同步电动机转矩-转速特性曲线
第三章 同步电动机的变频调速控制
30年代
铝镍钴、铁氧体
差
易去磁
1
2 3
90年代 60年代 后期
铁氧体 稀土永磁： SmC05
3.6~4.0 24 33 38~40
价格低 （稀土的1/10） 热稳定性好 不怕去磁 钴含量高、价格高
70年代 初期
第三代
稀土永磁： SmC017 稀土永磁： 钕铁硼 Nd-Fe-B
我国储量世界第一， 温度可达200℃？
图示位置是转子磁极轴线 从某相绕组轴线转过30°的位 置，在此瞬间触发该相晶闸管， 从产生转矩的角度看是最有利 的。在此位置下，在绕组通电 的1/3周期里，载流导体正好 处于比较强的磁场中，所产生 的转矩平均值最大，脉动最小。 从时间相位上看，晶闸管触发 瞬间正好是该感应电势交变过 零之后的30°相位处，习惯上 将此点选作晶闸管触发相位的 基准点，称为空载换流超前 角 。
结 论
0 0 、 三相式，对转矩最为有利。
矛盾：
晶闸管靠反电势自然换流，要求 0 超前，目前常取 0 60 ，或按负载的 动态调节。转矩脉动大：凸极式无换向电 机中，还存在磁阻转矩，当 超前时为 0 负值，将使输出转矩减小。
二、逆变器晶闸管的换流问题
问题的提出： 直流无换向器电机的晶闸管直接接在直流电 源上,导通后无法自行关断，换流困难。必须采取 特殊的换流措施。 解决： 在过激状态下向逆变器提供超前的无功电流， 可利用电机的反电势来实现自然换流。
优点: (1) 只要精确地控制变频电源的频率就能准确控 制转速，无需速度反馈控制。 (2) 转矩干扰只影响同步电动机的功角，不影响 电机的转速可以在极低的转速下运行，调速范围 较宽。 (3)可以调节转子励磁来调节电机的功率因数,甚 至可在 下运行。 (4) 运行在超前功率因数下，有可能利用电动机 的反电势实现负载换流，克服强迫换流的弊病 （晶闸管)。 缺点：同步电机本身结构稍微复杂
各类高压电气设备试验项目及要求标准
电力设备预防性实验规程(缩减）1.范围本标准规定了各种电力设备预防性实验项目、周期和要求,用以判断设备是否符合条件，预防设备损坏、保证安全运行。
本标准适用于500KV以下交流电力设备。
本标准不适用于高压直流输电设备、矿用及其它特殊条件下使用电力设备，也不适用于电力系统继电保护装置、自动装置、测量装置等电器设备和安全用具。
从国外进口设备应以该设备产品标准为基础，参照本标准执行。
从国外进口设备应以该设备产品标准为基础，参照本标准执行。
2．定义、符号2．1 预防性实验为了发现运行中设备隐患，预防发生事故或设备损坏，对设备进行检查、试验或监测，也包括取油样或气样进行试验。
2．2 在线监测在不影响设备运行条件下，对设备状况连续或顶事进行监测，通常是自动进行。
2．3 带电测量对在运行电压下设备，采用专用一起，由人员参与进行测量。
2．4 绝缘电阻在绝缘结构两个电极之间施加直流电压值与流经该对电极泄流电流值之比。
常采用兆欧表直接测得绝缘电阻值。
本规程中，若无说明，均指加压1min时测得值。
2．5 吸收比在同一次试验中，1min时绝缘电阻值与15s时绝缘电阻值之比。
2．6 极化指数在同一次试验中，10min时绝缘电阻值与1min时绝缘电阻值之比。
2．7 本规程所用符号U n设备额定电压（对发电机转子是指额定励磁电压）；U m设备最高电压；U0/U 电缆额定电压（其中U0为电缆导体与金属套或金属屏蔽之间设计电压，U为导体与导体之间设计电压）；U1mA避雷器直流1mA下参考电压；tgδ介质损耗因数；3．总则3．1 试验结果应与该设备历次试验结果相比较，与同类设备试验结果相比较，参照相关试验结果，根据变化规律和趋势，进行全面分析后做出判断。
3．2 遇到特殊情况需要改变试验项目、周期或要求时，对主要设备需经上一级主管部门审查批准后执行，对其他设备可由本单位总工程师审查批准后执行。
3．3 110KV以下电力设备，应按本规程进行耐压试验（有特殊规定者除外）。
三相异步电动机启动转矩对转速的曲线
三相异步电动机启动转矩对转速的曲线
关于三相异步电动机启动曲线，随着转速的增加，转矩将逐渐增大，但过了最大转矩点后，转矩将随转速而下降。
关于这个，从转矩计算公司可以推导出最大转矩的值以及最大转矩点对应的转差率。
但是，从原理上，如何来解释这种现象，请各位达人踊跃发言
"从转矩计算公司可以推导出最大转矩的值以及最大转矩点对应的转差率。
但是，从原理上，如何来解释这种现象，请各位达人踊跃发言"
1、转速转矩特性曲线，就是大家常说的电机机械特性曲线；
2、最大转矩时的转速叫临界转速，转差率叫临界转差率；
3、在临界转差时，就是转子感抗增大到等于转子等效电阻的时候，也就是转差增大到转子感抗无功电流增大到等于转矩有功电流的时候；
4、也就是说功率因数角是45度了，功率因数是0.7；
"三相异步电动机启动曲线，随着转速的增加，转矩将逐渐增大"
如果从同步空载转动，转子转速下降，转差增大，直到临界转速、临界转差，转差继续增大，转速继续减小：
1、过了最大转矩，转差继续增大，感抗无功电流更迅速的增大，就大于有功转矩电流，有功转矩电流反而开始减小，这样就出现了转矩将随转速而下降的情况；
2、你要仔细看旋转磁场磁极下的转子导体电流方向严重不同，导体转矩相互抵消；
3、这就是感康电流作用的结果，因为感抗电流落后90°，它的电流在磁极下一半导体电流与另一半导体电流方向刚好相等；
"可以推导出最大转矩的值以及最大转矩点对应的转差率"
1、这个推导过程是有的，是经典理论里有的结果，电机学理论都有；
2、临界转速、临界转差率，就是转子感抗等于转子阻抗的时候；。
电机性能的测试
降低电压负载法
适用范围：因设备所限不能采用额定电压负载法的实验
实验过程：
1 做额定电压 UN 下的空载实验，测出 I0,P0,
○
2 做 0.5 倍额定电压下的空载实验，测试 I0r,P0r,
○
3 做 0.5 倍额定电压下的负载实验，在 0.6IN 至空载范围内测取定子电流 I1r,输入功率 P1r
例进行修正。
二、杂散损耗测定的测功机法
用测功机测定感应电动机杂散损耗时，功率表测定被试电
动机的输入电功率P1，测功机测定被试电机的输出机械功率为
pP
P
P2，电机的总损耗
1
2 ，则电机的杂散损耗为：
式中：pcu1 pcu2为定转子铜耗之和； pFe pmec为电机的空载损耗，可
以由空载特性曲线获得。
损耗，连接线的
损耗以及电刷接触损耗等，可以近似的用通过电刷的电流乘以一固定电压降 来确
2
定，电压降的取值方法为：
ad
（3）被试电机所专用并由其本身驱动的通风机、水泵和油泵的损耗等。
此处的杂散损耗指的是负载杂耗，前面已经论述
只要测取转速信号和转速的加速度信号，就可以测得转矩-转速特性。
铁损耗和机械损耗的测定
转矩和转速曲线硬特性软特性硬特性软特性感应电动机工作特性同步电动机工作特性与感应电动机类似工作特性测定的平台组成试验台被试电机测功机试验台被试电机校正过的直流发电机校正过的直流发电机电阻箱发电机电发电机组电网tian1n2n3n4n5n60试验台被试电机转矩转速传感器转矩转速传感器磁粉制动器磁粉制动器转矩仪试验台试验台被试电机发电机电阻箱发电机电转速转矩传感器转速转矩传感器发电机组电网电网电网变流器平台实例工作特性测定的转矩仪法按实验条件和实验要求搭建实验平台通过调整负载大小测试出各种参数随负载变化的曲线按实验条件和实验要求搭建实验平台通过调整负载大小测试出各种参数随负载变化的曲线降低电压负载法适用范围
永磁同步电动机原理与分析
U2Ud2Uq2Um2 ax
其中，Ud Usin ，Uq Ucos 。（参考图10.5)
（10-13）
忽略定子绕组电阻,并根据内置PMSM的相量图,则有:
将上式以及
E0 1f
Ud E0 xdId Uq xqIq
代入式(10-13)得:
（10-14）
(LdId f)2(LqIq)2(Um )a2x 1
B、电压平衡方程式与相量图
U E 0 ra I ajd x I djq x I q
（10-3）
图10.5 正弦波内置永磁同步电动机的时空相量图
C、矩角特性
Tem
mE0U xd 1
sin
1 2
mU2 1
(1 xq
1 xd
) s in 2
mpE0U sin 1 mpU2 ( 1 1 )sin2
根据相量图10.3,可得:
输入功率: P 1 m a c U o m I a s ( E 0 I c o r a I a s )
（10-5）
电磁功率:
电磁转矩:
结论:
Pe mP1pc uaP1maI2ra m0EIac o s
T e m P e1m m10 pIaE co sm p fIaco s
（10-6）
对表面永磁同步电动机, f =常数,当保持内功率因数角 固定不变,通过控制定子绕组相电流的幅值便可以调整表面永磁
PMSM的电磁转矩。 完当全相同0(见（图亦1即0.8E)E.0故0与自I a 控同式相正）弦时波,上表式面与永直磁流PM电S机M的有转时矩也特称性为 无刷直流电动机.
图10.8 正弦波表面永磁同步电动机的相量图(当 0 时）
根据式（10-6）以及结构特点，得正弦波表面永磁PMSM的控制方案如下：
自动控制原理习题
《自动控制原理》习题习题11有一水位控制装置如图所示。
试分析它的控制原理，指出它是开环控制系统闭环控制系统？说出它的被控量，输入量及扰动量是什么？绘制出其系统图。
2 某生产机械的恒速控制系统原理如图所示。
系统中除速度反馈外，还设置了电流正反馈以补偿负载变化的影响。
试标出各点信号的正负号并画出框图。
3图示为温度控制系统的原理图。
指出系统的输入量和被控量，并画出系统框图。
4.自动驾驶器用控制系统将汽车的速度限制在允许范围内。
画出方块图说明此反馈系统。
5.双输入控制系统的一个常见例子是由冷热两个阀门的家用沐浴器。
目标是同时控制水温和流量，画出此闭环系统的方块图，你愿意让别人给你开环控制的沐浴器吗？6.开环控制系统和闭环控制系统各有什么优缺点？7.反馈控制系统的动态特性有哪几种类型？生产过程希望的动态过程特性是什么？习题21 试分别写出图示各无源网络的传递函数。
习题1图2 求图示各机械运动系统的传递函数。
(1)求图a的＝？(2)求图b的＝？(3) 求图c的＝？习题2图3 试分别写出图中各有源网络的传递函数U2(s)/ U1(s)。
习题3图4交流伺服电动机的原理线路和转矩－转速特性曲线如图所示。
图中，u为控制电压．T 为电动机的输出转矩。
N为电动机的转矩。
由图可T与n、u呈非线性。
设在某平衡状态附近用增量化表示的转矩与转速、控制电压关系方程为k n、k c为与平衡状态有关的值，可由转矩－转速特性曲线求得。
设折合到电动机的总转动惯量为J，粘滞摩擦系数为f，略去其他负载力矩，试写出交流伺服电动机的方程式并求输入为u c，输出为转角θ和转速为n时交流伺服电动机的传递函数。
习题4图5图示一个转速控制系统，输入量是电压V，输出量是负载的转速 ，画出系统的结构图，并写出其输入输出间的数学表达式。
习题5图6 已知一系统由如下方程组组成，试绘制系统框图，求出闭环传递函数。
7 系统的微分方程组如下：其中K0，K1，K2，T均为正常数。
同步电机
㈡ 转速特性与启动步骤 当在定子绕组中通入三相交流电以后， 当在定子绕组中通入三相交流电以后，在气隙中则产生旋转磁 转子绕组加入直流励磁以后，在气隙中生成静止的转子磁场。 场。转子绕组加入直流励磁以后，在气隙中生成静止的转子磁场。 定、转子磁场之间存在较大的相对运动，转子上的平均转矩为零， 转子磁场之间存在较大的相对运动，转子上的平均转矩为零， 所以同步电动机不产生起动转矩。因此，在同步电动机起动时， 所以同步电动机不产生起动转矩。因此，在同步电动机起动时，我 们经常采用的是异步起动方法。 们经常采用的是异步起动方法。 异步启动法： 异步启动法：在磁极表面上装设有类似异步电机笼型导条的短路绕 称为起动绕组。在起动时， 组，称为起动绕组。在起动时，气隙旋转磁场将在转子上的起动绕 组中感应电流，电流和磁场相互作用产生电磁矩转， 组中感应电流，电流和磁场相互作用产生电磁矩转，使同步电机转 动起来（如同感应电机）。待速度上升到接近同步转速时， ）。待速度上升到接近同步转速时 动起来（如同感应电机）。待速度上升到接近同步转速时，再给转 子绕组通入直流电流，产生转子磁场， 子绕组通入直流电流，产生转子磁场，此时它和定子磁场间得到转 速已非常接近，依靠这两个磁场间相互吸引力， 速已非常接近，依靠这两个磁场间相互吸引力，使转子与定子磁场 同步旋转。所以同步电动机的起动过程可以分为两个阶段： 同步旋转。所以同步电动机的起动过程可以分为两个阶段： 首先按异步电机方式起动，使转子转速接近同步转速。 （1）首先按异步电机方式起动，使转子转速接近同步转速。 转子绕组通入直流电流，产生转子磁场，使转子牵入同步。 （2）转子绕组通入直流电流，产生转子磁场，使转子牵入同步。
大小及位置均发生变化, 这种影响称为电枢反应. 大小及位置均发生变化, 这种影响称为电枢反应.
带阻尼绕组的永磁同步电动机起动分析_胡绪昌
尼绕组的永磁同步电动机在起动上的优点。
关键词：永磁同步电动机 阻尼绕组 起动分析 MATLAB 仿真
中图分类号：TM461
文献标识码：A
文章编号：1003-4862 (2009) 07-0010-05
Ａnalysis of Jump-start of a Permanent-magnet Synchronous Motor with Damp Resistance
⎪⎪ψ q = Lqiq + Lmqi2q
⎨⎪ψ 2d = L2di2d + Lmd id + Lmdi f
(2)
⎪⎩ψ 2q = L2qi2q + Lmqiq
电磁转矩方程：
Tem = p (ψ d iq − ψ q id )
(3)
机械运动方程：
J
dΩ dt
= Tem
− TL
− RΩΩ
(4)
式中 id、iq 等是三相转换到 d、q 轴后的电流；L1、
L2 分别是定子、转子漏电感；Lmd、Lmq 分别是定 子、转子间 d、q 轴的互电感；Ld、Lq 是定子绕组 d、q 轴电感，且
11
船电技术 2009 年 第 7 期
Ld =Lmd +L1、Lq =Lmq +L1； L2d、L2q 是转子绕组 d、q 轴电感，且 L2d =Lmd +L2、L2q =Lmq +L2。 2.2 带阻尼绕组永磁同步电动机在 d、q 旋转坐标 系下的数学模型 在分析数学模型过程中对各参数量作如下 规定： （1）气隙磁场按正弦分布，忽略空间谐波 磁场的影响； （2）忽略电机铁心的饱和，磁滞及涡流的 影响； （3）定子绕组在空间上星型对称分布，相 邻两个绕组空间角度相差 2π/n； （4）永磁体等效为一个励磁绕组，其励磁 电流 ifd 恒定不变，电机转子上的阻尼回路看成两 组等效的阻尼绕组：直轴阻尼绕组和交轴阻尼绕 组。 根据定子 n 相静止坐标系与 d、q 旋转坐标 系之间的变换矩阵可以得到带阻尼绕组永磁电 动机在 d、q 旋转坐标系下的数学模型如下[3] ： 磁链方程
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電機機械基本原理 ch 05 同步電動機 11
圖 5-5 同步電動機之轉矩-轉速特性。因為電動機之轉速為 定值，所以其轉速調整率為 0。
電機機械基本原理 ch 05 同步電動機 12
負載變化對同步電動機的影響
同步電動機一開始以領先功率因數運轉的情形，如圖 5-6 所示。若電動 機轉軸上之負載增加，轉部會開始慢下來。轉部慢下來，轉矩角 δ 就變 大了，且感應轉矩也變大了。感應轉矩增加之後反而又使轉部加速，而 電動機則再次以同步轉速運轉，只不過此時之轉矩角 δ 變大了。
電機機械基本原理 ch 05 同步電動機 16
圖 5-8 (a) 以落後功率 因數運轉的同步電動機。 (b) 磁場電流的增加對發 電機之運轉造成的影響。
電機機械基本原理 ch 05 同步電動機 17
圖 5-9 所示為同步電機之 IA 對 IF 圖。此種圖形稱為同步電動機 V 曲線 電樞電流之最小值發生在單位功率因數時，此時只有實功率供應至電動 機。 當磁場電流比造成 IA 最小值時之磁場電流值還小，電樞電流是落後的， 消耗 Q。當磁場電流比造成 IA 最小值時之磁場電流值還大，電樞電流是 領先的，供應 Q 至電力系統就像一個電容器，藉由控制同步電動機之磁 場電流，可控制電力系統所消耗或供應的虛功率 (reactive power)。
4
同步電動機之等效電路
由於 IA 方向的改變，等效電路的克希荷夫電壓定律方程式也跟著改變了。 新的等效電路的克希荷夫電壓定律方程式可寫為
或
圖 5-2 (a) 三相同步電動機之完整等效電路。
電機機械基本原理 ch 05 同步電動機
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電ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ機械基本原理 ch 05 同步電動機
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圖 5-2 (b) 每相等效電路。
圖 5-5 所示為所得之轉矩-轉速特性曲線。電動機之穩態轉速自無載一直 到電動機可供應之最大轉矩 [稱為脫出轉矩 (pullout torque) ] 都為定值， 故其速度調整率為 0% [式 (3-68)]。轉矩之方程式為
電機機械基本原理 ch 05 同步電動機 10
最大或脫出轉矩在 δ＝90°時產生。實際上，脫出轉矩之典型值可能是電 機之滿載轉矩的 3 倍大。 電動機之最大或脫出轉矩為
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電機機械基本原理 ch 05 同步電動機
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第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章 第十章
電機機械原理簡介 變壓器 交流電機基本原理 同步發電機 同步電動機 感應電動機 直流電機原理 直流電動機與發電機 單相及特殊用途電動機 電力電子簡介
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電機機械基本原理 ch 05 同步電動機
2
5.1 電動機之基本運轉原理
► 圖 5-1所示為雙極之同步電動機。電動機之磁場電流 IF 產生一 穩定狀態磁場 BR。
► 電樞繞組中的一組三相電流產生均勻的旋轉磁場 BS，在電機中 出現兩個磁場，且轉部磁場會趨於和定部磁場排成一列。
電機機械基本原理 ch 05 同步電動機
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圖 5-3a 中所示為發電機以大磁場電流運轉時之相量圖，圖 5-3b 所示則 為對應之磁場圖。
BR 對應於 (產生) EA，Bnet 對應於 (產生) Vϕ 而 BS 對應於 Estat (＝－jXSIA)。
圖 5-3 (a) 同步發電機於落後功率因數下運轉時之相量圖。(b) 對應之磁場圖。
所以 |EA| 在負載改變時必須維持定值。正比於實功率的線段距離會增加 (EA sin δ 和 IA cos θ )，但 EA 的大小必須維持定值。當負載增加，EA 如 圖 5-6b 中所示之方式擺動而下。當 EA 一直向下擺動，量 jXSIA 必須增 加以連接 EA 和 Vϕ 的頂端，因此電樞電流 IA 必須增加。
電機機械基本原理 ch 05 同步電動機 13
圖 5-6 (a) 以領先功率因數運轉之電動機相量圖。
電機機械基本原理 ch 05 同步電動機 14
圖 5-6 (b) 負載上的增加對同步電動機之運轉所造成的影響。
電機機械基本原理 ch 05 同步電動機 15
磁場電流改變對同步電動機的影響
圖 5-8a 所示為一開始以落後功率因數運轉之同步電動機。 增加其磁場電流並且看看電動機會發生什麼事。注意到磁場電流的增加 會使得 EA 的大小增加，但是卻不會影響電動機所供應之實功率。 因為 IF 的改變並不會影響到轉軸轉速 nm，且連接至轉軸的負載並未改 變，供應之實功率也不變。 在相量圖上正比於實功率的線段長度 (EA sin δ 和 IA cos θ ) 也因此必定是 定值。當磁場電流增加，EA 必須增加，但它只能夠沿著定功率線向外滑 出。 此效應如圖 5-8b 所示。
電機機械基本原理 ch 05 同步電動機
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圖 5-4a 所示則為對應於電動機運轉之相量圖。在發電機中量 jXSIA 是由 Vϕ 指向 EA 而在電動機中是由 EA 指向 Vϕ ，其原因是在電動機等效電路 中 IA 之參考方向是定義為反向於發電機。
在發電機中，EA 位於 Vϕ 之前，且 BR 位於 Bnet 之前。在電動機中，EA 位於 Vϕ 之後，且 BR 位於 Bnet 之後。
► 因為定部磁場是旋轉的，轉部磁場 (和轉部本身) 將會持續地試 著要趕上定部磁場。兩磁場間所夾的角度愈大 (就某一特定之 最大值而言)，電機轉部之轉矩也愈大。
電機機械基本原理 ch 05 同步電動機
電機機械基本原理 ch 05 同步電動機
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圖 5-1 雙極同步電動機。
電機機械基本原理 ch 05 同步電動機
圖 5-4 (a) 同步電動機之相量圖。(b) 對應之磁場圖。
電機機械基本原理 ch 05 同步電動機
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同步電動機轉矩-轉速特性曲線
電動機的旋轉速度被鎖定在旋轉磁場的變化率，而所供給的機械場旋轉 速率被鎖定在供給的電頻率，因此不管負載為何，同步電動機的轉速是 固定的，其轉速可表示
其中 nm 為機械速率，fse 為定子之電的頻率，P 為電動機的極數。