第六章 同步电机及微控电机

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第六章 同步电机及微控电机

前言：①同步电机是一种交流电机，主要作发电机使用；也可作电动机和调相机

（专门用于电网的无功补偿）使用；

②同步电机定义：同步电机转速n与定子电流频率f和极对数p保持严格不变的关系，即n?；

p③主要内容：电枢反应；有功和无功调节；并联运行；不对称和突然短路

60f 6.1同步发电机的基本工作原理及其分类

一、同步电机基本工作原理 二、分类

1.旋转磁极式 定子-放置三相交流绕组

转子-放置励磁绕组(主磁极) 凸极式 隐极式 2旋转电枢式 定子-放置励磁绕组(主磁极)

转子-放置三相交流绕组(需三个滑环引出或引入三相电流)

三、同步电机基本结构

(一)隐极同步电机(以汽论发电机为例)

特点:转速高 为保证频率f=50Hz,则发电机的极对数P少

(一般为二极,2P=2)

离心力大,需细长转子(隐极式)

0.5mm硅钢片叠压而成

定子铁心 大型电机由扇型片拼成圆形 1. 定子 矩形开口槽,径向,轴向通风道

定子绕组-三相双层绕组,扁铜线绕制而成,采用成型线圈

外壳-用钢板焊接而成

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2. 转子 (1)由合金钢锻成,与转轴制成一个整体,外园开槽,大齿和小齿 (2)励磁绕组为同心式绕组

(3)采用高强度铝合金槽楔,端部采用保护环固定

3.滑环(集电环)与电刷装置

(二)凸极同步电机(以水轮发电机为例)

特点:转速低 为保证f=50Hz,则需发电机的极对数P增大 为保证放置P对磁极,则需转子的直径大. 1.定子 : 定子铁心-硅钢片叠成,直径可达20多米,矩形开口槽. 定子绕组-双层绕组

2.转子: 凸极式铁心由厚钢板叠成 励磁绕组由扁铜线绕制而成

阻尼绕组(起动绕组)-由铜条和端环构成,用于同步电动机异步起动. 四、同步电机的运行状态

1. 稳态运行情况下,定转子磁场相对静止

2. 功率角δ-定子合成磁场轴线与主极磁场(转子磁场)轴线之间夹角.(用电角度表示) 3. 三种运行状态

(1)发电机运行

① 物理过程:直流电流→电刷→滑环→励磁绕组→磁场

原动机拖动转子

绕组感应三相交流电动势(频率为f?pn60),接入负载后,

三相对称电流,定子旋转磁场以n1旋转.

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② 特点:<1>功率角δ>0(即主极磁场超前定子合成磁场) <2>转子受到制动性质的电磁转矩Te

<3>f∝n1,为保证f=50Hz恒定,需保证n1恒定,应输入转矩T1

与Te平衡.

(2)补偿机运行状态(或空载运行状态) 当δ=0时→Te=0

① 物理过程:转子同发电机运行状态,-主极磁场以n1旋转

定子接入三相对称电源-定子合成磁场以n1旋转

② 特点:<1>δ=0.(主磁场与定子合成磁场重合) <2>电机内没有有功功率转换

(3)电动机运行当δ<0时→Te→(即主机磁场滞后定子合成磁场

① 物理过程:定子接三相电源-定子合成磁场以n1旋转

转子接直流电源-恒定磁场,去掉原动机.

② 特点:<1>δ<0

<2>外施T2↑→δ↑→Te↑(与T2+T0平衡)保证n=n1=常数 <3>转子转速n=n1=60f/p,即当f一定,p一定时,n恒定.

五.同步电机的励磁方式

励磁系统-共给励磁电流的整个系统-直流励磁机励磁系统,整流器励磁系统 励磁系统应满足的条件:

(1)能稳定的提供发电机从空载到满载(及过载)所需的If (2)当电网电压u减小时,能快速强行励磁,提高系统的稳定性.

(3)当电机内部发生短路故障时,能快速灭磁. (4)运行可靠,维护方便,简单,经济. 1. 直流励磁机励磁

副励磁机(并励直流发电机)→主励磁机(他励直流发电机)→同步发电机 *一般励磁机与同步发电机同轴

特点:采用独立电源(直流发电机)与交流电网没关系,运行可靠. 2. 静止整流器励磁

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(1)他励式静止流器励磁系统

副励磁机(中频三相同步发电机)(电磁式或永磁式)→主励磁机(三相同步发电机)→同步发电机───────────────┛ 特点:①副励磁机先他励待建立电压后改为他励

① 自动电压调整器可根据主发电机端电压的偏差自动调整励磁电流 ② 整流器均在电机外(静止).

(2)自励式静止整流器励磁系统 特点 :(1)取消励磁机

(3)励磁电流由电网或主发电机提供 3. 旋转整流器励磁(无触点式或无刷励磁)

副励磁机(永磁式三相同步发电机)→主励磁机(旋转电枢式)→主发电机 特点:(1)主励磁为旋转电枢式 (2)采用旋转整流器 4. 三次谐波励磁

特点:(1)发电机定子嵌入三次谐波绕组

(2)将三次谐波电压整流后→主发电机励磁

(3)自励恒压(负载电流↑→电枢反应↑→波形畸变↑→φ3↑→E3

↑→I3↑→If↑→稳压;负载电流↑→端电压↓→稳压) 六.额定值

1.额定容量SN(或额定功率PN)-指输出功率 发电机用视在功率(KVA)或有功

功率 电动机用有功功率(KW)表示 补偿机用无功功率(Kvar)表示

2.额定电压UN—定子线电压(V) 3.额定电流IN—定子线电流(A) 4.其他: cos?N,ηN,fN,nN,θN,UfN,IfN等 三相同步发电机 PN?3UNINcos?N 三相同步电动机 PN?3UNIN?Ncos?N

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6.2同步发电机的运行

一、空载运行

1.定义：n=nN、I=0时E0=f(If)

2.空载时电磁过程： Φ0→E0?4.44fNkw1?0（频率为f?If→Ff→ Φfσ→只增加磁极部分的饱和程度

3.空载特性曲线

特性曲线：E0=f(If)

E0 Φ0 2 1 E0=f(If) 磁化曲线 UN or Φ0=f(If) 气隙线 Ifδ If0 If(or Ff)

分析：If较小时，磁路不饱和，E0?If直线；If较大时，磁路饱和，E0与If不成比例；不考虑饱和，E0=f(If)为气隙线。

饱和系数的求取：kS?

二、电枢反应

??空载：F??Ff

IIf0f?pn60）

?1.1～1.2

???负载：F??Ff?Fa

??1.电枢反应的定义：Fa对Ff的影响，成为电枢反应；

**实质：研究同步发电机负载时内部的电磁情况。

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??2.Fa和Ff性质比较：①均是幅值不变的旋转磁动势；

②均是阶梯波，基波为正弦波； ③转速为n1。

??结论：Fa和Ff在空间相对静止。

3.几个概念

①内功率因数角Ψ：空载电动势E0和电枢电流Ia之间的夹角，与电机本身参数

和负载性质有关；

②外功率因数角φ：与负载性质有关；

③功率角（功角）δ：E0和U之间的夹角；且有Ψ=φ+δ（电感性负载） ④直轴（d轴）：主磁极轴线（纵轴）；

⑤交轴（q轴）：转子相临磁极轴线间的中心线为交轴（横轴） 4.电枢反应的性质（不同负载）

假设：为了分析问题方便，我们取E0A为最大值

当Ψ为不同值的电枢反应性质：

????Fa位 FfFa 电枢反 Fa记作 影响 ?δ=0，Ψ≈φ， 负载性质 应性质 F? 置 夹角 电压U Ψ=00 Ψ=90 Ψ=-900 0<Ψ<900 -900<Ψ<00 0q轴 d轴 d轴 d、q轴 d、q轴 Ψ+900 Ψ+90 Ψ+900 Ψ+900 Ψ+900 ??Faq ?交轴 直轴去磁 直轴助磁 波形畸变 削弱 增强 不变 下降 增大 下降 增大 R负载 L负载 C负载 RL性负载 RC性负载 0Fad ?Fad ?Faq+Fad ??交、直去 削弱 交、直助 增强 Faq+Fad ...??a?aq表中：F?Fad?F；对应：I?Id?Iq

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而：

Fad?Fasin?Faq?Facos?

； 对应：

Iad?Isin?Iaq?Icos? 分别为直轴和交轴分量 。

三、同步电抗的求取 磁路不饱和时，xd?常数； 磁路饱和时，xd随??而↓； 利用空载和短路特性求取xd：

E0 E0 E0=f(If) 磁化曲线 Ik=f(If)短路特性曲线

IN UN ’ Ik 气隙线 Ifδ If0 If Ifk 由气隙线确定：xd（不饱和）?E0Ik'；由磁化曲线确定：xd（饱和）?UNIk

凸极机：xq?0.6xd 短路比：kc?IkIN?IIf0fk?kS?1xd*

**kc对电机的影响：kc↑→气隙大→xd↓→电机的成本和尺寸增加。

6.3、同步电动机无功功率的调节

一、同步电动机的电压方程

1.定义：同步电机将电能转换为机械能的一种运行方式，其转速不随负载变化而

变，永远保持与电网频率所对应的同步速。（n?n1）

2.电动机的基本方程式和相量图

方程式：发电机惯例：隐极机：E?U?RaI?jIxt

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电动机惯例：隐极机：U?E0?RaIM?jIMxt

凸极机：U?E0?RaIM?jIdMxd?jIqMxq 二、同步电动机的功角特性，功率方程和转矩方程 1.功角特性：凸极机：Pem?mE0Uxdsin?M?mU?11???sin2??M?2?xqxd??2....

.....

隐极机：Pem?m2.功率平衡：

E0Uxtsin?M

P1?Pcu1?PemPem?PFe?Pmec?Pad?Pf?P2

3.转矩方程

Te?T0?T2

三、同步电动机的运行特性

1.三种激磁状态：①正常激磁状态：I与U同相，??0,cos??1，吸有功P，Q=0；

②过激运行状态：I超前U，吸有功P，吸容性Q（发感性Q）； ③欠激运行状态：I滞后U，吸有功P，吸感性Q（发容性Q）；

2.V形曲线：同发电机（如下图示）

**结论：同步电动机最可贵的优点，调If可改变它的无功输出。 四、同步电动机的起动 异步起动法 其他起动方法 五、同步补偿机

1.目的：补偿无功功率的不足；

2. 同步补偿机运行实质：运行于同步电动机（空载）状态；

3.同步补偿机定义：是一种专门设计的无功功率发电机，更确切地说是一种不带机械负载（即空载运行）的同步电动机。

4.三种激磁状态：①正常激磁状态E0?U；②过激运行状态E0?U；

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③欠激运行状态E0?U；

5. 同步补偿机特点：①同步调相机的额定容量是指在过激状态时的额定视在功率；

②由于轴上不带负载，调相机的转轴比同容量的电动机的轴细； ③提供感性无功，激磁线圈截面大，损耗也较大，通风冷却； ④起动：异步电动机或辅助电动机法。

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数提高。这是它最可贵的优点。

6.4 微控电机

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

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和解算元件。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。

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。 一、伺服电动机

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1～600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0.1～100瓦。

1、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：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。

2、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。 二、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、反应式、磁滞式等，另外为了提高力能指标，还将磁滞式与其他形式结合起来。

1、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。

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2、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（也叫反应转矩），拖动负载同步运行。

3、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q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q是恒定的。

三、步进电动机

1、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。

2、、结构：

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3、相关概念： 1）静转矩T：

2) 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(N)：每改变一次通电方式叫做一拍，常用为三拍。

4)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2π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2π的空间电角度。 5)单：每次改变通电方式只有一个绕组通电

6)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，双六拍；三相双三拍。

因此,它的通电顺序为A-B-C-A,如果反向,即为A-C-B-A

4、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。 四、旋转变压器

常在自动控制系统中作解算元件可进行矢量求解、坐标变换、加减乘除运算微分积分运算，也可在角度传输系统中作自整角机使用。

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 θ ФD ФZ12 Ф UD θ Z3 b D2 Z1 Z2

Z34

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五、自整角机

1、定义：

在自动控制系统中，常常需要指示位置和角度的数值，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。

2、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

3、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。 六、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。

直流测速发电机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）

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/baur.html