控制电机 同步电动机.ppt

第9章同步电动机 9 1概述9 2同步电动机的基本工作原理9 3同步电动机的结构与分类9 4同步电动机的基本方程式和运行特性9 5同步电动机的起动9 6小功率同步电动机9 7稀土永磁式同步电动机思考题及习题 9 1概述 同步电机是交流旋转电机中的一种 转子的转速始终与定子旋转磁场的转速 同步速 相同 同步电机主要分为同步发电机 同步电动机 同步调相机 现代电力工业中 无论是火力发电 水力发电 还是原子能发电 几乎全部采用同步发电机 同步电动机主要用于功率较大 转速不要求调节的生产机械 如大型水泵 空气压缩机 矿井通风机等 同步调相机是空载运行的同步电动机 专门提供感性无功功率 用来改善电网的功率因数 以提高电网的运行经济性及电压的稳定性 9 2同步电动机的基本工作原理 同步电机的定子和异步电机的定子相同 即在定子铁心内圆均匀分布的槽内嵌放三相对称绕组 如图9 1所示 同步电机的结构原理图中只画出一相绕组 同步电机的定子又称电枢 转子主要由磁极铁心与励磁绕组组成 当励磁绕组通以直流电流后 转子即建立恒定磁场 同步电机作为电动机运行 在定子绕组上通以三相交流电源 产生一个旋转速度为同步速n1的旋转磁场 图9 1同步电机的结构原理图 在转子绕组加上直流励磁 转子将在定子旋转磁场的带动下 带动负载沿定子磁场的方向以相同的转速旋转 转子的转速n与定子电源频率f 磁极对数p之间应满足 9 1 上式表明 同步电动机的转速与频率之间将保持严格不变的关系 当电源频率f不变时 转速恒为同步速 与负载大小无关 这是同步电机和异步电机的基本差别之一 我国电力系统的标准频率为50Hz 电机的磁极对数为整数 所以同步电动机的转速为一固定值 当2p 2时 n为3000r min 当2p 4时 n为1500r min 当2p 6时 n为1000r min 依此类推 图9 2a 气隙合成磁场的等效磁极b 同步电动机的工作原理 假如转子以某种方法起动 并使转速接近n1 这时转子的磁场极性与定子旋转磁场极性之间异性对齐 定子S极与转子N0极对齐 根据磁极异性相吸原理 定转子磁场间就产生电磁转矩 促使转子跟旋转磁场一起同步转动 即n n1 故称为同步电动机 同步电动机实际运行时 由于空载总存在阻力 转子的磁极轴线总要滞后旋转磁场轴线一个很小角度 促使产生一个异性吸力 驱动性质的电磁转矩 如图9 2所示 负载时 角增大 电网输入的电功率P1和相应的电磁功率PM增大 电磁转矩随之增大 电动机仍保持同步状态 负载若超过同步异性吸力 电磁转矩 时 转子就无法正常运转 9 3同步电动机的结构与分类 同步电机可以按运行方式 结构型式和原动机的类别进行分类 按运行方式 同步电机可分为发电机 电动机和调相机三类 按结构型式 同步电机可分为旋转电枢式和旋转磁极式两种 旋转电枢式应用在小容量电动机中 而旋转磁极式用于大容量电动机中 应用比较广泛 旋转磁极式同步电机按磁极的形状 又可分为隐极式和凸极式两种类型 如图9 3所示 隐极式气隙是均匀的 转子做成圆柱型 凸极式气隙是不均匀的 极弧底下气隙较小 极间部分气隙较大 a 凸极式 b 隐极式图9 3旋转磁极式同步电动机结构示意图 图9 4凸极同步发电机的结构 图9 5隐极同步发电机的结构 按原动机类别 同步电机可分为汽轮发电机 水轮发电机和柴油发电机等 汽轮发电机由于转速高 转子各部分受到的离心力很大 机械强度要求高 一般采用隐极式 转子细而长 以减小线速度 如图9 6所示 用于火力发电厂和核电厂 水轮发电机转速低 极数多 采用结构和制造上比较简单的凸极式 同步电动机 柴油发电机和调相机 一般也做成凸极式 转子粗而短 以增加极数 如图9 7所示 用于水力发电厂 图9 6国产60万kW汽轮发电机正在安装转子目前世界最大的汽轮发电机已经超过100万kW 图9 7世界最大的水轮发电机组在三峡电站安装三峡电站总装机26台 单机容量70万千瓦 共安装26台发电机组 现32台 左厂房安装14台机组 右厂房12台 单机容量均为70万千瓦 总装机容量1820万千瓦 已经总装完毕的机组 每台重达6000多吨 仅转子直径就达18米多 3 5米高 有200多平方米的房子那么大 1600多吨重 每台机组用一条直径为12 4米的钢管 从水库引水导向水轮机 被驱动的水轮机转轮带动发电机发电 一台水轮发电机组还配备一台重达450吨的变压器 电流将通过三峡输变电工程送出 9 4同步电动机的基本方程和运行特性 一 同步电动机的基本方程式和相量图隐极式同步电动机的电动势平衡方程式为 9 2 式中 励磁磁通在定子绕组里的感应电动势 V Ra 电枢电阻 Xt 电枢绕组等效电抗 称同步电抗 Xt反应了电枢反应磁场和漏磁场的总作用 图9 8隐极式同步电动机的电动势相量图图中滞后于一个夹角 称为功率角 其物理定义是合成等效磁极与转子磁极轴线之间的夹角 如图9 2所示 角的大小 表征了同步电动机电磁功率和电磁转矩的大小 二 功角特性和矩角特性同步电动机接在电网上运行时 当 角变化时 电磁功率PM的大小也随之变化 PM f 的关系称为同步电动机的功角特性 其数学表达式 隐极式 为 9 3 电磁转矩T f 的关系称为矩角特性 其表达式 9 4 功角特性和矩角特性曲线如图9 9所示 额定运行时 N 20 30 当 90 时 PM PMmax T Tmax 当 90 会出现 失步 现象 同步电动机不能正常运行 图9 9隐极式同步电动机的图9 10同步电动机的V形曲线功角 矩角特性 三 V形曲线 同步电动机的V形曲线是指在电网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9 10所示 如果电网电压恒定 则U与f1均保持不变 忽略电枢电阻和磁路饱和的影响 则电动机的输出功率不变时 电磁功率也保持不变 常数 9 5 可得 E0sin 常数 Icos 常数 左边是欠励区 右边是过励区 正常励磁时 cos 1 电枢电流全部为有功电流 当欠励时 功率因数是滞后的 电枢电流为感性电流 起增磁作用 电动机从电网中吸收滞后的无功电流和功率 过励时 功率因数是超前的 电枢电流为容性电流 起去磁作用 电动机从电网中吸收超前的无功电流和功率 其中PM 0的这条曲线对应于同步调相机的运行状态 由于同步电动机的PM与E0成正比 所以当减小励磁电流时 它的过载能力也要降低 而对应功率角 则增大 在某一负载下 当励磁电流减少到一定数值时 角就超过90 隐极式同步电动机就不能稳定运行而失去同步 图9 10虚线表示了同步电动机不稳定运行的界限 V形曲线 并联于无穷大电网的同步电动机 保持有功功率不变时 表示电枢电流I和励磁电流If的关系曲线I f If 由于电网上的负载多为感性负载 感应电动机和变压器 它们从电网中吸收感性的无功功率 同步电动机工作在过励状态下 从电网中吸收容性的无功功率 则可向其它感性负载提供感性的无功功率 从而提高功率因数 这是同步电动机的最大优点 因此 为改善电网功率因数和提高电机过载能力 同步电动机的额定功率因数一般设计为1 0 8 超前 9 5同步电动机的起动 一 同步电动机的起动同步电动机的定 转子通电 定子三相绕组产生旋转磁场 转子绕组产生恒定磁场 假设起动瞬间 定 转子磁极的相对位置如图9 11a所示 起动瞬间 转子是静止的 转子磁场也是静止的 定子旋转磁场以同步速对转子磁场作相对运动 产生逆时针方向转矩 而转子存在惯性 一下子达不到同步速 这时定子的旋转磁场已经转过180 到了图9 11b 这时转子上又产生一个顺时针转矩 可见在一个周期内 作用在同步电动机转子上的平均起动转矩为零 所以 同步电动机就不能自行起动 图9 11同步电动机起动时定子磁场对转子磁场的作用 同步电动机的起动方法有三种 辅助电动机起动法 变频起动法和异步起动法 主要介绍应用较广的异步起动法 异步起动法就是在凸极式同步电动机的转子极靴上装一个起动绕组 阻尼绕组 来获得起动转矩 利用异步电动机起动原理来起动 如图9 11a所示 图9 12同步电动机异步起动法的原理接线图 具体步骤如下 1 首先将同步电动机的励磁绕组通过一个附加电阻短接 该附加电阻约为励磁绕组电阻的10倍 并且励磁绕组不能开路 因为励磁绕组的匝数很多 定子旋转磁场将在该绕组中感应很高的电压 可能击穿励磁绕组的绝缘 2 将定子绕组通以三相交流电源 建立旋转磁场 在转子的起动绕组中产生感应电动势及电流 此电流与定子旋转磁场相互作用而产生异步电磁转矩 异步起动 3 当同步电动机的转速接近同步转速时 达95 n1时 将附加电阻切除 励磁绕组与直流电源连接 依靠同步转矩保持电动机同步运行 牵入同步 在同步电动机异步起动时 为了限制起动电流 可采用减压起动 通常采用自耦变压器或电抗器来降压 当转速达到同步转速时 电压恢复至额定值 然后再给直流励磁 使同步电机牵入同步运行 二 同步电动机的振荡虽然同步电动机通常以恒定的同步速转动 但有时会发生所谓 振荡现象 这种振荡现象一般发生在电机发出的转矩或者轴上的负载阻转矩突然发生变化的时候 下面以反应式同步电动机为例 说明同步电动机的振荡现象 图9 20是说明同步电动机振荡现象的原理图 假定电机原先是在定子磁场轴线与转子直轴方向夹角为 1 图中未画出 的情况下运转的 此时电动机发出的反应转矩T1与轴上负载阻转矩TL1恰巧平衡 这时如果突然发生扰动 如空气 轴上摩擦等阻转矩发生变化 使轴上负载阻转矩突然减小为TL2 则电动机发出的转矩就大于负载阻转矩 转子就要加速 定子磁场轴线与转子直轴方向之间的夹角就会减小 直到夹角 2 此时电动机发出的反应转矩T2又等于TL2 但此时转子速度已超过同步速 由于转子具有惯性 在惯性矩作用下 转子不能停留在这个新的平衡点运转 而要越过平衡点 这样夹角 就会小于 2 时电动机发出的转矩小于负载阻转矩 转子就要减速 夹角 又开始增大并趋向于 2 当 2时转子转速已低于同步速 又由于转子惯性矩作用 转子要越过 2使夹角 大于 2 然后再重复前面的过程 这样 转子要在 2处来回振荡一段时间 由于空气和轴上摩擦或其它阻尼作用 振荡就会逐渐衰减 最后在新的平衡点 2 T2 TL2的情况下运转 转子在新的平衡点来回振荡的现象与弹簧的振荡现象相类似 当弹簧下面挂的重量突然变化时 重物也是在新的平衡位置A处上下振荡一段时间 然后再停留在位置A 如图9 21所示 图9 20同步电动机的振荡 图9 21弹簧的振荡 振荡使同步电动机的瞬时转速产生忽高忽低的不稳定现象 对于一些要求转速稳定度很高的仪器和设备 如同步随动系统 无线电通讯设备 录音传真设备等会带来很大误差 所以在选用同步电动机时 一般还会提出速度稳定度的要求 减弱同步电动机振荡的方法 其中一种方法是在转子上装设鼠笼式的短路绕组 当转子振荡时 转子相对于旋转磁场发生相对运动 在鼠笼导条中产生了切割电流 根据楞次定律 这个电流与磁场相互作用所产生的转矩是阻止转子相对于旋转磁场运动的 因而使振荡得到减弱 起到了阻尼作用 9 6小功率同步电动机 也称微型同步电动机 其特点 转速恒定 有些控制设备和自动装置中 往往要求电动机具有恒定不变的转速 即要求电动机的转速不随负载和电压的变化而变化 广泛应用于恒速运转的自动控制装置中作为驱动电动机 如驱动仪器仪表中的走纸 打印记录机构 自动记录仪 电子钟 电唱机 录音机 录像机 电影摄影机 放映机 传真机 无线电通讯设备 同步联络系统等 在自动控制系统中 也可用来作为执行元件 功率从零点几瓦到数百瓦 微型同步电动机主要可分为永磁式 反应式 磁滞式和自控式 1 自控式同步电动机也称为无换向器式电动机 由电力电子技术发展而来的频率闭环控制的同步电动机 2 永磁式同步电动机的转子由永久磁钢做成 3 反应式同步电动机又称为磁阻电动机 转子本身没有磁性 只是依靠转子上两个正交方向磁阻的不同而产生转矩 反应转矩 反应式同步电动机由于结构简单 成本低廉 运行可靠 广泛的应用于自动及遥控装置 同步联络装置 录音传真及钟表工业中 目前国内外反应式同步电动机有单相和三相的 功率从几瓦到几百瓦 4 磁滞式同步电动机主要特点在于它的转子铁心不是用一般的软磁材料 而是用硬磁材料做成的 具有比较宽的磁滞回环 即剩余磁感应Br及矫顽磁力Hc要比软磁材料大 单位场强的磁滞损耗比较大 如图9 13所示 一般电机用的软磁材料的回环很窄小 如回环3 所以 异步电动机中虽也有磁滞转矩 但与异步转矩相比小得多 可略去不计 图9 13铁磁材料的磁滞回环 为增大磁滞转矩 应利用磁滞回环宽的硬磁材料制造转子 最理想回环是矩形 如图9 14中的虚曲线1 目前在磁滞电动机中所应用的磁滞材料如铁钴钒 铁钴钼等合金的磁滞回环 如回环2 很近于理想 磁滞同步电动机与其它类型同步电动机相比具有的一个最大优点是 具有很大的启动转矩 因而它不要附加任何启动绕组就能很快自行启动 图9 14各种铁磁材料的磁滞回环 磁滞同步电动机主要优点是结构简单 运转可靠 启动转矩大 不需要装任何启动装置就能平稳地抵达同步速 运转时噪声也很小 主要应用于电钟 电唱机 无线电通讯设备 自动记录仪器 以及录音 传真 自动及遥控装置等 功率从几瓦到200W 其中功率小于50W以下应用得更为广泛 9 7稀土永磁式同步电动机 永磁式同步电动机的转子由永久磁钢制成 定子与异步电动机定子完全相同 转子结构有多种型式 如图9 15 a e 所示 它们都具有永久磁钢和鼠笼式的启动绕组两部分 永久磁钢可以做成两极的或多极的 随着永磁材料性能的不断提高 高性能 低价格稀土永磁材料 如钕铁硼NdFeB 的出现 使永磁式同步电动机的应用范围更加扩大 图9 15永磁式同步电动机转子结构c 径向式d 并联式e 切向式 稀土永磁钕铁硼 NdFeB 是当代磁体中性能最强的永磁体 它不仅具有高剩磁 高矫顽力 高磁能积 高性价比等特性 而且容易加工成各种尺寸 现已广泛应用于航空 航天 电子 电声 机电 仪器 与其它类型同步电动机相比 优点 出力大 体积小 耗电小 结构简单 可靠 功率从几瓦到几百瓦 甚至是几个千瓦 在各种自动控制系统中得到广泛的应用 铁磁材料软磁材料 磁导率 高 剩磁Br小 磁滞回线窄而长 如 铸钢 硅钢 坡莫合金 制作电机铁心 硬磁材料 不高 剩磁Br大 磁滞回线宽而胖 高矫顽力和高剩磁 如 铁钴钒 FeCoV 铁钴钼 FeCoMo 锰铋 MnBi 及稀土永磁材料铁氧体 钕铁硼 钐钴 SmCo 钕镍钴 NdNiCO 制造永久磁铁 缺点 成本高 对温度敏感 热稳定性差 稀土永磁体的工作温度较低 电机运行时的温升不能太高 环境温度一旦超过规定值就会退磁 而这个规定值目前只能做到80 180 居里点温度 居里点温度是衡量磁性材料的重要指标 是指磁性材料永久失去磁性的温度 一旦环境温度超过居里点温度 即使时间很短 永磁材料也会退磁 随着居里点温度的提高永磁体的价格增加很快 如工作温度为180 的永磁体的价格为工作温度为80 的3倍以上 例如 永磁体的价格占永磁搅拌装置价格的70 80 钕铁硼磁钢属于负温度系数永磁材料 主要是在高温下发生退磁现象 即随温度上升 矫顽力Hc值将下降 因此 我们采用正温稳磁处理法 正温稳磁就是把充好磁的产品放入温度比使用温度高30 50 的烘箱中保持2 4小时 稳磁处理后 磁钢磁性能略有下降 电机在峰值转矩为4倍额定转矩的过载情况下运行 电枢反应使磁场畸变 磁钢呈现不可逆去磁现象 永磁材料在受到振动 高温和过载电流作用时 其导磁性能可能会下降或发生退磁现象 将降低永磁电动机的性能 严重时还会损坏电动机 稀土永磁同步电机分为 正弦波稀土永磁同步电机 称为稀土永磁同步电机 和方波型稀土永磁同步电机 称为稀土永磁无刷直流电机 电饭煲和铁磁性 电饭煲核心技术装置是自动限温装置 其感测元件是一感温磁钢 具有高温去磁现象 按下按键开关则接电源的动静触头接通 电热板发热 温度高到居里点 103 2 时 由于感温磁钢失去磁性而不能吸住永磁钢片 则永磁钢片下落 致使永磁体在重力及弹簧的作用下断开触点 使加热电路断电 同时 接通另一保温电路 保持饭的温度在70 左右 图9 16电饭煲自动限温原理 发热板的中央的圆孔内有一感温磁钢是软磁材料 镍锌铁氧体或铁 镍合金 它借着弹簧向上顶贴着锅底 它在100 或以下时 可以被永久磁铁吸引 当锅内的饭沸腾后 水分被煮干时其温度会超过100 当升至103 时 则失去磁性 不再受永久磁铁吸引 以免饭被煮焦 这也就是为什么饭不会烧焦的道理 因电饭锅限温器的动作温度是103 常压下水的温度不可能超过100 这就是电饭锅烧水煮汤时开关不跳而煮饭跳的原因 如果因磁钢失磁而导致煮生饭 应更换磁钢限温器 如果磁钢未失磁而出现生饭现象 则大多发球内锅锅底变形 当锅底向上凸起时 感温磁钢被锅底下压的幅度减小 因此 当锅内温度还未达到居里点时就将电路断开 即出现了生饭现象 反之 当锅底向下凹时