【正文】 系統(tǒng) 靜止整流器勵磁系統(tǒng)一種勵磁方式是直流發(fā)電機勵磁系統(tǒng)，此時稱直流發(fā)電機為直流勵磁機。此系統(tǒng)中勵磁調(diào)節(jié)器的作用是為了對勵磁電流進行調(diào)節(jié)，保證它能夠穩(wěn)定在給定的一定值上。但是這種勵磁系統(tǒng)有一定的缺陷，它的維護工作量比較大，工作時的可靠性也不好，故目前很少使用。它的主電路通常使用三相全控橋式整流電路，給同步電動機的勵磁繞組供電。這種系統(tǒng)適用于重載或輕載、全壓或降壓啟動。投勵時該系統(tǒng)會輸出最大整流電壓強迫勵磁，使電動機快速牽入同步。旋轉(zhuǎn)整流器勵磁系統(tǒng)4Bδ對于大型同步電動機或在特定環(huán)境中工作的同步電動機，有刷勵磁結(jié)構(gòu)的缺點是減低了電動機運行的可靠性。無刷勵磁系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)電樞式三相同步發(fā)電機和旋轉(zhuǎn)整流器構(gòu)成主電路，勵磁機的旋轉(zhuǎn)電樞和同步電動機同軸連在一起，旋轉(zhuǎn)電樞發(fā)出的三相交流電經(jīng)旋轉(zhuǎn)硅整流器整流后直接提供勵磁電流給同步電動機的勵磁繞組。勵磁調(diào)節(jié)器自動調(diào)節(jié)同步電動機的勵磁電流。不過這種系統(tǒng)也有缺點，由于它的響應(yīng)速度比較慢，電動機勵磁回路的時間常數(shù)比較大，因此它在停機時對快速滅磁有不利的影響。但是當同步電動機加入負載以后，電樞繞組中將會有對稱的三相負載電流，從而會有與轉(zhuǎn)子磁極同步旋轉(zhuǎn)的電樞磁動勢及相應(yīng)的電樞磁場產(chǎn)生。FfB0NBδBaIaFaE0Ffφ0IqFaqE0IdFaqFaFad電樞反應(yīng)將會對同步電動機的運行性能產(chǎn)生影響，因為電樞反應(yīng)會使氣隙磁場的波形發(fā)生畸變，氣隙磁場不再關(guān)于主磁極軸線對稱，同時還會有增磁或者去磁的現(xiàn)象發(fā)生。一般而言，電樞反應(yīng)不會單獨作用在某一個軸上，而是兩者都有?；兊臍庀洞艌霾ㄐ沃饕且驗榻惠S電樞反應(yīng)，直軸電樞反應(yīng)的作用是使氣隙磁場產(chǎn)生去增磁。當勵磁電動勢和電樞電流同相位即ψ0=0時，電樞磁動勢的軸線與轉(zhuǎn)子交軸重合，故此時電樞磁動勢為交軸磁動勢，這時的交軸電樞反應(yīng)是純交磁性質(zhì)的。在ψ0≠0的情況下，分解得到的交軸電樞反應(yīng)同前面所述。在電動機慣例下，當勵磁電動勢E0滯后于電樞電流Ia時，此時的直軸電樞反應(yīng)的性質(zhì)時去磁；當勵磁電動勢超前電樞電流Ia時，此時的直軸電樞反應(yīng)性質(zhì)是增磁。轉(zhuǎn)子主磁場和氣隙合成磁場之間的相角差就是交軸電樞磁動勢產(chǎn)生的交軸電樞反應(yīng)造成的，從而有電磁轉(zhuǎn)矩。但是電動機的負載能力是有限度的，超過了這個限度便會造成電動機過熱或者由于運行不穩(wěn)定而失去同步。同步電動機的一個重要的特性便是功角特性，因為它表示出了電機的電磁功率Pe與功率角θ之間的相互關(guān)系：從上式可以看出凸極同步電動機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）。功角特性曲線如圖所示，從中可以看出隨著機械負載的增大，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載功率。Temax與額定轉(zhuǎn)矩TN的比值稱為電動機的過載能力，Km=Temax/Tn。通常情況下，軋機用電動機要達到Km=—。θPe，Te當電動機的電源電壓、勵磁電流保持常數(shù)時，電動機的電磁轉(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)系稱為電動機的工作特性。當P2為0時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。曲線一的情況是勵磁電流比較小、空載時功率因數(shù)為1的特性，電樞反應(yīng)的去磁作用隨著負載的增加而增大，為了維持氣隙合成磁場的每極磁通量近似不變，同步電動機需要從電網(wǎng)中吸收感性無功電流，這樣就使的電動機的功率因數(shù)總是滯后的（欠勵）。曲線三為勵磁電流較大，電動機滿載時功率因數(shù)等于1時，此時達到滿載時的功率因數(shù)總是滯后的。同步電動機的效率特性曲線與其它電動機的大體上相似，輸出功率為0是效率為0，隨著輸出功率的增加效率增加，在達到最大值（一般在P2=—）后開始逐漸下降。如圖所示，電機的功率因數(shù)等于1時各曲線處在最低點，此時對應(yīng)的勵磁電流稱為正常勵磁，這時電樞電流全部為有功電流，電機的輸入功率全部用來做功。但是不論在欠勵還是過勵狀態(tài)下電樞電流都會大于正常勵磁時的值。相反，過勵時電動機的功率因數(shù)是超前的，即電機從電網(wǎng)吸收有功功率的同時也從電網(wǎng)吸收容性的無功功率（也可以說是向電網(wǎng)發(fā)出感性的無功功率），這樣就可以改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。電動機的功率因數(shù)一般設(shè)計為超前的，這樣電動機便工作在過勵狀態(tài)，電網(wǎng)的功率因數(shù)和過載能力可以得到提高。If過勵I(lǐng)aCos=1 V形曲線 同步電動機的基本電磁關(guān)系與電壓方程式（凸極式為例）由于凸極同步電動機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勢在交軸和直軸上所產(chǎn)生的磁場將會有明顯的不同，這就使得對凸極電機的分析比較困難。就是把電樞電流和電樞磁動勢分解為直軸和交軸兩個分量，把直軸和交軸磁動勢產(chǎn)生的電樞反應(yīng)用向量疊加得到總的效果。采用這種方法，在不計磁飽和時凸極同步電動機的電磁關(guān)系為：從中得出，勵磁電流If產(chǎn)生勵磁磁動勢Ff并且建立主極磁場，其中每極磁通量用φ0表示，電樞繞組中的勵磁電動勢E0便是由主極磁場產(chǎn)生的。與此同時電樞電流還會產(chǎn)生電樞漏磁φ0，它將會感應(yīng)出電樞漏磁電動勢。d軸IdIaUIqE0 向量圖圖中E0總是滯后于U一個功率角，表示同步電機處于電動機運行狀態(tài)；電樞電流超前電源電壓表示電動機處于過勵狀態(tài)，這時電網(wǎng)的功率因數(shù)由于電動機輸出感性無功電流而得到改善。直軸同步電抗和交軸同步電抗時凸極同步電動機的重要參數(shù)，是凸極同步電動機對稱穩(wěn)態(tài)運行時，表征電樞漏磁效應(yīng)和交直軸電樞反應(yīng)的兩個綜合參數(shù)。由于凸極同步電動機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。54第三章 同步電動機變頻調(diào)速控制第三章 同步電動機變頻調(diào)速控制 同步電機坐標系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換在研究同步機的許多問題時，特別是當電機定子方面對稱時，利用d、q、0坐標系統(tǒng)分析問題可以獲得不少方便之處。隨著研究的不斷深入，從坐標轉(zhuǎn)換或變量置換的角度來看，現(xiàn)在已經(jīng)得到應(yīng)用的坐標系統(tǒng)有以下幾種： 坐標軸放在定子上的靜止坐標系統(tǒng)，即a、b、c與α、β、0及0坐標系統(tǒng)； 坐標軸放在轉(zhuǎn)子上的隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的坐標系統(tǒng)，即d、q、0及F、B、0坐標系統(tǒng)； 坐標軸在空間以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的同步恒速坐標系統(tǒng)，即坐標系統(tǒng)； 坐標軸以任意給定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的縱軸及橫軸（d、q）系統(tǒng)等，但應(yīng)用不多。 解決問題時利用的工具是數(shù)值計算分析還是實驗?zāi)Ｐ驮O(shè)備，是數(shù)字計算機、模擬計算機還是物理模擬設(shè)備或系統(tǒng)。 α、β、0坐標系統(tǒng) 這種系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)矩矩陣為：以電流為例可以得出：其反變換為 α、β分量與d、q分量之間的關(guān)系式為：0坐標系統(tǒng)在這種坐標系統(tǒng)中它的轉(zhuǎn)換矩陣為：其中 為復(fù)數(shù)算子。2分量與α、β分量及d、q分量間的關(guān)系式為： 坐標系統(tǒng)在此坐標系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換矩陣為：同樣的以電流為例可得： 其反變換為： 分量與d、q分量間的關(guān)系為：F、B、0坐標系統(tǒng)此系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換矩陣為： 以電流為例得到：它的反變換為：F、B分量與d、q分量間的關(guān)系式為：坐標系統(tǒng)此坐標系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換矩陣為：以電流為例得到： 這也是一種復(fù)數(shù)變量，但其坐標軸線則是以同步恒速旋轉(zhuǎn)的。RECREC 無換向器電機有兩種不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式：一種是直流無換向器電機，即自控式同步電機交直交變頻調(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，供給同步電動機實現(xiàn)變頻調(diào)速。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機。它有別于一般的異步電機變頻調(diào)速或它控式同步電動機變頻調(diào)速其變流器輸出頻率不是獨立調(diào)節(jié)而是受與電動機轉(zhuǎn)子同軸安裝的位置檢測器的控制。電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生無換向器電機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，在小容量機組中也可用零式接法。 三相半波與橋式逆變電路的轉(zhuǎn)矩但在無換向器電機中，實際上每相繞組中通過的不是持續(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)子磁場作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也只是正弦曲線上相當于1/3周期長的一段，這段轉(zhuǎn)矩曲線的具體形狀與繞組開始通電時刻的轉(zhuǎn)子相對位置有關(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。從時間相位上看，晶閘管觸發(fā)瞬間正好是該相感應(yīng)電勢交變過零之后的30度相位處，習慣上將此點選作晶閘管觸發(fā)相位的基準點，定為。當采用三相橋式逆變器時，由于任何瞬間在三相繞組中總有一相通過正向電流而另一相通過反向電流，這兩個電流分別產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的情況和上述三相半波接法時相同，只不過每一相正、負電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩在時間上順序要相差180度，而電動機的合成轉(zhuǎn)矩是這兩個轉(zhuǎn)矩之和。但無換向器電機的逆變器晶閘管是利用電機反電勢自然換流，因此如果等于零則不能實現(xiàn)換流，目前使用最廣泛的是超前60度運行方式。對于電動機側(cè)的逆變橋，其直流側(cè)電壓與電機相電壓Em之間的關(guān)系為：式中表示逆變超前角；表示逆變橋換流重疊角。由以上三式可知無換向器電機的轉(zhuǎn)速公式為：此公式和直流電動機轉(zhuǎn)速公式十分相似，由此可知兩者有相似的調(diào)速方法。可通過可控整流橋觸發(fā)角α的改變來實現(xiàn)。 改變勵磁磁通Φ或勵磁電流If。圖中給出的是在勵磁及換流超前角保持不變的情況下改變直流電壓時的機械特性曲線。另一方面由于負載電流的增大，換流重疊角μ也將增大。δ角表示的是關(guān)斷晶閘管后它所承受反向電壓的時間，為了保證可靠換流，有δ折算出的換流剩余時間必須要大于晶閘管的關(guān)斷時間tq。無換向器電機過載能力的提高可以一方面減小換流重疊角，另一方面盡量減小功角的影響。 在磁極上裝設(shè)交軸補償繞組，使其中通過的電流和Iq稱正比，由它產(chǎn)生的磁勢完全補償交軸電樞反應(yīng)，使等效交軸電抗為零，換流超前角γ將步隨負載變化，從而提高了過載能力。 減小交軸同步電抗Xq。無換向器電機調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路圖 圖中包括電源側(cè)的調(diào)速控制和電動機側(cè)的四象限運行控制兩部分。邏輯控制單元用來控制電動機側(cè)的觸發(fā)脈沖分配，實現(xiàn)四象限運行；零電流檢測單元用來檢測低速電流斷續(xù)法換流時電流是否為零。 同步電動機矢量變換控制及硬件控制電路同步電動機矢量變換控制的基本思想在異步電機的矢量變換控制中，我們選擇轉(zhuǎn)子全磁通矢量作為同步速旋轉(zhuǎn)的磁場定向坐標系（MT坐標系）的M軸。由于此兩者相互正交，解除了彼此間的耦合關(guān)系；在同步速的MT坐標系中它們是一組直流標量，故完全可以像直流電動機那樣實現(xiàn)對磁場和轉(zhuǎn)矩的分別控制，獲得良好的調(diào)速特性。圖所示為轉(zhuǎn)場式隱極式同步電動機的空間矢量圖。圖中轉(zhuǎn)子磁場電流矢量建立了轉(zhuǎn)子磁場磁通矢量，電樞電流矢量建立了電樞反應(yīng)磁通矢量。與之間也有著相應(yīng)的關(guān)系。如果控制合成的磁化電流使有效磁通保持恒定，那么同步電動機所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩就直接和電樞電流中的等效轉(zhuǎn)矩分量成正比。同步電動機矢量變換控制系統(tǒng)硬件圖整個控制系統(tǒng)的主控制指令來自速度給定信號。 系統(tǒng)硬件圖通過除以有效磁通的運算，得到電樞的等效轉(zhuǎn)矩電流給定值。磁通調(diào)節(jié)器根據(jù)有效磁通給定值與由磁通運算器算出的實際有效磁通的誤差信號進行調(diào)節(jié)，輸出保持有效磁通給定值所需的磁化電流給定值。電流給定值運算器如圖所示： 電流給定值運算器 產(chǎn)生有效磁通的合成磁化電流、磁場電流以及電樞電流的等效勵磁電流分量之間的關(guān)系為：因而為維持有效磁通恒定，電樞電流的等效勵磁電流分量給定值應(yīng)為： 此外，速度給定通過速度調(diào)節(jié)器ST以及除以有效磁通的運算，可以得到電樞電流的等效轉(zhuǎn)矩電流分量給定值。如果需要保持同步電動機的功率因數(shù)為1，則應(yīng)使該項電流為零，此時磁場繞組電流的給定值應(yīng)為：圖示給出了磁通運算器的運算框圖： 磁通運算器的運算框圖圖中實測的電樞電流經(jīng)過3φ/2φ變換，變換稱αβ坐標系中的二相分量。從dq坐標系中的電樞電流分量以及磁場電流，可以計算出dq軸的有效磁通分量。 計算出的經(jīng)過坐標旋轉(zhuǎn)變換，可以得到靜止αβ坐標系中的有效磁通分量。因為，則第四章 電機設(shè)計的基本理論第四章 電機設(shè)計的基本理論準備階段：首先是熟悉國家標準，收集相近電機的產(chǎn)品樣本（或樣機）和技術(shù)資料（包括試驗數(shù)據(jù)），并聽取生產(chǎn)和使用單位的意見與要求；然后在國家標準有關(guān)規(guī)定及分析相應(yīng)資料的基礎(chǔ)上，編制技術(shù)任務(wù)書或技術(shù)建議書。結(jié)構(gòu)設(shè)計：結(jié)構(gòu)設(shè)計的任務(wù)是確定電機的機械結(jié)構(gòu)、零部件尺寸、加工要求與材料的規(guī)格及性能要求，包括必要的機械計算及通風和溫升計算。然后分別繪制部件的分裝配圖和零件圖，并對總裝配草圖進行必要的修改。其中電阻包括直流電阻和交流電阻，而電抗包括主電抗和漏電抗，對于同步電機，主電抗叫做電樞反應(yīng)電抗，而對于異步機來說則叫做勵磁電抗，漏電抗則包括槽漏抗、端部漏抗、齒頂漏抗和諧波漏抗。例如在設(shè)計繞組時，如果選取較高的電流密度，則所用的導(dǎo)體截面就較小，用銅量就較少而電阻就較大。感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子電阻的大小對其轉(zhuǎn)距特性影響特別突出。一方面漏抗不能過小，否則同步電動機短路時或感應(yīng)電動機啟動時將產(chǎn)生不能允許的電流。此外，在同步電機里，瞬變電抗也與漏抗的大小密切相關(guān)，而瞬變電抗對電機的動態(tài)特性有很大的影響。 電機氣隙大小對電機的設(shè)計的影響 氣隙控制是生產(chǎn)電機的一個重要參數(shù)，電機生產(chǎn)廠會控制很嚴格。電機的磁阻主要集中在電機的氣隙上，電機的氣隙主要影響電機的主磁通和電磁轉(zhuǎn)矩。但因為加工的問題，氣隙不可能做的很小。 槽滿率對電機的影響當槽滿率變小時，電樞繞組電密會變大，相應(yīng)的電樞發(fā)熱參數(shù)升高，因而不利槽內(nèi)導(dǎo)線的散熱。較高的槽滿率值不僅可以縮小槽面積，鐵心尺也可應(yīng)縮小，提高材料的利用率；而且有利于槽內(nèi)導(dǎo)線的散熱。槽滿率太高了在嵌線時極易引起絕緣損傷，將造成電機報廢等比較嚴重