电机课程设计王斌 1Word格式文档下载.docx

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2013年6月27号

1.绪论

同步电机是交流旋转电机的一种,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。

图2-1常用的转场式同步发电机的结构模型

图2—1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=4.44fW1Φm

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/min，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。

（a）发电机状态：

图2-2发电机状态相量图

电压超前于电流，Pem、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、相应减小，=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、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、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Φ0和漏磁通Φfσ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。

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If，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=C

2.3.1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U0≈1.3UN开始至If=0的下降曲线，结果如图2-4所示。

图2-4空载特性曲线

E0，E0=f（If）曲线与电机磁化曲线=f（If）相似，空载实验时，If只能单方向调节。

3矢量控制下电机的制动

根据电机的数学模型，可以画出转子磁场定向控制下同步电机的相量图，见图3所示。

图中uE、Is、、分别为电机电枢电压、反电动势、电枢电流、交轴电抗及转子产生的磁链。

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，fg≥ff，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、回馈发电制动阶段、能耗制动或者速度调整阶段，参见图4。

3．1减流阶段

不失一般性，假定电机开始制动时电流为f=，。

<

0，ib=120，ic=13>

0，I1+12+13=0，按电动机定向，各相电动势ea<

0，eb>

0，ec>

0。

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，ib>

0，i。

>

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=1时，b和C有四种组合，即：

O0，01，l0，l1。

在a=O时，只有组合O0。

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diIdt+dibIdt+di。

／dt=O。

通过求解回路方程，

可得各阶段电机各相电流变化率为

由此可知，在减流阶段，各相电流变化率和本且其他两相开关状态还在变化，电机绕组和直流电相电感、另两相电感及互感有关，表明电机所存在源连接方式也在变化，所以电机每相电流的变化受的耦合关系。

在逆变器的一个PWM周期中，尽管其他两相工作的制约。

由于电机电感是0的函数，本桥臂两个管子的开关状态确定，但电机三相耦合，即电流变化率和电机制动时0角有关。

但因电感中随0变化的部分占据恒定部分比例较小，故这部分影响不大；

电机电流变化率和直流侧电压及电机电动势成线性关系，则直流电压及电机反电动势将直接影响电流的下降时间；

本阶段将在几个PWM周期内完成，桥路的六个开关管在前所分析的五种状态之间转换，根据自感和互感的数值可以测算出，A相电流变化率均大于零，但数值不同，则电流从负值，将非线性下降到零。

B相和C相的电流变化率大部分时间小于零，小部分时间大于零，因而B、c相电流将从，2、，非线性下降到零；

因电机电感较小，所存储的能量极其有限，电机电流很快下降到零，减流结束。

如果是面装永磁同步电机，其自感L和互感M可视为常数且各相均相等。

则在五种状态下，通过解电压方程（忽略电阻降）得到：

再考虑本节开始时所给定的电势极性，可以得到在一个PWM周期内三相电流变化率的相对大小，也说明电机电流下降过程的非线性特性。

本阶段电感储能维持电机电流流通，磁场能量部分返送电源，一部分被电阻消耗，一部分转化成机械能。

由于减流持续时间很短，电机速度基本不变。

从本阶段开始，速度调节器一直输出最大电流给定，则速度环相当于开环运行。

3．2反接建流阶段t】一t2当电机电流降为零后，电流调节器输入给定仍为i、ib、i。

但因为反馈电流为零，调节器仍输出与第一阶段相同的数值，电机电流的变化率与3．1所分析相同。

A相电流非线性正向上升，B相和C相电流非线性负向上升。

在电源电压和电机反电动势共同作用下，电流快速反向（与电动运行时电流反相）上升到给定值，同时产生制动力矩。

在本阶段，电机反电动势和电源电压顺串，电机相当于反接制动。

由于电机电感不大，电机电流到达给定电流的时间很短。

尽管此阶段已经产生制动力矩，但因时间较短，仍可以认为在建流阶段，电机速度不变。

由3．1、3．2的分析可知，提高电机减流和建流响应速度，除要求电流环响应速度快外，主要取决于直流母线电压及电机反电动势大小。

前面的两个阶段中，电流变化率很大，为保证电流快速变化，供电电源的内阻抗必须小。

另外，为防止电枢电流的瞬态变化在逆变器电源端产生的电压尖峰危及逆变器安全，供电电源应尽可能靠近逆变器，以减小连线阻抗。

3．2回馈发电制动阶段

回馈发电制动阶段f2_f3在第二阶段后期电机绕阻在电源电压及反电动势作用下电流达到设定的反向电流。

由于电流调节器是PI调节器，故电流的建立有超调。

在电流调节器调节下，经过3．1，3．2两个阶段，电机端口电压和电枢电流建立起新的平衡（此时电压又与反电动势反极性），电机进入稳定制动状态。

制动阶段开始时，i~=I1>

0，ib=I2<

0，ic=13<

0，11+12+13=O，电势仍为ea<

O，eb>

0，e。

>

0，电机流过的是制动电流，则电机将在设定的限幅制动力矩及摩擦力矩作用下减速，反电动势减小，电流调节器使输出电压也同步减小，以维持系统设定电流下相量方程的平衡。

保持电机电流为系统设定的最大制动交轴电流iq=一i。

由坐标变换得知，电机的三相电流幅值不变，频率随速度线性下降，电机相当于由三相变频恒流源供电。

电机相电压由电动时的超前于电动势变成现在的滞后，见图3b，数值上是电动势高于并超前于端口电压，电机电流滞后于d轴90。

。

电机运动方程为

因此，影响电机制动时间的主要因素是系统设定电磁转矩及转子轴联负载的转动惯量。

设定为1．7及3倍额定转矩制动时间为14．7ms和8．4ms，实际制动时间为14ms和8ms，结果比较接近，它们之间的差别主要来自于摩擦阻力矩的估算。

为提高制动过程响应速度，可充分利用电机潜力，设置较大的制动转矩，可使制动过程有较高的加速度。

本阶段电机电流从电动势正端流出，负端流进，电机将机械能转化成电能由逆变器送到直流母线侧。

3．3调整制动阶段

速度调整阶段（或者能耗制动阶段）f3-t5针对速度给定的不同情况，制动到后期速度误差值进入误差限时，系统运行状态将有不同。

如果给定为一低于电机的起始速度，则系统进入速度调整阶段。

如果给定为零，则系统先是速度调整，后进入能耗制动状态。

3．3．1速度调整阶段

当电机速度接近给定而进入误差限内时，速度调节器投入运行。

其输出将在原来的一i基础上减小，迫使电流环输出电流减小。

但只要电枢电流不为零，电流仍为制动电流（还有摩擦阻力），电机仍处于减速过程中。

当电机电流减小到零时（速度调节器输出为零，其给定等于实际速度），电机仍在阻力矩作用下减速，则速度调节器输出相反的电压，使电机电流反向增加，该电流将产生驱动转矩。

当电机电流增加到等于负载电流时，电机速度已经低于给定速度（超调），速度调节器输出增加，电机加速，经过几次调整，电机运行在指定速度。

速度调整过程中，影响系统速度响应规律的是速度调节器比例积分系数。

合适选择速度调节器参数，或者采用现代控制理论[7-9]等方法，系统将有较好的速度跟踪响应。

在此系统中，根据工程设计要求设计好速度调节器参数后，适当增加其比例系数，减小其积分系数，并设置速度微分反馈，可以使系统速度既能有较快的上升率，又可以抑制速度超调。

3．3．2能耗制动阶段

如果电机制动时的速度给定为零，则在速度到达接近零的误差限时，速度调节器参与调节，先进行速度调整（同上）。

当电机速度接近零时，因反电动势小，不足以产生系统所给的电流值。

电流调节器输出信号过零反向，使逆变器输出也过零反向，在电机端口产生与电机电动势顺串的电压（图4中t4开始）。

该电压和电机电动势一道，共同产生电机制动所需要的电流，使电机速度进一步减小。

此时，逆变器输出能量，电机也输出能量，所有的能量全部在电枢电阻上消耗，故称为能耗制动。

当电机速度为零时，速度调节器输出并不为零，电机在制动电流（变为反向驱动电流）作用下继续减速（超调）而产生负向转速。

则速度调节器输出过零并反向输出一电流给定，电流环使电机产生可以平衡负载转矩的电流，制动完成。

伺服系统定位时不允许有超调，为此，根据线性最优控制的设计思想m】，在速度反馈中加入速度的钝态微分负反馈，可以有效地控制外扰时速度n波形的前后沿，抑制速度超调。

4电机制动过程中直流电压的变化

电机制动过程中，逆变器要把电机转子及负载所存储的机械能变成电能回送给直流侧，但整流器不是可逆的，则直流侧的电压将要升高，这将危及逆变器的安全。

电压升高的数值与电机轴联负载的转动惯量成正比，与滤波电容的容值成反比。

空载制动过程直流电压上升曲线，及逆变器输入电流、整流器输出电流、电机速度及电流波形见图8所示。

在制动完成时，根据能量守恒定律可以求得直流电压的变化。

制动前直流侧电压U。

=310V，空载制动后直流端电压U2=330V，电压上升AU=20V。

图中的上升数值为18V，其误差主要来自于制动过程中的阻力损耗、电阻损耗、能耗制动损耗及计算参数的误差。

5结论

本文完整地分析了电机制动的复杂过程，其中电流、速度调节器输入给定、反馈将在不同运行阶段做相应变化。

电机制动过程将经历减流、反接建流、回馈制动、能耗制动或速度调整几个阶段，其中回馈制动阶段电机速度线性下降，是电机制动的主要阶段，需要充分利用电机潜力以提高电机的制动速度。

在减流和反接建流过程中，影响电机电流变化的因素较多，包括制动时刻的转子位置、电源电压与反电动势。

建流中，电流上升速率大，电流有超调，容易引起保护装置动作，需要适当设置保护动作时间及门限。

电流变化率的增大，将在电源和逆变器的输入端产生过压，故两者连线应尽量地短。

电机制动到速度调整过程中，为使系统响应快且无超调，需要合适设置调节器的参数。

若电机要制动到零，则当电机速度接近零时，由于反电动势不足以维持制动电流，电流调节器将使逆变器输出电流，电机实现能耗制动。

在系统实际定位过程中，使用速度微分反馈是抑制超调的有效手段。