同步电动机的工作原理解析

很多大功率（大于160kW）不需要调速的工作机械采用同步电动机电气传动。同步电动机的定子绕组结构和异步电动机的定子绕组结构相同。三相交流电流流过定子三相绕组产生旋转磁场的磁通为，同步电动机的转速等于旋转磁场的转速，其接线示意图如图3-22所示。

图3-22 同步电动机的接线示意图

同步电动机的转子分为隐极和凸极两种形式，转子上设置有直流励磁绕组，励磁电流建立的磁通相对于转子静止。在定子磁通和转子磁通的共同作用下，在同步电动机轴上产生的电磁转矩为

图3-23 同步电动机的空间磁场的矢量关系

同步电动机定子磁通空间矢量和转子磁通空间矢量的关系如图3-23所示。空载时和方向一致，并以相同的转速ω₀旋转。当电动机轴上加有负载转矩时，矢量牵引矢量矢量旋转（犹如通过弹簧牵引），两个矢量之间的夹角θ被称为负载角。如果落后于，同步电机工作在电动工况，电磁转矩是做功的；如果同步电机工作在发电工况，超前角度（-θ），电磁转矩为负。随着电动机轴上负载变化，角度θ随之改变，就如同弹簧被拉伸或压缩。最大转矩T_max出现在θ=π/2之处。如果负载转矩超过T_max，同步运行的方式被破坏，出现失步。

同步电动机的机械特性是一条界于±T_max之间平行于横轴的直线（见图3-24）。机械特性的硬度为无穷大。研究同步电动机的机械特性没有意义，而是使用矩角特性描述其工作性能。所谓矩角特性就是转矩与负载角之间的关系。

因为同步电动机的转子以同步转速旋转，没有转差，所以电磁功率全部变换成轴上的机械功率，电动机的转矩为

图3-24 同步电动机的机械特性

隐极同步电动机的电磁结构具有对称的特点，忽略定子电阻，隐极同步电动机的矢量图如图3-25所示，并可以得到电压方程

式中 ——转子磁通Φ₀在定子绕组中感应的电动势。(www.xing528.com)

由图3-26可得到隐极同步电动机的主要关系式

把这些关系代入式（3-39）可以得到隐极同步电动机的矩角特性公式

这说明同步电动机的转矩与负载角θ的正弦成正比，转矩的最大值出现在θ=π/2之处。考虑到电动势E₁与磁通Φ₀（或转子励磁电流I_f）成正比，即E₁=k_EI_f，则同步电动机的最大转矩为

即同步电动机的最大转矩与定子电压成正比。在磁路不饱和的情况下，最大转矩还与转子励磁电流成正比。大多数同步电动机都有自动励磁控制装置，以保证在冲击负载时或定子电源电压降低时，能够自动增加励磁电流，使过载能力保持不变。

图3-25 隐极同步电动机的相量图

凸极同步电动机的磁路不对称，矩角特性和磁极位置有关。式（3-42）是凸极同步电动机的矩角特性。转矩由两部分之和构成（图3-26b的曲线5），第一部分是转子磁通产生的转矩（图3-26b的曲线3），第二部分是由磁极位置确定的反应转矩（图3-26b的曲线4）。

图3-26 同步电动机的矩角特性

式中 x_d、x_q——同步电动机的直轴电抗和交轴电抗。