1、淮北职业技术学院机电工程系6.1 6.1 同步电机的基本工作原理及其分类同步电机的基本工作原理及其分类一一、三相同步发电机的基本工作原理、三相同步发电机的基本工作原理大小大小：0110444kfN.Ew频率频率：60pnf 励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁场，原动机拖动转子以转速 旋转时，其磁场切割定子绕组而感应交流电动势 。n0E相序：相序：由转子的转向决定。由转子的转向决定。波形波形：由：由 可知，波形可知，波形取决于取决于 的空间分布。的空间分布。lvBe(x)(x)B淮北职业技术学院机电工程系二、同步电机的分类二、同步电机的分类按运行方式，同步电机分发电机、电动机和调相机。按结构型式，
2、同步电机分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。汽轮发电机一般作成隐极式，现代汽轮发电机均为2极，转速为3000转/分钟，水轮发电机采用凸极式，极数多，转速低。同步电动机、柴油发电机和调相机一般作成凸极式。按冷却介质和冷却方式分，有空外冷、氢冷、水内冷淮北职业技术学院机电工程系三、同步电机的主要结构三、同步电机的主要结构 1 1、定子：、定子：同步电机的定子有时也称为电枢，由定子铁芯、电枢三相绕组、机座和端盖等部件所组成。与异步电机一样，同步电机也是由定子及转子两大部分所组成，定子上有三相交
3、流绕组；转子上则有励磁绕组，通入直流电流后，能产生磁场。同步电机的定子铁芯是由硅钢片冲制后叠装而成。当大型同步电机冲片外圆的直径大于1m时，由于材料标准尺寸的限制，必须做成 扇形冲片，然后按圆周拼合起来叠装而成。淮北职业技术学院机电工程系2 2、转子：、转子：同步电机的转子有两种结构型式，即凸极式和隐极，1）凸极式：转子有明显的突出的磁极，气隙分布不均匀。2）隐极式：转子作成圆柱形，气隙均匀分布。区别区别：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。大型同步发电机通常用汽轮机或水
4、轮机作为原动机来拖动，故前者称为汽轮发电机，后者称为水轮发电机。汽轮发电机：转速高，采用隐极式。水轮发电机：转速低，采用凸极式。淮北职业技术学院机电工程系对同步发电机额定值之间关系为：对同步发电机额定值之间关系为：NNcosIUcosSPNNNN3)(kVUN额定电压额定运行时加在额定运行时加在三相定子绕组上三相定子绕组上的线电压。的线电压。NNPS 额定功率额定容量 指电机额定运行时，输出功率的保证值。同步发电机是指指电机额定运行时，输出功率的保证值。同步发电机是指输出的额定视在功率或有功功率，单位是输出的额定视在功率或有功功率，单位是KVAKVA或或KWKW。电动机额定。电动机额定容量是指
5、额定条件下转轴上输出的机械功率，单位是容量是指额定条件下转轴上输出的机械功率，单位是KWKW。调相。调相机用机用KVAKVA或或KvarKvar表示。表示。)(AIN额定电流在额定运行状在额定运行状态下三相定子态下三相定子绕组的线电流绕组的线电流.fNfNNNNUInf额定励磁电压额定励磁电流额定转速额定效率额定频率额定功率因数Ncos四、同步电机的额定值四、同步电机的额定值淮北职业技术学院机电工程系6.2 6.2 同步发电机的运行同步发电机的运行6.2.1 6.2.1 同步发电机的电枢反应同步发电机的电枢反应 同步发电机转子由原动机拖动到同步转速，转子绕组通以恒定的直流励磁电流，定子电枢绕组
6、开路，称为同步发电机的空载运行空载运行。励磁电流If单独建立的励磁磁动势Ff产生的主、漏磁通。主、漏磁通均随转子旋转，在气隙中形成旋转磁场。主磁通交链电枢绕组，在电枢绕组中感应电动势；漏磁通不交链电枢绕组，不在电枢绕组中感应电动势，不参与定、转子之间的能量转换。电机带上负载后，电枢磁动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应电枢反应。淮北职业技术学院机电工程系 电枢反应的性质取决于电枢磁动势基波和励磁磁动势基波之间的相对位置，即与空载电动势和电枢电流之间的夹角有关。一、一、=0 时的电枢反应时的电枢反应 这里需要注意：我们习惯上称转子磁极轴线为直轴，用d来进行表
7、示，而N，S极之间的中线为交轴，用q来进行表示。所以，由于交轴磁势的存在，使合成磁势的轴线的位置产生一定的位移，幅值发生一定的变化。电枢磁动势 与转子磁势 相加后才是气隙中的合成磁动势。aF.fF.淮北职业技术学院机电工程系二、二、=90 时的电枢反应时的电枢反应：显然，此时的电枢磁势和气隙磁势方向相反，电枢反应显然，此时的电枢磁势和气隙磁势方向相反，电枢反应是去磁效果。是去磁效果。淮北职业技术学院机电工程系三、三、=-90 时的电枢反应：时的电枢反应：显然，此时的电枢反应是增磁的，所以电枢磁势称之为显然，此时的电枢反应是增磁的，所以电枢磁势称之为直轴增磁电枢磁势。直轴增磁电枢磁势。淮北职业技
8、术学院机电工程系四、四、=任意角度时的电枢反应任意角度时的电枢反应：在这里要注意是电流滞后电动势还是超前电动势。电流滞后电动势时，产生直轴电枢磁势，对主磁极起去磁作用。与 同相位，起交磁作用；电流超前电动势时，直轴分量电流产生的直轴磁势对主极磁势起增磁作用。交轴分量电流产生的交轴磁势对主极磁势起交磁作用。总之，当同步发电机供给滞后电流时，电枢磁势除了一部分产生交轴电枢反应外，还有一部分产生直轴去磁电枢反应；当电电机供给超前电流时，电枢磁势除了一部分产生交轴电枢反应外，还有一部分产生直轴增磁电枢反应。这个结论十分重要，它对发电机性能产生影响。qI.0E淮北职业技术学院机电工程系6.2.2 6.2
9、.2 同步电抗同步电抗 同步电抗是同步电机中一个重要参数，它的大小对同步电机的性能有很大影响。同步电抗是同步电机中一个重要参数，它的大小对同步电机的性能有很大影响。隐极同步电机有一个特点就是定转子之间的气隙是均匀分布的。其中的 称为电枢反应电抗。在同样大小电流情况下,如果 越大，电枢反应电势也越大，表示着电枢磁势所产生的电枢磁通很强。因此 的大小可以说明电枢反应的强弱。当然，电枢电流除了产生主磁通外，还要产生一定的漏磁通，由于漏磁通也会交链电枢绕组，所以对应产生电动势。aaaXIjE.aXaXaXXIjEa.所以在三相对称电流通过电枢绕组后，所产生的匝链定子绕组的磁通为（），两者在电枢绕组中所
10、产生的全部电势为 式中：称为隐极同步电机的同步电抗。asaaaaaaaXIjXXIjXIjXIjEE.)()(XXXas淮北职业技术学院机电工程系6.2.3 6.2.3 隐极同步发电机的负载运行隐极同步发电机的负载运行 一、负载电流对端电压的影响：一、负载电流对端电压的影响：一台同步发电机，保持励磁电流和电机的转速不变，给发电机带上负载，则发电机的端电压将随着负载电流的变化而变化。不同性质负载下，其变化规律也不同。在电阻负载时，负载电流增大端电压下降；在电感负载时，负载电流增大端电压下降的更厉害；在电容负载时，负载电流增大时，端电压不但不下降反而会上升。这说明发电机端电压的变化，不但与负载电流
11、的大小有关，还与负载电流的性质有关。二、隐极同步发电机的电势方程式：二、隐极同步发电机的电势方程式：同步发电机在对称负载下运行，气隙中存在着两种磁势，即定子上的电枢磁势和转子的磁极磁势。在不考虑磁路的饱和现象时，应用迭加原理，认为它们各自独立地产生相应磁通，并在电枢绕组内产生感应电势。saXIjUE.0.淮北职业技术学院机电工程系6.2.4 6.2.4 凸极同步发电机的负载运行凸极同步发电机的负载运行 当凸极同步发电机在对称负载下运行时，气隙中也存在着两种旋转磁势，即转子上磁极磁势和定子上电枢磁势。由于凸极电机中，转子直轴和交轴上的气隙不等，在分析电枢磁势影响时，必须按照式前面我们所分析的将磁
12、动势分解成直轴和交轴两个分量，然后和处理隐极电机一样，不计及磁路的饱和现象，应用迭加原理认为它们各自独立地产生相应的磁通，并在电枢绕组内产生感应电势。XIjXIjXIjUEaaqqadd.0.qqddaqqaddXIjXIjUXXIjXXIjUE.0.)()(qaqdqqdqqqddXI jUXIIjUXI jXI jUXXI jE.0.)()(可得：淮北职业技术学院机电工程系6.2.5 6.2.5 同步发电机的运行运行同步发电机的运行运行一一、空载特性、空载特性定义：)I(fEU,I,nnf0010 空载特性是发电机的基本特性之一。它一方面表征了磁路的饱和情况，另一方面把它和短路特性、零功率
13、因数负载特性配合，可确定电机的基本参数、额定励磁电流和电压变化率等。实际生产中，它还可以检查三相电枢绕组的对称性、匝间短路、判断励磁绕组有无故障等。淮北职业技术学院机电工程系二、短路特性二、短路特性定义：)I(fI,U,nnfk01短路时的等效电路短路时的等效电路1 1、短路特性、短路特性短路时,090电枢反应为直轴去磁dx气隙电动势很小,感应气隙电动势的气隙磁通量很小,所以磁路不饱和。fkIEI0所以短路特性是一条过原点的直线.xI jxI jr IUEa此时是常数，有淮北职业技术学院机电工程系2.2.同步电抗的求取同步电抗的求取根据公式k0dIEx 求xd不饱和值时,首先给定一励磁电流If
14、，在空载特性的不饱和段或气隙线上确定对应If的E0值，然后在短路特性曲线上确定对应If的短路电流Ik的值,则 Nk)(dIEIEx00 不求取xd饱和值时，首先在空载特性上取对应额定电压UN的励磁电流If0，再从短路特性上取出对应If0的短路电流Ik，则 kN)(dIUx饱交轴同步电抗 dqx.x60第三篇同步电机淮北职业技术学院机电工程系三、外特性三、外特性定义：)I(fU,Ccos,CI,nnf1外特性曲线外特性曲线 当发电机带阻性和感性负载时，外特性是下降的，原因是电枢反应的去磁作用和电枢漏阻抗产生了电压降；带容性负载时且（发电机负载的容抗大于同步电抗）时，外特性是上升的，原因是电枢反应
15、的助磁作用和容性电流在漏抗上的压降。为了在不同功率因数下时能得到额定电压，感性负载时要增大励磁电流，容性负载时应减小励磁电流。淮北职业技术学院机电工程系四、调节特性四、调节特性定义：)I(fI,Ccos,CU,nnf1调整特性曲线调整特性曲线 在感性和阻性负载时，随着负载电流的增加，必须增加励磁电流，补偿电枢反应的去磁作用和漏阻抗压降，保持端电压恒定；对容性负载，随着负载电流的增加，必须减小励磁电流。在功率因数一定情况下,根据调整特性曲线,可确定在负载变化范围内,维持电压不变所需的励磁电流的变化范围。运行人员可利用调整特性曲线,使系统中无功功率的分配更合理一些。淮北职业技术学院机电工程系 6.
16、3 6.3 同步电动机无功功率的调节同步电动机无功功率的调节 同步电动机的功率因数是超前还是滞后，和发电机一样决定于励磁状态。1、过励时，电动机从电网中吸入超前的无功电流；2、欠励时，从电网中吸入滞后的无功功率电流。显然，电动机的功率因数是可以通过改变励磁电流来进行调节的。因此，如将同步电动机在过励状态下和感应电动机接在同一电网上，便可以使供电系统的功率因可以使供电系统的功率因数提高数提高。这是它最可贵的优点。淮北职业技术学院机电工程系6.4 6.4 微微 控控 电电 机机 微控电机由驱动微电机和控制电机构成，简称为微控电机。在本质上和前面所讲的普通电机并没有区别,只是他们的侧重点不同而已。普
17、通旋转电机主要是进行能量变换，要求有较高的力能指标；而控制电机主要是对控制信号进行传递和变换，要求有较高的控制性能，如要求反应快、精度高、运行可靠等等。控制电机因其各种特殊的控制性能而常在自动控制系统中作为执行元件、检测元件和解算元件。1.驱动微电机驱动微电机：用来拖动各种小型负载，功率一般都在750W以下，最小的不到1W，外形尺寸较小，功率也小。2.控制电机控制电机：在自动控制系统中对信号进行传递和变换，用做执行元件或信号元件。要求有较高的控制性能，如：反应快、精度高、运行可靠等等。主要有伺服电动机、步进电动机、旋转变压器、自整角机和测速发电机等。淮北职业技术学院机电工程系6.4.1 6.4
18、.1 伺服电动伺服电动机机 伺服电动机（执行电动机），它将输入的电压信号转变为转轴的角位移或角速度输出，改变输入信号的大小和极性可以改变伺服电动机的转速与转向，故输入的电压信号又称为控制信号或控制电压。根据使用电源的不同，伺服电动机分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。直流伺服电动机输出功率较大，功率范围为1600瓦，有的甚至可达上千瓦；而交流伺服电动机输出功率较小，功率范围一般为0.1100瓦。淮北职业技术学院机电工程系一、直流伺服电动机一、直流伺服电动机 直流伺服电动机实际上就是他励直流电动机，只不过直流伺服电动机输出功率较小而已。输入的控制信号，既可加到励磁绕组上，也可加到电枢绕组上
19、：若把控制信号加到电枢绕组上，通过改变控制信号的大小和极性来控制转子转速的大小和方向，这种方式叫电枢控制；若把控制信号加到励磁绕组上进行控制，这种方式叫磁场控制。二、交流伺服电动机：二、交流伺服电动机：交流伺服电动机就是两相异步电动机，定子侧绕组在空间相差90度摆放，转子是鼠笼式的。可通过幅值、相位或幅-相控制法实现对其转速和转向的控制。淮北职业技术学院机电工程系6.4.2 6.4.2 微型同步电动机微型同步电动机 微型同步电动机的定子结构与一般的同步电动机相同，可微型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。根据转子结构的以是三相的也可是单相的，但
20、转子结构不同。根据转子结构的不同，微型同步电动机不同，微型同步电动机主要分为永磁式、反应式、磁滞式主要分为永磁式、反应式、磁滞式等，等，另外为了提高力能指标，还将磁滞式与其他形式结合起来。另外为了提高力能指标，还将磁滞式与其他形式结合起来。一、永磁式微型同步电动机一、永磁式微型同步电动机 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。淮北职业技术学院机电工程系二、反应式微型同步电动机二、反应式微型同步电动机 反应式微型同步电动机的转子用磁极材料和非磁极材料拼镶而成，使其直轴方向的磁阻小而交轴方向的磁阻大。当反应式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
21、（也叫反应转矩），拖动负载同步运行。三、磁滞式微型同步电动机三、磁滞式微型同步电动机 转子磁滞材料层用硬磁材料制成，凭借磁滞转矩而能自行起动，在起动过程中，磁滞角的大小仅仅取决于硬磁材料的磁化特性，而与旋转磁通势和转子转速无关，转子的硬磁材料在旋转磁化下，磁滞角是恒定的。淮北职业技术学院机电工程系6.4.3 6.4.3 步进电动机步进电动机一、定义：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：二、结构：淮北职业技术学院机电工程系
22、三、相关概念：三、相关概念：1、静转矩静转矩T：2、步距角步距角：在静转矩的作用下，转子齿每前进一步在电机圆周上所跨过的距离，我们用一个角度来表示，叫做步距角。3、拍拍(N)：每改变一次通电方式叫做一拍，常用为三拍。4、通电循环通电循环：控制绕组各完成一次通电形成一个通电循环，通过后面的分析，我们可以发现，每经过一个通电循环，（即对应一个2的空间电角度）转子齿前进一个齿距的距离，因此，转子一个齿距对应一个2的空间电角度。5、单单：每次改变通电方式只有一个绕组通电 6、双双：每改变一次通电方式有两相绕组同时通电.7、三相单三拍三相单三拍：三相单，双六拍三相单，双六拍；三相双三拍三相双三拍。因此,
23、它的通电顺序为A-B-C-A,如果反向,即为A-C-B-A淮北职业技术学院机电工程系四、步进电机的应用四、步进电机的应用 步进电动机是用脉冲信号控制的，一周的步数是固定的，只要不丢步，角位移误差不存在长期积累的情况，主要用于数字控制系统中，精度高，运行可靠。如采用位置检测和速度反馈，亦可实现闭环控制。步进电动机已广泛地应用于数字控制系统中，如数模转换装置、数控机床、计算机外围设备、自动记录仪、钟表等之中，另外在工业自动化生产线、印刷设备等中亦有应用。淮北职业技术学院机电工程系6.4.4 6.4.4 旋转变压旋转变压器器一、定义：一、定义：当旋转变压器的定子绕组施加单相交流电时，其转子绕组输出的
24、电压与转子转角成正弦余弦关系或线性关系等函数关系。二、分类：二、分类：根据输出的函数关系的不同，旋转变压器可分为很多类，其中正余弦旋转变压器，线性旋转变压器较为常用。D3 D4 Z4 D1 D Z12 Z34 UD Z3 b D2 Z1 Z2常在自动控制系常在自动控制系统中作解算元件统中作解算元件可进行矢量求解、可进行矢量求解、坐标变换、加减坐标变换、加减乘除运算微分积乘除运算微分积分运算，也可在分运算，也可在角度传输系统中角度传输系统中作自整角机使用。作自整角机使用。淮北职业技术学院机电工程系6.4.5 6.4.5 自整角机自整角机一、定义：一、定义：在自动控制系统中，常常需要指示位置和角度
25、的数值，或者需要远距离调节执行机构的速度，或者需要某一根或多根轴随着另外的与其无机械连接的轴同步转动，这样，就出现了自整角机，即用来实现自动指示角度和同步传输角度的一类控制电机。二、分类：二、分类：自整角机按自整角输出量可分为力矩式自整角机和控制式自整角机两种。三、应用：三、应用：常用于位置和角度的远距离指示，如在飞机、舰船中用于角度位置、高度的指示，雷达系统中用于无线定位等等；另一方面常用于远距离控制系统中，如轧钢机轧辊控制和指示系统、核反应堆的控制棒指示等等。淮北职业技术学院机电工程系6.4.6 6.4.6 测速发电机测速发电机 测速发电机是一种测量转速的微型发电机，它把输入的机械转速变换为电压信号输出，并要求输出的电压信号与转速成正比：U2=Cn 测速发电机分直流和交流两大类。电 磁 式 直 流 测 速 发 电 机（微 型 他 励 直 流 发 电 机）永 磁 式 直 流 测 速 发 电 机（微 型 直 流 发 电 机）直 流 测 速 发 电 机
