第11章同步電機11.1同步電機的基本工作原理11.2同步電機的電磁關(guān)系11.3同步電機的功率關(guān)系與矩角特性11.4同步電機的功率因數(shù)調(diào)節(jié)和V形曲線11.5同步電機的啟動11.6無換向器電機小結(jié) 11.1同步電機的基本工作原理

同步電機與異步電機的工作原理既有相同之處，又有重要區(qū)別。本節(jié)主要介紹同步電機的工作原理和基本結(jié)構(gòu)。

11.1.1同步發(fā)電機的工作原理

同步發(fā)電機的工作原理如圖11-1所示。同步發(fā)電機定子上有對稱的三相繞組AX、BY、CZ，它們在空間上彼此相差120°電角度，每相繞組的匝數(shù)相等。轉(zhuǎn)子磁極(簡稱主極)上裝有勵磁繞組，由直流勵磁，其磁力線從轉(zhuǎn)子N極出來，經(jīng)過氣隙、定子鐵芯，再由氣隙進入轉(zhuǎn)子S極而構(gòu)成回路。圖11-1同步發(fā)電機的工作原理如果用原動機拖動發(fā)電機轉(zhuǎn)子沿反時針方向恒速旋轉(zhuǎn)，則轉(zhuǎn)子磁極的磁力線切割定子繞組的導體，由電磁感應(yīng)定律可知，在定子導體中就會感應(yīng)出交變電勢。如果磁極磁場的氣隙磁密沿圓周按正弦規(guī)律分布，則當原動機拖動發(fā)電機轉(zhuǎn)子(即磁極)沿反時針方向恒速旋轉(zhuǎn)時，一個在氣隙沿正弦分布隨時間轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)磁場就形成了。顯然，對于三相對稱的定子繞組來說，不管旋轉(zhuǎn)磁場是三相對稱電流通入三相對稱繞組產(chǎn)生的，還是固定磁極加機械轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的，其效果是相同的。由于同步電機的定子繞組和異步電機的定子繞組相同，因而和異步電機一樣，同步電機的定子三相繞組將產(chǎn)生大小相等、相位彼此互差120°的三相基波電勢，其瞬時值為

根據(jù)交流電勢的頻率公式，對于一定的電機，只要原動機拖動同步電機的轉(zhuǎn)速不變，交流電勢的頻率將保持常值。(11-1)我國工業(yè)交流電勢的頻率為50Hz，因此電機的極數(shù)和轉(zhuǎn)速成反比關(guān)系。例如，在汽輪發(fā)電機中，如果轉(zhuǎn)速為3000r/min，則電機為一對極；如果轉(zhuǎn)速為1500r/min，則電機為兩對極。所以，轉(zhuǎn)速越低，則極對數(shù)越多。在水輪發(fā)電機中，如果轉(zhuǎn)速為100r/min，則電機為30對極。

如果在圖11-1所示三相繞組的出線端接上三相負載，便有電能輸出，也就是說，發(fā)電機把機械能轉(zhuǎn)換成電能。

從式可見，同步電機的轉(zhuǎn)速n和電網(wǎng)頻率f之間有嚴格不變的關(guān)系，即當電網(wǎng)的頻率f一定時，電機的轉(zhuǎn)速

為一恒值，而異步電機就不是這樣。這是同步電機和異步電機的基本差別。11.1.2同步電機的工作原理

三相同步電動機的定子繞組和三相異步電動機的定子繞組相同，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(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。為了說明簡單，同步電機的定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場用一對旋轉(zhuǎn)的磁極(上N極，下S極)表示，如圖11-2所示。和異步電機不同的是，同步電動機的轉(zhuǎn)子是由另外的直流電源勵磁(或用永久磁鐵)產(chǎn)生固定磁極(上S下N)。圖11-2表示了同步電動機電磁關(guān)系的物理模型。圖中，定子、轉(zhuǎn)子都是一對磁極，當定子旋轉(zhuǎn)磁極(即旋轉(zhuǎn)磁場的磁極)以n1的速度旋轉(zhuǎn)時，根據(jù)同性相斥、異性相吸的原則，不管定子磁極與轉(zhuǎn)子磁極的原始相對位置如何不同，轉(zhuǎn)動過程中轉(zhuǎn)子磁極的S和N極很快分別被定子旋轉(zhuǎn)磁極的N和S極吸住，它們之間產(chǎn)生相應(yīng)的磁拉力，只要這個磁拉力足夠大，定子旋轉(zhuǎn)磁極將拉著轉(zhuǎn)子磁極以恒定的同步轉(zhuǎn)速一起旋轉(zhuǎn)?？梢姡诫妱訖C的工作原理就是三相定子交流繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場以磁拉力拖著轉(zhuǎn)子磁極(轉(zhuǎn)子)共同以同步轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn)。圖11-2同步電動機工作原理11.1.3同步電機的結(jié)構(gòu)

同步電動機也是由靜止的定子和轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子兩個基本部分組成的。

1.定子

由于同步電機的定子結(jié)構(gòu)部件和異步電動機一樣，起著接收、輸出電能和產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的作用，它們的結(jié)構(gòu)形式并無多大區(qū)別，因此，同步電動機的定子也是由導磁的定子鐵芯、導電的三相交流繞組以及固定鐵芯用的機座和端蓋等部件組成的。

2.轉(zhuǎn)子

同步電機的轉(zhuǎn)子有兩種結(jié)構(gòu)形式：一種是有明顯磁極的，稱為凸極式，如圖11-3(a)所示；另一種轉(zhuǎn)子為一個圓柱體，并無明顯磁極，稱為隱極式，如圖11-3(b)所示。圖11-3旋轉(zhuǎn)磁極式同步電動機的結(jié)構(gòu)示意圖(a)凸極式；(b)隱極式一般同步電動機都做成凸極式，和直流電動機一樣，轉(zhuǎn)子磁極鐵芯由鋼板沖成沖片后疊壓而成，磁極上套有勵磁繞組，勵磁繞組用絕緣的銅線繞成，它與極身之間有絕緣。各磁極上勵磁繞組間的連接，必須注意到通過勵磁電流以后，相鄰磁極的極性呈現(xiàn)N與S交替排列。勵磁繞組的兩個出線端接到兩個集電環(huán)上，通過與集電環(huán)相接觸的靜止電刷向外引出。另外，在磁極表面上裝有籠型繞組，這種籠型繞組稱為阻尼繞組，如圖11-23所示。整個轉(zhuǎn)子由磁極、磁軛、勵磁繞組、轉(zhuǎn)子支架(大型同步電動機有)、軸以及集電環(huán)等部件組成。勵磁用的直流電流一般由整流電源來供給，也可用一臺與同步電機同軸或非同軸的直流發(fā)電機供給。如果用永久磁鐵做成的轉(zhuǎn)子來代替直流勵磁的磁極，則這種同步電動機被稱為三相永磁同步電動機。由于三相永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子不需用直流電流勵磁，因此其結(jié)構(gòu)更簡單，性能更好，是目前使用的主要伺服電動機之一。

小容量同步電動機也有做成旋轉(zhuǎn)電樞式的，即定子是磁極，轉(zhuǎn)子是電樞，目前這種結(jié)構(gòu)形式已很少見。

11.2同步電機的電磁關(guān)系

雖然同步電機的定子繞組與異步電機的定子繞組完全相同，但是轉(zhuǎn)子相差較大，特別是凸極式轉(zhuǎn)子。因此，同步電機電磁關(guān)系的特點就是由于轉(zhuǎn)子的不同而引起的。

11.2.1同步電機的磁動勢及磁通

1.同步電機的空載磁動勢

對于同步發(fā)電機，空載是指轉(zhuǎn)子繞組通入直流勵磁電流If，用原動機拖動轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn)，定子繞組(電樞繞組)開路的運行狀態(tài)。在電路方面，同步電機的三相定子繞組電流I=0，轉(zhuǎn)子直流勵磁電流為If。這時，同步電機只有勵磁電流產(chǎn)生的空間磁勢F0。對于同步電動機，空載是指轉(zhuǎn)子繞組通入直流勵磁電流If，電樞繞組接三相電源，轉(zhuǎn)子輸出轉(zhuǎn)矩為0，以同步轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn)的運行狀態(tài)。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I=0，則同步電動機只有轉(zhuǎn)子的勵磁繞組里通入的直流勵磁電流If，勵磁電流If產(chǎn)生的磁動勢稱為勵磁磁動勢，用F0表示。由于轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn)，F(xiàn)0是一個空間向量，而勵磁電流If是直流，且勵磁磁動勢F0相對于轉(zhuǎn)子而言是靜止的，但轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速n1相對于定子旋轉(zhuǎn)，因此勵磁磁動勢F0相對于定子也以同步轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn)，如圖11-4所示。無論是同步電動機還是同步發(fā)電機，勵磁繞組產(chǎn)生的磁動勢F0均被稱為空載磁動勢。圖11-4凸極式同步電機的空載磁動勢及橫軸和縱軸由于凸極式同步電機的轉(zhuǎn)子(有明顯凸出的磁極)和異步電機的轉(zhuǎn)子明顯不同，因此磁動勢和磁通的分析方法有很大的不同。為了方便分析同步電機的磁動勢和磁通，需要依照轉(zhuǎn)子設(shè)置一個坐標系，即把轉(zhuǎn)子一個N極和與其相鄰的一個S極的中心線稱為縱軸，或稱為直軸(d軸)；與縱軸相距90°空間電角度的地方稱為橫軸，或稱為交軸(q軸)，如圖11-4所示。顯然，d軸與q軸都隨著轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)。這樣，勵磁磁動勢F0便設(shè)定為作用在縱軸方向，產(chǎn)生的磁通如圖11-5所示。把由勵磁磁動勢F0產(chǎn)生的磁通叫做勵磁磁通(空載磁通)，用Φ0表示。顯然，Φ0經(jīng)過的磁路是依縱軸對稱的磁路，并且Φ0隨著轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)。定子繞組切割Φ0，并在其中感應(yīng)電勢，被稱為空載電勢。顯然，定子繞組的空載電勢與F0有關(guān)。圖11-5同步電機的空載磁通Φ0當同步電動機負載以后，電樞繞組產(chǎn)生三相合成旋轉(zhuǎn)磁動勢(這點與異步電機相同)，用空間向量Fa表示。Fa的出現(xiàn)對原空載磁動勢F0產(chǎn)生一定的影響，并使氣隙磁場產(chǎn)生顯著變化，這就是同步電機的電樞反應(yīng)。由于同步電動機的運行原理是定子繞組產(chǎn)生的磁極吸引轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)動，因此同步電動機的轉(zhuǎn)向亦是旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速。同步電動機負載以后，其定子磁動勢Fa與轉(zhuǎn)子磁動勢F0雖然均以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，但是二者在空間的位置卻不一定相同，大部分情況是一個在前，一個在后(且隨運行狀態(tài)而變)。這給分析同步電機的電樞反應(yīng)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(jīng)分析了空載磁動勢F0作用在縱軸方向，而Fa與F0的轉(zhuǎn)速雖然相同，但空間位置不同，因此，F(xiàn)a的作用方向不在縱軸上。由于凸極式同步電機沿定子內(nèi)圓圓周方向的氣隙很不均勻，極面下(d軸處)的氣隙小，兩極之間(q軸處)的氣隙較大，因此，F(xiàn)a產(chǎn)生的氣隙磁通在q軸處有較小的磁密，在d軸處有較大的磁密，如圖11-6所示。圖11-6凸極式同步電機的電樞磁動勢和磁密分布波形從圖11-6可見，由于凸極式同步電機的氣隙不是均勻分布，因而導致其氣隙磁密在空間呈現(xiàn)非正弦分布。這樣即使知道了電樞磁通勢Fa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，這個方法就是同步電機的雙反應(yīng)原理。從圖11-6可見，由于凸極式同步電機的氣隙不是均勻分布，因而導致其氣隙磁密在空間呈現(xiàn)非正弦分布。這樣即使知道了電樞磁通勢Fa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，這個方法就是同步電機的雙反應(yīng)原理。11.2.2同步電機的雙反應(yīng)原理

穩(wěn)態(tài)時電樞磁動勢Fa與轉(zhuǎn)子之間無相對運動，當電樞磁動勢Fa與勵磁磁動勢F0的相對位置已知時，可以人為地把電樞磁通勢Fa分成兩個正弦分量：一個是縱軸電樞磁動勢，用Fad表示，作用在縱軸方向；另一個是橫軸電樞磁動勢，用Faq表示，作用在橫軸方向，即

Fa=Faq+Fad

(11-2)

其分布波形如圖11-7所示。圖11-7電樞磁動勢Fa及其縱軸Fad和橫軸Faq分量這樣，可以單獨考慮正弦磁動勢Fad或Faq在電機主磁路里產(chǎn)生磁通的情況。從圖11-7可見，F(xiàn)ad永遠作用在縱軸方向，而Faq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(yīng)原理。

由縱軸電樞磁動勢Fad單獨在電機的主磁路里產(chǎn)生的磁通，稱為縱軸電樞磁通，用表示，如圖11-8(a)所示。由橫軸電樞磁動勢Faq單獨在電機的主磁路里產(chǎn)生的磁通，稱為橫軸電樞磁通，用表示，如圖11-8(b)所示。和都以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。圖11-8電樞磁通(a)縱軸電樞磁通；(b)橫軸電樞磁通另外，除了Fad和Faq產(chǎn)生的主磁通外，還要產(chǎn)生漏磁通，關(guān)于漏磁通的處理方法與異步電機相同。

從第6章分析知道，電樞磁動勢Fa的大小為

這樣，縱軸電樞磁動勢Fad可以寫成(11-3)(11-4)橫軸電樞磁動勢Faq可以寫成

根據(jù)交流繞組相矢圖的基本原理，磁動勢與產(chǎn)生磁動勢的電流同相位，所以，與Fad同相位，與Faq同相位。根據(jù)Fad和Faq的相位關(guān)系可知，和之間的夾角為90°，且有(11-6)(11-5)根據(jù)式(11-6)，可以把電樞電流按相量的關(guān)系分成兩個分量：一個是縱軸分量，產(chǎn)生了磁通勢Fad；另一個是橫軸分量，產(chǎn)生了磁通勢Faq。

顯然，通過雙反應(yīng)原理的應(yīng)用，將一個電樞磁動勢Fa的電樞反應(yīng)的復雜問題轉(zhuǎn)化成了縱軸電樞磁動勢Fad和橫軸電樞磁動勢Faq兩個電樞反應(yīng)的簡單問題。11.2.3同步電機的電壓平衡方程及相量圖

1.凸極式同步電機的電壓平衡方程

根據(jù)以上的分析可知，負載以后同步電機中有勵磁磁通Φ0、縱軸電樞反應(yīng)磁通Φad和橫軸電樞反應(yīng)磁通Φaq，它們都以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，在定子繞組里的感應(yīng)電動勢分別為：勵磁電動勢(空載電勢)，縱軸電樞反應(yīng)電動勢，橫軸電樞反應(yīng)電動勢。同步電動機各電量的參考方向如圖11-9所示，即采用電動機慣例定向。

根據(jù)這一定向，可得同步電動機相電壓平衡方程為(11-7)圖11-9同步電動機各電量的參考方向(電動機慣例)式中：R1為定子繞組相電阻；X1σ為定子繞組相漏電抗。

為了分析簡單，不考慮磁路飽和，認為磁路線性，即有

Ead∝Φad∝Fad∝Id；Eaq∝Φaq∝Faq∝Iq

和異步電機類似，電樞反應(yīng)電動勢可以表示為電流和電抗降的形式，即(11-8)式中：Xad是比例常數(shù)，稱為縱軸電樞反應(yīng)電抗；Xaq是比例常數(shù)，稱為橫軸電樞反應(yīng)電抗。對同一臺電機，Xad和Xaq都是常數(shù)。

將式(11-8)帶入式(11-7)，得

將式(11-6)帶入式(11-9)，得(11-9)(11-10)一般情況下，當同步電動機容量較大時，可以忽略電阻R1。于是

式中：Xd=Xad+X1σ，稱為縱軸同步電抗；Xq=Xaq+X1σ，稱為橫軸同步電抗。對同一臺電機，Xd和Xq都是常數(shù)，也可以用實驗和計算的方法求得。

結(jié)合同步電機的電勢方程，其電磁關(guān)系可表示為(11-11)

2.凸極式同步電機的電勢相量圖

根據(jù)式(11-9)可以畫出同步電機的相矢圖(領(lǐng)先型)，如圖11-10所示。圖11-10凸極式同步電機φ<90°的相矢圖(用電樞反應(yīng)電抗表示)根據(jù)式(11-11)可以畫出凸極式同步電動機相量圖(領(lǐng)先型)，如圖11-11所示。

1)功率因數(shù)角φ

從圖11-11中可見，φ是電樞電壓與電樞電流之間的夾角，稱為功率因數(shù)角。用φ可以表示電樞電壓和電樞電流之間的相位關(guān)系，即同步電機從電網(wǎng)取得功率的情況。按電動機慣例有

P1=3UIcosφ

(11-12)

顯然，功率因數(shù)角φ<90°時，同步電機從電網(wǎng)取得功率，電機運行于電動機狀態(tài)。圖11-11凸極式同步電機φ<90°的相量圖(忽略定子繞組，用同步電抗表示)

2)功率角θ(也稱功角)

在相量圖中，功率角θ是電樞電壓和空載電勢之間的夾角。功率角θ的含義很豐富，除了表示與之間的夾角，即時間電角度θ外，其第二個含義是，產(chǎn)生電動勢的勵磁磁動勢F0與作用在同步電動機主磁路上總的合成磁動勢F(F=F0+Fa)之間的角度，這是個空間電角度。F0對應(yīng)著，F(xiàn)近似地對應(yīng)著。如果把磁動勢F用一個以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的“等效磁極”表示，則同步電動機的運行可以看成等效磁極拖著轉(zhuǎn)子磁極以同步轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)，如圖11-12所示。而同步發(fā)電機運行是轉(zhuǎn)子磁極在前，等效磁極在后，即轉(zhuǎn)子拖著等效磁極旋轉(zhuǎn)。由此可見，同步電機作電動機運行還是作發(fā)電機運行，要視轉(zhuǎn)子磁極與等效磁極之間的相對位置來決定。

3)內(nèi)功率因數(shù)角ψ

ψ是電樞電流與之間的夾角，稱為內(nèi)功率因數(shù)角，同時有

功率因數(shù)角φ、內(nèi)功率因數(shù)角ψ和功率角θ在分析凸極式同步電動機時非常有用。(11-13)

3.隱極式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，這時同步電動機的縱軸同步電抗和橫軸同步電抗在數(shù)值上相等，即 Xq=Xd=Xc

(11-14)

式中，Xc為隱極式同步電動機的同步電抗。

由此可得隱極式同步電動機的電勢方程為(11-15)根據(jù)式(11-15)可以繪出隱極式同步電機的電動勢相量圖如圖11-13所示。

【例11-1】一臺2kV星形連接的三相隱極式同步電動機，同步阻抗為0.2+j10Ω，當電動機從額定電壓的電網(wǎng)吸收80kW的功率時，求功率因數(shù)為cosφ=0.8(滯后)、cosφ=0.8(超前)兩種情況時的空載電勢和功率角。

解：相電壓為圖11-13隱極式同步電機的電動勢相量圖相電流為

取。

(1)cosφ=0.8滯后時，。按電動機慣例，有即 E0=1003V，θ=13.1°(滯后)

(2)cosφ=0.8超前時，。按電動機慣例，有

即 E0=1003V，θ=10°(滯后)

11.3同步電機的功率關(guān)系與矩角特性

11.3.1同步電機的功率方程及轉(zhuǎn)矩方程

1.功率方程

同步電動機帶負載運行時，若轉(zhuǎn)子勵磁損耗pf=I2fRf由另外的直流電源供給，則同步電動機從電網(wǎng)吸收的有功功率為P1=3UIcosφ，扣除定子的銅損耗pCu=3I2R1，其余部分為電磁功率Pem，即

Pem=P1－pCu=3UIcosφ－pCu

(11-16)從電磁功率中扣除定子鐵耗pFe和機械摩擦損耗pm后，其余部分轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功率輸出給負載，即

Pem－pFe－pm=P2

(11-17)

其中鐵損耗pFe與機械摩擦損耗pm之和稱為空載損耗p0，即

p0=pFe+pm

(11-18)

式(11-16)和式(11-17)聯(lián)合表明了電動機的功率傳遞關(guān)系，稱為功率方程。通常，同步電動機的轉(zhuǎn)子直流勵磁功率也應(yīng)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R1時，電磁功率Pem為

Pem=P1=3UIcosφ

(11-19)

從圖11-11可見，φ=ψ－θ，將其代入式(11-19)得

Pem=3UIcosφ=3UIcos(ψ－θ)

=3UIcosψcosθ+3UIsinψsinθ

(11-20)

根據(jù)圖11-11中的幾何關(guān)系有(11-21)將式(11-13)代入式(11-20)得

Pem=3UIqcosθ+3UIdsinθ

(11-22)

再將式(11-21)代入式(11-22)得(11-23)已知sin2θ=2cosθsinθ，并代入上式得

3.轉(zhuǎn)矩方程

根據(jù)電磁功率可以比較方便地計算同步電機的電磁轉(zhuǎn)矩，即

式中，是同步電動機的同步角速度。(11-25)(11-24)根據(jù)功率方程式(11-17)可得同步電動機的轉(zhuǎn)矩方程為

T2=Tem－T0

(11-26)

式中，T0為空載轉(zhuǎn)矩。

式(11-26)表明，同步電動機負載運行時，從定子輸入的電功率Pem(忽略定子繞組電阻)轉(zhuǎn)變的電磁轉(zhuǎn)矩Tem與空載轉(zhuǎn)矩T0和負載轉(zhuǎn)矩T2相平衡，電機有穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，并輸出穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩，即T2。根據(jù)式(11-25)可得電磁轉(zhuǎn)矩為

11.3.2同步電機的功角特性

當定子加額定電壓，勵磁電流If不變，Φ0和E0均為常數(shù)時，同步電動機的電磁功率Pem與功率角θ的關(guān)系，稱為同步電動機的功角特性，即Pem=f(θ)。同步電動機的功角特性是同步電機的重要特性之一。(11-27)從式(11-24)可見，當電機參數(shù)Xd、Xq為已知時，電磁功率Pem與功率角θ之間的關(guān)系可以很方便地確定，而且Pem由兩部分組成：式(11-24)右邊第一部分與勵磁電動勢E0成正比，即與勵磁電流If大小有關(guān)，稱為勵磁電功率；第二部分是因Xd≠Xq引起的，也就是因電機轉(zhuǎn)子是凸極而引起的，因此稱為凸極電磁功率。即使同步電動機沒有勵磁電流(If=0，E0=0)，只要轉(zhuǎn)子為凸極時(即存在Xd≠Xq)，凸極電磁功率就會出現(xiàn)。當電機氣隙均勻時，例如隱極式同步電機，Xd=Xq，不存在凸極電磁功率。

根據(jù)前面的分析結(jié)果，勵磁電磁功率Pem′為

式中，，為勵磁電磁功率Pem′的最大值。當θ=90°時，Pem′=Pmax′。凸極電磁功率Pem″為(11-28)(11-29)

式中，，為凸極電磁功率Pem″的最大值。當θ=45°時，Pem″=Pmax″。

根據(jù)式(11-27)～式(11-29)可以繪出凸極式同步電動機的功角特性曲線，如圖11-14所示。

圖11-14中，曲線1為勵磁電磁功率Pem′與θ的關(guān)系曲線Pem′=f(θ)，曲線2為凸極電磁功率Pem″與θ的關(guān)系曲線Pem″=f(θ)，曲線3為合成的總電磁功率Pem與θ的關(guān)系曲線

Pem=f(θ)，可見Pem的最大電磁功率Pmax對應(yīng)于θ小于90°的地方。圖11-14凸極式同步電動機的功角特性曲線對于隱極式同步電機，Xq=Xd=Xc，于是電磁功率為

式(11-30)為隱極式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(11-31)(11-30)11.3.3同步電機的矩角特性

當定子加額定電壓，勵磁電流If不變，Φ0和E0均為常數(shù)(以下在討論同步電動機機械特性和運行時，若沒有特別說明，則這一條件不變)時，同步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩Tem與功率角θ的關(guān)系，稱為同步電動機的矩角特性，即Tem=f(θ)。這個特性與功角特性僅差一個電機旋轉(zhuǎn)角速度Ω，對于同步電機，Ω是常數(shù)。這樣，式(11-27)表示的矩角特性曲線與功角特性曲線有相同的形狀，它們之間只差一個比例尺。把凸極式同步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩Tem與功率角θ的關(guān)系也可畫出來，其形狀如圖11-14所示。對于隱極式同步電機，在某固定勵磁電流條件下，根據(jù)式(11-30)可以得到隱極式同步電動機電磁轉(zhuǎn)矩Tem與功率角θ的關(guān)系為

其最大電磁轉(zhuǎn)矩Tm為

根據(jù)式(11-32)可以繪出隱極式同步電動機的矩角特性，如圖11-15所示。(11-33)(11-32)圖11-15隱極式同步電動機的矩角特性11.3.4同步電機的運行

1.同步電動機的穩(wěn)定運行范圍θ=0°～90°

當同步電動機拖動機械負載運行在θ=0°～90°內(nèi)某一點，如圖11-16中的θ1時，電磁轉(zhuǎn)矩Tem與負載轉(zhuǎn)矩TL相等，拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行。如果由于某種原因，負載轉(zhuǎn)矩突然間由TL增大為TL′，則同步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩同時也必須增加至Tem′。根據(jù)式(11-30)，當勵磁電流不變時，θ角必將增大至θ2，這表明，不但和之間的夾角會增大，而且轉(zhuǎn)子也會有一個短暫的減速，使功率角θ增大為θ2?？梢姡撦d轉(zhuǎn)矩增加時，電磁轉(zhuǎn)矩也會增加，電機繼續(xù)同步運行，不過這時運行在θ2角度上。如果負載轉(zhuǎn)矩又恢復為TL，則電動機的θ角亦恢復為θ1，所以電動機能夠穩(wěn)定運行。圖11-16同步電動機的運行穩(wěn)定性

2.同步電動機的不穩(wěn)定運行范圍θ=90°～180°

當同步電動機拖動機械負載運行在θ=90°～180°的范圍內(nèi)某一點，如圖11-17中的θ3時，電磁轉(zhuǎn)矩Tem與負載轉(zhuǎn)矩TL相平衡。如果由于某種原因，負載轉(zhuǎn)矩突然間由TL增大為TL′，當勵磁電流不變時，θ角必將增大至θ4。根據(jù)式(11-30)，由于θ4>90°>θ3，使得θ4處的電磁轉(zhuǎn)矩Tem′小于θ3處的電磁轉(zhuǎn)矩Tem，即Tem>Tem′。于是，電動機的θ角必將進一步增加，電磁轉(zhuǎn)矩也會進一步減小。這樣發(fā)展下去，電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速會偏離同步轉(zhuǎn)速，即失去同步(也稱失步)而無法工作?？梢?，在θ=90°～180°范圍內(nèi)，電機不能穩(wěn)定運行。圖11-17同步電動機非穩(wěn)定性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(zhuǎn)矩也不能超過其最大轉(zhuǎn)矩，否則，同步電動機將進入不穩(wěn)定運行范圍。

同步電動機的最大電磁轉(zhuǎn)矩Tm與額定轉(zhuǎn)矩TN之比，叫做過載倍數(shù)，用KT表示，即(11-34)由式(11-34)可知，隱極式同步電動機額定運行時，θN≈30°～16.5°。對凸極式同步電動機來說，額定運行時的功率角θ還要小些。

當負載改變時，θ角隨之變化，使同步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩Tem和電磁功率Pem跟著變化，以達到新平衡的狀態(tài)，而電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n卻嚴格按照同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，不發(fā)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(tài)間的過渡

1)空載

電動機理想空載時，其負載轉(zhuǎn)矩TL=0(即T2≈0)，空載損耗p0≈0，空載轉(zhuǎn)矩T0≈0，則Tem=0。仍以隱極式電動機為例，如果勵磁電流If≠0，則由式(11-32)得出θ=0，這表明，轉(zhuǎn)子磁極軸線與定子等效磁極軸線幾乎重合，如圖11-18所示。圖11-18電動機理想空載

2)電動機

在理想空載的基礎(chǔ)上，當同步電動機軸上帶機械負載TL時，Tem不等于0，θ角有一定的數(shù)值，等效磁極和轉(zhuǎn)子磁極的軸線被拉開，負載越大，θ角的值越大，如圖11-19所示。為了保持同步電動機穩(wěn)定運行，θ角不能超出允許的范圍。

3)發(fā)電機

在理想空載的基礎(chǔ)上，同步電機由原動機拖動運行時，轉(zhuǎn)子磁極帶動定子等效磁極轉(zhuǎn)動，定子繞組輸出電功率，同步電機工作在發(fā)電機狀態(tài)。關(guān)于同步發(fā)電機的有關(guān)內(nèi)容不屬本書討論的范圍。圖11-19電動機運行原理11.4同步電機的功率因數(shù)調(diào)節(jié)和V形曲線

11.4.1同步電機的功率因數(shù)調(diào)節(jié)

在同步電動機的定子電壓U、頻率f和輸出功率不變的情況下，改變它的勵磁電流If，就能調(diào)節(jié)它的功率因數(shù)。為了簡單起見，采用隱極式同步電動機電動勢相量圖來進行分析，所得結(jié)論完全可以用在凸極式同步電動機上。在分析的過程中，忽略電動機的各種損耗。

同步電動機輸出功率不變時，轉(zhuǎn)軸輸出的轉(zhuǎn)矩T2不變，由于忽略了空載損耗，因而同步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩也為常數(shù)，即

從式(11-35)可見，定子電壓U、頻率f以及Xc均為常數(shù)時，E0sinθ必為常數(shù)，即

E0sinθ＝常數(shù) (11-36)

當改變勵磁電流If時，電動勢E0的大小隨之變化，但必須滿足式(11-36)的條件。當負載轉(zhuǎn)矩不變時，在忽略電動機的各種損耗的情況下，電動機的輸入功率P1不變，即P1=3UIcosφ＝常數(shù)，由于電壓U不變，因而必有

Icosφ＝常數(shù) (11-37)(11-35)=常數(shù)式(11-37)就是電動機定子電流的有功分量，即在調(diào)節(jié)If時，有功電流保持不變。

根據(jù)隱極式同步電動機的電壓方程(忽略定子電阻)，可以畫出不同勵磁電流If1、If2、If3時的相量圖，如圖11-20所示。圖11-20同步電動機調(diào)節(jié)勵磁電流相量圖圖中，E02<E01<E03為不同勵磁電流時的空載電勢，對應(yīng)If2<If1<If3。由于定子電流有功分量Icosφ＝常數(shù)，因而定子電流在向量上的投影為常數(shù)，即定子電流相量的頂點軌跡總是在直線cd上。同理，E0sinθ＝常數(shù)，空載電勢相量的頂點軌跡總是在直線ab上。從圖11-20中可以看出勵磁電流If改變時，同步電動機功率因數(shù)cosφ的變化規(guī)律。

1.正常勵磁狀態(tài)

當勵磁電流If的大小使定子電流與定子電壓同相位時，稱為正常勵磁狀態(tài)，如圖11-20中的和(φ=0)。這時，同步電動機只從電網(wǎng)吸收有功功率，不吸收無功功率。這種情況下運行的同步電動機像純電阻負載，功率因數(shù)cosφ=1。

2.欠勵磁狀態(tài)

當勵磁電流If比正常勵磁電流小時，稱為欠勵磁狀態(tài)，如圖11-19中的和。這時，E02<U，定子電流落后定子電壓為φ2角，同步電動機除了從電網(wǎng)吸收有功功率外，還要從電網(wǎng)吸收滯后的無功功率。這種情況下運行的同步電動機像一個電阻電感負載。

由于電網(wǎng)已經(jīng)負擔了大量的如異步電動機、變壓器等滯后性無功功率的負載，為了不給電網(wǎng)增加無功功率的負擔，因此同步電動機很少采用這種運行方式。

3.過勵磁狀態(tài)

當勵磁電流If比正常勵磁電流大時，稱為過勵磁狀態(tài)，如圖11-20中的和。這時，E02>U，定子電流領(lǐng)先定子電壓為φ3角，同步電動機除了從電網(wǎng)吸收有功功率外，還要從電網(wǎng)吸收超前的無功功率。這種情況下運行的同步電動機，像一個電阻電容負載。可見，過勵磁狀態(tài)下的同步電動機對改善電網(wǎng)的功率因數(shù)有很大的好處。從電機磁場的觀點出發(fā)，同步電動機功率因數(shù)可調(diào)的原因是：同步電動機的磁場是由定子邊電樞反應(yīng)磁動勢Fa和轉(zhuǎn)子邊勵磁磁動勢F0共同建立的。當轉(zhuǎn)子邊欠勵磁時，定子邊需要從電源輸入更多的滯后無功功率來建立磁場，定子邊便呈滯后功率因數(shù)；當轉(zhuǎn)子邊正常勵磁時，不需要定子邊提供無功功率，定子邊便呈純電阻性；當轉(zhuǎn)子邊過勵磁時，定子邊反而要吸收領(lǐng)先性無功功率，或者說向電源輸送滯后性的無功功率，定子邊便呈領(lǐng)先性的功率因數(shù)。所以，同步電動機功率因數(shù)的調(diào)節(jié)完全可以通過人為地調(diào)節(jié)勵磁電流而改變勵磁磁動勢的大小來實現(xiàn)。從上述分析可知，調(diào)節(jié)同步電動機的勵磁電流If，可改變其定子電流的無功分量和功率因數(shù)，這是同步電動機一種非常可貴的特性。而異步電動機運行時，電網(wǎng)必須向電動機提供感性的勵磁電流，不能調(diào)節(jié)，使電網(wǎng)功率因數(shù)變壞。如果將同步電動機與異步電動機接入同一電網(wǎng)，并使同步電動機運行于過勵磁狀態(tài)，則電網(wǎng)可同時提供容性與感性的無功電流，兩者互相補償，從而改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。有時，為了改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，可使同步電動機不帶負載，浮接在電網(wǎng)上而運行于過勵磁狀態(tài)。這樣運行的同步電動機稱為同步補償機。這種措施可改善電網(wǎng)功率因數(shù)，提高供電質(zhì)量，降低線路損耗。

在生產(chǎn)實際允許的情況下，將繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動機改作同步電動機運行，對改善電網(wǎng)功率因數(shù)也是有好處的。11.4.2同步電機的Ｖ形曲線

同步電機的V形曲線是指在電網(wǎng)電壓、頻率和電動機輸出功率為常數(shù)的情況下，定子電流I和勵磁電流If之間的關(guān)系曲線，即I=f(If)曲線。由于勵磁電流變化時，定子電流變化規(guī)律像“V”字形狀，故稱V形曲線。

根據(jù)V形曲線的定義，改變勵磁電流時電動機定子電流的變化情況可以從圖11-20中看出。三種勵磁電流情況下，只有正常勵磁時，定子電流為最小，過勵磁或欠勵磁時，定

子電流都會增大。把定子電流I的大小與勵磁電流If的大小的關(guān)系用曲線表示，如圖11-21所示。圖11-21同步電動機的V形曲線當電動機輸出某一恒定功率時，對應(yīng)有一條V形曲線，如圖11-21所示。輸出功率越大，在相同的勵磁電流條件下，定子電流增大，所得V形曲線往右上方移。因此，圖11-21中各條V形曲線對應(yīng)的功率為P2′<P2″<P2。對每條V形曲線，定子電流都有一個最小值，這時定子僅從電網(wǎng)吸收有功功率，功率因數(shù)cosφ=1。把這些點連起來，稱為cosφ=1線。cosφ=1線向右傾斜，說明同步電動機輸出為純有功功率時，隨輸出功率的增大，勵磁電流必然相應(yīng)增加。cosφ=1線的左邊是欠勵區(qū)，右邊是過勵區(qū)。當同步電動機帶了一定負載時，減小勵磁電流，電勢E0減小，Pem與E0成正比減少，當Pem小到一定程度時，θ將超過90°，電動機就會失步，如圖11-21中虛線所示的不穩(wěn)定區(qū)。從這個角度看，同步電動機最好也不要運行于欠勵磁狀態(tài)。

從V形曲線可以直觀地看出同步電動機的定子電流I、勵磁電流If和輸出功率P2之間的關(guān)系。 11.5同步電機的啟動

同步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩是由定子電流建立的旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子磁場的相互作用而產(chǎn)生的，僅在這兩者相對靜止時，才能得到平均電磁轉(zhuǎn)矩。如將同步電動機勵磁接入電源時，同步電動機轉(zhuǎn)子磁場(轉(zhuǎn)子)是靜止不動的。當定子接入電網(wǎng)時，定子旋轉(zhuǎn)磁場立即以同步轉(zhuǎn)速相對轉(zhuǎn)子磁場作相對運動，所以不能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，電機不能啟動。這一現(xiàn)象可以用圖11-22來說明。假設(shè)定子磁場的旋轉(zhuǎn)方向為逆時針方向，并在開始瞬間處于圖11-22(a)所示的位置，由圖可見，此瞬間定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場相互作用所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩Tem也為逆時針方向，是推動轉(zhuǎn)子向逆時針方向旋轉(zhuǎn)的。但由于機械慣性，啟動緩慢的轉(zhuǎn)子還未轉(zhuǎn)動時，定子磁場已向前轉(zhuǎn)動了一個極距，達到圖11-22(b)所示的位置，此時定子磁極對轉(zhuǎn)子磁極間的電磁轉(zhuǎn)矩Tem又為順時針方向轉(zhuǎn)動，其結(jié)果使轉(zhuǎn)子承受了一個脈振轉(zhuǎn)矩，其平均轉(zhuǎn)矩為零，故同步電動機不能自行啟動。因此，要啟動同步電動機時，必須借助于其他方法。目前，同步電動機常用的啟動方法有兩種：變頻啟動法和異步啟動法。圖11-22接通勵磁后啟動時同步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩(a)相互吸引；(b)相互排斥

1.變頻啟動法

變頻啟動方法是，開始啟動時，轉(zhuǎn)子先加上勵磁電流，定子邊通入頻率極低的三相交流電流，由于電樞磁動勢轉(zhuǎn)速極低，因此轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn)。隨著定子邊電源頻率逐漸升高，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也隨之逐漸升高；定子邊頻率達額定值后，轉(zhuǎn)子也達額定轉(zhuǎn)速，啟動完畢。

顯然，定子邊的電源需要一個可調(diào)頻率的變頻電源，一般采用變頻裝置。大型同步電動機采用變頻啟動法的情況日漸增多。

2.異步啟動法

異步啟動法是在凸極式同步電動機的轉(zhuǎn)子上裝置阻尼繞組而獲得啟動轉(zhuǎn)矩，是一種常用的異步啟動法。阻尼繞組和異步電動機的籠型繞組很相似，只是它裝在轉(zhuǎn)子磁極的極靴上，如圖11-23所示，有時也把阻尼繞組稱為啟動繞組。圖11-23異步啟動法原理接線圖同步電動機的異步啟動與三相異步電動機的啟動類似。同步電動機既可在額定電壓下直接啟動，也可用降壓法啟動，如Y—△啟動、自耦變壓器降壓啟動及串電抗器啟動等。啟動電路如圖11-23所示。啟動時，先把雙刀雙擲開關(guān)QS2與電阻閉合，再把開關(guān)QS1閉合，將同步電動機的定子繞組接三相交流電源，這時定子旋轉(zhuǎn)磁場在阻尼繞組中感應(yīng)出電流，此電流與定子旋轉(zhuǎn)磁場相互作用而產(chǎn)生異步電磁轉(zhuǎn)矩，同步電動機便作為異步電動機而啟動。當同步電動機的轉(zhuǎn)速達到同步轉(zhuǎn)速的95％左右(又稱準同步轉(zhuǎn)速)時，再將QS2合向直流電源，勵磁繞組與直流電源接通，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生恒定磁場。由于這時轉(zhuǎn)差很小，因而只要磁場足夠大，轉(zhuǎn)子磁場與定子磁場之間的相互吸引力便能使轉(zhuǎn)子提高到同步轉(zhuǎn)速，跟著定子旋轉(zhuǎn)磁場以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，從而將同步電動機牽入同步運行。值得注意的是，啟動時須先把同步電動機的勵磁繞組通過一個電阻短接。這是因為，啟動時勵磁繞組不能開路，否則，在大轉(zhuǎn)差時，氣隙旋轉(zhuǎn)磁場會在勵磁繞組里感應(yīng)出較高的電動勢，有可能損壞它的絕緣。但是，也不能把勵磁繞組短路，那樣，勵磁繞組中感應(yīng)電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，有可能使電動機啟動不到接近同步轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速。因此，在同步電動機啟動過程中，在它的勵磁電路中必須串入大約5～10倍勵磁繞組電阻Rr的附加電阻，這樣就可以克服上述的缺點，達到啟動的目的。等啟動到接近同步轉(zhuǎn)速時，再把所串的電阻去除，通以直流電流，完成啟動過程。同步電動機的啟動過程都是用自動控制線路來完成的，目前廣泛采用可控硅整流勵磁，自動控制啟動。

11.6無換向器電機

無換向器電動機是頻率閉環(huán)控制的同步電動機，亦稱自控式同步電動機。這種電動機是電力電子學與電機學互相交叉、互相滲透的結(jié)果，它代表著電機學科發(fā)展的方向。

無換向器電動機本體就是一臺同步電動機，但其調(diào)速性能又和直流電動機相似，所以，這種電動機集交、直流電動機之優(yōu)點于一體，為電動機向高速化、大容量化發(fā)展開辟了道路。無換向器電動機的轉(zhuǎn)子若用永磁體勵磁，則制成無刷結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點就更為突出。本節(jié)分析無換向器電動機的有關(guān)內(nèi)容，其他永磁電動機的內(nèi)容稍后介紹。11.6.1無換向器電機的分類

按運行方式，無換向器電動機分為兩種：交直交無換向器電動機和交交無換向器電動機。

1.交直交無換向器電動機

交直交無換向器電動機又稱無換向器電動機交-直-交系統(tǒng)。它是由交流電經(jīng)整流變成直流電，再由晶閘管或晶體管組成的逆變器變成頻率可調(diào)的交流電來供給同步電動機，實質(zhì)上，這是一個頻率自控同步電動機的調(diào)速系統(tǒng)。這個系統(tǒng)主要由同步電動機、可控整流器、晶閘管或晶體管所組成的逆變器、位置檢測器以及控制線路等組成，其示意圖如圖11-24所示。圖11-24交直交無換向器電動機交直交無換向器電動機有以下特點：逆變橋可采用可關(guān)斷器件，結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活；調(diào)速范圍寬，可達3000∶1或更高；使用永磁體勵磁轉(zhuǎn)子，制成無刷結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子無損耗，效率高。這種電機適合于高性能的伺服拖動系統(tǒng)，如高檔數(shù)控機床的進給拖動系統(tǒng)。

2.交交無換向器電動機

交交無換向器電動機又稱無換向器電動機交-交系統(tǒng)。它是利用晶閘管或晶體管組成的變頻器，直接把50Hz的交流電轉(zhuǎn)換成可變頻率的交流電來供給同步電動機，是另一種頻率自控同步電動機的調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)也是由同步電動機、變頻器、位置檢測器以及控制線路等組成的，其示意圖如圖11-25所示。圖11-25交交無換向器電動機示意圖交交無換向器電動機有以下特點：變頻器輸出頻率在(1/2～1/3)電源頻率以下，因此只能在(1/2～1/3)同步轉(zhuǎn)速以下調(diào)速；變頻器結(jié)構(gòu)復雜，控制也復雜；電動機功率因數(shù)可接近于1，過載能力大。

11.6.2無換向器電機的工作原理

從結(jié)構(gòu)上講，無換向器電動機系統(tǒng)中的同步電動機除了裝有位置檢測器以外，與普通同步電動機的結(jié)構(gòu)沒有根本區(qū)別，都是定子上安置空間對稱的三相交流繞組，轉(zhuǎn)子為直流勵磁或永磁體勵磁。從運行原理上講，無換向器電動機系統(tǒng)與直流電動機非常類似。從直流電機原理可知，為了使旋轉(zhuǎn)的電樞磁動勢Fa與勵磁磁動勢Ff保持垂直，必須裝置換向器，而且電刷必須裝在幾何中心線上，以保持最大的電磁轉(zhuǎn)矩。但實際安裝中，換向器總會或多或少地偏離幾何中心線，然而直流電機仍然可以工作，只是電磁轉(zhuǎn)矩比電刷在幾何中心線上少了一些而已。這就說明，只要電樞磁動勢Fa與勵磁磁動勢Ff保持一定的夾角，電機就會得到一定的電磁轉(zhuǎn)矩。顯然，當電樞磁動勢Fa與勵磁磁動勢Ff的夾角為90°(垂直)時，電磁轉(zhuǎn)矩最大(直流電機就是如此)，當夾角為0°時，電磁轉(zhuǎn)矩消失(為0)。當夾角的大小改變時，電磁轉(zhuǎn)矩亦發(fā)生改變。無換向器電動機的運行原理，可以利用直流電機的原理來分析。

圖11-26是一個無換向器同步電動機系統(tǒng)的組成原理圖。同步電動機的三相定子繞組為星形連接，每相繞組的出線端連接一個晶體管的發(fā)射極和另一個晶體管的集電極。前一個晶體管稱為正側(cè)晶體管，即V1、V3、V5；后一個晶體管稱為負側(cè)晶體管，即V4、V6、V2。轉(zhuǎn)子位置檢測器用來檢測轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到什么位置。晶體管控制電路根據(jù)位置檢測器檢測到的信號來控制晶體管的通斷。為了簡便分析，圖11-27所示為幾個特定時刻。圖11-26無換向器同步電動機系統(tǒng)圖11-27不同晶體管導通瞬時的電流與磁場相量圖

(a)電流從A相流入B相流出；(b)電流從A相流入C相流出；(c)電流從B相流入C相流出

1)0°～60°，V1、V6導通

這一時刻如圖11-27(a)所示。此時，A相正側(cè)晶體管V1及B相負側(cè)晶體管V6處于導通狀態(tài)，電流經(jīng)V1從A相流入，經(jīng)V6從B相流出，如圖11-27(a)中箭頭所示。將A相磁場FA與B相磁場－FB兩者合成為磁場Fa，即為此時電動機的電樞磁場。Fa的大小及方向如圖11-27(a)所示。此時定子繞組產(chǎn)生的電樞磁極Fa的位置和轉(zhuǎn)子磁極Ff的位置在空間相差120°電角度，F(xiàn)a與Ff相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，在這個電磁轉(zhuǎn)矩作用下，轉(zhuǎn)子將作逆時針方向旋轉(zhuǎn)，同時使Fa與Ff之間的夾角發(fā)生變化，電磁轉(zhuǎn)矩隨之變化。在此期間，晶體管V1和V6保持導通不變，F(xiàn)a保持不變。

2)60°～120°，V1、V2導通

當Ff逆時針轉(zhuǎn)過空間60°電角度(Fa與Ff之間的夾角為60°)時，時間同樣過去了ωt=60°。這時，使晶體管V1、V2導通，V6關(guān)斷，電流經(jīng)V1從A相流入，經(jīng)V2從C相流出，如圖11-27(b)中箭頭所示。此時FA和－FC的合成磁勢Fa如圖11-27(b)下所示?？梢姡琕1、V2導通時的電樞磁勢比V6、V1導通時的電樞磁勢逆時針轉(zhuǎn)動了60°電角度。Fa的位置和Ff的位置再次相差120°，在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子繼續(xù)逆時針轉(zhuǎn)動。此時，V1、V2仍然保持導通不變，F(xiàn)a也保持不變，F(xiàn)a和Ff之間的夾角變小。

3)120°～180°，V2、V3導通

當Ff再次逆時針轉(zhuǎn)過60°(Fa與Ff之間的夾角為60°)時，時間又過去了ωt=60°。這時，使晶體管V2、V3導通，V1關(guān)斷，電流經(jīng)V3從B相流入，經(jīng)V2從C相流出，如圖11-27(c)中箭頭所示。此時，F(xiàn)B和－FC的合成磁勢Fa如圖11-27(c)下所示。可見，V2、V3導通時的電樞磁勢比V1、V2導通時的電樞磁勢逆時針轉(zhuǎn)動了60°電角度。Fa的位置和Ff的位置又相差120°，在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子繼續(xù)逆時針轉(zhuǎn)動。此時，V2、V3仍然保持導通不變，F(xiàn)a也保持不變，F(xiàn)a和Ff之間的夾角變小。以上3個時刻，F(xiàn)a逆時針轉(zhuǎn)動了3×60°=180°空間電角度，F(xiàn)f(轉(zhuǎn)子)跟隨Fa(旋轉(zhuǎn)磁場)逆時針轉(zhuǎn)動了同樣的空間電角度，時間也同樣過了3×60°=180°電角度。顯然，F(xiàn)a

每隔60°電角度躍進一次，每次逆時針向前躍進60°空間電角度，而Ff是連續(xù)旋轉(zhuǎn)的。由于Fa的躍進，因此電磁轉(zhuǎn)矩有一定的脈動分量。另外半個周期請讀者自行分析。綜合分析可見：

(1)只要轉(zhuǎn)子位置檢測器檢測出了轉(zhuǎn)子磁極的不同位置，便可按照上述的順序去導通和截止各相出線端所連接的晶體管，保持磁極磁場Ff滯后電樞磁場Fa的最大為120°電角度，最小為60°電角度的位置關(guān)系，便可使三相同步電動機產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩而運行。

(2)滿足(1)中導通情況，各相晶體管在360°電角度內(nèi)的導通順序如表11-1所示。表11-1三相同步電動機的晶體管導通順序綜合分析可見：在一個周期中，每一個晶體管導通120°，各晶體管按V1V2、V2V3、V3V4、V4V5、V5V6、V6V1的順序?qū)ā?/p>

(3)根據(jù)表11-1，可以畫出各相電流的波形如圖11-28所示。圖11-28電樞三相繞組的電流波形圖綜合分析可見：在一個周期中，每相繞組正向?qū)?20°，停60°，再反向?qū)?20°。每相繞組中的電流是交變電流。電樞旋轉(zhuǎn)磁場就是由這三相交流電流合成產(chǎn)生的。

同步電機系統(tǒng)中，無論是交-直-交系統(tǒng)還是交-交系統(tǒng)，都有電流型與電壓型之分。電流型逆變器輸出方波電流，電壓型逆變器輸出方波電壓，在分析時要加以區(qū)別。

11.6.3無換向器同步電機的特性

1.轉(zhuǎn)速特性

一個典型的無換向器同步電動機電流型交-直-交系統(tǒng)主電路如圖11-29所示，其中，整流器和逆變器均采用晶閘管橋式電路。圖11-29三相無換向器同步電動機主電路圖中各參數(shù)規(guī)定如下：

RΣ為主電路等效電阻，包括平波電抗器的電阻、電樞繞組兩相的電阻以及晶閘管正向壓降的等效電阻；Ed為直流電源電動勢或整流晶閘管空載輸出電壓的平均值；Ud、Id分別為逆變器直流輸入電壓及電流的平均值；U為電動機定子繞組相電壓的有效值；uA、uB、uC分別為電動機定子電樞繞組A、B和C相電壓的瞬時值；ε0為晶閘管逆變器的換流超前角；γ為換流重疊角，其物理意義為不同相晶閘管同時導通的重疊時間；U2為三相變壓器二次繞組相電壓的有效值(整流器的輸入交流電源電壓)；eA、eB、eC分別為電動機定子電樞繞組A、B和C相的反電動勢瞬時值，當不考慮繞組的阻抗時，eA、eB、eC分別等于uA、uB、uC。

考慮到逆變器的換流超前角ε0和重疊角γ以后，電動機的相電勢如圖11-30所示。圖11-30同步電動機繞組電勢波形如果忽略晶閘管正向壓降，設(shè)換流前晶閘管VT1、VT2導通，直流側(cè)電壓Ud與電動機電壓uA－uC相平衡，則換流后VT2、