1、-1-第第1010章章 交流同步電機交流同步電機電機及拖動基礎電機及拖動基礎 -2-引引 言言 本章主要闡述同步電機的工作原理，利用本章主要闡述同步電機的工作原理，利用雙反應理論雙反應理論建立建立同步電動機的基本電磁關系，在此基礎上對同步電動機的功率同步電動機的基本電磁關系，在此基礎上對同步電動機的功率關系、關系、功角特性、矩角特性功角特性、矩角特性及及功率因數(shù)的調(diào)節(jié)功率因數(shù)的調(diào)節(jié)等進行深入的分等進行深入的分析。本章還對迅速發(fā)展的永磁式同步電動機做了簡要介紹。析。本章還對迅速發(fā)展的永磁式同步電動機做了簡要介紹。 第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機-3-10.1 同步電機的結構和運行方

2、式同步電機的結構和運行方式 如果三相交流電機的轉子轉速如果三相交流電機的轉子轉速n與定子電流的頻率與定子電流的頻率f1滿足下滿足下面的方程式關系，這種電機就稱為同步電機。同步電機多被用面的方程式關系，這種電機就稱為同步電機。同步電機多被用作發(fā)電機，當今作為動力用的強大電力幾乎全是由三相同步發(fā)作發(fā)電機，當今作為動力用的強大電力幾乎全是由三相同步發(fā)電機發(fā)出的，因此它是各類發(fā)電廠的核心設備之一。同步電機電機發(fā)出的，因此它是各類發(fā)電廠的核心設備之一。同步電機也可以作電動機使用，例如空氣壓縮機、鼓風機、電力推進裝也可以作電動機使用，例如空氣壓縮機、鼓風機、電力推進裝置和電動發(fā)電機組等。置和電動發(fā)電機組等

3、。 p1160nfnn第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機-4-10.1.1 同步電機的基本結構同步電機的基本結構 1. 定子定子 同步電機的定子，就其基本結構來看，與異步電機的定子同步電機的定子，就其基本結構來看，與異步電機的定子沒有多大區(qū)別，也是由定子鐵心、定子繞組以及機座、端蓋等沒有多大區(qū)別，也是由定子鐵心、定子繞組以及機座、端蓋等附件組成。附件組成。 第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機-5- 2. 轉子轉子 同步電機的轉子有兩種結構形式：一種有明顯的磁極，同步電機的轉子有兩種結構形式：一種有明顯的磁極， 稱稱為為凸極式凸極式，如圖，如圖10-1a所示；另一種轉子為一個

4、圓柱體，表面上所示；另一種轉子為一個圓柱體，表面上開有槽，無明顯的磁極，稱為開有槽，無明顯的磁極，稱為隱極式隱極式，如圖，如圖10-1b所示。所示。第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機 同步電機的勵磁電源有兩種：一種是由勵磁機供電，另一同步電機的勵磁電源有兩種：一種是由勵磁機供電，另一種是由交流電源經(jīng)過整流而得到。每臺同步電機應配備一臺勵種是由交流電源經(jīng)過整流而得到。每臺同步電機應配備一臺勵磁機或整流勵磁裝置，以便調(diào)節(jié)勵磁電流。磁機或整流勵磁裝置，以便調(diào)節(jié)勵磁電流。 水輪發(fā)電機水輪發(fā)電機 凸極式凸極式汽輪發(fā)電機汽輪發(fā)電機 隱極式隱極式轉速較低轉速較低 轉速較高轉速較高-6-10.1.2

5、 同步電機的基本原理同步電機的基本原理 1. 同步電機的物理模型同步電機的物理模型 第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機-7- 2. 同步電機的工作原理同步電機的工作原理 現(xiàn)以現(xiàn)以同步發(fā)電機同步發(fā)電機為例來說明同步電機的工作原理。當同步發(fā)為例來說明同步電機的工作原理。當同步發(fā)電機的轉子在原動機的拖動下達到同步轉速電機的轉子在原動機的拖動下達到同步轉速n1時，由于轉子繞組時，由于轉子繞組是由直流電流是由直流電流If 勵磁，勵磁， 所以轉子繞組在氣隙中所建立的磁場相對所以轉子繞組在氣隙中所建立的磁場相對于定子來說是一個與轉子旋轉方向相同，轉速大小相等的旋轉磁于定子來說是一個與轉子旋轉方向相

6、同，轉速大小相等的旋轉磁場。該磁場切割定子上開路的三相對稱繞組，場。該磁場切割定子上開路的三相對稱繞組， 在三相對稱繞組中在三相對稱繞組中產(chǎn)生三相對稱空載感應電動勢產(chǎn)生三相對稱空載感應電動勢E0 。若改變勵磁電流的大小則可相。若改變勵磁電流的大小則可相應地改變感應電動勢的大小，此時同步發(fā)電機處于應地改變感應電動勢的大小，此時同步發(fā)電機處于空載運行空載運行。 當同步發(fā)電機帶當同步發(fā)電機帶負載負載后，定子繞組構成閉合回路，產(chǎn)生定子后，定子繞組構成閉合回路，產(chǎn)生定子電流，該電流是三相對稱電流，因而要在氣隙中產(chǎn)生與與轉子旋電流，該電流是三相對稱電流，因而要在氣隙中產(chǎn)生與與轉子旋轉方向相同，轉速大小相等

7、的旋轉磁場。此時定、轉子間旋轉磁轉方向相同，轉速大小相等的旋轉磁場。此時定、轉子間旋轉磁場相對靜止，氣隙中的磁場是定、轉子旋轉磁場的合成。由于氣場相對靜止，氣隙中的磁場是定、轉子旋轉磁場的合成。由于氣隙中磁場的改變，定子繞組中感應電動勢的大小也將發(fā)生變化。隙中磁場的改變，定子繞組中感應電動勢的大小也將發(fā)生變化。 第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機-8- 3. 同步電機的運行方式同步電機的運行方式 第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機-9-10.2 同步電動機的電磁關系同步電動機的電磁關系10.2.1 同步電動機的磁動勢同步電動機的磁動勢 當同步電動機的定子三相對稱繞組當同步電

8、動機的定子三相對稱繞組 連接到三相對稱電源上連接到三相對稱電源上時，就會產(chǎn)生三相合成旋轉磁動勢，時，就會產(chǎn)生三相合成旋轉磁動勢， 簡稱簡稱電樞磁動勢電樞磁動勢，用空間，用空間矢量矢量Fa表示。設電樞磁動勢表示。設電樞磁動勢Fa 的轉向為的轉向為逆時針方向逆時針方向，轉速為同，轉速為同步轉速。在同步電動機負載運行時，步轉速。在同步電動機負載運行時， 其轉子也是逆時針方向以其轉子也是逆時針方向以同步轉速旋轉。由直流勵磁電流同步轉速旋轉。由直流勵磁電流 If 產(chǎn)生的磁動勢稱為產(chǎn)生的磁動勢稱為勵磁磁動勵磁磁動勢勢，用，用Ff 表示，它也是一個空間矢量。表示，它也是一個空間矢量。 這里規(guī)定兩個軸方向：轉

9、子這里規(guī)定兩個軸方向：轉子N極和極和S極的中心線稱為極的中心線稱為直軸或直軸或縱軸縱軸，簡稱，簡稱d 軸軸；與直軸相距；與直軸相距90 空間電角度的方向稱為空間電角度的方向稱為交軸或交軸或橫軸橫軸，簡稱，簡稱q 軸軸。直軸和交軸隨轉子一同旋轉，如圖。直軸和交軸隨轉子一同旋轉，如圖10-4所示。所示。 第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機-10- 先考慮先考慮勵磁磁動勢勵磁磁動勢Ff單獨在電機主磁路中產(chǎn)生磁通時的情單獨在電機主磁路中產(chǎn)生磁通時的情況。勵磁磁動勢況。勵磁磁動勢Ff 總是在直軸方向，總是在直軸方向， 產(chǎn)生的磁通如圖產(chǎn)生的磁通如圖8-5所示。所示。將由勵磁磁動勢將由勵磁磁動勢F

10、f單獨產(chǎn)生的磁通叫單獨產(chǎn)生的磁通叫勵磁磁通勵磁磁通，用，用 f 表示。表示。第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機-11- f 經(jīng)過的磁路是以直軸為對稱的，圖經(jīng)過的磁路是以直軸為對稱的，圖10-6是其計算機仿真是其計算機仿真結果。結果。 第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機-12- 對于對于電樞磁動勢電樞磁動勢 Fa 單獨在電機主磁路中產(chǎn)生磁通時的情況，單獨在電機主磁路中產(chǎn)生磁通時的情況，則比勵磁磁動勢則比勵磁磁動勢Ff 產(chǎn)生磁通時的情況復雜。圖產(chǎn)生磁通時的情況復雜。圖10-7給出了電樞磁給出了電樞磁動勢單獨在電機主磁路中產(chǎn)生磁通的計算機仿真結果。動勢單獨在電機主磁路中產(chǎn)生磁通的

11、計算機仿真結果。 第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機-13-10.2.2 凸極同步電動機的雙反應理論凸極同步電動機的雙反應理論 第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機aqadaFFF-14- 根據(jù)第根據(jù)第8章的分析，可以寫出由定子電流產(chǎn)生的電樞磁動勢章的分析，可以寫出由定子電流產(chǎn)生的電樞磁動勢的表達式的表達式spW11a35. 1InkNF（10-2）將上式分解為將上式分解為d、q軸上的直軸電樞磁動勢和交軸電樞磁動勢：軸上的直軸電樞磁動勢和交軸電樞磁動勢：（10-3）第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機qpW11aqdpW11ad35. 135. 1InkNFInkNF

12、-15- 考慮到式（考慮到式（10-1）的關系，即有）的關系，即有qdsIII（10-4）第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機-16-10.2.3 同步電動機的電壓方程同步電動機的電壓方程 1. 凸極同步電動機的電壓方程凸極同步電動機的電壓方程 不管是勵磁磁通不管是勵磁磁通 f ，還是直軸磁通，還是直軸磁通 ad 和交軸磁通和交軸磁通 aq，都，都是以同步轉速逆時針旋轉，因此都要在定子繞組中產(chǎn)生相應的感是以同步轉速逆時針旋轉，因此都要在定子繞組中產(chǎn)生相應的感應電動勢。根據(jù)圖應電動勢。根據(jù)圖10-9給出的同步電動機定子繞組各電量正方向，給出的同步電動機定子繞組各電量正方向， 可以列出可以

13、列出A相回路的電壓方程相回路的電壓方程 （10-5）第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機sssaqad0sjXRIEEEU-17-感應電動勢感應電動勢 、 可以寫成可以寫成 adEaqEaddadjXIEaqqaqjXIE（10-7）（10-6）把式（把式（10-6）、式（）、式（10-7）代入式（）代入式（10-5），得），得 sssaqqadd0sjjjXRIXIXIEU在將式（在將式（10-4）代入上式，得）代入上式，得 sqdsaqqsadd0sjjRIIXXIXXIEU第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機直軸電樞反直軸電樞反應電抗應電抗交軸電樞反交軸電樞反應電抗應電抗

14、-18-一般情況下，當同步電動機容量較大時，可一般情況下，當同步電動機容量較大時，可忽略電阻忽略電阻Rs，于是，于是 qqdd0sjjXIXIEU（10-10）saddXXXsaqqXXXqdXX第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機直軸同步直軸同步電抗電抗交軸同步交軸同步電抗電抗定子定子漏抗漏抗2mmmFNINXLIII RI RR-19- 2. 隱極同步電動機的電壓方程隱極同步電動機的電壓方程 對于隱極同步電動機，由于氣隙均勻，因而直軸和交軸的對于隱極同步電動機，由于氣隙均勻，因而直軸和交軸的同步電抗在數(shù)值上彼此相等，即有同步電抗在數(shù)值上彼此相等，即有 cqdXXX（10-11）第第

15、10 10章章 交流同步電機交流同步電機同步同步電抗電抗這樣，由式（這樣，由式（10-10）可寫出隱極同步電動機的電壓方程為）可寫出隱極同步電動機的電壓方程為 （10-12）cs0sj XIEU-20-10.2.4 同步電動機相量圖同步電動機相量圖 同步電機作為電動機運行時，電源必須向電機的定子繞組同步電機作為電動機運行時，電源必須向電機的定子繞組輸入有功功率，這時輸入電動機的有功功率輸入有功功率，這時輸入電動機的有功功率P1必須滿足必須滿足 0cos31ss1IUP（10-13）這就是說，定子相電流的有功分量這就是說，定子相電流的有功分量 應與相電壓應與相電壓 同相同相位。位。 由此可見，由

16、此可見， 與與 二者之間的功率因數(shù)角二者之間的功率因數(shù)角 必須小于必須小于90 ，才能使電機運行于電動機狀態(tài)。圖，才能使電機運行于電動機狀態(tài)。圖10-10a是根據(jù)凸極同步是根據(jù)凸極同步電動機的電壓方程，在電動機的電壓方程，在 （超前超前）時，）時， 電機運行于電動電機運行于電動機狀態(tài)的相量圖。機狀態(tài)的相量圖。 1cossIsUsUsI1o190第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機cossinsqsdIIII（10-14）內(nèi)功率因數(shù)角內(nèi)功率因數(shù)角-21-圖圖10-10b是根據(jù)隱極同步電動機的電壓方程畫出的相量圖。是根據(jù)隱極同步電動機的電壓方程畫出的相量圖。 第第10 10章章 交流同步電

17、機交流同步電機-22-10.3 同步電動機的功率與轉矩同步電動機的功率與轉矩10.3.1 功率關系功率關系 同步電動機從電源吸收有功功率同步電動機從電源吸收有功功率P1 ，在扣除消耗于定子繞，在扣除消耗于定子繞組的銅損耗組的銅損耗 后，轉變?yōu)殡姶殴β屎?，轉變?yōu)殡姶殴β蔖em ，即有，即有 ssRIp2Cu3emCu1PpP（10-15）從電磁功率從電磁功率Pem里再扣除鐵損耗里再扣除鐵損耗 和機械摩擦損耗和機械摩擦損耗 后，后，得到輸出給負載的機械功率得到輸出給負載的機械功率P2FepmpmFeem2ppPP（10-16）其中，鐵損耗其中，鐵損耗 與機械損耗與機械損耗 之和稱為空載損耗之和稱為

18、空載損耗P0 ，即，即 FepmpmFe0ppP（10-17）第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機-23-根據(jù)上述分析，可以畫出同步電動機的功率流程圖：根據(jù)上述分析，可以畫出同步電動機的功率流程圖： 第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機-24-10.3.2 電磁功率與功角特性電磁功率與功角特性 對于凸極同步電動機，當忽略定子繞組的電阻對于凸極同步電動機，當忽略定子繞組的電阻Rs 時，同步時，同步電動機的電磁功率為電動機的電磁功率為 11emcos3ssIUPP（10-18）由凸極同步電動機的相量圖（圖由凸極同步電動機的相量圖（圖10-10），）， ，于是，于是 1sinsin3

19、coscos3ssssemIUIUP此外，根據(jù)相量圖可得此外，根據(jù)相量圖可得 sincoscossinsqqs0ddsqsdUXIUEXIIIII（10-19）第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機-25-考慮以上這些關系，得考慮以上這些關系，得 （10-20）sincos113sin3dq2sds0emXXUXUEP2sin23sin3qdqd2sds0emXXXXUXUEP第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機勵磁電磁勵磁電磁功率功率1凸極電磁凸極電磁功率功率2-26- 上式所示凸極同步電動機的電磁功率上式所示凸極同步電動機的電磁功率Pem 中，中， 第一項與勵第一項與勵磁電流

20、磁電流If 的大小有關，稱為的大小有關，稱為勵磁電磁功率勵磁電磁功率。第二項與勵磁電流。第二項與勵磁電流If 的大小無關，是由參數(shù)的大小無關，是由參數(shù) 引起的，引起的， 這部分功率只有凸極這部分功率只有凸極同步電動機才有，而對隱極同步電動機則不存在，同步電動機才有，而對隱極同步電動機則不存在， 所以該電磁所以該電磁功率稱為功率稱為凸極電磁功率凸極電磁功率。 第一項勵磁電磁功率是主要的，第二第一項勵磁電磁功率是主要的，第二項凸極電磁功率比第一項小得多。項凸極電磁功率比第一項小得多。 圖圖10-12中中曲線曲線3是總的電磁功率是總的電磁功率Pem與與角的關系曲線，可角的關系曲線，可見與見與Pem最

21、大值所對應的最大值所對應的角小于角小于90。 qdXX第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機-27-10.3.3 電磁轉矩與矩角特性電磁轉矩與矩角特性 首先根據(jù)第首先根據(jù)第3章所介紹的章所介紹的電磁轉矩通用公式電磁轉矩通用公式來推導同步電動來推導同步電動機電磁轉矩的表達式。電磁轉矩的通用公式為機電磁轉矩的表達式。電磁轉矩的通用公式為 *sssr2pesin2FnT 式中式中 電機極對數(shù)；電機極對數(shù)； 每極合成磁通；每極合成磁通； 定子磁動勢幅值；定子磁動勢幅值； 定子磁動勢與合成磁動勢間的夾角。定子磁動勢與合成磁動勢間的夾角。 pnsrsFs這里，因為這里，因為 ，由式（，由式（10-2

22、）可得）可得 asFF spW11s32InkNF 第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機-28- 由第由第9章的式（章的式（9-8），以及圖），以及圖10-13所示同步電動機的磁動勢所示同步電動機的磁動勢關系，可得關系，可得 W111sr2kNfEs2第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機內(nèi)功率因數(shù)角內(nèi)功率因數(shù)角 -29-把上述三式代入電磁轉矩的通用公式，可得把上述三式代入電磁轉矩的通用公式，可得 1secos3IET 式中式中 同步角速度。同步角速度。不計定子電阻時，不計定子電阻時， ，且，且 ，因此上式可以寫成，因此上式可以寫成 11ssecos3IUT p112nf EUs

23、1（10-23）（10-24）第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機-30- 根據(jù)功率與轉矩的關系，根據(jù)功率與轉矩的關系， 同樣可以導出電磁轉矩及轉矩平衡同樣可以導出電磁轉矩及轉矩平衡方程。方程。與異步電動機一樣，電磁轉矩與異步電動機一樣，電磁轉矩Te等于電磁功率等于電磁功率Pem與電機角與電機角速度速度之比，但對于同步電動機，其轉速即為同步轉速，因此之比，但對于同步電動機，其轉速即為同步轉速，因此第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機（10-25）11ss1emecos3IUPT此式與上式是完全一致的。此式與上式是完全一致的。-31-（10-26） 將式（將式（10-16）等號兩

24、邊同除以）等號兩邊同除以1，即得到同步電動機的轉矩，即得到同步電動機的轉矩平衡方程平衡方程 0e2TTT式中式中 T0空載轉矩?？蛰d轉矩。 將電磁功率的表達式（將電磁功率的表達式（10-20）代入式（）代入式（10-25），得到的電磁），得到的電磁轉矩為轉矩為 2sin23sin3qd1qd2sd1s0eXXXXUXUET（10-27）第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機 功角特性表達式與矩角特性表達式之間僅相差一個常數(shù)功角特性表達式與矩角特性表達式之間僅相差一個常數(shù)1 ，所以圖所以圖10-12中的功角特性曲線也可視為矩角特性曲線。中的功角特性曲線也可視為矩角特性曲線。 -32- 若是

25、隱極式同步電動機，因若是隱極式同步電動機，因Xd =Xq ，功角特性和矩角特性，功角特性和矩角特性的表達式為的表達式為 sin3c0emXUEPssin31s0edXUET 第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機-33-10.3.4 穩(wěn)定運行問題穩(wěn)定運行問題 下面以下面以隱極同步電動機隱極同步電動機為例來討論同步電動機的穩(wěn)定運行問為例來討論同步電動機的穩(wěn)定運行問題。由圖可見，當電動機拖動負載運行在題。由圖可見，當電動機拖動負載運行在 = 0 90 的范圍內(nèi)，的范圍內(nèi)，電動機能夠穩(wěn)定運行；當電動機拖動負載運行在電動機能夠穩(wěn)定運行；當電動機拖動負載運行在 = 90 180 的的范圍內(nèi)，電動機

26、不能夠穩(wěn)定運行范圍內(nèi)，電動機不能夠穩(wěn)定運行（對照圖（對照圖10-3c）。 第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機-34- 如果與異步電動機一樣，將最大電磁轉矩如果與異步電動機一樣，將最大電磁轉矩Tem與額定電磁轉矩與額定電磁轉矩TN之比，稱為過載倍數(shù)，用之比，稱為過載倍數(shù)，用 表示。表示。oemNNsin902 3.5sinTT（10-30） 可見，可見， 為了滿足過載限制的要求，為了滿足過載限制的要求， 隱極同步電動機額定運隱極同步電動機額定運行時，行時， 。對于凸極同步電動機，額定運行時的功率對于凸極同步電動機，額定運行時的功率角還要小些（對照圖角還要小些（對照圖10-12）。）。

27、ooN5 .1630第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機例例10-1例例10-2-35-10.4 同步電動機的工作特性同步電動機的工作特性10.4.1 功率因數(shù)調(diào)節(jié)功率因數(shù)調(diào)節(jié) 當同步電動機接在交流電源上，可以認為電源的電壓當同步電動機接在交流電源上，可以認為電源的電壓Us以及以及頻率頻率f1都保持不變。另外，假設同步電動機拖動的負載轉矩也保都保持不變。另外，假設同步電動機拖動的負載轉矩也保持不變，那么持不變，那么僅改變同步電動機的勵磁電流僅改變同步電動機的勵磁電流If ，就能調(diào)節(jié)同步電，就能調(diào)節(jié)同步電動機的功率因數(shù)。動機的功率因數(shù)。下面以下面以隱極同步電動機隱極同步電動機為例進行分析

28、。為例進行分析。 （10-31）常數(shù)sin3d1s0eXUET常數(shù)sin0E 這說明當同步電動機只改變勵磁電流這說明當同步電動機只改變勵磁電流If時，電動勢時，電動勢E0的大小的大小及相位也要跟著改變，以滿足上式的關系。及相位也要跟著改變，以滿足上式的關系。 第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機-36- 當負載轉矩不變時，由于同步電動機的轉速恒定不變，所以當負載轉矩不變時，由于同步電動機的轉速恒定不變，所以同步電動機的輸出功率不變。在忽略電機中的各種損耗的情況下，同步電動機的輸出功率不變。在忽略電機中的各種損耗的情況下，同步電動機的輸入功率與輸出功率相等。于是有同步電動機的輸入功率與輸

29、出功率相等。于是有 （10-32） 上式的物理意義是：上式的物理意義是：在只改變勵磁電流的情況下，同步電動在只改變勵磁電流的情況下，同步電動機定子繞組中電流的有功分量保持不變。機定子繞組中電流的有功分量保持不變。 根據(jù)式（根據(jù)式（10-31）和式（）和式（10-32）所確定的條件可畫出隱極同）所確定的條件可畫出隱極同步電動機在步電動機在三種不同勵磁電流時三種不同勵磁電流時的相量圖，如圖的相量圖，如圖10-18所示。所示。 常數(shù)11cos3ssIUP在電壓在電壓Us 不變的條件下，必有不變的條件下，必有 常數(shù)1cossI第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機-37- 當改變同步電動機的勵當

30、改變同步電動機的勵磁電流時，能夠改變同步電磁電流時，能夠改變同步電動機的功率因數(shù)，這點是三動機的功率因數(shù)，這點是三相異步電動機所不具備的。相異步電動機所不具備的。 當改變勵磁電流時，同當改變勵磁電流時，同步電動機功率因數(shù)變化的規(guī)步電動機功率因數(shù)變化的規(guī)律可以分為三種情況，即律可以分為三種情況，即正正常勵磁狀態(tài)、常勵磁狀態(tài)、欠勵狀態(tài)欠勵狀態(tài)和和過過勵狀態(tài)勵狀態(tài)。同步電動機拖動負。同步電動機拖動負載運行時，一般要過勵，至載運行時，一般要過勵，至少運行在正常勵磁狀態(tài)，少運行在正常勵磁狀態(tài)，不不要讓它運行在欠勵狀態(tài)。要讓它運行在欠勵狀態(tài)。 第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機-38-10.4.

31、2 U形曲線形曲線 同步電動機的同步電動機的U形曲線是指當電源電壓和電源的頻率均為額定形曲線是指當電源電壓和電源的頻率均為額定值時，在輸出功率不變的條件下，調(diào)節(jié)勵磁電流值時，在輸出功率不變的條件下，調(diào)節(jié)勵磁電流If 時定子電流時定子電流Is的的相應變化。相應變化。第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機-39- 對每條對每條U形曲線，定子電流有一最小值，這時定子僅從電網(wǎng)吸形曲線，定子電流有一最小值，這時定子僅從電網(wǎng)吸收有功功率，功率因數(shù)收有功功率，功率因數(shù) 。把這些點連起來，稱為。把這些點連起來，稱為 線。它微微向右傾斜，說明輸出為純有功功率情況下，線。它微微向右傾斜，說明輸出為純有功功率

32、情況下， 輸出功率輸出功率增大的同時，必須相應地增加一些勵磁電流。這樣，增大的同時，必須相應地增加一些勵磁電流。這樣， 線可線可作為分界線，在線的左邊是作為分界線，在線的左邊是欠勵區(qū)欠勵區(qū)，右邊是，右邊是過勵區(qū)過勵區(qū)。 當同步電動機帶一定負載時，當同步電動機帶一定負載時， 若減小勵磁電流若減小勵磁電流If，電動勢，電動勢E0、電磁功率電磁功率 Pem減小。當減小。當Pem減小到一定程度，減小到一定程度，超過超過90 ， 電動機就電動機就失去同步，如圖失去同步，如圖10-19中虛線所示的中虛線所示的不穩(wěn)定區(qū)。從這個角度來看，不穩(wěn)定區(qū)。從這個角度來看，同步電動機最好也不運行于欠勵狀態(tài)。同步電動機最

33、好也不運行于欠勵狀態(tài)。 1cos11cos11cos1第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機-40-10.5 永磁式同步電動機永磁式同步電動機* 世界上第一臺電機就是永磁電機，但是早期的永磁材料磁性世界上第一臺電機就是永磁電機，但是早期的永磁材料磁性能很差，致使永磁電機體積很大，非常笨重，因而很快就為電勵能很差，致使永磁電機體積很大，非常笨重，因而很快就為電勵磁式電機所取代。近年來，隨著稀土永磁材料的快速發(fā)展，特別磁式電機所取代。近年來，隨著稀土永磁材料的快速發(fā)展，特別是是第三代稀土永磁材料釹鐵硼（第三代稀土永磁材料釹鐵硼（Nd-Fe-B）的問世，給永磁電機的問世，給永磁電機的研究和開發(fā)

34、帶來了新的活力。從的研究和開發(fā)帶來了新的活力。從20世紀世紀80年代初開始，各工業(yè)年代初開始，各工業(yè)發(fā)達國家竟相研制高性能永磁電機，其中永磁式同步電動機以其發(fā)達國家竟相研制高性能永磁電機，其中永磁式同步電動機以其高效節(jié)能的優(yōu)點而備受青睞。目前在運動控制系統(tǒng)中普遍使用的高效節(jié)能的優(yōu)點而備受青睞。目前在運動控制系統(tǒng)中普遍使用的永磁式同步電動機主要有兩大類：永磁式同步電動機主要有兩大類：正弦波永磁同步電動機正弦波永磁同步電動機（簡稱（簡稱永磁同步電動機永磁同步電動機）和）和梯形波永磁同步電動機梯形波永磁同步電動機（又稱（又稱無刷直流電動無刷直流電動機機）。）。 第第10 10章章 交流同步電機交流同

35、步電機-41-10.5.1 正弦波永磁同步電動機正弦波永磁同步電動機 1. 基本結構基本結構 正弦波永磁同步電動機包括定子和轉子兩部分。定子部分與正弦波永磁同步電動機包括定子和轉子兩部分。定子部分與一般交流同步電動機的定子相同，轉子部分則采用一般交流同步電動機的定子相同，轉子部分則采用永磁體勵磁永磁體勵磁。第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機-42- 同步電動機的主要參數(shù)同步電抗同步電動機的主要參數(shù)同步電抗Xd、Xq決定于磁路的磁導，決定于磁路的磁導，在電勵磁同步電動機中，在電勵磁同步電動機中， Xd Xq 。但在永磁同步電動機中，情。但在永磁同步電動機中，情況有所不同，因為在直軸磁路

36、中有永磁體，況有所不同，因為在直軸磁路中有永磁體， 永磁體的磁導率很永磁體的磁導率很低低，其導磁性能與空氣相似，因而大大減小了直軸電樞反應的作，其導磁性能與空氣相似，因而大大減小了直軸電樞反應的作用，表現(xiàn)為用，表現(xiàn)為Xd較小；而在交軸磁路中，主要是軟鐵極靴和套環(huán)類較??；而在交軸磁路中，主要是軟鐵極靴和套環(huán)類的磁性材料，導磁性能較好，交軸電樞反應的作用較大，的磁性材料，導磁性能較好，交軸電樞反應的作用較大， Xq較較大，因而在永磁同步電動機中大，因而在永磁同步電動機中Xd Xq 。第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機-43- 2. 工作原理與起動問題工作原理與起動問題 永磁體的引入固然使

37、同步電動機面貌一新，但由此而產(chǎn)生的永磁體的引入固然使同步電動機面貌一新，但由此而產(chǎn)生的一些問題也不容忽視，這其中最主要的當屬起動問題，在由變頻一些問題也不容忽視，這其中最主要的當屬起動問題，在由變頻電源供電的場合，永磁同步電動機可以順利起動，但當由工頻電電源供電的場合，永磁同步電動機可以順利起動，但當由工頻電源直接供電時，由于定子旋轉磁場與轉子永磁體磁場之間有相對源直接供電時，由于定子旋轉磁場與轉子永磁體磁場之間有相對運動，不能產(chǎn)生恒定方向的電磁轉矩，造成起動困難。運動，不能產(chǎn)生恒定方向的電磁轉矩，造成起動困難。 為克服這一困難，永磁同步電動機的轉子一般設計成磁鋼內(nèi)為克服這一困難，永磁同步電動

38、機的轉子一般設計成磁鋼內(nèi)埋式結構，轉子表面裝有和異步電動機相似的籠型繞組（如圖埋式結構，轉子表面裝有和異步電動機相似的籠型繞組（如圖8-20所示），稱為所示），稱為自起動永磁同步電動機自起動永磁同步電動機。第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機-44- 當永磁同步電動機起動時，依靠籠型繞組產(chǎn)生如同異步電動當永磁同步電動機起動時，依靠籠型繞組產(chǎn)生如同異步電動機工作時一樣的起動轉矩，帶動轉子旋轉起來。等到轉子轉速上機工作時一樣的起動轉矩，帶動轉子旋轉起來。等到轉子轉速上升到接近同步速時，依靠定子旋轉磁場與轉子永磁體的相互吸引升到接近同步速時，依靠定子旋轉磁場與轉子永磁體的相互吸引把轉子牽入同

39、步。這就是所謂的把轉子牽入同步。這就是所謂的“異步起動，同步運行異步起動，同步運行”。在整。在整個起動過程中，籠型繞組產(chǎn)生異步起動轉矩，而永磁體產(chǎn)生發(fā)電個起動過程中，籠型繞組產(chǎn)生異步起動轉矩，而永磁體產(chǎn)生發(fā)電制動轉矩，但當達到同步速時，異步起動轉矩為零，而發(fā)電制動制動轉矩，但當達到同步速時，異步起動轉矩為零，而發(fā)電制動轉矩轉變?yōu)橥綘恳D矩，帶動電動機正常同步運行。轉矩轉變?yōu)橥綘恳D矩，帶動電動機正常同步運行?？梢?，對可見，對于自起動永磁式同步電動機來說，永磁體和籠型起動繞組之間的于自起動永磁式同步電動機來說，永磁體和籠型起動繞組之間的合理設計是十分重要的。合理設計是十分重要的。 應當指出，

40、如果電動機轉子本身慣性不大，或者是多極的低應當指出，如果電動機轉子本身慣性不大，或者是多極的低速電機，定子旋轉磁場轉速不是很大，那么永磁同步電動機不另速電機，定子旋轉磁場轉速不是很大，那么永磁同步電動機不另裝起動繞組也是可以直接起動的。裝起動繞組也是可以直接起動的。第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機-45-10.5.2 梯形波永磁同步電動機梯形波永磁同步電動機 直流電動機由于直流電動機由于調(diào)速性能好調(diào)速性能好、堵轉轉矩大堵轉轉矩大等優(yōu)點而在各種運等優(yōu)點而在各種運動控制系統(tǒng)中等到廣泛應用，但是直流電動機具有電刷和換向器動控制系統(tǒng)中等到廣泛應用，但是直流電動機具有電刷和換向器裝置，運行時

41、所形成的裝置，運行時所形成的機械摩擦機械摩擦嚴重影響電機的精度和可靠性，嚴重影響電機的精度和可靠性，因摩擦而產(chǎn)生的火花還會引起無線電干擾。因摩擦而產(chǎn)生的火花還會引起無線電干擾。電刷和換向器裝置電刷和換向器裝置使使直流電動機結構復雜、噪音大，維護也比較困難。所以，長期以直流電動機結構復雜、噪音大，維護也比較困難。所以，長期以來人們在不斷尋求可以不用電刷和換向器裝置的直流電動機。隨來人們在不斷尋求可以不用電刷和換向器裝置的直流電動機。隨著電子技術、計算機技術和永磁材料的迅速發(fā)展，誕生了著電子技術、計算機技術和永磁材料的迅速發(fā)展，誕生了梯形波梯形波永磁同步電動機永磁同步電動機無刷直流電動機無刷直流電

42、動機。這種電動機利用電子開關。這種電動機利用電子開關線路和位置傳感器來代替電刷和換向器，線路和位置傳感器來代替電刷和換向器，既具有直流電動機的運既具有直流電動機的運行特性，又具有交流電動機結構簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)行特性，又具有交流電動機結構簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點，點，它的轉速不再受機械換向的限制，可以制成轉速高達每分鐘它的轉速不再受機械換向的限制，可以制成轉速高達每分鐘幾十萬轉的高速電動機。因此，無刷直流電動機用途非常廣泛，幾十萬轉的高速電動機。因此，無刷直流電動機用途非常廣泛，可作為一般直流電動機、伺服電動機和力矩電動機等使用?？勺鳛橐话阒绷麟妱訖C、伺服電動機和力矩電動機等使

43、用。 第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機-46- 1. 基本結構基本結構 無刷直流電動機由電動機本體、電子開關線路和轉子位置傳無刷直流電動機由電動機本體、電子開關線路和轉子位置傳感器三部分組成，其系統(tǒng)構成如圖感器三部分組成，其系統(tǒng)構成如圖10-21所示，其中直流電源通所示，其中直流電源通過開關線路向電動機的定子繞組供電，位置傳感器檢測電動機的過開關線路向電動機的定子繞組供電，位置傳感器檢測電動機的轉子位置，并提供信號控制開關線路中的功率開關元件，使之按轉子位置，并提供信號控制開關線路中的功率開關元件，使之按照一定的規(guī)律導通和關斷，從而控制電動機的轉動。照一定的規(guī)律導通和關斷，從而控制

44、電動機的轉動。 第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機-47- 無刷直流電動機的主電路如圖無刷直流電動機的主電路如圖10-22所示，所示， 其中電動機結構其中電動機結構與永磁同步電動機相似，轉子是由永磁材料制成的具有一定極數(shù)與永磁同步電動機相似，轉子是由永磁材料制成的具有一定極數(shù)的永磁體，定子鐵心中安放著對稱的的永磁體，定子鐵心中安放著對稱的多相繞組多相繞組，可接成星形或角，可接成星形或角形，各相繞組分別與電子開關線路中的相應開關元件相連接。電形，各相繞組分別與電子開關線路中的相應開關元件相連接。電子開關線路有子開關線路有橋式橋式和和非橋式非橋式兩種。兩種。 圖圖10-20表示的是常用的

45、表示的是常用的三相三相星形橋式連接方式星形橋式連接方式。 第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機-48- 2. 工作原理工作原理 根據(jù)電子開關線路結構和定子繞組聯(lián)接方式，無刷直流電動根據(jù)電子開關線路結構和定子繞組聯(lián)接方式，無刷直流電動機可以有多種運行狀態(tài)，機可以有多種運行狀態(tài)， 下面以下面以三相導通三相星形三相導通三相星形6狀態(tài)狀態(tài)為例說為例說明無刷直流電動機的工作原理。明無刷直流電動機的工作原理。 第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機-49- 設在任意時刻與三相定子繞組分別相聯(lián)的上、下橋臂開關器設在任意時刻與三相定子繞組分別相聯(lián)的上、下橋臂開關器件總有一個是導通，而另一個是關斷

46、的（件總有一個是導通，而另一個是關斷的（180度導通型度導通型）。）。 三相三相繞組的通電順序依次為繞組的通電順序依次為 A+B-C+、 A+B-C-、 A+B+C-、 A-B+C-、A-B+C+、 A-B-C+。 圖圖10-23a所示的所示的“A+B-C+”通電狀態(tài)，電流流通的路徑為：通電狀態(tài)，電流流通的路徑為： 電源正極電源正極V1管和管和V5管管A相和相和C相繞組相繞組B相繞組相繞組V6管管電源負極電源負極 圖圖10-23b所示的所示的 “A+B-C-”通電狀態(tài)通電狀態(tài) ，電流流通的路徑為：，電流流通的路徑為：電源正極電源正極V1管管A相繞組相繞組B相和相和C相繞組相繞組V6管和管和V2

47、管管電源負極電源負極 第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機-50- 從下表可以看出，在從下表可以看出，在1個周期內(nèi)電動機共有個周期內(nèi)電動機共有6個通電狀態(tài)，每個通電狀態(tài)，每個狀態(tài)都是三相同時導通，每個晶體管導通角為個狀態(tài)都是三相同時導通，每個晶體管導通角為180度。度。 第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機-51-10.5.3 兩種永磁式同步電動機的比較兩種永磁式同步電動機的比較 （1）永磁同步電動機（）永磁同步電動機（permanent magnet synchronous motor，簡稱，簡稱PMSM）：）：其出發(fā)點是用永磁體取代電勵磁式同步其出發(fā)點是用永磁體取代電勵磁式

48、同步電動機轉子上的勵磁繞組，以省去勵磁線圈、滑環(huán)和電刷。電動機轉子上的勵磁繞組，以省去勵磁線圈、滑環(huán)和電刷。PMSM的定子與電勵磁式同步電動機基本相同。為產(chǎn)生恒定電磁的定子與電勵磁式同步電動機基本相同。為產(chǎn)生恒定電磁轉矩，要求系統(tǒng)向轉矩，要求系統(tǒng)向PMSM輸入三相對稱正弦電流，同時要求定子輸入三相對稱正弦電流，同時要求定子繞組的感應電動勢為正弦波，因此也稱繞組的感應電動勢為正弦波，因此也稱PMSM為為正弦波電動機正弦波電動機。 永磁同步電動機通常采用正弦波脈寬調(diào)制（永磁同步電動機通常采用正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）的變頻）的變頻電源供電電源供電，相對來講其控制系統(tǒng)較為復雜，價格較貴。但是它基，相

49、對來講其控制系統(tǒng)較為復雜，價格較貴。但是它基本上屬于旋轉磁場式電機，轉矩脈動小，轉速穩(wěn)定性較高，特別本上屬于旋轉磁場式電機，轉矩脈動小，轉速穩(wěn)定性較高，特別是這種電動機可以實現(xiàn)電磁轉矩的矢量控制，系統(tǒng)動態(tài)性能好，是這種電動機可以實現(xiàn)電磁轉矩的矢量控制，系統(tǒng)動態(tài)性能好，因 此因 此 適 用 于 要 求 高 精 度 控 制 和 寬 調(diào) 速 范 圍 的 場 合適 用 于 要 求 高 精 度 控 制 和 寬 調(diào) 速 范 圍 的 場 合 。第第10 10章章 交流同步電機交流同步電機-52- （2）無刷直流電動機（）無刷直流電動機（brushless DC motor，簡稱，簡稱BDCM）：）：其出發(fā)點是用裝有永磁體的轉子取代有刷直流電動機的定子磁極，其出發(fā)點是用裝有永磁體的轉子取代有刷直流電動機的定子磁極，將原直流電動機的轉子電樞變?yōu)槎ㄗ?。有刷直流電動機是依靠機將原直流電動機的轉子電樞變?yōu)槎ㄗ?。有刷直流電動機是依靠機械換向器將直流電流轉換為近似梯形波的交流，