同步电机原理及应用技术

第 1章　电机理论中的基本电磁定律　1

1.1　磁路的基本定律　1

1.1.1　全电流定律　1

1.1.2　电磁感应定律　1

1.1.3　电磁力定律　4

1.2　常用的铁磁材料及其特性　5

1.2.1　铁磁材料的磁导率　5

1.2.2　磁滞与磁滞损耗　6

1.2.3　涡流与涡流损耗　8

1.2.4　交流铁芯损耗　9

1.3　磁路和电感的计算　9

1.3.1　磁路的概念　10

1.3.2　磁路的欧姆定律　10

1.3.3　磁芯磁场和磁路　12

1.3.4　电感计算　21

本章要点　31

习题　31

第 2章　同步电机的基本理论　33

2.1　同步电机的基本结构和工作原理　33

2.1.1　同步电机的基本结构　33

2.1.2　同步电机的基本工作原理　35

2.1.3　同步电机的额定值及励磁方式　35

2.2　同步电机的定子绕组　37

2.2.1　同步电机定子绕组的基本知识　37

2.2.2　同步电机定子的三相单层叠绕组　40

2.2.3　同步电机定子的三相双层叠绕组　42

2.3　同步电机的磁动势　43

2.3.1　同步电机定子单相绕组的脉振磁动势　43

2.3.2　同步电机磁动势的空间谐波　44

2.3.3　同步电机单相绕组的基波脉振磁动势　44

2.3.4　同步电机三相绕组的旋转磁动势　46

2.3.5　交流同步电机的主磁通、漏磁通　49

2.3.6　交流同步电机削弱谐波磁动势的方法　49

本章要点　50

习题　51

第3章　同步发电机的运行特性　53

3.1　同步发电机的空载运行　53

3.2　同步电机的电枢反应　55

3.2.1　隐极同步电机的电枢反应特点　57

3.2.2　凸极同步电机的双反应理论　57

3.3　隐极同步发电机的负载运行　59

3.3.1　不考虑饱和　60

3.3.2　考虑饱和　61

3.4　凸极同步发电机的负载运行　63

3.4.1　不考虑饱和　63

3.4.2　考虑饱和　65

3.5　同步发电机的运行特性　67

3.5.1　空载特性　67

3.5.2　短路特性　67

3.5.3　零功率因数负载特性　68

3.5.4　外特性　69

3.5.5　调整特性　70

3.6　特性曲线在参数计算中的应用　70

3.6.1　同步发电机的特性三角形　70

3.6.2　保梯电抗　71

3.6.3　利用空载特性和短路特性确定的不饱和值　71

3.6.4　短路比　72

3.6.5　利用空载特性和零功率因数特性确定的饱和值　72

3.6.6　电压调整率和额定励磁磁势的求法　73

3.7　同步发电机稳态参数的测定　76

本章要点　77

习题　78

第4章　同步发电机的并网运行　80

4.1　投入并联运行的条件和方法　80

4.1.1　投入并联的条件　80

4.1.2　投入并联的方法　81

4.2　同步发电机功率和转矩平衡方程　83

4.3　同步发电机的功角特性　84

4.4　同步发电机有功功率调节与静态稳定　86

4.4.1　有功功率调节　87

4.4.2　静态稳定　87

4.5　同步发电机无功功率调节和V形曲线　90

本章要点　91

习题　92

第5章　同步发电机的不对称运行　93

5.1　同步发电机相序阻抗和等效电路　93

5.1.1　正序阻抗　94

5.1.2　负序阻抗　94

5.1.3　零序阻抗　96

5.2　同步发电机不对称稳态短路　96

5.2.1　单相对中点短路　96

5.2.2　两相短路　98

5.2.3　不同稳定短路情况短路电流的比较　100

5.3　同步发电机负序和零序参数测定　100

5.3.1　两相稳定短路法测定阻抗　100

5.3.2　逆同步旋转法测负序阻抗　100

5.3.3　串联法或并联法测零序阻抗　101

5.4　同步发电机不对称运行的影响　102

5.4.1　转子的附加损耗和发热　102

5.4.2　附加转矩和振动　102

5.5　同步电机的突然短路　102

5.6　三相突然短路过程中的基本电磁关系　104

5.6.1　定子各相绕组的磁链　104

5.6.2　定子各相绕组的电流　105

5.6.3　转子绕组的电流和磁链　106

5.6.4　电机磁场分布示意图　106

5.6.5　阻尼绕组对突然短路过程的影响　107

5.7　同步电机的瞬态参数　108

5.7.1　瞬变和超瞬变电抗的物理意义　108

5.7.2　瞬变和超瞬变电抗的测定方法　110

5.8　突然短路电流及其衰减时间常数　111

5.8.1　各个分量的最大值　111

5.8.2　突然短路电流的衰减变化规律　112

5.9　突然短路对同步发电机的影响　115

5.9.1　冲击电流的电磁力　115

5.9.2　短路过程中的电磁转矩　115

5.9.3　短路引起的绕组发热　116

本章要点　116

习题　116

第6章　同步电动机和调相机　119

6.1　同步电动机的基本电磁关系　119

6.1.1　从发电机状态过渡到电动机状态　119

6.1.2　电动势平衡方程与相量图　119

6.2　同步电动机功角特性和功率平衡方程　121

6.2.1　同步电动机无功功率调节　121

6.2.2　同步电动机的V形曲线　122

6.3　同步电动机的起动与调速　123

6.3.1　起动方法　123

6.3.2　异步起动过程　123

6.3.3　同步电动机的调速　125

6.4　同步调相机　125

6.4.1　调相机的原理和用途　125

6.4.2　调相机的特点　125

本章要点　126

习题　126

第7章　交流同步电动机的调速　128

7.1　交流同步电机磁场定向控制原理　128

7.1.1　直流电机的转矩控制　128

7.1.2　交流异步电机磁场定向控制　129

7.1.3　交流同步电机磁场定向控制原理　134

7.1.4　同步电机标量控制原理　137

7.1.5　经典的同步电机磁场定向控制原理　137

7.1.6　同步电机磁场定向控制的动态过程　138

7.1.7　带补偿绕组的同步电机　139

7.1.8　带阻尼绕组的同步电机　139

7.1.9　同步电机磁场定向控制的改进　140

7.2　交流同步电机的直接转矩控制　142

7.2.1　直接转矩控制的基本原理　142

7.2.2　交流同步电机直接转矩控制的数学模型　144

7.2.3　直接转矩的电压空间矢量　146

7.2.4　定子磁链轨迹　149

7.2.5　电磁转矩控制　151

7.2.6　电压矢量的选择　152

7.2.7　转矩观测器模型　153

7.2.8　定子磁链观测器模型　153

7.2.9　交流同步电机直接转矩控制系统　155

7.3　交流变频调速同步电机　156

7.3.1　同步电机极对数与频率的选择　156

7.3.2　同步电机电压　159

7.3.3　同步电机的设计性能比较　161

7.3.4　同步电机的参数　163

7.3.5　变频调速同步电机阻尼绕组的研究　164

本章要点　177

习题　178

第8章　交流同步电机的数学模型　179

8.1　交流同步电机的空间矢量　180

8.2　交流同步电机的基本数学模型　181

8.2.1　磁链方程　181

8.2.2　电压方程　184

8.2.3　转矩方程　185

8.2.4　运动方程　185

8.3　同步电机的坐标变换　185

8.3.1　静止坐标轴系　186

8.3.2　旋转坐标轴系　187

8.3.3　磁场旋转坐标MT轴系　188

8.3.4　坐标变换的功率不变约束　188

8.4　同步电机dq0轴系的数学模型　189

8.4.1　磁链方程　191

8.4.2　电压方程　192

8.4.3　电磁转矩方程　192

8.4.4　以磁链为状态变量的状态方程　192

8.5　多相同步电机的数学模型　194

8.5.1　多相同步电机数学模型的一般形式　194

8.5.2　双电枢绕组同步电机的数学模型　196

8.6　同步电机的矢量图　200

8.6.1　隐极同步电机矢量图　200

8.6.2　凸极同步电机矢量图　201

8.7　同步电机的动态参数　202

8.7.1　同步电机的电抗函数　202

8.7.2　瞬变电抗与超瞬变电抗　204

8.7.3　瞬变电抗与超瞬变电抗的物理意义　205

8.7.4　同步电机的时间常数　206

8.8　同步电机αβ0轴系的数学模型　208

8.9　同步电机MT轴系的数学模型　210

8.9.1　同步电机定子采用MT轴系，转子采用dq0轴系的数学模型　210

8.9.2　同步电机定子、转子均为MT轴系的数学模型　212

8.9.3　实用的同步电机MT轴系数学模型　214

本章要点　215

习题　216

第9章　同步电机的MATLAB仿真　220

9.1　同步发电机的功角特性仿真　220

9.2　同步发电机突然短路仿真　222

9.3　同步电动机起动和制动仿真　228

9.3.1　同步发电机直接起动和能耗制动仿真　228

9.3.2　同步电动机减压限流起动仿真　230

9.4　同步电动机调速仿真　234

本章要点　236

习题　236

第 10章　同步电动机的实践分析　237

实验一　三相同步发电机的运行特性　237

实验二　三相同步发电机的并联运行　243

实验三　三相同步电动机的运行　248

实验四　三相同步电机参数的测定　2522100433B

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