同步电动机运行分析(同步电机的稳态运行)

1. 同步电机的稳态运行

从性能上看，永磁同步电机在瞬态仍然可以保证较高的效率（95% 左右），同时有着更大的功率密度，因此适用于频繁起停的工况以及较小的乘用车布置空间。而感应电动机胜在成本低、可靠性更高，同时稳态的效率也不错（大部分工况 85%~90% 以上），因而在高速路网发达的工况以及较大的乘用车布置空间的条件下，感应电机可以满足需求。

交流异步电机是由定子绕组组成的旋转磁场与转子绕组中感应电流的磁场相互作用而产生电磁转扭驱动转子旋转的交流电动机。

交流异步电机的转子滞后于现场速度，所以它的转子必须比磁场旋转得更慢。转子与定子旋转磁场以相同的方向、不同的转速旋转，存在转差率，这样可以感应转子电流，产生扭矩以驱动附加的负载，同时克服内部损耗。

2. 同步电机稳定运行

S=1.732UI；线电压

 当同步电动机的电枢绕组通入三相对称交流电后，就会产生以同步转速n1旋转的三相合成基波电枢磁势Fa。

当同步电动机稳定运行时，转子也以同步转速n1旋转，在励磁绕组中通入直流励磁电流If，使转子形成固定磁极，励磁电流产生励磁磁势F0，励磁磁势F0与电枢磁势Fa同速同方向旋转，彼此在空间是相对静止的。

这样在电机的主磁路上有两个磁势，它们相互叠加，形成了合成磁场。

3. 同步电机负载运行

简单来讲，可以这样理解：

1、异步电动机的同步转速是指加在电机输入端的交流电产生的旋转磁场的速度，这个速度就叫同步速度，计算公式是n＝60f/P，f:交流电的频率，P：电机极对数，以国内电网50Hz为例,对于4极电机（2对极）的同步速度＝60×50/2=1500RPM.

2、异步电动机的转子速度在理论空载下等于同步速度，但实际上不可能做到。两者之差为转差速度，这个值除以同步速度则得到转差率。负载越大，转子速度越小，转差率越大。实际应用中：电机铭牌上的速度为转子速度。

4. 同步电机的稳态运行顺序

同步电机和感应电机一样是一种常用的交流电机。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。

异步电动机作电动机运行的异步电机。因其转子绕组电流是感应产生的，又称感应电动机。异步电动机是各类电动机中应用最广、需要量最大的一种。各国的以电为动力的机械中，约有90％左右为异步电动机，其中小型异步电动机约占70％以上。在电力系统的总负荷中，异步电动机的用电量占相当大的比重。在中国，异步电动机的用电量约占总负荷的60％多。

直流电动机用的是直流电源，定义输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机，它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。

直流电动机一般做发电机使用，回馈电网。

5. 同步电机的稳态运行原理

1、直流电机的定子是永磁或电磁体，外部直流电源通过转子电刷向转子通电并励磁，由于电刷的设计角度使得转子磁场总比定子磁场滞后，所以转子被驱动；

2、同步电机定子通过交流电源，形成旋转磁场；转子通过直流电源，形成固定的磁场，转子磁场被定子的旋转磁场带动而驱动；

工作原理区别：

1、同步电机和感应电机一样是一种常用的交流电机。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。

2、直流电动机用的是直流电源，定义输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机，它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。

直流电动机一般做发电机使用，回馈电网。

6. 同步电动机稳定运行的条件

 把发电机调整到完全符合并列条件再进行合闸操作 ，称为准同步法。其 主要用于系统正常运行时的并列 ，其并列条件有 ：

1 ）发电机电压和电网电压大小相等。

2) 发电机电压相位和电网电压相位相同。

3) 发电机的频率和电网频率相等。

4) 发电机相序和电网的相序要相同。

7. 同步电机稳态运行向量图

菲克定律

菲克定律菲克定律，是描述气体扩散现象的宏观规律，这是生理学家菲克（Fick）于1855年发现的。

基本信息

中文名

菲克定律

外文名

Fick's law

提出时间

1855年

简述

菲克定律包括两个内容：

（1）早在1855年，菲克就提出了：在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量（称为扩散通量Diffusion flux，用J表示）与该截面处的浓度梯度(Concentration gradient)成正比，也就是说，浓度梯度越大，扩散通量越大。这就是菲克第一定律。

（2）菲克第二定律是在第一定律的基础上推导出来的。菲克第二定律指出，在非稳态扩散过程中，在距离x处，浓度随时间的变化率等于该处的扩散通量随距离变化率的负值。

费克第一定律

早在1855年，菲克就提出了：在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量（称为扩散通量Diffusion flux，用J表示）与该截面处的浓度梯度(Concentration gradient)成正比，也就是说，浓度梯度越大，扩散通量越大。这就是菲克第一定律，它的数学表达式如下：

式（1）中,D称为扩散系数(m²/s)，C为扩散物质（组元）的体积浓度(原子数/m³或kg/m³)，dC/dx为浓度梯度，“–”号表示扩散方向为浓度梯度的反方向，即扩散组元由高浓度区向低浓度区扩散。扩散通量J的单位是kg/m^2·s。

在三维情况下，有如下形式公式：

其中，J为扩散通量，为一个三维向量场，D为扩散系数，为一个二阶张量，C为浓度，为一个数量场，▽为梯度算子。

扩散系数(Diffusion coefficient)D是描述扩散速度的重要物理量，它相当于浓度梯度为1时的扩散通量，D值越大则扩散越快。对于固态金属中的扩散，D值都是很小的，例如，1000℃时碳在γ-Fe中的扩散系数D仅为10m^2/s数量级。

费克定律里的稳态扩散和非稳态扩散

稳态扩散

费克第一定律只适应于J和C不随时间变化——稳态扩散(Steady-state diffusion)的场合（见下图）。对于稳态扩散也可以描述为：在扩散过程中，各处的扩散组元的浓度C只随距离x变化，而不随时间t变化，每一时刻从前边扩散来多少原子，就向后边扩散走多少原子，没有盈亏，所以浓度不随时间变化。实际上，大多数扩散过程都是在非稳态条件下进行的。非稳态扩散(Nonsteady-state diffusion)的特点是：在扩散过程中，J随时间和距离变化。通过各处的扩散通量J随着距离x在变化，而稳态扩散的扩散通量则处处相等，不随时间而发生变化。对于非稳态扩散，就要应用菲克第二定律了。

费克第二定律

费克第二定律是在第一定律的基础上推导出来的。费克第二定律指出，在非稳态扩散过程中，在距离x处，浓度随时间的变化率等于该处的扩散通量随距离变化率的负值，即将代入上式，得

上式中，C为扩散物质的体积浓度(kg/m^3),t为扩散时间(s),x为距离(m)。实际上，固溶体中溶质原子的扩散系数D是随浓度变化的，为了使求解扩散方程简单些，往往近似地把D看作恒量处理。

式(2)和(3)都是偏微分方程，求解时应先作变换：令，这样，式(3.7-3)就可以变成一个常微分方程，再结合初始条件和边界条件求出方程的通解。利用通解可以解决包括非稳态扩散的具体问题。

应用

菲克定律里的稳态扩散和非稳态扩散

菲克第一定律只适应于J和C不随时间变化——稳态扩散(Steady-state diffusion)的场合。所谓稳定扩散是指扩散过程中扩散物质的浓度分布不随时间变化的扩散过程，这类问题可直接用菲克第一定律解决。对于稳态扩散也可以描述为：在扩散过程中，各处的扩散组元的浓度C只随距离x变化，而不随时间t变化，每一时刻从前边扩散来多少原子，就向后边扩散走多少原子，没有盈亏，所以浓度不随时间变化。

实际上，大多数扩散过程都是在非稳态条件下进行的。

不稳定扩散是指扩散过程中扩散物质的浓度分布随时间变化的一类扩散过程。典型不稳定扩散中典型的边界条件可分为两种情况：第一种情况是在整个扩散中扩散质点在晶体表面的浓度C0保持不变；第二种情况是一定量的扩散物质Q由表面向内部扩散。

不稳定扩散(Nonsteady-state diffusion)的特点是：在扩散过程中，J随时间和距离变化。通过各处的扩散通量J随着距离x在变化，而稳态扩散的扩散通量则处处相等，不随时间而发生变化。对于非稳态扩散，就要应用菲克第二定律了。

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