【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 （321）再將式（320）帶入式（321）得 （322）已知，并帶入上式得 （323） 3．轉(zhuǎn)矩方程根據(jù)電磁功率，可以比較方便地計(jì)算同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，即 （324）式中，是同步電動(dòng)機(jī)的同步角速度。根據(jù)功率方程式(11—17)可得同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程為 (325)式中，為空載轉(zhuǎn)矩。式(325)表明，同步電動(dòng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，從定子輸入的電功率（忽略定子繞組電阻）轉(zhuǎn)變的電磁轉(zhuǎn)矩與空載轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，電機(jī)有穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，并輸出穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩，即。根據(jù)式（324）可得電磁轉(zhuǎn)矩為 (326)當(dāng)定子加額定電壓，勵(lì)磁電流不變，和均為常數(shù)時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)的電磁功率與功率角的關(guān)系，稱(chēng)為同步電動(dòng)機(jī)的功角特性，即。同步電動(dòng)機(jī)的功角特性是同步電機(jī)重要特性之一。從式（323）可見(jiàn)，當(dāng)電機(jī)參數(shù)、為已知時(shí)，電磁功率與功率角之間的關(guān)系可以很方便的確定，而且由兩部分組成。式（323）右邊第一部分與勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)成正比，即與勵(lì)磁電流大小有關(guān)，稱(chēng)為勵(lì)磁電功率。第二項(xiàng)是由于引起，也就是因電機(jī)轉(zhuǎn)子是凸極引起的，因此稱(chēng)為凸極電磁功率。即使同步電動(dòng)機(jī)沒(méi)有勵(lì)磁電流（），只要轉(zhuǎn)子為凸極時(shí)（即存在），凸極電磁功率就會(huì)出現(xiàn)。當(dāng)電機(jī)氣隙均勻時(shí)，例如隱極式同步電機(jī)，不存在凸極電磁功率。 根據(jù)前面分析結(jié)果，勵(lì)磁電磁功率為 (327)式中，為勵(lì)磁電磁功率的最大值。當(dāng)時(shí)。凸極電磁功率為 (328)式中，為凸極電磁功率的最大值。當(dāng)時(shí)。 根據(jù)式(326) ~ (328)繪出凸極同步電動(dòng)機(jī)的功角特性曲線(xiàn)，如圖312所示。圖312 凸極同步電動(dòng)機(jī)的功角特性曲線(xiàn)圖312中曲線(xiàn)1為勵(lì)磁電磁功率與的關(guān)系曲線(xiàn)，曲線(xiàn)2為凸極電磁功率與的關(guān)系曲線(xiàn)，曲線(xiàn)3為合成的總電磁功率與的關(guān)系曲線(xiàn)，可見(jiàn)的最大電磁功率對(duì)應(yīng)與小于90176。的地方。對(duì)于隱極式同步電機(jī)，于是電磁功率為 （329）式（329）為同步電動(dòng)機(jī)的功角特性，它沒(méi)有凸極電磁功率這一項(xiàng)。其最大電磁功率為 （330）當(dāng)定子加額定電壓，勵(lì)磁電流不變，和均為常數(shù)時(shí)（以下在討論同步電動(dòng)機(jī)特性和運(yùn)行時(shí)，沒(méi)有特別說(shuō)明這一條件不變），同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與功率角的關(guān)系，稱(chēng)為同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性，即，這個(gè)特性與功角特性?xún)H差一個(gè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度，對(duì)于同步電機(jī)是常數(shù)。這樣式（326)表示的矩角特性曲線(xiàn)與功角曲線(xiàn)有相同的形狀，它們之間只差一個(gè)比例尺。把凸極同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與功率角的關(guān)系也可畫(huà)出來(lái)，其形狀如圖312所示。對(duì)于隱極式同步電機(jī)，在某固定勵(lì)磁電流條件下，根據(jù)式（329），可以得到隱極式同步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與功率角的關(guān)系為 （331）其最大電磁轉(zhuǎn)矩為 （332）根據(jù)式（331），可以繪出隱極式同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性，如圖313所示。圖313 隱極式同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性 同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行下面以隱極式同步電動(dòng)機(jī)為例，簡(jiǎn)單分析同步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的問(wèn)題。 1． 同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行范圍當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)機(jī)械負(fù)載運(yùn)行在的范圍內(nèi)某一點(diǎn)，如圖314中的圖314 同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等，拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。如果由于某種原因，負(fù)載轉(zhuǎn)矩突然變由增大為，同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩同時(shí)也必需增加至。根據(jù)式（329），當(dāng)勵(lì)磁電流不變時(shí)，這時(shí)角必將增大至，這表明不但和之間的夾角增大，轉(zhuǎn)子也會(huì)有一個(gè)短暫地減速，使功率角增大為。可見(jiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加，電磁轉(zhuǎn)矩也會(huì)增加，電機(jī)繼續(xù)同步運(yùn)行，不過(guò)這時(shí)運(yùn)行在角度上。如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩又恢復(fù)為，電動(dòng)機(jī)的角恢復(fù)為，所以電動(dòng)機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。2. 同步電動(dòng)機(jī)的不穩(wěn)定運(yùn)行范圍當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)機(jī)械負(fù)載運(yùn)行在的范圍內(nèi)某一點(diǎn)，如圖11—17中的圖315 同步電動(dòng)機(jī)非穩(wěn)定性運(yùn)行時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡。如果由于某種原因，負(fù)載轉(zhuǎn)矩突然變由增大為，當(dāng)勵(lì)磁電流不變時(shí)，這時(shí)角必將增大至。根據(jù)式（329），由于，使得處的電磁轉(zhuǎn)矩小于處的電磁轉(zhuǎn)矩，即。于是，電動(dòng)機(jī)的角必將進(jìn)一步增加，電磁轉(zhuǎn)矩也會(huì)進(jìn)一步減小。這樣發(fā)展下去，電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速會(huì)偏離同步速，即失去同步（也稱(chēng)失步）而無(wú)法工作?？梢?jiàn)，在范圍內(nèi)，電機(jī)不能穩(wěn)定運(yùn)行。綜合以上分析可見(jiàn)：和異步電動(dòng)機(jī)一樣，同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也不能超過(guò)其最大轉(zhuǎn)矩，否則同步電動(dòng)機(jī)將進(jìn)入不穩(wěn)定運(yùn)行范圍。同步電動(dòng)機(jī)的最大電磁轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比，叫過(guò)載倍數(shù)，用表示。即 （333）根據(jù)式（333）隱極式同步電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)。對(duì)凸極式同步電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行的功率角還要小些。當(dāng)負(fù)載改變時(shí)，角隨之變化，使同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率跟著變化，以達(dá)到相平衡的狀態(tài)，而電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速卻嚴(yán)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(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為一條直線(xiàn)，是硬特性。3．同步電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)間的過(guò)渡① 空載電動(dòng)機(jī)理想空載時(shí)，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩（即），空載損耗，空載轉(zhuǎn)矩，則。仍以隱極式電動(dòng)機(jī)為例，如果勵(lì)磁電流，由式(331)得出，這表明轉(zhuǎn)子磁極軸線(xiàn)與定子等效磁極軸線(xiàn)幾乎重合，如圖316所示。圖316 電動(dòng)機(jī)理想空載②電動(dòng)機(jī)在理想空載基礎(chǔ)上，當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)軸上帶機(jī)械負(fù)載時(shí)，不等于0，角有一定的數(shù)值，等效磁極和轉(zhuǎn)子磁極的軸線(xiàn)被拉開(kāi)，負(fù)載越大，角的值越大。為了保持同步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，角不能超出允許的范圍，如圖317所示。圖317 電動(dòng)機(jī)③發(fā)電機(jī)在理想空載基礎(chǔ)上，同步電機(jī)由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子磁極帶動(dòng)定子等效磁極轉(zhuǎn)動(dòng)，定子繞組輸出電功率，同步電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)。關(guān)于同步發(fā)電機(jī)的有關(guān)內(nèi)容不在本書(shū)范圍。當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)的定子電壓、頻率和輸出功率不變的情況下，改變它的勵(lì)磁電流，就能調(diào)節(jié)它的功率因數(shù)。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，采用隱極式同步電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)相量圖來(lái)進(jìn)行分析，所得結(jié)論完全可以用在凸極式同步電動(dòng)機(jī)上。在分析的過(guò)程中，忽略電動(dòng)機(jī)的各種損耗。同步電動(dòng)機(jī)輸出功率不變時(shí)，轉(zhuǎn)軸輸出的轉(zhuǎn)矩不變，由于忽略了空載損耗，同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也為常數(shù)，即 ＝常數(shù) （334）從式（334）可見(jiàn)，定子電壓，頻率以及均為常數(shù)時(shí)，必為常數(shù)，即 ＝常數(shù) （335）當(dāng)改變勵(lì)磁電流時(shí)，電動(dòng)勢(shì)的大小隨之變化，但必須滿(mǎn)足式（335）的條件。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，在忽略電動(dòng)機(jī)的各種損耗的情況下，電動(dòng)機(jī)的輸入功率不變,即＝常數(shù)，由于電壓不變，必有 ＝常數(shù) （336）式(336)就是電動(dòng)機(jī)定子電流的有功分量，即在調(diào)節(jié)時(shí)，有功電流保持不變。根據(jù)隱極式同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程（忽略定子電阻），畫(huà)出不同勵(lì)磁電流、時(shí)的相量圖，如圖318所示。 圖318 同步電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流相量圖圖中為不同勵(lì)磁電流時(shí)的空載電勢(shì)，對(duì)應(yīng)。由于定子電流有功分量＝常數(shù)，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(diǎn)軌跡總是在直線(xiàn)上。同理＝常數(shù)，空載電勢(shì)相量的頂點(diǎn)軌跡總是在直線(xiàn)上。從圖318可以看出，當(dāng)改變勵(lì)磁電流時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的變化規(guī)律。1．正常勵(lì)磁狀態(tài)當(dāng)勵(lì)磁電流的大小使定子電流與同相位時(shí)，稱(chēng)為正常勵(lì)磁狀態(tài)，如圖318中的和相量（）。這時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)只從電網(wǎng)吸收有功功率，不吸收無(wú)功功率。這種情況下運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)像純電阻負(fù)載，功率因數(shù)。當(dāng)勵(lì)磁電流比正常勵(lì)磁電流小時(shí)，稱(chēng)為欠勵(lì)磁狀態(tài)。如圖317中的和。這時(shí)，定子電流落后為角。同步電動(dòng)機(jī)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(wú)功功率。這種情況下運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)像是個(gè)電阻電感負(fù)載。由于電網(wǎng)已經(jīng)供應(yīng)了大量的如異步電動(dòng)機(jī)、變壓器等滯后性無(wú)功功率的負(fù)載，為了不給電網(wǎng)增加無(wú)功功率的負(fù)擔(dān)，所以同步電動(dòng)機(jī)很少采用這種運(yùn)行方式。 當(dāng)勵(lì)磁電流比正常勵(lì)磁電流大時(shí)，稱(chēng)為過(guò)勵(lì)磁狀態(tài)，如圖318中的和，這時(shí)，定子電流領(lǐng)先為角。同步電動(dòng)機(jī)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(wú)功功率。這種情況下運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)，像是個(gè)電阻電容負(fù)載?？梢?jiàn)，過(guò)勵(lì)磁狀態(tài)下的同步電動(dòng)機(jī)對(duì)改善電網(wǎng)的功率因數(shù)有很大的好處。 從電機(jī)磁場(chǎng)的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)可調(diào)的原因是，由于同步電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)由定子邊電樞反應(yīng)磁通勢(shì)和轉(zhuǎn)子邊勵(lì)磁磁通勢(shì)共同建立的。當(dāng)轉(zhuǎn)子邊欠勵(lì)磁時(shí)，定子邊需要從電源輸入更多的滯后無(wú)功功率建立磁場(chǎng)，使定子邊便呈滯后功率因數(shù)；當(dāng)轉(zhuǎn)子邊正常勵(lì)磁，不需要定子邊提供無(wú)功功率，定子邊便呈純電阻性；當(dāng)轉(zhuǎn)子邊過(guò)勵(lì)磁時(shí)，定子邊反而要吸收領(lǐng)先性無(wú)功功率或者說(shuō)從電源送入領(lǐng)先性的無(wú)功功率，定子邊便呈領(lǐng)先性的功率因數(shù)。所以同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)完全可以通過(guò)人為地調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流改變勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。從上述分析可知，調(diào)節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流，可改變其定子電流的無(wú)功分量和功率因數(shù)，這是同步電動(dòng)機(jī)一種天賦的可貴的特性。而異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)必須向電動(dòng)機(jī)提供感性的勵(lì)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(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)接入同一電網(wǎng)，并使同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于過(guò)勵(lì)磁狀態(tài)，電網(wǎng)可同時(shí)提供容性與感性的無(wú)功電流，兩者互相補(bǔ)償，從而改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。有時(shí)，為了改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，可使同步電動(dòng)機(jī)不帶負(fù)載，浮接在電網(wǎng)上而運(yùn)行于過(guò)勵(lì)磁狀態(tài)。這樣運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)，稱(chēng)為同步補(bǔ)償機(jī)，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(xiàn)路損耗。在生產(chǎn)實(shí)際允許的情況下，將繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī)改作同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，對(duì)改善電網(wǎng)功率因數(shù)也是有好處的?！⊥诫姍C(jī)的Ｖ形曲線(xiàn)同步電機(jī)的V形曲線(xiàn)是指在電網(wǎng)電壓、頻率和電動(dòng)機(jī)輸出功率為常數(shù)的情況下，定子電流和勵(lì)磁電流之間的關(guān)系曲線(xiàn)，即曲線(xiàn)。由于勵(lì)磁電流變化時(shí)，定子電流變化規(guī)律像V字形狀，故稱(chēng)V形曲線(xiàn)。根據(jù)V形曲線(xiàn)的定義，改變勵(lì)磁電流時(shí)電動(dòng)機(jī)定子電流變化情況可以從圖317中看出。三種勵(lì)磁電流情況下，只有正常勵(lì)磁時(shí)，定子電流為最小，過(guò)勵(lì)磁或欠勵(lì)磁時(shí)，定子電流都會(huì)增大。把定子電流的大小與勵(lì)磁電流大小的關(guān)系，用曲線(xiàn)表示，如圖11—21所示。 圖319 同步電動(dòng)機(jī)的V型曲線(xiàn)當(dāng)電動(dòng)機(jī)輸出某一恒定功率時(shí)，對(duì)應(yīng)有一條V型曲線(xiàn)，如圖319所示。輸出功率越大，在相同的勵(lì)磁電流條件下，定子電流增大，所得V形曲線(xiàn)往右上方移。因此圖319中各條V形曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)的功率為。對(duì)每條V形曲線(xiàn)，定子電流都有一個(gè)最小值，這時(shí)定子僅從電網(wǎng)吸收有功功率，功率因數(shù)。把這些點(diǎn)連起來(lái)，稱(chēng)為線(xiàn)。線(xiàn)向右傾斜，說(shuō)明同步電動(dòng)機(jī)輸出為純有功功率時(shí)，隨輸出功率增大，勵(lì)磁電流必須相應(yīng)增加。線(xiàn)的左邊是欠勵(lì)區(qū)；右邊是過(guò)勵(lì)區(qū)。當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)帶了一定負(fù)載時(shí)，減小勵(lì)磁電流，電動(dòng)勢(shì)。減小，與成正比減少，當(dāng)小到一定程度，超過(guò)90176。，電動(dòng)機(jī)就會(huì)失步，如圖319中虛線(xiàn)所示的不穩(wěn)定區(qū)。從這個(gè)角度看，同步電動(dòng)機(jī)最好也不運(yùn)行于欠勵(lì)磁狀態(tài)。 從V形曲線(xiàn)可以直觀(guān)的看出同步電動(dòng)機(jī)的定子電流、勵(lì)磁電流和輸出功率之間的關(guān)系。 同步電動(dòng)機(jī)為什么不能直接起動(dòng)？同步電機(jī)僅在同步轉(zhuǎn)速時(shí)才能產(chǎn)生恒定的同步電磁轉(zhuǎn)矩。起動(dòng)時(shí)若把定子直接投入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子加上直流勵(lì)磁，則定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，而轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)靜止不動(dòng)。定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)之間具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以作用在轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩快速地正、負(fù)交變，平均轉(zhuǎn)矩為零，電機(jī)不能自行起動(dòng)。這一現(xiàn)象可以用圖32來(lái)說(shuō)明。假設(shè)定子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较?，并在開(kāi)始瞬間為圖320 (a) 所示的位置。 圖320接通勵(lì)磁后起動(dòng)時(shí)同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 a) 相互吸引； (b) 相互排斥由圖可見(jiàn)，此瞬間定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也為逆時(shí)針?lè)较颍峭苿?dòng)轉(zhuǎn)子向逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的。但由于機(jī)械慣性，轉(zhuǎn)動(dòng)緩慢的轉(zhuǎn)子還未轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子磁場(chǎng)已向前轉(zhuǎn)動(dòng)了一個(gè)極距，達(dá)到圖320(b)所示的位置，此時(shí)定子磁極對(duì)轉(zhuǎn)子磁極間的電磁轉(zhuǎn)矩又為順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，其結(jié)果轉(zhuǎn)子承受了一個(gè)脈振轉(zhuǎn)矩，其平均轉(zhuǎn)矩為零，故同步電動(dòng)機(jī)不能自行起動(dòng)。因此，要起動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)必須借助于其他方法。由于同步電動(dòng)機(jī)無(wú)法自起動(dòng)的特點(diǎn)，我們就必須尋求其他方法來(lái)解決這一問(wèn)題。目前同步電動(dòng)機(jī)常用的起動(dòng)方法有兩種，即異步起動(dòng)法和變頻起動(dòng)法。1．異步起動(dòng)法——采用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)工作原理異步起動(dòng)方法即在凸極式同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上裝置阻尼繞組而獲得起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，是一種常用的異步起動(dòng)法。阻尼繞組和異步電動(dòng)機(jī)的籠型繞組很相似，只是它裝在轉(zhuǎn)子磁極的極靴上，如圖33所示，所以有時(shí)也把這種阻尼繞組稱(chēng)為起動(dòng)繞組。圖321異步起動(dòng)法原理接線(xiàn)圖同步電動(dòng)機(jī)的異步起動(dòng)與三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)運(yùn)行類(lèi)似。同步電動(dòng)機(jī)也可采用可以在額定電壓下直接起動(dòng)，也可用降壓起動(dòng)，如Y——△起動(dòng)、自耦變壓器降壓起動(dòng)或串電抗器起動(dòng)等。起動(dòng)電路如圖321所示。起動(dòng)時(shí)，先把QS2與電阻閉合，再把開(kāi)關(guān)QS1將同步電動(dòng)機(jī)的定子繞組接通三相交流電源，這時(shí)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在阻尼繞組中感應(yīng)出電流，此