第8章 三相同步電動機的建模與特性

1、第第8 8章章 三相同步電機的建模與特性分析三相同步電機的建模與特性分析各類同步電動機的圖片各類同步電動機的圖片內(nèi)容簡介 三相同步電機的基本運行原理三相同步電機的基本運行原理結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)電磁關(guān)系電磁關(guān)系數(shù)數(shù)學(xué)模型（即基本方程式和等效電路和相量圖）學(xué)模型（即基本方程式和等效電路和相量圖）功功率流程圖率流程圖 三相同步電動機運行特性（矩角特性與三相同步電動機運行特性（矩角特性與V V形曲線）的分析與計算。形曲線）的分析與計算。8.1 8.1 三相同步電機的基本運行原理三相同步電機的基本運行原理A、三相同步電動機的基本運行原理、三相同步電動機的基本運行原理 圖8.1a給出了同步電機的結(jié)構(gòu)示意圖和相應(yīng)的定

2、子空間軸線位置。圖中，A-X、B-Y、C-Z分別表示等效的定子三相繞組。圖8.1 同步電機的結(jié)構(gòu)示意圖 若在同步電動機的定子三相對稱繞組中分別通以如下三相對稱電流：)240cos(2)120cos(2)cos(2111tIitIitIiCBA則在三相對稱電流的作用下，定子三相對稱繞組必然產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁勢和磁場，定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速（即同步速）為：pfn1160 上式表明：同步轉(zhuǎn)速既取決于電機自身的極對數(shù)，又取決于外部通電頻率。改變?nèi)嗬@組的通電相序，定子旋轉(zhuǎn)磁場將反向。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與氣隙旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n1始終同步，同步電機由此得名。異步電動機表現(xiàn)為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速只有與同步轉(zhuǎn)速(氣隙旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速)之間存在差

3、異(轉(zhuǎn)差)才能產(chǎn)生有效的電磁轉(zhuǎn)矩。其根本原因在于，異步電機采取單邊勵磁，即靠定子三相繞組通以三相交流電流產(chǎn)生定子旋轉(zhuǎn)磁勢和磁場。轉(zhuǎn)子繞組則是通過與定子旋轉(zhuǎn)磁場的相對切割而感應(yīng)轉(zhuǎn)子電勢和電流的(轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁勢和磁場)，轉(zhuǎn)子電流在磁場中受到電動力從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。 與異步電動機不同，同步電機采用的是雙邊激磁同步電機采用的是雙邊激磁，即不僅定子繞組通以三相交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁勢和磁場，而且轉(zhuǎn)子繞組也通以直流勵磁（或采用永磁體）產(chǎn)生磁勢和磁場，從而要求轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速必須與定子旋轉(zhuǎn)磁場保持同步（其轉(zhuǎn)差為零），才能產(chǎn)生有效的電磁轉(zhuǎn)矩。 在原動機拖動下，轉(zhuǎn)子磁極以同步速拖動氣隙合成磁場旋轉(zhuǎn)，在原動機拖動下，

4、轉(zhuǎn)子磁極以同步速拖動氣隙合成磁場旋轉(zhuǎn)，因而在定子繞組中感應(yīng)電勢，并輸出電功率，從而將原動機輸入的因而在定子繞組中感應(yīng)電勢，并輸出電功率，從而將原動機輸入的機械功率轉(zhuǎn)換為電功率輸出，實現(xiàn)了機電能量轉(zhuǎn)換。機械功率轉(zhuǎn)換為電功率輸出，實現(xiàn)了機電能量轉(zhuǎn)換。 同步發(fā)電機的工作原理：同步發(fā)電機的工作原理：B、同步電機的結(jié)構(gòu)、同步電機的結(jié)構(gòu) 同步電機定子的結(jié)構(gòu)與異步電機完全相同，而轉(zhuǎn)子則有所不同。按照轉(zhuǎn)子勵磁方式的不同，同步電機可分為永磁式同步電機和轉(zhuǎn)子帶直流勵磁繞組的同步電機；按照轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同，同步電機又分為隱極式同步電機隱極式同步電機和凸極式同步電機凸極式同步電機。 圖8.2 同步電機的結(jié)構(gòu)隱極式轉(zhuǎn)子結(jié)

5、構(gòu)實物凸極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)實物單個凸極式轉(zhuǎn)子主極C、同步電機的三種運行狀態(tài)、同步電機的三種運行狀態(tài)圖8.3a、b、c分別給出了三相同步電機的幾種不同運行狀態(tài)的示意圖。圖8.3 三相同步電機的不同運行狀態(tài)示意圖C、同步電機的額定數(shù)據(jù)、同步電機的額定數(shù)據(jù)l 額定功率額定功率 ；l 額定電壓額定電壓 ；l 額定電流額定電流 ；l 額定功率因數(shù)額定功率因數(shù) ；l 額定頻率額定頻率 ( (Hz) )；l 額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速 ( (r/min) )，即為同步速；，即為同步速；l 額定效率額定效率 ；此外，還包括：轉(zhuǎn)子額定勵磁功率此外，還包括：轉(zhuǎn)子額定勵磁功率 、額定勵磁電壓、額定勵磁電壓 以及額定以及額定溫升等。

6、溫升等。NfNPNUNINcosNnNfNPfNU 額定數(shù)據(jù)之間滿足下列關(guān)系式： 對于三相同步發(fā)電機：對于三相同步發(fā)電機：NNNNNNIUSPcoscos3對于三相同步電動機：對于三相同步電動機：NNNNNIUPcos38.2 8.2 三相同步電機的電磁關(guān)系三相同步電機的電磁關(guān)系A(chǔ)、三相同步電機空載時的電磁關(guān)系、三相同步電機空載時的電磁關(guān)系空載：空載： 同步電機空載運行時，電樞電流同步電機空載運行時，電樞電流 。0aI 若在轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)通以直流勵磁電流 ，則轉(zhuǎn)子的直流勵磁磁勢（或安匝數(shù)） 為：fIfFfffFN I（8-1） 由勵磁磁勢 建立主磁場并產(chǎn)生主磁通 ，主磁通 以同步速切割定子繞組，定

7、子繞組所感應(yīng)的電勢 ，其電磁關(guān)系可用圖8.4表示之。fF000E圖8.4 同步電機空載運行的電磁關(guān)系 根據(jù)電磁感應(yīng)定律， 可表示為：0E011104.44wEjf N k （8-2）其中， 為定子繞組感應(yīng)電勢的頻率，它由下式給出：1f6011npf （8-3） 改變 的大小，主磁通 將發(fā)生變化， 也將隨之發(fā)生改變。 與 之間的關(guān)系又稱為同步電機的空載特性同步電機的空載特性。典型同步電機的空載特性如圖8.5所示。fI00E0EfI圖8.5 典型同步電機的空載特性 根據(jù)式（8-2）繪出同步電機空載運行時的時空相量圖如圖8.5所示。圖8.5 同步電機空載時的時-空相量圖 B、三相同步電機負載后的電樞

8、反應(yīng)、三相同步電機負載后的電樞反應(yīng)電樞反應(yīng)：電樞反應(yīng)： 同步電機負載后，定子三相對稱繞組中就有三相對稱電流流過，同步電機負載后，定子三相對稱繞組中就有三相對稱電流流過，從而在定子中產(chǎn)生以同步速旋轉(zhuǎn)的電樞磁勢從而在定子中產(chǎn)生以同步速旋轉(zhuǎn)的電樞磁勢 和磁場和磁場 ，它與以同，它與以同步速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁勢步速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁勢 和主磁場和主磁場 保持相對靜止，因此可以疊加產(chǎn)保持相對靜止，因此可以疊加產(chǎn)生有效的氣隙磁勢生有效的氣隙磁勢 和磁場和磁場 。 換句話說，與空載運行相比，同步電機負載后的氣隙磁場將發(fā)換句話說，與空載運行相比，同步電機負載后的氣隙磁場將發(fā)生改變，這一變化是由電樞磁勢引起的。通常，把定子

9、電樞磁勢對生改變，這一變化是由電樞磁勢引起的。通常，把定子電樞磁勢對主磁場的影響稱為主磁場的影響稱為電樞反應(yīng)電樞反應(yīng)。 aFaBfF0BFB相應(yīng)于電樞反應(yīng)的磁勢又稱為電樞反應(yīng)磁勢電樞反應(yīng)磁勢，其大小可以表示為： awaIpkNmF1119 . 02（8-4） 既然勵磁磁勢 和電樞磁勢 均以同步速旋轉(zhuǎn)，兩者相對靜止，因而可以相互疊加共同產(chǎn)生氣隙磁勢 。于是，氣隙磁勢可以表示為：afFFFfFaFF（8-5） 電樞磁勢 對主磁勢 的影響結(jié)果取決于 與 之間的空間相對位置，即 與 之間的夾角 （又稱為內(nèi)功率因數(shù)角內(nèi)功率因數(shù)角）。下面僅以同步發(fā)電機為例對電樞磁勢 對主磁勢 的影響結(jié)果討論如下：aFfF

10、aFfF0EaIaFfFa、當(dāng)、當(dāng) 與與 同相（即同相（即 ）時）時aI0E0 圖8.7給出了當(dāng) 與 同相時的時-空相量圖。aI0E圖8.7 與 同相時的時空相量圖aI0E 由圖8.7可見： 與 空間上相互垂直，此時電樞反應(yīng)表現(xiàn)為交磁作用交磁作用。由于電樞磁勢 沿交軸（即q軸）方向，相應(yīng)的電樞反應(yīng)又稱為交軸電樞反應(yīng)交軸電樞反應(yīng)。此時， 一般用 來表示。aFfFaFaFaqFFfF 交軸電樞反應(yīng)使得氣隙合成磁勢 的幅值有所增加，相位滯后于 一定角度。b、當(dāng)、當(dāng) 滯后滯后 （即（即 ）時）時aI0E90 圖8.8給出了 滯后于 時的時空向量圖。 aI0E90圖8.8 滯后于 時的時空相量圖aI0E

11、 由圖8.8可見： 與 方向相反，導(dǎo)致合成氣隙磁場削弱，電樞反應(yīng)表現(xiàn)為去磁作用去磁作用。由于電樞反應(yīng)沿d 軸方向，相應(yīng)的電樞反應(yīng)又稱為直軸電樞反應(yīng)直軸電樞反應(yīng)。此時， 一般用 來表示。aFfFaFadF 直軸電樞反應(yīng)對同步電機的運行特性有較大影響。c、當(dāng)、當(dāng) 超前超前 （即（即 ）時）時aI0E909090圖8.9給出了 超前于 時的時空相量圖。aI0E圖8.9 超前于 時的時空相量圖aI0E 由圖8.9可見： 與 方向相同，導(dǎo)致合成氣隙磁場加強。此時，電樞反應(yīng)表現(xiàn)為助助磁作用磁作用。由于電樞反應(yīng)沿d軸方向，相應(yīng)的電樞反應(yīng)仍為直軸電樞反應(yīng)直軸電樞反應(yīng)。aFfFc、當(dāng)、當(dāng) 滯后于滯后于 角（即一

12、般情況）時角（即一般情況）時aI0E 圖8.10給出了 滯后于 角時的時空向量圖。aI0E圖8.10 滯后于 角時的時空相量圖aI0E 由圖8.10可見：此時， 對 的影響既包括交磁作用交磁作用又包括去磁作用去磁作用。對于這種電樞反應(yīng)磁勢 ，通常采用雙反應(yīng)理論雙反應(yīng)理論將其分解為直軸電樞反應(yīng)磁勢直軸電樞反應(yīng)磁勢 和交軸電樞反交軸電樞反應(yīng)磁勢應(yīng)磁勢 兩個分量，然后再對這兩個磁勢分量分別作用于直軸和交軸磁路所產(chǎn)生的磁場情況進行討論。aFfFaFadFaqF 于是，電樞磁勢 可表示為：aFaqadaFFF（8-6）cossinaaqaadFFFF其中，（8-7）相應(yīng)的電流分量為：qdaIIIcoss

13、inaqadIIII其中， 對于同步電動機，分析電樞反應(yīng)的影響時，應(yīng)首先將電樞電流反向，由反向電流產(chǎn)生正向電樞反應(yīng)磁勢，然后再采取與上述過程進行分析。C、三相同步電機負載后的電磁關(guān)系、三相同步電機負載后的電磁關(guān)系a a、隱極式同步發(fā)電機、隱極式同步發(fā)電機 根據(jù)上一節(jié)的分析，隱極式同步發(fā)電機負載后的電磁關(guān)系可總結(jié)為： 上述關(guān)系中， 為定子每相繞組的電阻； 、 分別表示電樞反應(yīng)磁通和定子漏磁通； 、 分別為相應(yīng)的磁通 和 在定子繞組內(nèi)所感應(yīng)的相電勢。當(dāng)不計磁路飽和時，電樞反應(yīng)電勢 可表示為： ，且 滯后于 （或 ）。于是， 可用下列關(guān)系表示為：araaEEaaEaaaaIFEaEaIaaEaaaI

14、jxE（8-10）式中， 為電樞反應(yīng)電抗電樞反應(yīng)電抗，它反映了電樞反應(yīng)磁通 所經(jīng)過的磁路情況。axa漏電勢 可用漏電抗表示為：aIjxE其中， 反映了定子漏磁路的情況。E1xb b、凸極式同步發(fā)電機、凸極式同步發(fā)電機 根據(jù)上一節(jié)內(nèi)容，凸極式同步發(fā)電機負載后的電磁關(guān)系可總結(jié)為： 上述關(guān)系中， 、 分別表示直軸電樞反應(yīng)磁通和交軸電樞反應(yīng)磁通； 、 分別為相應(yīng)的磁通 和 在定子繞組內(nèi)所感應(yīng)的電勢。 當(dāng)不計磁路飽和時，直軸電樞反應(yīng)電勢 可表示為： ；交軸電樞反應(yīng)電勢 可表示為： 。adaqadEaqEadaqadEdadadadIFEaqEqaqaqaqIFE于是 和 可分別用下式表示為：adEaqE

15、qaqaqdadadIjxEIjxE（8-11）式中， 為直軸電樞反應(yīng)電抗直軸電樞反應(yīng)電抗； 為交軸電樞反應(yīng)電抗交軸電樞反應(yīng)電抗。它們分別反映了直軸電樞反應(yīng)磁通 和交軸電樞反應(yīng)磁通 所經(jīng)過的磁路情況。adxaqxadaq8.3 三相同步電機的基本方程式、等效三相同步電機的基本方程式、等效電路與相量圖電路與相量圖A、隱極式同步電機的基本方程式、等值電路與、隱極式同步電機的基本方程式、等值電路與相量圖相量圖 a a、隱極式同步發(fā)電機、隱極式同步發(fā)電機圖8.11 同步發(fā)電機各物理量正方向的假定 假定正方向如圖8.11所示（由于電功率趨向于流出電機，故又稱為發(fā)電機慣例發(fā)電機慣例），利用上一節(jié)介紹的電磁

16、過程，由基爾霍夫電壓定律（KVL）得：UrIEEEaaa0 將式（8-10）和漏電勢 的表達式代入上式得：EataaaaaaaaaaaIjxIrUIxxjIrUIjxIjxIrUE)(0（8-12）式中， 又稱為隱極式同步電機的同步電抗同步電抗。它綜合反映了電樞反應(yīng)磁通和電樞漏磁通所經(jīng)過的磁路情況。atxxx根據(jù)式（8-12）繪出隱極式同步發(fā)電機的相量圖和等效電路如圖8.12所示。圖8.12 隱極式同步發(fā)電機的相量圖和等效電路圖中， 與 之間的夾角 又稱為功率角功率角。它是同步電機的一個很重要的物理量。0EUb b、隱極式同步電動機、隱極式同步電動機圖8.13 同步電動機各物理量正方向的假定

17、假定各物理量的正方向如圖8.13所示（由于電功率趨向于流入電機，故又稱為電動機電動機慣例慣例），很顯然，與圖8.12相比較，僅電樞電流方向發(fā)生改變。為此，只需改變同步發(fā)電機基本方程式（8-12）中電流 的方向便可獲得隱極式同步電動機的基本方程式。 于是有：aI)()(0ataaIjxIrUE即：ataaIjxIrEU0（8-13）根據(jù)式（8-13），繪出隱極式同步電動機的矢量圖和等效電路如圖8.14所示。 圖8.14 隱極式同步電動機的相量圖和等效電路一般結(jié)論：一般結(jié)論： 對于同步發(fā)電機和同步電動機，其功率角對于同步發(fā)電機和同步電動機，其功率角 有所不同。有所不同。前者前者 超前于超前于 角角

18、（見圖8.12b）；后者；后者 滯后于滯后于 角角（見圖8.14b）。 0EU0EUB、凸極式同步電機的基本方程式、等值電路與、凸極式同步電機的基本方程式、等值電路與相量圖相量圖 a a、凸極式同步發(fā)電機、凸極式同步發(fā)電機 根據(jù)上一節(jié)介紹的電磁過程，并參考圖8.11的正方向假定，由基爾霍夫電壓定律（KVL）得：UrIEEEEaaaqad0將式（8-8）、（8-11）以及漏電勢 的表達式代入上式得：EqqddaaqaqdadaaqaqdadqdaaIjxIjxIrUIxxjIxxjIrUIjxIjxIIjxIrUE)()()(0（8-14）式中， 又稱為凸極式同步電機的直軸同步電抗直軸同步電抗；

19、 又稱為交交軸同步電抗軸同步電抗。它們分別綜合反映了直軸、交軸電樞反應(yīng)磁通和電樞漏磁通所經(jīng)過的磁路情況。圖8.15給出了交、直軸同步電抗物理意義的示意圖。addxxxaqqxxx圖8.15 交、直軸同步電抗的物理意義根據(jù)式（8-14）便可繪出凸極式同步發(fā)電機的相量圖如圖8.16所示。 圖8.16 凸極式同步發(fā)電機的相量圖b b、凸極式同步電動機、凸極式同步電動機 與隱極式同步電機一樣，對于凸極式同步電動機，只需改變凸極式同步發(fā)電機基本方程式（8-14）中的電流方向便可獲得凸極式同步電動機的基本方程式。于是有：)()()(0qqddaaIjxIjxIrUE即：qqddaaIjxIjxIrEU0（

20、8-15）根據(jù)式（8-15）繪出凸極式同步電動機的相量圖如圖8.17所示。圖8.17 凸極式同步電動機的矢量圖8.4 三相同步電動機的矩角特性與三相同步電動機的矩角特性與V V形曲形曲線線A、同步電動機的矩角特性、同步電動機的矩角特性矩角特性矩角特性： 定子電壓定子電壓 一定、轉(zhuǎn)子外加直流勵磁電流一定、轉(zhuǎn)子外加直流勵磁電流 一定條件下電磁轉(zhuǎn)矩一定條件下電磁轉(zhuǎn)矩 與功率角與功率角 之間的關(guān)系曲線，即之間的關(guān)系曲線，即 。矩角反映了負載改矩角反映了負載改變時電磁轉(zhuǎn)矩的變化情況，它相當(dāng)于三相異步電動機的變時電磁轉(zhuǎn)矩的變化情況，它相當(dāng)于三相異步電動機的T-ST-S曲線曲線（或機械特性）（或機械特性）

21、。 UfIemT)(fTem 在引入矩角特性之前，首先介紹一下功率流程圖和轉(zhuǎn)矩平衡方程式。a a、同步電動機的功率流程圖、同步電動機的功率流程圖 根據(jù)等效電路（圖8.14），同步電動機定子側(cè)輸入的電功率 可表示為：1PemcuPpP11（8-16）其中，電磁功率 可表示為：emP022)(pPpppPPadmecFeem（8-17）根據(jù)上式繪出同步電動機的功率流程圖如圖8.18所示。圖8.18 同步電動機的功率流程圖b b、同步電動機的轉(zhuǎn)矩平衡方程式、同步電動機的轉(zhuǎn)矩平衡方程式式（8-17）兩邊同除以同步角速度 便可獲得轉(zhuǎn)矩平衡方程式為： 110121pPPem02TTTem即：c c、同步電

22、動機的矩角特性、同步電動機的矩角特性矩角特性矩角特性： 矩角特性定為：矩角特性定為： ，其中，其中， 為為 與與 之間的夾角，之間的夾角，即功率角，它相當(dāng)于感應(yīng)電動機的轉(zhuǎn)差率即功率角，它相當(dāng)于感應(yīng)電動機的轉(zhuǎn)差率s s。)(fTconstUconstIemf0EU 考慮到實際同步電機的定子電樞電阻遠小于同步電抗，故定子電樞電阻可忽略不計。于是，凸極同步電動機的相量圖（圖8.17）變?yōu)閳D8.19。凸極式同步電動機的矩角特性凸極式同步電動機的矩角特性圖8.19 忽略定子電阻時凸極同步電動機的相量圖 忽略定子繞組電阻 ，則電磁功率與輸入的電功率近似相等，于是有：ar又由相量圖8.19得：ddqqddq

23、qxUEIxUIUExIUxIcossincossin00于是，電磁功率變?yōu)椋?sin)11(21sin20dqdemxxmUxUmEP（8-19）式（8-19）又稱為凸極式同步電動機的功角特性功角特性。 將上式兩邊同除以同步角速度 便可獲得相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩為：12sin)11(21sin12101dqdememxxmUxUmEPT（8-20）式（8-20）又稱為凸極式同步電動機的矩角特性矩角特性，它可用圖8.20所示曲線表示之。圖8.20 凸極同步電動機的矩角特性 結(jié)論：結(jié)論： 凸極式同步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩由兩部分組成（見圖凸極式同步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩由兩部分組成（見圖8.208.20）：一部）：

24、一部分為基本電磁轉(zhuǎn)矩分為基本電磁轉(zhuǎn)矩 ，它是由轉(zhuǎn)子直流勵磁磁勢和定子氣隙磁場，它是由轉(zhuǎn)子直流勵磁磁勢和定子氣隙磁場相互作用產(chǎn)生的；另一部分是由相互作用產(chǎn)生的；另一部分是由d d軸和軸和q q軸磁阻不同（又稱為軸磁阻不同（又稱為凸極效凸極效應(yīng)應(yīng)）引起的附加電磁轉(zhuǎn)矩）引起的附加電磁轉(zhuǎn)矩 。10demxUmET2sin)11(2112dqemxxmUT emTemT 基本電磁轉(zhuǎn)矩基本電磁轉(zhuǎn)矩附加電磁轉(zhuǎn)矩附加電磁轉(zhuǎn)矩附加電磁轉(zhuǎn)矩部分的物理意義可借助于圖8.21加以解釋之。圖8.21 凸極同步電動機的磁阻轉(zhuǎn)矩隱極式同步電動機的矩角特性隱極式同步電動機的矩角特性 對于隱極式同步電動機，由于d 軸和q 軸磁

25、阻相同，即 ，將其代入式（8-19），便可獲得隱極式同步電動機的功角特性為：tqdxxxsin0temxUmEP（8-21） 將上式除以同步角速度 ，便可獲得隱極式同步電動機的矩角特性矩角特性為：10max1sinsinemetmE UTTx（8-22）圖8.22 隱極式同步電動機的矩角特性d d、功率角、功率角 的物理意義的物理意義 同步電動機的矩角特性類似于異步電動機的機械特性，其中的功率角相當(dāng)于同步電動機的矩角特性類似于異步電動機的機械特性，其中的功率角相當(dāng)于異步電動機的轉(zhuǎn)差率異步電動機的轉(zhuǎn)差率 。同轉(zhuǎn)差率一樣，隨著負載轉(zhuǎn)矩的增加，功率角將有所增加，由矩角特性可知，電磁轉(zhuǎn)矩將相應(yīng)的增加，

26、最終電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩相平衡。但同步電動機仍保持同步速運行。s同步電機的功率角同步電機的功率角 的雙重含義：的雙重含義：從時間上看：功率角從時間上看：功率角 為定子感應(yīng)電勢為定子感應(yīng)電勢 與定子電壓與定子電壓 之間的夾之間的夾 角；角；從空間上看：功率角從空間上看：功率角 為轉(zhuǎn)子勵磁磁勢為轉(zhuǎn)子勵磁磁勢 和氣隙合成磁勢和氣隙合成磁勢 （ ）之間的夾角。）之間的夾角。 其中，其中， 是由轉(zhuǎn)子勵磁磁勢是由轉(zhuǎn)子勵磁磁勢 在定子繞組中感應(yīng)的電勢；而在定子繞組中感應(yīng)的電勢；而 可近似看作為由氣隙合成磁勢可近似看作為由氣隙合成磁勢 在定子繞組中的感應(yīng)電壓。在定子繞組中的感應(yīng)電壓。 0EUfFFafFFF0E

27、fFUF 同步電機的功率角的物理意義可用圖8.23所示等效磁極來表示。圖8.23 功率角 的物理意義結(jié)論：結(jié)論： 功率角功率角 的正、負是同步電機運行狀態(tài)的一個重要標(biāo)志。的正、負是同步電機運行狀態(tài)的一個重要標(biāo)志。當(dāng)同步電動機作電動機運行時，超前于當(dāng)同步電動機作電動機運行時，超前于 功率角功率角 。規(guī)定。規(guī)定此時的功率角為正；當(dāng)同步電動機作發(fā)電機運行時，此時的功率角為正；當(dāng)同步電動機作發(fā)電機運行時， 滯后于滯后于 功率角功率角 。此時的功率角則為負。此時的功率角則為負。 U0EU0Ee e、同步電動機的穩(wěn)定運行與過載能力、同步電動機的穩(wěn)定運行與過載能力 以隱極式同步電動機為例來說明同步電動機的穩(wěn)

28、定運行問題。 圖8.24給出了同步電動機靜態(tài)穩(wěn)定靜態(tài)穩(wěn)定與“失步失步”概念的解釋。圖8.24 同步電動機靜態(tài)穩(wěn)定與“失步”的解釋 由圖8.24可見，對于隱極式同步電動機，其靜態(tài)穩(wěn)定運行區(qū)域為： ；當(dāng)功率角 時，同步電動機將不穩(wěn)定運行。090A90180B靜態(tài)穩(wěn)定能力可用過載能力過載能力 來描述。對于隱極式同步電動機有：Tmax1sineTNNTT（8-23） 一般情況下，隱機式同步電動機額定負載運行的功率角 ，此時 。20 30N2 3T一般結(jié)論：一般結(jié)論： 隱極同步電動機的穩(wěn)定運行范圍是：隱極同步電動機的穩(wěn)定運行范圍是： 。超過該。超過該范圍，同步電動機將不穩(wěn)定運行；范圍，同步電動機將不穩(wěn)定

29、運行； 增加轉(zhuǎn)子直流勵磁電流可以提高同步電動機的過載能增加轉(zhuǎn)子直流勵磁電流可以提高同步電動機的過載能力，進而提高電力拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定性。力，進而提高電力拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定性。0900750 為確保隱極式同步電動機的可靠運行，通常?。?。B、同步電動機的、同步電動機的V形曲線與功率因數(shù)的調(diào)節(jié)形曲線與功率因數(shù)的調(diào)節(jié)V V形曲線：形曲線： 在在 、 以及電磁功率（或電磁轉(zhuǎn)矩以及電磁功率（或電磁轉(zhuǎn)矩 ）一定的條件）一定的條件下，定子電樞電流下，定子電樞電流 與轉(zhuǎn)子勵磁電流與轉(zhuǎn)子勵磁電流 之間的關(guān)系曲線。之間的關(guān)系曲線。NUU 1Nff 1emTaIfI V形曲線反映的是在輸出有功功率（或電磁功率）一定的條件

30、下，定子側(cè)的電樞電流和功率因數(shù)在勵磁電流改變時的變化情況。 下面僅以隱極式同步電動機為例對其進行說明。 忽略定子銅耗、鐵耗以及轉(zhuǎn)子機械耗，于是有：常數(shù)cossin0atemImUxUmEP 對于在無窮大電網(wǎng)下運行的同步電動機，即當(dāng)電網(wǎng)的容量遠遠大于同步電動機的容量，且電壓和頻率均保持不變，于是存在下列關(guān)系式：210cossin常數(shù)常數(shù)IE根據(jù)上述條件，繪出不同轉(zhuǎn)子勵磁條件下同步電動機的相量圖如圖8.27所示。圖8.27 轉(zhuǎn)子直流勵磁改變時同步電動機的相量圖定義定義: : 通常，將定子電樞電流與定子電壓同相位時的勵磁電流稱為通常，將定子電樞電流與定子電壓同相位時的勵磁電流稱為正常勵磁電流正常勵磁

31、電流，對，對應(yīng)的運行狀態(tài)稱為應(yīng)的運行狀態(tài)稱為正常勵磁狀態(tài)正常勵磁狀態(tài)；超過正常勵磁電流的運行狀態(tài)稱為；超過正常勵磁電流的運行狀態(tài)稱為過勵狀態(tài)過勵狀態(tài)；低于正常勵磁電流的運行狀態(tài)稱為低于正常勵磁電流的運行狀態(tài)稱為欠勵狀態(tài)欠勵狀態(tài)； 圖8.27分別給出了上述三種狀態(tài)下的相量圖。一般結(jié)論：一般結(jié)論： 調(diào)節(jié)同步電動機的勵磁電流可以改變定子電流的無功分量和功率調(diào)節(jié)同步電動機的勵磁電流可以改變定子電流的無功分量和功率因數(shù)。正常勵磁時，同步電動機從電網(wǎng)全部吸收有功；欠勵時，同因數(shù)。正常勵磁時，同步電動機從電網(wǎng)全部吸收有功；欠勵時，同步電動機從電網(wǎng)吸收滯后無功（或發(fā)出超前無功）；過勵時，同步步電動機從電網(wǎng)吸收

32、滯后無功（或發(fā)出超前無功）；過勵時，同步電動機從電網(wǎng)吸收超前無功（或發(fā)出滯后無功）電動機從電網(wǎng)吸收超前無功（或發(fā)出滯后無功）； 若調(diào)節(jié)同步電動機的勵磁電流，使之工作在過勵狀態(tài)，則可以改若調(diào)節(jié)同步電動機的勵磁電流，使之工作在過勵狀態(tài)，則可以改善同步電動機的功率因數(shù)善同步電動機的功率因數(shù)； 若同步電動機在空載狀態(tài)下運行，且轉(zhuǎn)子處于勵磁過勵，同步電若同步電動機在空載狀態(tài)下運行，且轉(zhuǎn)子處于勵磁過勵，同步電動機可以向電網(wǎng)發(fā)出滯后無功（或吸收超前無功），有利于改善電動機可以向電網(wǎng)發(fā)出滯后無功（或吸收超前無功），有利于改善電網(wǎng)的功率因數(shù)網(wǎng)的功率因數(shù)（通常將工作在這一狀態(tài)下的空載同步電動機稱為“同步調(diào)相機”（或同步補償機）（見圖8.28同步調(diào)相機的相量圖）。 很顯然，對于輸出功率一定的同步電動機，其定子電樞電流與轉(zhuǎn)子直流勵磁電流之間的變化曲線呈“V字”形狀，V形曲線形曲線由此而得名。圖8.29 同步電動機的V形曲線 圖8.29還同時給出了不同輸出功率（或電磁功率）下同步電動機的V形曲線。由圖可見，隨著輸出功率的增加，V形曲線上移。 此外，由圖8.27可見，當(dāng)轉(zhuǎn)子直流勵磁電流 由小到大（即由欠勵正常勵磁