电机第8章-三相同步电机及其他电机简介课件.ppt

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流电源加在三相同步电机定子绕组时

2、，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

3、=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

4、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8-9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

5、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。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

6、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8 10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8 11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，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

7、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

8、，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8 17b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

9、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8 19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

10、调角示意图a)0180b)=0c)-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

11、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数的2倍。b=/NZ=/mZ或b=/2mZ （8 4）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

12、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

13、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

14、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。(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8 31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8 32a所示的为电磁式，图8 32b所示的为永磁式。除一般式外，还

15、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8 34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

16、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/p2.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-没有控制电压时的机械特性曲线第8章三相同步电机及其他电机简介3.特性和应用交流伺服电动机运行时，若改变控制电压的大小或改变它与励磁电压之间的相位角，则旋转磁场将发生变化，从而影响到电磁转矩。(1)幅值控制：即保持c和f相位差为90的条件下，改变c幅值大小。(2)相位控制：即保持c幅值不变的条件下，改变c和f之间的相位差。图8-38幅值控制接线图第8章三相同步电机及其他电机简介(3)幅相控制：即同时改变c的幅值和相位。幅值控制的控制电路比较简单，生产中应用最多，下面只讨论幅值控制法。图8 38所示为幅值控制的一种接线图。从图中看出，两相绕组接于同一单相电源，适当选择电容C，使c和f相位差90，改变R的大小，即改变控制电压c的幅值，可以得到图8 39所示的不同控制电压下的机械特性曲线族。由图8 39可见，在一定负载转矩下，控制电压越高，转差率越小，电动机的转速就越高。图8-39不同控制电压时的机械特性第8章三相同步电机及其他电机简介图8-40交流伺服电动机的典型应用框图