同步電機(jī)工作原理.ppt

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6.1同步電機(jī)的基本工作原理與結(jié)構(gòu),6.2同步發(fā)電機(jī)的空載運行,6.3同步發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng),6.4同步發(fā)電機(jī)的負(fù)載運行,6.5同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運行,6.6同步電動機(jī)和同步調(diào)相機(jī),思考題與習(xí)題,同步電機(jī)是交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)的一種,因其轉(zhuǎn)速恒等于同步速機(jī)時得名。同步電機(jī)主要用作發(fā)電機(jī)，也可用作電動機(jī)和調(diào)相機(jī)。本章主要分析同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運行原理和運行特性，簡要分析同步電動機(jī)和調(diào)相機(jī)的運行狀態(tài)。,６.1同步電機(jī)的基本工作原理與結(jié)構(gòu),６.1.1同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu),以汽輪發(fā)電機(jī)為例:,返回,返回,1、汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)（1）定子鐵心,返回,返回,1、汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu),返回,2、水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu),(1)立式水輪發(fā)電機(jī),,(2)臥式水輪發(fā)電機(jī),2、水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),10000kW水輪機(jī)轉(zhuǎn)子,1.發(fā)電環(huán)節(jié)——各種電機(jī),引進(jìn)600MW汽輪發(fā)電機(jī),國產(chǎn)300MW汽輪發(fā)電機(jī),國產(chǎn)200MW汽輪發(fā)電機(jī)定子,國產(chǎn)200MW汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心,現(xiàn)場運行的水輪發(fā)電機(jī),６.1同步電機(jī)的基本工作原理與結(jié)構(gòu),６.1.2同步電機(jī)的基本工作原理與分類,一、同步發(fā)電機(jī)的基本工作原理,大?。?頻率：,勵磁繞組通入直流電流后建立恒定磁場，原動機(jī)拖動轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，其磁場切割定子繞組而感應(yīng)交流電動勢.,相序：由轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向決定。,波形：由可知，波形取決于的空間分布。,,發(fā)電機(jī)的物理過程可用圖示表示,旋轉(zhuǎn)示意圖1,旋轉(zhuǎn)示意圖2,二、同步電機(jī)的分類,按運行方式，同步電機(jī)分發(fā)電機(jī)、電動機(jī)和調(diào)相機(jī)。,按結(jié)構(gòu)型式，同步電機(jī)分旋轉(zhuǎn)電樞式和旋轉(zhuǎn)磁極式。,旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機(jī)按磁極形狀，又分隱極式和凸極式兩種。,按原動機(jī)類別,同步電機(jī)分為汽輪發(fā)電機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)等。,汽輪發(fā)電機(jī)一般作成隱極式，現(xiàn)代汽輪發(fā)電機(jī)均為2極，轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分鐘，水輪發(fā)電機(jī)采用凸極式，極數(shù)多，轉(zhuǎn)速低。,同步電動機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)和調(diào)相機(jī)一般作成凸極式。,６.1.3同步電機(jī)的額定值,對同步發(fā)電機(jī)額定值之間關(guān)系為：,,額定運行時加在三相定子繞組上的線電壓。,,指電機(jī)額定運行時，輸出功率的保證值。同步發(fā)電機(jī)是指輸出的額定視在功率或有功功率，單位是KVA或KW。電動機(jī)額定容量是指額定條件下轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)械功率，單位是KW。調(diào)相機(jī)用KVA或Kvar表示。,,在額定運行狀態(tài)下三相定子繞組的線電流.,,６.2同步發(fā)電機(jī)的空載運行,電磁關(guān)系：,空載特性：,同步發(fā)電機(jī)被原動機(jī)拖動到同步轉(zhuǎn)速，勵磁繞組中通入直流電流，定子繞組開路的運行稱為空載運行。,空載電動勢大?。?６.3同步電機(jī)的電樞反應(yīng),電樞反應(yīng):電機(jī)帶上負(fù)載后，電樞磁動勢的基波在氣隙中使氣隙磁通的大小及位置均發(fā)生變化,這種影響稱為電樞反應(yīng).,電樞反應(yīng)的性質(zhì)，取決于電樞磁動勢基波和勵磁磁動勢基波之間的相對位置，即與空載電動勢和電樞電流之間的夾角有關(guān).,勵磁磁勢和電樞磁勢的區(qū)別,６.3.1時的電樞反應(yīng),電樞反應(yīng)性質(zhì)：交軸電樞反應(yīng),空載電動勢和電樞電流同相位.,６.3.2時的電樞反應(yīng),空載電動勢超前電樞電流,,6.3.3時的電樞反應(yīng),空載電動勢滯后電樞電流,,6.3.4一般情況下的電樞反應(yīng),空載電動勢超前電樞電流角,,此種情況下,---直軸分量---交軸分量,---直軸分量電流產(chǎn)生的合成磁動勢---交軸分量電流產(chǎn)生的合成磁動勢,6.3.4一般情況下的電樞反應(yīng)（總結(jié)）,6.3.5電樞反應(yīng)與機(jī)--電能量轉(zhuǎn)換,電樞反應(yīng)是同步電機(jī)在負(fù)載運行時的重要物理現(xiàn)象，它不僅是引起端電壓變化的主要原因，而且也是電機(jī)實現(xiàn)機(jī)---電能量轉(zhuǎn)換的樞紐。,輸出的有功功率越大，有功分量電流就越大，交軸電樞反應(yīng)越強(qiáng)，越大，這就要求原動機(jī)輸入更大的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，維持電機(jī)的轉(zhuǎn)速不變。,說明發(fā)電機(jī)帶感性(或容性)無功負(fù)載時,不需要原動機(jī)增加能量.,但是直軸去磁（或助磁）電樞反應(yīng)對氣隙磁場有去磁（或助磁）作用，致使電壓下降（或上升）。為維持電壓恒定所需的勵磁電流也需要相應(yīng)增加（或減?。?直軸電樞反應(yīng)磁場與勵磁電流共同作用,在勵磁繞組上產(chǎn)生電磁力,但不能形成電磁轉(zhuǎn)矩.,一般情況下，發(fā)電機(jī)既帶有功負(fù)載，又帶感性無功負(fù)載，有功電流的變化影響發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及頻率，無功電流的變化影響發(fā)電機(jī)的電壓。,綜上所述，交軸電樞反應(yīng)的存在是實現(xiàn)機(jī)——電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。,為了保持發(fā)電機(jī)的頻率和電壓的穩(wěn)定，必須隨負(fù)載變化及時調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸入功率和勵磁電流。,6.4.1凸極同步發(fā)電機(jī)的電動勢方程和相量圖,６.4同步電機(jī)的負(fù)載運行,一、凸極同步發(fā)電機(jī)的電動勢方程,電磁關(guān)系：,不計磁路飽和時有下列關(guān)系,由于,且令,則電動勢平衡方程,分別表征在對稱負(fù)載下，單位直軸或交軸三相電流產(chǎn)生的總電樞磁場在電樞每一相繞組中感應(yīng)的電動勢。,二、凸極同步發(fā)電機(jī)的相量圖,作圖步驟,6.4.2隱極同步發(fā)電機(jī)的電動勢方程、相量圖和等效電路,一、電動勢方程,電磁關(guān)系：,,,,不計磁路飽和時有下列關(guān)系,令,電動勢平衡方程,--同步電抗,表征在對稱負(fù)載下，單位三相電流產(chǎn)生的電樞總磁場在電樞每一相繞組中感應(yīng)的電動勢。,二、等效電路和相量圖,等效電路,相量圖,根據(jù)相量圖可求出,當(dāng)忽略電樞回路電阻時得到的等效電路稱為簡化等效電路,對應(yīng)的相量圖稱為簡化相量圖,思考題,分別作出汽輪同步發(fā)電機(jī)帶阻性、純感性、純?nèi)菪?、電感性、電容性?fù)載時的簡化相量圖？并說明各種情況下電樞反應(yīng)的性質(zhì)？,6.4.3同步發(fā)電機(jī)特性,一、空載特性,定義：,空載特性是發(fā)電機(jī)的基本特性之一。它一方面表征了磁路的飽和情況，另一方面把它和短路特性、零功率因數(shù)負(fù)載特性配合，可確定電機(jī)的基本參數(shù)、額定勵磁電流和電壓變化率等。,實際生產(chǎn)中，它還可以檢查三相電樞繞組的對稱性、匝間短路、判斷勵磁繞組和定子鐵心有無故障等。,二、短路特性,定義：,短路時的等效電路,短路特性曲線,短路特性與空載特性配合可以求出電機(jī)的同步電抗。,三、外特性,定義：,外特性曲線,當(dāng)發(fā)電機(jī)帶阻性和感性負(fù)載時，外特性是下降的，原因是電樞反應(yīng)的去磁作用和電樞漏阻抗產(chǎn)生了電壓降.,帶容性負(fù)載時且（發(fā)電機(jī)負(fù)載的容抗大于同步電抗）時，外特性是上升的，原因是電樞反應(yīng)的助磁作用和容性電流在漏抗上的壓降。,四、調(diào)節(jié)特性,定義：,調(diào)整特性曲線,在感性和阻性負(fù)載時，隨著負(fù)載電流的增加，必須增加勵磁電流，補(bǔ)償電樞反應(yīng)的去磁作用和漏阻抗壓降，保持端電壓恒定；對容性負(fù)載，隨著負(fù)載電流的增加，必須減小勵磁電流。,在功率因數(shù)一定情況下,根據(jù)調(diào)整特性曲線,可確定在負(fù)載變化范圍內(nèi),維持電壓不變所需的勵磁電流的變化范圍。運行人員可利用調(diào)整特性曲線,使系統(tǒng)中無功功率的分配更合理一些。,并聯(lián)運行的含義,６.5同步電機(jī)的并聯(lián)運行,1、提高供電的可靠性；2、提高供電的經(jīng)濟(jì)性；3、提高電能的質(zhì)量。,無窮大電網(wǎng)的含義,將兩臺或更多臺發(fā)電機(jī)分別接在電力系統(tǒng)對應(yīng)母線上，或通過變壓器、輸電線接在電力系統(tǒng)的公共母線上，共同向負(fù)荷供電。,并聯(lián)運行的優(yōu)點,并列方法,1.準(zhǔn)同期法2.自同期法,6.5.1并聯(lián)運行的條件,一、準(zhǔn)同期并列的條件,1.待并發(fā)電機(jī)的電壓與電網(wǎng)電壓大小相等；2.待并發(fā)電機(jī)電壓相位相同與電網(wǎng)電壓相位相同；3.待并發(fā)電機(jī)電壓頻率與電網(wǎng)電壓頻率相同；4.待并發(fā)電機(jī)的相序與電網(wǎng)的相序相同。,上述條件（4）一般在安裝發(fā)電機(jī)時，根據(jù)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)向確定了發(fā)電機(jī)的相序而滿足，因此運行人員在并列時只需調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)使其滿足其它三個條件即可。,不滿足任一條件的并列稱為非同期并列，將對電機(jī)產(chǎn)生嚴(yán)重的危害。,重點內(nèi)容,1.電壓大小不等,此時,ab兩端有電位差,在電位差的作用下發(fā)電機(jī)產(chǎn)生沖擊電流，即,沖擊電流為無功分量，不會加重原動機(jī)的負(fù)擔(dān)，但會在電樞繞組中產(chǎn)生很大的沖擊力，使電樞繞組端部受沖擊力的作用而變形。,2.相位不同,電位差可達(dá)發(fā)電機(jī)電壓的兩倍，若此時并列，會產(chǎn)生很大的沖擊電流，發(fā)電機(jī)會因遭受巨大的沖擊力而損壞。,沖擊電流的影響：1)電樞繞組端部受力變形;2)轉(zhuǎn)軸上受沖擊轉(zhuǎn)矩的作用,使機(jī)軸扭曲變形;３)電樞繞組發(fā)熱.,此時,ab兩端有電位差,3.頻率不同,轉(zhuǎn)軸上時而產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩、時而產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，結(jié)果是電機(jī)振動。,拍振電流使電樞繞組端部受力變形，使電樞繞組發(fā)熱。,頻率差過大電機(jī)不能并列；頻率差較小時，靠自整步作用，可以把發(fā)電機(jī)拉入同步。,4.相序不同,發(fā)電機(jī)實際并列時，除了相序必須一致外，其它條件允許有一定的偏差，如△U不超過10%，相位差不超過10%，頻率偏差不超過0.2%~0.5%（0.1~0.25Hz)。,二、自同期法,相序正確前提下，起動未加勵磁的發(fā)電機(jī)，當(dāng)其轉(zhuǎn)速接近同步速時，合上同步開關(guān)，將發(fā)電機(jī)并網(wǎng)，然后加上發(fā)電機(jī)勵磁將發(fā)電機(jī)牽入同步。并網(wǎng)前，勵磁繞組需經(jīng)限流電阻閉合。,6.5.2有功功角特性及有功功率調(diào)節(jié),６.5同步電機(jī)的并聯(lián)運行,一、功率和轉(zhuǎn)矩平衡,可得轉(zhuǎn)矩平衡方程為,或,上式說明，電機(jī)穩(wěn)定運行時，驅(qū)動性質(zhì)的原動機(jī)轉(zhuǎn)矩與制動性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩和空載轉(zhuǎn)矩之和平衡。,二、有功功率功角特性,定義：,并聯(lián)于無窮大電網(wǎng)的同步發(fā)電機(jī)，當(dāng)電網(wǎng)電壓和頻率一定、參數(shù)（）為常數(shù)、空載電動勢不變（即不變）時，為有功功率功角特性。,凸極發(fā)電機(jī)的有功功率功角特性,隱極發(fā)電機(jī)的有功功率功角特性,水輪發(fā)電機(jī)有功功率功角特性曲線,水輪發(fā)電機(jī)的有功功率功角特性分兩部分:,附加電磁功率的特點:,,,汽輪發(fā)電機(jī)的功角特性曲線,汽輪發(fā)電機(jī)的有功功率功角特性的特點:,1、是電動勢和電壓間的時間相位角;,或稱是勵磁磁勢和合成磁勢間的空間夾角。,2、是感應(yīng)電動勢的主磁通和產(chǎn)生電壓的電樞等效假想磁通之間的夾角。,功角的雙重物理意義,用圖示功角的雙重物理意義,轉(zhuǎn)子因有原動機(jī)的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩克服定子合成磁極的制動轉(zhuǎn)矩而作功,實現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換,將由原動機(jī)輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茌敵觥?可見，功角是研究同步發(fā)電機(jī)運行狀態(tài)的一個重要參數(shù)，它不僅決定了發(fā)電機(jī)輸出有功功率的大小，而且還反映發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的相對空間位置，通過它把同步電機(jī)的電磁關(guān)系和機(jī)械運動緊密聯(lián)系起來。,發(fā)電機(jī)空載運行時，原動機(jī)輸入的功率用來平衡各種損耗，此時，定、轉(zhuǎn)子磁極軸線重合，它們之間只有徑向力而無切向力，所以，在功角特性的0點上。,可見，并聯(lián)于無窮大電網(wǎng)的同步發(fā)電機(jī)要調(diào)節(jié)有功功率輸出，只需調(diào)節(jié)原動轉(zhuǎn)矩。在功率極限角范圍內(nèi)，輸入轉(zhuǎn)矩越大，有功功率輸出就越大。,四、靜態(tài)穩(wěn)定的概念,靜態(tài)穩(wěn)定：指并聯(lián)在電網(wǎng)上穩(wěn)定運行的同步發(fā)電機(jī)，當(dāng)受電網(wǎng)或原動機(jī)方面某些微小擾動時，能在這種干擾消失后，繼續(xù)保持原來穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力。,,在a點運行時電機(jī)具有靜態(tài)穩(wěn)定的能力。,若干擾使功角δ增大到a′點，Pem和Tem增大，迫使電機(jī)減速，功角δ變小，電機(jī)回到a點。,,干擾使功角δ減小時，有同樣結(jié)論。所以a點稱為穩(wěn)定運行點。,而b點為不穩(wěn)定運行點，分析略。,靜態(tài)穩(wěn)定的判據(jù)：比整步功率(kW/rad),對汽輪發(fā)電機(jī)，比整步功率為,在電機(jī)穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，越大，電機(jī)穩(wěn)定增長性越好。,五、過載能力,汽輪發(fā)電機(jī)的過載能力,最大電磁功率與額定功率的比值稱為過載能力。,過載能力越大，電機(jī)的穩(wěn)定性越好。過載能力是表達(dá)靜態(tài)穩(wěn)定的能力，不是發(fā)電機(jī)可以過載的倍數(shù)。,過載能力設(shè)計得在一點，是從提高稱定觀點考慮的，不是從發(fā)熱觀點考慮的。,6.5.3無功功角特性及V形曲線,一、無功功率功角特性,并聯(lián)于無窮大電網(wǎng)的同步發(fā)電機(jī)當(dāng)電網(wǎng)電壓和頻率恒定、參數(shù)（xd、xq、xt）為常數(shù)、空載電勢E0不變（即If不變）時，Q=f(δ)為無功功率功角特性。,水輪發(fā)電機(jī)無功功率的功角特性,汽輪發(fā)電機(jī)無功功率的功角特性,汽輪發(fā)電機(jī)無功功率的功角特性曲線,幾個特殊點:,從能量守恒觀點看，并網(wǎng)運行的同步發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)無功功率，不需調(diào)節(jié)原動機(jī)來的輸入功率，只需改變勵磁電流。,調(diào)節(jié)前，,增大后,調(diào)節(jié)不影響發(fā)電機(jī)的有功功率輸出,但影響電機(jī)的穩(wěn)定性能。,調(diào)節(jié)無功時不影響有功功率的輸出,但是調(diào)節(jié)有功時影響無功功率輸出.,三、相量分析,1.正常勵磁,2.過勵磁,3.欠勵磁,四、V形曲線,并聯(lián)于無窮大電網(wǎng)的同步發(fā)電機(jī)，保持有功功率不變時，表示電樞電流和勵磁電流的關(guān)系曲線稱為“V”形曲線。,發(fā)電機(jī)運行時，定子電流和勵磁電流是運行人員主要監(jiān)視的兩個物理量，這兩個量關(guān)系到定子繞組和勵磁繞組的溫度，又牽涉到功率因數(shù)的超前或滯后以及運行的穩(wěn)定性問題。,對于一個給定的有功功率輸出就有一條V形曲線，有功功率越大，曲線向上移，因此可是以得到一簇“V”形曲線。,,,V形曲線的特點,2.不穩(wěn)定區(qū)域邊緣：δ=900，連線向右傾斜;,1.每條曲線的最低點,,定子電流最小,且全為有功電流，這些點的連線向右傾斜；,3.每條曲線上的電流變化量ΔI為無功分量;,4.勵磁電流從零開始增大時，定子電樞電流變化規(guī)律為先減小后增大。,表明要輸出純有功功率，必須相應(yīng)增加一些勵磁電流。,表明輸出有功功率越多，維持穩(wěn)定所需的勵磁電流也越大。,6.6.1同步電動機(jī),６.6同步電動機(jī)和同步調(diào)相機(jī),一、同步電機(jī)的可逆原理,同步電機(jī)運行于發(fā)電機(jī)狀態(tài)時，如圖所示。,轉(zhuǎn)子磁極軸線超前定子合成磁極軸線，δ>0，電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能。,同步電機(jī)的運行是可逆的，既可以用作發(fā)電機(jī)，還可以用作電動機(jī)。,逐步減少發(fā)電機(jī)的輸入功率，轉(zhuǎn)子將瞬時減速，δ角減小，相應(yīng)的電磁功率也減少。,當(dāng)發(fā)電機(jī)的輸入功率只能滿足空載損耗時，發(fā)電機(jī)處于空載運行狀態(tài)。,繼續(xù)減少發(fā)電機(jī)的輸入功率，則δ和Pem變?yōu)樨?fù)值。卸動原動機(jī)，電機(jī)從電網(wǎng)吸收功率滿足空載損耗，成為空轉(zhuǎn)的電動機(jī)。,電機(jī)軸上加上機(jī)械負(fù)載，負(fù)值的δ增大，由電網(wǎng)向電機(jī)輸入的電功率和相應(yīng)的電磁功率增大，轉(zhuǎn)子磁極軸線落后定子合成磁極軸線，轉(zhuǎn)子受到驅(qū)動性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩作用。,二、同步電動機(jī)的基本方程,按照發(fā)電機(jī)慣例，同步電動機(jī)可以看成是一臺輸出負(fù)的有功功率的發(fā)電機(jī)，其電動勢方程與發(fā)電機(jī)的方程相同，以隱極機(jī)為例：,按照電動機(jī)慣例，把輸出負(fù)電流看成是輸入正電流即可，其電動勢方程：,隱極機(jī)：,凸極機(jī)：,同步電動機(jī)的功角特性與發(fā)電機(jī)的也相似，用δM=-δ代替δ即可。,三、同步電動機(jī)的V形曲線,與同步發(fā)電機(jī)相似,當(dāng)同步電動機(jī)的輸入有功功率恒定而調(diào)節(jié)勵磁電流時,也有三種勵磁狀態(tài),“正常勵磁”時,電動機(jī)沒有無功功率輸出；“過勵”時電動機(jī)從電網(wǎng)吸收容性無功（或發(fā)出感性無功）;“欠勵”時電動機(jī)從電網(wǎng)吸收感性無功（或發(fā)出容性無功）.也可以調(diào)節(jié)無功功率.,調(diào)節(jié)勵磁電流可以調(diào)節(jié)同步電動機(jī)的無功功率和功率因數(shù),這是同步電動最可貴的特點.,由于同步電動機(jī)的平均起動轉(zhuǎn)矩為零，所不能自行起動，必須借用其它方法。,常用的起動方法有：輔助電動機(jī)起動法、變頻起動法和異步起動法。其中異步起動法應(yīng)用最廣泛。,6.6.2同步調(diào)相機(jī),同步調(diào)相機(jī)是專門發(fā)送無功功率的同步電機(jī)，實質(zhì)上是一臺空載運行的同步電動機(jī)。,在電網(wǎng)的受電端接上同步調(diào)速相機(jī)，是提高電網(wǎng)功率因數(shù)的重要方法之一。,一、同步調(diào)相機(jī)的勵磁,1.正常勵磁,2.過勵磁,3.欠勵磁,二、同步調(diào)相機(jī)的特點,1.調(diào)相機(jī)的額定容量指的是在過勵狀態(tài)下的額定視在功率。,2.由于轉(zhuǎn)軸上不帶機(jī)械負(fù)載，所以調(diào)相機(jī)的轉(zhuǎn)軸比同容量的電動機(jī)轉(zhuǎn)軸細(xì)，沒有過載能力的要求。,3.為了提高調(diào)相機(jī)提供感性無功的能力，勵磁線圈導(dǎo)線截面較大，但勵磁損耗仍然很大，對通風(fēng)冷卻要求較高。,同步調(diào)相機(jī)的起動一般采用異步起動法或輔助電動機(jī)法。選擇起動方法時，首先考慮限制起動電流，然后考慮滿足起動轉(zhuǎn)矩的要求。,