同步電動機相關(guān)理論

6.9同步電動機與同步補償機一、同步電機的可逆原理改變電樞電流的參考方向，以輸入電流作為電樞電流的正方向，記為IM，此時輸入電功率為正值，電壓方程式為

隱極同步電動機

1.同步電動機的電壓方程和向量圖二、同步電動機畫凸極同步電動機向量圖時，需要先確定ψ0M角。凸極同步電動機2.同步電動機的功角特性，功率方程和轉(zhuǎn)矩方程在電動機慣例下，把

滯后

的功率角為正，用M表示，則這時電磁功率為正，表示從電能轉(zhuǎn)換為機械能。將上式除以同步角速度Ωs，便得電動機的電磁轉(zhuǎn)矩同步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動性質(zhì)的。功率方程Pe=pFe+pΩ+P2

Te=T0+T2Te為電動機的電磁轉(zhuǎn)矩T0為空載轉(zhuǎn)矩T2為輸出轉(zhuǎn)矩P1=pcua+Pe轉(zhuǎn)矩方程3.同步電動機的運行特性

同步電動機的運行特性包括工作特性和V形曲線兩部分。U=UN、If=IfN時，Te、IM、η、cosφM=f(P2)。當輸出功率P2=0時，電樞電流為很小的空載電流；隨著輸出功率的增加，電樞電流也隨之增大，電樞電流也隨之增大，IM=f(P2)近似為一直線。（1）工作特性

Te=f(P2)是一條直線同步電動機的效率特性與其他電機基本相同。空載時，η=0，隨著輸出功率的增加，效率逐步增加，達到某個最大之后開始下降。同步電動機的功率因數(shù)特性與額定功率因數(shù)有關(guān)。曲線1對應(yīng)勵磁電流較小，空載時功率因數(shù)等于1。曲線2對應(yīng)勵磁電流稍大，半載時功率因數(shù)等于1。曲線3對應(yīng)勵磁電流更大，滿載時功率因數(shù)等于1。改變勵磁電流，可使電動機在任意特定負載下的功率因數(shù)達到1，甚至變成超前。同步電動機的最大電磁功率與額定功率之比，稱為過載能力。和發(fā)電機一樣，增加電動機的勵磁，可以提高最大電磁功率Pe(max)，從而提高過載能力。U=UN，Pe=C時，IM=f(If)。(2)V形曲線內(nèi)功率因數(shù)角為：4.同步電動機的起動同步電動機僅在同步轉(zhuǎn)速時才產(chǎn)生恒定的同步電磁轉(zhuǎn)矩。起動時若把定子直接投入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子加上直流勵磁，則定子旋轉(zhuǎn)磁場以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，而轉(zhuǎn)子磁場靜止不動，定、轉(zhuǎn)子磁場之間具有相對運動，所以作用在轉(zhuǎn)子上的同步電磁轉(zhuǎn)矩正、負交變，平均轉(zhuǎn)矩為零，電機不能自行起動。因此，要把同步電動機起動起來，必須借助其他方法。起動方法異步起動法輔機起動法變頻起動法（1）異步起動法起動繞組：電機的主極極靴上設(shè)有起動繞組，相當于感應(yīng)電機的鼠籠繞組。起動方法：起動時，先把勵磁繞組通過電阻短接，然后把定子繞組接到三相交流電網(wǎng)。依靠定子旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電流所產(chǎn)生的異步電磁轉(zhuǎn)矩，電機便能轉(zhuǎn)起來。自耦變壓器籠形起動繞組＋－運行起動異步起動時的線路圖待轉(zhuǎn)速上升到接近于同步轉(zhuǎn)速時，再將勵磁電流接入勵磁繞組，使轉(zhuǎn)子建立主極磁場。此時依靠定、轉(zhuǎn)子磁場相互作用所產(chǎn)生的同步電磁轉(zhuǎn)矩，再加上由于凸極效應(yīng)所引起的磁阻轉(zhuǎn)矩，便可能將轉(zhuǎn)子牽入同步。通常選用與同步電動機極數(shù)相同的感應(yīng)電動機作為輔助電動機，當輔助電機把主機拖動到接近同步轉(zhuǎn)速時，再用自整步法把主機投入電網(wǎng)。(2)輔機起動方法(3)變頻起動法起動時，加上勵磁，把變頻電源輸出頻率調(diào)的很低。變頻器＋－緩慢提高變頻器的輸出頻率，直到額定頻率。

切除變頻器。5.同步電動機的調(diào)速和控制方式(1)調(diào)速原理由改變供電電源的頻率，可以方便地控制同步電動機的轉(zhuǎn)速。對于隱極同步電機當轉(zhuǎn)子勵磁電流不變時，若采用恒電壓/頻率比控制同步電機的最大轉(zhuǎn)矩保持不變。(2)控制方式同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)可分為它控式和自控式兩種。自控式是從外部控制變頻器頻率來準確地控制轉(zhuǎn)速。這種控制方式簡單，但有失步和振蕩問題，對急劇升、降速必須加以限制。自控式是頻率的閉環(huán)控制，采用轉(zhuǎn)子位置傳感器隨時檢測定、轉(zhuǎn)子磁極相對位置和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，由位置傳感器發(fā)出的位置信號去控制變頻器中主開關(guān)元件的導(dǎo)通順序和頻率。電機的轉(zhuǎn)速在任何時候都與變頻器的供電頻率保持嚴格的同步，故不存在失步和振蕩現(xiàn)象，三、同步補償機

1.同步補償機的原理

同步補償機可以看作為空載運行的同步電動機。在正常勵磁時，電樞電流極小，接近于零。過勵時，從電網(wǎng)吸收超前的無功電流；欠勵時，則從電網(wǎng)吸取滯后的無功電流。

2.同步補償機的額定容量和結(jié)構(gòu)特點同步補償機的轉(zhuǎn)子上裝有起動繞組，供異步起動之用。為提高材料利用率，大型補償機常常采用氫冷。同步補償機的額定容量是按過勵時所能補償?shù)臒o功功率來確定，其容量主要受定、轉(zhuǎn)子繞組溫升的限制。由于補償機不帶任何機械負載，故可沒有軸伸，對其機械結(jié)構(gòu)要求亦較低。允許其同步電抗稍大，因而電機的用銅量較少、造價較低。6.10同步發(fā)電機的不對稱運行不對稱運行的原因：系統(tǒng)內(nèi)接有較大的單相負載；雷擊；不對稱短路。不對稱運行的分析方法：對稱分量法二、同步發(fā)電機的各相序阻抗和等效電路同步發(fā)電機不對稱運行時電壓和電流的對稱分量分別為，由于轉(zhuǎn)子對各相序電流所產(chǎn)生磁場的反應(yīng)不同，使各相序阻抗互不相同?？紤]到對稱繞組中感應(yīng)的勵磁電動勢只有正序分量，可畫出各相序的等效電路。，對應(yīng)的電壓方程為

1.正序阻抗和正序等效電路

在轉(zhuǎn)子正向同步旋轉(zhuǎn)、勵磁繞組接通，電樞三相繞組流過對稱的正序電流時，同步電機所表現(xiàn)的阻抗稱為正序阻抗，用Z+表示。上述情況實質(zhì)上就是前面所研究的對稱運行情況，所以穩(wěn)態(tài)情況下同步電機的正序阻抗。

Z+＝R＋＋jX＋Z+就是隱極電機的同步阻抗正序電阻R＋就是電樞電阻Ra，即R＋＝Ra正序電抗X＋就是同步電抗Xs

，即X＋＝Xs對于隱極電機對于凸極電機當電樞磁動勢與直軸重合時，X＋＝Xd當電樞磁動勢與交軸重合時，X＋＝Xq在其他位置時，X＋的值將在Xd和Xq之間2.負序阻抗和負序等效電路在轉(zhuǎn)子正向同步旋轉(zhuǎn)、勵磁繞組短接，電樞三相繞組流過一組對稱的負序電流時，同步電機所表現(xiàn)的阻抗成為負序阻抗，用Z-表示。此時該同步電機相當于s=2的感應(yīng)電動機運行狀態(tài)。故把s=2帶入感應(yīng)電動機的等效電路，并考慮到交軸及直軸的差別，就可得到同步電機的負序阻抗，分別討論轉(zhuǎn)子上有、無阻尼繞組兩種情況。（1）轉(zhuǎn)子無阻尼繞組Z-q=Ra+jXqZ-d將近似地等于負序電抗X-為（2）轉(zhuǎn)子有阻尼繞組直軸和交軸的負序電抗將近似等于稱為交軸超瞬態(tài)電抗稱為直軸超瞬態(tài)電抗如果轉(zhuǎn)子的阻尼作用極強，則負序電抗將接近于電樞繞組的漏抗。而負序電抗X-則近似等于阻尼回路的參數(shù)對負序電抗的影響較大。結(jié)論：轉(zhuǎn)子的阻尼作用越強（即阻尼繞組的漏阻抗越?。琗-越小。電樞電流產(chǎn)生的負序氣隙磁場被轉(zhuǎn)子阻尼繞組中感應(yīng)電流所產(chǎn)生的去磁磁場抵消得就越多，合成負序磁場就越弱。3.零序阻抗和零序等效電路在轉(zhuǎn)子正向同步旋轉(zhuǎn)、勵磁繞組短接，電樞三相繞組流過一組零序電流時，同步電機所表現(xiàn)的阻抗稱為零序阻抗，用Z0表示。

當電樞三相對稱繞組通入零序電流時，由于各相的零序電流為同幅值、同相位，故氣隙基波合成磁動勢和磁場將等于零，零序電抗X0屬于漏電抗性質(zhì)。分析表明若繞組為整距，則X0與定子漏抗Xσ基本相等若繞組為短距，則X0<Xσ零序電阻R0就是電樞電阻Ra零序阻抗Z0等于Z0＝R0＋jX0設(shè)同步發(fā)電機的A相對中點短路，B、C相為空載。二、同步發(fā)電機的單相短路發(fā)電機端點的約束條件為：單相穩(wěn)態(tài)短路電流比三相穩(wěn)態(tài)短路電流大。B相和C相的開路電壓為:單相短路時，定子短路電流中除基波分量外，還有3次，5次…等奇次諧波；轉(zhuǎn)子電流中除直流勵磁分量外，還將含有一系列偶次諧波。定子繞組的脈振磁場分解為兩個大小相等轉(zhuǎn)向相反的旋轉(zhuǎn)磁場反向的負序磁場將以2ns的相對轉(zhuǎn)速“切割”轉(zhuǎn)子在勵磁繞組內(nèi)產(chǎn)生一個頻率為2f1的感應(yīng)電流產(chǎn)生一個頻率為2f1的脈振磁場分解為兩個大小相等轉(zhuǎn)向相反的旋轉(zhuǎn)磁場，在空間的旋轉(zhuǎn)速度分別為-ns和3ns3ns的這個旋轉(zhuǎn)磁場將在定子繞組內(nèi)感生3f1（150Hz）的電動勢和短路電流定子中有一系列奇次諧波，轉(zhuǎn)子中有一系列偶次諧波三、同步發(fā)電機的線間短路

設(shè)B、C兩相發(fā)生線間短路，A相為空載?，F(xiàn)分析其短路電流和A相開路電壓

B、C相線間短路、A相空載時，發(fā)電機端點的約束條件為由于?0＝0，所以零序系統(tǒng)可以不予考慮。正序和負序電流為：短路電流則為：正、負序電壓為：開路相電壓為：三相穩(wěn)態(tài)短路電流<兩相穩(wěn)態(tài)短路電流<單相穩(wěn)態(tài)短路電流6.11同步發(fā)電機的三相突然短路同步發(fā)電機突然短路時，各繞組中會出現(xiàn)很大的沖擊電流，其峰值可達額定電流的10倍以上，因而將在電機內(nèi)產(chǎn)生很大的電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩。為了簡化分析，作如下假設(shè)：(1)在整個電磁瞬態(tài)過程中，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速保持同步轉(zhuǎn)速；(2)不計磁路飽和，因而可利用疊加原理來分析；(3)突然短路前，發(fā)電機空載運行；(4)轉(zhuǎn)子上只有勵磁繞組。一、超導(dǎo)回路磁鏈守恒原理磁極相對于回路移動在回路中感應(yīng)電動勢感應(yīng)電流產(chǎn)生一自感磁鏈和自感電動勢電壓方程為超導(dǎo)體閉合回路的總磁鏈保持不變。二、三相突然短路過程中的基本電磁關(guān)系1．定子各相繞組的磁鏈轉(zhuǎn)子磁場產(chǎn)生的定子三相繞組磁鏈定子三相繞組磁鏈初值分別為

勵磁繞組磁鏈初始值為

突然短路后定子各相繞組的磁鏈定子三相短路電流產(chǎn)生的與定子繞組交鏈的磁鏈

2．定子各相繞組的電流3．轉(zhuǎn)子繞組的電流和磁鏈

突然短路后轉(zhuǎn)子勵磁繞組總電流的表達式為

對應(yīng)的磁鏈是4．瞬態(tài)磁場和瞬態(tài)電抗直軸瞬態(tài)主磁路磁阻直軸瞬態(tài)主磁路磁導(dǎo)直軸瞬態(tài)磁路磁導(dǎo)直軸瞬態(tài)電抗三、突然短路電流及其衰減時間常數(shù)1．各個電流分量定子短路電流周期性分量

定子短路電流非周期性分量

勵磁繞組電流的周期性分量

三相短路電流的穩(wěn)態(tài)分量2．突然短路電流的衰減變化規(guī)律（1），瞬態(tài)分量，與勵磁繞組中的非周期性分量對應(yīng)；（2），穩(wěn)態(tài)分量，與恒定勵磁電流對應(yīng)；（3）非周期分量，與勵磁繞組中的周期性分量對應(yīng)。穩(wěn)態(tài)分量不衰減；與對應(yīng)的瞬態(tài)分量衰減時間常數(shù)為；與對應(yīng)的非周期分量衰減時間常數(shù)。勵磁繞組非周期電流和定子電流瞬態(tài)分量衰減的時間常數(shù)

定子非周期電流衰減時間常數(shù)

定子繞組短路時，勵磁繞組的等效電抗三相突然短路（無阻尼繞組）的A相電流波形有阻尼繞組時三相突然短路電流為超瞬變分量，；是直軸阻尼繞組非周期電流和定子電流超瞬態(tài)分量衰減的時間常數(shù)。最大沖擊電流某相交鏈的磁鏈達正最大值時短路，若不考慮衰減，經(jīng)過半個周期后最大沖擊電流為

，可達實際衰減后最大電流也可達到。三相突然短路（有阻尼繞組）的A相電流波形

6．12永磁同步電機一、永磁同步電動機1．異步起動永磁同步電動機

異步起動永磁電動機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)起動轉(zhuǎn)矩發(fā)電制動轉(zhuǎn)矩異步驅(qū)動轉(zhuǎn)矩單軸轉(zhuǎn)矩，時產(chǎn)生。2．正弦波永磁同步電動機電機本體；轉(zhuǎn)子位置