《电机及其应用 教学课件 ppt 作者 葛永国 第8章 三相同步电机及其他电机简介》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电机及其应用 教学课件 ppt 作者 葛永国 第8章 三相同步电机及其他电机简介（41页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第8章 三相同步电机及其他电机简介,第8章 三相同步电机及其他电机简介,8.1 三相同步电机 同步电机主要作发电机使用，电力系统中的电能几乎全是通过同步发电机产生的。同步电机也可作电动机使用，因为同步电机的功率因数是可调的（可使cos=1或领先），对那些单机容量较大、转速又恒定的生产机械一般采用同步电动机拖动。随着电力电子技术与控制技术的发展，同步电动机也能实现变频调速，在大容量电力拖动场合，同步电动机的控制性能优于异步电动机。 8.1.1 三相同步电机的结构特点,图8-1 三相同步电机转子实物图,第8章 三相同步电机及其他电机简介,8.1.2 三相同步电机的工作原理 1.电动原理 如果三相交
2、流电源加在三相同步电机定子绕组时，就产生旋转速度为n1的旋转磁场(辅助磁场)。,图8-2 旋转磁极式同步电机 a)凸极式 b)隐极式 1定子 2转子 3集电环,第8章 三相同步电机及其他电机简介,图8-3 三相同步电动机原理图,第8章 三相同步电机及其他电机简介,2.发电原理 同步电机可以作发电机用，世界上各发电厂和发电站所发的三相交流电能，都是三相同步发电机发出的。,图8-4 三相同步发电机原理图 a)工作原理示意图 b)电动势相量图,表8-1 发电机输出50Hz频率时转子转速与定子极数的关系,第8章 三相同步电机及其他电机简介,8.1.3 三相同步电动机的特性 1.功角特性和矩角特性 同步
3、电动机接在电网上运行时，当变化时，电磁功率PM和电磁转矩T的大小也随之变化，通常把PM=f()和T=f()称为同步电动机的功角特性和矩角特性。,2.V形曲线 同步电动机的V形曲线是指在电网电压恒定和电动机输出功率恒定的情况下，电枢电流和励磁电流之间的关系曲线，即I=f(If)，如图8-6所示。,图8-5 三相同步电动机功角和矩角特性曲线,第8章 三相同步电机及其他电机简介,图8-6 同步电动机V形曲线,第8章 三相同步电机及其他电机简介,3.三相同步电动机的特点 (1)稳定运行时转速恒定，只与电源频率有关，不随负载和电压的变化而变化。 (2)运行稳定性好，具有较强的过载能力。 (3)功率因数较
4、高，因为同步电动机可以通过调节励磁电流提高功率因数，因此可在功率因数为1的状态下运行；还能改善电网的功率因数，即在领先的功率因数下运行。 (4)运行效率高，低速运行时尤为明显；对于大容量电动机，同步电动机体积反而比异步电动机小。 (5)随着电力电子技术与控制技术的发展，同步电动机也能实现变频调速，在大容量电力拖动场合，控制性能优于异步电动机。,第8章 三相同步电机及其他电机简介,图8-7 同步电动机的起动,8.1.4 三相同步电动机起动,第8章 三相同步电机及其他电机简介,图8-8 同步电动机异步起动接线原理图 1笼型起动绕组 2同步电动机 3励磁绕组,第8章 三相同步电机及其他电机简介,图8
5、-9 同步电动机能耗制动主电路图,8.1.5 三相同步电动机能耗制动和调速,第8章 三相同步电机及其他电机简介,1. 三相同步电动机的能耗制动 同步电动机的制动均采用能耗制动。 2.三相同步电动机的调速 一般由三相同步电动机、变频器及磁极位置检测器，再配上控制装置等，就构成了自控式同步电动机调速系统。 自控式同步电动机调速系统可以用于拖动轧钢机、造纸机以及数控机床用伺服电动机等要求高精度，高静、动态特性的场合；也可以用于拖动风机、泵类负载等只要求调速节能而对特性要求不高的场合。有些大容量同步电动机，为了能平稳起动，在起动过程中，改接成自控式同步电动机运行，待起动完毕，再把同步电动机直接并网运行
6、。显然，针对不同的使用场合，应采用不同的控制方法。,第8章 三相同步电机及其他电机简介,8.2 无刷直流电动机 传统的直流电动机有电刷和换向器，以机械方式进行换向，因而存在相对的机械摩擦，由此带来了噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等致命弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而大大地限制了它的应用范围。,图8-10 无刷直流电动机的基本组成环节,第8章 三相同步电机及其他电机简介,8.2.1 基本组成环节 无刷直流电动机的基本组成环节如图810所示。它主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。电动机本体基本结构如图811所示，它也是由定子和转子两大部分构成，与永磁同步电动机类似，
7、但没有笼型绕组和其他起动装置。,图8-11 电动机本体基本结构,第8章 三相同步电机及其他电机简介,8.2.2 基本工作原理 用一般直流电源给定子上各绕组供电，只能产生固定磁场，它不能与运动中的转子磁钢所产生的永磁磁场相互作用，来产生单一方向的转矩驱动转子转动。无刷直流电动机除了由定子和转子组成电动机的本体外，还要由位置传感器、控制电路以及功率开关共同构成换向装置，使其在运行过程中定子绕组所产生的磁场和转动中的转子磁钢产生的永磁磁场在空间始终保持在90左右的电角度。,图8-12 各相绕组的导通示意图,第8章 三相同步电机及其他电机简介,图8-13 开关顺序及定子旋转磁场示意图,第8章 三相同步
8、电机及其他电机简介,8.2.3 位置传感器 位置传感器在无刷直流电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换相。位置传感器种类较多，且各具特点，一般使用霍尔元件作为磁极检测器。,图8-14 霍尔集成电路 a)外形 b)内部电路,第8章 三相同步电机及其他电机简介,图8-15 霍尔集成电路灵敏度特性曲线 a)线性型 b)开关型,第8章 三相同步电机及其他电机简介,图8-16 带霍尔元件的无刷电动机原理示意图,第8章 三相同步电机及其他电机简介,8.2.4 无刷直流电动机的逆变器 在小型无刷直流电动机中逆变器常用
9、晶体管半波逆变（如图817a所示）。这种线路结构比较简单，但电动机电枢绕组中的电流只沿一个方向流通半个周期，材料利用率较低。在容量较大的无刷直流电机中通常采用晶闸管桥式逆变（如图817b所示），电枢绕组能在正负两个半周中均通过电流，产生转矩。,图8-17 无刷直流电动机的逆变器 a)晶体管半波逆变 b)晶闸管桥式逆变,第8章 三相同步电机及其他电机简介,8.3 步进电动机 8.3.1 步进电动机的基本结构 六极反应式步进电动机的结构示意图如图819所示。它的定子铁心具有分布均匀的六个极，磁极上装有绕组，两个相对的磁极组成一相。转子铁心具有均匀分布的四 个齿。定子及转子的铁心均由硅钢片 叠成，反
10、应式步进电动机利用磁阻转 矩使转子转动。,图8-18 一种步进电动机外形图,图8-19 六极反应式步进电 动机的结构示意图,第8章 三相同步电机及其他电机简介,8.3.2 步进电动机工作原理 1.矩角特性和稳定平衡点 三相六极和转子四齿反应式步进电动机的静转矩和失调角示意图如图8-20所示。,图8-20 静转矩和失调角示意图 a)0180 b)=0 c)-1800,第8章 三相同步电机及其他电机简介,2.步进电动机通电运行方式 反应式步进电动机按相电流通电的顺 序分为三种工作方式，即单三拍、双三拍和单双六拍。 (1)单三拍工作方式。,图8-21 单三拍工作方式时转子的位置 a)U相通电 b)V
11、相通电 c)W相通电,第8章 三相同步电机及其他电机简介,图-22 双三拍工作方式转子步进位置 a)U、V相通电 b)V、W相通电 c)W、U相通电,(2)双三拍工作方式。,第8章 三相同步电机及其他电机简介,双三拍方式步距角b=1/6=，与单三拍方式相同。但是，双三拍的每一步因转子受到两个相反方向的转矩而平衡，因而稳定性优于单三拍方式，不易失步。,图-23 单、双六拍工作方式 a)U相通电 b)U、V相通电 c)V相通电 d)V、W相通电,第8章 三相同步电机及其他电机简介,(3)单、双六拍工作方式。 3.步进电动机的转速及实际小步距角步进电动机 设步进电动机的拍数为N，通常拍数即为相数或相
12、数的2倍。 b=/NZ=/mZ或b=/2mZ （84）,图8-24 小步距角步进电动机示意图 a)截面结构示意图 b)展开图,第8章 三相同步电机及其他电机简介,8.3.3 永磁式和混合式步进电动机 反应式步进电动机的转子直径可以做得很小，这样它的惯性转矩就小，在执行控制命令时，就可以显示出高速响应的特性。但是因为转子磁极是通过定子磁化而来的，效率低是它的缺点，最近已不怎么使用了。 1. 永磁式步进电动机 永磁式步进 电动机的典型结构如图8-25所示。,图8-25 永磁式步进电动机的典型结构,第8章 三相同步电机及其他电机简介,图8-26 爪形磁极结构 1磁钢 2爪形磁极,(1)大步距角，例如
13、15、22.5、30、45、90等。 (2)起动频率较低，通常为几十到几百Hz(但转速不一定低)。 (3)控制功率小。 (4)在断电情况下有定位转矩。 (5)有强的内阻尼力矩。,第8章 三相同步电机及其他电机简介,2. 混合式步进电动机,图8-27 混合式步进电动机结构分解图,第8章 三相同步电机及其他电机简介,图8-28 混合式步进电动机的定、转子结构 a)剖面图 b)结构图 1定子铁心 2绕组 3转子铁心 4线圈 5永磁体,第8章 三相同步电机及其他电机简介,8.3.4 步进电动机的应用 1.软磁盘驱动系统 图8-29所示为计算机中软磁盘的驱动装置。 2.数控机床 图8-30所示为数控机床
14、控制系统示意图。,图8-29 计算机中软磁盘的驱动装置,第8章 三相同步电机及其他电机简介,图8-30 数控机床控制系统示意图,第8章 三相同步电机及其他电机简介,8.4 伺服电动机 伺服电机又称执行电动机，在自动控制系统中作为执行元件，其任务是将输入的电信号转换为轴上的转角或转速，以带动控制对象。按电流的种类不同，伺服电动机可分为交流和直流两种。它们的最大特点是转矩和转速受信号电压控制，当信号电压的大小和极性（或相位）发生变化时，电动机的转动方向和转速将非常灵敏和准确地跟着变化。它与普通电动机相比具有如下特点。 (1)调速范围宽广，伺服电动机的转速跟着控制电压改变，能在宽广范围内连续调节。
15、(2)转子惯性小，响应快速，随控制电压改变反应很灵敏，能实现迅速起动、停转。 (3)控制功率小，过载能力强，可靠性好。,第8章 三相同步电机及其他电机简介,8.4.1 直流伺服电动机 一般直流伺服电动机的基本结构和工作原理与普通直流电动机相同，不同点是它做得比较细长一些，可满足快速响应的要求，其外形如图831所示。按励磁方式之不同，直流伺服电动机可分为电磁式和永磁式两种。电磁式又分为他励式、并励式和串励式，但一般多用他励式。永磁式的磁场由永久磁铁产生。图832a所示的为电磁式，图832b所示的为永磁式。除一般式外，还有低惯量式直流伺服电动机，它有无槽、杯形、圆盘、无刷电枢几种。,图8-31 伺
16、服电动机的外形,第8章 三相同步电机及其他电机简介,图8-32 直流伺服电动机的接线图 a)电磁式(他励) b)永磁式,第8章 三相同步电机及其他电机简介,图8-33 直流伺服电动机的机械特性曲线,第8章 三相同步电机及其他电机简介,8.4.2 交流伺服电动机 两相交流伺服电动机的结构与单相电容电动机的结构相似，定子上装有两个绕组，一个是励磁绕组，另一个是控制绕组，它们在空间相隔。两个绕组通常是分别接在两个不同的交流电源（二者频率相同）上，此点与单相电容电动机不同，如图834所示。,图8-34 交流伺服电动机的接线图,图8-35 杯形转子伺服电动机的结构 1控制绕组 2内定子 3外定子 4转子 5励磁绕组,第8章 三相同步电机及其他电机简介,1.工作原理 两相交流伺服电动机是以单相异步电动机原理为基础的。 n0=60f/p 2.消除自转现象的措施 消除自转现象 的办法就是使转子导条具有较大电阻。,图8-36 对应不同转子电阻时机械特性,图8-
