步进电机及同步电机课件

1第六章同步电机•一、三相异步电动机同步运行和同步电动机的工作原理•1、理由•转子电流既可感应产生，也可由传导产生•2、实现方法第一节三相同步电动机2•如图•3、原理分析•Iax=Iyb+Izc•Iyb=Izc=–Iby=–Icz=Iax•交流电流ωt=0时•iax=Imcosωt=Imcos0=Im•iby=Imcos(ωt–120º)=Imcos120º=–Im•icz=Imcos(ωt+120º)=Imcos120º=–Im+–abcIaxIbyIcz212121}直流电流磁场与交流电流ωt=0建立的磁场相同异步电动机同步运行时转子绕组的接线图3转子绕组作“两并一串”联接，并且通入直流后所建立的磁动势和磁场的基波分布图axmiIby12miIcz12miI4•注：异步电动机的同步运行可看做异步电动机的一种特殊状态，s=0，f2=0。•结论：采用双边励磁的方式可以实现异步电动机的同步运行通入直流电流电磁铁通入交流电流旋转磁场定子绕组转子绕组拖动电机同步旋转5•二、同步电动机的基本结构•1、定子•与异步电机定子无太大区别。•2、转子•①种类：隐极式凸极式凸极式隐极式主要形式6•②构成：采用钢板冲压叠置而成，其上套有铜线励磁绕组→磁极极性交替排列•励磁绕组出线端接到集电环上，再与电刷接触•磁极上有笼型绕组→阻尼绕组7•三、电动势平衡方程式及相量图•1、磁动势种类及特点•Fa+Ff两者无相对运动负载时合成气隙磁场会发生变化•2、运行分析•①分析方法：叠加原理←磁路线性←气隙大•②电磁关系：如下图fI0F00E1E1IaFaaEσσE1IRaUfU18•③电动势平衡方程式•电枢反应电抗Xa与漏抗Xσ合并用同步电抗Xt表示。•Xt=Xσ+Xa•④相矢图：如右图aaaaRIXIjXIjERIEEEU00不计凸极效应时同步电动机矢量图9•3、凸极效应•①分析方法：考虑到凸极效应，为了便于分析，采用所谓双反应理论，即把电枢磁动势矢量Fa分解成d分量和q分量。凸极式同步电动机的矢量图•②前提：线性•③电磁量的分解：qdIIIaqadaFFFaddadXIjEaqqaqXIjE10•④凸极同步电动机电动势平衡方程式•直轴同步电抗Xd=Xad+Xσ•交轴同步电抗Xq=Xaq+XσaqadaFFF凸极式同步电动机的电枢磁动势分布波及其磁密分布波aqqddRIXIjXIjEU011•四、运行特性•定义：在U=UN，If=常数的情况下，Te、I、cosφ、η、n与输出功率P2之间的关系，即Te=f(P2)、I=f(P2)、cosφ=f(P2)、η=f(P2)、n=f(P2)。•但仅有以上描述不足，须有以下才能全面了解同步电动机的运行特性•（一）功角特性和V形曲线•1、功角特性•①功率与电磁转矩：P1=Pe+pcua•Pe=P2+(pFe+pmech+pΔ)=P2+p0——→Te=T2+T0•pcua为定子铜耗÷Ωs与n无关12•②功角特性表达式：•忽略定子电阻，有•Pe≈P1=mUIcosφ•——→mUIcos(ψ–θ)=mUIcosψcosθ+mUIsinψsinθsincos0UxIUExIqqdd考虑凸极效应，不计定子电阻的同步电动机电动势相量图20e11sinsin22dqdUEUPmmXXX'''eePP20e11sinsin22dssqdUEUTmmXXX'''eeTT→→附加分量基本分量13•θ为功率角•ψ为内功率因数角•φ为功率因数角•（或）称为基本分量；•（或）称为附加分量；•③功角特性图：当电源电压U=UN，励磁电流不变时，同步电动机的电磁功率（或电磁转矩）与功率角的关系如右图所示。'eP''eP'eT''eT14•④附加分量产生的原因•A.结构须为凸极式•B.旋转磁极的磁回路总是经过磁阻最小的路径ddNSqqθddNSqqddNSqq15•⑤功率角的范围•A.空载运行时•P2=00sin0etsUETmX0eMtsUETmX理想空载电动机运行p0=0→sinθ≈0→θ≈0→•B.负载运行时•P2↑→Pe↑→θ↑•当θ=90º时电磁转矩最大值（隐极式）•当P2↑→θ90º时电机停转→θ=25º~90º16•由Pe和Te的计算式→改变If，可以改变Pe和Te→负载突增时，增加If，提高电机的稳定性，避免失步•2、V形曲线•①定义：当电源U=UN、f=fN，在输出功率P2=不变时，调节励磁电流If，定子电流I会相应地变化，I=f(If)曲线形状像英文字母V，称为V形曲线。•②产生原因：恒功率、变励磁、不计凸极效应时同步电动机的电动势相量图•A.简化相量图：如右图•B.电磁关系：•P1=mUIcosφ=msinθ=常数→Icosφ=常数，E0sinθ=常数tXUE017•在If=If1时，•If↑→Φ0↑→E0↑—————→I↑，但Icosφ=常数→φ↑超前•If↓→Φ0↓→E0↓—————→I↓，但Icosφ=常数→φ↑滞后•结论：改变If，可改变cosφ的大小和性质E0sinθ=常数18•（二）转速特性及起动步骤•1、从功角特性分析同步运行原理•θ=(Ωs－Ω)t+θ0•平均转矩：02002sin112sintXXUmtXUEmTsdqsssde无平均电磁转矩的情况00TeeavdttTT19•2、起动过程•①起动存在的问题：起动时转速是变化的，同步电动机在同步转速状态下才有平均电磁转矩•②解决方法：采用异步起动法，依靠转子磁极的笼型绕组•③起动步骤：如图•A.将励磁绕组接入Rt•B.定子接入交流电源•C.转速上升到95%ns时将励磁绕组换接到励磁电源•注：起动时励磁绕组既不可开路也不可短路20第二节无换向器电动机——自控式同步电动机•特点：频率闭环控制的同步电动机，若是永磁铁励磁，则称为无刷直流电机•一、自控式同步电动机运行方式分类•1、交-直-交系统的自控式同步电动机•①构成：主要由同步电动机+可控整流器+逆变器+位置检测器+控制线路等•②工作原理：交流电源→直流电→交流电→电机转动21•2、交-交系统的自控式同步电动机•①构成：主要由同步电动机+变频器+位置检测器+控制线路等•②工作原理：50Hz交流电源→其他频率交流电→电机转动22•二、工作原理•1、类比•①自控式同步电动机可看做是定、转子位置互换的直流电动机•②理由：自控式同步电动机转子采用直流励磁；定子通过逆变器(变频器)供电，转轴上的位置传感器测定定子和转子磁场和位置，以控制电力电子开关元件的通断→保证定子脉冲步进磁动势（即电枢磁动势）与转子磁动势（即励磁磁动势）同步转动。•直流电动机定子励磁，而转子绕组内的电流是23•交流电流，而且转速不同时其交变的频率不同，且两者产生的磁动势始终垂直，如右图•假想：将磁极装在转子上，电枢绕组和换向器装在定子上，如下图。直流电动机工作原理示意图有最大电磁转矩无电磁转矩有最大电磁转矩反装电动机24•图a中电磁转矩为最大值，磁极沿反时针方向转动•图b中无电磁转矩•但若电刷和磁极同时旋转，那么电机将继续旋转•故自控式同步电动机可看做是定、转子位置互换的直流电动机，只是用晶闸管与位置检测器代替了换向器和电刷。•自控式同步电动机实质是以电子换向代替机械换向。磁极也可采用永磁磁极25•2、工作分析•选择ωt=0，ωt=120º，ωt=240º，ωt=360º时分析电机转动26•三、调速原理与性能分析（自学）27第三节其他同步电动机•一、磁阻同步电动机（自学）•1、结构•转子凸极式，无励磁绕组，圆柱形，由钢片和非磁材料镶嵌而成，如图钢片非磁材料磁阻同步电动机转子图a)二极式b)四极式钢片非磁材料钢片非磁材料非磁材料非磁材料磁阻同步电动机转子图a)二极式b)四极式磁阻同步电动机转子图a)二极式b)四极式28•2、工作原理•工作时气隙磁场沿钢片进入转子直轴磁路，故XdXq•3、特点•结构简单、成本低廉、运行可靠211sin22esqdUTmXX磁阻同步电动机的电动势相量图29•二、永磁同步电动机（自学）•采用永磁体励磁的同步电动机•1、转子结构问题•结构形式众多，多采用埋藏式或内藏式，不采用凸极式涡轮式串并联式纵向式横向式永磁同步电动机的转子结构图30•2、磁路与参数问题•转子结构形式不同→磁路组成部分各异永磁体为横向结构的永磁同步电动机磁路示意图31•①磁通路径：N极→软铁极靴→套环的磁性材料段→气隙→定子铁芯→套环的磁性材料段→软铁极靴→S极•②参数关系：在稀土永磁电机中，永磁体的导磁性能近似于空气，故直轴Xd较小，在q轴磁路中主要为软铁极靴和套环的磁性材料段，Xq较大，XdXq•3、起动问题•①特点：永磁同步电动机运行时总存在励磁，永磁体磁场与旋转磁场同时运行，但启动时非同步运行321——异步转矩2——发电机制动转矩3——磁阻转矩4——合成转矩•②起动转矩的种类：叠加原理•永磁体磁场作用于定子绕组，产生电动势和电流，频率为(1-s)f1，为发电机制动转矩•两轴磁阻不等，将在定子绕组中产生频率为(1-2s)f1电动势和电流，为磁阻转矩•笼型绕组提供的异步起动转矩33•三、步进电动机•1、简介•①作用：用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移。•②主要要求：动作灵敏、准确、重量轻、体积小、运行可靠、耗电少等。•③特点：A.每来一个电脉冲，电机转动一个角度（或步距角），带动机械移动一小段距离。•B.控制脉冲频率，可控制电机转速。•C.改变脉冲顺序，改变方向。•④优缺点：A.优点：步距角和转速不受电压波动和负载变化的影响，仅与脉冲频率有关。34•⑤种类：•⑥系统构成：励磁方式磁阻式(反应式)永磁式永磁感应子式(混合式)运行方式旋转型直线型平面型步进电机脉冲分配器脉冲放大器脉冲信号输入常用常用•B.缺点：效率较低，需配适当的驱动电源，带惯性负载的能力不强。35•2、反应式步进电动机结构与工作原理•①结构：可分为单段式和多段式•A.单段式•B.多段式•a)径向磁路•b)轴向磁路•②工作原理•三相反应式步进电动机有3种运行方式：三相单三拍运行三相双三拍运行三相单、双六拍运行注：“三相”--指步进电机的相数；“单”—指每次只给一相绕组通电；“双”则是每次同时给二相绕组通电“三拍”—指通电三次完成一个循环；36A.三相单三拍运行方式1234AA'BB'CC'C相导通1234AA'BB'CC'A相导通1234AA'BB'CC'B相导通AA'BB'CC'1234A相导通3790360rtZ3903ts齿距角：步距角：•按A-B-C-A的顺序通电，电机转子在磁阻转矩作用下沿ABC方向转动，电机的转速直接取决于控制绕组的换接频率•定子控制绕组每改变一次通电状态，称为一拍，此时电机转子所转过的空间角度称为步距角•B.三相双三拍运行方式•按AB-BC-CA-AB或相反的顺序通电，每次同时给两相绕组通电，且三次换接为一个循环。•步距角与三相单三拍运行方式的步距角相同。38AB通电CA'BB'C'A3412AB通电CA'BB'C'A3412CA'BB'C'ACA'BB'C'A34123412CA'BB'C'A3412BC通电CA'BB'C'ACA'BB'C'A34123412BC通电CA通电CA'BB'C'A3412CA通电CA'BB'C'A3412CA'BB'C'ACA'BB'C'A34123412工作方式为三相双三拍时，每通入一个电脉冲，转子也是转30，即S=30。39•C.三相单、双六拍运行方式•这种运行方式按A-AB-B-BC-C-CA或相反顺序通电，即需要六拍才完成一个循环，因此步距角为：156906tsA相通电，转子1、3齿和A相对齐A、B相同时通电，BB'磁场对2、