【正文】 但無(wú) 換向器電機(jī)的逆變器晶閘管是利用電機(jī)反電勢(shì)自然換流，因此如果等于零則不能實(shí)現(xiàn)換流，目前使用最廣泛的是超前 60 度運(yùn)行方式。當(dāng)采用三相橋式逆變器時(shí)，由于任何瞬間在三相繞組中總有一相通過(guò)正向電流而另一相通過(guò)反向電流，這兩個(gè)電流分別產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的情況和上述三相半波接法時(shí)相同，只不過(guò)每一相正、負(fù)電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩在時(shí)間上順序要相差 180 度，而電動(dòng)機(jī)的合成轉(zhuǎn)矩是這兩個(gè)轉(zhuǎn)矩之和。從時(shí)間相位上看，晶閘管觸發(fā)瞬間正好是該相感應(yīng)電勢(shì)交變過(guò)零之后的 30 度相位處，習(xí)慣上將此點(diǎn)選作晶閘管觸發(fā)相位的基準(zhǔn)點(diǎn)，定為 00 0? ? 。 第三章 同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制 17 圖 三相半波與橋式逆變電路的轉(zhuǎn)矩 但在無(wú)換向器電機(jī)中，實(shí)際上每相繞組中通過(guò)的不是持續(xù)的直流而 是只有1/3 周期的方波電流，這樣每相電流和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也只是正弦曲線上相當(dāng)于 1/3 周期長(zhǎng)的一段，這段轉(zhuǎn)矩曲線的具體形狀與繞組開(kāi)始通電時(shí)刻的轉(zhuǎn)子相對(duì)位置有關(guān)，從中可知轉(zhuǎn)子磁極軸線從某相繞組軸線轉(zhuǎn)過(guò) 30 度的位置處觸發(fā)導(dǎo)通該相晶閘管，從產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的角度看最為有利。 電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生 無(wú)換向器電機(jī)的電樞繞組一般為三相，晶閘管逆變器通常采用三相橋式接法，在小容量機(jī)組中也可用零式接法。它有別于一般的異步電機(jī)變頻調(diào)速或它控式同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速其變流器輸出頻率不是獨(dú)立調(diào)節(jié)而是受與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子同軸安裝的位置檢測(cè)器的控制。它是利用交 交晶閘管變頻器直接把電網(wǎng) 50HZ 交流電轉(zhuǎn)換成可變頻率的交流供給同步電動(dòng)機(jī)。 RECREC 第三章 同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制 16 圖 圖 無(wú)換向器電機(jī)有兩種不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式：一種是直流無(wú)換向器電機(jī)，即自控式同步電機(jī)交 直 交變頻調(diào)速系統(tǒng)，它是由電網(wǎng)交流電經(jīng)可控整流器 REC 變成大小可調(diào)直流，然后再由晶閘管逆變器 INV 轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的交流，供給同步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速 。 12 0 )d c q cb d c q cc d c q ci i t i t ii i t i t ii i t i t i????? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ccdq、 分量與 d、 q 分量間的關(guān)系為： dc c o s s ins in c o sdqq c d qi i ii i i??? ? ? ?? ? ? ? F、 B、 0 坐標(biāo)系統(tǒng) 此系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換矩陣為：222 2 23 3 32 2 23 3 31 1 13 3 3j j jj j je ae a eC e a e ae? ? ?? ? ?? ? ?????? ?????? 以電流為例得到： 2F12202 ( ) 232 ( ) 231 ()3jja b cjjB a b ca b ci i ai a i e i ei i a i ai e i ei i i i??????? ? ? ?? ? ? ?? ? ?它的反變換為：a020201 ( 2 )21 ( 2 )21 ( 2 )2jjFBjjb F Bjjc F Bi i e i e ii a i e ai e ii ai e a i e i?????????? ? ?? ? ?? ? ? F、 B 分量與 d、 q 分量間的關(guān)系式為：F1 ()21 ()2dqB d qi i jii i ji???? 0ccFB、 、 坐標(biāo)系統(tǒng) 第三章 同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制 15 此坐標(biāo)系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換矩陣為：0 0 00 0 0( ) ( ) ( )2( ) ( ) ( )22 2 23 3 32 2 23 3 31 1 13 3 3j t j t j tj t j t j te a e a eC e a e a e? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ?????????? 以電流為例 得到：0000( ) ( )2F c 1( ) ( )2202 ( ) 232 ( ) 231 ()3j t j ta b cj t j tBc a b ca b ci i ai a i e i ei i a i ai e i ei i i i????? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ?? ? ? 這也是一種復(fù)數(shù)變量，但其坐標(biāo)軸線則是以同步恒速旋轉(zhuǎn)的。 12 0 )c os( 39。)c os( 39。 120 )31 ()3a b cq c a b ca b ci i t i t i ti i t i t i ti i i i? ? ?? ? ???? ? ? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? 其反變換為： a 0 0 0000 0 00 0 0c os( 39。) si n( 39。 120 ) c os ( 39。 120 )3 3 31 1 13 3 3t t tC t t t? ? ?? ? ???? ? ? ? ???? ? ? ? ? ? ? ? ??? 第三章 同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制 14 同樣的以電流為例可得： 00d c 0 0 0000 0 002 c os ( 39。) si n( 39。 120 ) c os ( 39。 2 分量與α、β分 量及 d、q 分量間的關(guān)系式為： 121 ()21 ()2i i jii i ji???????? 121 ()21 ()2jdqji i ji ei i ji e????????? 0ccdq、 、 坐標(biāo)系統(tǒng) 在 此 坐 標(biāo) 系 統(tǒng) 中 的 轉(zhuǎn) 換 矩 陣 為 ： 000 0 0000 0 02 2 2c os ( 39。 α、β、 0 坐標(biāo)系統(tǒng) 這種系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)矩矩陣為： 0 0 0 0 00 0 0 0 02 2 2 2 1 1c os 0 c os ( 0 12 0 ) c os ( 0 12 0 )3 3 3 3 3 32 2 2 1 1C si n 0 si n( 0 12 0 ) si n( 0 12 0 ) 03 3 3 331 1 1 1 1 13 3 3 3 3 3????? ? ? ???????? ? ? ? ? ? ? ????????? ?? 第三章 同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制 13 以電流為例 可以得出： 2 ()321 ()31 ()3bcaab b cc a b ciiiii i ii i i i?????? ? ?其 反變換為 00013221322aabacai i ii i i ii i i i????? ? ? ?? ? ? ? α、β 分量與 d、 q 分量之間的關(guān)系式為： co s sinsin co sdqi i ii i i?? ?????? 0 坐標(biāo)系統(tǒng) 在這種坐標(biāo)系統(tǒng)中它的轉(zhuǎn)換矩陣為：221 1 13 3 31 1 13 3 31 1 13 3 3aaC a a?????????????其中 0120 1322ja e j? ? ? ? 為復(fù)數(shù)算子。 解決問(wèn)題時(shí)利用的工具是數(shù)值計(jì)算分析還是實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)備，是數(shù)字計(jì)算機(jī)、模擬計(jì)算機(jī)還是物理模擬設(shè)備或系統(tǒng)。隨著研究的不斷深入，從坐標(biāo)轉(zhuǎn)換或變量置換的角度來(lái)看，現(xiàn)在已經(jīng)得到應(yīng)用的坐標(biāo)系統(tǒng)有以下幾種： 坐標(biāo)軸放在定子上的靜止坐標(biāo)系統(tǒng)，即 a、 b、 c 與α、β、 0 及 0 坐標(biāo)系統(tǒng)； 坐標(biāo)軸放在轉(zhuǎn)子上的隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系統(tǒng)，即 d、 q、 0 及 F、 B、0 坐標(biāo)系統(tǒng)； 坐標(biāo)軸在空間以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的同步 恒速坐標(biāo)系統(tǒng)，即00c c c cd q F B、 、 及 、 、坐標(biāo)系統(tǒng) ； 坐標(biāo)軸以任意給定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的縱軸及橫軸（ d、 q）系統(tǒng)等，但應(yīng)用不多。 d 軸 Id Ia U Iq E0 第三章 同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制 12 第三章 同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制 同步電機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換 在研究同步機(jī)的許多問(wèn)題時(shí)，特別是當(dāng)電機(jī)定子方面對(duì)稱時(shí)，利用 d、 q、 0坐標(biāo)系統(tǒng)分析問(wèn)題可以獲得不少方便之處。由于凸極同步電動(dòng)機(jī)的直軸氣隙比交軸氣隙小，故直軸磁導(dǎo)總是大于交軸磁導(dǎo)，因而直軸同步電抗總是大于交軸同步電抗。直軸同步電抗和交軸同步電抗時(shí)凸極同步電動(dòng)機(jī)的重要參數(shù)，是凸極同步電動(dòng)機(jī)對(duì)稱穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，表征電樞漏磁效應(yīng)和交直軸電樞反應(yīng)的兩個(gè)綜合參數(shù)。 圖 向量圖 圖中 E0 總是滯后于 U一個(gè)功率角，表示同步電機(jī)處于電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)；電樞電流超前電源電壓表示電動(dòng)機(jī)處于 過(guò)勵(lì)狀態(tài)，這時(shí)電網(wǎng)的功率因數(shù)由于電動(dòng)機(jī)輸出感性無(wú)功電流而得到改善。與此同時(shí)電樞電流還會(huì)產(chǎn)生電樞漏磁φ 0，它將會(huì)感應(yīng)出電樞漏磁電動(dòng)勢(shì)。 采用這種方法，在不計(jì)磁飽和時(shí)凸極同步電動(dòng)機(jī)的電磁關(guān)系為： 0()ffa d ad ad d ada q aqa a d qI F EI I F E j I XIIFE j I X j I I X? ? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ?0adaq aq q aqφφφ E =jI XI φ 從中得出，勵(lì)磁電流 If 產(chǎn)生勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì) Ff并且建立主極磁場(chǎng)，其中每極磁通量用φ 0 表示，電樞繞組中的勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì) E0 便是由主極磁場(chǎng)產(chǎn)生的。就是把電樞電流和電樞磁動(dòng)勢(shì)分解為直軸和交軸兩個(gè)分量，把直軸和交軸磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的電樞反應(yīng)用向量疊加得到總的效果。 第二章 同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理及特征 10 圖 V 形曲線 同步電動(dòng)機(jī)的基本電磁關(guān)系與電壓方程式（凸極式為例） 由于凸極同步電動(dòng)機(jī)直軸下的氣隙比交軸下的要小，故直軸磁導(dǎo)將大于交軸磁導(dǎo)，同樣大小的電樞磁動(dòng)勢(shì)在交軸和直軸上所產(chǎn)生的磁場(chǎng)將會(huì)有明顯的不同，這就使得對(duì)凸極電機(jī)的分析比較困難。電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)一般設(shè)計(jì)為超前的，這樣電動(dòng)機(jī)便工作在過(guò)勵(lì)狀態(tài)，電網(wǎng)的功率因數(shù)和過(guò)載能力可以得到提高。相反，過(guò)勵(lì)時(shí)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)是超前的，即電機(jī)從電網(wǎng)吸收有功功率的同時(shí)也從電網(wǎng)吸收容性的無(wú)功功率（也可以說(shuō)是向電網(wǎng)發(fā)出感性的無(wú)功功率），這樣就可以改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。但是不論在欠勵(lì)還是過(guò)勵(lì)狀態(tài)下電樞電流都會(huì)大于正常勵(lì)磁時(shí)的值。如圖所示，電機(jī)的功率因數(shù)等于 1 時(shí)各曲線處在最低點(diǎn)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流稱為正常勵(lì)磁，這時(shí)電樞電流全部為有功電流，電機(jī)的輸入功率全部用來(lái)做功。同步電動(dòng)機(jī)的效率特性曲線與其它 電動(dòng)機(jī)的大體上相似，輸出功率為 0 是效率為 0，隨著輸出功率的增加效率增加，在達(dá)到最大值（一般在 P2=— 處）后開(kāi)始逐漸下降。曲線三為勵(lì)磁電流較大，電動(dòng)機(jī)滿載時(shí)功率因數(shù)等于 1 時(shí)，此時(shí)達(dá)到滿載時(shí)的功率因數(shù)總是滯后的。曲線一的情況是勵(lì)磁電流比較小、空載時(shí)功率因數(shù)為 1 的特性，電樞 反應(yīng)的去磁作用隨著負(fù)載的增加而增大，為了維持氣隙合成磁場(chǎng)的每極磁通量近似不變，同步電動(dòng)機(jī)需要從電網(wǎng)中吸收感性無(wú)功電流，這樣就使的電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)總是滯后的（欠勵(lì)）。當(dāng) P2 為 0 時(shí) 電樞電流是很小的空載電流 I0，電樞電流 Ia 隨著輸出功率 P2 的增加而增加，曲線也近似為直線。第二章 同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理及特征 8 圖 當(dāng)電動(dòng)機(jī)的電源電壓、勵(lì)磁電流保持常數(shù)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩、電樞電流、功率因數(shù)、效率等與輸出功率 P2 的變化關(guān)系稱為電動(dòng)機(jī)的工作特性。通常情況下，軋機(jī)用電動(dòng)機(jī)要達(dá)到Km=— ，大中型同步電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力要在 到 2 之間。 Temax 與額定轉(zhuǎn)矩 TN 的比值稱為電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力， Km=Temax/Tn。功角特性曲線如圖所示，從中可以看出隨著機(jī)械負(fù)載的增大，功率角也相應(yīng)增大，從而導(dǎo)致電磁功率隨著增大直到平衡增大的負(fù)載功率。 同步電動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要的特性便是功角特性，因?yàn)樗硎境隽穗姍C(jī)的電磁功率 Pe 與功率角θ之間的相互關(guān)系： 20 11s in ( ) s in 22d q dm E U mUPe X X X??? ? ? 從上式可以看出凸極同步電動(dòng)機(jī)的電磁功率由 兩部分構(gòu)成，一部分稱為基本電磁功率（構(gòu)成了電磁功率的大部分） 。但是電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力是有限度的，超過(guò)了這個(gè)限度便會(huì)造成電動(dòng)機(jī)過(guò)熱或者由于運(yùn)行不穩(wěn)定而失去同步。轉(zhuǎn)子主磁場(chǎng)和氣隙合成磁場(chǎng)之間的相角差就是交軸電