16KW-6极变频调速同步电动机的电磁方案及控制系统的设计毕业设计.doc

目录16KW-6极变频调速同步电动机的电磁方案及控制系统的设计毕业设计目 录摘 要IAbstractII目 录IV第一章 绪 论11.1概述11.2 同步电动机的发展现状11.3电动机调速系统简介2第二章 同步电动机的概述32.1同步电动机用途和主要类型32.1.1同步电动机的用途32.1.2同步电动机的主要类型32.2同步电动机的基本特点及优点52.2.1同步电动机的基本特点52.2.2同步电动机与异步电动机的比较52.3 同步电动机的主要构件62.3.1定子结构62.3.2转子结构72.4同步电动机的励磁系统72.4.1同步电动机对励磁装置的要求82.4.2同步电动机励磁装置的发展和现状82.4.3同步电动机励磁系统工作原理8第三章 同步电动机的工作特性103.1同步电动机的工作原理103.2 同步电动机的电磁关系113.2.1同步电机的磁动势及磁通113.2.2 同步电机的双反应理论133.2.3 同步电机的电压平衡方程式及相量图153.3同步电动机的功率关系与矩角特性193.3.1同步电动机的功率方程及转矩方程193.3.2同步电动机的功角特性213.3.3同步电动机的矩角特性223.3.4 同步电动机的运行233.4同步电动机的功率因数调节和形曲线263.4.1同步电机的功率因数调节263.4.2同步电机的形曲线293.5同步电动机的起动303.5.1 同步电动机为什么不能直接起动？303.5.2同步电动机的起动方式30第四章 同步电动机设计的理论分析334.1 电机设计的任务与过程334.1.1电机设计的任务334.1.2电机设计的过程334.2 同步电动机的电磁设计344.2.1 同步电动机主要尺寸确定344.2.2同步电动机电枢绕组的设计374.2.3电机的效率计算404.2.4 电机的损耗及温升计算414.3同步电动机设计中影响电机性能的因素424.3.1气隙对电机性能的影响424.3.2槽满率对电机性能的影响434.3.3集肤效应对电机参数的影响434.3.4饱和对电机参数的影响444.4同步电动机的结构设计454.5同步电动机的设计特点46第五章 电磁设计方案计算475.1额定数据和技术要求475.2计算前的设计思路：485.3方案的主要调整方法495.4同步电动机电磁设计方案49第六章 电磁方案结果分析666.1计算数据对比666.1.1定子绕组与铁芯长度的对比666.1.2方案材料用量计算结果的对比666.1.3 电机损耗与效率计算结果的对比666.1.4 三个方案电磁负荷的对比676.1.5 三个方案电机参数的对比676.2结果分析68第七章 变频调速控制回路的设计697.1电机变频调速技术发展现状697.2同步电动机调速系统发展综述707.2.1同步电动机调速系统的发展707.2.2调速用同步电动机的几种分类727.3同步电动机调速系统的分类及其特点727.4 同步电动机的矢量变换控制737.5 同步电动机的转矩控制77第八章 Autocad 绘图818.1 AutoCAD 2006绘图软件的使用方法和常用命令818.2定子冲片图，转子冲片图和绕组连接图的绘制828.1.1 定、转子冲片图的绘制828.2.2 绕组连接图的绘制83第九章 总 结85参考文献（References）86致 谢87附录88外文资料原文89外文资料译文99第一章 绪论第一章 绪 论在直流电机、交流异步电机、交流同步电机三大电机形式中，同步电动机因其优良的性能和多样的结构而在工农业生产、日常生活中、航空航天和国防等各个领域中得到广泛的应用。为获得高性能、高精度的执行效果，常常使用变频器对同步电动机进行驱动和控制，本文正是针对这样一种需求产生的。本文所涉及的电机是由变频调速回路控制的同步电动机，即后文所说的变频调速同步电动机。1.1概述 本文设计的电机是用于变频调速的同步电动机。它的设计指导思想是除了要符合同步机适用于电动机的一般要求外，还应符合上文指出的对变频调速的特殊要求。根据用户提出的数据规格的要求，该电动机也就沿用传统电机轴向立式的结构。这样可以参考和借用已有的规格电机的机座、定子等部件的结构尺寸，以提高这些部件的通用性，缩短电机的研制周期，并且节省研制资金。1.2 同步电机的发展现状现代工业生产及我们的日常生活，几乎离不开各种各样的电机。电机已是当今生产活动和日常生活中最重要的原动力和驱动装置。电机数量之多，应用范围之广，地位之重要，没有其它设备所能与之相比。 同步电机和感应电机一样是一种常用的交流电机。同步电机的应用也是十分广泛的。比如：TYZ系列同步电机主要特点是结构简单，遇到一定阻力时能够自动反向旋转，常用于转向要求不高的恒转速驱动场合，如旋转灯具、圣诞树、广告画等。但是可以通过在电机内部安装机械定向装置，实现定向旋转，使该产品能够用于塑封机等有转向要求的场合。 TYD系列可逆同步电机同TYZ系列的区别是：该系列电机内部采用两组绕组，用电容实现定向旋转。通过改变电容和电机输出引线的接法，能够可靠的实现电机定向旋转并控制旋转方向。本系列电机功率比TYZ系列大。主要用于监控器材、医疗器械、办公设备和自动麻将桌等。1.3电动机调速系统简介电气传动系统由控制部分、功率部分和电动机三大要素组成，成为一个有机的整体。各部分之间的不同组合，可以构成多种多样的电气传动系统。虽然调速传动从电流型上分为直流调速和交流调速两大类，但在交流调速中，异步电动机调速系统和同步电动机调速系统已发展成为两类占有相当比重的调速系统，且同步电动机、异步电动机调速系统占主导地位，直流电动机调速系统也并未被淘汰，它在电气调速系统中仍占有一席之地。本文所要介绍的是同步电动机的调速系统，接下来简要介绍一下同步电动机调速的有关理论知识，普通的同步电动机在结构上要比笼型异步电动机复杂，但比直流电动机简单。和同容量的直流电动机相比，它具有效率高、过载能力大、体积小、转动惯量小、省维护等优点，并且可以做到大容量、高转速和高电压。虽说同步电动机较直流电动机有上述的优点，但客观来将，同步电动机调速也有自身的缺点和不足：（1）同步电动机需要在转子侧加一套励磁装置。无论是无刷励磁还是有刷励磁，和笼型异步电动机相比，都要增加维护工作量。（2）同步电动机的矢量控制比异步电动机的矢量控制复杂，需要准确检测转子位置或转子磁链位置。总的来讲，在三种调速系统中，直流电动机虽然调速系统历史悠久，技术成熟，并且在不断的完善自己，但由于直流电动机的固有缺陷，必然被交流调速系统所取代，与异步电动机传动系统相比较，有竞争力的当属同步电动机传动系统，它引起了人们的极大兴趣，在电气传动领域占有很大的比重，从国内外研究和国外引进设备来看，同步电动机调速系统越来越受到电气传动专家、学者、工程技术人员的广泛重视，相信不久的将来，在取代直流调速系统方面其作用将超过异步电动机调速系统。第二章 同步电动机的概述第二章 同步电动机的概述同步电动机历来是以转速与电源频率保持严格同步著称的，只要电源频率保持恒定，同步电动机的转速就绝对不变。小到电钟和记录式仪表的定时旋转机构，大到大型同步电动机一直流发电机组，无一不是为了发挥其转速恒定的优势而得到应用的。除此以外，同步电动机还有一个突出的优点，就是可以控制励磁来调节它的功率因数，可使功率因数高到1.0，甚至超前。在一个工厂里，只需有一台或几台大容量设备(例如水泵、空气压缩机)采用同步电动机，就足以改善全厂的功率因数。同步电动机是运用电磁感应原理的一种交流旋转，它的特点是转子转速和定子电流频率维持严格不变的关系，即。而感应电机的转速是可以变化的。2.1同步电动机用途和主要类型2.1.1同步电动机的用途 同步电机作为电动机使用，用以拖动生产机械，尤其是在不要求调速的大功率生产机械中，同步电动机用的很多，可通过调节其励磁电流来改善电网的功率因数。同步电机还可作为同步调相机使用，同步调相机实际上是一台接在交流电网上空载运行的同步电动机，能向电网发出感性的无功功率，满足电网对无功功率的要求。2.1.2同步电动机的主要类型同步电动机按结构形式分为旋转电枢式和旋转磁极式，其中旋转电枢式在小容量同步电动机中得到某些应用；而应用比较广泛，并成为同步电动机的基本结构形式的是旋转磁极式。对于旋转磁极同步电动机按照磁极的形状又可分为凸极式和隐极式，两者的区别见下表：磁极的形状气隙特性转子形状结构特性采用条件凸极式不均匀，极弧底下气隙较小，极间部气隙较大结构简单（） 隐极式均匀圆柱形结构复杂转速较高图2.1 同步电动机的磁极结构分类按照轴的安装方式还可分为立式和卧式，按照冷却方式可分为空气冷却、氢气冷却、水冷却、混合冷却方式。此外，根据转子有无励磁，同步电动机在结构还可分为两种：1、转子用直流电进行励磁。它的转子做成凸极式的，安装在磁极铁芯上面的磁场线圈是相互串联的，接成具有交替相反的极性，并有两根引线连接到装在轴上的两只滑环上面。磁场线圈是由一只小型直流发电机或蓄电池来激励，在大多数同步电动机中，直流发电机是装在电动机轴上的，用以供应转子磁极线圈的励磁电流。由于这种同步电动机不能自动启动，所以在转子上还装有鼠笼式绕组而作为电动机启动之用。鼠笼绕组放在转子的周围，结构与异步电动机相似。当在定子绕组通上三相交流电源时，电动机内就产生了一个旋转磁场，鼠笼绕组切割磁力线而产生感应电流，从而使电动机旋转起来。电动机旋转之后，其速度慢慢增高到稍低于旋转磁场的转速，此时转子磁场线圈经由直流电来激励，使转子上面形成一定的磁极，这些磁极就企图跟踪定子上的旋转磁极，这样就增加电动机转子的速率直至与旋转磁场同步旋转为止。2、转子不需要励磁的同步电机。转子不励磁的同步电动机能够运用于单相电源上，也能运用于多相电源上。这种电动机中，有一种的定子绕组与分相电动机或多相电动机的定子相似，同时有一个鼠笼转子，而转子的表面切成平面。所以是属于凸极转子，转子磁极是由一种磁化钢做成的，而且能够经常保持磁性。鼠笼绕组是用来产生启动转矩的，而当电动机旋转到一定的转速时，转子凸极就跟住定子线圈的电流频率而达到同步。凸极的极性是由定子感应出来的，因此它的数目应和定子上极数相等，当电动机转到它应有的速度时，鼠笼绕组就失去了作用，维持旋转是靠着转子与磁极跟住定子磁极，使之同步。2.2同步电动机的基本特点及优点2.2.1同步电动机的基本特点同步电动机的基本特点是转速不随负载的变化而变化，它的功率因数可调节。特别是在过励状态下，还可使功率因数超前，从而提高了电网的功率因数。同步调相机实际上是空载运行的同步电动机，专门用来调节无功功率，改善电网的功率因数。同步电动机及同步调相机一般都采用凸极结构。为了能够自起动，在转子磁极的极靴上还装有起动绕组。2.2.2同步电动机与异步电动机的比较同步电动机与异步电动机比较有下列优点： 转矩纹波小，转速平稳，动态响应快速准确，过载能力强。同步电动机比异步电动机对电压和转矩的扰动具有更强的承受能力，能做出比较快的反应。当异步电动机的负载转矩发生变化时，要求电机的转差率也跟着变化，即电机的转速发生相应的变化，但是系统转动部分的惯性阻碍电机响应的快速性。同步电动机的负载转矩变化时，只要电机的功角做适当变化，而转速始终维持在原夹的同步速不变，转动部分的惯性不会影响电机对转矩的快速响应。同步电动机的最大转矩可以达到额足转矩的3倍以上，对电机系统在负载转矩变化较大的工况下稳定运行非常有利。 高功率因数、高效率同步电动机与异步电动机相比，可以不需要无功励磁电流，以致显著提高功率因数，减少定子电流和定子铜耗，而且在稳定运行时没有转子铜耗，进而可以因总损耗降低而减小风扇容量甚至去掉风扇，从而减小甚至省去了相应的风摩损耗。这样，它的效率比同规格的异步电动机可以提高2一8个百分点。 结构多样化，应用范围广。同步电动机由于转子结构极其多样，产生了特点和性能各异的许许多多的品种，从工业到农业，从民用到国防，从日常生活到航空航天，从简单电动工具到高科技产品，几乎无所不在。2.3 同步电动机的主要构件同步电机的基本结构与直流电机和异步电机相同，都是由定子与转子两大部分组成。其主要结构部件有:定子、转子、轴承装置、滑环装置和底板等，其中定子与转子之间为空气隙，其典型结构图如图2.3所示。图2.3 同步电动机结构图2.3.1定子结构同步电动机的定子由铁心、电枢绕组、机座以及端盖等结构件组成。定子铁心是构成磁路的部件，一般采用硅钢片叠装而成，以减少磁滞和涡流损耗。定子冲片分段叠装，每段之间有通风槽片，以构成径向通风。大型同步电动机由于尺寸太大，硅钢片常为扇形冲片，然后组装成圆形。电枢绕组为三相对称交流绕组，多为双层绕组，嵌装在定子槽内。定子机座是支承部件，用于安放定子铁心和电枢绕组，并构成所需的通风路径，因此要求它有足够的刚度和强度。大型同步电机的机座都采用钢板焊接结构。 端盖的作用与异步电机相同，将电机本体的两端封盖起来，并与机座、定子铁心和转子一起构成电机内部完整的通风系统。2.3.2转子结构与异步电动机转子结构不同，通常由转子铁心、转轴、阻尼绕组、励磁绕组和滑环等组成。同步电动机的转子结构有两种类型，可分为隐极式和凸极式两种。隐极式转子如图2.1所示，转子呈圆柱形，无明显的磁极。隐极式转子的圆周上开槽，槽中嵌放分布式直流励磁绕组。隐极式转子的机械强度高，故多用于高速同步电动机。在同步电动机运行过程中，转子由于高速旋转而承受很大的机械应力，所以隐极式转子大多由整块强度高和导磁性能好的铸钢或锻钢加工而成。隐极电动机的气隙是均匀的，圆周上各处的磁阻相同。凸极式转子如图2.1所示，结构比较简单，磁极形状与直流机相似，磁极上装有集中式直流励磁绕阻。凸极式转子制造方便，容易制成多极，但是机械强度低，多用于中速或低速的场合。凸极电动机的气隙是不均匀的，圆周上各处的磁阻各不相同，在转子磁极的几何中线处气隙最大，磁阻也大。此外，同步电动机转子磁极表面都装有类似笼型异步电动机转子的短路绕组，由嵌入磁极表面的若干铜条组成，这些铜条的两端用短路环联结起来。此绕组在同步电动机中主要作起动绕组使用，同步运行时也起稳定作用。滑环装在转子轴上，经引线接至励磁绕组，并借电刷接到励磁装置。2.4同步电动机的励磁系统励磁系统是同步电动机的重要组成部分之一。同步电动机的励磁装置主要有2个作用：一是完成同步机的异步启动并牵入同步运行；二是进行励磁电流调节控制。在电力网运行中，要求功率因数越大越好，希望电网视在功率中的大部分为有功功率。提高企业电网的功率因数，既发挥供电设备的生产能力、改善电压质量，又减少线路损失、提高用户设备的工作效率，为用户节约电能。同步电动机消耗的有功功率取决于电动机所带机械负荷的大小，而无功取决于转子中的励磁电流的大小。在欠励状态时，定子绕组向电网“吸取”无功功率；在过励状态时，定绕组向电网“回送”无功功率。通过调节电动机的励磁电流，使其处于过激状态，可以使同步电动机向电网“送出”无功功率，减少电网输送的无功功率，从而提高工矿企业电网的功率因数。2.4.1同步电动机对励磁装置的要求通过对同步电动机在起动过程进行分析，要求励磁装置必须具备以下几种要求：提供高稳定可靠的、可控制的直流励磁电源；在起动过程中，具有将启动限流电阻自动切入和切除励磁绕组回路的功能，就是具有可靠的灭磁控制功能；为了保证投励的准确性和可靠性，系统必须具有高精度而准确的频率和最小工作电压的检测系统；装置还应具有各种完善的故障诊断和处理功能。2.4.2同步电动机励磁装置的发展和现状 同步电动机的发展经历了三个阶段： 50-60年代是用直流发电机励磁；60-60年代是用由分立元件组成的模拟控制可控硅励磁；90年代以后使用微机控制同步电动机励磁，同时实现上位机通信功能。同步电动机励磁装置的现状。目前国内占统治地位的是由微机控制的可控硅整流励磁装置实现励磁。 主回路的组成有全控桥和半空桥两种；根据同步机励磁的特点，我国自主研发的微机全数字可控硅整流励磁装置已经投入到生产应用中去； 利用国外的直流传动系统经改造后的全数字可控整流装置。2.4.3同步电动机励磁系统工作原理设备的总功率为，供电电压为，实际功率因数为，理想功率因数为，则系统的总无功电流为 （1）系统理想无功电流为 （2）同步电动机的无功电流为 （3）设同步电动机的有功功率为，无功功率为，则同步电动机所负担无功功率为 （4）此时，同步电动机的功率因数为 （5）所设计的装置采取恒功率因数调节励磁电流，将功率因数设定为同步电动机的目标功率因数。 第三章 同步电动机的工作特性第三章 同步电动机的工作特性3.1同步电动机的工作原理主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。 载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。三相同步电动机的定子绕组和三相异步电动机相同，都是三相对称交流绕组。当同步电机三相定子绕组通入三相对称交流电时，和异步电机一样，同步电机的定子绕组产生旋转磁场。为了说明简单，同步电机的定子绕组产生的旋转磁场用一对旋转的磁极（上N极，下S极）表示，如图112所示。和异步电机不同的是，同步电动机的转子是由另外的直流电源励磁(或用永久磁铁)产生的固定磁极（上S下N），如图3-1中的转子磁极所示。图3-1同步电动机工作原理从图3-1表示了同步电动机电磁关系的物理模型。图中定、转子都是一对磁极，当定子旋转磁极（即旋转磁场的磁极）以的速度旋转时，根据同性相斥、异性相吸的原则，不管定子磁极与转子磁极的原始相对位置如何不同，转动过程中转子的磁极S和N极很快分别被定子旋转磁极的N和S极吸住，它们之间产生相应的磁拉力，只要这个磁拉力足够大，定子旋转磁极将拉着转子磁极以恒定的同步转速一起旋转。可见，同步电动机的工作原理就是三相定子交流绕组产生的旋转磁场以磁拉力拖着转子磁极(转子)共同以同步速旋转，如图3-1所示。3.2 同步电动机的电磁关系虽然同步电机的定子绕组与异步电机完全相同，但是转子相差较大，特别是凸极式转子。因此同步电机电磁关系的特点就是由于转子的不同而引起的。3.2.1同步电机的磁动势及磁通1同步电动机的空载磁动势对于同步电动机，空载是指转子绕组通入直流励磁，电枢绕组接三相电源，转子输出转矩为0，以同步转速旋转。但是同步电动机空载时，电枢绕组流过较小的三相交流电流。如果忽略同步电机空载时的电枢电流（定子电流），即，同步电动机只有转子的励磁绕组里通入直流励磁电流，励磁电流产生的磁动势称励磁磁动势，用表示。由于转子以同步转速旋转，是一个空间向量。而励磁电流是直流，且励磁磁动势相对于转子而言是静止的。但转子以同步转速相对于定子旋转，所以励磁磁动势相对于定子也以同步转速旋转，被称为空载磁动势。无论是同步电动机还是同步发电机，励磁绕组产生的磁动势均被称为空载磁动势。如图3-2所示。图3-2 凸极同步电机的空载磁动势与直轴和交轴对于凸极同步电机的转子（有明显凸出的磁极）和异步电机转子明显不同，所以磁动势和磁通分析方有很大的不同。为了方便分析同步电机的磁动势和磁通，需要依照转子设置一个坐标，即把转子一个N极和与其相邻的一个S极的中心线称纵轴，或称d轴；与纵轴相距90空间电角度的地方称横轴，或称q轴，如图3-3 所示。显然d轴与q轴都随着转子一同旋转。这样励磁磁动势便设定为作用在纵轴方向，产生的磁通如图3-3所示。图3-3 同步电机的空载磁通把由励磁磁动势产生的磁通叫励磁磁通（空载磁通），用表示。显然经过的磁路是依纵轴对称的磁路，并且随着转子一起旋转。定子绕组切割，并在其中感应电势，被称为空载电势，显然定子绕组的空载电势与有关。当同步电动机负载以后，电枢绕组产生三相合成旋转磁动势（这点与异步电机相同），用空间向量表示。的出现对原空载磁动势产生一定的影响，并使气隙磁场产生显著变化，这就是同步电机的电枢反应。由于同步电动机运行原理是定子绕组产生的磁极吸引转子磁极转动，那么同步电动机的转向亦是旋转磁场的转向，转速为同步转速。同步电动机负载以后，其定子磁动势与转子磁动势虽然均为同步转速旋转，但是二者在空间却不一定位置相同，大部分情况是一个在前，一个在后（而且随运行状态而变）。这给分析同步电机的电枢反应带来了困难。2.同步电机的电枢磁动势与磁通分布前面已经分析了空载磁动势作用在纵轴方向，而与的转速虽然相同，但空间位置不同，必然的作用方向不在纵轴上。由于凸极式同步电机沿定子内圆的圆周方向气隙很不均匀，极面下（d轴处）的气隙小，两极之间（q轴处）的气隙较大。这样产生的气隙磁通在q轴处有较小的磁通，在d轴处有较大的磁通，如图3-4所示。 图3-4 凸极式同步电机的电枢磁动势和磁通分布波形从图3-4可见，由于凸极同步电机气隙不是均匀分布，导致其气隙磁通在空间呈现非正弦分布。这样即使知道了电枢磁通势的大小和位置，求解磁通也非常困难。为此必须寻求一个合适的分析方法同步电机的双反应原理。3.2.2 同步电机的双反应理论由于稳态时电枢磁动势与转子之间无相对运动，当电枢磁动势与励磁磁动势的相对位置已知时，如图3-5(a)所示。可以人为地把电枢磁通势分成两个正弦分量；一个分量是纵轴电枢磁动势，用表示，作用在纵轴方向；另一个分量是横轴电枢磁动势，用表示，作用在横轴方向。即（31）其分布波形可用图3-5所示。 图3-5 电枢磁动势及交轴和直轴分量这样可以单独考虑正弦磁动势或在电机主磁路里产生磁通的情况。从图3-5可见，永远作用在纵轴方向，而永远作用在横轴方向，尽管气隙还不是均匀的，但对纵轴或横轴来说，磁路均为对称，这就给分析带来了方便。这种处理问题的方法，称为双反应原理。由纵轴电枢磁动势单独在电机的主磁路里产生的磁通，称纵轴电枢磁通，用表示，如图3-6（a）所示。而横轴电枢磁动势单独在电机的主磁路里产生的磁通，称横轴电枢磁通，用表示，如图3-6（b）所示。和都以同步转速旋转。 (a) (b)图3-6 电枢磁通(a) 直轴电枢磁通； (b) 交轴电枢磁通 另外，除了和产生的主磁通外，还要产生漏磁通，关于漏磁通的处理方法与异步电机相同。 从第六章分析知道，电枢磁动势的大小为 （3-2）这样纵轴电枢磁动势可以写成 （3-3）横轴电枢磁动势写成 （3-4）根据交流绕组相矢图的基本原理，磁动势与产生磁动势的电流同相位，所以与同相位，与在相矢图同相位。根据和的相位关系可知，和之间的夹角为90，且有 (3-5)根据式（3-5），可以把电枢电流按相量的关系分成两个分量：一个是直轴分量，产生了磁通势；另一个是交轴分量，产生了磁通势。显然通过双反应原理的应用，将一个电枢磁动势的电枢反应的复杂问题转化成了直轴电枢磁动势和交轴电枢磁动势两个电枢反应的简单问题。3.2.3 同步电机的电压平衡方程式及相量图1.凸极同步电机的电压平衡方程根据以上的分析可知，负载以后同步电机中有励磁磁通、交轴电枢反应磁通和直轴电枢反应磁通，它们都是以同步转速旋转，它们在定子绕组里感应电动势为：励磁电动势（空载电势），直轴电枢反应电动势，交轴电枢反应电动势。如果按图3-7的所示参考方向，即用电动机惯例定向。 图3-7 同步电动机各电量的参考方向根据这一定向，可得同步电动机相电压平衡方程如下： (3-6)式中，为定子绕组相电阻；为定子绕组相漏电抗。为了分析简单，不考虑磁路饱和，认为磁路线性。即有；和异步电机类似，电枢反应电动势可以表示为电流和电抗降的形式，即 （3-7）式中， 是比例常数，称为直轴电枢反应电抗；是比例常数，称为交轴电枢反应电抗。对同一台电机，和都是常数。将式（3-7）带入式（3-6）得 (3-8)将式（3-5）带入式（3-8）得 （3-9）一般情况下，当同步电动机容量较大时，可以忽略电阻。于是 (3-10)式中，称为直轴同步电抗；称为交轴同步电抗。对同一台电机，和都是常数，可以用实验和计算的方法求得。结合同步电机的电势方程，其电磁关系可表示为如下关系,即2.凸极同步电机的电势相量图根据式（3-8）可以画出同步电机的相矢图（领先型），如图3-8所示。图3-8 凸极同步电机相矢图（用电枢反应电抗表示）根据式(3-10)可以画出凸极同步电动机相量图（领先型）如图3-9所示。 图3-9 凸极同步电机相量图（忽略定子绕组，用同步电抗表示）（1）功率因数角从图3-9中可见，是电枢电压与是电枢电流之间的夹角，称为功率因数角，用它可以表示电枢电压和电枢电流之间的相位关系，即同步电机从电网取的功率情况，按电动机惯例有 （3-11）显然功率因数角时，同步电机从电网取得功率，电机运行与电动机状态。（2）功率角（也称功角）相量图中，功率角是电枢电压和空载电势之间的夹角，称为功率角。功率角的含义很丰富。除了表示电动势与之间的夹角，即时间电角度外。第二个含义是，产生电动势的励磁磁动势与作用在同步电动机主磁路上总的合成磁动势（）之间的角度，这是个空间电角度。对应着，近似地对应着。如果把磁动势用一个以同步转速旋转的“等效磁极”表示，同步电动机的运行可以看成等效磁极拖着转子磁极以同步转速旋转，如图3-10所示。 图3-10 功率角的空间含义而同步发电机运行是转子磁极在前，等效磁极在后，即转子拖着等效磁极旋转。由此可见，同步电机作电动机运行还是作发电机运行，要视转子磁极与等效磁极之间的相对位置来决定。（3）内功率因数角由于是电枢电流与之间的夹角，称为内功率因数角。同时有 （3-12） 上述三个角度：功率因数角、内功率因数角和功率角在分析凸极同步电动机时非常有用。3隐极同步电动机的电势方程和相量图 对于隐极式同步电动机，电机的气隙是均匀的。这时同步电动机的直轴同步电抗和交轴同步电抗在数值上相等，即 （3-13）式中，为隐极同步电动机的同步电抗。由此可得隐极同步电动机的电势方程可写为： （3-14）根据式（3-14）可一绘出隐极式同步电机电动势相量图如3-11所示 图3-11 隐极式同步电机电动势相量图3.3同步电动机的功率关系与矩角特性3.3.1同步电动机的功率方程及转矩方程1功率方程同步电动机带负载运行时，若转子励磁损耗由另外的直流电源供给，同步电动机从电网吸收的有功功率为，扣除定子的铜损耗、其余部分为电磁功率，即 （3-15）从电磁功率中扣除定子铁耗和机械损耗后，其余部分转变为机械功率输出给负载，即 (3-16)其中铁损耗与机械摩擦损耗之和称为空载损耗，即 （3-17）式（3-15）和式(3-16)联合表明了电动机的功率传递关系，称为功率方程。通常同步电动机的转子直流励磁功率也应计入总损耗之中。2电磁功率 当忽略同步电动机的定子电阻时，电磁功率为 (3-18)从图3-9可见，将其带入式(3-18)得 （3-19）根据图3-9中的几何关系有 （3-20）将式（3-12）带入式（3-19）得 （3-21）再将式（3-20）带入式（3-21）得 （3-22）已知，并带入上式得 （3-23） 3转矩方程根据电磁功率，可以比较方便地计算同步电机的电磁转矩，即 （3-24）式中，是同步电动机的同步角速度。根据功率方程式(1117)可得同步电动机的转矩方程为 (3-25)式中，为空载转矩。式(3-25)表明，同步电动机负载运行时，从定子输入的电功率（忽略定子绕组电阻）转变的电磁转矩与空载转矩和负载转矩相平衡，电机有稳定的转速，并输出稳定的转矩，即。根据式（3-24）可得电磁转矩为 (3-26)3.3.2同步电动机的功角特性当定子加额定电压，励磁电流不变，和均为常数时，同步电动机的电磁功率与功率角的关系，称为同步电动机的功角特性，即。同步电动机的功角特性是同步电机重要特性之一。从式（3-23）可见，当电机参数、为已知时，电磁功率与功率角之间的关系可以很方便的确定，而且由两部分组成。式（3-23）右边第一部分与励磁电动势成正比，即与励磁电流大小有关，称为励磁电功率。第二项是由于引起，也就是因电机转子是凸极引起的，因此称为凸极电磁功率。即使同步电动机没有励磁电流（），只要转子为凸极时（即存在），凸极电磁功率就会出现。当电机气隙均匀时，例如隐极式同步电机，不存在凸极电磁功率。 根据前面分析结果，励磁电磁功率为 (3-27)式中，为励磁电磁功率的最大值。当时，。凸极电磁功率为 (3-28)式中，为凸极电磁功率的最大值。当时，。 根据式(3-26) (3-28)绘出凸极同步电动机的功角特性曲线，如图3-12所示。图3-12 凸极同步电动机的功角特性曲线图3-12中曲线1为励磁电磁功率与的关系曲线，曲线2为凸极电磁功率与的关系曲线，曲线3为合成的总电磁功率与的关系曲线，可见的最大电磁功率对应与小于90的地方。对于隐极式同步电机，于是电磁功率为 （3-29）式（3-29）为同步电动机的功角特性，它没有凸极电磁功率这一项。其最大电磁功率为 （3-30）3.3.3同步电动机的矩角特性当定子加额定电压，励磁电流不变，和均为常数时（以下在讨论同步电动机特性和运行时，没有特别说明这一条件不变），同步电动机的电磁转矩与功率角的关系，称为同步电动机的矩角特性，即，这个特性与功角特性仅差一个电机旋转角速度，对于同步电机是常数。这样式（3-26)表示的矩角特性曲线与功角曲线有相同的形状，它们之间只差一个比例尺。把凸极同步电动机的电磁转矩与功率角的关系也可画出来，其形状如图3-12所示。对于隐极式同步电机，在某固定励磁电流条件下，根据式（3-29），可以得到隐极式同步电动机电磁转矩与功率角的关系为 （3-31）其最大电磁转矩为 （3-32）根据式（3-31），可以绘出隐极式同步电动机的矩角特性，如图3-13所示。图3-13 隐极式同步电动机的矩角特性3.3.4 同步电动机的运行下面以隐极式同步电动机为例，简单分析同步电动机稳定运行的问题。 1 同步电动机的稳定运行范围当同步电动机拖动机械负载运行在的范围内某一点，如图3-14中的图3-14 同步电动机的运行稳定性时，电磁转矩与负载转矩相等，拖动系统稳定运行。如果由于某种原因，负载转矩突然变由增大为，同步电动机的电磁转矩同时也必需增加至。根据式（3-29），当励磁电流不变时，这时角必将增大至，这表明不但和之间的夹角增大，转子也会有一个短暂地减速，使功率角增大为。可见负载转矩增加，电磁转矩也会增加，电机继续同步运行，不过这时运行在角度上。如果负载转矩又恢复为，电动机的角恢复为，所以电动机能够稳定运行。2. 同步电动机的不稳定运行范围当同步电动机拖动机械负载运行在的范围内某一点，如图1117中的图3-15 同步电动机非稳定性运行时，电磁转矩与负载转矩相平衡。如果由于某种原因，负载转矩突然变由增大为，当励磁电流不变时，这时角必将增大至。根据式（3-29），由于，使得处的电磁转矩小于处的电磁转矩，即。于是，电动机的角必将进一步增加，电磁转矩也会进一步减小。这样发展下去，电机的转子转速会偏离同步速，即失去同步（也称失步）而无法工作。可见，在范围内，电机不能稳定运行。综合以上分析可见：和异步电动机一样，同步电动机的电磁转矩也不能超过其最大转矩，否则同步电动机将进入不稳定运行范围。同步电动机的最大电磁转矩与额定转矩之比，叫过载倍数，用表示。即 （3-33）根据式（3-33）隐极式同步电动机额定运行时，。对凸极式同步电动机额定运行的功率角还要小些。当负载改变时，角随之变化，使同步电动机的电磁转矩和电磁功率跟着变化，以达到相平衡的状态，而电机的转子转速却严格按照同步转速旋转，不发生任何变化。所以同步电动机的机械特性为一条直线，是硬特性。3同步电机运行状态间的过渡 空载电动机理想空载时，其负载转矩（即），空载损耗，空载转矩，则。仍以隐极式电动机为例，如果励磁电流，由式(3-31)得出，这表明转子磁极轴线与定子等效磁极轴线几乎重合，如图3-16所示。图3-16 电动机理想空载电动机在理想空载基础上，当同步电动机轴上带机械负载时，不等于0，角有一定的数值，等效磁极和转子磁极的轴线被拉开，负载越大，角的值越大。为了保持同步电动机稳定运行，角不能超出允许的范围，如图3-17所示。图3-17 电动机发电机在理想空载基础上，同步电机由原动机拖动运行时，转子磁极带动定子等效磁极转动，定子绕组输出电功率，同步电机工作在发电机状态。关于同步发电机的有关内容不在本书范围。3.4同步电动机的功率因数调节和形曲线3.4.1同步电机的功率因数调节当同步电动机的定子电压、频率和输出功率不变的情况下，改变它的励磁电流，就能调节它的功率因数。为了简单起见，采用隐极式同步电动机电动势相量图来进行分析，所得结论完全可以用在凸极式同步电动机上。在分析的过程中，忽略电动机的各种损耗。同步电动机输出功率不变时，转轴输出的转矩不变，由于忽略了空载损耗，同步电动机的电磁转矩也为常数，即 常数 （3-34）从式（3-34）可见，定子电压，频率以及均为常数时，必为常数，即 常数 （3-35）当改变励磁电流时，电动势的大小随之变化，但必须满足式（3-35）的条件。当负载转矩不变时，在忽略电动机的各种损耗的情况下，电动机的输入功率不变,即常数，由于电压不变，必有 常数 （3-36）式(3-36)就是电动机定子电流的有功分量，即在调节时，有功电流保持不变。根据隐极式同步电动机的电压方程（忽略定子电阻），画出不同励磁电流、时的相量图，如图3-18所示。 图3-18 同步电动机调节励磁电流相量图图中为不同励磁电流时的空载电势，对应。由于定子电流有功分量常数，定子电流在向量上的投影为常数，即定子电流相量的顶点轨迹总是在直线上。同理常数，空载电势相量的顶点轨迹总是在直线上。从图3-18可以看出，当改变励磁电流时，同步电动机功率因数的变化规律。1正常励磁状态当励磁电流的大小使定子电流与同相位时，称为正常励磁状态，如图3-18中的和相量（）。这时，同步电动机只从电网吸收有功功率，不吸收无功功率。这种情况下运行的同步电动机像纯电阻负载，功率因数。2.欠励磁状态当励磁电流比正常励磁电流小时，称为欠励磁状态。如图3-17中的和。这时，定子电流落后为角。同步电动机除了从电网吸收有功功率外，还要从电网吸收滞后的无功功率。这种情况下运行的同步电动机像是个电阻电感负载。由于电网已经供应了大量的如异步电动机、变压器等滞后性无功功率的负载，为了不给电网增加无功功率的负担，所以同步电动机很少采用这种运行方式。 3.过励磁状态当励磁电流比正常励磁电流大时，称为过励磁状态，如图3-18中的和，这时，定子电流领先为角。同步电动机除了从电网吸收有功功率外，还要从电网吸收超前的无功功率。这种情况下运行的同步电动机，像是个电阻电容负载。可见，过励磁状态下的同步电动机对改善电网的功率因数有很大的好处。 从电机磁场的观点出发，同步电动机功率因数可调的原因是，由于同步电动机的磁场由定子边电枢反应磁通势和转子边励磁磁通势共同建立的。当转子边欠励磁时，定子边需要从电源输入更多的滞后无功功率建立磁场，使定子边便呈滞后功率因数；当转子边正常励磁，不需要定子边提供无功功率，定子边便呈纯电阻性；当转子边过励磁时，定子边反而要吸收领先性无功功率或者说从电源送入领先性的无功功率，定子边便呈领先性的功率因数。所以同步电动机功率因数完全可以通过人为地调节励磁电流改变励磁磁动势大小来实现。从上述分析可知，调节同步电动机的励磁电流，可改变其定子电流的无功分量和功率因数，这是同步电动机一种天赋的可贵的特性。而异步电动机运行时，电网必须向电动机提供感性的励磁电流，不能调节，使电网功率因数变坏。如果将同步电动机与异步电动机接入同一电网，并使同步电动机运行于过励磁状态，电网可同时提供容性与感性的无功电流，两者互相补偿，从而改善电网的功率因数。有时，为了改善电网的功率因数，可使同步电动机不带负载，浮接在电网上而运行于过励磁状态。这样运行的同步电动机，称为同步补偿机，这种措施可改善电网功率因数，提高供电质量，降低线路损耗。在生产实际允许的情况下，将绕线转子三相异步电动机改作同步电动机运行，对改善电网功率因数也是有好处的。3.4.2同步电机的形曲线同步电机的V形曲线是指在电网电压、频率和电动机输出功率为常数的情况下，定子电流和励磁电流之间的关系曲线，即曲线。由于励磁电流变化时，定子电流变化规律像V字形状，故称V形曲线。根据V形曲线的定义，改变励磁电流时电动机定子电流变化情况可以从图3-17中看出。三种励磁电流情况下，只有正常励磁时，定子电流为最小，过励磁或欠励磁时，定子电流都会增大。把定子电流的大小与励磁电流大小的关系，用曲线表示，如图1121所示。 图3-19 同步电动机的V型曲线当电动机输出某一恒定功率时，对应有一条V型曲线，如图3-19所示。输出功率越大，在相同的励磁电流条件下，定子电流增大，所得V形曲线往右上方移。因此图3-19中各条V形曲线对应的功率为。对每条V形曲线，定子电流都有一个最小值，这时定子仅从电网吸收有功功率，