第六章同步電機及微控電機

第六章同步電機及微控電機第1頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月6.1同步電機的基本工作原理及其分類一、三相同步發(fā)電機的基本工作原理大小：頻率：

勵磁繞組通入直流電流后建立恒定磁場，原動機拖動轉(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。第2頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月二、同步電機的分類按運行方式，同步電機分發(fā)電機、電動機和調(diào)相機。按結(jié)構(gòu)型式，同步電機分旋轉(zhuǎn)電樞式和旋轉(zhuǎn)磁極式。旋轉(zhuǎn)磁極式同步電機按磁極形狀，又分隱極式和凸極式兩種。按原動機類別,同步電機分為汽輪發(fā)電機、水輪發(fā)電機和柴油發(fā)電機等。汽輪發(fā)電機一般作成隱極式，現(xiàn)代汽輪發(fā)電機均為2極，轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分鐘，水輪發(fā)電機采用凸極式，極數(shù)多，轉(zhuǎn)速低。同步電動機、柴油發(fā)電機和調(diào)相機一般作成凸極式。按冷卻介質(zhì)和冷卻方式分，有空外冷、氫冷、水內(nèi)冷第3頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月三、同步電機的主要結(jié)構(gòu)1、定子：同步電機的定子有時也稱為電樞，由定子鐵芯、電樞三相繞組、機座和端蓋等部件所組成。

與異步電機一樣，同步電機也是由定子及轉(zhuǎn)子兩大部分所組成，定子上有三相交流繞組；轉(zhuǎn)子上則有勵磁繞組，通入直流電流后，能產(chǎn)生磁場。同步電機的定子鐵芯是由硅鋼片沖制后疊裝而成。當大型同步電機沖片外圓的直徑大于1m時，由于材料標準尺寸的限制，必須做成扇形沖片，然后按圓周拼合起來疊裝而成。第4頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月2、轉(zhuǎn)子：

同步電機的轉(zhuǎn)子有兩種結(jié)構(gòu)型式，即凸極式和隱極，1）凸極式：轉(zhuǎn)子有明顯的突出的磁極，氣隙分布不均勻。2）隱極式：轉(zhuǎn)子作成圓柱形，氣隙均勻分布。

區(qū)別：對于高速旋轉(zhuǎn)的同步電機，在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上，我們采用隱極式，而對于低速旋轉(zhuǎn)的電機，由于轉(zhuǎn)子的圓周速度較低，離心力較小，故采用制造簡單、勵磁繞組集中安放的凸極式結(jié)構(gòu)。大型同步發(fā)電機通常用汽輪機或水輪機作為原動機來拖動，故前者稱為汽輪發(fā)電機，后者稱為水輪發(fā)電機。汽輪發(fā)電機：轉(zhuǎn)速高，采用隱極式。水輪發(fā)電機：轉(zhuǎn)速低，采用凸極式。第5頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月對同步發(fā)電機額定值之間關系為：額定運行時加在三相定子繞組上的線電壓。指電機額定運行時，輸出功率的保證值。同步發(fā)電機是指輸出的額定視在功率或有功功率，單位是KVA或KW。電動機額定容量是指額定條件下轉(zhuǎn)軸上輸出的機械功率，單位是KW。調(diào)相機用KVA或Kvar表示。在額定運行狀態(tài)下三相定子繞組的線電流.四、同步電機的額定值第6頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2同步發(fā)電機的運行6.2.1同步發(fā)電機的電樞反應

同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子由原動機拖動到同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子繞組通以恒定的直流勵磁電流，定子電樞繞組開路，稱為同步發(fā)電機的空載運行。勵磁電流If單獨建立的勵磁磁動勢Ff產(chǎn)生的主、漏磁通。主、漏磁通均隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，在氣隙中形成旋轉(zhuǎn)磁場。主磁通交鏈電樞繞組，在電樞繞組中感應電動勢；漏磁通不交鏈電樞繞組，不在電樞繞組中感應電動勢，不參與定、轉(zhuǎn)子之間的能量轉(zhuǎn)換。電機帶上負載后，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。第7頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月

電樞反應的性質(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ψ有關。

一、ψ=0°時的電樞反應這里需要注意：我們習慣上稱轉(zhuǎn)子磁極軸線為直軸，用d來進行表示，而N，S極之間的中線為交軸，用q來進行表示。所以，由于交軸磁勢的存在，使合成磁勢的軸線的位置產(chǎn)生一定的位移，幅值發(fā)生一定的變化。電樞磁動勢與轉(zhuǎn)子磁勢相加后才是氣隙中的合成磁動勢。第8頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月二、ψ=90

°時的電樞反應：顯然，此時的電樞磁勢和氣隙磁勢方向相反，電樞反應是去磁效果。第9頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月三、ψ=-90

°時的電樞反應：

顯然，此時的電樞反應是增磁的，所以電樞磁勢稱之為直軸增磁電樞磁勢。第10頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月四、ψ=任意角度時的電樞反應：

在這里要注意是電流滯后電動勢還是超前電動勢。電流滯后電動勢時，產(chǎn)生直軸電樞磁勢，對主磁極起去磁作用。與同相位，起交磁作用；電流超前電動勢時，直軸分量電流產(chǎn)生的直軸磁勢對主極磁勢起增磁作用。交軸分量電流產(chǎn)生的交軸磁勢對主極磁勢起交磁作用?？傊?，當同步發(fā)電機供給滯后電流時，電樞磁勢除了一部分產(chǎn)生交軸電樞反應外，還有一部分產(chǎn)生直軸去磁電樞反應；當電電機供給超前電流時，電樞磁勢除了一部分產(chǎn)生交軸電樞反應外，還有一部分產(chǎn)生直軸增磁電樞反應。這個結(jié)論十分重要，它對發(fā)電機性能產(chǎn)生影響。第11頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2.2同步電抗

同步電抗是同步電機中一個重要參數(shù)，它的大小對同步電機的性能有很大影響。

隱極同步電機有一個特點就是定轉(zhuǎn)子之間的氣隙是均勻分布的。其中的稱為電樞反應電抗。在同樣大小電流情況下,如果越大，電樞反應電勢也越大，表示著電樞磁勢所產(chǎn)生的電樞磁通很強。因此的大小可以說明電樞反應的強弱。當然，電樞電流除了產(chǎn)生主磁通外，還要產(chǎn)生一定的漏磁通，由于漏磁通也會交鏈電樞繞組，所以對應產(chǎn)生電動勢。所以在三相對稱電流通過電樞繞組后，所產(chǎn)生的匝鏈定子繞組的磁通為（），兩者在電樞繞組中所產(chǎn)生的全部電勢為式中：稱為隱極同步電機的同步電抗。第12頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2.3隱極同步發(fā)電機的負載運行

一、負載電流對端電壓的影響：

一臺同步發(fā)電機，保持勵磁電流和電機的轉(zhuǎn)速不變，給發(fā)電機帶上負載，則發(fā)電機的端電壓將隨著負載電流的變化而變化。不同性質(zhì)負載下，其變化規(guī)律也不同。在電阻負載時，負載電流增大端電壓下降；在電感負載時，負載電流增大端電壓下降的更厲害；在電容負載時，負載電流增大時，端電壓不但不下降反而會上升。這說明發(fā)電機端電壓的變化，不但與負載電流的大小有關，還與負載電流的性質(zhì)有關。二、隱極同步發(fā)電機的電勢方程式：同步發(fā)電機在對稱負載下運行，氣隙中存在著兩種磁勢，即定子上的電樞磁勢和轉(zhuǎn)子的磁極磁勢。在不考慮磁路的飽和現(xiàn)象時，應用迭加原理，認為它們各自獨立地產(chǎn)生相應磁通，并在電樞繞組內(nèi)產(chǎn)生感應電勢。第13頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2.4凸極同步發(fā)電機的負載運行

當凸極同步發(fā)電機在對稱負載下運行時，氣隙中也存在著兩種旋轉(zhuǎn)磁勢，即轉(zhuǎn)子上磁極磁勢和定子上電樞磁勢。由于凸極電機中，轉(zhuǎn)子直軸和交軸上的氣隙不等，在分析電樞磁勢影響時，必須按照式前面我們所分析的將磁動勢分解成直軸和交軸兩個分量，然后和處理隱極電機一樣，不計及磁路的飽和現(xiàn)象，應用迭加原理認為它們各自獨立地產(chǎn)生相應的磁通，并在電樞繞組內(nèi)產(chǎn)生感應電勢?？傻茫旱?4頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2.5同步發(fā)電機的運行運行一、空載特性定義：

空載特性是發(fā)電機的基本特性之一。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)負載特性配合，可確定電機的基本參數(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、判斷勵磁繞組有無故障等。第15頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月二、短路特性定義：短路時的等效電路1、短路特性短路時,電樞反應為直軸去磁氣隙電動勢很小,感應氣隙電動勢的氣隙磁通量很小,所以磁路不飽和。所以短路特性是一條過原點的直線.此時是常數(shù)，有第16頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月2.同步電抗的求取根據(jù)公式求xd不飽和值時,首先給定一勵磁電流If，在空載特性的不飽和段或氣隙線上確定對應If的E0值，然后在短路特性曲線上確定對應If的短路電流Ik的值,則求取xd飽和值時，首先在空載特性上取對應額定電壓UN的勵磁電流If0，再從短路特性上取出對應If0的短路電流Ik，則

交軸同步電抗第三篇同步電機第17頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月三、外特性定義：外特性曲線當發(fā)電機帶阻性和感性負載時，外特性是下降的，原因是電樞反應的去磁作用和電樞漏阻抗產(chǎn)生了電壓降；帶容性負載時且（發(fā)電機負載的容抗大于同步電抗）時，外特性是上升的，原因是電樞反應的助磁作用和容性電流在漏抗上的壓降。

為了在不同功率因數(shù)下時能得到額定電壓，感性負載時要增大勵磁電流，容性負載時應減小勵磁電流。第18頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月四、調(diào)節(jié)特性定義：調(diào)整特性曲線

在感性和阻性負載時，隨著負載電流的增加，必須增加勵磁電流，補償電樞反應的去磁作用和漏阻抗壓降，保持端電壓恒定；對容性負載，隨著負載電流的增加，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。第19頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月6.3同步電動機無功功率的調(diào)節(jié)同步電動機的功率因數(shù)是超前還是滯后，和發(fā)電機一樣決定于勵磁狀態(tài)。1、過勵時，電動機從電網(wǎng)中吸入超前的無功電流；2、欠勵時，從電網(wǎng)中吸入滯后的無功功率電流。顯然，電動機的功率因數(shù)是可以通過改變勵磁電流來進行調(diào)節(jié)的。因此，如將同步電動機在過勵狀態(tài)下和感應電動機接在同一電網(wǎng)上，便可以使供電系統(tǒng)的功率因數(shù)提高。這是它最可貴的優(yōu)點。

第20頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月6.4微控電機

微控電機由驅(qū)動微電機和控制電機構(gòu)成，簡稱為微控電機。在本質(zhì)上和前面所講的普通電機并沒有區(qū)別,只是他們的側(cè)重點不同而已。普通旋轉(zhuǎn)電機主要是進行能量變換，要求有較高的力能指標；而控制電機主要是對控制信號進行傳遞和變換，要求有較高的控制性能，如要求反應快、精度高、運行可靠等等。控制電機因其各種特殊的控制性能而常在自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件、檢測元件和解算元件。驅(qū)動微電機：用來拖動各種小型負載，功率一般都在750W以下，最小的不到1W，外形尺寸較小，功率也小?？刂齐姍C：在自動控制系統(tǒng)中對信號進行傳遞和變換，用做執(zhí)行元件或信號元件。要求有較高的控制性能，如：反應快、精度高、運行可靠等等。主要有伺服電動機、步進電動機、旋轉(zhuǎn)變壓器、自整角機和測速發(fā)電機等。第21頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月6.4.1伺服電動機

伺服電動機（執(zhí)行電動機），它將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)軸的角位移或角速度輸出，改變輸入信號的大小和極性可以改變伺服電動機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向，故輸入的電壓信號又稱為控制信號或控制電壓。根據(jù)使用電源的不同，伺服電動機分為直流伺服電動機和交流伺服電動機兩大類。直流伺服電動機輸出功率較大，功率范圍為1～600瓦，有的甚至可達上千瓦；而交流伺服電動機輸出功率較小，功率范圍一般為0.1～100瓦。第22頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月一、直流伺服電動機直流伺服電動機實際上就是他勵直流電動機，只不過直流伺服電動機輸出功率較小而已。輸入的控制信號，既可加到勵磁繞組上，也可加到電樞繞組上：若把控制信號加到電樞繞組上，通過改變控制信號的大小和極性來控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的大小和方向，這種方式叫電樞控制；若把控制信號加到勵磁繞組上進行控制，這種方式叫磁場控制。二、交流伺服電動機：

交流伺服電動機就是兩相異步電動機，定子側(cè)繞組在空間相差90度擺放，轉(zhuǎn)子是鼠籠式的?？赏ㄟ^幅值、相位或幅-相控制法實現(xiàn)對其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的控制。第23頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月6.4.2微型同步電動機微型同步電動機的定子結(jié)構(gòu)與一般的同步電動機相同，可以是三相的也可是單相的，但轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同。根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同，微型同步電動機主要分為永磁式、反應式、磁滯式等，另外為了提高力能指標，還將磁滯式與其他形式結(jié)合起來。一、永磁式微型同步電動機永磁式同步電動機功率小，結(jié)構(gòu)簡單，在電氣儀表中應用較多。第24頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月二、反應式微型同步電動機

反應式微型同步電動機的轉(zhuǎn)子用磁極材料和非磁極材料拼鑲而成，使其直軸方向的磁阻小而交軸方向的磁阻大。當反應式同步電動機定子繞組接交流電源，由于直軸和交軸的磁阻不同，從而形成磁阻轉(zhuǎn)矩（也叫反應轉(zhuǎn)矩），拖動負載同步運行。三、磁滯式微型同步電動機

轉(zhuǎn)子磁滯材料層用硬磁材料制成，憑借磁滯轉(zhuǎn)矩而能自行起動，在起動過程中，磁滯角

的大小僅僅取決于硬磁材料的磁化特性，而與旋轉(zhuǎn)磁通勢和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速無關，轉(zhuǎn)子的硬磁材料在旋轉(zhuǎn)磁化下，磁滯角

是恒定的。第25頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月6.4.3步進電動機一、定義：是一種把電脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移的電動機。簡單的理解：給一個電脈沖信號，電機前進一步，因此被稱之為步進電動機。相對與模擬的電壓信號，步進電機的控制信號是數(shù)字量，因此，更廣泛的應用在數(shù)字控制場合。二、結(jié)構(gòu)：第26頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月三、相關概念：1、靜轉(zhuǎn)矩T：2、步距角：在靜轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子齒每前進一步在電機圓周上所跨過的距離，我們用一個角度來表示，叫做步距角。3、拍(N)：每改變一次通電方式叫做一拍，常用為三拍。4、通電循環(huán)：控制繞組各完成一次通電形成一個通電循環(huán)，通過后面的分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，每經(jīng)過一個通電循環(huán)，（即對應一個2π的空間電角度）轉(zhuǎn)子齒前進一個齒距的距離，因此，轉(zhuǎn)子一個齒距對應一個2π的空間電角度。5、單：每次改變通電方式只有一個繞組通電6、雙：每改變一次通電方式有兩相繞組同時通電.7、三相單三拍：三相單，雙六拍；三相雙三拍。

因此,它的通電順序為A-B-C-A,如果反向,即為A-C-B-A第27頁，課件共31頁，創(chuàng)作于2023年2月四、步進電機的應用

步進電動機是用脈沖信號控制的，一周的步數(shù)是固定的，只要不丟步，角位移誤差不存在長期積累的情況，主要用于數(shù)字控制系統(tǒng)中，精度高，運行可靠。如采用位置檢測和速度反饋，亦可實現(xiàn)閉環(huán)控制。步進電動機已廣泛地應用于數(shù)字控制系統(tǒng)中，如數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置、數(shù)控機床、計算機外圍設備、自動記錄儀、鐘表等之中，另外在