【正文】 1 第八章 同步電機原理 電機與拖動基礎(chǔ)（第 2版） 第一節(jié) 同步電機的結(jié)構(gòu)和運行方式 第二節(jié) 同步電動機的電壓方程和相量圖 第三節(jié) 同步電動機的功率方程和功角特性 第四節(jié) 同步電動機的功率因數(shù)及 U形曲線 第五節(jié) 永磁同步電動機 * 2 引 言 本章主要闡述同步電機的工作原理 ， 利用雙反應(yīng)理論建立同步電機的基本電磁關(guān)系 ， 在此基礎(chǔ)上對同步電機的功角特性 、 矩角特性及功率因數(shù)的調(diào)節(jié)進行深入分析 。 本章還對迅速發(fā)展的永磁同步電機做了簡要介紹 。 第八章 同步電機原理 3 第一節(jié) 同步電機的結(jié)構(gòu)和運行方式 第八章 同步電機原理 如果三相交流電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n與定子電流的頻率 f1滿足下面的方程式關(guān)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)電機發(fā)出的，因此它是各類發(fā)電廠的核心設(shè)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(fēng)機、電力推進裝置和電動發(fā)電機組等。 pnfnn 1160??（ 81） 4 一、同步電機的基本結(jié)構(gòu) 1. 定子 同步電機的定子，就其基本結(jié)構(gòu)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、端蓋等附件組成。 第八章 同步電機原理 勵磁線圈 圖 8 1 同 步 電 機 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖a ) 凸 極 式 b ) 隱 極 式a ) b )5 2. 轉(zhuǎn)子 同步電機的轉(zhuǎn)子有兩種結(jié)構(gòu)形式：一種有明顯的磁極， 稱為凸極式，如圖 81a所示；另一種轉(zhuǎn)子為一個圓柱體，表面上開有槽，無明顯的磁極，稱為隱極式，如圖 81b所示。 同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子可以采用凸極式 ， 也可以采用隱極式 。對于水輪發(fā)電機 ， 由于水輪機的轉(zhuǎn)速較低 ， 把發(fā)電機的轉(zhuǎn)子做成凸極式的；對于汽輪發(fā)電機 ， 由于汽輪機的轉(zhuǎn)速較高 ， 為了很好地固定勵磁繞組 ， 把發(fā)電機的轉(zhuǎn)子做成隱極式的 。 同步電動機一般都做成凸極式的 ， 在結(jié)構(gòu)上與凸極式同步發(fā)電機類似 ，為了能夠自起動 ， 在轉(zhuǎn)子磁極的極靴上裝了起動繞組 。 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(yīng)配備一臺勵磁機或整流勵磁裝置，可以很方便地調(diào)節(jié)它的勵磁電流。 第八章 同步電機原理 6 二、同步電機的基本工作原理 1. 同步電機的物理模型 第八章 同步電機原理 圖 8 2 同 步 電 機 的 物 理 模 型 A X B C Z Y A軸 轉(zhuǎn) 子d軸 B軸 C軸 轉(zhuǎn) 子q軸 ? ?1 7 2. 同步電機的工作原理 現(xiàn)以同步發(fā)電機為例來說明同步電機的工作原理。當同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子在原動機的拖動下達到同步轉(zhuǎn)速 n0時，由于轉(zhuǎn)子繞組是由直流電流 If 勵磁，所以轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同，轉(zhuǎn)速大小相等的旋轉(zhuǎn)磁場。該磁場切割定子上開路的三相對稱繞組，在三相對稱繞組中產(chǎn)生三相對稱空載感應(yīng)電動勢 E0 。若改變勵磁電流的大小則可相應(yīng)地改變感應(yīng)電動勢的大小，此時同步發(fā)電機處于空載運行。 當同步發(fā)電機帶負載后 ， 定子繞組構(gòu)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(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同 ， 轉(zhuǎn)速大小相等的旋轉(zhuǎn)磁場 。 此時定 、 轉(zhuǎn)子間旋轉(zhuǎn)磁場相對靜止 ， 氣隙中的磁場是定 、 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場的合成 。由于氣隙中磁場的改變 ， 定子繞組中感應(yīng)電動勢的大小也 發(fā)生變化。 第八章 同步電機原理 8 3. 同步電機的運行方式 第八章 同步電機原理 圖 8 3 同 步 電 機 的 運 行 模 式a ) 發(fā) 電 機 方 式 b ) 理 想 空 載 c ) 電 動 機 方 式 n1 ? S2 N2 S1 N1 n1 S1 N1 n1 n1 ? S2 N2 S2 N2 S1 N1 n1 n1 a ) b ) c )9 第二節(jié) 同步電動機的電壓方程和相量圖 一、同步電動機的磁動勢 當同步電動機的定子三相對稱繞組連接到三相對稱電源上時 ， 就會產(chǎn)生三相合成旋轉(zhuǎn)磁動勢 ， 簡稱電樞磁動勢 ， 用空間矢量 Fa表示 。 設(shè)電樞磁動勢 Fa 的轉(zhuǎn)向為逆時針方向 ， 轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速 。 在同步電動機負載運行時 ， 其轉(zhuǎn)子也是逆時針方向以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn) 。 由直流勵磁電流 If 產(chǎn)生的磁動勢稱為勵磁磁動勢 ， 用 Ff 表示 ， 它也是一個空間矢量 。 電樞磁動勢 Fa 與勵磁磁動勢 Ff ， 兩者都以同步轉(zhuǎn)速按逆時針方向旋轉(zhuǎn) ， 但是兩者在空 間的位置不一定相同。 這里規(guī)定兩個軸方向：轉(zhuǎn)子 N極和 S極的中心線稱為 直軸或縱軸 ， 簡稱 d 軸 ；與直軸相距 90?空間電角度的方向稱為 交軸或橫軸 ， 簡稱 q 軸 。 直軸和交軸隨轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn) ， 如圖 84所示 。 第八章 同步電機原理 10 先考慮勵磁磁動勢 Ff單獨在電機主磁路中產(chǎn)生磁通時的情況 。 勵磁磁動勢 Ff總是在直軸方向 ， 產(chǎn)生的磁通如圖 85所示 。將由勵磁磁動勢 Ff單獨產(chǎn)生的磁通叫勵磁磁通 ， 用 ?f 表示 。 ?f 經(jīng)過的磁路是以直軸為對稱的 。 第八章 同步電機原理 d軸 q軸 N S If d軸 q軸 N S ?f 圖 8 5 勵 磁 磁 通1n 1nfFfF圖 8 4 同 步 電 機 的 直 軸 與 交 軸11 二、凸極同步電動機的雙反應(yīng)原理 對于電樞磁動勢 Fa 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 Ff 產(chǎn)生磁通時的情況復(fù)雜 。 由于 Fa 與 Ff 的空間位置不一定相同 ， 所以只要 Fa 與 Ff 的空間位置不相同 ， 就必然使 Fa的方向不在直軸方向 。 對于凸極式同步電動機 ， 由于氣隙的不均勻 ， 即使知道電樞磁動勢 Fa 的大小和位置 ， 也無法 求得磁通。 如果電樞磁動勢 Fa 與勵磁磁動勢 Ff 的相對位置給定 ， 如圖86， 由于電樞磁動勢 Fa與勵磁磁動勢 Ff 無相對運動 ， 可以把電樞磁動勢 Fa分解成兩個分量： 一個分量叫 直軸電樞磁動勢 ， 用Fad 表示 ， 作用在直軸方向；另一個分量叫 交軸電樞磁動勢 ， 用 Faq 表示，作用在交軸方向，即