【文章內容簡介】 電動機調速系統(tǒng)，使同步電動機的應用場合更為廣泛，如艦船電力推進系統(tǒng)、大型軋鋼系統(tǒng)等。第一章 同步電動機的基本結構與原理同步電動機由靜止的定子和旋轉的轉子等部分組成。按結構不同，可分為隱極同步電機和凸極同步電機兩大類。 同步電動機主要由定子、轉子以及滑環(huán)、電刷裝置等部件構成。其定子鐵心和繞組結構與感應電動機相同，當同步電動機的轉速較低時，極數也將較多，這時，由于定子圓周所能開出的槽數有限，定子繞組常采用分數槽繞組。 同步電動機轉子由轉子鐵心、勵磁繞組和轉軸、滑環(huán)等構成。轉子鐵心和勵磁繞組共同構成了主磁極，勵磁繞組中通入直流勵磁電流就產生了主極磁場。這種主磁極旋轉的結構稱為旋轉磁極式結構。按照轉子主磁極形狀不同，同步電動機又可分為隱極式和凸極式兩種轉子行式。 隱極式轉子為圓柱行，氣隙均勻。勵磁繞組為同心式繞組，嵌放在轉子鐵心槽內，在大齒部分形成磁極。隱極式轉子的機械強度較好，適合于高轉速運行的電動機。 凸極式轉子因有明顯凸出的主磁極而得名。其氣隙是不均勻的，磁極下面的氣隙小，兩磁極之間的氣隙大。為了改善氣隙磁場波形，磁極圓弧的圓心常與定子內圓偏心。勵磁繞組為集中式繞組，套裝在主磁極的極身上。為了獲得起動轉矩及改善動態(tài)性能，需要在凸極式轉子主磁極的極靴表面開槽，以便裝設籠型阻尼繞組。凸極式轉子的機械強度較差，適合圓周速度較低、離心力較小的低轉速電動機。為了給轉子勵磁繞組通以直流勵磁電流，需要裝設滑環(huán)和電刷，以便勵磁繞組與外部直流勵磁電源相連接。同步電動機依靠轉子主磁場與氣隙合成磁場之間的磁拉力而工作的。同步電動機定子三相繞組接通三相電源后，定子繞組中就有三相電流流過，從而產生定子旋轉磁動勢和旋轉磁場。旋轉磁場切割轉子籠型起動繞組，產生異步起動轉矩使電動機起動。當轉速升高95%同步轉速時投入勵磁，產生主極磁場，在主極磁場與氣隙合成磁場之間產生的同步轉矩的作用下，使電動機自動牽入同步。牽入同步后，電動機轉入正常運行。實際上，只有在轉子以同步速旋轉時，同步電動機才能產生平均電磁轉矩。可以把這種N極和S極之間的磁拉力比喻成轉子主磁場與氣隙合成磁場B之間由一組彈簧聯系在一起。當電動機空載時，彈簧處于自由狀態(tài)，未被拉伸，這時與B的軸線重合，電磁轉矩為零；當電動機負載后，彈簧被拉伸，與B的軸線之間被拉開了一個角度，從而產生一定的同步電磁轉矩。負載越大，與B的軸線之間被拉開的角度越大，同步電動機的電磁轉矩也就越大，就像彈簧被拉伸得越長彈性力越大一樣。與B的軸線之間的空間電角度稱為功率角。顯然，彈簧被拉伸的長度是有一定限度的，同步電動機電磁轉矩的增大也同樣要有一定的限度，超過了這個限度，同步電動機就會因失去同步而不能正常工作，甚至停轉。這種因同步電動機的轉子主磁場與氣隙合成磁場之間的磁拉力而產生的電磁轉矩通常稱為同步轉矩。同步電動機正常穩(wěn)定運行時，其轉速與負載大小無關，將始終保持同步轉速不變。負載越大，電磁轉矩越大，功率角越大，電動機的輸出功率越大，同時電動機從電網輸入的電功率也就越大。當電動機的負載轉矩不變時，從電網輸入的電樞電流中，有功電流分量基本上是不變的，而無功電流分量的大小以及電動機的功率因數則與勵磁電流的大小有關。當功率因數時，無功電流分量等于0，電樞電流最小，這時的勵磁電流稱為正常勵磁；當功率因數時，無功電流分量大于0，電樞電流大于正常勵磁電流，稱為欠勵。因此，調節(jié)勵磁電流可以調節(jié)同步電動機的功率因數，過勵時功率因數超前，欠勵時功率因數滯后。給同步電動機提供勵磁的電源裝置稱為同步電動機勵磁系統(tǒng)。獲得勵磁電流的方法不同，就構成了不同的勵磁方式。為保證同步電動機的安全可靠運行，一般對勵磁系統(tǒng)有如下要求：，并力求簡單、經濟以及維護方便；，大中容量同步電動機應按功率因數恒定或輸出無功功率恒定來進行勵磁調節(jié)，當電網電壓降低或過載時，應能實行強行勵磁；，應能實現快速滅磁。目前廣泛使用的是靜止整流勵磁系統(tǒng)。其主電路一般采用三相全控橋式整流電路，給同步電動機的勵磁繞組供電。電動機正常運行時，采用恒流勵磁控制方式，使勵磁電流不受電網電壓波動以及繞組溫度等因數的影響，恒流勵磁可從零至額定值任意給定，以便對電動機的功率因數進行調節(jié)。該系統(tǒng)適用于重載或輕載、全壓或降壓起動。，并沒有按時間后備投勵環(huán)節(jié)。投勵時系統(tǒng)輸出最大整流電壓強迫勵磁，使電動機快速牽入同步。停機時，可控橋以最大逆變電壓快速滅磁，以保證系統(tǒng)安全。靜止整流器勵磁系統(tǒng)的可靠性好，響應速度快，適用于額定電壓為3KV、6KV、10KV的高壓電動機以及380V的低壓電動機。對于大型同步電動機或在特殊環(huán)境中工作的同步電動機，有刷勵磁結構常常降低了電動機運行的可靠性。為了解決這一問題，常需要采用無刷勵磁系統(tǒng)。無刷勵磁系統(tǒng)的主電路由一臺旋轉電樞式三相同步發(fā)電機和旋轉整流器構成，勵磁機的旋轉電樞與同步電動機同軸連接，旋轉電樞發(fā)出的三相交流電經旋轉硅整流器整流后，直接給同步電動機的勵磁繞組提供勵磁電流。由于交流勵磁機的電樞、硅整流器和同步電動機的勵磁繞組均以同步速旋轉，因此，不再需要滑環(huán)和電刷裝置。同步電動機的勵磁電流由勵磁調節(jié)器自動調節(jié)。第二章 同步電動機的運行原理同步電動機空載時，電樞繞組中的電流很小，產生的電樞磁場也很小，這時電機的氣隙磁場基本上就是勵磁磁動勢建立的主磁場。同步電動機負載后，情況將有所不同。這時，電樞繞組中將流過三相對稱的負載電流，因而將產生與轉子磁極同步旋轉的電樞磁動勢及相應的電樞磁場。負載時電機的氣隙磁場是由電樞磁動勢和勵磁磁動勢共同建立的，同時，電樞磁動勢將對主磁場產生影響，電樞磁動勢的基波對主磁場的影響就稱為電樞反應。電樞反應將使氣隙磁場波形發(fā)生畸變，同時，還會產生去磁或增磁作用，因此電樞反應將對同步電動機的運行性能產生影響。如果電樞磁動勢恰好作用在交軸（q軸）上，所產生的電樞反應稱為交軸電樞反應；如果電樞磁動勢恰好作用在直軸（d軸）上，所產生的電樞反應稱為直軸電樞反應。一般情況下，電樞磁動勢即不作用在交軸上，又不作用在直軸上，這時，可以把電樞磁動勢分解成交軸和直軸兩個分量（），其中，交軸分量將產生交軸電樞反應，直軸分量將產生直軸電樞反應。氣隙磁場波形發(fā)生的畸變主要是交軸電樞反應的結果，而直軸電樞反應則會使氣隙磁場產生去磁或增磁作用。電樞反應的性質（交磁、去磁或增磁）取決于電樞磁動勢與主磁場在空間的相對位置，這一相對位置和電樞電流與勵磁電動勢之間的相位差角有關。當= ，即電樞電流與勵磁電動勢同相位時，電樞磁動勢的軸線總與轉子交軸重合，顯然，此時的電樞磁動勢是一個交軸磁動勢，即，產生純交磁性質的交軸電樞反應，這時同步電動機的矢量圖如圖1所示。由于交軸電樞反應的存在，使得氣隙合成磁場（）與主磁場之間有一個空間相角差。當時，如前所述，可以把電樞磁動勢分解成交軸和直軸兩個分量和，他們的幅值、與電樞磁動勢幅值及角的關系為電樞交軸磁動勢分量產生的交軸電樞反應與前面說明的作用相同。直軸分量產生的直軸電樞反應是去磁性質的還是增磁性質的，將取決于角的正、負。對于同步電動機，當0,即電樞電流超前于勵磁電動勢時,直軸電樞反應是去磁性質的。當0,即電樞電流滯后與勵磁電動勢時,. 電樞反應矢量圖應該指出,由于采用了電動機慣例,圖2中的電樞直軸磁動勢雖然與勵磁磁動勢方向相同,但為去磁性質。而圖3中的電樞直軸磁動勢雖然與勵磁磁動勢方向相反,但為增磁性質,這一點與發(fā)電機時的情況正好相反.,為維持氣隙磁場為一定值,若轉子勵磁電流較小,則同步電動機將從電網輸入一個滯后與勵磁電動勢的感性電流,使直軸電樞反應為增磁性質。若轉子勵磁電流較大,則同步電動機將從電網輸入一個超前于勵磁電動勢的容性電流,直軸電樞反應將直接影響同步電動機的功率因數.應該指出,從而產生電磁轉矩。負載越大，電樞反應月強烈，B與之間的相角差越大，電動機產生的電磁轉矩也就越大，輸出的機械功率越大，定子繞組從電網輸入的電功率也越大。當然，電動機的負載能力是有一定限度的，超過了這個限度，將會引起電動機過熱，或者因運行不穩(wěn)定而失去同步?！　? 按電動機運行狀態(tài)時轉矩的實際方向規(guī)定轉矩的參考方向，對應的轉矩平衡方程式為 (1)式中，為機械負載轉矩，其大小等于電動機輸出轉矩；為空載轉矩。電磁轉矩T的方向與發(fā)電機時的相反，與轉子轉動方向相同，是拖動轉矩，克服機械負載轉矩和空載轉矩拖動轉子旋轉。同步電動機從電源輸入的電功率減去定子繞組的銅耗,為電磁功率，即將（1）式兩邊各項均乘以機械角速度，可得即電磁功率減去同步電動機的控制損耗,就是電機軸上輸出的機械功率。同步電動機的功率流程圖如圖所示 同步電動機的功率流程圖 功角特性功角特性指的是電磁功率隨功角d變化的關系曲線=f(d)的?！　⊥箻O電機 令可以求出對應于最大電磁功率的功角,一般來說凸極電機的在45～90之間?！　‰[極電機 　　最大功率與額定功率的比值定義為同步發(fā)電機的過載能力。對隱極電機來說 同步電機功角特性( )有功功率的調節(jié)功角特性=f(d)反映了同步電動機的電磁功率隨著功角變化的情況。穩(wěn)態(tài)運行時，同步電動機的轉速由電網的頻率決定，恒等于同步轉速，即，電動機的電磁轉矩 和電磁功率之間成正比關系： 電磁轉矩與原動機提供的動力轉矩相平衡其中為空載轉矩因摩擦、風阻等引起的阻力轉矩）?！?當功角處于0到范圍內時，隨著d的增大，亦增大，同步電動機在這一區(qū)間能夠穩(wěn)定運行。 而當d 時，隨著d的增大，反而減小，電磁功率無法與輸入的機械功率相平衡，電動機轉速越來越大，電動機將失去同步，故在這一區(qū)間電動機不能穩(wěn)定運行。　　同步電動機失去同步后，必須立即減小原動機輸入的機械功率，否則將使轉子達到極高的轉速，以致離心力過大而損壞轉子。另外，失步后，電動機的頻率和電網頻率不一致，定子繞組中將出現一個很大的電流而燒壞定子繞組。因此，保持同步是十分重要的。 　　綜上所述：電動機所承擔的有功功率可以通過調節(jié)原動機輸入的機械功率來改變的。而且電機承擔的有功功率的極限是。當0d時電動機可以穩(wěn)定運行； d電動機不能穩(wěn)定運行。 無功功率的調節(jié)V形曲線特性與發(fā)電機時一樣，V形曲線特性對同步電動機的值班人員了解和調節(jié)電動機是非常重要的。利用電動勢相量圖就可以得到同步電動機的V形曲線特性。以隱極同步電動機為例。保持電動機的負載不變，即負載轉矩不變，忽略空載損耗，則電磁轉矩T不變，于是，即電磁轉矩T不變，電磁功率也不變，當忽略電樞繞組電阻時，輸入電功率也不變，即由此可畫出電動機的電動勢相量圖，如圖所示。得到電流I與空載電動勢之間的關系后，由電動勢查空載特性氣隙線求出勵磁電流，即可畫出電樞電流I與勵磁電流之間的關系曲線，即V形曲線，如圖所示在的點，電樞電流I最小；時，I都增大。勵磁電流小于正常勵磁電流時，功率因數為滯后性的；大于正常勵磁電流時，功率因數為超前性的。改變負載的大小，可以得到一族曲線。如圖 。把各條V形曲線上的功率因數相同的點連接起來，得到等功率因數線。曲線族上各運行點的功率因數就可以由曲線查出。同步電動機比較突出的優(yōu)點是可以通過改變勵磁電流來調節(jié)無功功率，能在超前的功率因數下運行，改善電網功率因數。由V形曲線特性可以看出，要讓電動機運行在超前功率因數下，必須增大勵磁電流，使電動機勵磁處于過勵狀態(tài)。因此要求設計電動機時，必須保證足夠的勵磁容量。 電動機轉子從靜止加速到額定轉速運行的過程，稱為起動。同步電動機轉子勵磁繞組中通入直流電流后，轉子將形成固定極性的磁極。在轉子靜止時將定子繞組接入電網，定子產生的旋轉磁場以同步轉速相對于靜止的轉子運動。定子旋轉磁場的某一極性磁極，例如N極，一會鄰近且超前于轉子的S極，產生吸引力，牽引轉子加速；一會鄰近且超前于轉子的N極，產生排斥力，使轉子減速。在定子磁場轉速與轉子轉速相差較大時，在轉子機械慣性作用下，無法產生驅動轉子旋轉的平均電磁轉矩，轉子無法與定子磁場保持同步旋轉，從而無法直接起動。通常，同步電動機的起動方法有以下幾種?？梢圆捎眯⌒偷妮o助動力設備，如直流電動機、異步電動機或其他動力機，將同步電動機拖到同步轉速或者接近同步轉速，再通過整步或者自同步法將同步電動機并聯到電網上運行。這種方法需要設備多，操作復雜。由于輔助動力設備一般容量較小，約為電動機的5%15%，所以適合于同步電動機的空載起動。采用變頻電源向電動機供電，電源頻率從很低的值逐漸升高到同步電動機的額定頻率。頻率的逐漸變化使得電機的轉子始終與定子旋轉磁場保持相對靜止，產生平均電磁轉矩拖動轉子旋轉。加速到電機的同步轉速后，再將電機并入電網運行。該方法需要專門的變頻電源，會增加設備投資?，F代同步電動機一般都是做成凸極式的，大多在轉子上裝設阻尼繞組，可利用異步電動機的啟動方法來起動同步電動機。起動時，勵磁繞組回路里串聯一個10倍于勵磁繞組電阻的電阻后再閉合，將定子投入電網，按異步電動機起動。待轉速升至接近與同步轉速時，再投入勵磁，使電動機牽入同步。起動時勵磁繞組不能開路，因為起動時，轉子與定子磁場的相對運動速度會很高，勵磁繞組會感應很高的電壓，有可能破壞絕緣。第三章 同步電動機的變頻調速系統(tǒng) 交流同步電機與直流電機調速的比較 交流同步電機與直流電機相比具有以下特點： （1）單機容量不受限制大家都知道，直流電機因為換向器的換向能力限制了電機的容量和速度，直流電機的容量上限和速度的乘積約等于。而交流同步電機單機容量可以突破這一限制。實際上交流電機可以充分利用電力電子器件的能力來提高供電電壓，采用先進的電機冷卻方法，變頻調速同步電機的單機容量已可以做到56MW。（2）轉動慣量小以某鋼廠2050mm熱連軋機為例，直流主傳動電機kw（250/578（r/min）雙電樞傳動， ；而主傳動交流同步電機9000kw（250/578（r/min）單電樞傳動，減少為直流電機的1/，使整個傳動系統(tǒng)的速度響應時間由1