电机变压器原理与维修（第二版）：同步电机的运行与维护教学课件

同步电机的运行与维护项目七533任务1同步发电机的运行与维护任务2交流同步电动机的运行与维护任务3永磁同步电动机的运行与维护534任务1

同步发电机的运行与维护535学习目标1.了解同步发电机的结构。2.熟悉同步发电机的工作原理。3.掌握同步发电机的励磁方式。4.能正确完成同步发电机的运行与维护。536任务引入同步发电机是通过旋转磁场的磁力线切割定子绕组发电的。由于定子磁场是由转子磁场引起的，且它们之间总是保持着一先一后且同速的同步关系，所以称这种发电机为同步发电机。目前，世界上绝大部分的交流电都是同步发电机产生的。本任务的主要内容是了解同步发电机的基本结构、励磁方式和铭牌数据，掌握同步发电机的工作原理，能对同步发电机进行运行与维护。537一、同步发电机的基本结构同步发电机和其他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。同步发电机的结构形式有两种，一种是旋转电枢式，即将三相绕组装在转子上，磁极装在定子上；另一种是旋转磁极式，它与前者相反，把磁极装在转子上，三相绕组装在定子上。538相关知识由于旋转磁极式同步发电机的励磁绕组的电压、电流、容量比较小，便于从电刷和集电环上引入，所以旋转磁极式已经成为同步发电机的基本结构形式。如图所示为典型的旋转磁极式同步发电机的结构。下图中用AX、BY、CZ共3个在空间错开120°电角度分布的线圈代表三相对称交流绕组。539

旋转磁极式同步发电机的结构1—磁极2—定子铁芯3—定子绕组4—励磁绕组二、同步发电机的工作原理同步发电机的工作原理如下：1.转子上装有励磁绕组，当励磁绕组中通入直流电流时，气隙中产生恒定的主极磁场，其磁路如图中虚线所示。2.若用原动机驱动发电机转子恒速旋转，主极磁场就随着转子的转动在气隙中形成旋转磁场。540同步发电机的工作原理3.同步发电机的定子上装有三相对称交流绕组（图中绕组均画在各相绕组轴线上）当旋转磁场切割定子三相绕组时，定子绕组中就会感应出三相对称交变电动势，如图所示。541三相对称交变电动势每相感应电动势的有效值为：E=4.44fNФkw式中f———电源频率；

Ф———每极磁通；

N———绕组匝数；

kw———绕组系数。E

是由励磁绕组产生的磁通

Ф

在电枢绕组中感应得到的。三相电枢绕组在空间分布的对称性决定了三相绕组中的感应电动势将在时间上呈现对称性，即在时间相位上相互错开1/3周期。通过绕组的出线端将三相感应电动势引出后可以作为交流电源。可见，同步发电机可以将原动机提供给转子的机械能转化为电能。542三、同步发电机的励磁方式同步发电机运行时，必须在励磁绕组中通入直流电来励磁，获得励磁电流的方法称为励磁方式。目前同步发电机采用的励磁方式分为两大类：一类是用直流发电机作为励磁电源的直流励磁机励磁系统；另一类是用硅整流装置将交流电转化成直流电后供给励磁的整流器励磁系统。两种励磁方式的区别见下表。543同步发电机的励磁方式544同步发电机的励磁方式四、同步发电机的检查、监视和维护1.同步发电机运行前的检查（1）同步发电机与原动机连接之前，应用手转动转轴，观察其转动是否灵活、有无相擦现象。（2）检查同步发电机的外部是否清洁、内部有无杂物等。（3）检查接线有无松散、螺栓是否松动。（4）检查电刷压力是否合适、刷握是否牢固、电刷和集电环的接触是否良好。（5）检查接地是否良好。（6）测量各部分的绝缘电阻，如绝缘电阻过低，应进行干燥处理。（7）检查开关、灭弧装置是否良好。5452.同步发电机运行中的监视（1）监听运行中声音是否正常，检查有无振动和焦味。（2）监控发电机温升是否过高。（3）经常观察集电环和电刷之间有无不正常的火花。（4）随时注意配电屏上各种仪表指示的变化情况。3.同步发电机的维护（1）应经常对集电环、电刷和刷握进行清洁、紧固，使之接触良好。（2）应经常对硅整流元件、印制电路板进行清洁，使其保持干燥、通风良好。（3）要定期清洗轴承和更换润滑油。546任务2

交流同步电动机的运行与维护547学习目标1.了解交流同步电动机的基本结构和额定数据。2.掌握交流同步电动机的工作原理、功率因数调节方法和V形曲线。3.掌握交流同步电动机的启动方法。4.能正确完成三相同步电动机的异步启动、V形曲线的测取和维护。548任务引入交流同步电动机是转子转速与定子旋转磁场的转速相同的交流电动机。其转子转速

n与磁极对数

p、电源频率

f

之间的关系为

n=60f/p。转速

n

取决于电源频率f，故当电源频率一定时，转速不变，且与负载无关。本任务的主要内容是了解交流同步电动机的基本结构和额定数据，掌握交流同步电动机的工作原理和启动方法，能够完成交流同步电动机的运行与维护。549550相关知识一、交流同步电动机的基本结构和额定数据1.基本结构与直流电动机、异步电动机相同，交流同步电动机也由定子和转子两大部分组成。常见的交流同步电动机的外形如图所示。常见的交流同步电动机的外形（1）定子交流同步电动机的定子与异步电动机的定子结构基本相同，由机座、定子铁芯、电枢绕组等组成。由于大型交流同步电动机的尺寸太大，硅钢片常制成扇形，然后拼成圆形。（2）转子转子由磁极、转轴、阻尼绕组、集电环、电刷等组成，直流电源经电刷和滑环通入励磁绕组，产生固定磁极。根据容量大小和转速高低的不同，转子结构分为凸极式和隐极式两种。551如图所示为交流同步电动机的结构示意图。552交流同步电动机结构示意图a）凸极式b）隐极式c）实物图2.额定数据额定容量

PN：指电动机在额定状态下运行时，电动机轴上输出的有功功率，单位为kW。额定电压

UN：指电动机在额定状态下运行时，定子三相绕组上的线电压，单位为V。额定电流

IN：指电动机在额定状态下运行时，电源输入的线电流，单位为A。553额定转速

nN：指电动机在额定状态下运行时的同步转速，单位为r/min。额定功率因数cosφN：指电动机在额定状态下运行时的功率因数。额定频率

fN：指电动机在额定状态下运行时规定的频率，单位为Hz。额定效率

ηN：指电动机在额定状态下运行时的效率。额定励磁电压

UfN：指电动机在额定状态下运行时的励磁电压，单位为V。额定励磁电流

IfN：指电动机在额定状态下运行时的励磁电流，单位为A。554二、交流同步电动机的工作原理、功率因数调节和V形曲线1.工作原理当交流同步电动机的定子三相绕组中通入对称三相交流电时，对称的三相绕组中产生旋转磁场，当转子的励磁绕组通入励磁电流时，转子即可在旋转磁场的带动下旋转。这时，转子的转速和旋转磁场的同步转速相等。转子的转速

n

与定子电源频率

f、磁极对数

p

之间的关系为：555上式表明，当电源频率

f

不变时，交流同步电动机的转速恒为同步转速，与负载大小无关，这是同步电动机和异步电动机的基本差别之一。如图所示为交流同步电动机的工作原理示意图。556交流同步电动机工作原理示意图2.功率因数调节电网的主要负载是变压器和三相异步电动机，它们都是感性负载，不仅要消耗有功功率，还要从电网中吸收滞后的无功功率，使电网功率因数下降。而同步电动机可通过调节励磁电流来调节同步电动机的无功电流和功率因数，从而提高电网的功率因数。功率因数的调节分三种情况，具体见下表。557交流同步电动机不同励磁情况下功率因数的变化558交流同步电动机不同励磁情况下功率因数的变化3.V形曲线交流同步电动机的V形曲线指在保持电压

U

和负载转矩TL

不变的条件下，电枢电流I1

与励磁电流

If之间的关系曲线，即

I1=f（If）。交流同步电动机的V形曲线如图所示。559交流同步电动机的V形曲线三、交流同步电动机的启动交流同步电动机的定、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。假设启动瞬间定、转子磁极的相对位置如图a所示。启动瞬间，转子是静止的，转子磁场也是静止的，定子旋转磁场与转子磁场间产生相对运动（定子旋转磁场的转速为同步转速），产生逆时针方向转矩。而转子存在惯性，无法立刻达到同步转速。这时定子的旋转磁场已经转过180°到达如图b所示的位置，转子上又产生一个顺时针转矩。由此可见，在一个周期内，作用在交流同步电动机转子上的平均启动转矩为零。所以，交流同步电动机无法自行启动。560561交流同步电动机启动时定子磁场对转子磁场的作用a）定、转子磁极的相对位置一b）定、转子磁极的相对位置二交流同步电动机的启动方法有三种：辅助电动机启动法、变频启动法和异步启动法。1.辅助电动机启动法辅助电动机启动法是选用一台与交流同步电动机极数相同的小型异步电动机作为辅助电动机，启动时先启动辅助电动机，将交流同步电动机拖动到接近同步转速，然后将交流同步电动机投入电网并加入励磁，利用同步转矩把同步电动机转子牵入同步，同时切断辅助电动机电源，这种方法适用于交流同步电动机的空载启动。5622.变频启动法变频启动法是在启动前为转子加入直流电，利用变频电源使频率从零缓慢增大，旋转磁场牵引转子缓慢同步加速，直至达到额定转速，启动完毕。这种方法多用于大型交流同步电动机的启动。5633.异步启动法异步启动法是在转子上加装启动绕组，其结构如同异步电动机的笼型绕组。启动时，励磁绕组先不加励磁，交流同步电动机定子绕组接电源，通过启动绕组的作用产生启动转矩，使交流同步电动机自行启动，当转速达同步转速的95%左右时，为交流同步电动机的励磁绕组通入直流电，转子自动牵入同步，交流同步电动机异步启动法的电路原理图如图所示。564

交流同步电动机异步启动法的电路原理图异步启动法的具体步骤如下：（1）将交流同步电动机的励磁绕组通过一个附加电阻短接，该附加电阻阻值约为励磁绕组阻值的10倍。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出很高的电压，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，在转子的启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——异步启动。（3）当交流同步电动机的转速接近同步转速的95%时，将附加电阻断开，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。565四、交流同步电动机的维护交流同步电动机的维护主要包括以下几个方面：1.保持清洁和干燥。交流同步电动机在使用过程中必须定期检查并保持清洁、干燥，尤其应注意集电环、换向器、电刷和散热器的清洁、干燥。2.轴承保养。交流同步电动机的轴承需要使用规定的润滑油进行润滑，油压、油温等应符合技术要求。5663.集电环和电刷装置的维护。必须保持集电环的光滑度和圆度，在不影响电动机正常运行的情况下，允许径向摆度不超过0.1mm，轴向摆度不超过2.0mm。4.温度控制。应通过多种渠道监测交流同步电动机的温度，检查电动机的通风散热是否良好，避免电动机出现过热现象。5.绝缘检查。交流同步电动机在运行过程中，其绝缘材料的性能可能会因老化、潮湿和污染而发生变化，应定期进行检查，检查内容主要有绝缘电阻测量和耐压测试，以满足使用要求。567任务3永磁同步电动机的运行与维护568学习目标1.熟悉永磁同步电动机的结构和分类。2.掌握永磁同步电动机的工作原理。3.掌握永磁同步电动机的运行特性。4.掌握永磁同步电动机的控制方式。5.能正确完成永磁同步电动机的拆卸、装配和维护。569任务引入永磁同步电动机是电动汽车上应用最多的一种驱动电机，如图所示是常见的永磁同步电动机的外形图。本任务的主要内容是熟悉永磁同步电动机的基本结构，掌握永磁同步电动机的工作原理，进而掌握永磁同步电动机的拆装、维护等操作技能。570永磁同步电动机一、永磁同步电动机的结构永磁同步电动机分为正弦波驱动的永磁同步电动机和方波驱动的永磁同步电动机。本任务仅介绍三相正弦波驱动的永磁同步电动机。永磁同步电动机的结构和传统电动机相同，主要由定子和转子两大部分构成。与普通电动机相比，永磁同步电动机还必须装有转子位置传感器，用来检测磁极位置，并对电枢电流进行控制，达到控制永磁同步电动机的目的。571相关知识1.定子永磁同步电动机的定子与普通电动机基本相同，定子结构如图所示。572永磁同步电动机的定子结构2.转子转子主要由永磁体、转子铁芯、转轴等构成，如图所示。其中永磁体主要采用铁氧体永磁和钕铁硼永磁材料；根据磁极结构的不同，转子铁芯可选用实心钢，也可用钢板或硅钢片冲制后叠压而成。573永磁同步电动机的转子结构3.转子位置传感器在永磁同步电动机中，转子位置传感器通常与电动机轴联在一起，便于随时测定转子磁极的位置，为换向提供正确的信息。目前，永磁同步电动机系统的位置传感器有光电编码式、磁敏式、电磁式等，在控制精度要求相对较高的场合，可采用正弦或余弦旋转变压器等位置传感器，它们的作用都是检测转子位置信息。4.逆变器位置传感器将转子的位置信号电平反馈给控制芯片，控制芯片经过电流采样和数学变换，并根据反馈的位置信息和闭环运算，按新的PWM占空比输出，触发功率元件（IGBT或MOSFET）。实际上逆变器是自控的，由自身的运行保证电动机的转速和电流输入频率同步，避免振荡和失步的发生。574二、永磁同步电动机的分类根据永磁体在转子上位置的不同，永磁同步电动机可分为内置式永磁同步电动机和外置式永磁同步电动机。1.内置式永磁同步电动机内置式永磁同步电动机按永磁体磁化方向的不同可分为径向式、切向式和混合式三种，三种内置式永磁同步电动机的转子结构如图所示。由于内置式永磁同步电动机的转子内部嵌入了永磁体，所以转子机械结构呈现凸极特性。575576

内置式永磁同步电动机的转子结构a）径向式b）切向式c）混合式2.外置式永磁同步电动机根据永磁体是否嵌入转子铁芯中，外置式永磁同步电动机可分为面贴式和插入式两种，两种外置式永磁同步电动机的转子结构如图所示。577

外置式永磁同步电动机的转子结构a）面贴式b）插入式三、永磁同步电动机的工作原理永磁同步电动机与传统电励磁同步电动机的基本工作原理相同，唯一的区别是，传统的电励磁同步电动机通过在励磁绕组中通入电流产生磁场，而永磁同步电动机通过永磁体建立磁场，因此两者在工作原理分析上存在差异。永磁同步电动机的工作原理如图所示，图中

θ

为功率角，电动机的转子是一个永磁体，定子可以看成一个以速度

n0

旋转的磁场。电动机运行时，转子像磁针在旋转磁场中旋转一样，随着定子的旋转磁场同步旋转。578579

永磁同步电动机的工作原理永磁同步电动机的定子绕组是三相对称绕组，三相正弦波电压在定子三相绕组中产生对称的三相正弦波电流，并在气隙中产生旋转磁场。旋转磁场与永久磁极相互作用，带动转子与旋转磁场同步旋转并力图使定、转子磁场轴线对齐。外加负载转矩后，转子磁场轴线将落后定子磁场轴线一个功率角，负载越大，功率角也越大，直到一个极限角度，电动机停止。580四、永磁同步电动机的运行特性永磁同步电动机的运行特性主要包括机械特性和工作特性。永磁同步电动机正常运行时，转速始终保持同步转速，因此，其机械特性曲线为平行于横轴的直线，如图所示，调节电源频率可以改变电动机的转速。581永磁同步电动机的机械特性曲线永磁同步电动机的工作特性是指当电源电压恒定时，电动机的输入功率

P1、电枢电流

In

、效率

η、功率因数cosφ

等随输出功率P2

变化的情况，工作特性曲线如图所示。582永磁同步电动机的工作特性曲线五、永磁同步电动机的控制方式1.矢量控制矢量控制是以转子磁链旋转空间矢量为参考坐标，将定子电流分解为正交的两个分量，一个与磁链同方向，代表定子电流励磁分量，另一个与磁链方向正交，代表定子电流转矩分量。采用矢量控制方法时，电动机的动态性能较好，调速范围宽，控制精度也比较理想，是目前应用较多的控制方式。5832.直接转矩控制直接转矩控制不需要传统矢量控制中复杂的旋转坐标变换和转子磁链定向，转矩取代电流成为受控对象，电压矢量是控制系统唯一的输入，直接控制转矩和磁链的增大或减小，但是转矩和磁链并不解耦。直接转矩控制对电动机模型进行简化处理，没有PWM信号发生器，控制结构简单，受电动机参数变化影响小，能够获得极佳的动态性能。5843.恒压频比开环控制（VVVF）VVVF的控制变量为电动机的外部变量即电压和频率。控制系统将参考电压和频率输入实现控制策略的调制器中，由逆变器产生一个交变的正弦电压施加在电动机的定子绕组上，使之运行在指定的电压和频率下，使定子磁通保持近似恒定。4.智能控制为了提高永磁同步电动机的控制性能和控制精度，模糊控制、神经网络控制等智能控制方式开始应用于永磁同步电动机的控制。在永磁同步电动机系统中应用智能控制时，也不能完全摒弃传统的控制方法，必须将两者很好地结合起来，才能使系统的性能