《电机学 教学课件 ppt 作者 曾成碧 赵莉华 cha17 同步电动机》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电机学 教学课件 ppt 作者 曾成碧 赵莉华 cha17 同步电动机（34页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第十七章 同步电动机,教学要求： 了解同步电动机的优缺点 熟悉同步补偿机的用途,大功率同步电动机与同容量的异步电动机相比，同步电动机的功率因数高，在运行时，不仅不使电网的功率因数降低，而且能够改善电网的功率因数。 同步电动机一般都作成凸极式的，为了能够自起动，在转子磁极的极靴上装起动绕组。 同步电动机不带机械负载运行时，可以作为同步补偿机使用，它可以改善电网的功率因数，调整电网的电压。,同步电动机特点:,（1）n=n1不变, n1 =60f/P （调f可以调速）,（2）功率固数可以任意调节 （调If）,（3）与异步电动机比，气隙大，电抗小，过载能力强。(x小，Pemax大）。静态稳定好,（4）
2、 ； 异步电动机:,（5）高。,第一节 同步电动机的基本电磁关系、方程式和相量图,一、从发电机状态过渡到电动机状态过程 同步电机运行于发电机状态时，如图所示。 转子磁极轴线超前定子合成磁极轴线，0，电机把机械能转变成电能。,逐步减少发电机的输入功率，转子将瞬时减速，角减小，相应的电磁功率也减少。 当发电机的输入功率只能满足空载损耗时，发电机处于空载运行状态,若此时去掉原动机 T1-T0=-T00 转子降速，角为负， F超前Ff ，此时F拖动 Ff前进。电磁转矩为驱动转矩。空载时(T1=T0 )。 若在转子上加负载转矩，转子磁极更加落后， T=T2+T0，角，T，电机带负载运行。,二、方程式和相
3、量图,同步电动机分析时采用电动机惯例，则电流 超前端电压 （从电网吸收超前的容性电流），励磁电动势 滞后与电压 ，和角为正值，产生的电磁功率也为正值。 电动势平衡方程式分别为： 隐极同步电动机：,根据电动势方程可以画出等效电路和相量图，如图17-2。,图17-2 电动机惯例表示的隐极同步电动机的等效电路和相量图 （a）等效电路 （b）滞后功率因数 （c）超前功率因数,凸极同步电动机： 同理根据电动势方程可以画出相量图。,三、功率与转矩平衡方程和功角特性 （一）功率平衡方程式 同步电动机正常运行时，由电网输入的电功率P1除了很小部分消耗于定子铜耗外，即为由电磁场从定子传送到转子的电磁功率Pem。
4、转子上获得的总机械功率Pm为Pem中减去定子铁心损耗、机械损耗pm，总机械功率Pm除去和附加损耗ps（有的还包括励磁机功率pf）后才是电动机最后的输出功率P2。,其中,称为空载损耗,（二）转矩平衡方程式,各项除以,得到转矩平衡式 T=T0+T2 转矩平衡式说明，电动机稳定运行时，驱动性质的电磁转矩与制动性质的输出转矩和空载转矩之和平衡。,（三）功角特性 电动机运行时，励磁电动势,滞后与电压,功角为正值，同理有：,若令,即得隐极同步电动机的电磁功率和电磁转矩表达式,第二节 同步电动机的无功功率调节,一、同步电动机的无功功率调节 同步电动机并在恒压电网上运行时，若输出功率P2恒定，以隐极同步电动机
5、为例，且忽略电枢电阻损耗。则 由于m、U、xs均不变，则,图17-3给出了输出功率不变而励磁电势变化时隐极发电机的电势相量图，和的末端必须落在直线AB和CD上。可见， 同步电动机输出有功功率P2恒定，改变励磁电流可以调节其无功功率； “正常”励磁时功率因数cos =1，电枢电流全部为有功电流，故数值最小；,图17-3 P2=常数， 调节励磁时的相量图,励磁电流小于正常励磁值(欠励)时，电动机功率因数cos 滞后，同步电动机相当于感性负载，要从电网吸取滞后无功； 励磁电流大于正常励磁值(过励)时，电动机功率因数cos超前，同步电动机相当于容性负载，要从电网吸取超前无功,图17-3 P2=常数，
6、调节励磁时的相量图,二、同步电动机的V型曲线 同步电动机在有功功率恒定、励磁电流变化时，电枢电流随励磁电流变化的曲线，即I=f(If) ，如图 在欠励区，励磁电流减小到一定数值时，电动机将失步，不能稳定运行；,改变励磁可以调节电动机的功率因数； 利用同步电动机功率因数可调的特点，让其工作于过励状态，从电网吸收容性无功，可以改善电网的无功平衡状况，从而提高电网的功率因数和运行性能及效益,第三节 同步调相机,同步调相机，也称同步补偿机，利用不带机械负载的同步电动机改变励磁可以调节功率因数的原理，并联运行于电网上提供感性无功功率，提高功率因数，降低线路压降和损耗，提高发电设备的利用率和效率。 一、调
7、相机两种运行状态 过励状态； 欠励状态，,同步调相机由于不带有功负载，运行只有两种状态，如图（a）为过励状态， 领先于 ，吸收容性无功功率，即发出感性无功功率。 如图（b）为欠励状态， 落后于 ，吸收感性无功功率。,二、调相机用途 调相机向电网补充无功功率，根据其所在位置不同，补偿作用也不同。 如图，调相机在负荷节点补偿，当负荷较大时，为了改善功率因素，同步补偿机应过励运行；当电网负荷很轻时，高压长输电线路将呈现较大的电容作用，使受端电网电压升高，此时，同步补偿机应运行在欠励状态，吸收电网中多余的无功功率。,（二）中间补偿 如图，调相机在输电线路上进行补偿，发电机送到系统的功率为,当,减小时对
8、稳定有利，因为,增加 ，角减小，稳定提高；当保持原过载能力时，输送的功率将增大；中间加补偿机相当于线路的,减小，提高了稳定性或增加输出。,三、调相机特点 （1）因不带机械负载，补偿机转轴可以比细。因为输出有功功率为零（忽略调相机本身的损耗）， 过励时，电流超前电压90； 欠励时，电流滞后电压90， 只要调节励磁电流，就能灵活地调节无功功率的性质和大小。 电力系统在大多数情况下呈感性，故调相机通常都是在过励状态下运行，作为无功功率电源，提供感性无功，改善电网功率因数，保持电网电压稳定。,（2）由于没有稳定问题，xs可较大，使得气隙较小，励磁也较小，转子用铜量少。 （3)额定容量对应过励而言。 （
9、4)也存在起动问题，一般利用异步起动，加起动 绕组。 水电站在枯水期间，水轮发电机可作调相运行；在同时有水轮机和汽轮发电机的电网，丰水期间，水轮发电机发有功功率，汽轮发电机作调相机运行。,第五节 特殊同步电动机,一、永磁同步电动机 一般同步电机转子的励磁采是用电磁式，如果用永久磁铁来代替，则成为永磁同步电机。永磁同步电机即可作发电机也可作电动机。永磁同步电机作为发电机近年引起极大的关注，风力发电作为绿色能源之一，已在世界上和我国得到一定的应用，风力发电采用永磁同步发电机有重量轻、可靠性和效率高的优点。 磁钢是永磁同步电机的关键材料，永磁材料近年来的开发很快，现有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三类。
10、,根据永磁同步电动机结构原理图如图17-8，可以设计出不同结构的转子，图17-9为凸极式转子结构，结构灵活，不同的转子结构往往带来自身性能上的特点，因而稀土永磁同步电动机可根据使用需要选择不同的转子结构形式。,图17-9不同励磁形式同步电动机转子的一个极矩的横截面,17-8永磁同步电动机结构示意图 1-转轴 2-轴承 3-端盖 4-定子绕组 5-机座 6-定子铁心 7-转子铁心 8-永磁体 9-起动笼 10-风扇 11-风罩,与电磁式同步电动机相比较，稀土永磁同步电动机具有的优点，稀土永磁同步电动机无需电流励磁,不设电刷和肩环,因此结构简单、使用方便、可靠性高； 由于上述结构的特点，使得稀土永
11、磁同步电动机转子上无励磁损耗，无电刷和滑环之间的磨擦损耗和接触电损耗。 因此，稀土永磁同步电动机的效率比电磁式同步电动机要高，并且其功率因数可以设计在1.0附近；稀土永磁同步电动机在一定功率范围内，可以比电磁式同步电动机具有更小的体积和重量。,二、步进同步电动机,步进电动机是一种将电脉冲信号转换为角位移的控制微电机，可在各种数控系统中作可执行元件,可在宽广的范围内调速，在负载能力范围内，其角位移的定位精度无积累误差，特别适用于开环数控系统中。步进电动机按其工作原理来分，主要有磁电式和反应式两大类，这里介绍常用的反应式步进电动机的工作原理。,步进电动机是一种将电脉冲信号转换为角位移的控制微电机，
12、可在各种数控系统中作可执行元件,可在宽广的范围内调速，在负载能力范围内，其角位移的定位精度无积累误差，特别适用于开环数控系统中。步进电动机按其工作原理来分，主要有磁电式和反应式两大类，这里介绍常用的反应式步进电动机的工作原理。,上图表示一台三相反应式步进电动机，定子为三相绕组，每相有两个磁极，三相绕组为Y接法。转子铁心及定子极靴上均有小齿，且定、转子齿距相等，图中转子齿数为40。因此每一齿距对应的空间角度为 。 B、C两相与A相相差120和2400，通过计算可知B极和C极正中的齿超前转子14号齿和27号齿的距离分别为1/3齿和2/3齿距。,首先有一相线圈(设为A相)通电，于是建立如图17-11
13、（a）磁场，由于转子力求整个磁路磁阻最小，转子1号齿对准磁极A极轴。然后，A相断电，B相通电，则磁极A的磁场消失磁极B产生了磁场，如图17-11（b）,磁极的磁场把离它最近的14号齿吸引过去，14号齿对准磁极B极轴，这时转子逆时针转了30。再接下去B相断电，C相通电，如图17-11（c）。根据同样道理，转子又逆时针转了3，27号齿对准磁极C极轴。若再A相通电，C相断开，那么转子再逆转3，使转子1号齿对准磁极A极轴。,定子各相轮流通电一次转子转过一个齿。这样按ABCABCA次序轮流通电，步进电动机就一步一步地按逆时针方向旋转。通电线圈每转换一次，步进电动机旋转3，我们把步进电动机每步转过的角度称
14、之为步距角。如果把步进电动机通电线圈转换的次序倒过来换成ACBACB的顺序，则步进电动机将按逆时针方向旋转，所以要改变步进电动机的旋转方向可以在任何一相通电时进行。,混合式步进电动机在当前很有发展前景: 发展趋势之一是继续沿着小型化的方向发展。随着电动机本身应用领域的拓宽以及各类整机的不断小型化，要求与之配套的电动机也必须越来越小。 发展趋势之二是改圆形电动机为方形电动机。由于电动机采用方型结构，使得转子有可能设计得比圆形大，因而其力矩体积比将大为提高。 发展趋势之三对电动机进行综合设计，即把转子位置传感器，减速齿轮等和电动机本体综合设计在一起，这样使其能方便地组成一个闭环系统，因而具有更加优
15、越的控制性能。发展趋势之四向五相和三相电动机方向发展。目前广泛应用的二相和四相电动机，其振动和噪声较大，而五相和三相电动机具有优势性。而就这两种电动机而言，五相电动机的驱动电路比三相电动机复杂，因此三相电动机系统的性能价格比要比五相电动机更好一些。,我国的情况有所不同，直到20世纪80年代，一直是磁阻式步进电动机占统治地位，混合式步进电动机是80年代后期才开始发展，至今仍然是二种结构类型同时并存。尽管新的混合式步进电动机完全可能替代磁阻式电动机，但磁阻式电动机的整机获得了长期应用，对于它的技术也较为熟悉，特别是典型的混合式步进电动机的步距角（0.9/1.8）与典型的磁阻式电动机的步距角（0.75/1.5）不一样，用户改变这种产品结构不是很容易的，这就使得两种机型并存的局面难以在较短时间内改变。,
