電機(jī)學(xué) 第5章 同步電機(jī)

1、第五章 同步電機(jī)及控制電機(jī) 5.1 同步電機(jī) 5.1.1 三相同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)5.1.2 三相同步發(fā)電機(jī)5.1.3 三相同步電動(dòng)機(jī)5.2 控制電機(jī)5.2.1 控制電機(jī)概述5.2.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)同步電機(jī)主要用途： 主要作為發(fā)電機(jī)使用,工農(nóng)業(yè)的交流電幾乎全由同步發(fā)電機(jī)發(fā)出。 作為電動(dòng)機(jī)使用，在不要求調(diào)速的大功率生產(chǎn)機(jī)械中使用較多。 作為同步補(bǔ)償機(jī)使用（又稱為調(diào)相機(jī)），專門向電網(wǎng)發(fā)出感性和容性無(wú)功功率，滿足電網(wǎng)對(duì)無(wú)功功率的要求。5.1同步電機(jī)5.1.1三相同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)同步電機(jī)結(jié)構(gòu)模型同步電機(jī)結(jié)構(gòu)模型定子包括：定子鐵心、三相繞組（又稱電樞繞組）、機(jī)座、端蓋。轉(zhuǎn)子部分：轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組、滑環(huán)和

2、轉(zhuǎn)軸。轉(zhuǎn)子有兩種類型：凸極式、隱極式。（1）凸極式：有明顯的極，勵(lì)磁繞組繞在鐵心上，可以是一對(duì)、兩對(duì)，機(jī)械強(qiáng)度較低適用于轉(zhuǎn)速低的場(chǎng)合，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。沒(méi)有明顯的極，轉(zhuǎn)子為一圓柱體，工藝復(fù)雜，機(jī)械強(qiáng)度高。兩極汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子剖面圖兩極汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子剖面圖5.1.2三相同步發(fā)電機(jī)+-勵(lì)磁電源n定子鐵心定子繞組勵(lì)磁繞組1、基本工作原理0044fn.4EU（1）空載運(yùn)行定子三相繞組開路時(shí)即為空載運(yùn)行狀態(tài)。A、轉(zhuǎn)子繞組中通直流電，產(chǎn)生磁場(chǎng)0B、原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)沿氣隙按正弦規(guī)律分布，定子繞組內(nèi)磁通發(fā)生變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，也按正弦規(guī)律變化。定子三相繞組結(jié)構(gòu)相同，空間分布相差120度，因

3、此三相繞組感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)幅值、頻率相同，相位相差120度。式中 為一對(duì)磁極產(chǎn)生的主磁通，其大小可由If調(diào)節(jié)，N為定子每相繞組匝數(shù)。0C、f為電動(dòng)勢(shì)的頻率。HZ 60Pnf 頻率表示每秒鐘切割磁力線的次數(shù)。 P為轉(zhuǎn)子磁極對(duì)數(shù)，n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分），當(dāng)n不變時(shí)才有f不變。 當(dāng)空載運(yùn)行時(shí)只須克服摩擦、風(fēng)阻及鐵損等形式的空載轉(zhuǎn)矩。（2）負(fù)載運(yùn)行060f60 pnnnpp60E 當(dāng)定子繞組與負(fù)載相連，電樞繞組中通過(guò)電流即進(jìn)入負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)。產(chǎn)生的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)子繞組定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)0E0I0三相對(duì)稱交流電a電樞磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)速為n0假設(shè)負(fù)載對(duì)稱所以a與轉(zhuǎn)子相對(duì)靜止，它們總是同步在空間旋轉(zhuǎn)，同步電機(jī)的名稱由此而來(lái)。電

4、機(jī)中少量的漏磁通aE 負(fù)載時(shí)定子中通以電流產(chǎn)生了電樞磁場(chǎng)，電樞磁場(chǎng)使氣隙磁場(chǎng)發(fā)生變化的作用稱為電樞反應(yīng)。這時(shí)的氣隙磁場(chǎng)是電樞磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)合成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。EEEEEE)(Ea0aa00勢(shì)為：電樞繞組總的感應(yīng)電動(dòng)漏磁通反電動(dòng)勢(shì)電樞磁場(chǎng)每相定子繞組中產(chǎn)生空載電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)IjXEIXXjEEIjX-IjXEEEEES0a0a0a0）（上的壓降?？煽闯墒锹┐烹娍股系碾妷航?。同理抗可看成是電樞反應(yīng)電數(shù)。則對(duì)應(yīng)的電感可看成常成正比反應(yīng)電流可看成與電樞飽和，則電樞反應(yīng)磁通假設(shè)定子和轉(zhuǎn)子鐵心不XEXE,IaaaXs為同步電抗包括電樞反映感抗和電樞漏感抗。IjXEIR-EURIjXREIR-EUS0aaSa0

5、a很小忽略，所以）（定子繞組端電壓為：IjXSE0UjXSIabcIE0U角為功率角。；分別為相電壓，相電流，發(fā)電機(jī)的輸出功率：IUsinX3UE3UIcosPsinIXUcosEbccosIXsinEabS02S0S0內(nèi)阻抗例5.1.1 某三相六極同步發(fā)電機(jī)的額定電壓為400v，額定容量為15kvA，頻率為50Hz，同步電抗Xs=6歐姆，功率因數(shù)為0.8（滯后），電樞繞組星形聯(lián)接。試求：轉(zhuǎn)速；每相繞組的空載電動(dòng)勢(shì)和功率角。LNNLNNLNNNU3SU3SU3S3USYIUsinScosSI3US相相相相形連接時(shí)，額定電流當(dāng)形連接時(shí)，額定電流當(dāng)；額定電流：線電流；額定電壓：線電壓；輸出無(wú)功功率

6、；輸出有功功率；額定容量21.7A40031015U3SI230V34003UUY(2)1000r/min35060p60fn, 3p) 1 (3LL額定電流為：形連接，相電壓發(fā)電機(jī)繞組是旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)子磁極對(duì)數(shù)解：。，功率角為即空載電動(dòng)勢(shì)為所示：根據(jù)發(fā)送電機(jī)的向量圖18.6325VV18.6325j104308j10478230jXsIcosXsIsinUjXsIUE0例：一臺(tái)三相Y形連接的隱極同步發(fā)電機(jī)，每相電抗為2歐姆，每相電阻為0.1歐姆，當(dāng)容量為500kvA，cos=0.8（滯后）時(shí)，端電壓為2300v，求氣隙磁場(chǎng)在一相繞組中產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。）（）（設(shè)）（相電流解：相電壓A36.87

7、125.5IIV01327.90UU36.87arccos0.8A125.52300310500U3SI1327.9V323003UU3LL)v(7.41501coscos125.5sin1 . 0-125.52jsincos125.5sin1 . 0-125.52cos125.51 . 01327.936.87125.5j236.87125.51 . 01327.9jIXsIRUE）（）（所以：IUEIRjIXs-36.8702、三相同步發(fā)電機(jī)的特性（1）空載特性空載特性曲線的校正空載特性曲線的校正 空載試驗(yàn)還可檢驗(yàn)勵(lì)磁系統(tǒng)的工作情況，電樞繞組連接是否正確。（2）外特性)(cos1IfUCC

8、Innf 在額定同步轉(zhuǎn)速、勵(lì)磁電流和負(fù)載功率因數(shù)不變下，定子繞組的端電壓和定子電流之間的關(guān)系。 當(dāng)負(fù)載分別為電容性、電阻性、電感性負(fù)載時(shí)，該特性曲線不同（p120），這是因?yàn)殡姌谢芈分械淖杩箟航导半姌蟹磻?yīng)的不同影響造成的。 作為發(fā)電機(jī)的端電壓變化越小越好，用電壓調(diào)整率表示。其中U0是空載時(shí)的端電壓，UN是額定電壓。%100%0NNUUUU 當(dāng)電壓變化較大時(shí)，需調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流If使E0作相應(yīng)的變化。（3）,n=cont時(shí)時(shí)電感性電容性電阻性3、同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁方式 同步發(fā)電機(jī)的直流供電裝置稱為勵(lì)磁系統(tǒng)。獲得直流勵(lì)磁電流的方法稱為勵(lì)磁方式。勵(lì)磁系統(tǒng)的作用：（1）提供勵(lì)磁電流，并根據(jù)負(fù)載變化作相應(yīng)的調(diào)

9、整維持端電壓不變。（2）發(fā)電機(jī)因故端電發(fā)嚴(yán)重下降時(shí)對(duì)發(fā)電機(jī)強(qiáng)行勵(lì)磁提高運(yùn)行的穩(wěn)定性。（3）當(dāng)負(fù)荷突然減少時(shí)，強(qiáng)行減磁以限制發(fā)電機(jī)端電壓過(guò)度增高。勵(lì)磁方式：自勵(lì)：二極管或晶閘管整流器將自身發(fā)出來(lái)的交流電整流后送給勵(lì)磁繞組。其中有三次諧波勵(lì)磁方式，利用氣隙磁場(chǎng)中存在的三次諧波在定子繞組中感應(yīng)出三次諧波電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)整流后作為勵(lì)磁電流。它勵(lì)：勵(lì)磁電流取自于其他電源，一般有直流勵(lì)磁機(jī)（常見(jiàn)的有直流并勵(lì)發(fā)電機(jī)）；交流勵(lì)磁機(jī)。特點(diǎn)是勵(lì)磁機(jī)只與原動(dòng)機(jī)有關(guān)，與外電網(wǎng)無(wú)直接關(guān)系，電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)不會(huì)影響勵(lì)磁系統(tǒng)。5.1.3三相同步電動(dòng)機(jī)NSNSn0n1、工作原理定子繞組星形或三角形連接，通入三相交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)

10、速為：p60fn0 轉(zhuǎn)子繞組通入直流勵(lì)磁電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)。 兩磁場(chǎng)異性磁極相吸。 定子磁場(chǎng)吸引轉(zhuǎn)子同方向等速度旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩須小于同步電機(jī)定子轉(zhuǎn)子間吸引力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向與異步電動(dòng)機(jī)一樣取決于定子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向與勵(lì)磁繞組電流無(wú)關(guān)。 運(yùn)行時(shí)各相電樞繞組中的磁通是轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的磁通、電樞繞組產(chǎn)生的磁通和電樞漏磁通合成的結(jié)果。感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)關(guān) 系為：E0UjXSI與發(fā)電機(jī)不同電動(dòng)機(jī)電樞繞組上感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)為反電動(dòng)勢(shì)。發(fā)電機(jī)的等效電路E0UjXSI電動(dòng)機(jī)的等效電路EEEEa0IjXSabcI-E0UjXsIEIjXIjXEEEE-EU0a0a0jXsIEU0發(fā)電機(jī)： 電動(dòng)機(jī)：IjXEU

11、S02、同步電機(jī)與異步電機(jī)的比較 相同點(diǎn)：定子完全相同； 不同點(diǎn)：同步電機(jī)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的電流轉(zhuǎn)子中通入電流轉(zhuǎn)子不通入電流，而是自動(dòng)感生出電流。受力方式磁場(chǎng)異性相吸產(chǎn)生吸力轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)電磁轉(zhuǎn)矩拖動(dòng)轉(zhuǎn)子速度轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速相等故稱同步。n=n0=60f/p轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速不相等。n0=60f/p，n不等于n0。3、三相同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性（1）機(jī)械特性轉(zhuǎn)速與負(fù)載轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。n=f（M）由于同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速恒定不隨轉(zhuǎn)矩而變，這種特性成為絕對(duì)硬特性，即恒轉(zhuǎn)速特性。是同步電動(dòng)機(jī)的基本特性。n0nM（2）工作特性 指同步電動(dòng)機(jī)外加電壓、勵(lì)磁電流為常數(shù)時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩、定子電流、功率因數(shù)、效率、和輸出機(jī)械功率

12、P2之間的關(guān)系曲線。IMM0I0PNP2a：當(dāng)P2=0時(shí)I0，M0為空載電流和空載轉(zhuǎn)矩。b：隨著P2增加I、M均增加近似為一直線。c：效率先增加很快后緩慢。（3）功率因數(shù)的調(diào)節(jié)MP3UICOSP21輸出功率：輸入功率：12fffPP3UICOSMMICOSICOS3UIICOSabIcI忽略空載損耗：，當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，為常數(shù)。所以改變，可使電動(dòng)機(jī)工作在三個(gè)狀態(tài)：正常勵(lì)磁：欠勵(lì)磁， 較小表現(xiàn)為感性負(fù)載，相位滯后：過(guò)勵(lì)磁， 較大表現(xiàn)為容性負(fù)載，相位超前4、三相同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng) 無(wú)法自己起動(dòng)，剛開始轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為零，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周轉(zhuǎn)子平均受力為零，無(wú)法克服慣性。三種起動(dòng)方法：A：輔助電動(dòng)機(jī)起動(dòng)法:先選用

13、一臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)作為輔助電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)主機(jī)轉(zhuǎn)子接近同步轉(zhuǎn)速使其作同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行，然后將主機(jī)聯(lián)入電網(wǎng)撤去輔機(jī)，主機(jī)自動(dòng)進(jìn)入電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。缺點(diǎn)：設(shè)備多、能耗大、操作復(fù)雜。B:變頻起動(dòng)：首先轉(zhuǎn)子直流勵(lì)磁，用低頻旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子，n0=60f/p，此時(shí)速度慢，然后將頻率慢慢上升，達(dá)到要求轉(zhuǎn)速。C：異步起動(dòng)法：異步電動(dòng)機(jī)能自己起動(dòng)，仿照這種方法來(lái)起動(dòng)，圖p127，首先打到左面，轉(zhuǎn)子繞組不通入電流而是串入合適的電阻限流，類似于異步電動(dòng)機(jī)達(dá)到亞同步（約同步轉(zhuǎn)速的95%），再將開關(guān)合向運(yùn)行側(cè)通入勵(lì)磁電流。這時(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)接近，依靠異性相吸轉(zhuǎn)子能進(jìn)入同步運(yùn)行。5.2 控制電機(jī) 控制電機(jī)是實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的變換和

14、傳遞，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中作執(zhí)行元件和信號(hào)元件，體積功率均較小，要求有高精度、高靈敏度、高可靠性。而普通電機(jī)則著重于機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，稱為動(dòng)力電機(jī)。種類：伺服電動(dòng)機(jī)、測(cè)速發(fā)電機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、微型同步電動(dòng)機(jī)、自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器等。1、伺服電動(dòng)機(jī) 將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為軸上的角位移或角速度輸出。特點(diǎn)：可控性好；響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、調(diào)速范圍大、功率小、體積小。 分為交流和直流伺服電動(dòng)機(jī)。2、測(cè)速發(fā)電機(jī) 將機(jī)械轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)。輸出的電壓與轉(zhuǎn)速成正比。常用作檢測(cè)轉(zhuǎn)速的元件。特點(diǎn)：線性度好即電壓與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系；有足夠大的靈敏度；剩余電壓小即轉(zhuǎn)速為零時(shí)的電壓小；輸出電壓的極性與轉(zhuǎn)速方向一致；響應(yīng)快。

15、分為交流和直流測(cè)速發(fā)電機(jī)。5.2.1 控制電機(jī)概述3、微型同步電動(dòng)機(jī) 將不變的交流電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)速恒定的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。在自動(dòng)控制中作為執(zhí)行元件。在恒速傳動(dòng)裝置中廣泛應(yīng)用。分為永磁式、反應(yīng)式、磁滯式等類型。4、自整角機(jī) 將機(jī)械轉(zhuǎn)角信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)或?qū)㈦娦盘?hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械轉(zhuǎn)角信號(hào)。使用時(shí)通常是兩臺(tái)或兩臺(tái)以上組合使用，便于轉(zhuǎn)角的變換、傳輸和接收。分為控制式自整角機(jī)和力矩式自整角機(jī)。前者用于檢測(cè)，后者可以遠(yuǎn)距離傳輸角度信號(hào)，用于自動(dòng)指示系統(tǒng)。5、旋轉(zhuǎn)變壓器輸出電壓隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變化而變化，兩者呈成正弦、余弦函數(shù)關(guān)系稱為正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器；成線性關(guān)系稱為線性旋轉(zhuǎn)變壓器，主要用于坐標(biāo)變換、三角運(yùn)算的角度測(cè)量等。5.2.

16、2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)功能：是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的角位移的電機(jī)。步距角：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每走一步所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。 應(yīng)用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以組成精度較高的開環(huán)控制系統(tǒng)。還可以實(shí)現(xiàn)往返轉(zhuǎn)動(dòng)、等幅擺動(dòng)和間歇轉(zhuǎn)動(dòng)等特殊運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)換器負(fù)載輸入指令步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)角脈沖 放大器脈沖 分配器開環(huán)控制系統(tǒng)1、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理和運(yùn)行方式基本結(jié)構(gòu)：以三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例。C1AA1B1BC1234結(jié)構(gòu) 定子：由硅鋼片疊成，共有六個(gè)磁極，每個(gè)極上裝有一個(gè)繞組，相對(duì)兩極上的繞組串成一相，共三個(gè)獨(dú)立的繞組。 轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子上均勻分布著4個(gè)齒，也稱四個(gè)極，由硅鋼片或其他軟糍材料制成，齒上不帶繞組。齒距角=360/n，n為齒數(shù)工作原理 驅(qū)

17、動(dòng)電源將脈沖信號(hào)按一定順序輪流加到三相繞組上，不同的通電順序有不同的運(yùn)行方式。主要有三相單三拍、三相雙三拍、三相單雙六拍三種運(yùn)行方式。運(yùn)行方式繞組數(shù)每次通電相數(shù)一個(gè)循環(huán)通電次數(shù)通電順序步距角三相單三拍三相一相3次A B C30三相雙三拍三相二相3次AB BC CA30三相單雙六拍 三相一相兩相間隔6次A AB B BC C CA15 三相指定子繞組有三相，單指同時(shí)只讓一相繞組通電，雙指同時(shí)有兩相繞組通電，三拍指通電三次完成一個(gè)循環(huán)。（1）三相單三拍運(yùn)行方式（圖5.2.3p131）（2）運(yùn)行方式的比較三相單三拍：每次只有一相繞組通電轉(zhuǎn)換時(shí)易發(fā)生失步；單靠一相繞組吸引轉(zhuǎn)子，穩(wěn)定性不好，易振蕩。因此較少采用。三相雙三拍：轉(zhuǎn)換時(shí)始終有一相繞組通電，較穩(wěn)定，步距角與單三拍相同。三相單雙六拍：始終有一相通電，每次轉(zhuǎn)動(dòng)步距角較小，穩(wěn)定性較好。2、步距角和轉(zhuǎn)速相數(shù)拍數(shù)狀態(tài)系數(shù)指相數(shù)，；步距角：；齒距角：即轉(zhuǎn)