第六章 同步電機及微控電機

6.1同步電機的基本工作原理及其分類6.2同步發(fā)電機的運行6.3同步電動機無功功率的調節(jié)第六章同步電機及微控電機6.4微控電機6.1同步電機的基本工作原理及其分類一、三相同步發(fā)電機的基本工作原理大?。侯l率：

勵磁繞組通入直流電流后建立恒定磁場，原動機拖動轉子以轉速旋轉時，其磁場切割定子繞組而感應交流電動勢。相序：由轉子的轉向決定。波形：由可知，波形取決于的空間分布。二、同步電機的分類按運行方式，同步電機分發(fā)電機、電動機和調相機。按結構型式，同步電機分旋轉電樞式和旋轉磁極式。旋轉磁極式同步電機按磁極形狀，又分隱極式和凸極式兩種。按原動機類別,同步電機分為汽輪發(fā)電機、水輪發(fā)電機和柴油發(fā)電機等。汽輪發(fā)電機一般作成隱極式，現代汽輪發(fā)電機均為2極，轉速為3000轉/分鐘，水輪發(fā)電機采用凸極式，極數多，轉速低。同步電動機、柴油發(fā)電機和調相機一般作成凸極式。按冷卻介質和冷卻方式分，有空外冷、氫冷、水內冷三、同步電機的主要結構1、定子：同步電機的定子有時也稱為電樞，由定子鐵芯、電樞三相繞組、機座和端蓋等部件所組成。

與異步電機一樣，同步電機也是由定子及轉子兩大部分所組成，定子上有三相交流繞組；轉子上則有勵磁繞組，通入直流電流后，能產生磁場。同步電機的定子鐵芯是由硅鋼片沖制后疊裝而成。當大型同步電機沖片外圓的直徑大于1m時，由于材料標準尺寸的限制，必須做成扇形沖片，然后按圓周拼合起來疊裝而成。2、轉子：

同步電機的轉子有兩種結構型式，即凸極式和隱極，1）凸極式：轉子有明顯的突出的磁極，氣隙分布不均勻。2）隱極式：轉子作成圓柱形，氣隙均勻分布。

區(qū)別：對于高速旋轉的同步電機，在轉子結構上，我們采用隱極式，而對于低速旋轉的電機，由于轉子的圓周速度較低，離心力較小，故采用制造簡單、勵磁繞組集中安放的凸極式結構。大型同步發(fā)電機通常用汽輪機或水輪機作為原動機來拖動，故前者稱為汽輪發(fā)電機，后者稱為水輪發(fā)電機。汽輪發(fā)電機：轉速高，采用隱極式。水輪發(fā)電機：轉速低，采用凸極式。對同步發(fā)電機額定值之間關系為：額定運行時加在三相定子繞組上的線電壓。指電機額定運行時，輸出功率的保證值。同步發(fā)電機是指輸出的額定視在功率或有功功率，單位是KVA或KW。電動機額定容量是指額定條件下轉軸上輸出的機械功率，單位是KW。調相機用KVA或Kvar表示。在額定運行狀態(tài)下三相定子繞組的線電流.四、同步電機的額定值6.2同步發(fā)電機的運行6.2.1同步發(fā)電機的電樞反應

同步發(fā)電機轉子由原動機拖動到同步轉速，轉子繞組通以恒定的直流勵磁電流，定子電樞繞組開路，稱為同步發(fā)電機的空載運行。勵磁電流If單獨建立的勵磁磁動勢Ff產生的主、漏磁通。主、漏磁通均隨轉子旋轉，在氣隙中形成旋轉磁場。主磁通交鏈電樞繞組，在電樞繞組中感應電動勢；漏磁通不交鏈電樞繞組，不在電樞繞組中感應電動勢，不參與定、轉子之間的能量轉換。電機帶上負載后，電樞磁動勢的基波在氣隙中使氣隙磁通的大小及位置均發(fā)生變化，這種影響稱為電樞反應。

電樞反應的性質取決于電樞磁動勢基波和勵磁磁動勢基波之間的相對位置，即與空載電動勢和電樞電流之間的夾角ψ有關。

一、ψ=0°時的電樞反應這里需要注意：我們習慣上稱轉子磁極軸線為直軸，用d來進行表示，而N，S極之間的中線為交軸，用q來進行表示。所以，由于交軸磁勢的存在，使合成磁勢的軸線的位置產生一定的位移，幅值發(fā)生一定的變化。電樞磁動勢與轉子磁勢相加后才是氣隙中的合成磁動勢。二、ψ=90

°時的電樞反應：顯然，此時的電樞磁勢和氣隙磁勢方向相反，電樞反應是去磁效果。三、ψ=-90

°時的電樞反應：

顯然，此時的電樞反應是增磁的，所以電樞磁勢稱之為直軸增磁電樞磁勢。四、ψ=任意角度時的電樞反應：

在這里要注意是電流滯后電動勢還是超前電動勢。電流滯后電動勢時，產生直軸電樞磁勢，對主磁極起去磁作用。與同相位，起交磁作用；電流超前電動勢時，直軸分量電流產生的直軸磁勢對主極磁勢起增磁作用。交軸分量電流產生的交軸磁勢對主極磁勢起交磁作用?？傊?，當同步發(fā)電機供給滯后電流時，電樞磁勢除了一部分產生交軸電樞反應外，還有一部分產生直軸去磁電樞反應；當電電機供給超前電流時，電樞磁勢除了一部分產生交軸電樞反應外，還有一部分產生直軸增磁電樞反應。這個結論十分重要，它對發(fā)電機性能產生影響。6.2.2同步電抗

同步電抗是同步電機中一個重要參數，它的大小對同步電機的性能有很大影響。

隱極同步電機有一個特點就是定轉子之間的氣隙是均勻分布的。其中的稱為電樞反應電抗。在同樣大小電流情況下,如果越大，電樞反應電勢也越大，表示著電樞磁勢所產生的電樞磁通很強。因此的大小可以說明電樞反應的強弱。當然，電樞電流除了產生主磁通外，還要產生一定的漏磁通，由于漏磁通也會交鏈電樞繞組，所以對應產生電動勢。所以在三相對稱電流通過電樞繞組后，所產生的匝鏈定子繞組的磁通為（），兩者在電樞繞組中所產生的全部電勢為式中：稱為隱極同步電機的同步電抗。6.2.3隱極同步發(fā)電機的負載運行

一、負載電流對端電壓的影響：

一臺同步發(fā)電機，保持勵磁電流和電機的轉速不變，給發(fā)電機帶上負載，則發(fā)電機的端電壓將隨著負載電流的變化而變化。不同性質負載下，其變化規(guī)律也不同。在電阻負載時，負載電流增大端電壓下降；在電感負載時，負載電流增大端電壓下降的更厲害；在電容負載時，負載電流增大時，端電壓不但不下降反而會上升。這說明發(fā)電機端電壓的變化，不但與負載電流的大小有關，還與負載電流的性質有關。二、隱極同步發(fā)電機的電勢方程式：同步發(fā)電機在對稱負載下運行，氣隙中存在著兩種磁勢，即定子上的電樞磁勢和轉子的磁極磁勢。在不考慮磁路的飽和現象時，應用迭加原理，認為它們各自獨立地產生相應磁通，并在電樞繞組內產生感應電勢。6.2.4凸極同步發(fā)電機的負載運行

當凸極同步發(fā)電機在對稱負載下運行時，氣隙中也存在著兩種旋轉磁勢，即轉子上磁極磁勢和定子上電樞磁勢。由于凸極電機中，轉子直軸和交軸上的氣隙不等，在分析電樞磁勢影響時，必須按照式前面我們所分析的將磁動勢分解成直軸和交軸兩個分量，然后和處理隱極電機一樣，不計及磁路的飽和現象，應用迭加原理認為它們各自獨立地產生相應的磁通，并在電樞繞組內產生感應電勢?？傻茫?.2.5同步發(fā)電機的運行運行一、空載特性定義：

空載特性是發(fā)電機的基本特性之一。它一方面表征了磁路的飽和情況，另一方面把它和短路特性、零功率因數負載特性配合，可確定電機的基本參數、額定勵磁電流和電壓變化率等。

實際生產中，它還可以檢查三相電樞繞組的對稱性、匝間短路、判斷勵磁繞組有無故障等。二、短路特性定義：短路時的等效電路1、短路特性短路時,電樞反應為直軸去磁氣隙電動勢很小,感應氣隙電動勢的氣隙磁通量很小,所以磁路不飽和。所以短路特性是一條過原點的直線.此時是常數，有2.同步電抗的求取根據公式求xd不飽和值時,首先給定一勵磁電流If，在空載特性的不飽和段或氣隙線上確定對應If的E0值，然后在短路特性曲線上確定對應If的短路電流Ik的值,則求取xd飽和值時，首先在空載特性上取對應額定電壓UN的勵磁電流If0，再從短路特性上取出對應If0的短路電流Ik，則

交軸同步電抗

第三篇同步電機三、外特性定義：外特性曲線

當發(fā)電機帶阻性和感性負載時，外特性是下降的，原因是電樞反應的去磁作用和電樞漏阻抗產生了電壓降；帶容性負載時且（發(fā)電機負載的容抗大于同步電抗）時，外特性是上升的，原因是電樞反應的助磁作用和容性電流在漏抗上的壓降。

為了在不同功率因數下時能得到額定電壓，感性負載時要增大勵磁電流，容性負載時應減小勵磁電流。四、調節(jié)特性定義：調整特性曲線

在感性和阻性負載時，隨著負載電流的增加，必須增加勵磁電流，補償電樞反應的去磁作用和漏阻抗壓降，保持端電壓恒定；對容性負載，隨著負載電流的增加，必須減小勵磁電流。

在功率因數一定情況下,根據調整特性曲線,可確定在負載變化范圍內,維持電壓不變所需的勵磁電流的變化范圍。運行人員可利用調整特性曲線,使系統中無功功率的分配更合理一些。6.3同步電動機無功功率的調節(jié)同步電動機的功率因數是超前還是滯后，和發(fā)電機一樣決定于勵磁狀態(tài)。1、過勵時，電動機從電網中吸入超前的無功電流；2、欠勵時，從電網中吸入滯后的無功功率電流。顯然，電動機的功率因數是可以通過改變勵磁電流來進行調節(jié)的。因此，如將同步電動機在過勵狀態(tài)下和感應電動機接在同一電網上，便可以使供電系統的功率因數提高。這是它最可貴的優(yōu)點。

6.4微控電機

微控電機由驅動微電機和控制電機構成，簡稱為微控電機。在本質上和前面所講的普通電機并沒有區(qū)別,只是他們的側重點不同而已。普通旋轉電機主要是進行能量變換，要求有較高的力能指標；而控制電機主要是對控制信號進行傳遞和變換，要求有較高的控制性能，如