电机理论与分析(4)

图4.7 补偿后的机械特性曲线

2.在基频以上调速

在基频以上调速时，频率可以从额定频率电压

fN向上增高，但是电压却不能超出额定

UN，由式（3-4）可知，这将迫使磁通与频率成反比例降低。这种调速方式下，转子

升高时转矩降低，属于恒功率调速方式。

变频后的机械特性如图4.8所示。

图4.8 电动机高于额定转速方向调速时的机械特性

当电动机向高于额定转速

n0方向调速时，曲线不仅临界转矩下降，而且曲线工作段的

斜率开始增大，使得机械特性变软。

造成这种现象的原因是：当频率f1升高时，电源电压不可能相应升高。这是因为电动机绕组的绝缘强度限制了电源电压不能超过电动机的额定电压，所以，磁通量

?m将随着频

率f1的升高反比例下降。磁通量的下将使电动机的转矩下降，造成电动机的机械特性变软。

以上调速方式相应的特性曲线如图4.9所示。

恒转矩调速恒功率调速

图4.9 整个频率调速的特性曲线

注：图中曲线1——在低频时没有定子降压补偿的压频曲线和主磁通曲线 图中曲线2——在低频时有定子降压补偿的压频曲线和主磁通曲线

V/f比恒定控制存在的主要问题是低速性能差。其原因一方面是低速时定子的电压和电势近似相等条件已不能满足，所以仍按V/f比恒定控制就不能保持电机磁通恒定，而电机磁通的减小势必会造成电机的电磁转矩减小。另一方面原因是低速时逆变器桥臂上、下开关元件的导通时间相对较短，电压下降，而且它们的互锁时间也造成了电压降低，从而引起转矩脉动，在一定条件下这将会引起转速、电流的振荡，严重时会导致变频器不能运行。

4.2.3.3 其它控制方式

（1）转差频率控制变频调速

转差率控制方式是V/f控制的一种改进，这种控制需要由安装在电动机上的速度传感器检测出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出时转差率，而变频器的输出频率则有电动机实际转速与所需转差频率之和决定。它是解决V/f控制静态性能较差的一种有效方法。虽然这种方法可以提高调速精度，但是它需要使用速度传感器来求取转差角频率，还要针对具体电机的机械特性调整控制参数，因而此方法的通用性较差。

（2）矢量控制变频调速

矢量控制变频调速的做法是：将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流通过三相——两相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流励磁电流；

Ia、Ib、Ic??1、??1，再通过按转子磁

?m1、?t1（?m1相当于直流电动机的

?t1相当于与转矩成比例的电枢电流）

，然后仿效直流电动机的控制方法，求得直

流电动机控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。在高性能的异步电机控制系统中多采用交叉闭环控制的矢量控制。采用矢量控制方式的目的，主要是为了提高变频调速的动态性能。虽然这一理论的提出是交流传动理论上的一个飞跃，但是由于它既要确定转子的磁链，又要进行坐标变换，还要考虑转子参数变动带来的影响，所以系统非常复杂。矢量控制变频器通常应用于轧钢、造纸设备等对动态性能要求较高的场合。

（3）直接转矩控制变频调速

1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。

日前市场销售的通用变频器的控制多半为V/f比恒定控制，它的应用比较广泛，特别是在风机，泵及土木机械等方面应用较多，V/f比恒定控制的突出优点是可以进行电机的开环速度控制。

5、同步电机

同步电机和感应电机一样是一种常用的交流电机。同步电机的特点是：稳态运行时，转子的转速和电网频率之间又不变得关系n=ns=60f/p，ns成为同步转速。若电网的频率不变，则稳态时同步电机的转速恒为常数而与负载的大小无关。

5.1 同步电机的工作原理

5.1.1 磁场

三相同步电机运行时存在两个旋转磁场: 定子旋转磁场和转子旋转磁场。 （1）定子旋转磁场：又常称为电枢磁势，而相应的磁场称为电枢磁场 速度：同步速度，即ns=60f/p;

方向：从具有超前电流的相转向具有滞后电流的相。 形成原因：以电气方式形成。

当对称三相电流流过定子对称三相绕组时,将在空气隙中产生旋转磁通势。它的旋转速度为同步速度，即ns=60f/p；它的旋转方向是从具有超前电流的相转向具有滞后电流的相；当某相电流达到最大值的瞬间，旋转磁势的振幅恰好转到该相绕组轴线处。这个旋转磁通势是以电气方式形成的。同步电机不论作为发电机运行还是作为电动机运行，只要其定子三相绕组中流通对称三相电流，都将在空气隙中产生上述旋转磁通势，建立旋转磁场。同步电机的定子绕组被称为电枢绕组，因此，上述磁势又常称为电枢磁势，而相应的磁场称为电枢磁场。

（2）转子旋转磁场：直流励磁的旋转磁场。 速度：同步速度，即ns=60f/p; 方向：与定子相同。

形成原因：机械方式形成。

在同步电机的转子上装有由直流励磁产生的磁极，磁极与转子无相对运动。当转子旋转时, 以机械方式形成旋转磁通势，并在气隙中形成另一种旋转磁场。由于磁场随转子一同旋转，被称为直流励磁的旋转磁场。

5.1.2 电动势

两个旋转磁场切割绕组产生。 原因：旋转磁场切割绕组。 电动势：定子绕组----感应频率与同步转速相同的电动势。由定子旋转磁场和转子旋转磁场共同作用，两者有相角差。

转子绕组----正常情况下转子与磁场同速，无感应电动势。 同步电机的定子磁场和转子磁场均以同步转速旋转，但空间相位不同。当切割静止的定子绕组时，旋转磁场在定子三相绕组中感应出频率相同，时间相位不同的感应电动势。绕组中的感应电动势的时间相位差与旋转磁场间的空间相位差相等。

在稳态对称运行时，无论是定子磁场或是转子磁场都以同步转速旋转，与转子绕组没有相对运动，不会在转子绕组中产生感应电动势。

5.1.3 相互作用

原因：磁极间同性相斥、异性相吸，相互作用的电磁力。由于同步电机的空气隙间存在着两种不同方式产生的旋转磁场，因此，当这两个磁场的空间位置不同时，由于磁极间同性相斥、异性相吸的原理，它们之间便会产生相互作用的电磁力。

同步电机的定子磁场和转子磁场之间没有相对运动。但是由于负载的影响，两个磁场之间的相对位置却是不同的。这个相对位置决定了同步电机的运行方式。

转矩性质与运行方式：

1 转子磁场顺着旋转方向超前于电枢磁场：制动转矩+发电机运行方式

当同步电机的转子在原动机的拖动下，转子磁场顺着旋转方向超前于电枢磁场运行时，定子磁场作用到转子上的转矩是制动转矩，原动机只有克服电磁转矩才能拖动转子旋转。这时，电机转子从原动机输入机械功率，从定子输出电功率，则同步电机工作于发电机运行方式。

2 转子磁场顺着旋转方向滞后于定子磁场运行：拖动转矩+电动机运行方式 当转子磁场顺着旋转方向滞后于定子磁场运行时，转子会受到与其转向相同的电磁转矩的作用。这时，电枢磁场作用到转子上的转矩是拖动转矩，转子拖动外部机械负载旋转，则同步电机工作于电动机运行方式。

5.2 同步电机的基本结构

结构形式分类：同步电机按其结构型式可分为旋转电枢式和旋转磁极式两种。 在实际应用中，需要通过滑环将电功率自转子部分导入或者引出。由于同步电机的电枢功率极大，电压较高，因而不容易由滑环导入或引出。由于励磁绕组的功率与电枢的功率相比，所占比例较小，励磁电压通常又较低，因此使磁极旋转，通过滑环为励磁绕组供电容易实现。因此旋转电枢式只适用于小容量同步电机，同步电机的基本结构形式是旋转磁极式。

构成：由定子与转子两大部分组成。

同步电机的基本结构与直流电机和异步电机相同，都是由定子与转子两大部分组成。

5.2.1 定子

结构：由铁心、电枢绕组、机座以及端盖等结构件组成。

定子铁心是构成磁路的部件，一般采用硅钢片叠装而成，以减少磁滞和涡流损耗。定子冲片分段叠装，每段之间有通风槽片，以构成径向通风。大型同步电机由于尺寸太大，硅钢片常为扇形冲片，然后组装成圆形。

电枢绕组为三相对称交流绕组，多为双层绕组，嵌装在定子槽内。

定子机座是支承部件，用于安放定子铁心和电枢绕组，并构成所需的通风路径，因此要求它有足够的刚度和强度。大型同步电机的机座都采用钢板焊接结构。

端盖的作用与异步电机相同，将电机本体的两端封盖起来，并与机座、定子铁心和转子一起构成电机内部完整的通风系统。

5.2.2 转子

结构：与异步电机转子结构不同，通常由转子铁心、转轴、阻尼绕组、励磁绕组和滑环等组成。

分类：同步电机的转子结构有两种类型，可分为隐极式和凸极式两种。

隐极式转子呈圆柱形，无明显的磁极。隐极式转子的圆周上开槽，槽中嵌放分布式直流励磁绕组。隐极式转子的机械强度高，故多用于高速同步电机，例如汽轮发电机。在同步电机运行过程中，转子由于高速旋转而承受很大的机械应力，所以隐极式转子大多由整块强度

高和导磁性能好的铸钢或锻钢加工而成。隐极电机的气隙是均匀的，圆周上各处的磁阻相同。

凸极式转子结构比较简单，磁极形状与直流机相似，磁极上装有集中式直流励磁绕阻。凸极式转子制造方便，容易制成多极，但是机械强度低，多用于中速或低速的场合，例如水轮发电机或者柴油发电机。凸极电机的气隙是不均匀的，圆周上各处的磁阻各不相同，在转子磁极的几何中线处气隙最大，磁阻也大。

此外，同步电机转子磁极表面都装有类似笼型异步电机转子的短路绕组，由嵌入磁极表面的若干铜条组成，这些铜条的两端用短路环联结起来。此绕组在同步发电机中起到了抑制转子机械振荡的作用，称为阻尼绕组；在同步电动机中主要作起动绕组使用，同步运行时也起稳定作用。

滑环装在转子轴上，经引线接至励磁绕组，并借电刷接到励磁装置。

5.2.3 励磁方式

同步电机的直流励磁电流需要从外部提供，供给同步电机励磁电流的装置称为励磁系统。获得励磁电流的方法称为励磁方式。按照所采用的整流装置，励磁系统分为：

(1)直流发电机励磁系统

这是传统的励磁系统，由装在同步电机转轴上的小型直流发电机供电。这种专供励磁的直流发电机称为励磁机。

(2)静止整流器励磁系统

这种励磁方式是将同轴的交流励磁机（小容量同步发电机）或者主发电机发出的交流电经过静止的整流装置变换成直流电后，由集电环引入主发电机励磁绕组供给所需的直流励磁。

(3)旋转整流器励磁系统

这种励磁方式将同轴交流励磁机做成旋转电枢式，并将整流器装置固定在此电枢上一起旋转，组成了旋转整流器励磁系统，将交流励磁发电机输出的交流电整流之后，直接供电给励磁绕组。这样可以完全省去集电环、电刷等滑动接触装置，成为无刷励磁系统,广泛应用于大容量发电机中。

5.3 同步电动机的运行分析

5.3.1 隐极同步电动机的电动势平衡方程式和相量图 5.3.1.1 主磁路中的磁动势和电动势关系：

磁动势：当隐极同步发电机转子励磁绕组通入直流励磁电流后，产生主极磁动势，产生主磁通磁通

?0；定子绕组接上三相对称负载后，产生电枢磁动势Fa，产生电枢磁通?a和漏

??。

电动势：主磁通

?0和电枢磁通?a，切割定子绕组并在定子绕组内感应出相应的励磁

电动势

E0和电枢反应电动势压Ea。

电压平衡方程：

FF 如果不计磁饱和(即认为磁路为线性)，则可应用叠加原理，把f和a的作用分别单独

考虑，再把它们的效果叠加起来。

进而可以得到如下图所示的向量图和等效电路图：

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