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，励磁电势，电压
5. 凸极同步电机转子励磁匝数增加使X q 和X d 将 。 答 增加
6. 凸极同步电机气隙增加使X q 和X d 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 δs i n 2)X 1X 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cos =0.8，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 >>>>；
C σX X X X X ad d aq q >>>>；
D σX X X X X aq q ad d >>>>。
答 D
5.同步补偿机的作用是（）。
A 补偿电网电力不足；
B 改善电网功率因数；
C 作为用户的备用电源；
D 作为同步发电机的励磁电源。
答 B
三、判断
1.★负载运行的凸极同步发电机，励磁绕组突然断线，则电磁功率为零。（）答错
2.同步发电机的功率因数总是滞后的。（）答错
3.一并联在无穷大电网上的同步电机，要想增加发电机的输出功率，必须增加原动机的输入功率，因此原动机输入功率越大越好。（）答错
4.改变同步发电机的励磁电流，只能调节无功功率。（）答错
5.★同步发电机静态过载能力与短路比成正比，因此短路比越大，静态稳定性越好。（）答错
6.★同步发电机电枢反应的性质取决于负载的性质。（）答错
7.★同步发电机的短路特性曲线与其空载特性曲线相似。（）答错
8.同步发电机的稳态短路电流很大。（）答错
9.利用空载特性和短路特性可以测定同步发电机的直轴同步电抗和交轴同步电抗。（）答错
10.★凸极同步电机中直轴电枢反应电抗大于交轴电枢反应电抗。（）答对
11.与直流电机相同，在同步电机中，E>U还是E 答错 E 与I 电枢电流同相时，其电枢反应的性质为直轴电 12.★在同步发电机中，当励磁电势 枢反应。（） 答错 四、简答 1.★测定同步发电机的空载特性和短路特性时，如果转速降至0.95n1，对试验结果有什么影响？ 答因空载电势E0和转速成正比，如果转速降为0.95n1，则E0也降低到额定转速下的0.95倍。同步电抗与频率成正比，也降低到0.95倍，所以短路电流I k= E0/X d不变。 2.★为什么大容量同步电机采用磁极旋转式而不用电枢旋转式？ 答由于励磁绕组电流相对较小，电压低，放在转子上引出较方便。电枢绕组电压高、容量大，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，为旋转磁极式。 3. ★为什么同步电机的气隙要比容量相同的感应电机的大？ 答 感应电机的励磁电流由电源供给，需要从电网吸取感性无功功率，如果气隙大，则励磁电流大，电机的功率因数低，因此在机械允许的条件下，气隙要尽量小一些。同步电机的气隙磁场由转子电流和定子电流共同激励，从同步电机运行稳定性考虑，气隙大，同步电抗小，短路比大，运行稳定性高。但气隙大，转子用铜量增大，制造成本增加。气隙大小的选择要综合考虑运行性能和制造成本这两方面的要求。 4. ★同步发电机电枢反应性质由什么决定? 答 电枢磁动势的基波与励磁磁动势同转速、同转向，在空间上始终保持相对静止的关 系，但电枢反应的性质取决于这两个磁动势幅值的相对位置，而这一位置与励磁电势0 E 和电枢电流I 之间的相位差，即角度有关，角由决定于负载的性质。当0 E 与I 同相时，=00，电枢反应为交轴电枢反应，交轴电枢反应使气隙合成磁场幅值增加，而其轴线从主 极轴线逆转子转向后移一个锐角。当I 滞后0E 900时，电枢反应为直轴电枢反应，其性质完全是去磁的。当I 超前0 E 900时，，也为直轴电枢反应，其性质完全是助磁的。一般情况下，00<<900，此时的电枢反应兼有直轴去磁作用和交磁作用。 5. 试述直轴和交轴同步电抗的意义？如何用试验方法来测定？ 答 在凸极同步电机中，由于气隙不均匀为了计算方便，将电枢磁动势F a 分解为F ad 和F aq ，分别除以直轴磁阻和交轴磁阻，可得到ad 和aq ，它们分别在定子绕组感应电势E ad 和E aq ，写成电抗压降形式，即 ad d ad X I j E -= ， aq q aq X I j E -= 和分别称为直轴电枢反应电抗和交轴电枢反应电抗，它们分别反映出上述直轴和记者电枢反应磁通的强弱。 直轴同步电抗为 X d =X ad +X 交轴同步电抗为 X q =X aq +X X d 和q X 表征了当对称三相直轴或交轴电流每相为1A 时，三相总磁场在电枢绕组中每相感应的电势。 利用空载和短路特性可测定的X d 不饱和值；利用空载和零功率因数负载特性可测定d X 的饱和值；利用转差法可测定X d 和q X 的不饱和值。 6. ★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 在凸极电机中沿电枢圆周的气隙是很不均匀的，分析其电枢反应时，要用双反应理论， 即 把 电枢反应磁动势分解成垂直和平行于电势0E 的两个分量ad F 和aq F ，它们分别产生直 轴电枢反应磁通ad Φ和交轴电枢反应磁通aq Φ，相应的电流也分解成两个分量。因此 ad ad ad d E F I ∝Φ∝∝ 或 ad d ad X I E =，d ad d I E X = ad ad ad d E F I ∝Φ∝∝ 或 aq q aq X I E =，q aq q I E X = 由于直轴磁路的磁导比交轴磁路的磁导要大得多，同样大小的电流产生的磁通和相应的电势也大德多，所以电抗X ad >X aq 。 7. ★为什么同步发电机的短路特性是一条直线？ 答 同步发电机稳态短路时，电枢磁动势基本上是一个纯去磁作用的直轴磁动势，气隙 合成磁动势为ad f F F F '-='δ，合成电势为σ δX I j E ≈，即合成电势只等于漏抗压降。所以其对应的气隙合成磁通很小，电机的磁路处于不饱和状态，由于气隙合成磁动势 I E F ∝∝'δδ，而I F k F ad ad ad ∝='，所以励磁磁动势ad f F F F '+'=δ必然正比于I ，故短路特性I k =f (I f )是一条直线。 8. ★为什么从空载特性和短路特性不能测定交轴同步电抗？为什么从空载特性和短路特性不能准确测定直轴同步电抗？ 答 凸极同步发电机的电势方程式为 q q d d a X I j X I j R I U E +++=0 三相短路时U=0，由于发电机的电枢电阻远小于同步电抗，短路电流可认为是纯感性的，即 =900，I q =0，I =I d ，d d d X I j X I j E ==0，所以由空载特性测出E 0和短路特性测出I 可求出直轴同步电抗X d 。由于短路情况下电枢磁动势基基本上是一个纯去磁作用的直轴磁动势， 使气隙合成磁动势很小，对应的气隙合成磁通很小，电机磁路处于不饱和状态，这时求出的是X d 的不饱和值。由于I q =0，不能从空载和短路特性求出X q 。 9. ★在直流电机中，E>U 还是E 答 在同步电机中，励磁电势0 E 和电机端电压U 都是电压相量，不能根据它们的大小来判断电机的运行状态，而应该根据气隙合成磁场轴线与主磁极轴线的相对位置来决定。当 主磁极场轴线超前合成磁场轴线时，为发电机状态；重合时为调相机状态；滞后时为电动机状态。 10. ★什么是同步电机的功角特性？角有什么意义？ 答 当电网电压U 和频率f 恒定，参数X d 和X q 为常数、励磁电势E 0不变时，同步电机 的电磁功率只决定于0 E 与U 的夹角， 称为功率角，)(θf P em =为同步电机的功角特 性。 由于电机的漏阻抗远小于同步电抗，从空间上看，功率角可近似认为时主磁极轴线与 气隙合成磁场轴线之间的夹角；从时间上，功率角励磁电势0 E 与电压U 之间的夹角。 11. ★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 取未饱和值而后者取饱和值？为什么X d 一般总是采用不饱和值？ 答 短路时由于电枢反应的去磁作用使气隙磁通很小，电机磁路处于不饱和状态，此时对应的是X d 的不饱和值。额定负载运行时，气隙磁通较大，直轴磁路处于饱和状态，此时 对应的是X d 的饱和值。交轴磁路的气隙大磁阻大，磁路不饱和，故X q 一般取不饱和值。 12. ★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 空载时，定子绕组中没有电流，气隙磁场是由转子绕组中的直流电流激励的。负载后，定子三相电流产生旋转磁动势，其基波以同步速度旋转，与转子相对静止。气隙磁场是由转子绕组中直流电流和定子绕组中三相交流电流共同激励产生的。 13. 试述三相同步发电机准同期并列的条件？为什么要满足这些条件？怎样检验是否满足？ 答：条件是：（1）待并发电机的电压U g 与电网电压U s 大小相等； （2）待并发电机的电压相位与电网电压相位相同； （3）待并发电机的频率f g 与电网频率f s 相等； (4)待并发电机电压相序与电网电压相序一致； 若不满足这些条件： 条件（1）不满足，发电机在并列瞬间会产生有害的滞后（或超前）发电机电压900 （即无功性质）的巨大瞬态冲击电流，使定子绕组端部受冲击力而变形； 条件（2）不满足发电机在并列瞬间会产生有害的滞后（或超前）发电机电压一相位角的巨大瞬态冲击电流，使定子绕组端部受冲击力而变形，同时，冲击电流的有功分量还会在发 电机的转轴上产生冲击机械扭转矩，使机轴扭曲变形，大的冲击电流还会使电枢绕组过热； 条件（3）不满足，发电机在并列时会产生拍振电流，在转轴上产生时正、时负的转矩，使电机振动，同时冲击电流会使电枢绕组端部受冲击力而变形，还会使电枢绕组发热； 条件（4）不满足的发电机绝对不允许并列，因为此时发电机电压 . c g U U 和。恒差1200，△U 恒等于g U 3，它将产生巨大的冲击电流而危及发电机，也可能使发电机不能牵入同步。 13. 与无限大电网并联运行的同步发电机，如何调节有功功率，试用功角特性分析说明？ 答：改变原动机的输出功率或转矩，以改变功率角δ的大小。 见图示：在0－a －m 区域内，改变P 1或T 1，即可改变功率角δ的大小，调节有功 功率P 2、 （1） （1）原工作于a 点，此时P 1=P 2≈P em （忽略Σp ）， 功角为δ； （2）当增大原动机转矩T 1，即增大输入功率至P 1’， 由于输出功率瞬时未变，出现功率差额△P=P 1’-P 1， 在相应于功率差额△P 的剩余转矩作用下，转子加 速，使功角由δ增至δ’，这时输出功率P 2’也相 应增大，直至与输入功率达到新的平衡（P 2’=P 1’）， 于是电机就稳定运行在新的工作点a’点。 14. 用功角特性说明与无限大电网并联运行的同步发电机的静态稳定概念？ 答：忽略电机的各种损耗。 在b 点，em P P =1，em T T =1，当受到某些原因， 使功角增大，则em P P >1，em T T >1，功角继续 增大，发电机功率越小，电磁转矩越小，运行点 离b 点越来越远，最后发电机失步。同理，当某 原因使功角减小时，运行点也不能回到b 点。 所以在b 点运行时，电机不具有静态稳定性。 在a 点，em P P =1，em T T =1，当受到某些原因， 使功角增大，则em P P <1，em T T <1，功角减小， 发电机功率越小，电磁转矩越小，电机能重新回到 a 运行点、同理，当某原因使功角减小时，运行点 P 2P 2 也能回到a 点。所以在a 点运行时，电机具有静态稳定性。 15. 试比较在与无限大电网并联运行的同步发电机的静态稳定性能：并说明理由？ 1） 1）有较大短路比或较小短路比； 2） 2）在过激状态下运行或在欠激状态下运行； 3） 3）在轻载状态下运行或在重载状态下运行； 4） 4）直接接到电网或通过升压变压器、长输电线接到电网。 答：（1）有较大短路比，稳定性好，原因由于K M ∝Kc ，所以短路比大，过载能力大，静稳定性好。 （2）过励状态稳定性好，原因：过励磁时励磁电流大，E 0大，功率极限值大，过载能力大， 所以稳定性好。 （3）轻载状态稳定性好，电机轻载时的运行点比重载时运行点远离功率极限点（超过功率 极限点为不稳定区），所以稳定性好。 （4）直接接到电网时稳定性好，直接接到电网时电抗小，功率极限大，所以稳定性好。 16. 与无限大容量电网并联运行的同步发电机如何调节无功功率？试用相量图分析说明？ 答：调节励磁电流即可调节无功功率的大小。 电机输出的无功功率（以隐极机为例）为： t t x U m x U E m Q 20cos -=δ， 在相量图上可用E 0cos δ―U 来表示，即aU 段， 当增加励磁电流时空载电动势E 0增大，由于调 节励磁电流时有功功率不变化，E 0相量的顶点 只能向上移动，达至点E 0’，此时表示无功功率的 线段部分变为a’U 段，说明调节励磁电流即可改变 无功功率的输出。 (注：图中和式中的x t 就是X s ) 17. 什么是U 形曲线？什么时候是正常激磁、 态下运行？ 答：U 形曲线：与无穷大电网并联运行的同步发电机，在输出有功功率不变的情况下， 改变励磁电流I f ，测出相应的定子电流I ，得到的关系曲线I ＝f(I f )因形状象字母“U ”， 故称为U 形曲线。 正常励磁：cos =1的状态对应励磁电流为I f ； 过励磁：cos 滞后状态对应励磁电流I f ’>I f ； 欠励磁：cos 超前状态。对应励磁电流I f ’ 由于电网功率因数一般为滞后状态，并且发电机过励状态下运行时，静态稳定性好，故发电机一般处于过励磁运行状态。 18. 与无穷大电网并联运行的同步发电机，当调节有功功率输出时，如果要保持无功功率输出不变，问此时此刻功角δ和激磁电流如何变化，定子电流和空载电动势又如何变化，用同一相量图画出变化前、后的相量图。 答：功角δ增大，励磁电流I f 增加，定子电流和空载电动势增大 . U . .'I t . 't x I j . δ’ δ 与无穷大电网并联运行的同步发电机，当保持输入功率不变时，只改变激磁电流时，功角δ是否变化？，输出的有功功率和空载电动势又如何变化？用同一相量图画出变化前、后的相量图 答：假若增加励磁电流I f ，则功角δ减小，输出的有功功率不变，空载电动势增大。 δ’<δ E 0’>E 0 五、计算 1. ★有一台三相汽轮发电机，P N =25000kW ，U N =10.5kV ，Y 接法，cos N =0.8（滞后） ，作单机运行。由试验测得它的同步电抗标么值为13.2* =s X 。电枢电阻忽略不计。每相励磁电势为V 7520，试求分下列几种情况接上三相对称负载时的电枢电流值，并说明其电枢 反应的性质： (1) 每相是Ω52.7纯电阻； (2) 每相是Ω52.7纯电感； (3) 每相是Ω-)52.752.7(j 电阻电容性负载。 解 阻抗基值 Ω=Ω???====Φ53.31025000108.05.10cos 33 6 22 N N N N N N N N P U I U I U Z ? 同步电抗 Ω=Ω?==52.753.313.2* N s s Z X X （1） 纯电阻负载时 电枢电流 A A j jX R E I s 4570752 .752.7075200-∠=+∠=+= 电流滞后于0 E 的角度为=450,故电枢反应是直轴去磁兼交磁作用。 （2） 纯电感负载时 电枢电流 A A j X X j E I s 90500) 52.752.7(07520)(0-∠=+∠=+= 此时为 =900,故电枢反应是直轴去磁作用。 （3） 阻容性负载且X =X s 时，电枢电流 A A X X j R E I s 0100052 .707520)(0∠=∠=-+= 此时为=00,故电枢反应是交磁作用。 2. ★有一台P N =25000kW ，U N =10.5kV ，Y 接法，cos N =0.8（滞后）的汽轮发电机， 13.2*=s X ，电枢电阻略去不计。试求额定负载下励磁电势0E 及0 E 与I 的夹角ψ。 解 845.2)13.216.0(8.0)sin ()cos (222***2** 0=?++=++=s X I U U E ?? 故 kV kV E E 25.173 5.10845.23 5.10* 0=? ==4425 .187.36cos 87.36sin 1554.01cos sin tan =?+?=+= N N U U IX ??ψ 因 281.0845.28 .0cos cos * === E U ?ψ 得 67.73=ψ 3. ★有一台kW P N 725000=，kV U N 5.10=，Y 接法，8.0cos =N ?（滞后）的水轮发 电机，0*=a R ，1*=d X ，554.0*=q X ，试求在额定负载下励磁电势0E 及0 E 与I 的夹角。 解 8.0c o s =N ? 87.36=? 故 27.55=ψ 有 822.027.55sin 1sin **=?== ψI I d 令 01*∠=I 87.361*∠=U 则 73.34822.09027.55822.0*-∠=-∠=d I 又 57.027.55cos 1cos * * =?== ψI I q 则 27.5557.0*∠=q I *****0q q d d X I j X I j U E ++= 544.027.5557.073.34822.0187.361?∠+-∠?+∠= j j 27.55771.1∠= 故 kV kV U E E N 74.1035 .10771.1* 00=?== 4.1887.3627.55=-=-=?ψθ 4. ★★有一台三相1500kW 水轮发电机，额定电压是6300V ，Y 接法，额定功率因数cos N =0.8（滞后） ，已知额定运行时的参数：X d =21.1，X q =13.7 ，电枢电阻可略去不计。 试计算发电机在额定运行时的励磁电势。 解：Ω=== 17.21cos 321N N N N N N P U I U Z ? 11* * ==N d d Z X X 646.01** ==N q q Z X X 43.20481.1)87.3690(646.01****∠=-∠+=+=q Q X I j U E 则 3.5743.20=+=N ?? 将参考向量改为Q E ，则有 349.0937.043.201*j U -=-∠= 90842.0sin *-∠=-=?j I d 54.0cos *==?q I 则 ******0q q d d X I j X I j U E ++= 78.1646.054.0842.0349.0937.0=?++-=j j 故 V V U E E N 4.64743 6300 78.13 * 0=? == 5. ★★有一台凸极同步发电机，其直轴和交轴同步电抗标幺值分别等于 1.0,0.6d q X X **==，电枢电阻可以忽略不计。试计算发电机的额定电压，额定容量，cos 0.8φ=（滞后）时发电机励磁电势*0E 。 解：（方法一） 令 * 1.00U = ∠ 1* cos 0.836.87 1.036.87 I φ-==∴=∠ - 计算电势 **** 1.00 1.036.870.60.48 1.44219.44Q q E E jI X j j =+=∠+∠-?=1.36+=∠ ** 019.4436.8756.31 I E ψ =+=与的夹角 直轴电枢电流 ** sin 1sin 56.310.832d I I ψ==?= 励磁电势 ***** 0() 1.4420.832(10.6) 1.775 Q d d q E E I X X =+-= +-= （方法二） ***sin 0.60.6 arctan arctan arctan1.556.31cos 0.8 q I X U U φψφ ++==== 直轴电枢电流 ** sin 1sin 56.31d I I ψ==? 励磁电势 ****0cos() 1.0cos(56.3136.87)0.8321 1.775 d d E U I X ψφ=-+=?-+? =0.943+0.832= 6. 有一台汽轮发电机并联于无穷大电网，S N =31250KV A ，U N =10、5KV ，cos N =0.8( N >0)， Y 接线，X s =7，忽略电枢电阻求： 1）发电机在额定状态下运行时，功角δ、电磁功率em P 、比整步功率syn P 及过载能力m K ； 2）若维持上述激磁电流不变，但输出有功功率减半时，δ、P em 、P syn 及cos 将为多少？ 3）发电机在额定状态下运行，现仅将激磁电流增加10%（假定磁路不饱和），δ、P em 、cos 及定子电流I 将变为多少？ 解：(1)额定电流A U S I N N N 3.17185 .10331250 3=?= = 额定功率因数角087.368.0arccos ==N ? 额定相电压：V U U N 000.0178.606203 10500 03∠=∠=∠= 空载相电动势： 00. . . 093.3593.16398787.363.1718178.6062∠=?-∠+=+=j x I j U E t N 功角：093.35=N δ 电磁功率：kW S P N N em 250008.031250cos =?=≈? 比整步功率： rad MW x U mE P N t syn /5.3493.35cos 7 178 .606293.163983cos 00=??== δ 过载能力：704.193 .35sin 1 sin 10 ===N M K δ (2)电磁功率： δ δsin 7 178.606293.163983sin 12500102500021 210 '3' ??===??== t em em em x U mE P kW P P 功角：006.17=δ 比整步功率： rad MW x U mE P t syn /8.4006.17cos 7 178 .606293.163983cos 00=??== δ 无功功率： var 9.249807 178 .6062306.17cos 7178.606293.163983cos 2 02 0' K x mU x U mE Q t t =?-??= - =δ 功率因数450)125009.24980cos(arctan )cos(arctan cos ' '。===em P Q ? (2) (3)电磁功率： δ δsin 7178.606293.1639831.1sin 1.110250000'"3' "???==?==t em em em x U mE P kW P P 功角：02.32=δ 无功功率： var 9.239077 2178.6062302.32cos 7178.606293.1639831.12cos 01.1"K t x mU t x U mE Q =?-???=-= δ 功率因数：72.0)250009.23907cos(arctan )cos(arctan cos " " ===em P Q ? 定子电流：A U P I em 2.190972 .0178.606231025000cos 33 "=???==? 该题用标么值计算更简单。 重庆大学电机学（1）第4次课堂测验 2012~2013学年第一学期 考试方式： 测验日期：2012.12.28 测验时间： 45 分钟 一、 单项选择题（每小题2分，共20分） 1．同步发电机的额定功率指额定状态下 B 。 A ．电枢端口输入的电功率； B ．电枢端口输出的电功率； C ．转轴上输入的机械功率； D ．转轴上输出的机械功率。 2．同步发电机带三相对称负载稳定运行时，转子励磁绕组 D 。 A ．感应低频电动势； B ．感应基频电动势； C ．感应直流电动势； D ．不感应电动势。 3．同步发电机稳态运行时，若所带负载性质为感性，则其电枢反应的性质 为 C 。 A ．交磁电枢反应； B ．直轴去磁电枢反应； C ．直轴去磁与交磁电枢反应； D ．直轴增磁与交磁电枢反应。 4．同步电抗表征同步电机三相对称稳定运行时 C 。 A ．电枢反应磁场的一个综合参数； B ．气隙合成磁场的一个综合参数； C ．电枢反应磁场和电枢漏磁场的一个综合参数； D ．励磁磁场和励磁漏磁场的一个综合参数。 5．在对称稳态运行时，凸极同步发电机电抗大小的顺序排列为 D 。 A ．q aq d ad X X X X X >>>>σ； B ．σX X X X X q aq d ad >>>>； C ．σX X X X X ad d aq q >>>>；D ．σX X X X X aq q ad d >>>>。 6．判断同步发电机是过励磁运行状态的依据是 D 。 A ．0E ? 超前于U ? ； B ．0E ?滞后于U ?； C ．I ?超前于U ?；D ．I ?滞后于U ? 。 7．一台并联于无穷大电网的同步发电机，若保持励磁电流不变，在cos 0.8 ?=滞后的情况下，减小输出的有功功率，此时 A 。 A ．功率角减小，功率因数下降； B ．功率角增大，功率因数下降； C ．功率角减小，功率因数增加； D ．功率角增大，功率因数增加。 8．并联于无穷大电网的同步发电机，欲提高其静态稳定性，应 B 。 A ．减小励磁电流，减小发电机的输出功率； B ．增大励磁电流，减小发电机的输出功率； C ．减小励磁电流，增大发电机的输出功率； D ．增大励磁电流，增大发电机的输出功率。 9．一台运行于无穷大电网的同步发电机，在电流超前于电压一相位角时，原动机转矩不变，逐渐增加励磁电流，则电枢电流 D 。 A ．渐大； B ．先增大后减小； C ．渐小； D ．先减小后增大。 10．同步补偿机的作用是 B 。 A ．补偿电网电力不足； B ．改善电网功率因数； C ．作为用户的备用电源； D ．作为同步发电机的励磁电源。 二、 填空题（每空1分，共20分） 1．汽轮发电机转子一般为隐极式，水轮发电机转子一般为凸极式。 2．同步发电机内功率因数角Ψ0=0°时，电枢反应的性质为交轴电枢反应，此时电磁转矩将对转子产生制动作用。 3．在隐极同步电机中，同步电抗X s 的大小正比于电枢绕组每相串联匝数的平方、主磁路的磁导和电枢电流的频率。 4．在不计磁路饱和的情况下，如增加同步发电机的转速，则空载电压增大；如增加励磁电流，则空载电压增大。如励磁电流增加10%，而速度减小10%，则空载电压不变。 5．同步发电机并网的条件是：（1）发电机相序与电网一致；（2）发电机频率与电网相同；（3）发电机的激磁电动势与电网电压大小相等、相位相同。 6．同步发电机在过励时向电网发出滞后的无功功率，产生直轴去磁的电枢反应；同步电动机在过励时向电网吸收超前的无功功率，产生直轴 增磁的电枢反应。 7．与其它旋转电机类似，同步电机运行是可逆的，它即可作发电机运行，又可作电动机运行，还可作补偿机运行。 三、 简答题（共30分） 学院电气工程学院专业、班年级学号姓名 公平竞争、诚实守信、严肃考纪、拒绝作弊 封 线 密 关于1.5KW永磁同步电机控制器的初步方案 基于永磁同步电机自身的结构特点，要实现对转速及位置的伺服控制，采用矢量控制算法结合SVPWM技术实现对电机的精确控制，通过改变电机定子电压频率即可实现调速，为防止失步，采用自控方式，利用转子位置检测信号控制逆变器输出电流频率，同时转子位置检测信号作为同步电机的启动以及实现位置伺服功能的组成部分。 矢量控制的基本思想是在三相永磁同步电动机上设法模拟直流 电动机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分量分解成产生磁通的励磁电流分量id和产生转矩的转矩电流iq分量，并使两分量互相垂直，彼此独立。当给定Id=0，这时根据电机的转矩公式可以得到转矩与主磁通和iq乘积成正比。由于给定Id=0，那么主磁通就基本恒定，这样只要调节电流转矩分量iq就可以像控制直流电动机一样控制永磁同步电机。 根据这一思想，初步设想系统的主要组成部分为：主控制板部分，电源及驱动板部分，输入输出部分。 其中主控制板部分即DSP板，根据控制指令和位置速度传感器以及采集的电压电流信号进行运算，并输出用于控制逆变器部分的控制信号。 电源和驱动板部分主要负责给各个部分供电，并提供给逆变器部分相应的驱动信号，以及将控制信号与主回路的高压部分隔离开。 输入输出部分用来输入控制量，显示实时信息等。 原理框图如下： 基本控制过程：速度给定信号与检测到的转子信号相比较，经过速度控制器的调节，产生定子电流转矩分量Isq_ref，用这个电流量作为电流控制器的给定信号。励磁分量Isd_ref由外部给定，当励磁分量为零时，从电机端口看，永磁同步电机相当于一台他励直流电机，磁通基本恒定，简化了控制问题。另一端通过电流采样得到三相定子电流，经过Clarke变换将其变为α-β两相静止坐标系下的电流，再通过park变换将其变为d-q两相旋转坐标系下电流Isq，Isd，分别与两个调节器的参考值比较，经过控制器调节后变为电压信号Vsd_ref 和Vsq_ref，再经过park逆变换，得到Vsa_ref和Vsb_ref作为SVPWM 同步电动机的起动 1.同步电机的基本原理 同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成。一般分为转场式同步电机和转枢式同步电机。 图1.1给出了最常用的转场式同步发电机的结构模型，其定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。 转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场(也称主磁场、转子磁场) 气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性能有重大影响。 除了转场式同步电机外,还有转枢式同步电机，其磁极安装于定子上，而交流绕组分布于转子表面的槽内，这种同步电机的转子充当了电枢。图中用AX、BY、CZ三个在空间错开120 分布的线圈代表三相对称交流绕组。 图1.1同步电机结构模型 1.1工作原理 主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主 磁场。 载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。 切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。 交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。 感应电势有效值：每相感应电势的有效值为E0 =4.44fNψ Φ 感应电势频率:感应电势的频率决定于同步电机的转速n和极对数p ，即 f=pn/60 交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。 1.2同步转速 同步转速从供电品质考虑，由众多同步发电机并联构成的交流电网的频率应该是一个不变的值，这就要求发电机的频率应该和电网的频率一致。我国电网的频率为50Hz ，故有： n=60f/p=3000/p 要使得发电机供给电网50Hz的工频电能，发电机的转速必须为某些固定值，这些固定值称为同步转速。例如2极电机的同步转速为3000r/min，4极电机的同步转速为1500r/min，依次类推。只有运行于同步转速，同步电机才能正常运行，这也是同步电机名称的由来。 1.3运行方式 同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。作为发电机运行是同步电机最主要的运行方式，作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。同步电机还可以接于电网作为同步补偿机。这时电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。 分析表明，同步电机运行于哪一种状态，主要取决于定子合成磁场与转子主极磁场之间的夹角δ，δ称为功率角。 第2章永磁同步电机结构及控制方法 2.1 永磁同步电机概述 永磁同步电动机的运行原理与电励磁同步电动机相同，但它以永磁体提供的磁通替代后的励磁绕组励磁，使电动机结构较为简单，降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性；又因无需励磁电流，省去了励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度。因而它是近年来研究得较多并在各个领域中得到越来越广泛应用的一种电动机。 永磁同步电动机分类方法比较多：按工作主磁场方向的不同，可分为径向磁场式和轴向磁场式；按电枢绕组位置的不同，可分为内转子式(常规式)和外转子式；按转子上有无起绕组，可分为无起动绕组的电动机(用于变频器供电的场合，利用频率的逐步升高而起动，并随着频率的改变而调节转速，常称为调速永磁同步电动机)和有起动绕组的电动机(既可用于调速运行又可在某以频率和电压下利用起动绕组所产生的异步转矩起动，常称为异步起动永磁同步电动机)；按供电电流波形的不同，可分为矩形波永磁同步电动机和正弦波永磁同步电动机(简称永磁同步电动机)。异步起动永磁同步电动机用于频率可调的传动系统时，形成一台具有阻尼(起动)绕组的调速永磁同步电动机。 永磁同步伺服电动机的定子与绕组式同步电动机的定子基本相同。但根据转子结构可分为凸极式和嵌入式两类。凸极式转子是将永磁铁安装在转子轴的表面，如图 2-1(a)。因为永磁材料的磁导率十分接近空气的磁导率，所以在交轴(q 轴)、直轴(d 轴)上的电感基本相同。嵌入式转子则是将永磁铁安装在转子轴的内部，如图 2-1(b)，因此交轴的电感大于直轴的电感。并且，除了电磁转矩外，还有磁阻转矩存在。 为了使永磁同步伺服电动机具有正弦波感应电动势波形，其转子磁钢形状呈抛物线状，其气隙中产生的磁通密度尽量呈正弦分布；定子电枢绕组采用短距分布式绕组，能最大限度地消除谐波磁动势。永磁体转子产生恒定的电磁场。当定子通以三相对称的正弦波交流电时，则产生旋转的磁场。两种磁场相互作用产生电磁力，推动转子旋转。如果能改变定子三相电源的频率和相位，就可以改变转子的转速和位置。 一、 概述 众所周知，直流电动机有优良的控制性能，其机械特性和调速特性均为平行的直线，这是各类交流电动机所没有的特性。此外，直流电动机还有起动转矩大、效率高、调速方便、动态特性好等特点。优良的控制特性使直流电动机在70年代前的很长时间里，在有调速、控制要求的场合，几乎成了唯一的选择。但是，直流电动机的结构复杂，其定子上有激磁绕组产生主磁场，对功率较大的直流电动机常常还装有换向极，以改善电机的换向性能。直流电机的转子上安放电枢绕组和换向器，直流电源通过电刷和换向器将直流电送入电枢绕组并转换成电枢绕组中的交变电流，即进行机械式电流换向。复杂的结构限制了直流电动机体积和重量的进一步减小，尤其是电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨损和火花，使直流电动机的故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大。换向火花既造成了换向器的电腐蚀，还是一个无线电干扰源，会对周围的电器设备带来有害的影响。电机的容量越大、转速越高，问题就越严重。所以，普通直流电动机的电刷和换向器限制了直流电动机向高速度、大容量的发展。 在交流电网上，人们还广泛使用着交流异步电动机来拖动工作机械。交流异步电动机具有结构简单，工作可靠、寿命长、成本低，保养维护简便。但是，与直流电动机相比，它调速性能差，起动转矩小，过载能力和效率低。其旋转磁场的产生需从电网吸取无功功率，故功率因素低，轻载时尤甚，这大增加了线路和电网的损耗。长期以来，在不要求调速的场合，例如风机、水泵、普通机床的驱动中，异步电动机占有主导地位，当然这类拖动中，无形中损失了大量电能。 过去的电力拖动中，很少彩同步电动机，其主要原因是同步电动机不能在电网电压下自行起动，静止的转子磁极在旋转磁场的作用下，平均转矩为零。人们亦知道变频电源可解决同步电动机的起动和调速问题，但在70年代以前，变频电源是可想而不可得的设备。所以，过去的电力拖动中，很少看到用同步电动机作原动机。在大功率范围内，偶尔也有同步电动机运行的例子，但它往往是用来改善大企业的电网功率因数。 自70年代以来，科学技术的发展极大地推动了同步电动机的发展和应用，主要的原因有： 1、高性能永磁材料的发展 永磁材料近年来的开发很快，现有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类。稀土永磁体又有第一代钐钴1：5，第二代钐钴2：17和第三钕铁硼。铝镍钴是本世纪三十年代研制成功的永磁材料，虽其具有剩磁感应强度高，热稳定性好等优点，但它矫顽力低，抗退磁能力差，而且要用贵重的金属钴，成本高，这些不足大大限制了它在电机中的应用。铁氧体磁体是本世纪五十年代初开发的永磁材料，其最大的特点是价格低廉，有较高的矫顽力，其不足是剩磁感应强度和磁能积都较低。钐钴稀土永磁材料在六十年代中期问世，它具有铝镍钴一样高的剩磁感应强度，矫顽力比铁氧体高，但钐稀土材料价格较高。80年代初钕铁硼稀土永磁材料的出现，它具有高的剩磁感应强度，高的矫顽力，高的磁能积，这些特点特别适合在电机中使用。它们不足是温度系数大，居里点低，容易氧化生锈而需涂复处理。经过这几年的不断改进提高，这些缺点大多已经克服，现钕铁硼永磁材料最高的工作温度已可达180℃，一般也可达150℃，已足以满足绝大多数电机的使用要求。表1是各种永磁材料性能比较。 表1各种永磁材料的性能比较 永磁材料剩磁（T）Br(T) 矫顽力HcB(KA/m) 内禀矫顽力Hcj(KA/m) 最大磁能积(BH)m（KJ/m3）剩磁可逆温度系数αB(%C) 居里温度Tc8(C) 中等水平钕铁硼`` 1.26 967 955 310 -0.12 350 较高水平的钐钴1.00 746 766 210 -0.03 850 永磁同步电机矢量控制 1 引言 永磁同步电机(PMSM)体积小，重量轻，转子无发热问题，具有损耗低、电气时间常数小、响应快等特点，因此在高控制精度与高可靠性等方面显示出优越的性能，永磁同步电动机调速系统正在成为近代交流调速领域中研究的一个热门课题。 2 基本原理 (1) PMSM 的数学模型 dq0 坐标系中，永磁同步电动机的基本电压方程通常可以表示为 d s d d q q s q q d u R i p u R i p ψωψψωψ=+-=++ 式中u d ，u q 为定子电压的直、交轴分量；R s 为定子绕组电阻；p 为微分算子；ω为电动机转子角频率。 定子磁链方程为 d d d f q q q L i l i ψψψ=+= 式中ψd ，ψq 为转子坐标系下直、交轴磁链；L d ，L q 为PMSM 的直轴、交轴电感；i d ，i q 为定子电流的直、交轴分量；ψf 为转子磁钢在定子上的耦合磁链。 永磁同步电机的转矩方程为 ()()33 22 e m d q q q m f q d q d q T p i i p i L L i i ψψψ??= -=+-?? 式中p m 为永磁同步电机的极对数。 (2) PMSM 的转子磁场定向控制策略 PMSM 的电磁转矩基本上取决于定子交轴分量和直轴电流分量，在矢量控制下，采用按转子磁链定向(i d =0)控制策略，使定子电流矢量位于q 轴，而无d 轴分量，既定子电流全部用来产生转矩，此时，PMSM 的电压方程可写为： d q q s q q d u u R i p ωψψωψ==++ 电磁转矩方程为： 3 2 e m f q T p i ψ= 此种控制方式最为简单，只要准确地检测出转子空间位置(d 轴)，通过控制逆变器使三相定子的合成电流(磁动势)位于q 轴上，那么，PMSM 的电磁转矩只与定子电流的幅值成正比，即控制定子电流的幅值就能很好地控制电磁转矩，此时PMSM 的控制就类似于直流电机的控制。图1给出PMSM 调速控制系统原理框图。 大型高压同步电动机，由于其具有一系列优点，特别是能向电网发送无功功率，改善电网质量，在各行各业得到广泛应用。我公司球磨机用同步电动机曾在一段时期内频繁损坏，直接影响到我公司的生产和设备的安全运行。因此正确分析判断同步电机的故障原因，并提出相应对策，就成了我们的当务之急。 一、事故征象 我公司现有16台1300KW/6KV同步电动机。在2000年以前平均每年要出现2～3次电机烧损的事故。其事故主要征象为：定子绕组端部绑线崩断，电机定子绕组过热，起动绕组笼条开焊、断裂，电机起动及运行中出现异常声响，经常启动失败等现象。 尤其是在1999年1月12日我公司7#同步电动机运行过程中突然放炮，造成7#同步电动机定子线圈局部严重烧坏，高压电缆接头烧损，电流互感器崩坏，由于7#同步机脱扣装置拒动，保护不能正常动作，持续大电流引起密地变电所密27选Ⅱ线保护动作跳闸，影响到选Ⅱ所带其它用电设备停机。 二、事故原因的基本判断分析 1、电机质量分析： 电机的正常使用寿命一般应在20年左右。统计我公司所损坏的同步电动机，运行寿命大多在10年以下，尤其是这台7#同步电动机大修后，投运仅4个月便出现了这次放炮烧损事故。 在事故分析中，部分电气技术人员将事故的主要原因归结到电机的大修上。这种大面积的电机损害事故，将事故原因归结到电机质量上，我对此提出异议。建议将视线转移到对励磁系统的分析上；事实证明，电机修理厂在电机返修中对其重点部位进行了种种加强措施，甚至于提高了绝缘等级，但效果并不显著。损坏事故仍不断出现。 2、励磁系统原因分析： 针对同步电动机起动运行过程中发生异常声响、电机定子绕组过热、起动绕组笼条开焊、断裂等诸多现象，在排除电机质量原因引起事故的条件下，有必要对现行的励磁系统进行合理的分析，从而找出电机频繁损坏的真正原因：励磁系统设计不合理。 三、励磁系统存在的主要问题与电机故障原因的内在联系 1、励磁装置起动回路设计不合理，使同步电机经常处在脉振情形下起动。 原主电路为桥式半控励磁装置，其原理图如图1所示。 电机在起动过程中，在转子线圈内将感应一交变电势，其正半波通过ZQ形成回路，产生+if；而其负半波则通过KQ及RF形成回路，产生-if。由于负载电路不对称，形成+if与-if 电流不对称，if曲线如图2所示。电机定子电流因此也产生强烈脉振，其曲线如图3。电机因而遭受到脉振转矩的强烈振动。造成整个厂房大厅内都可以听到电机起动过程发出的强烈振动声。这种声音一直持续到电机起动结束才消失。 同步电机与异步电机区别说的非常好 公司标准化编码 [QQX96QT-XQQB89Q8-NQQJ6Q8-MQM9N] 一、同步电机和异步电机在设计上的不同： ①同步与异步的最大区别就在于看他门的转子速度是不是与定子旋转的磁场速度一致，如果转子的旋转速度与定子是一样的，那就叫同步电动机，如果不一致，就叫异步电动机。。。 ②当极对数一定时，电机的转速和频率之间有严格的关系，用电机专业术语说，就是同步。异步电机也叫感应电机，主要作为电动机使用，其工作时的转子转速总是小于同步电机。 ③所谓“同步”就是电枢（定子）绕组流过电流后，将在气隙中形成一旋转磁场，而该磁场的旋转方向及旋转速度均与转子转向，转速相同，故为同步。 异步电机的话，其旋转磁场与转子存在相对转速，即产生转距。 二、为什么会同步，为什么会不同步呢？ 同步电机和异步电机的定子绕组是相同的，主要区别在于转子的结构。同步电机的转子上有直流励磁绕组，所以需要外加励磁电源，通过滑环引入电流；而异步电机的转子是短路的绕组，靠电磁感应产生电流。相比之下，同步电机较复杂，造价高。 同步和异步电机均属交流动力电机，是靠50Hz交流电网供电而转动。异步电机是定子送入交流电，产生旋转磁场，而转子受感应而产生磁场，这样两磁场作用，使得转子跟着定子的旋转磁场而转动。其中转子比定子旋转磁场慢，有个转差，不同步所以称为异步机。而同步电机定子与异步电机相同，但其转子是人为加入直流电形成不变磁场，这样转子就跟着定子旋转磁场一起转而同步，始称同步电机。 简单的说就是：异步电机的转子上没加直流励磁电流，同步电机的转子上加了一个直流励磁电流使转子的转速与定子与转子切割产生的磁场转速一致。 三、同步发电机转子为什么要通入直流励磁电流，而不通入交流励磁电流？ 按工频50HZ考虑，转子通入直流励磁电流，可在定子绕组中感应出50HZ电势。 转子通入交流励磁电流后，可分解为正向与反向两个旋转磁场，正向旋转磁场旋转速度与转子旋转速度迭加，在定子绕组中感应出100HZ电势；反向旋转磁 永磁交流同步电机矢量控制理论基础 0、失量控制的理论基础是两个坐标系变换，这是每一个学习过交流调速的人应 该熟记的两种变换。介于目前市面上流行的各类书籍的这一部分总有些这里那里的问题（也就是错误）。为了自己不被误导，干脆自己推导一边，整理如下。所有的推导针对3相永磁同步电机的矢量控制。 1、永磁交流同步电机的物理模型。 首先看几张搜集的图/照片，图1~7： 现分别说明如下： a.图1~3可以看出电机定子的情况。我和大家都比较熟悉圆圈中间加个“叉” 或者“点”的定子，通过这几张图应该比较清楚地认识定子的结构了。 b.图1中留出4个抽头，其中一个应该是中线，但是，在伺服用的永磁同步 电机，只连接3根线的。 c.图2是一个模型，红蓝黄三色代表三相绕组，在定子齿槽中上下穿梭，形 成回路的。 d.定子绕线连接可以从图7很清楚地看到，从A进入开始，分别经过1（上）， 7（下），2（上），8（下），14（上），8（下），13（上），7（下）， 13（上），19（下），14(上)，20（下），2（上），20（下），1（上）， 19（下）然后到X。一相绕组经过8个齿槽，占全部齿槽的1/3，每个齿 槽过两次，但每次方向是相同的。最后上上下下的方向如同图6所示。 e.三相绕组通电后，形成如同图6所示的电流分布，每相邻的6根是电流同 方向的。这样，如果把1和24像纸的里面拉，将这一长排围城一个圆， 则，1和7之间向里形成N（磁力线出）极的中心，12和13之间形成S （磁力线入）极的中心。这里，个人认为图6中的N、S分段有些错误， 中心偏移了，不知道是不是理解错误，欢迎指正，这图是我找的，不是我 画的，版权不属我：）。 f.同极磁场的分布有中心向两侧减弱的，大家都说是正弦分布，我是没分析 过，权且认同吧，如图5所示。 g.如图1同步电机的运转就是通过旋转定子磁场，转子永磁磁极与定子的磁 极是对应的N、S相吸，可以同步地运行。 h.实际电机定子槽数较多，绕线方式也有不同。旋转磁场的旋转是通过如图 6中的一个磁极6个齿槽一起向右/左侧移位 2、永磁同步电机数学模型 这才是本文的重点。学习这部分，先不要考虑电机，直接死记两种变换。 这两个变换都是定子侧的电流旋转，旋转的原则是，不论怎么变换都是其实都是一种假想的坐标系，一种变换游戏，都只有原始的三相绕线，通三相电流。 变换的目的是从中找出另外一个与电机转矩又直接关系的“状态量”——转矩电流，来控制转矩。实际矢量控制时，这一切变换都是在计算机里完成，最后又通过控制三相电流的，但此时的三相电流给定值可以保证这个“状态量”是我想要的那个数值。为什么非要变换？因为要对电机进行控制（速度控制），使电机按照你的意图运转，必须控制加到电机转子上的转矩，而转矩与三相电流之间的直接对应关系是没法直接写出来的，（如同质量与重量之间的关系，速度与位移之间的关系这么简单）。只有通过变换，才可以清楚地找出这个对应关系，其实， 图8定子静止三相到静止两图9 静止两相到旋转两相的变换 同步磁阻电机及其控制技术的发展和应用 摘要：本文简单介绍了同步磁阻电机(SynRM)的运行原理。追溯同步磁阻电机的发展历史，总结了同步磁阻电机的结构和运行特点。根据同步磁阻电机的特点结合目前国内外研究现状讨论了同步磁阻电机现有的几种高性能控制方法。最后根据同步磁阻电机当前的研究进展结合其取得的优越性能介绍了其在电动汽车和高速发电等领域的应用。 关键词:同步磁阻电机 1同步磁阻电机的原理 SynRM 运行原理与传统的交、直流电动机有着根本的区别，它不像传统电动机那样依靠定、转子绕组电流产生磁场相互作用形成转矩，而遵循磁通总是沿着磁阻最小路径闭合的原理，通过转子在不同位置引起的磁阻变化产生的磁拉力形成转矩。 SynRM 在dq 轴系下的电压、磁链、电磁转矩和机械运动方程为： 电压方程： (1)磁链方程： (2) 电磁转矩方程： (3) Ld、Lq为绕组d、q轴电感；Rs为定子绕组相电阻；ωr为转子电角速度；ψd、ψq为定子d、q 轴磁链，p n为电机极对数；β为电流综合矢量与d轴之间的夹角[1]。 2同步磁阻电机的发展历史 早在二十世纪二十年代Kostko J K等人提出了反应式同步电机理论[2]，M．Doherty 和Nickle 教授提出磁阻电机的概念，此后国外关于许多专家和学者对同步磁阻电机的的能、转子结构和控制方法进行较深入研究。早期的同步磁阻电机由一个无绕组凸级转子和一个与异步电机类似的定子组成。在转子轭q轴方向加上两道气隙, 以增加q 轴磁阻。利用d -q 轴的磁阻差来产生磁阻转矩。转子周边插上鼠笼条以产生异步起动转矩。然而, 由于该异步转 矩的作用, 又将引起转子震荡而难以保证电机正常运行。六十年代初, 出现了第二代同步磁阻电机它利用块状转子结构来增加d-q 轴磁阻差, 同时不用鼠笼条来起动转矩, 而直接靠逆变器变频来起动, 从而减轻了转子震荡现象[3]。然而, 为产生足够的磁阻转矩, 需要定子侧有较大的励磁电流, 致使该电机功率因素和效率都很低, 从而影响了该种电机的推广使用。为尽可能增大d-q 轴磁阻差, 同时减小励磁电流, 增大功率因素, 在七十年代初期产生了第三代同步磁阻电机, 采用轴向多层迭片结构, 以获得最大的d 轴电感和最小q 轴电感, 而得到最大磁阻转矩[4]。采用该转子结构后, d-q 轴电感之比可以达到20, 其输出功率可以达到同尺寸大小的异步电机输出功率。1991 年美国威斯康星大学T.A.Lipo教授对同步磁阻电机的转子结构进行进一步优化，发表文章提出SynRM 在交流调速驱动系统中替代异步电动机的可能性的问题[5,6]。1993 年英国的https://www.doczj.com/doc/f516023071.html,ler 教授指导的课题组对SynRM 不同转子结构的磁路进行了分析和研究，试图寻找更优化的转子结构提高电机的凸极率，并重点对轴向叠片转子结构SynRM 转子叠片层数、绝缘占有率进行了优化，得到优化后的样机在最大转矩电流比控制时功率因数为0.7 左右[7,8]。文献[9]对冲片叠压式SynRM 转子空气层做了较为深入的分析，通过有限元和仿真实验设计优化了转子结构，主要分析了转子空气层含有率、位置、个数，转子气隙以及电机饱和对电机电磁参数的影响，指出了空气层含有率、转子气隙、电机饱和对电机性能影响较大，同时优化后的样机其功率因数为0.72，对SynRM的电磁设计与分析具有很好的参考价值。文献[10]对冲片叠压式SynRM 三种转子结构的磁场分布进行了分析和比较，指出转子空气层之间的连接处将会给d 轴磁通提供较小磁阻磁路，去掉转子空气层之间的连接处将明显提高电机的功率因数。文献[11,12]提出了采用有限元和罚函数法，通过比较冲片叠压式SynRM 凸极率和交、直轴电感差值，自动ACAD 绘图、剖分和数据存储来快速优化转子结构提高电机力能指标的方法。 我国对SynRM 的研究起步较晚。1994 年，华中科技大学辜承林教授指导的课题组设计制作出国内第一台两极的ALA 转子样机，其样机的凸极率和功率因数分别达到了11和0.85 左右，但其结构加工较复杂[13-17]。文献[18]根据能量平衡的观点，以异步电机为参照，分析了SynRM交、直轴电感以及凸极率对电机性能的影响，并指出对于确定的凸极率理论上有最大的功率因数与之对应，反之对于确定的功率因数理论上有最小的凸极率与之对应。在SynRM 设计时凸极率应根据电机的过载能力和功率因数的要求而正确选择，单纯追求增大凸极率是不适当的。指出在电机应用中，功率因数小于0.85且容量较小时，SynRM 可与异步电机匹敌。文献[19]介绍了SynRM 的结构及仿真设计。电机转子采用栅格叠片结构，驱动控制器采用电流矢量控制方式，指出SynRM 与感应电动机相比，具有效率高、功率密度大等优点；与永磁同步电动机相比，在同等功率条件下大大降低了电机的成本，同时拓宽了电机的使用范围，提高了电机运行的可靠性。 2011年ABB公司在同步磁阻电机转子设计方面取得突破性进展，如今已经有了应用于工业应用中的商业化产品。 3同步磁阻电机的性能特点 3.1相比于传统电机的优点 与传统直流电动机相比，SynRM 没有电刷和滑环，维修简单方便。与异步机相比，SynRM 转子上没有绕组，则没有转子铜耗，基本上不存在转子发热问题，提高了电机的运行效率和安全性，另外由于转子上没有阻尼绕组电机响应不受转子时间常数的限制，动态响应速度快。与开关磁阻电机相比，SynRM可以做到转子表面光滑、磁阻变化较为连续，避免了开关磁阻电机运行时转矩脉动和噪声大的问题。由于磁阻正弦变化使得矢量控制能够被用于同步磁阻电机以便于取得很好的控制性能。与永磁同步电机相比，SynRM 转子上没有 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 一、概述 众所周知，直流电动机有优良的控制性能，其机械特性和调速特性均为平行的直线，这是各类交流电动机所没有的特性。此外，直流电动机还有起动转矩大、效率高、调速方便、动态特性好等特点。优良的控制特性使直流电动机在70年代前的很长时间里，在有调速、控制要求的场合，几乎成了唯一的选择。但是，直流电动机的结构复杂，其定子上有激磁绕组产生主磁场，对功率较大的直流电动机常常还装有换向极，以改善电机的换向性能。直流电机的转子上安放电枢绕组和换向器，直流电源通过电刷和换向器将直流电送入电枢绕组并转换成电枢绕组中的交变电流，即进行机械式电流换向。复杂的结构限制了直流电动机体积和重量的进一步减小，尤其是电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨损和火花，使直流电动机的故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大。换向火花既造成了换向器的电腐蚀，还是一个无线电干扰源，会对周围的电器设备带来有害的影响。电机的容量越大、转速越高，问题就越严重。所以，普通直流电动机的电刷和换向器限制了直流电动机向高速度、大容量的发展。 在交流电网上，人们还广泛使用着交流异步电动机来拖动工作机械。交流异步电动机具有结构简单，工作可靠、寿命长、成本低，保养维护简便。但是，与直流电动机相比，它调速性能差，起动转矩小，过载能力和效率低。其旋转磁场的产生需从电网吸取无功功率，故功率因素低，轻载时尤甚，这大增加了线路和电网的损耗。长期以来，在不要求调速的场合，例如风机、水泵、普通机床的驱动中，异步电动机占有主导地位，当然这类拖动中，无形中损失了大量电能。 过去的电力拖动中，很少彩同步电动机，其主要原因是同步电动机不能在电网电压下自行起动，静止的转子磁极在旋转磁场的作用下，平均转矩为零。人们亦知道变频电源可解决同步电动机的起动和调速问题，但在70年代以前，变频电源是可想而不可得的设备。所以，过去的电力拖动中，很少看到用同步电动机作原动机。在大功率范围内，偶尔也有同步电动机运行的例子，但它往往是用来改善大企业的电网功率因数。 自70年代以来，科学技术的发展极大地推动了同步电动机的发展和应用，主要的原因有：1、高性能永磁材料的发展 永磁材料近年来的开发很快，现有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类。稀土永磁体又有第一代钐钴1：5，第二代钐钴2：17和第三钕铁硼。铝镍钴是本世纪三十年代研制成功的永磁材料，虽其具有剩磁感应强度高，热稳定性好等优点，但它矫顽力低，抗退磁能力差，而且要用贵重的金属钴，成本高，这些不足大大限制了它在电机中的应用。铁氧体磁体是本世纪五十年代初开发的永磁材料，其最大的特点是价格低廉，有较高的矫顽力，其不足是剩磁感应强度和磁能积都较低。钐钴稀土永磁材料在六十年代中期问世，它具有铝镍钴一样高的剩磁感应强度，矫顽力比铁氧体高，但钐稀土材料价格较高。80年代初钕铁硼稀土永磁材料的出现，它具有高的剩磁感应强度，高的矫顽力，高的磁能积，这些特点特别适合在电机中使用。它们不足是温度系数大，居里点低，容易氧化生锈而需涂复处理。经过这几年的不断改 第十一章三相交流同步发电机 在使用交流电制的船舶中，均采用三相交流同步发电机作为主电源设备。交流同步发电机是一种能量转换装置，它将原动装置发出的机械能转换成电能。根据原动机的形式，通常有中速柴油机发电机组，有的也配有转速较高的汽轮机发电机组。随着现代船舶的大型化，船用发电机的单机容量不断增大，船舶自动化程度大幅提高，对发电机运行的稳定性及可靠性提出了更高的要求。 4.1三相交流同步电机的构造与工作原理 4.1.1三相交流同步电机的构造 三相交流同步电机是由定子部分及转子部分组成。定子铁芯、转子铁芯和定转子间的气隙构成同步电机的磁路。以转子绕组形式分类，有旋转电枢式和旋转磁极式。对于高压、大容量的同步电机，通常采用旋转磁极式结构，即主磁极装设在转子上，电枢装设在定子上。由于励磁部分的容量和电压较电枢少得多，电刷和集电环的负载就大为减轻，工作条件得以改善。目前，旋转磁极式结构已经成为包括船舶发电机在内的中、大型同步电机的基本结构形式。 1 定子电枢构造： 定子电枢的同步电机，定子铁心是由硅钢片叠成。定子铁心槽内嵌放的三相对称绕组也是依次相差120空间电角度或120空间机械角度，其中p为极对数。三相绕组又称电枢绕组，电力发电机基本上都采用Ｙ联接。 定子结构由铁芯、电枢三相绕组、机座和端盖等部件所组成，与异步电机定子基本相同。甚至相同机座号时，若与异步机互换定子，仍然可以运行。与异步电机的主要区别是尺寸方面，相同外形情况下，同步电机通常容量较大，而同步机的容量相对较小。从表面上看，同步机机壳表面较光，无散热片，而异步机表面带有散热槽。 2 转子： 旋转磁极式同步电机的转子有两种结构形式：一种有明显的磁极，成为凸极式，另一种转子为一个圆柱体，表面上开有槽，无明显的磁极，称为隐极式。而这两种转子绕组均时直流绕组，通以直流电流，产生恒定的磁极主磁通，并随原动机的运转而形成旋转磁动势。 同步发电机的转子可以采用凸极式和隐极式。由于水轮机、低速柴油机的转速较低（1000r/min及以下），通常把发电机的转子做成凸极式的；对于汽轮发电机，包括中高速柴油机发电机，由于转速较高（1500r/min乃至3000r/min以上），为了很好地固定励磁绕组，通常把发电机的转子做成隐极式的。无论是隐极式转子还是凸极式转子，其磁极均以N—S —N—S机顺序排放，励磁绕组的两个出线端分别接到固定的转轴上彼此绝缘的两个滑环上或旋转整流器的直流侧上，以产生磁极主磁通。对应的励磁供电可以通过固定的电刷装置与滑环的滑动接触将直流电流引入励磁绕组中，或通过自带的励磁机整流后向励磁绕组供电。 为了降低转子表面线速度，隐极式转子通常制成细长的圆柱体。隐极式转子的磁极一般为一对极或二对极。通常凸极式同步发电机的转子可制成一对极、二对极、三对极等，每个磁极上套放励磁绕组。 4.1.2三相交流同步电机的工作原理 当同步发电机的转子在原动机的拖动下达到同步转速n0时，由于转子绕组是由直流电流I f励磁，所以转子绕组在气隙中所建立的磁场相对于定子来说是一个与转子旋转方向相同、转速大小相等的旋转磁场。该磁场切割定子上开路的三相对称绕组，在三相对称绕组中产生三相对称空载感应电动势E0。若改变励磁电流的大小则可相应地改变感应电动势的大小，此时同步发电机处于空载运行。 当同步发电机带负载后，定子绕组构成闭合回路，产生定子电流，该电流是三相对称电 异步电机(感应电机)的工作原理是通过定子的旋转磁场在转子中产生感应电流, 产生电磁转矩,转子中并不直接产生磁场.因此,转子的转速一定是小于同步速的(没有这个差值,即转差率,就没有转子感应电流),也因此叫做异步电机. 而同步电机转子本身产生固定方向的磁场(用永磁铁或直流电流产生),定 子旋转磁场"拖着"转子磁场(转子)转动,因此转子的转速一定等于同步速,也因此 叫做同步电机. 作为电动机时,大部分是用异步机;发电机都是同步机。 同步电机和异步电机的区别 三相交流电通过一定结构的绕组时,要产生旋转磁场.在旋转磁场的作用下, 转子随旋转磁场旋转.如果转子的转速同旋转磁场的转速完全一致,就是同步电机;如果转子的转速小于磁场转速,也就是说两者不同步,就是异步电机.异步电机结 构简单,应用广泛.同步电机要求转子有固定的磁极(永磁或电磁),如交流发电机和 同步交流电动机. 电机的转速（定子转速）小于旋转磁场的转速，从而叫为异步电机。它和感应电机基本上是相同的。s=(ns-n)/ns。s为转差率， ns为磁场转速，n为转子转速。 基本原理：(1)当三相异步电机接入三相交流电源时，三相定子绕组流过三相对 称电流产生的三相磁动势（定子旋转磁动势）并产生旋转磁场。 (2)该旋转磁场与转子导体有相对切割运动,根据电磁感应原理,转子导体产生感 应电动势并产生感应电流。 （3）根据电磁力定律，载流的转子导体在磁场中受到电磁力作用，形成电磁转矩，驱动转子旋转，当电动机轴上带机械负载时，便向外输出机械能。 特点: 优点：结构简单，制造方便，价格便宜，运行方便。 缺点：功率因数滞后，轻载功率因数低，调速性能稍差。 主要做电动机用，一般不做发电机！ 异步电机是一种交流电机，其负载时的转速与所接电网的频率之比不是恒定关系。异步电机包括感应电机、双馈异步电机和交流换向器电机。感应电机应用最广，在不致引起误解或混淆的情况下，一般可称感应电机为异步电机。 普通异步电机的定子绕组接交流电网，转子绕组不需与其他电源连接。因此，它具有结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠以及质量较小，成本较低等优 永磁同步电动机的应用前景.txt再过几十年，我们来相会，送到火葬场，全部烧成灰，你一堆，我一堆，谁也不认识谁，全部送到农村做化肥。一、概述 众所周知，直流电动机有优良的控制性能，其机械特性和调速特性均为平行的直线，这是各类交流电动机所没有的特性。此外，直流电动机还有起动转矩大、效率高、调速方便、动态特性好等特点。优良的控制特性使直流电动机在70年代前的很长时间里，在有调速、控制要求的场合，几乎成了唯一的选择。但是，直流电动机的结构复杂，其定子上有激磁绕组产生主磁场，对功率较大的直流电动机常常还装有换向极，以改善电机的换向性能。直流电机的转子上安放电枢绕组和换向器，直流电源通过电刷和换向器将直流电送入电枢绕组并转换成电枢绕组中的交变电流，即进行机械式电流换向。复杂的结构限制了直流电动机体积和重量的进一步减小，尤其是电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨损和火花，使直流电动机的故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大。换向火花既造成了换向器的电腐蚀，还是一个无线电干扰源，会对周围的电器设备带来有害的影响。电机的容量越大、转速越高，问题就越严重。所以，普通直流电动机的电刷和换向器限制了直流电动机向高速度、大容量的发展。 在交流电网上，人们还广泛使用着交流异步电动机来拖动工作机械。交流异步电动机具有结构简单，工作可靠、寿命长、成本低，保养维护简便。但是，与直流电动机相比，它调速性能差，起动转矩小，过载能力和效率低。其旋转磁场的产生需从电网吸取无功功率，故功率因素低，轻载时尤甚，这大增加了线路和电网的损耗。长期以来，在不要求调速的场合，例如风机、水泵、普通机床的驱动中，异步电动机占有主导地位，当然这类拖动中，无形中损失了大量电能。 过去的电力拖动中，很少彩同步电动机，其主要原因是同步电动机不能在电网电压下自行起动，静止的转子磁极在旋转磁场的作用下，平均转矩为零。人们亦知道变频电源可解决同步电动机的起动和调速问题，但在70年代以前，变频电源是可想而不可得的设备。所以，过去的电力拖动中，很少看到用同步电动机作原动机。在大功率范围内，偶尔也有同步电动机运行的例子，但它往往是用来改善大企业的电网功率因数。 自70年代以来，科学技术的发展极大地推动了同步电动机的发展和应用，主要的原因有：1、高性能永磁材料的发展 永磁材料近年来的开发很快，现有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类。稀土永磁体又有第一代钐钴1：5，第二代钐钴2：17和第三钕铁硼。铝镍钴是本世纪三十年代研制成功的永磁材料，虽其具有剩磁感应强度高，热稳定性好等优点，但它矫顽力低，抗退磁能力差，而且要用贵重的金属钴，成本高，这些不足大大限制了它在电机中的应用。铁氧体磁体是本世纪五十年代初开发的永磁材料，其最大的特点是价格低廉，有较高的矫顽力，其不足是剩磁感应强度和磁能积都较低。钐钴稀土永磁材料在六十年代中期问世，它具有铝镍钴一样高的剩磁感应强度，矫顽力比铁氧体高，但钐稀土材料价格较高。80年代初钕铁硼稀土永磁材料的出现，它具有高的剩磁感应强度，高的矫顽力，高的磁能积，这些特点特别适合在电机中使2012-2013电机学课堂测验5-同步电机
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