【正文】 不保密√ 。這些都是為同步電機電磁設(shè)計做準(zhǔn)備的。因此，必須全面地、綜合地看問題 ，并能因地制宜，針對具體情況采取不同的解決方法。經(jīng)過設(shè)計發(fā)現(xiàn) :一臺最省材料的電機往往不是效率最高而效率最高的電機所用的材料卻是最多的。此外，對于用 AUTOCAD 軟件繪制圖形與計算機編程輔助設(shè)計也作了介紹和概述。低 速的大型設(shè)備采用同步電動機時，這一優(yōu)點尤為突出。頻率一定時，電動機的轉(zhuǎn)速也就一定，它不隨負(fù)載而變。同步電動機的運行穩(wěn)定性也比較高。異步電動機的轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，而同步電動機的轉(zhuǎn)矩決定于 電壓 和電機勵磁電流所產(chǎn)生的內(nèi)電動勢的乘積，即僅與電壓的一次方成比例。 同步電動機變頻 調(diào)速是交流電機調(diào)速控制的一個重要方面，它的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，其功率覆蓋面非常廣闊，從瓦級的永磁直流電動機到萬千瓦級的大型軋機、窯爐傳動電機、鼓風(fēng)機電機等。近期來永磁同步電動機的迅速發(fā)展，使同步電動機變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用愈來愈多。 近些年來，由于電力電子技術(shù)的發(fā)展，將變頻器和同步電機聯(lián)系起來，組成了無換向器電動機，它沒有直流電機的機械換向器，用電子換向來代替，可以得到與直流電機同樣的性能，而且可以做到比直流電機容量更大、電壓和轉(zhuǎn)速更高，在工業(yè)上開辟了新的用途。 同步電動機的基本結(jié)構(gòu) 同步電動機主要由定子、轉(zhuǎn)子以及滑環(huán)、電刷裝置等部件構(gòu)成。同步電動機與感應(yīng)電動機的最大不同在于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上的不同。轉(zhuǎn)子鐵心和勵磁繞組一起構(gòu)成了主磁極，勵 磁繞組中通入直流勵磁電流就產(chǎn)生了主極磁場。按照主磁極形狀的不同同步電動機又可分為凸極式和隱極式兩種形式。這種情況下氣隙是不均勻的，磁極下面的氣隙小，兩磁極之間的氣隙打。勵磁繞組為集中式的繞組，套裝再主磁極的極身上。此種 轉(zhuǎn)子的機械強度比較差，適合圓周速度較低、離心力比較小的低速電動機。 隱極式轉(zhuǎn)子為圓柱形，氣隙均勻。隱極式轉(zhuǎn)子的機械強度比較好，適合于高速運行的電動機。 同步電機設(shè)計時的基本技術(shù)要求 （ 1） 給定數(shù)據(jù)：①額定功率 ②額定電壓 ③相數(shù)及相間連接方式 ④額定頻率 ⑤額定轉(zhuǎn)速 ⑥額定功率因數(shù) （ 2）銘牌：①電機的型號 ②額定功率 ③額定電壓 ④額定電流 ⑤額定轉(zhuǎn)速 ⑥額定功率因數(shù) ⑦額定勵磁電壓和額定勵磁電流 ⑧額定溫升 （ 3） 電磁設(shè)計的任務(wù)是根據(jù)技術(shù)條件或技術(shù)任務(wù)書的規(guī)定，參照生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，通過計算和方案比較，來確定與所設(shè)計電機電磁性能有關(guān)的尺寸和數(shù)據(jù)，選定有關(guān)材料，并核算其電磁性能。 第二章 同步電動機的運行原理及特性 3 第二章 同步電動機的運行原理及特性 同步電動機的工作原理 同步電動機的工作原理是依靠轉(zhuǎn)子主磁場與氣隙合成磁場之間的磁力而工作的。旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子籠形啟動繞組從而會產(chǎn)生異步啟動轉(zhuǎn)矩使電動機啟動。牽入 同步后，電動機轉(zhuǎn)入正常運行。可以把這種 N 極和 S 極之間的磁拉力看成轉(zhuǎn)子主磁場 B0 與氣隙合成磁場 B 之間由一組彈簧聯(lián)系在一起。負(fù)載越大 B0 與 B 的軸線之間被拉開的角度也會越大，同步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩也就越大，就像彈簧越拉伸彈力越大一樣。顯然，同步電 動機電磁轉(zhuǎn)矩的增大是有一定限度的，超過了這個限度，同步電動機就會因為失去同步而不能正常工作，甚至是停轉(zhuǎn)。在同步電動機正常穩(wěn)定運行時，它的轉(zhuǎn)速與負(fù)載的大小無關(guān)，始終保持同步速。 當(dāng)電動機的負(fù)載轉(zhuǎn)矩保持不變時，從電網(wǎng)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(shù)則與勵磁電流的大小有關(guān)。這時的勵磁電流可能大于正常勵磁電流，稱之為過勵；也可能小于正常勵磁電流，稱之為欠勵。 同步電動機的勵磁方式 獲得勵磁電流的方法不同就構(gòu)成了不同的勵磁方式。為了確保同步電動機的可靠運行，勵磁系統(tǒng)要符合一定的要求。調(diào)節(jié)它的勵磁電流，就可以改變同步電動機的勵磁電壓，從而可以調(diào)節(jié)它的勵磁電流。改變勵磁給定值，也就改變了勵磁電流的大小。 另一種是目前被廣泛使用的靜止整流器勵磁系 統(tǒng)。電動機在正常運行時，使用的控制方式是恒流勵磁，從而電網(wǎng)電壓的波動和繞組溫度等因素不會影響到勵磁電流，恒流勵磁還可以從零值到額定值任意給定，方便的對電動機的功率因數(shù)進行調(diào)節(jié)。在轉(zhuǎn)差率為 時自動投勵，而且還設(shè)有按時間后備投勵環(huán)節(jié)。停機時，三相全控橋式整流電路會以最大逆變電壓快速滅磁，從而確保系統(tǒng)的安全。通常采用無刷勵磁系統(tǒng)解決這一問題。因為同步電動機的勵磁繞組、交流勵磁機的電樞還有硅整流器都以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，故不再需要滑環(huán)和電刷。因為沒有了滑環(huán)和電刷，旋轉(zhuǎn)整流器勵磁系統(tǒng)大大提高了工作的可靠 性，非常適用于防爆等有特殊要求的場所。 電樞反應(yīng) 空載運行時同步電動機電樞繞組中有很小的電流，相對應(yīng)的電樞磁場很小，此時電動機的氣隙磁場基本上就是勵磁磁動勢產(chǎn)生的主磁場。這時，勵磁磁動勢和電樞磁動勢共同建立電動機的氣隙磁場，而且主磁場將會受到電樞磁動勢的影響，電 樞反應(yīng)就是電樞磁動勢的基波對主磁場的影響。交（直）軸電樞反應(yīng)是指電樞磁動勢恰好作用在交 q（直 d）軸上。此時電樞磁動勢 Fa 可以分解為交軸分量 Faq 和直軸分量 Fad。電樞反應(yīng)的性質(zhì)（去磁、增磁、交磁）由電樞磁動勢與主磁場 B0 的空間相對位置決定，這個相對位置與勵磁磁動勢 E0 和電樞電流 Ia 的相位差角ψ 0 有關(guān)。正是因為交軸電樞反應(yīng)，主磁場與氣隙合成磁場之間由一個空間相位角θ。而直軸分量 Fad產(chǎn)生的直軸電樞反應(yīng)的性質(zhì)將視角 ψ 0 的正、負(fù)而定。 和電動機的機電能量轉(zhuǎn)換以及電磁轉(zhuǎn)矩直接相關(guān)的是交軸電樞磁動勢。電樞反應(yīng)會由于負(fù)載增大而變得強烈 ,從而 B 與 B0之間的相角變大，電動機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩和輸 出的機械功率也就越大，定子繞組從電網(wǎng)輸入的電功率也越大。 同步電動機的運行特性 同步電動機的運行特性主要包括功角特性、工作特性、 V 形曲線。另一部分稱為 磁阻功率，它的大小與勵磁大小無關(guān)，它是由于凸極同步電動機的直軸與交軸的磁阻不相等而引起的轉(zhuǎn)矩造成的。 電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與功率角之間的關(guān)系稱為矩角特性： 201111s i n ( ) s i n 22d q dm E U mUTe X X X??? ? ??? 電磁轉(zhuǎn)矩 的最大值極為 Temax，勵磁電流的增大會使勵磁電動勢增大，故電動機的最大電磁轉(zhuǎn)矩也會得到提高。電動機 會因為負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于最大電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生不穩(wěn)定而失步，故電動機要有足夠大的過載能力。同步電動機的一個顯著優(yōu)點就是增加勵磁電流可以提高過載能力。 圖 圖 θ Pe， Te 滯后 P2 3 功率因數(shù) η Ia Te P2 第二章 同步電動機的運行原理及特征 9 電磁轉(zhuǎn)矩 Te 與輸出功率 P2關(guān)系式為 22 0 01e PT T T T? ? ? ??同步機械角速度 Ω 1是一個常值，故電磁轉(zhuǎn)矩隨著 P2 按正比例變化，即相互關(guān)系曲線是一條直線。同步電動機的功率因數(shù)隨著負(fù)載的增加總是下降的，圖中示出了三種不同勵磁電流時同步電動機的功率因數(shù)特性。曲線二是增大了勵磁電流，電動機半載時功率因數(shù)等于 1 時的特性，大于半載時的功率因數(shù)滯后，小于半載時的功率因數(shù)超前。由此可見調(diào)節(jié)勵磁電流可以使同步電動機的功率因數(shù)為 1，甚至具有超前的功率因數(shù)，可以利用這一優(yōu)點來進行補償電網(wǎng)功率因數(shù)等。 V 形曲線是指電磁功率 Pe 與電源電壓為常值時，電樞電流 Ia 隨勵磁電流 If變化的關(guān)系。勵磁電流小于正常勵磁電流時稱為欠勵，大于正常勵磁電流時稱為過勵。功率因數(shù)在欠勵時是滯 后的，就是說電機在吸收電網(wǎng)中有功功率的同時還要吸收感性的無功功率，這就會使電網(wǎng)的功率因數(shù)進一步變壞。但是當(dāng)勵磁電流減小到一定值時，就會因為 E0 的顯著減小，同步電動機的過載能力下降，電動機會出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。但是這樣做的缺點是此時電樞電流和勵磁電流均 比正常勵磁時的大，電機的效率會因 為電樞銅耗和勵磁損耗的增加而降低。 為了分析凸極同步電動機，我們需要引入雙反應(yīng)理論。從實踐中可以看出，采用雙反應(yīng)理論分析方法在不計磁飽和時的效果是比較準(zhǔn)確的。電樞電流分解成了兩個分量 Id 和 Iq，它們分別產(chǎn)生直軸電樞磁動勢和交軸電樞磁動勢從而建立了直軸電樞磁場和交軸電樞磁場，又在電樞繞組中分別感應(yīng)直軸電樞反應(yīng)電動勢和交軸 電樞反應(yīng)電動勢?？紤]到電樞電阻壓降便得到電壓方程式： If 過勵 Ia Cos=1 第二章 同步電動機的運行原理及特征 11 00()d a d q a q d q a ad d q q a aU E jI X jI X j I I X I RE jI X jI X I R ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? 式中 Xad 和 Xaq 分別是直軸和交軸電樞反應(yīng)電抗； Xσ是電樞反應(yīng)漏電抗； Xd和 Xq 分別表示直軸和交軸同步電抗， Xd=Xad+Xσ， Xq=Xaq+Xσ； Ra 是電樞電阻。電樞電流超前于勵磁電動勢表明電樞反應(yīng)的性質(zhì)為去磁。在磁路不飽和的情況下 Xd 和 Xq 均為常數(shù)。還有就是飽和效應(yīng)一般只是在直軸磁路出現(xiàn)，使的 Xd 變小。但在研究另外一些問題，如研究同步電機的不對稱運行方式時，這種坐標(biāo)系統(tǒng)就不如其他一些坐標(biāo)系統(tǒng)方便。 這些坐標(biāo)系統(tǒng)都有各自的優(yōu)缺點，如何選擇要看以下條件： 所需結(jié)果的準(zhǔn)確程度及計算方法的簡便等； 被研究問題的條件是穩(wěn)定的還是瞬變的，對稱的還是不對稱的，恒速的還是變速的，加速的還是震蕩的。 為了便于進一步利用其中的一些坐標(biāo)系統(tǒng)來研究同步電機的某些實際運行問題，本節(jié)將對各種坐標(biāo)系統(tǒng)以及它們之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系進行一些必要的討論，坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換就是變量的置換，經(jīng)過變量置換后同步電機的基本方程將變?yōu)樾伦兞勘硎镜木哂胁煌问降男碌年P(guān)系式。以電流為例可得： 212201 ()31 ()31 ()3a b ca b ca b ci i a i a ii i a i a ii i i i? ? ?? ? ?? ? ? 其反變換為 0 1 220 1 220 1 2abci i i ii i a i aii i ai a i? ? ?? ? ?? ? ? 由于存在復(fù)數(shù)這種分量有時稱為復(fù)數(shù)變量，其坐標(biāo)軸線與定子沒有相對運動。) c o s( 39。 1 2 0 )3 3 32 2 2sin( 39。 1 2 0 ) sin( 39。) c o s( 39。 1 2 0 )32 sin ( 39。 1 2 0 ) sin ( 39。) sin ( 39。 1 2 0 ) sin ( 39。 1 2 0 ) sin ( 39。其反變換為： 000000( ) ( )a0( ) ( )20( ) ( )201 ( 2 )21 ( 2 )21 ( 2 )2j t j tF c B cj t j tb F c B cj t j tc F c B ci i e i e ii a i e a i e ii a i e a i e i??????? ? ?? ? ?? ? ?? ? ?? ? ?? ? ? ccFB、 分量與 ccdq、 分量間的關(guān)系式為 ：Fc1 ()21 ()2dc qcBc dc qci i jii i ji???? 自控式同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)及硬件控制電路 自控式同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)也稱為無換向器電機，它是一種新型的機電一體化無 極變速電機，它由一臺帶轉(zhuǎn)子磁極位置檢測器 PS 的同步電動機 M 和一套功率半導(dǎo)體逆變器 INV 所組成，如圖 1 和 2 所示。另一種是交流無換向器電機即自控式同步電機交 交變頻調(diào)速系統(tǒng)。 所謂無換向器電機實際上就是一種通過半導(dǎo)體變流器把電網(wǎng)頻率電功率變成可變頻率電功率供給同步電動機進行變頻調(diào)速的系統(tǒng)。每當(dāng)電動機轉(zhuǎn)過一對磁極式，變流器輸出交流電相應(yīng)的 變化一個周期，故是一種所謂的自控式變頻器，其特點是能保證變頻 器的輸出頻率和同步電動機轉(zhuǎn)速始終保持同步而不會發(fā)生失步。三相半波接法的情況下，假設(shè)轉(zhuǎn)子勵磁所產(chǎn)生的磁場 B 在電機氣隙中按正弦分布，如果定子一相繞組中通以持續(xù)的直流電流 I，則此電流和轉(zhuǎn)子磁場作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩 T 也將隨轉(zhuǎn)子位置的不同按正弦規(guī)律變化。因為在此位置下開始繞組通電的 1/3 周期里，載流導(dǎo)體正好處于比較強的磁場中，所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩平均值最大，脈動較小。0? 稱為空載換流超前角。綜上所述，從電機轉(zhuǎn)矩來看，以采用三相橋式接法、 00 0?? 比較有利 ，此時電機所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩平均值最大、脈動最 小。 無換向器電機的工作特性 無換向器電機的研究可以采用分析直流電機的方法，下面分析它的調(diào)速特性：在考慮到換流重疊角的情況時，三相橋式整流電路的輸出直流電壓為： 第三章 同步電動機變頻調(diào)速控制 18 39。2 . 3 4 c o s( ) c o s22DsEE ??? μ μ 式中 sE 為電源相電壓有效值 ； ? 為整流觸發(fā)角 ； 39。 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： 3