第五章同步電機及控制(kòngzhì)電機5.1同步電機5.1.1三相(sānxiānɡ)同步電機的基本結構5.1.2三相同步發電機5.1.3三相同步電動機5.2控制電機5.2.1控制電機概述5.2.2步進電動機精品資料同步電機主要用途：主要作為發電機使用,工農業的交流電幾乎全由同步發電機發出。作為電動機使用，在不要求調速的大功率生產機械中使用較多。作為同步補償(bǔcháng)機使用（又稱為調相機），專門向電網發出感性和容性無功功率，滿足電網對無功功率的要求。5.1同步電機精品資料5.1.1三相同步電機的基本(jīběn)結構主要特征：1、定子和異步電機基本相同，定子鐵心上有齒和槽，槽內設置三相(sānxiānɡ)對稱繞組。2、轉子上裝有磁極和激勵繞組。當激勵繞組通以直流電流后，產生轉子磁場。3、原動機帶動轉子旋轉，則磁場與定子繞組間有相對運動，在定子繞組中感應出三相(sānxiānɡ)交流電勢。4、電勢的頻率取決于電機的: 極對數、轉子的轉速精品資料同步電機結構(jiégòu)模型精品資料定子包括：定子鐵心、電樞繞組、機座、端蓋。1、定子鐵心鐵心由厚度為0.35或0.5mm的電工鋼片疊成小型電機的定子鋼片可以整塊沖成定子鐵心的外徑較大時，每層鋼片常由若干塊扇形片組合而成。2、定子的機座常由鋼板焊接而成與外殼和端蓋構成(gòuchéng)僅與風室溝通的密閉系統精品資料3、端蓋常用非磁性材料鑄造而成一般制成左右兩半4、定子繞組一般均采用雙層三相對稱繞組定子槽型均系矩形(jǔxíng)開口槽：為了便于繞組下線表面涂防暈漆精品資料轉子包括：轉子鐵心、轉子繞組(ràozǔ)、滑環和轉軸。轉子(zhuànzǐ)有兩種類型：凸極式、隱極式。（1）凸極式有明顯的極，勵磁繞組繞在鐵心上，可以是一對、兩對，機械強度較低適用于轉速低的場合，但結構簡單。磁極由厚度為1～2mm的鋼片疊成在極心上套有激勵繞組精品資料精品資料（2）隱極式沒有明顯的極，轉子為一圓柱體，工藝復雜，機械強度高。圓周上銑有槽和齒槽的部分約占圓周的2/3激磁繞組為一分布繞組，嵌入(qiànrù)槽中極數較少，轉速較高時，應用隱極式轉子當極對數P≥3時，由于構造上的困難，都用凸極式轉子精品資料精品資料轉子直徑限制在1m左右受到轉子材料機械強度的限制增大電機容量：就只能增加轉子的長度轉子材料的要求極高采用含鉻、鎳和鉬的特種(tèzhǒng)合金鋼構造：整塊式和組合式兩種精品資料轉子本體（中間最粗部分） 表面用銑床銑出徑向的槽，激磁繞組即分布于這些槽中，槽口(cáokǒu)用槽楔封住。 由于轉速高，離心力大，槽楔必須有足夠的機械強度，并且不導磁，故一般采用鋁青銅或硬鋁等合金材料制成。精品資料兩極(liǎngjí)汽輪發電機的轉子剖面圖精品資料轉子繞組轉子繞組用矩形(jǔxíng)截面的導體繞制轉軸轉軸經聯軸器與汽輪機相聯的一端為汽機端轉軸經聯軸器與勵磁機相連的另一端為勵磁機端轉速較快，轉軸需要極好的平衡精品資料精品資料汽輪發電機都為隱極式汽輪機高速時較為經濟一般都為兩極機，轉速(zhuànsù)為3000r/min水輪發電機都為凸極式水輪機轉速(zhuànsù)較低轉速(zhuànsù)為每分鐘十轉至數百轉，依水頭高低、流量大小而定水輪發電機的極數就很多精品資料同步電機有較大的空氣隙0.5～0.8左右激磁電流(diànliú)由其他電源供給精品資料5.1.2三相(sānxiānɡ)同步發電機+-勵磁電源n定子鐵心定子繞組勵磁繞組精品資料1、基本(jīběn)工作原理（1）空載(kōnɡzǎi)運行定子三相繞組開路時即為空載運行狀態。A、轉子繞組中通直流電，產生磁場Φ0B、原動機拖動轉子旋轉，產生旋轉磁場，該磁場沿氣隙按正弦規律分布，定子繞組內磁通發生變化產生感應電動勢，也按正弦規律變化。定子三相繞組結構相同，空間分布相差120度，因此三相繞組感應的電動勢幅值、頻率相同，相位相差120度。式中為一對磁極產生的主磁通，其大小可由If調節，N為定子每相繞組匝數。精品資料C、f為電動勢的頻率(pínlǜ)。頻率表示(biǎoshì)每秒鐘切割磁力線的次數。P為轉子磁極對數，n為轉子轉速（轉/分），當n不變時才有f不變。

當空載運行時只須克服摩擦、風阻及鐵損等形式的空載轉矩。精品資料（2）負載(fùzài)運行當定子繞組與負載相連，電樞繞組中通過(tōngguò)電流即進入負載運行狀態。產生的磁場轉子繞組定子繞組產生旋轉磁場Φ0E0I0三相對稱交流電Φa電樞磁場，轉速為n0假設負載對稱所以Φa與轉子相對靜止，它們總是同步在空間旋轉，同步電機的名稱由此而來。電機中少量的漏磁通精品資料負載時定子中通以電流產生(chǎnshēng)了電樞磁場，電樞磁場使氣隙磁場發生變化的作用稱為電樞反應。這時的氣隙磁場是電樞磁場和轉子磁場合成的旋轉磁場。精品資料Xs為同步電抗包括電樞(diànshū)反映感抗和電樞(diànshū)漏感抗。精品資料E0UjXSIθφabcIE0U內阻抗(zǔkàng)精品資料例5.1.1某三相六極同步發電機的額定電壓為400v，額定容量為15kvA，頻率為50Hz，同步電抗Xs=6歐姆，功率因數(ɡōnɡlǜyīnshù)為0.8（滯后），電樞繞組星形聯接。試求：①轉速；②每相繞組的空載電動勢和功率角。精品資料精品資料精品資料例：一臺三相Y形連接的隱極同步發電機，每相電抗為2歐姆，每相電阻為0.1歐姆，當容量(róngliàng)為500kvA，cosφ=0.8（滯后）時，端電壓為2300v，求氣隙磁場在一相繞組中產生的電動勢。精品資料IUEIRjIXs精品資料2、三相同步(tóngbù)發電機的特性（1）空載(kōnɡzǎi)特性空載運行轉子繞組加上直流激磁而電樞繞組開路空載特性轉子直流激磁電流If和空載電勢E0的關系空載電勢和轉子磁場的每極磁通Φ成正比轉子激磁電流和激磁磁勢成正比選用不同的比例尺，E0=f(If)和同步電機的磁化曲線

是相同的精品資料空載特性可通過磁路計算或實驗測得空載特性的實驗測定同步電機用原動機拖動，且保持額定轉速不變調節可變電阻，多次測激磁(jīcí)電流If和定子繞組的電勢E0的值。在測量空載特性時，應使激磁(jīcí)電流順著一個方向改變，不能忽增忽減。精品資料精品資料精品資料對于已經激磁過的電機由于存在剩磁，上述(shàngshù)實驗不能測得過原點的空載特性曲線0a為此，規定用下降曲線來表示空載特性精品資料空載(kōnɡzǎi)特性曲線的校正精品資料典型的空載特性空載特性彼此是非常相近的,不論電機容量的大小、電壓的高低。與典型的空載特性相比較，判斷該電機的磁路過于飽和或材料是否充分利用。空載試驗還可檢驗勵磁系統的工作情況(qíngkuàng)，電樞繞組連接是否正確。精品資料（2）外特性(tèxìng)在額定同步轉速、勵磁電流和負載(fùzài)功率因數不變下，定子繞組的端電壓和定子電流之間的關系。

當負載分別為電容性、電阻性、電感性負載時，該特性曲線不同（p120），這是因為電樞回路中的阻抗壓降及電樞反應的不同影響造成的。

作為發電機的端電壓變化越小越好，用電壓調整率表示。其中U0是空載時的端電壓，UN是額定電壓。

當電壓變化較大時，需調節勵磁電流If使E0作相應的變化。精品資料（3）調整(tiáozhěng)特性 同步發電機正常運行情況下 U=cont,cosθ=cont，n=cont時 If=f(I)精品資料電感性(gǎnxìng)電容(diànróng)性電阻性精品資料3、同步(tóngbù)發電機的勵磁方式同步發電機的直流供電裝置稱為勵磁系統。獲得直流勵磁電流(diànliú)的方法稱為勵磁方式。勵磁系統的作用：（1）提供勵磁電流，并根據負載變化作相應的調整維持端電壓不變。（2）發電機因故端電發嚴重下降時對發電機強行勵磁提高運行的穩定性。（3）當負荷突然減少時，強行減磁以限制發電機端電壓過度增高。精品資料勵磁(lìcí)方式：自勵：二極管或晶閘管整流器將自身發出來的交流電整流后送給(sònɡɡěi)勵磁繞組。其中有三次諧波勵磁方式，利用氣隙磁場中存在的三次諧波在定子繞組中感應出三次諧波電動勢，經整流后作為勵磁電流。它勵：勵磁電流取自于其他電源，一般有直流勵磁機（常見的有直流并勵發電機）；交流勵磁機。特點是勵磁機只與原動機有關，與外電網無直接關系，電網發生故障時不會影響勵磁系統。精品資料5.1.3三相(sānxiānɡ)同步電動機NSNSn0n1、工作(gōngzuò)原理定子繞組星形或三角形連接，通入三相交流電產生旋轉磁場。轉速為：

轉子繞組通入直流勵磁電流產生

轉子磁場。

兩磁場異性磁極相吸。

定子磁場吸引轉子同方向等速度旋轉。轉子軸上的負載轉矩須小于同步電機定子轉子間吸引力產生的轉矩。

轉子的轉向與異步電動機一樣取決于定子磁場的旋轉方向與勵磁繞組電流無關。精品資料運行時各相電樞(diànshū)繞組中的磁通是轉子繞組產生的磁通、電樞(diànshū)繞組產生的磁通和電樞(diànshū)漏磁通合成的結果。感應的電動勢關系為：E0UjXSI與發電機不同電動機電樞(diànshū)繞組上感應出的電動勢為反電動勢。發電機的等效電路E0UjXSI電動機的等效電路精品資料θφabcI-E0U發電機：

電動機：精品資料2、同步電機與異步電機的比較(bǐjiào)相同點：定子(dìngzǐ)完全相同；不同點：同步電機異步電動機轉子的電流轉子中通入電流轉子不通入電流，而是自動感生出電流。受力方式磁場異性相吸產生吸力轉動通過電磁轉矩拖動轉子速度轉子轉速與磁場轉速相等故稱同步。n=n0=60f/p轉子轉速與磁場轉速不相等。n0=60f/p，n不等于n0。精品資料3、三相同步電動機的運行(yùnxíng)特性（1）機械(jīxiè)特性轉速與負載轉矩之間的關系。n=f（M）由于同步電動機轉速恒定不隨轉矩而變，這種特性成為絕對硬特性，即恒轉速特性。是同步電動機的基本特性。n0nM精品資料（2）工作(gōngzuò)特性指同步電動機外加電壓、勵磁電流為常數時電磁轉矩、定子電流、功率因數(ɡōnɡlǜyīnshù)、效率、和輸出機械功率P2之間的關系曲線。ηIMM0I0PNP2a：當P2=0時I0，M0為空載電流和空載轉矩。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。精品資料（3）功率因數(ɡōnɡlǜyīnshù)的調節精品資料4、三相(sānxiānɡ)同步電動機的起動無法自己起動，剛開始轉子轉速為零，旋轉(xuánzhuǎn)磁場旋轉(xuánzhuǎn)一周轉子平均受力為零，無法克服慣性。三種起動方法：A：輔助電動機起動法:先選用一臺異步電動機作為輔助電動機帶動主機轉子接近同步轉速使其作同步發電機運行，然后將主機聯入電網撤去輔機，主機自動進入電動機運行狀態。缺點：設備多、能耗大、操作復雜。B:變頻起動：首先轉子直流勵磁，用低頻旋轉磁場拖動轉子，n0=60f/p，此時速度慢，然后將頻率慢慢上升，達到要求轉速。C：異步起動法：異步電動機能自己起動，仿照這種方法來起動，圖p127，首先打到左面，轉子繞組不通入電流而是串入合適的電阻限流，類似于異步電動機達到亞同步（約同步轉速的95%），再將開關合向運行側通入勵磁電流。這時轉子的轉速與旋轉磁場接近，依靠異性相吸轉子能進入同步運行。精品資料5.2控制(kòngzhì)電機控制電機是實現控制信號的變換和傳遞，在自動控制系統中作執行(zhíxíng)元件和信號元件，體積功率均較小，要求有高精度、高靈敏度、高可靠性。而普通電機則著重于機電能量轉換，稱為動力電機。種類：伺服電動機、測速發電機、步進電動機、微型同步電動機、自整角機、旋轉變壓器等。精品資料1、伺服電動機將輸入(shūrù)的電壓信號轉換為軸上的角位移或角速度輸出。特點：可控性好；響應快、穩定性好、調速范圍大、功率小、體積小。分為交流和直流伺服電動機。2、測速發電機將機械轉速信號轉換為相應的電壓信號。輸出的電壓與轉速成正比。常用作檢測轉速的元件。特點(tèdiǎn)：線性度好即電壓與轉速成正比關系；有足夠大的靈敏度；剩余電壓小即轉速為零時的電壓??；輸出電壓的極性與轉速方向一致；響應快。分為交流和直流測速發電機。5.2.1控制電機概述精品資料3、微型(wēixíng)同步電動機將不變的交流(jiāoliú)電信號轉變為轉速恒定的機械運動。在自動控制中作為執行元件。在恒速傳動裝置中廣泛應用。分為永磁式、反應式、磁滯式等類型。4、自整角機

將機械轉角信號轉換為電信號或將電信號轉換為機械轉角信號。使用時通常是兩臺或兩臺以上組合使用，便于轉角的變換、傳輸和接收。分為控制式自整角機和力矩式自整角機。前者用于檢測，后者可以遠距離傳輸角度信號，用于自動指示系統。5、旋轉變壓器輸出電壓隨轉子轉角變化而變化，兩者呈成正弦、余弦函數關系稱為正余弦旋轉變壓器；成線性關系稱為線性旋轉變壓器，主要用于坐標變換、三角運算的角度測量等。精品資料5.2.2步進電動機功能：是將電脈沖信號(xìnhào)轉變為相應的角位移的電機。步距角：步進電動機每走一步(yībù)所轉動的角度。應用步進電動機可以組成精度較高的開環控制系統。還可以實現往返轉動、等幅擺動和間歇轉動等特殊運動。轉換器負載輸入指令步進電機輸出轉角脈沖放大器脈沖分配器開環控制系統精品資料1、步進電動機的結構(jiégòu)、工作原理和運行方式基本結構(jiégòu)：以三相反應式步進電機為例。C1AA1B1BC1234精品資料結構(jiégòu)定子：由硅鋼片疊成，共有六個磁極，每個極上裝有一個繞組，相對(xiāngduì)兩極上的繞組串成一相，共三個獨立的繞組