电力拖动课件06 同步电机

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,淮北职业技术学院机电工程系,同步电机的分类,按运行方式：,发电机、电动机和调相机。,按结构型式：,旋转电枢式和旋转磁极式。,旋转磁极式同步电机按磁极形状：,又分隐极式和凸极式两种。,按冷却介质和冷却方式分：,有空外冷、氢冷、水内冷。,按原动机类别：,同步电机分为汽轮发电机、水轮发电机和柴油发电机等。,1,第一节 三相同步电动机,一、三相异步电动机的同步运行异步电动机的同步化 和三相同步电动机的工作原理 当三相异步电动机的电枢绕组通入三相对称交流电流后，就会产生以同步转速ns旋转的三相合成基波磁动势Fa。在绕线转子的异步电动机转子绕组中其中两相并联引出，如图6-1、6-2，通入直流励磁电流If，励磁电流产生励磁磁动势Ff，使转子形成固定磁极。当电动机稳定运行时，定子三相合成基波磁动势Fa产生的磁场吸引着转子固定磁极一起旋转，所以转子也将以同步转速ns旋转。 从以上分析可看出，只要改变异步电动机的转子结构，并在绕组中通入直流电流，这样交流电动机就成了同步电动机。,2,发电机 空载 电动机,同步电机的三种运行状态：,3,二、同步电机的根本结构 与异步电动机一样，同步电机也是由定子及转子两大局部所组成。定子结构与异步电动机相同，转子上那么有励磁绕组，通入直流电流后，能产生磁场。 1、定子： 同步电机的定子有时也称为电枢，由定子铁芯、三相绕组、机座和端盖等部件所组成。,定子铁芯是由硅钢片叠装而成。当大型同步电机冲片外圆的直径大于1m时，做成扇形冲片，然后拼合起来叠装而成。,4,2、转子,同步电机转子有两种结构：凸极式和隐极式。,1凸极式：转子有明,显的突出的磁极，可采,用不均匀气隙。,2隐极式：转子为圆,柱形，气隙均匀分布。,对于高速旋转的同步电机，在转子结构上，我们采用隐极式。而对于低速旋转的电机，由于转子的圆周速度较低，离心力较小，故采用制造简单、励磁绕组集中安放的凸极式结构。,5,大型汽轮发电机转子加工隐极,8,凸极同步电机的转子,9,大型水轮同步发电机转子安装凸极,10,从同步电动机工作原理可看出，在气隙中有电枢磁动势Fa由定子三相绕组通入三相电流产生和励磁磁动势Ff 由转子励磁绕组通入直流电流产生两个旋转的磁动势，这两个磁动势随转子一起旋转，在稳态时与转子绕组没有耦合作用，所以电动势的平衡关系只存在于定子绕组中。电枢反响电动势和定子漏电动势的表达式为：,其中Xa称为电枢反响电抗。在同样大小电流情况下,如果Xa越大，电枢反响电势也越大，因此Xa的大小可以说明电枢反响的强弱；X称为定子漏电抗。,三、电动势平衡方程及相量图,11,同步电动机的电磁关系: 不计凸极效应，即隐极,If励磁电流； Ff 励磁磁动势； E0励磁电动势空载电动势,I电枢电流； Fa电枢磁动势； Ea电枢反响电动势,E电枢总电动势；定子漏磁通；E定子漏电动势,12,电枢一相绕组的电压平衡方程式：,不计凸极效应时的相矢图，见图6-6。假设功率因,数超前。,由相矢图可看出：电枢磁通势的基波在气隙中使气隙,磁通的大小及位置均发生变化, 这种影响称为电枢反响。,同步电抗,13,凸极同步电机的电压方程和相量图,:,考虑到凸极电机气隙的不均匀性，把电枢反响分成直轴和交轴电枢反响分别来处理的方法，称为双反响理论。,凸极同步电机的气隙是不均匀,的，极面下气隙较小，两极之间气,隙较大，故直轴下单位面积的气隙,磁导要比交轴下单位面积的气隙磁,导大很多，所以交、直轴两个方向,磁场大小不一样。,14,在一定大小的磁动势下，直轴基波磁场的幅值相对较大。为了便于分析，把,F,a,分解成,直轴分量,F,ad,与,交轴分量,F,aq,。电流相应地也分解成,直轴,I,d,和,交轴,I,q,两个分量。,F,a,=,F,ad,+,F,aq,如图6-7所示：,15,直轴电枢磁动势固定地作用在直轴磁路上，产生磁通,ad,。交轴电枢磁动势固定地作用在交轴磁路，也对应产,生磁通,aq,。这两个磁通分别切割定子绕组而在其中感应,电动势,E,ad,及,E,aq,。由于交轴及直轴的磁阻都恒定不变，所,以,E,ad,及,E,aq,分别正比于产生它的磁通。,因此：,16,凸极同步电动机电压平衡方程式：,直轴同步电抗,交轴同步电抗,17,四、运行特性,功角特性和,V,形曲线：,功角特性,同步电动机电磁转矩表达式：,可看出，同步电动机的输出功率的大小与功率角正弦值有关，当功率角接近90,0,时输出功率最大，但此时没有过载能力，一般额定工况下功率角为20,0,30,0,。,18, V形曲线,电动机的功率因数是可以通过改变励磁电流来调节的。因此，如将同步电动机在过励状态下接在电网上，便可以使供电系统的功率因数提高。这是它最可贵的优点。,1过励时，电动机从电网中吸,入超前的无功电流。,2欠励时，电动机从电网中吸,入滞后的无功电流。,3正常励磁时，电动机不从电,网中吸入无功电流。,19, 转速特性与启动步骤 当在定子绕组中通入三相交流电以后，在气隙中那么产生旋转磁场。转子绕组参加直流励磁以后，在气隙中生成静止的转子磁场。定、转子磁场之间存在较大的相对运动，转子上的平均转矩为零，所以同步电动机不产生起动转矩。因此，在同步电动机起动时，我们经常采用的是异步起动方法。,20,异步启动法：在磁极外表上装设有类似异步电机笼型导条的短路绕组，称为起动绕组。在起动时，气隙旋转磁场将在转子上的起动绕组中感应电流，电流和磁场相互作用产生电磁矩转，使同步电机转动起来如同感应电机。待速度上升到接近同步转速时，再给转子绕组通入直流电流，产生转子磁场，此时它和定子磁场间得到转速已非常接近，依靠这两个磁场间相互吸引力，使转子与定子磁场同步旋转。,21,所以同步电动机的起动过程可以分为两个阶段：1首先按异步电机方式起动，使转子转速接近同步转速。2转子绕组通入直流电流，产生转子磁场，使转子牵入同步。,22,同步电动机启动过程中励磁绕组既不能开路，也不能直接短接。假设励磁绕组开路，在高转差率情况下，旋转磁场会在励磁绕组中产生较高的感应电势，易损坏绕组绝缘；假设励磁绕组直接短路，将产生单轴转矩，有可能使电动机启动不到接近同步转速。,解决的方法：起动过程中在励磁绕组回路串入510倍励磁绕组电阻的附加电阻，电动机起动到接近同步转速时，再切除附加电阻，给励磁绕组通入直流，牵入同步，完成起动。,23,另外，还有辅助电动机起动法和变频起动法。,辅助电动机起动法：,选用一台与同步电动机极对数相同的小型异步电动机,作为辅助电动机，起动时，先起动辅助电动机将同步电动,机拖动到接近同步转速，然后将同步电动机投入电网，并,通入电流励磁，利用同步转矩把同步电动机转子牵入同步,转速，同时切除辅助电动机电源，这种方法适用于同步电,动机的空载起动。,24,变频起动法：,由于工频起动时，作用在转子上的平均转矩为零，使,电动机无法自行起动。变频起动法是在起动前将转子参加,直流，利用变频电源使频率从零缓慢升高，旋转磁场牵引,转子缓慢同步加速，直至到达额定转速，起动完毕。这种,方法多用于大型同步电动机的起动。,25,第二节 自控式同步电动机无换向器电动机,一、自控式同步电动机运行方式的分类,交-直-交系统自控式同步电动机,该系统由同步电动机、可控整流器、晶体管逆变器、位置检测器以及控制线路组成。, 交-交系统,自控式同步电动机,系统由同步电动机、变频器、位置检测器以及控制线路组成。,26,二、工作原理,普通直流电动机的电枢在转子上，而定子上产生固定不动的磁场。为了使直流电动机旋转，需要通过换向器和电刷不断改变电枢绕组中电流的方向，而产生电磁转矩。,无刷直流电动机为了去掉电刷，将电枢放到定子上去，而转子制成永磁体，这样的结构正好和普通直流电动机相反；然而，即使这样改变还不够，因为定子上的电枢通过直流电后，只能产生不变的磁场，电动机依然转不起来。为了使电动机转起来，必须使定子电枢各相绕组不断地换相通电，这样才能使定子磁场随着转子的位置在不断地变化，使定子磁场与转子永磁磁场始终保持一定的空间角，产生转矩推,动转子旋转。,27,无刷直流电动机的结构原理：,无刷直流电动机是由电动机、转子位置传感器和电子开关线路三局部组成。直流电源通过开关电路向电动机定子绕组供电，位置传感器随时检测到转子所处的位置，并根据转子的位置信号来控制开关管的导通和截止，从而自动地控制哪些绕组通电，哪些绕组断电，实现了电子换向。,28,无刷直流电动机结构示意图,无刷直流电动机的根本结构如以下图所示。无刷直流电动机的转子是由永磁材料制成的，是具有一定磁极对数的永磁体。,29,第三节 其他同步电动机,其他同步电动机的定子结构与一般的同步电动机相同，可以是三相的也可是单相的，但转子结构不同。根据转子结构的不同，微型同步电动机主要分为永磁式、反响式、磁滞式、磁阻式等。,30,一、磁阻同步电动机,磁阻同步电动机的转子用铁磁材料和非磁性材料拼装而成，使其直轴方向的磁阻小而交轴方向的磁阻大。当同步电动机定子绕组接交流电源，由于直轴和交轴的磁阻不同，从而形成磁阻转矩也叫反响转矩，拖动负载同步运行。,31,二、永磁同步电动机,永磁式同步电动机功率小，结构简单，在电气仪表中应用较多。,32,三、 步进电动机,一、定义：,是一种把电脉冲信号转换为角位移的电动机。,简单的理解：给一个电脉冲信号，电机前进一步，因此被称之为步进电动机。相对与模拟的电压信号，步进电机的控制信号是数字量，因此，更广泛的应用在数字控制场合。,二、结构：,A,B,C,定子,转子,I,A,I,B,I,C,33,三、通电方式：,1、,三相单三拍 A,B,C相依次通电。 可看出，每通一次电，转子旋转30,0,机械角度。,C,A,B,B,C,A,3,4,1,2,C,A,B,B,C,A,3,4,1,2,1,C,3,4,2,C,A,B,B,A,34,2、三相双三拍,AB,BC,CA,依次通电。,可看出，每通一次电，转子旋转30,0,机械角度。,AB,通电,C,A,B,B,C,A,3,4,1,2,C,A,B,B,C,A,3,4,1,2,BC,通电,CA,通电,C,A,B,B,C,A,3,4,1,2,35,3、三相六拍 A,AB,B,BC,C,CA依次通电。 可看出，每通一次电，转子旋转15,0,机械角度。,C,A,B,B,C,A,3,4,1,2,C,A,B,B,C,A,3,4,1,2,C,A,B,B,C,A,3,4,1,2,36,