第一篇執(zhí)行元件

第一篇執(zhí)行元件第1頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

5.0概述5.1同步電動機(jī)的工作原理5.2同步電動機(jī)的功率平衡、功角和矩角特性5.3同步電動機(jī)的勵磁調(diào)節(jié)及V形曲線5.4同步電動機(jī)的啟動5.5介紹幾種特殊的同步電動機(jī)

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第五章

三相交流同步電動機(jī)第2頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月5.0概述

同步電機(jī)也是一種交流電機(jī)，它的特點(diǎn)是電機(jī)轉(zhuǎn)速n與電源頻率f之間有著嚴(yán)格的比例關(guān)系

（5.0.1)

同所有旋轉(zhuǎn)電機(jī)一樣，同步電動機(jī)在結(jié)構(gòu)上也是由定子和轉(zhuǎn)子兩大基本部分所組成，如圖5.0.1所示

（1）定子同步電動機(jī)的定子又稱電樞，它和三相交流異步電動機(jī)完全一樣，由導(dǎo)磁定子鐵心、三相對稱繞組以及固定鐵心用的定子機(jī)座、端蓋和電刷架組合等部件組成。定子的作用是接收電能、產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，它是實現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。

下一頁第3頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月5.0概述

（2）轉(zhuǎn)子同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子和異步電動機(jī)不一樣，它一般由與定子磁極對數(shù)相同的p對磁極構(gòu)成。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上有兩種型式，一種稱為凸極式，凸極式轉(zhuǎn)子沿其圓周表面氣隙是不均勻的；另一種轉(zhuǎn)子呈圓柱的形，稱為隱極式，此時轉(zhuǎn)子沿圓周表面與定子鐵心內(nèi)圓表面之間氣隙是均勻的。

上一頁返回第4頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5.0.1同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖返回

（a）隱極式；（b）凸極式第5頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1同步電動機(jī)的工作原理

如圖5.1.1所示的同步電動機(jī)，當(dāng)定子三相對稱繞組通以對稱三相交流電流時，在定、轉(zhuǎn)子之間氣隙中將產(chǎn)生一個圓形旋轉(zhuǎn)磁場，用一對磁極N、S表示,磁極旋轉(zhuǎn)速度n1=60f1/p。同步電動機(jī)分為隱極式和凸極式兩種，下面分別進(jìn)行討論。5.1.1

隱極式同步電動機(jī)的分析

一、隱極式同步電動機(jī)的電磁關(guān)系

同步電動機(jī)在一定負(fù)載下穩(wěn)定運(yùn)行時，定子三相繞組中有對稱的三相電流流過，定子三相繞組產(chǎn)生的合成旋轉(zhuǎn)磁場磁勢為Fa，稱為電樞磁勢。而轉(zhuǎn)子勵磁繞組產(chǎn)生的恒定磁場磁勢為Fj，稱為勵磁磁勢或空載磁勢。兩者均以同步速度n1旋轉(zhuǎn)而無相對運(yùn)動。下一頁第6頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5.1.1同步電動機(jī)工作原理示意圖

返回第7頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1同步電動機(jī)的工作原理二、

隱極式同步電動機(jī)的電勢平衡方程式和向量圖由上面分析可知，對隱極式同步電動機(jī)一相繞組而言，其電勢平衡方程式為

U1=E0+Ia(ra+jXt)(5.1.1)

由此，可畫出隱極同步電動機(jī)的向量圖如圖5.1.3所示。圖中φ為定子繞組的功率因數(shù)角，ψ為同步電動機(jī)內(nèi)功率因數(shù)角。

上一頁下一頁第8頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5.1.3為隱極同步電動機(jī)的向量圖返回第9頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

5.1同步電動機(jī)的工作原理

5.1.2凸極式同步電動機(jī)的電勢平衡方程式和向量圖同步電動機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行時，定子三相繞組產(chǎn)生的電樞磁場會對勵磁磁場產(chǎn)生影響，稱為電樞反應(yīng)。在隱極同步電動機(jī)中，由于氣隙是均勻的，氣隙磁阻沿轉(zhuǎn)子圓周表面處處相等，且是線性的，因此電樞磁勢與電樞磁密在空間分布是一致的，與轉(zhuǎn)子位置無關(guān)，如圖5.1.4所示，所以電樞反應(yīng)電勢可以用一個電樞反應(yīng)電抗Xa的壓降來反映電樞反應(yīng)磁場對電樞電路的影響。在凸極同步電動機(jī)中，沿轉(zhuǎn)子圓周表面氣隙是不均勻的，因此氣隙磁阻也不一樣。如將轉(zhuǎn)子磁極軸線定義為直軸，以d軸表示，相鄰兩異性極之間中心線定義為交軸，以q軸表示，那么，與d軸垂直的凸極轉(zhuǎn)子極面處的氣隙長度小，氣隙磁阻小；而在相鄰兩異性極中心線處，氣隙大，磁阻大，如圖5.1.5所示。返回

上一頁第10頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5.1.4隱極同步電動機(jī)的電樞磁勢和電樞磁場

返回（a）電樞磁場（b）電樞磁勢和磁密分布

第11頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5.1.5凸極式同步電動機(jī)的電樞磁勢和電樞磁場

返回第12頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

5.2同步電動機(jī)的功率平衡、功角和矩角特性

5.2.1同步電動機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩

一、功率平衡關(guān)系和轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系同步電動機(jī)定子繞組從電網(wǎng)吸收電功率P1，扣除定子繞組銅耗PCu和鐵耗PFe，余下部分就是通過氣隙傳遞給轉(zhuǎn)子的電磁功率PmPm=P1-PCu-PFe(5.2.1）穩(wěn)態(tài)時同步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩平衡方程式為

M2=Mem-M0(5.2.4)二、電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式由于同步電動機(jī)中銅耗、鐵耗都較小，為分析簡明，可以予以忽略，則由式（5.2.1）得

Pm≈P1=mU1Iacosφ（5.2.5）凸極式同步電動機(jī)電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式分別為Pm=P′+P″（5.2.10）

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5.2同步電動機(jī)的功率平衡、功角和矩角特性

M=M′+M″（5.2.11）隱極式同步電動機(jī)，它的功率和電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式分別為

（5.2.12)(5.2.13)

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5.2同步電動機(jī)的功率平衡、功角和矩角特性

5.2.2功角特性和矩角特性

當(dāng)電網(wǎng)電壓U1和頻率f不變，勵磁電流Ij不變和Φ0、E0不變時，同步電動機(jī)的電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩取決于功角的大小，電磁功率Pm和功角δ的關(guān)系Pm=f(δ)稱為同步電動機(jī)的功角特性。而電磁轉(zhuǎn)矩Mem與功角δ的關(guān)系Mem=f(δ)，稱為同步電動機(jī)的矩角特性。

5.2.3同步電動機(jī)的穩(wěn)定性和負(fù)載能力由圖5.2.4所示隱極同步電動機(jī)的矩角特性可知，在0°＜δ＜90°范圍，如在工作點(diǎn)a運(yùn)行時，電磁轉(zhuǎn)矩Mem與負(fù)載轉(zhuǎn)矩Ma平衡，Mem=Ma，這時功角為δa。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加到Mb時，轉(zhuǎn)子開始減速，功角增大到δb時，電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩Mb重新達(dá)到平衡，電動機(jī)以同步速度n1穩(wěn)定運(yùn)行。這說明隱極同步電動機(jī)在0°＜上一頁下一頁第15頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

5.2同步電動機(jī)的功率平衡、功角和矩角特性

δ＜90°范圍內(nèi)，即矩角特性O(shè)c段是穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)。當(dāng)δ=90°時，電磁轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大，因此Mmax也表示了電動機(jī)的過載能力。通常將最大轉(zhuǎn)矩Mmax與額定電磁轉(zhuǎn)矩MN之比定義為同步電動機(jī)的過載倍數(shù)λm

（5.2.14）5.3同步電動機(jī)的勵磁調(diào)節(jié)及V形曲線

5.3.1勵磁調(diào)節(jié)同步電動機(jī)在電網(wǎng)電壓U1、電網(wǎng)頻率f以及輸出功率P2保持不變的情況下，改變勵磁電流Ij的大小，將引起電樞電流Ia以及功率因數(shù)cosφ的改變。上一頁下一頁返回第16頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月5.3同步電動機(jī)的勵磁調(diào)節(jié)及V形曲線5.3.2V形曲線同步電動機(jī)的V形曲線是指當(dāng)電網(wǎng)電壓、頻率均為額定值，即U1=UN，f=fN時，在輸出功率不變（P2=常數(shù)）情況下，電樞電流與勵磁電流的關(guān)系曲線即Ia=f(Ij

曲線。根據(jù)圖5.3.1，可以做出在不同輸出功率下的勵磁電流和電樞電流的關(guān)系曲線，如圖5.3.2所示。由于曲線形狀像“V”字，故稱為V形曲線。上一頁返回第17頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5.3.1隱極同步電動機(jī)在三種勵磁狀態(tài)下的向量圖返回第18頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5.3.2同步電動機(jī)的V形曲線

返回第19頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

5.4同步電動機(jī)的啟動同步電動機(jī)剛啟動時，轉(zhuǎn)子尚未旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子繞組加入直流勵磁以后，在氣隙中產(chǎn)生靜止的勵磁磁場。而在定子對稱三相繞組中通入對稱的三相交流電后，在氣隙中則產(chǎn)生以同步轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場。由于啟動時定、轉(zhuǎn)子磁場之間存在相對運(yùn)動，轉(zhuǎn)子上的平均轉(zhuǎn)矩為零。如圖5.4.1（a）所示瞬間，定、轉(zhuǎn)子磁場之間的相互作用，傾向于使轉(zhuǎn)子逆時針方向旋轉(zhuǎn)，但由于慣性的影響，轉(zhuǎn)子受力后并不馬上轉(zhuǎn)動。但此時定子磁場已轉(zhuǎn)過180°，如圖5.4.1（b）所示，此時定、轉(zhuǎn)子磁場之間的相互作用又傾向于使轉(zhuǎn)子順時針方向旋轉(zhuǎn)。所以，啟動時，由于定、轉(zhuǎn)子磁場之間存在相對運(yùn)動，轉(zhuǎn)子上所受到平均轉(zhuǎn)矩為零，因此同步電動機(jī)不采取措施是不能自行啟動的。同步電動機(jī)的感應(yīng)電動機(jī)啟動方式又稱異步啟動，是目前采用得最廣泛的一種啟動方法。為此，在勵磁磁極表面裝有類似感應(yīng)電動機(jī)籠型導(dǎo)條的短路繞組，稱為啟動繞組。異步啟動時線路如圖5.4.2所示。

返回第20頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5.4.1啟動時同步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)距

返回（a）轉(zhuǎn)子傾向于逆時針旋轉(zhuǎn)；（b）轉(zhuǎn)子傾向于順時針旋轉(zhuǎn)

第21頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5.4.2同步電動機(jī)異步啟動線路圖返回第22頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

5.5介紹幾種特殊的同步電動機(jī)

5.5.1永磁同步電動機(jī)永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場是由預(yù)先充磁的永久磁鋼所產(chǎn)生，目前多采用高磁能積的稀土永磁材料，如稀土鈷、釹鐵硼等做磁鋼。電樞繞組與普通的交流電機(jī)基本相同。定子旋轉(zhuǎn)磁場可由對稱的定子三相繞組產(chǎn)生，亦可由兩相繞組或單相罩極繞組產(chǎn)生。為了產(chǎn)生啟動轉(zhuǎn)矩，必須裝設(shè)啟動繞組或其他啟動裝置。這種電動機(jī)常用于驅(qū)動時鐘機(jī)構(gòu)、自動記錄裝置、磁鼓、程序控制系統(tǒng)、錄音錄像設(shè)備或陀螺儀等。永磁同步電動機(jī)根據(jù)啟動方式不同，又分為異步啟動和磁滯啟動兩類。異步啟動永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子如圖5.5.1所示。其中圖5.5.1（a）為星形磁鋼轉(zhuǎn)子，圖5.5.1（b）為圓柱形磁鋼轉(zhuǎn)子，后者適用于高速、小功率電機(jī)，前者適用于功率較大、轉(zhuǎn)速不高（一般為工頻）的電動機(jī)。圖5.5.2為磁滯式永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子由永久磁鋼和環(huán)形磁滯材料組合而成。下一頁第23頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5.5.1為永久磁鋼徑向結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子

返回（a）星形轉(zhuǎn)子；（b）圓柱形轉(zhuǎn)子第24頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5.5.2為磁滯永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子

返回第25頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

5.5介紹幾種特殊的同步電動機(jī)5.5.2自控式同步電動機(jī)

自控式同步電動機(jī)是由同步電動機(jī)、變頻器及轉(zhuǎn)子位置檢測器所組成的同步電動機(jī)自控式變頻調(diào)速系統(tǒng)，如圖5.5.3所示。它具有類似于直流電動機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)。與直流電動機(jī)相比它具有無火花、電磁干擾小等優(yōu)點(diǎn)。5.5.3磁滯同步電動機(jī)磁滯同步電動機(jī)是一種能自行啟動的同步電動機(jī)。它的結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、運(yùn)行可靠，因此在國防和民用工業(yè)中均得到廣泛的應(yīng)用，如陀螺儀中的陀螺馬達(dá)、電動舵機(jī)以及時鐘機(jī)構(gòu)中多采用此類電動機(jī)。

一、結(jié)構(gòu)磁滯同步電動機(jī)可做成外定子（內(nèi)轉(zhuǎn)子）結(jié)構(gòu)，也可做成外轉(zhuǎn)子（內(nèi)定子）形式。圖5.5.4所示是磁滯陀螺馬達(dá)結(jié)構(gòu)原理圖。在轉(zhuǎn)子輪箍中壓入由硬磁材料加工成的磁滯環(huán)，轉(zhuǎn)子上沒有繞組。定子由定子鐵心和定子三相（或兩相）繞組所組成，它產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。定子鐵心用電工鋼片疊壓組合而成。定子繞組放置在定子鐵心槽中，其引出線通過軸上中心孔引出，接到電源上。為了提高陀螺馬達(dá)下一頁上一頁第26頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5.5.3自控式同步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)

返回第27頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5.5.4磁滯陀螺馬達(dá)結(jié)構(gòu)原理圖

返回

1—輪箍；2—磁滯環(huán)；3—定子鐵心；4—定子繞組；

5—端蓋；6—軸承；7—卡簧；8—導(dǎo)線；9—轉(zhuǎn)軸第28頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

5.5介紹幾種特殊的同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量，常采用大外徑扁平結(jié)構(gòu)形式，轉(zhuǎn)子輪箍采用高比重的磁性或非磁性材料。二、工作原理由物理學(xué)原理可知，鐵磁材料在外磁場作正、負(fù)變化的反復(fù)磁化過程中，材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化總是落后于外磁場的變化，這種現(xiàn)象稱為鐵磁材料的磁滯，用材料的磁滯回線來描述鐵磁材料的磁滯特性。如果在開始瞬間，轉(zhuǎn)子上磁疇排列的方向與旋轉(zhuǎn)磁場軸線的方向一致，如