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1、目录1.绪论 -1 -2同步电机的工作原理 -2 -2.1同步电机的结构模型 -2 -2.2同步电机的工作原理 -3 -2.2.1基本原理 -3 -2.2.2同步转速 -3 -2.2.3运行方式 -4 -2.3稳态工作过程及参数 -5 -2.3.1同步电机的空载特性 -6 -3矢量控制下电机的制动 -6 -31减流阶段 -7 -32回馈发电制动阶段 - 11 -33调整制动阶段 - 12 -331速度调整阶段 - 12 -332能耗制动阶段 - 13 -4电机制动过程中直流电压的变化 - 13 -5结论 - 15 -6.心得体会 - 16 -参考文献 - 17 -1.绪论同步电机是交流旋转电机
2、的一种,因其转速恒等于同步速机时得名。同步电 机主要用作发电机，也可用作电动机和调相机。设计主要分析同步发电机在电励 磁作用下的稳态参数和瞬态参数的测试，简要分析同步电动机和调相机的运行状 态。同步电机在现代工业系统中的应用范围越来越广，其主要运行方式有三种， 即作为发电机、电动机和补偿机运行。 作为发电机运行是同步电机最主要的运 行方式，作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。同步电动机的功 率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。 近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。 同步电机还 可以接于电网作为同步补偿机。这时电机不带任何机械
3、负载，靠调节转子中的励 磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者 调节电网电压的目的。同步电机可作调相机运行。同步调相机实质上就是一台轴上不带机械负荷的 同步电动机。通过调节同步电机的励磁电流，可控制它从电网吸收的无功电流的 相位，从而达到调节电网的功率因数和维持电网的电压水平的目的。同步电机 的基本工作原理与结构同步电机有旋转磁极式和旋转电枢式两种结构形式。由于旋转磁极式具有转 子重量小、制造工艺较简单、通过电刷和滑环的电流较小等优点，大中容量的同 步电动机多采用旋转磁极式结构。根据转子形状的不同，旋转磁极式又可分为凸 极式和隐极式两种，如图 6.1 所示。凸极
4、式多用于要求低转速的场合，其转子粗 而短，气隙不均匀。隐极式多用于要求高转速的场合，其转子细而长，气隙均匀。 同步电机与其他旋转电机一样，由定子和转子两大部分组成。旋转磁极式同步电 机的定子主要由机座、铁心和定子绕组构成。为减小磁滞和涡流损耗，定子铁心 采用薄硅钢片叠装而成，定子铁心的内表面嵌有在空间上对称的三相绕组。转子 主要由转轴、滑环、铁心和转子绕组构成。为兼顾导磁性能和机械强度的要求， 转子铁心常采用高强度合金钢锻制而成。转子铁心上装有励磁绕组，其两个出线 端与两个滑环分别相接。为便于启动，凸极式转子磁极的表面还装有用黄铜制成 的导条，在磁极的两个端面分别用一个铜环将导条连接起来构成一
5、个不完全的笼 形启动绕组。2同步电机的工作原理2.1同步电机的结构模型同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大 部分组成。一般分为转场式同步电机和转枢式同步电机。湮為心图2-1常用的转场式同步发电机的结构模型图21给出了最常用的转场式同步发电机的结构模型，其定子铁心的内圆 均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。这种同步 电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流 电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场（也称主 磁场、转子磁场）。气隙处于
6、电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电机内部磁场的 分布和同步电机的性能有重大影响。除了转场式同步电机外,还有转枢式同步电机，其磁极安装于定子上，而交 流绕组分布于转子表面的槽内，这种同步电机的转子充当了电枢。2.2 同步电机的工作原理2.2.1 基本原理主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即 建立起主磁场。载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流 的载体。切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁 场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁 场）。交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁
7、场之间的相对切割运动，电枢绕组中 将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提 供交流电源。感应电势有效值：每相感应电势的有效值为E=4.44fW1Om感应电势频率： 感应电势的频率决定于同步电机的转速 n 和极对数 p ， 即f=np/60交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于 电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。2.2.2 同步转速从供电品质考虑，由众多同步发电机并联构成的交流电网的频率应该是一个 不变的值，这就要求发电机的频率应该和电网的频率一致。我国电网的频率为 50Hz ，故有：n=60f/p=3000/p要使得发电机供
8、给电网50Hz的工频电能,发电机的转速必须为某些固定值， 这些固定值称为同步转速。例如 2 极电机的同步转速为 3000r/min，4 极电机的同步转速为1500r/mi n,依次类推。只有运行于同步转速，同步电机才能正常运行，这也是同步电机名称的由来。2.2.3 运行方式同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。 作 为发电机运行是同步电机最主要的运行方式，作为电动机运行是同步电机的另一 种重要的运行方式。同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应 用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变频调速系统 中开始得到较多地应用。 同步电机还可以接
9、于电网作为同步补偿机。这时电机 不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无 功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。发电机状态：图 2-2 发电机状态相量图电压超前于电流，Pem、0均大于0,转子主极轴线沿转向超前于气隙合成 磁场轴线，故电磁转矩为制动性质，原动机输入驱动转矩克服制动作用的电磁转 矩。(b) 、过渡状态：逐步减小原动机输入功率，使转子瞬时减速， Pem、 0 相应减小， 0=0 时， 发电机变为空载，输入功率正好抵偿空载损耗。(c) 电动机状态：继续减小原动机输入功率，Pem、e为负，电机要从电网吸收一部分电功率, 与原动机输入功率一起
10、与空载损耗平衡，维持转子同步旋转。如拆去原动机，在 电机轴上再加机械负载，Pem、e负得更大，电磁转矩为驱动性质，电机进入输 入电动机状态，将电网输入的电能转换成机械能。空载运行时，同步电机内仅有由励磁电流所建立的主极磁场。图表示一台四 极电机空载时的磁通示意图。从图2-3可见，主极磁通分成主磁通0和漏磁通 f。两部分，前者通过气隙并与定子绕组相交链，后者不通过气隙，仅与励磁绕 组相交链。主磁通所经过的主磁路包括空气隙电枢齿、电枢轭、磁极极身和转子 轭等五部分。同步电机的空藝磴路(2p = 4)图2-3电机空载时的磁通示意图2.3稳态工作过程及参数发电机运行时，由端电压u、负载电流I、励磁电流
11、f转速和功率因数等量 决定其状态。其中转速和功率因数一般不变，因此U、I、If两两间的函数关系就 称为同步发电机的运行特性。即：空载特性：U=f(If)，I =0负载特性：U=f(If)，I =C外特性：U=f(I)，If=C调节特性：If =f(I)，U=C2.3.1同步电机的空载特性用实验测定空载特性时，由于磁滞现象，上升和下降的磁化曲线不会重合, 因此，一般约定采用自U01.3UN开始至If =0的下降曲线，结果如图2-4所示。根据电机的数学模型， 见图3所示。图中uE、Is、 轴电抗及转子产生的磁链。图2-4空载特性曲线E0e*, EO=f(lf)曲线与电机磁化曲线e=f(lf)相似，
12、空载实验时，If只能单方向 调节。3矢量控制下电机的制动可以画出转子磁场定向控制下同步电机的相量图,分别为电机电枢电压、反电动势、电枢电流、交心世动运行Cb)制动运行电机运行相fit图-6 -假定电机此时运行速度为2000r/min。速度调节器给定为n：,反馈为nf且 n： 一nf=e 0，但接近于零。电流调节器的给定为ig,反馈为ff, fgff，且接 近相等。电流调节器控制PWM逆变器以输出相应的电压，电机稳定运行在给定 转速。现在需要将其制动到零或一小于n：的速度，则在制动时，速度调节器输 出最大制动电流给定一i ,电机开始进入制动过程。电机制动过程有四个阶段： 减流阶段、反接建流阶段、
13、回馈发电制动阶段、能耗制动或者速度调整阶段，参 见图4。时旬t图4 电机制动內电潦电压速度31减流阶段不失一般性，假定电机开始制动时电流为f =。0, 11+12+13=0，按电动机定向，各相电动势ea0,ec0。速度调节器输出为一i ,经过2/3变换成三相电流给定i。、ib、i。i。0, i。0。 则由于给定输入的反相，电流调节器输出电压迅速过零并反相输出接近最大电 压，逆变器输出电压也迅速下降并反相，电机端电压与电机反电势将由电动运 行时的极性相对（方向相反）变成顺串。电机电流将在电源电压和电机反电动势E 的作用下下降。在电流调节器作用下，A相电流调节器输出接近正向限幅值，B 相和C相输出
14、接近负向限幅值，与三角波信号比较形成PWMabc=】00信号。设主电路上桥臂管开通为1,下桥臂管开通为0,则在a=l时，b和C有四种组合，即：00, 01，l0，l1。在&=0时，只有组合00。即共有abc=100, 101，110，111，000 五种工作组合。由于本阶段电机电流减小的时间很短，可以认为电机没有产生 机械位移，转子位置角0不变，自感与互感不变，磁链最后项的微分即为电机 反电动势。忽略电阻降，且有di Idt+dibld t+di/d t=0。通过求解回路方程， 可得各阶段电机各相电流变化率为d/k.A叫 _ V型 + S丄be 一/伽 W 4阵）一 （2乙业S二心 4,）77
15、 _k叭 _（曲+丄况_匸腻_迪）（匚如亠5）_ Q匸沁_匸阳匚 &）（打订*5） dTk左i = Uh亠f5匸1&-J J （2；止-h；厂血匕）2丄迅：f_*-abc=101_（人讪+厶x 一丄也一如*）厲仃一 十红）十（命+人弋-2匸& ）心一略 +兔）dr%丄汰 +Lac - R）亿-一耳：亠耳）（匸hh 十Q： iQ 一4兀/1 % + %）dr（心+低-切Wei -一十弘）一（25 一4缶（化一兔+占Jdr也二（尙十4一S：厶（5十乙皿一3一叱）一0讪-心-匚曲）（汁十几一&比一厶小 ahc-110% _ （丄aH十丄伍二Ax二丄洗）：1二叫化人比一久匸其）2儿 一5 *鞋）ib _ 3沁-鼻 一G ）人 一 十匕）-（f皿 *乙贰:讪-；川打务十J ）认 _ 丄空 +丄讥 _厶讣_）&l J + ）_ “七b +些 _丄& _乙胛）（匕爲 _ Eh +
