電動機的穩定運行范圍當同步電動機拖動機械負載運行在的范圍內某一點，如圖3-1

49、4中的圖3-14 同步電動機的運行穩定性時，電磁轉矩與負載轉矩相等，拖動系統穩定運行。如果由于某種原因，負載轉矩突然變由增大為，同步電動機的電磁轉矩同時也必需增加至。根據式（3-29），當勵磁電流不變時，這時角必將增大至，這表明不但和之間的夾角增大，轉子也會有一個短暫地減速，使功率角增大為。可見負載轉矩增加，電磁轉矩也會增加，電機繼續同步運行，不過這時運行在角度上。如果負載轉矩又恢復為，電動機的角恢復為，所以電動機能夠穩定運行。2. 同步電動機的不穩定運行范圍當同步電動機拖動機械負載運行在的范圍內某一點，如圖1117中的圖3-15 同步電動機非穩定性運行時，電磁轉矩與負載轉矩相平衡。如果由于某

50、種原因，負載轉矩突然變由增大為，當勵磁電流不變時，這時角必將增大至。根據式（3-29），由于，使得處的電磁轉矩小于處的電磁轉矩，即。于是，電動機的角必將進一步增加，電磁轉矩也會進一步減小。這樣發展下去，電機的轉子轉速會偏離同步速，即失去同步（也稱失步）而無法工作。可見，在范圍內，電機不能穩定運行。綜合以上分析可見：和異步電動機一樣，同步電動機的電磁轉矩也不能超過其最大轉矩，否則同步電動機將進入不穩定運行范圍。同步電動機的最大電磁轉矩與額定轉矩之比，叫過載倍數，用表示。即 （3-33）根據式（3-33）隱極式同步電動機額定運行時，。對凸極式同步電動機額定運行的功率角還要小些。當負載改變時，角隨之

51、變化，使同步電動機的電磁轉矩和電磁功率跟著變化，以達到相平衡的狀態，而電機的轉子轉速卻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直線，是硬特性。3同步電機運行狀態間的過渡 空載電動機理想空載時，其負載轉矩（即），空載損耗，空載轉矩，則。仍以隱極式電動機為例，如果勵磁電流，由式(3-31)得出，這表明轉子磁極軸線與定子等效磁極軸線幾乎重合，如圖3-16所示。圖3-16 電動機理想空載電動機在理想空載基礎上，當同步電動機軸上帶機械負載時，不等于0，角有一定的數值，等效磁極和轉子磁極的軸線被拉開，負載越大，角的值越大。為了保持同步電動機穩定運行，角不能超出允許的范圍，如圖3-17所示。圖3-17 電動機發電機在理想空載基礎上，同步電機由原動機拖動運行時，轉子磁極帶動定子等效磁極轉動，定子繞組輸出電功率，同步電機工作在發電機狀態。關于同步發電機的有關內容不在本書范圍。3.4同步電動機的功率因數調節和形曲線同步電機的功率因數調節當同步電動機的定子電壓、頻率和輸出功率不變的情況下，改變它的勵磁電流