第六章同步电机的稳态分析
前言：①同步电机是一种交流电机，主要作发电机使用；也可作电动机和调相机（专门用于电网的无功补偿）使用；
②同步电机定义：同步电机转速n与定子电流频率f和极对数p保持严格
不变的关系，即
p f
n
60 ；
③主要内容：电枢反应；有功和无功调节；并联运行；不对称和突然短路
6.1同步发电机的基本结构和运行状态
1.旋转磁极式定子-放置三相交流绕组
转子-放置励磁绕组(主磁极) 凸极式
隐极式
2旋转电枢式定子-放置励磁绕组(主磁极)
转子-放置三相交流绕组(需三个滑环引出或引入三相电流)
一、同步电机基本结构
(一)隐极同步电机(以汽论发电机为例)
特点:转速高为保证频率f=50Hz,则发电机的极对数P少
(一般为二极,2P=2)
离心力大,需细长转子(隐极式)
0.5mm硅钢片叠压而成
定子铁心大型电机由扇型片拼成圆形
1. 定子矩形开口槽,径向,轴向通风道
定子绕组-三相双层绕组,扁铜线绕制而成,采用成型线圈
外壳-用钢板焊接而成
2.转子 (1)由合金钢锻成,与转轴制成一个整体,外园开槽,大齿和小齿
(2)励磁绕组为同心式绕组
(3)采用高强度铝合金槽楔,端部采用保护环固定
3.滑环(集电环)与电刷装置
(二)凸极同步电机(以水轮发电机为例)
特点:转速低为保证f=50Hz,则需发电机的极对数P增大
为保证放置P对磁极,则需转子的直径大.
1.定子 : 定子铁心-硅钢片叠成,直径可达20多米,矩形开口槽.
定子绕组-双层绕组
2.转子: 凸极式铁心由厚钢板叠成
励磁绕组由扁铜线绕制而成
阻尼绕组(起动绕组)-由铜条和端环构成,用于同步电动机异步起动.
二、同步电机的运行状态
1. 稳态运行情况下,定转子磁场相对静止
2. 功率角δ-定子合成磁场轴线与主极磁场(转子磁场)轴线之间夹角.(用电角度表示)
3. 三种运行状态
(1)发电机运行
① 物理过程:直流电流→电刷→滑环→励磁绕组→磁场
原动机拖动转子
绕组感应三相交流电动势(频率为60
pn
f ),接入负载后,
三相对称电流,定子旋转磁场以n1旋转. ② 特点:<1>功率角δ>0(即主极磁场超前定子合成磁场) <2>转子受到制动性质的电磁转矩Te
<3>f ∝1n ,为保证f=50Hz 恒定,需保证1n 恒定,应输入转矩T1
与Te 平衡.
(2)补偿机运行状态(或空载运行状态) 当δ=0时→Te=0
① 物理过程:转子同发电机运行状态,-主极磁场以1n 旋转
定子接入三相对称电源-定子合成磁场以1n 旋转
② 特点:<1>δ=0.(主磁场与定子合成磁场重合) <2>电机内没有有功功率转换
(3)电动机运行当δ<0时→Te →(即主机磁场滞后定子合成磁场
① 物理过程:定子接三相电源-定子合成磁场以1n 旋转
转子接直流电源-恒定磁场,去掉原动机.
② 特点:<1>δ<0
<2>外施T2↑→δ↑→Te ↑(与T2+T0平衡)保证n=1n =常数 <3>转子转速n=1n =60f/p,即当f 一定,p 一定时,n 恒定.
三.同步电机的励磁方式
励磁系统-共给励磁电流的整个系统-直流励磁机励磁系统,整流器励磁系统 励磁系统应满足的条件:
(1)能稳定的提供发电机从空载到满载(及过载)所需的I f (2)当电网电压u 减小时,能快速强行励磁,提高系统的稳定性.
(3)当电机内部发生短路故障时,能快速灭磁. (4)运行可靠,维护方便,简单,经济. 1. 直流励磁机励磁
副励磁机(并励直流发电机)→主励磁机(他励直流发电机)→同步发电机 *一般励磁机与同步发电机同轴
特点:采用独立电源(直流发电机)与交流电网没关系,运行可靠. 2. 静止整流器励磁
(1)他励式静止流器励磁系统
副励磁机(中频三相同步发电机)(电磁式或永磁式)→主励磁机(三相同步发电机)→同步发电机───────────────┛ 特点:①副励磁机先他励待建立电压后改为他励
① 自动电压调整器可根据主发电机端电压的偏差自动调整励磁电流 ② 整流器均在电机外(静止).
(2)自励式静止整流器励磁系统 特点 :(1)取消励磁机
(3)励磁电流由电网或主发电机提供
3. 旋转整流器励磁(无触点式或无刷励磁)
副励磁机(永磁式三相同步发电机)→主励磁机(旋转电枢式)→主发电机 ┕──────────────┛ 特点:(1)主励磁为旋转电枢式 (2)采用旋转整流器 4. 三次谐波励磁
特点:(1)发电机定子嵌入三次谐波绕组
(2)将三次谐波电压整流后→主发电机励磁
(3)自励恒压(负载电流↑→电枢反应↑→波形畸变↑→φ3↑→E 3
↑→I 3↑→I f ↑→稳压;负载电流↑→端电压↓→稳压) 四.额定值
1.额定容量S N (或额定功率P N )-指输出功率 发电机用视在功率(KVA)或有功
功率 电动机用有功功率(KW)表示 补偿机用无功功率(Kvar)表示
2.额定电压U N —定子线电压(V)
3.额定电流I N —定子线电流(A)
4.其他: N ?cos ,ηN ,f N ,n N ,θN ,U fN ,I fN 等
三相同步发电机 cos N N N N P I ? 三相同步电动机 N N N N N I U P ?ηcos 3=
6.2 空载和负载时同步发电机的磁场
一、空载运行
1.定义：n=n N 、I=0时E 0=f(I f )
2.空载时电磁过程： Φ0→01044.4Φ=w fNk E （频率为60
pn f =
） I f →F f →
Φf σ→只增加磁极部分的饱和程度
3.空载特性曲线
特性曲线：E 0=f(I f )
E 0f ) 磁化曲线 U N f ) f (or
F f )
分析：I f 较小时，磁路不饱和，f I E ∝0直线；I f 较大时，磁路饱和，f
I E 与0不成比例；不考虑饱和，E 0=f(I f )为气隙线。
饱和系数的求取：==δ
f f S I I k 0 1.1～1.2
二、 对称负载时的电枢反应
空载：f F F
=δ
负载：a f F F F
+=δ
1.电枢反应的定义：a F 对f F
的影响，成为电枢反应； **实质：研究同步发电机负载时内部的电磁情况。 2.a F 和f F
性质比较：①均是幅值不变的旋转磁动势； ②均是阶梯波，基波为正弦波； ③转速为n 1。
结论：a F 和f F
在空间相对静止。 3.几个概念
①内功率因数角Ψ：空载电动势E 0和电枢电流I a 之间的夹角，与电机本身参数
和负载性质有关；
②外功率因数角φ：与负载性质有关；
③功率角（功角）δ：E 0和U 之间的夹角；且有Ψ=φ+δ（电感性负载） ④直轴（d 轴）：主磁极轴线（纵轴）；
⑤交轴（q 轴）：转子相临磁极轴线间的中心线为交轴（横轴） 4.电枢反应的性质（不同负载）
假设：为了分析问题方便，我们取A E 0为最大值
表中：aq ad a F F F →
→
→+=；对应：q d I I I .
.
.+=
而： ψ
ψcos sin a aq a ad F F F F ==； 对应：
ψ
ψcos sin I I I I aq ad == 分别为直轴和交轴分量 。
一、电磁过程：(假设磁路不饱和)
σf
?
Φ（增加磁路饱和作用）
?
?
→
Φ
→
→E
F
I
f
f
a
a
a
C
B
A
E
F
I
I
I
?
?
?
?
?
→
Φ
→
→
υ
?
Φ
σ
?
E
'
σ
φ
?
?
Φ
→
→F
I
二、电动势方程：
t
a
x
I j
I
r
U
E
.
.
.
.
+
+
=
三、等效电路和相量图：
t
a
x
I j
I
r
U
E
.
.
.
.
+
+
=
?
E
四、简化等效电路和相量图（忽略r a）：
t
x
I j
U
E
.
.
.
+
=
?
E
一、双反应理论
凸极机(气隙不均匀)
双反应理论：aq
q aq aq aq q ad
d ad ad ad d x I j E F I x I j E F I I ??????
?-=→Φ→→-=→Φ→→--
直轴电枢反应电抗ad x 和交轴电枢反应电抗aq x 意义：同隐极机；
大小：ad x >aq x ；a x （隐）>ad x （凸）>aq x （凸）；隐极机：ad x =aq x =a x ；
二、电压方程和向量图
1、电动势方程：q q d d a x I j x I j I r U E .
.
.
.
0.
+++= 2、相量图：
已知发电机的端电压、负载电流和功率因数及电阻r a 、x d 、x q ， ①已知ψ角：
②未知ψ角：?
?ψsin sin arctan
U I r U I x a q ++=
结论：解决某些具体问题时，要考虑饱和，进行修正。
三、直轴和交轴同步电抗的意义
直轴：σx x x ad d +=，有饱和值和不饱和值之分；
交轴：σx x x aq q +=，无饱和值和不饱和值之分，因气隙大；
q d x x ?
对电机的影响：①发电机的端电压；②同步发电机的稳定性。
6.5同步发电机的功率方程和转矩方程
一、功率方程
能量转换：机械能→电能
P 1
Pem P
Fe ad Cu1
方程为：
2
120113)(I
r P p P P P p P p p p P a em cu em em ad Fe mec -=-==-=++-
当忽略定子铜损时，?cos 2mUI P P em =≈ 二、转矩方程
01T T T em -=
三、电磁功率
)cos (cos 2a a e IR U mI R mI mUI P +=+=??
6.6 同步电机参数的测定
一、空载特性 1.定义：)(0
001f I f E U I n n ====
2.实验接线：
3.步骤：I f ↑→U 0=0～1.25U N ↑,注意：只能单方向调磁；
4.曲线： E 0=f(I f )
E 0
f ) 磁化曲线 U N f ) f (or F f )
5.应用：检查三相电枢绕组对称性，判断激磁绕组和定子铁心有无故障。 二、短路特性 1.定义：)(0
1f k I f I U n n ===
2.实验接线：
3.步骤：1n n =，调I ，使I I 25.10→=
4.曲线： k I N I
fk f I 5.分析：磁路不饱和，短路特性为一条直线。 三、同步电抗的求取
磁路不饱和时，=d x 常数； 磁路饱和时，d x 随↑Φ而↓； 利用空载和短路特性求取d x ：
) 磁化曲线
f 由气隙线确定：d x （不饱和）k I E '
0=；由磁化曲线确定：d x （饱和）k N I U =
凸极机：d q x x 6.0≈ 短路比：*01
d
S fk f N k c x k I I I I k ?===
**c k 对电机的影响：c k ↑→气隙大→d x ↓→电机的成本和尺寸增加。
6.7 同步发电机的运行特性
一、外特性 ①定义：1
I n n f =②曲线：
N 1--8.0cos 2=?（超前）；2--0.1cos 2=?；3--8.0cos 2=?（滞后） ③电压变化率：%100%0?-=
?N
N
U U E U 水轮机：18～30%；汽轮机：30～48%。
二、调整特性 ①定义：)(cos 1I f I C
C
U n n f ====?
②曲线：③分析：
6.8 同步发电机与电网的并联运行
并联运行的优点:
(1) 提高供电质量,(稳频,稳压)和可靠性 (2) 提高发电厂的运行效率 (3) 减少备用容量
一、投入并联的条件
设电网电压为U,U A ,U B ,U C .电压频率为f,发电机电动势为Eo ＇,电压为U A ＇,U B ＇,U C ＇,U ＇,发电机频率为f ＇.
1. 发电机的频率应f ＇与电网频率f 相同, f ＇=f2
2. 发电机和电网的电压波形相同
3. 发电机和电网的相序相同
4. 发电机和电网的电压波形相同 二、投入并联的方法
(一) 准确同步法-将发电机调整到符合并联的条件后,在进行合闸并网操
作
判断上述条件的方法 同步指示器
灯光法
直接接法 交叉接法
(二) 自整步法(自同步法)
三、功角特性
1.定义：发电机并联到无限大电网，磁路不饱和，Ｉf 不变时，)(δf P em =
2.隐极同步发电机的功角特性 ①功角特性：δ?sin cos 0t
em x U
E m mUI P == ②曲线：
③功率极限值：t
em x U
E P 0max =
④功角δ的双重物理意义
⑴是电动势0.
E 和电压.
U 间的时间相角差；
⑵是励磁磁势f F 和合成磁势u F 间的空间相角差或u ?
Φ与0?
Φ之间夹角。 **功角不仅决定发电机并联运行时的输出功率，而且说明转子运动的空间位置，把电磁变化关系和机械运动紧密联系起来。 3.凸极同步发电机的功角特性
①功角特性：δδ?2sin 112
sin cos 2
02???
?
??-+==≈d q d em x x U m x U E m m UI P P 用标么值表示：δδ?2sin 1
12sin cos *
*2***0****
???
?
??-+==d
q d em
x x U x U E I U P
对隐极电机：∵t q d x x x == ∴δ?sin cos 0t
em x U
E m
mUI P == 用标么值表示：δ?sin cos *
*
0**
**
t
em
x U E I U P
==
**式中电流、电压和电动势均为相电流、相电压和相电动势。 ②曲线：
③组成：基本电磁功率'em P 和附加电磁功率'
'em P
④与隐极电机比较：max em P 略有增加；δ<90°时取得最大值；曲线为非正弦。
⑤附加电磁功率''em P 的特点：与I f 无关；δ=45°时最大，δ=90°时为0；X d ≠
x q 是其存在的原因。
四、有功功率的调节和静态稳定
1.功率调节：调节原动机的输出功率（改变汽门或水门大小）→有功功率输出变
化→功角δ变化，无功功率Q 也变化。
2.静态稳定概念（static steady concept ） 定义：受到扰动后，扰动消失能恢复到原状态 分析：
判据：比整步功率 ?δcos 0t
em
syn x U E m d dP P ==
（隐极电机）
0?δ
d dP em
…………稳定运行
0?δ
d dP em
…………不稳定运行
0=δ
d dP em
…………极限位置 **结论：随δ↓→syn P ↑→稳定性好
静态过载能力：N N
t
t N
em M x U E m x U E m
P P k δδsin 1
sin 00max ===
（隐极电机）
**①N δ=25～35°；
②提高)(↓N M k δ的方法：提高0E 或↓t x ； ③M k 与c k 的关系：∵c t
M k x k ∝∝1
，∴c k ↑→M k ↑ 五、无功功率的调节
1.无功功率的功角特性（Q-δ characteristic ）
假设：①C U =；②磁路不饱和，C x C x q d ==,；③0≈a r
①凸极机：δδ2cos )1
1(2)11(2cos 220d q d q d x x U m x x U m x U E m Q -?++-=
②隐极机：t t x U m
x U E m mUI Q 2
0cos sin -==δ? 用标么值表示：t
t em
x U x U E I U Q
*2
**
*0**
**cos sin -==δ? 分析：0=δ，t
x U E U m
Q )(0-= 0
arccos
E U
=δ ， 0=Q 0
90=δ ， t
x U m Q 2
-=
无功功率调节：调节励磁电流I f ↑→功角δ↓→Q ↑（有功功率P 不变）。 **调无功Q →δ变化→P 不变；调有功P →δ变化→P 改变，Q 变化
6.9 同步电动机与同步补偿机
一、同步电动机的电压方程和向量图
1.定义：同步电机将电能转换为机械能的一种运行方式，其转速不随负载变化而
变，永远保持与电网频率所对应的同步速。（1n n =）
2.电动机的基本方程式和相量图
方程式：发电机惯例：隐极机：t a x I j I R U E .
.
.
.
++= 电动机惯例：隐极机：t M M a x I j I R E U .
.
0.
.
++=
凸极机：q qM d dM M a x I j x I j I R E U .
.
.
0.
.
+++= 二、同步电动机的功角特性，功率方程和转矩方程
1.功角特性：凸极机：M d q M
d
em x x U m
x U E m
P δδ2sin 112
sin 20???
?
??-+= 隐极机：M t
em x U
E m P δsin 0= 2.功率平衡：
2
11P P P P P P P P P f ad mec Fe em em
cu ++++=+=
3.转矩方程
20T T T e +=
三、同步电动机的运行特性
1.三种激磁状态：①正常激磁状态：?I 与?
U 同相，1cos ,0==??，吸有功P ，Q=0；
②过激运行状态：?I 超前?
U ，吸有功P ，吸容性Q （发感性Q ）； ③欠激运行状态：?
I 滞后?
U ，吸有功P ，吸感性Q （发容性Q ）；
2.V 形曲线：同发电机
**结论：同步电动机最可贵的优点，调I f 可改变它的无功输出。 四、同步电动机的起动 异步起动法 其他起动方法 五、同步补偿机
1.目的：补偿无功功率的不足；
2. 同步补偿机运行实质：运行于同步电动机（空载）状态；
3.同步补偿机定义：是一种专门设计的无功功率发电机，更确切地说是一种不带机械负载（即空载运行）的同步电动机。
4.三种激磁状态：①正常激磁状态U E =0；②过激运行状态U E ?0；
③欠激运行状态U E ?0；
5. 同步补偿机特点：①同步调相机的额定容量是指在过激状态时的额定视在功率；
②由于轴上不带负载，调相机的转轴比同容量的电动机的轴细； ③提供感性无功，激磁线圈截面大，损耗也较大，通风冷却； ④起动：异步电动机或辅助电动机法。
第六章 同步电机 一、填空 1. ★在同步电机中，只有存在 电枢反应才能实现机电能量转换。 答 交轴 2. 同步发电机并网的条件是：（1） ；（2） ；（3）。 答 发电机相序和电网相序要一致，发电机频率和电网频率要相同，发电机电压和电网电压大小要相等、相位要一致 3. ★同步发电机在过励时从电网吸收 ，产生 电枢反应；同步电动机在过励时向电网输出，产生 电枢反应。 答 超前无功功率，直轴去磁，滞后无功功率，直轴增磁 4. ★同步电机的功角δ有双重含义，一是和之间的夹角；二是 和 空间夹角。 答 主极轴线，气隙合成磁场轴线，励磁电动势，电压 5. 凸极同步电机转子励磁匝数增加使q X 和d X 将 。 答 增加 6. 凸极同步电机气隙增加使q X 和d X 将 。 答 减小 7. ★凸极同步发电机与电网并联，如将发电机励磁电流减为零，此时发电机电磁转矩为 。 答 δs i n 2)X 1 X 1( mU d q 2 - 二、选择 1. 同步发电机的额定功率指（ ）。 A 转轴上输入的机械功率； B 转轴上输出的机械功率； C 电枢端口输入的电功率； D 电枢端口输出的电功率。 答 D 2. ★同步发电机稳态运行时，若所带负载为感性8.0cos =?，则其电枢反应的性质为（ ）。 A 交轴电枢反应； B 直轴去磁电枢反应； C 直轴去磁与交轴电枢反应； D 直轴增磁与交轴电枢反应。 答 C 3. 同步发电机稳定短路电流不很大的原因是（ ）。 A 漏阻抗较大； B 短路电流产生去磁作用较强； C 电枢反应产生增磁作用； D 同步电抗较大。 答 B 4. ★对称负载运行时，凸极同步发电机阻抗大小顺序排列为（ ）。 A q aq d ad X X X X X >>>>σ； B σX X X X X q aq d ad >>>>；
极槽配合对永磁同步电机性能的影响 摘要：永磁同步电机由于具有结构简单、体积小、效率高、功率因数高、转动惯量小、过载能力强，运行可靠等特点，在家用电器、医疗器械和汽车中得到广泛使用。永磁同步电机的齿槽转矩会引起输出转矩的脉动和噪声，不平衡径向电磁力则是电机的主要噪声源。本文着重研究极槽配合对永磁同步电机性能的影响，主要包括齿槽转矩和径向电磁力两个方面。详细介绍了齿槽转矩和径向电磁力的相关原理，并通过仿真对8极9槽和8极12槽两种极槽配合的电机进行分析比较，验证了相关的理论的正确性，最后得出电机设计中应综合考虑齿槽转矩、径向电磁力等相关因素合理选择极槽配合。 关键词：极槽配合；齿槽转矩；永磁同步电机；径向力 Influence of Pole-Slot Combination on The Performance of Permanent Magnet Synchronous Motor Abstract: Permanent magnet synchronous motor has simple structure, small volume, high efficiency, high power factor, small moment of inertia, strong overload capacity, reliable operation, widely used in household appliances, medical equipment and vehicles. Cogging torque will cause output torque ripple and noise of PMSM ,And unbalanced radial electromagnetic force is the main reason of noise of motor. In this paper,we focuses on the research of pole-slot combination effects on the performance of PMSM, including two aspects:the cogging torque and radial electromagnetic force. The relevant principles of the cogging torque and radial electromagnetic force were introduced in detail, and through the simulation of 8 poles 9 slots and 8 poles 12 slots motors,the two kinds of pole-slot combination motor were analyzed and compared, verified the related theory.Finally, we conclude that the cogging torque and radial electric force and so on related factors should be considered into the motor design when selecting reasonable pole-slot combination. Key words: pole-slot combination; cogging torque;PMSM; radial force 1引言 永磁同步电机结构简单、体积小、效率高、功率因数高、转动惯量小、过载能力强，运行可靠，且其
一、旋转电机有哪些性能参数指标？ 1．异步电动机主要数据 1）、相数 2）、额定频率（Hz） 3）、额定功率kW 4）、额定电压V 5）、额定电流A 6）、绝缘等级 7）、额定转速（极数）r/min 8）、防护性能 9）、冷却式 2．异步电机主要技术指标 a)效率η：电动机输出机械功率与输入电功率之比，通常用百分比表示。 b)功率因数COSφ：电动机输入有效功率与视在功率之比。 c)堵转电流IA：电动机在额定电压、额定频率和转子堵住时从供电回路输入的 稳态电流有效值。 d)堵转转矩TK：电动机在额定电压、额定频率和转子堵住时所产生转矩的 最小测得值。 e)最大转矩TMAX：电动机在额定电压、额定频率和运行温度下，转速不 发生突降时所产生的最大转矩。 f)噪声：电动机在空载稳态运行时A计权声功率级dB（A）最大值。 g)振动：电动机在空载稳态运行时振动速度有效值（mm/s）。
3．电动机主要性能中分为：一是起动性能；二是运行性能： 起动性能有：起动转矩、起动电流。一般起动转矩越大越好，而起动时的电流越小越好，在实际常以起动转矩倍数（起动转矩与额定转矩之比Tst/Tn）和起动电流倍数（起动电流与额定电流之比Ist/In）进行考核。电机在静止状态时，一定电流值时所能提供的转矩与额定转矩的比值，表征电机的起动性能。 运行性能有： 效率、功率因数、绕组温升（绝缘等级）、最大转矩倍数Tmax/Tn、振动、噪声等。 效率、功率因数、最大转矩倍数越大越好，而绕组温升、振动和噪声则是越小越好。 起动转矩、起动电流、效率、功率因数和绕组温升合称电机的五大性能指标。 二、电动机计算常用的公式 1、电动机定子磁极转速n=（60×频率f）÷极对数p 2、电动机额定功率P=1.732×线电压U×电流I×效率η功率因数COSΦ 3、电动机额定力矩T=9550×额定功率P÷额定转速n 三、防护型式IPXX （GB/T 4208 外壳防护分级（IP代码）） 防护标志由字母IP和两个表示防护等级的表征数字组成。第一位数字表示：防止人体触及或接近壳带电部分和触及壳转动部件（光滑的旋转轴和类似部件除外），以及防止固体异物进入电机（表示防尘等级）。第二位数字表示：防止由于电机进水而引起的有害影响（表示防水等级）。 对特殊应用和适用于规定气候条件的电机，其外壳防护等级的表示法由表征字母、两位表征数字和补充字母三部分组成。 IP 4 4 □ 补充字母 第二位表征数字 第一位表征数字 表征字母 1、第一位表征数字表示外壳对人和壳部件提供的防护等级。
第五章 感应电机的稳态分析 5-3 三相感应电机的转速变化时，转子所生磁动势在空间的转速是否改变为什 么 答：不变。设气隙磁场旋转速度为1n ，转子的转速为n ，转差率为11n n n s -=，则转子感应电动势和电流的频率为12sf f =，由此电流产生的磁动势相对于转子的速度为1126060sn P f s P f n === ?，则相对于定子的转速为1n n n =+?，与转子转速无关。即转速变化时，转子产生的磁动势在空间的转速不变。 5-6 感应电动机等效电路中的'21R s s -代表什么能否不用电阻而用一个电抗去代替为什么 答：'21R s s -代表与转子所产生的机械功率对应的等效电阻，消耗在该电阻上的功率代表总的机械功率。它不能由电抗代替，因为电抗上损耗的是滞后的无功功率，不能代替转换成机械功率的有功功率。 5-11 试写出感应电动机电磁转矩的三种表达形式:(1)用电磁功率表达；(2)用总 机械功率表达；(3)用主磁通，转子电流和转子的内功率因数表达。 答：（1）用电磁功率表达1 Ω=em em P T （2）用总机械功率表达Ω =ΩP T em （3）用主磁通，转子电流和转子的内功率因数表达22 1cos ?φI C T T em '= 5-14 有一台Y 联结，380V ，50Hz ，额定转速为1444r/min 的三相绕线型感应电 动机，其参数为1R =Ω，'2R =Ω，σ1X ='2σX =1Ω，m X =40Ω，m R 略去不计， 定，转子的电压比为4。试求：(1)额定负载时的转差率；(2)额定负载时的定，转子电流；(3)额定负载时转子的频 率和每相电动势值。 解：（1）额定转差率 0373.01500 14441500=-=-=s N s N n n n s （2）T 形等效电路图如右
同步电机习题与答案 6.1 同步电机的气隙磁场，在空载时是如何激励的？在负载时是如何激励的？[答案见后] 6.2 为什么大容量同步电机采用磁极旋转式而不采用电枢旋转式？ [答案见后] 6.3 在凸极同步电机中，为什么要采用双反应理论来分析电枢反应？ [答案见后] 6.4 凸极同步电机中，为什么直轴电枢反应电抗X ad大于交轴电枢反应电抗 X aq？ [答案见后] 6.5 测定同步发电机的空载特性和短路特性时，如果转速降为原来0.95n N，对试验结果有什么影响？ [答案见后] 6.6 一般同步发电机三相稳定短路，当I k=I N时的励磁电流I fk和额定负载时的励磁电流I fN都已达到空载特性的饱和段，为什么前者X d取不饱和值而后者取饱和值？为什么X q一般总是采用不饱和值？ [答案见后] 6.7 为什么同步发电机突然短路，电流比稳态短路电流大得多？为什么突然短路电流大小与合闸瞬间有关？ [答案见后] 6.8 在直流电机中，E>U还是U>E是判断电机作为发电机还是作为电动机运行的依据之一，在同步电机中，这个结论还正确吗？为什么？
[答案见后] 6.9 当同步发电机与大容量电网并联运行以及单独运行时，其cosφ是分别由什么决定的？为什么？ [答案见后] 6.10 试利用功角特性和电动势平衡方程式求出隐极同步发电机的V形曲线。[答案见后] 6.11 两台容量相近的同步发电机并联运行，有功功率和无功功率怎样分配和调节？ [答案见后] 6.12 同步电动机与感应电动机相比有何优缺点？ [答案见后] 6.13 凸极式同步发电机在三相对称额定负载下运行时，设其负载阻抗为R+jX，试根据不考虑饱和的电动势相量图证明下列关系式 [答案见后] 6.14 试述直流同步电抗X d、直轴瞬变电抗X′d、直轴超瞬变电抗X"d的物理意义和表达式，阻尼绕组对这些参数的影响？ [答案见后] 6.15 有一台三相汽轮发电机，P N＝25000kW，U N＝10.5kV，Y接法，cosφN＝0.8（滞后），作单机运行。由试验测得它的同步电抗标么值为X*t＝2.13。电枢电
调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析 1 引言 与传统的电励磁电机相比，永磁同步电动机具有结构简单，运行稳定；功率 密度大；损耗小，效率高；电机形状和尺寸灵活多变等显著优点，因此在航空航 天、国防、工农业生产和日常生活等各个领域得到了越来越广泛的应用。 随着电力电子技术的迅速发展以及器件价格的不断下降，越来越多的直流电 动机调速系统被由变频电源和交流电动机组成的交流调速系统所取代，变频调速 永磁同步电动机也应运而生。变频调速永磁同步电动机可分为两类,一类是反电 动势波形和供电电流波形都是理想矩形波(实际为梯形波)的无刷直流电动机,另 一类是两种波形都是正弦波的一般意义上的永磁同步电动机。这类电机通常由变 频器频率的逐步升高来起动，在转子上可以不用设置起动绕组。 本文使用Ansoft Maxwell 软件中的RMxprt 模块进行了一种调速永磁同步电 动机的电磁设计，并对电机进行了性能和参数的计算，然后将其导入到Maxwell 2D 中建立了二维有限元仿真模型，并在此模型的基础上对电机的基本特性进行 了瞬态特性分析。 2 调速永磁同步电动机的电磁设计 2.1 额定数据和技术要求 调速永磁同步电动机的电磁设计主要包括主要尺寸和气隙长度的确定、定子 冲片设计、定子绕组的设计、永磁体的设计等。通过改变电机的各个参数来提高 永磁同步电动机的效率η、功率因数cos ?、起动转矩st T 和最大转矩max T 。本例所设计永磁同步电动机的额定数据及其性能指标如下： 额定数据 数值 额定功率 N 30kw P = 相数 =3m 额定线电压 N1=380V U 额定频率 =50Hz f 极对数 =3p 额定效率 N =0.94η 额定功率因数 N cos =0.95? 绝缘等级 B 级 计算额定数据：
邢台学院物理系 《自动控制理论》 课程设计报告书 设计题目：时域法分析电机控制系统的动态及稳态性能专业：物理系自动化 ____班级： __ 学生姓名: 学号: 指导教师： 年月日
邢台学院物理系课程设计任务书 专业：自动化班级： 年月日
摘要 直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内实现平滑调速，并且直流调速系统在理论和实践上都比较成熟，是研究其它调速系统的基础。而用MATLAB软件对直流调速系统进行虚拟环境下的仿真研究，不仅使用方便，也大大降低了研究成本。 本文叙述了直流电动机的基本原理和调速原理，介绍了直流电动机开环和双闭环调速系统的组成及静、动态特性，并且根据直流电动机的基本方程建设立了调速系统的数学模型，给出了动态结构框图，用工程设计方法设计了直流电动机双闭环调速系统。最后，用MATLAB仿真软件搭建了仿真模型，对调速系统进行了仿真研究。 通过对直流电动机双闭环调速系统动态特性的研究与仿真，可以清楚地看到，直流电动机双闭环调速系统具有较好的动态性能，可以在给定调速范围内，实现无静差平滑调速，这为直流电动机调速系统的硬件实验提供了理论依据。 关键词：上升时间峰值时间超调量调节时间，直流调速双闭环系统电 流调节器转速调节器计算机仿真
目 录 1.时域分析法的相关计算 (1) 1.1控制系统的动态性能指标 ............................. 2 1.1.1跟随性能指标 .................................. 2 1.1.2抗扰性能指标 .................................. 3 1.1.3 动态降落max C ................................. 3 1.1.4 恢复时间V t .. (4) 2 直流电动机 (4) 2.1 直流电动机简介 .................................... 4 2.1.1 直流电动机的工作原理 ......................... 4 2.1.2 直流电动机的运行特性 ......................... 5 2.1.3 直流电动机的起动与调速 ....................... 6 2.2 转速控制的要求和调速指标 .......................... 8 2.3 双闭环直流调速系统 ............................... 10 2.3.1 双闭环直流调速系统的组成及其静特性 .......... 10 2.3.2 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能 (14) 3 直流电动机双闭环调速系统的仿真与研究 (15) 3.1 双闭环调速系统的仿真 ............................. 16 3.2 仿真结果分析 . (24) 总结 ............................................ 25 参 考 文 献 . (25)
第六章 同步电机的稳态分析 6-4 同步发电机电枢反应的性质取决于什么？交轴和直轴电枢反应对同步发电 机的运行有何影响？ 答：同步发电机电枢反应的性质取决于电枢磁动势和主磁场在空间的相对位置，即激磁电 动势0? E 和负载电流? I 之间的相角差0ψ。交轴电枢反应产生交轴电枢磁动势，与产生电磁转矩及能量转换直接相关；直轴电枢反应产生直轴电枢磁动势，起到增磁或者去磁的作用，与电机的无功功率和功率因数的超前或滞后相关。 6-6 为什么分析凸极同步电机时要用双反应理论？凸极同步发电机负载运行 时，若0ψ既不等于 0，又不等于 90，问电枢磁场的基波与电枢磁动势的基波在空间是否同相，为什么（不计磁饱和）？ 答：因为凸极电机的气隙不均匀，分析时需用双反应理论。当负载运行时，若0ψ既不等于 0，又不等于 90，电枢磁场的基波与电枢磁动势的基波在空间的相位不同，因为交、直轴的磁路不同，相同大小的磁势产生的磁通不同，如右图。 6-8 有一台70000KV A ，60000KW ，13.8KV ，(星形联结)的三相水轮发电机， 交直轴同步电抗的标幺值分别为,7.0,0.1==* *q d x x 试求额定负载时发电机的激磁电动势*0E (不计磁饱和与定子电阻)。 解：额定功率因数7 6 cos == N N N S P ? ，∴ 31=N ? 设 01∠=* ?U ，则 31 1-∠=* ?I 8.23486.17.03101∠=?-∠+∠=?+=* * ?*?*?j x I j U E q Q ∴ 8.23=N δ 8.548.23310=+=+=N N δ?ψ ) (sin )(00*********-?+=-+=q d Q q d d Q x x I E x x I E E ψ 731.1)7.00.1(8.54sin 486.1=-+= 6-15 有一台* d x =0.8， .0=*q x 5 的凸极同步发电机与电网并联运行，已知发电机 1 aq ad F ad B 1aq
一、旋转电机有哪些性能参数指标？ 1。异步电动机主要数据 1）、相数 2）、额定频率(Hz) 3）、额定功率kW 4）、额定电压Ｖ 5）、额定电流A 6）、绝缘等级 7）、额定转速(极数)r／miｎ 8）、防护性能 9）、冷却方式 2.异步电机主要技术指标 a)效率η:电动机输出机械功率与输入电功率之比,通常用百分比表示。 b)功率因数ＣOSφ:电动机输入有效功率与视在功率之比。 c)堵转电流IA:电动机在额定电压、额定频率与转子堵住时从供电回路输入得 稳态电流有效值。 d)堵转转矩TＫ:电动机在额定电压、额定频率与转子堵住时所产生转矩得最小 测得值。 e)最大转矩ＴMＡX:电动机在额定电压、额定频率与运行温度下,转速不发生突 降时所产生得最大转矩、 f)噪声:电动机在空载稳态运行时A计权声功率级dB(A)最大值。 g)振动:电动机在空载稳态运行时振动速度有效值(mm/s)。
３.电动机主要性能中分为:一就是起动性能;二就是运行性能: 起动性能有:起动转矩、起动电流。一般起动转矩越大越好,而起动时得电流越小越好,在实际中通常以起动转矩倍数(起动转矩与额定转矩之比Tst/Tn)与起动电流倍数(起动电流与额定电流之比Iｓｔ／In)进行考核。电机在静止状态时,一定电流值时所能提供得转矩与额定转矩得比值,表征电机得起动性能。 运行性能有: 效率、功率因数、绕组温升(绝缘等级)、最大转矩倍数Tｍax/Tn、振动、噪声等。 效率、功率因数、最大转矩倍数越大越好,而绕组温升、振动与噪声则就是越小越好、 起动转矩、起动电流、效率、功率因数与绕组温升合称电机得五大性能指标。 二、电动机计算常用得公式 1、电动机定子磁极转速n=(60×频率ｆ)÷极对数p 2、电动机额定功率P＝1、732×线电压U×电流I×效率η功率因数COSΦ 3、电动机额定力矩T=9550×额定功率P÷额定转速n 三、防护型式IＰXＸ(ＧB/T 4２08 外壳防护分级(IP代码)) 防护标志由字母ＩP与两个表示防护等级得表征数字组成。第一位数字表示:防止人体触及或接近壳内带电部分与触及壳内转动部件(光滑得旋转轴与类似部件除外),以及防止固体异物进入电机(表示防尘等级)。第二位数字表示:防止由于电机进水而引起得有害影响(表示防水等级)。 对特殊应用与适用于规定气候条件得电机,其外壳防护等级得表示方法由表征字母、两位表征数字与补充字母三部分组成、 ＩP ４ 4 □ 补充字母 第二位表征数字 第一位表征数字 表征字母 1、第一位表征数字表示外壳对人与壳内部件提供得防护等级、
在各类驱动电机中, 永磁同步电机能量密度高, 效率高、体积小、惯性低、响应快, 有很好的应用前景。永磁电动机既具有交流电动机的无电刷结构、运行可靠等优点, 又具有直流电动机的调速性能好的优点, 且无需励磁绕组, 可以做到体积小、控制效率高, 是当前电动汽车电动机研发与应用的热点。 永磁同步电动机( PMSM)系统具有高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性以及低噪声的特点, 通过合理设计永磁磁路结构能获得较高的弱磁性能, 提高电动机的调速范围, 因此在电动汽车驱动方面具有较高的应用价值。 作为车辆电驱动系统的中心环节, 驱动电机的总体性能是设计研制技术的关键之一。根据车辆运行的特殊环境以及电驱动车辆自身的特点, 对驱动电机的技术要求主要是: ( 1)体积小、重量轻; 有较高的功率和转矩密度; ( 2)要求在宽速域范围内, 电动机和驱动控制器都有较高的效率; ( 3)有良好的控制性能以及过载能力, 以提高车辆的起动和加速性能。 永磁同步电机的功率因数大, 效率高, 功率密度大, 是一种比较理想的驱动电机。但正由于电磁结构中转子励磁不能随意改变, 导致电机弱磁困难, 调速特性不如直流电机。目前, 永磁同步电机理论还不如直流电机和感应电机完善, 还有许多问题需要进一步研究, 主要有以下方面。 1) 电机效率: 永磁同步电机低速效率较低, 如何通过设计降低低速损耗, 减小低速额定电流是目前研究的热点之一。 2）提高电机转矩特性 电动车驱动电机要求低速大转矩且有一定的高速恒功率运行范围, 所以相应控制策略的研究也主要集中在提高低速转矩特性和高速恒功率特性上。 1.低速控制策略: 为了提高驱动电机的低速转矩,一般采用最大转矩控制。早期永磁同步电机转子采用表面式磁钢, 由于直轴和交轴磁路的磁阻相同, 所以采用 id= 0 控制。控制命令中直轴电流设为 0, 从而实现最大转矩控制。随着同步电机结构的发展, 永磁同步电机转子多采用内置式磁钢, 利用磁阻转矩增加电机的输出转矩。id= 0 控制电机电枢电流的直轴分量为 0, 不能利用电机的磁阻转矩, 控制效果不好。目前, 永磁同步电机低速时常采用矢量控制, 包括气隙磁场定向、转子磁链定向、定子磁链定向等。 2.高速控制策略: 为了获得更宽广的恒功率运行范围, 永磁同步电机高速运行通常采用弱磁控制。另外, 在电机采用低速转矩控制和高速弱磁控制的同时, 还要考虑如何
第六章 同步电机 6．1 同步电机和异步电机在结构上有哪些区别？ 同步电机：转子直流励磁，产生主磁场，包括隐极和凸极 异步电机：转子隐极，是对称绕组，短路，绕组是闭合的，定子两者都一样。 6．2 什么叫同步电机？怎样由其极数决定它的转速？试问75r/min 、50Hz 的电机是几极的？ 同步电机：频率与电机转速之比为恒定的交流电机601f p n = ，1 606050 7540f n P ?= ==（极） 6．3 为什么现代的大容量同步电机都做成旋转磁极式？ ∵励磁绕组电流相对较小，电压低，放在转子上引出较为方便，而电枢绕组电压高 ，电流大，放在转子上使结构复杂，引出不方便，故大容量电机将电枢绕组作为定子，磁极作为转子，称为旋转磁极式。 6．4汽轮发电机和水轮发电机的主要结构特点是什么？为什么有这样的特点？ 气轮发电机：转速高，一般为一对极，min 3000r n =，考虑到转子受离心力的作用，为很好的固定励磁绕组，转子作成细而长的圆柱形，且为隐极式结构。转子铁心一般由高机械强度和磁导率较高的合金钢锻成器与转轴做成一个整体，铁心上开槽，放同心式励磁绕组。 水轮发电机：n 低，2P 较多，直径大，扁平形，且为立式结构，为使转子结构和加工工艺简单，转子为凸极式，励磁绕组是集中绕组，套在磁极上，磁极的极靴行装有阻尼绕组。 6．6 为什么水轮发电机要用阻尼绕组，而汽轮发电机却可以不用？ 水轮发电机一般为凸极结构，为使转子产生异步转矩，即能异步起动，加阻尼绕组。 汽轮发电机一般为隐极结构，它起动时的原理与异步机相同，∴不必加起动绕组。 6．7 一台转枢式三相同步发电机，电枢以转速n 逆时针方向旋转，对称负载运行时，电枢反应磁动势对电枢的转速和转向如何？对定子的转速又是多少？ 对电枢的转速为n ，为定子的转速为0，方向为顺时针。原因是：要想产生平均转矩，励磁磁势与电枢反应磁势必然相对静止，而现在励磁磁势不变。∴电枢反应磁势对定子也是相对静止的，而转子逆时针转，∴它必须顺时针转，方能在空间静止。 6．11 试述交轴和直轴同步电抗的意义。为什么同步电抗的数值一般较大，不可能做得很小？请分析下面几种情况对同步电抗有何影响？ （1）电枢绕组匝数增加； （2）铁心饱和程度提高； （3）气隙加大； （4）励磁绕组匝数增加。 d X ，q X 表征了当对称三相直轴或交轴电流每相为1A 时，三相联合产生的总磁场（包 括在气隙中的旋转电枢反应磁场和漏磁场）在电枢绕组中每相感应的电动势气隙大，同步电抗大，短路比大，运行稳定性高，但气隙大或同步电抗小，转子铜量大，成本增加，∴同步电抗不能太小。d ad X X X σ=+ q aq X X X σ=+ （1）电枢绕组匝数增加，产生的直轴交轴电枢反应磁通增大，∴d X ，q X 增加，（∵ E N ∝∴,ad aq E E ↑电流不变,ad aq X X ↑）
怎样对电机性能进行测试评估 在人类社会发展中使用工具是发展程度的标志。发电机,电动机使人类社会脱离了人力畜力及水力火力的现场，支撑着你我现代生活的方方面面，随着科学技术的发展对电机的性能也提出了更高的要求，那么，你是怎样对电机性能进行测试评估的呢？ 一、电机的分类 电机是依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置，它的主要作用是把电能转换为机械能，作为用电器或各种机械的动力源。目前电机可以分为两类，一类是需要驱动器驱动的，包括无刷电机、伺服电机、变频，另一类就是比较传统的电机，不用驱动器驱动的，只要给个直流电或者工频交流电就能驱动的，像直流电机、三相/单相异步电机，图1为电机的分类。 图1 电机的分类 二、电机传统的测试方法 测功机是电机的主要测量设备，最初测功机只是针对电机的输入电压、电流、输出转速、扭矩进行测量，计算出电机的输入输出功率和效率。但随着电机行业的飞速发展，电机测试项目越来越多，传统的测功机已无法满足测试需求。图2为传统的测功机。 图2 传统的测功机 传统的测功机所存在的问题如下所述： 1.加载、测试响应慢，只能满足稳态测试需要，无法实现瞬态参数测量； 2.仅支持三相电信号测量，无法实现对电机及电机驱动器的系统性联调测试；
3.精度与带宽不足，无法满足电机变频控制PWM信号的测试需要； 4.电参数测试方面不具备分析功能，无法对谐波、不平衡度等参数进行测量。 三、当前电机测试方法 随着电机行业的飞速发展，电机测试项目越来越多，测功机的功能也随之丰富起来，电机行业当前需要对电机与驱动器进行完整的测试与性能分析，电机性能分析，驱动器分析以及对控制特性瞬态波形与控制响应的分析，传统的测功机是无法做到的，图3为电机行业测试的新需求。 图3 电机行业测试新需求 传统的测功机只是将不同仪器进行组合使用，只发挥单一的功能并不能对系统的综合性能有综合的评估，致远电子凭借在功率分析、电机测量领域的深入理解与长久积累，融合仪器设计与系统集成的理念，推出了具有划时代意义的MPT混合型电机测试系统，同时满足行业对电机及电机控制系统的稳态与瞬态测量需求，引领电机试验进入动态时代。 8种特色分析功能：256次谐波分析；两路矢量图实时直观显示两路三相信号的不平衡度，相位差等参数；16项趋势参数线同时查看；FFT分析；自定义公式波形运算；电机输入功率进行积分；周期分析等等，图4为致远MPT电机测试系统。
第六章 同步电机习题课 一、填空 1. ★在同步电机中，只有存在 电枢反应才能实现机电能量转换。 答 交轴 2. 同步发电机并网的条件是：（1） ；（2） ；（3） 。 答 发电机相序和电网相序要一致，发电机频率和电网频率要相同，发电机电压和电网电压大小要相等、相位要一致 3. ★同步发电机在过励时从电网吸收 ，产生 电枢反应；同步电动机在过励时向电网输出 ，产生 电枢反应。 答 超前无功功率，直轴去磁，滞后无功功率，直轴增磁 4. ★同步电机的功角δ有双重含义，一是 和 之间的夹角；二是 和 空间夹角。 答 励磁电动势，电压，主极轴线，气隙合成磁场轴线 5. 凸极同步电机转子励磁匝数增加使q X 和d X 将 。 答 不变 6. 凸极同步电机气隙增加使q X 和d X 将 。 7. 答 减小 8. ★凸极同步发电机与电网并联，如将发电机励磁电流减为零，此时发电机电磁转矩为 。 答 2 1 q d m U 11( )s i n 2 2X X δ- Ω 二、选择 1. 同步发电机的额定功率指（ ）。 A 转轴上输入的机械功率； B 转轴上输出的机械功率； C 电枢端口输入的电功率； D 电枢端口输出的电功率。 答 D 2. ★同步发电机稳态运行时，若所带负载为感性8.0cos =?，则其电枢反应的性质为 （ ）。 A 交轴电枢反应； B 直轴去磁电枢反应； C 直轴去磁与交轴电枢反应； D 直轴增磁与交轴电枢反应。 答 C 3. 同步发电机稳定短路电流不很大的原因是（ ）。 A 漏阻抗较大； B 短路电流产生去磁作用较强； C 电枢反应产生增磁作用； D 同步电抗较大。 答 B 4. ★对称负载运行时，凸极同步发电机阻抗大小顺序排列为（ ）。
第六章同步电机的稳态分析 6.1同步电机的基本结构和运行状态 一、同步电机的基本结构 按照结构型式，同步电机可以分为旋转电枢式和旋转磁极式两类。 旋转电枢式——电枢装设在转子上，主磁极装设在定子上。这种结构在小容量同步电机中得到一定的应用。 旋转磁极式——主磁极装设在转子上，电枢装设在定子上。对于高压、大容量的同步电机，通常采用旋转磁极式结构。由于励磁部分的容量和电压常较电枢小得多，电刷和集电环的负载就大为减轻，工作条件得以改善。目前，旋转磁极式结构已成为中、大型同步电机的基本结构型式。 在旋转磁极式电机中，按照主极的形状，又可分成隐极式和凸极式，如图6-l所示。 隐极式——转于做成圆柱形，气隙为均匀； 凸极式——转子有明显的凸出的磁极，气隙为不均匀。 对于高速的同步电机(3000r／min)．从转子机械强度和妥善地固定励磁绕组考虑，采用励磁绕组分布于转子表面槽内的隐极式结构较为可靠．对于低速电机(1000r／min 及以下)，转子的离心力较 小，故采用制造简单、励 磁绕组集中安放的凸极式 结构较为合理。大型同步 发电机通常采用汽柁机或 水轮机作为原动机来拖 动，前者称为汽轮发电机， 后者称为水轮发电机。由 于汽轮机是一种高速原动 机，所以汽轮发电机一般 采用隐极式结构。水轮机 则是一种低速原动机，所 以水轮发电机一般都是凸极式结构。同步电动机、由内燃机拖动的同步发电机以及同步补偿机．大多做成凸极式，少数两极的高速同步电动机亦有做成隐极式的。 隐极同步电机 以汽轮发电机为例来说明隐极同步电机的结构。现代的汽轮发电机一般都是两极的，同步转速为3000r／min(对50Hz的电机)。由于转速高，所以汽轮发电机的直径较小，长度较长．汽轮发电机均为卧式结构，图6—2表示一台汽轮发电机的外形图。汽
永磁同步电机失磁故障的对策分析 1.引言 永磁同步电机由于其结构简单、运行可靠、损耗少、功率密度高、电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点，应用范围极为广泛，遍及航空航天、国防、工农业和产和日常生活的各个领域。目前，永磁电机的应用领域仍在不断的拓展，风力发电、电动汽车等新能源领域也在大量使用永磁电机。因此，为了确保像电动汽车这样的应用系统以及其它对可靠性要求更高的应用领域的安全性，必须重视永磁同步电动机运行的可靠性和稳定性。 嵌入电机内的永磁体是永磁同步电机重要的结构部件，它的磁性能直接影响永磁同步电机的效率、性能和可靠性。在温度、电枢反应及机械振动等因素影响下，嵌入电机内的永磁体可能会产生不可逆失磁，使电机性能急剧下降，甚至有可能导致电机停转，对于像电动汽车这样的应用系统，永磁电机的突然失磁是非常危险的。因此，分析永磁同步电机的永磁体磁性能及失磁故障，对电机安全高效运行具有十分重要的意义[1][2]。 2.国内外研究现状 近年来，国内外对永磁材料的失磁机理和永磁同步电机的失磁故障进行了广泛的研究。文献[3]对稀土永磁材料的交流失磁现象进行研究，总结出稀土永磁材料表面磁感应强度在不同频率的交变磁场作用下随时间的变化规律。文献[4]针对稀土永磁同步电机在运行一段时间后性能下降这一现象，分析了引起电机失磁的原因，提出了在检修和运行中避免失磁的一些有效方法。文献[5]提出了一种基于卡尔曼滤波器的永磁同步电机永磁体磁场状况在线监测方法。文献[6][7]中通过建立参数模型或有限元模型来研究电机的失磁故障，提出了一些对永磁同步电机失磁故障的监测方法。文献[10]对失磁故障原因进行了全面的分析，提出了离线和在线检测方法。基于永磁体磁场状况的动态监测，可防止永磁电机失磁状况的恶化，降低不可逆失磁程度。文献[13]提出一种改进的反电势法，可用于永磁体磁链估计。 3.永磁同步电机失磁的发生 任何磁性材料都存在材料自身的磁性能稳定问题。永磁材料也具有失磁特
一、旋转电机有哪些性能参数指标 1．异步电动机主要数据 1）、相数 2）、额定频率（Hz） 3）、额定功率kW 4）、额定电压V 5）、额定电流A 6）、绝缘等级 7）、额定转速（极数）r/min 8）、防护性能 9）、冷却方式 2．异步电机主要技术指标 a)效率η：电动机输出机械功率与输入电功率之比，通常用百分比表示。 b)功率因数COSφ：电动机输入有效功率与视在功率之比。 c)堵转电流IA：电动机在额定电压、额定频率和转子堵住时从供电回路输入 的稳态电流有效值。 d)堵转转矩TK：电动机在额定电压、额定频率和转子堵住时所产生转矩的最 小测得值。 e)最大转矩TMAX：电动机在额定电压、额定频率和运行温度下，转速不发生 突降时所产生的最大转矩。 f)噪声：电动机在空载稳态运行时A计权声功率级dB（A）最大值。 g)振动：电动机在空载稳态运行时振动速度有效值（mm/s）。 3．电动机主要性能中分为：一是起动性能；二是运行性能： 起动性能有：起动转矩、起动电流。一般起动转矩越大越好，而起动时的电流越小越好，在实际中通常以起动转矩倍数（起动转矩与额定转矩之比Tst/Tn）和起动电流倍数（起动电流与额定电流之比Ist/In）进行考核。电机在静止状态时，一定电流值时所能提供的转矩与额定转矩的比值，表征电机的起动性能。 运行性能有： 效率、功率因数、绕组温升（绝缘等级）、最大转矩倍数Tmax/Tn、振动、噪声等。
效率、功率因数、最大转矩倍数越大越好，而绕组温升、振动和噪声则是越小越好。 起动转矩、起动电流、效率、功率因数和绕组温升合称电机的五大性能指标。 二、电动机计算常用的公式 1、电动机定子磁极转速n=（60×频率f）÷极对数p 2、电动机额定功率P=×线电压U×电流I×效率η功率因数COSΦ 3、电动机额定力矩T=9550×额定功率P÷额定转速n 三、防护型式IPXX （GB/T 4208 外壳防护分级（IP代码）） 防护标志由字母IP和两个表示防护等级的表征数字组成。第一位数字表示：防止人体触及或接近壳内带电部分和触及壳内转动部件（光滑的旋转轴和类似部件除外），以及防止固体异物进入电机（表示防尘等级）。第二位数字表示：防止由于电机进水而引起的有害影响（表示防水等级）。 对特殊应用和适用于规定气候条件的电机，其外壳防护等级的表示方法由表征字母、两位表征数字和补充字母三部分组成。 IP 4 4 □ 补充字母 第二位表征数字 第一位表征数字 表征字母 1、第一位表征数字表示外壳对人和壳内部件提供的防护等级。
（一）填空题： 1. 同步发电机的短路特性为一直线，这是因为在短路时电机的磁路处于不饱和状态。 2. 同步发电机正常情况下并车采用准同期法，事故状态下并车采用自同期法。 3. 同步调相机又称为同步补偿机。实际上就是一台空载运行的同步电动机，通常工作于过励状态。 4. 同步发电机带负载时，如0o<Ψ<90o，则电枢反应磁动势F a可分解为 F ad=F a sinΨ，F aq=F a cosΨ。其中F ad电枢反应的性质为去磁性质，F aq电枢反应的性质为交磁性质。 5. 同步发电机与无穷大电网并联运行，过励时向电网输出感性无功功率，欠励时向电网输出容性无功功率。 6. 一台汽轮发电机并联于无穷大电网运行，欲增加有功功率输出，应增大进汽量，欲增加感性无功功率输出，应增加励磁电流。（填如何调节） 7. 汽轮发电机气隙增大时，则同步电抗X t减小，电压调整率?U减小，电机制造成本增加，增加静态稳定性能增加。 8. 当同步电机作发电机运行时，在相位上，超前于；作电动机运行时，滞后于。 （二）判断题： 1. 凸极同步发电机由于其电磁功率中包括磁阻功率，即使该电机失去励磁，仍可能稳定运行。（√） 2. 采用同步电动机拖动机械负载，可以改善电网的功率因数，为吸收容性无功功率，同步电动机通常工作于过励状态。 （√） 3. 同步发电机过励运行较欠励运行稳定，满载运行较轻载运行稳定。（×） 4. 同步发电机采用准同期法并车，当其他条件已满足，只有频率不同时，调节发电机的转速，使其频率与电网频率相等时，合上并联开关，即可并车成功。（×） 5. 汽轮同步发电机与无穷大电网并联运行，只调节气门开度，既可改变有功功率又可改变无功功率输出。（√）
第六章同步电机 6.1 同步电机的气隙磁场，在空载时是如何激励的？在负载时是如何激励的？[答案见后] 6.2 为什么大容量同步电机采用磁极旋转式而不采用电枢旋转式？ [答案见后] 6.3 在凸极同步电机中，为什么要采用双反应理论来分析电枢反应？ [答案见后] 6.4 凸极同步电机中，为什么直轴电枢反应电抗X ad大于交轴电枢反应电抗 X aq？ [答案见后] 6.5 测定同步发电机的空载特性和短路特性时，如果转速降为原来0.95n N，对试验结果有什么影响？ [答案见后] 6.6 一般同步发电机三相稳定短路，当I k=I N时的励磁电流I fk和额定负载时的励磁电流I fN都已达到空载特性的饱和段，为什么前者X d取不饱和值而后者取饱和值？为什么X q一般总是采用不饱和值？ [答案见后] 6.7 为什么同步发电机突然短路，电流比稳态短路电流大得多？为什么突然短路电流大小与合闸瞬间有关？ [答案见后] 6.8 在直流电机中，E>U还是U>E是判断电机作为发电机还是作为电动机运行的依据之一，在同步电机中，这个结论还正确吗？为什么？
[答案见后] 6.9 当同步发电机与大容量电网并联运行以及单独运行时，其cosφ是分别由什么决定的？为什么？ [答案见后] 6.10 试利用功角特性和电动势平衡方程式求出隐极同步发电机的V形曲线。[答案见后] 6.11 两台容量相近的同步发电机并联运行，有功功率和无功功率怎样分配和调节？ [答案见后] 6.12 同步电动机与感应电动机相比有何优缺点？ [答案见后] 6.13 凸极式同步发电机在三相对称额定负载下运行时，设其负载阻抗为R+jX，试根据不考虑饱和的电动势相量图证明下列关系式 [答案见后] 6.14 试述直流同步电抗X d、直轴瞬变电抗X′d、直轴超瞬变电抗X"d的物理意义和表达式，阻尼绕组对这些参数的影响？ [答案见后] 6.15 有一台三相汽轮发电机，P N＝25000kW，U N＝10.5kV，Y接法，cosφN＝0.8（滞后），作单机运行。由试验测得它的同步电抗标么值为X*t＝2.13。电枢电
第六章 同步电机的稳态分析 ?同步电机亦是一种常用的交流电机。与感应电机相比较，同步电机的特点是转子的转速n 与电网频率f 之间具有固定不变的关系,即p f n n s /60==(单位为转/分），转速s n 称为同步转速。若电网的频率不变,则同步电机的转速恒为常值与负载的大小无关。 从原理上看，同步电机即可用作为发电机，亦可用作为电动机或补偿机。现代发电站中的交流发电机几乎全部都是同步发电机。在工矿企业和电力系统中,同步电动机和补偿机用的也不少。 ?本章先简要地介绍同步电机的结构，然后说明空载和负载时同步发电机内的电磁过程，并导出其基本方程。再进一步讨论同步发电机的运行特性、并联运行及同步电动机和同步补偿机,最后分析同步发电机的不对称运行和特种同步电动机。 6.1 同步电机的基本结构和运行状态 ?先说明同步电机的基本结构和运行状态，并简要介绍同步电机的励磁方式和额定值。 一、 同步电机的基本结构 按照结构型式，同步电机可以分为旋转电枢式和旋转磁极式两类。前者的电枢装设在转子上，主磁极装设在定子上。这种结构在小容量同步电机中得到一定的应用。对于高压、大容量的同步电机,长期的制造和运行经验表明，采用旋转磁极式结构比较合理。由于历次部分的容量和电压常较电枢小的多，把电枢装设在定子上,主磁极装设在转子上，电刷和集电环的负载就大为减轻。工作条件得以改善。所以目前旋转磁极式结构已
成为中、大型同步电机的基本结构形式。 ?在旋转磁极式电机中,按照转子主级的形状,同步电机又可分为隐极式和凸极式两种基本型式。如图6-1所示。隐极式转子做成圆柱形，气隙均匀;凸极式转子有明显的凸出的磁极，气隙不均匀。对于高速的同步电机（30０0ｒ/ｍiｎ),从转子机械强度和妥善地固定励磁绕组考虑,采用励磁绕组分布于转子表面槽内的隐极式结构较为可靠。对于低速电机（10００r/ｍin及以下)，由于转子的圆周速度较低、离心力较小,故采用制造简单,励磁绕组集中安放的凸极式结构较为合理。 大型同步发电机通常用汽轮机或水轮机作为原动机来拖动,前者称为汽轮发电机，后者称为水轮发电机。由于汽轮机是一种高速原动机，所以汽轮发电机一般采用隐极式结构。水轮机则是一种低速原动机，所以水轮发电机一般都是凸极式结构。同步电动机、由内燃机拖动的同步发电机以及同步补偿机，大多做成凸极式,少数二极的高速同步电动机亦有做成隐极式的。 ?隐极同步电机：以汽轮发电机为例来说明隐极同步电机的结构。现代的汽轮发电机一