[计算机硬件及网络]e第1章西门子同步电机

第一章 同步电动机原理与结构,第1节、西门子同步电机的类型 有刷励磁的同步电机, 无刷可调励磁的同步电机 永磁铁励磁的同步电机 开关磁电阻电动机 第2节、无刷可调励磁的同步电机的结构 1、外形如图1-1所示。 2、剖面图如图1-2所示。 3、定子（电枢）如1-3所示 4、转子如1-4所示,第5节同步电动机的内部电路 第6节同步电动机的变频起动、停止、运行。,第3节同步电动机各部分的功能 第4节同步电动机的工作原理,第一节、同步电机的分类 有刷可调励磁的同步电机 有刷可调励磁的同步电机，是最常见一种，容量比较大，转子直流励磁可由静止励磁装置通过集流环和电刷送到组中，由于电刷集流环的存在，增加了维修工作量并限制了其在劣势环境下工作。,2、无刷可调励磁的同步电机 无刷励磁同步电动机的目前同步电动机流行的无刷励磁系统。一般选用绕线转子异步发电机作为交流励磁机(电源)，交流励磁机的定子三相绕组接由双向晶闸管组成的固态三相交流调压器，交流励磁机的转子与同步电动机的转子同轴。当同步电动机旋转时，交流励磁机的转子绕组就感应出交流三相电动势，经过固定在同步电动机转子轴上的二极管整流器变换成直流电流，供给同步电动机的励磁绕组。这样就省掉了电刷和集电环。,3、永磁铁励磁的同步电机 永磁同步电动机伺服系统 用于小功率(小于I0kW)、要求有良好的静态性能和高动态响应的伺服驱动中，如数控机床、机器人等。在性能上已达到甚至超过了直流伺服装置的性能，而且坚固性、可靠性方面比直流伺服装置优越。与异步电动机相比，它的主要优点是消除了转子损耗，但另一方面，减弱励磁保持恒功率调这比较困难；目前这种系统正向智能化、高精度化的方向发展,4、开关磁电阻电动机 开关磁阻电动机控制系统 此系统是机电一体化的典型产品，坚固耐用，适于较恶劣环境，容量能做到，200kw，为中等容量的同步电动机变频传动，可用于轻工、化工、机床、冶金等行业，取代直流调速系统。由于开关磁阻电动机的特殊性，本书将不做重点阐述,第2节、无刷可调励磁的同步电机的结构 1、外形如图1-1所示。,2、西门子同步电动机主要参数,额定功率：22000KW 额定电压：2×4800V 额定电流：2×1470A 转速范围：31205040r/min 额定转速：4800r/min 最高转速：5545r/min 频率范围：52 84HZ 额定转矩：43.8KNm,3、西门子同步机剖面图如图1-2所示。,4、同步电动机的结构由以下部分组成:,分为电动机和主励磁发电机两大部分 电动机由定子和转子组成 主励磁发电机由主励磁发电机定子和转子组成 主励磁发电机转子和电动机转子共轴 主励磁发电机转子上装旋转整流器,为电动机转子提供励磁电流.,5、同步电动机的定子转子磁场结构,6、主励磁发电机的结构图,（1）、 主励磁 发电机定子,（2） 主 励 磁 发 电 机 定 子 无 线 圈,7、主励磁发电机转子结构图,第三节同步电动机各部分功能,1定子 同步电机定子与异步电机定子结构基本相同，由铁芯、电枢绕组、机座以及端盖等结构部件组成。 定子铁芯是构成磁路的部件，一般采用硅钢片叠装而成，以减少磁滞和涡流损耗。定子冲片分段叠装，每段之间有通风槽片，以构成径向通风。大型同步电机由于尺寸太大，硅钢片常被制成扇形冲片，然后组装成圆形。 电枢绕组为三相对称交流绕组，多为双层绕组，嵌装在定子槽内。 定子机座是文承部件，用于安放定子铁芯和电枢绕组，并构成所需的通风路径，因此要求它有足够的刚度和强度。大型同步电机的机座都采用钢板焊接结构。 端盖的作用与异步电机相同，将电机本体的两端封盖起来，并与机座、定子铁芯和转子一起构成电机内部完整的通风系统,2转子 同步电机转子与异步电机转子结构不同，通常由转子铁芯、转轴、绕组和滑环等组成。 同步电机的转子结构有两种类型，可分为隐极式和凸极式两种。 隐极式转子如图所示，转子呈圆柱形，无明显的磁极。隐极式转子的圆周上开槽，槽中嵌放分布式直流励磁绕组。隐极式转子的机械强度高，故多用于高速同步电机，例如汽轮发电机。在同步电机运行过程中，转子由于高速旋转而承受很大的机械应力，所以隐极式转子大多由整块强度高和导磁性能好的铸钢或锻钢加工而成。隐极电机的气隙是均匀的，圆周上各处的磁阻相同,凸极式转子如图所示，结构比较简单，磁极形状与直流机相似，磁极上装有集中式直流励磁绕阻。凸极式转子制造方便，容易制成多极，但是机械强度低，多用于中速或低速的场合，例如，水轮发电机或者柴油发电机。凸极电机的气隙是不均匀的，圆周上各处的磁阻各不相同，在转子磁极的几何中线处气隙最大，磁阻也大。 习惯上我们称转子绕组的轴线为直轴，用符号d表示，两极之间的中线称为交轴，用符号q表示。,此外，同步电机转子磁极表面都装有类似笼型异步电机转子的短路绕组，由嵌入磁极表面的若干铜条组成，这些铜条的两端用短路环联结起来。此绕组在同步发电机中起到了抑制转子机械振荡的作用，称为阻尼绕组；在同步电动机中主要作起动绕组使用，同步运行时也起稳定作用。 滑环装在转子轴上，经引线接至励磁绕组，并由电刷接到励磁装置。,第4节、 同步电机的励磁方式 同步电机的直流励磁电流需要从外部提供，供给同步电机励磁电流的装置称为励磁系统，获得励磁电流的方法称为励磁方式。按照所采用的整流装置不同，励磁系统可以分为以下几种。 (1)直流发电机励磁系统。这是传统的励磁系统，由装在同步电机转轴上的小型直流发电机供电。这种专供励磁的直流发电机称为励磁机。 (2)静止整流器励磁系统。这种励磁方式是将同轴的交流励磁机(小容量同步发电机)或者主发电机发出的交流电经过静止的整流装置变换成直流电后，由集电环引入主发,电机励磁绕组供给所需的直流励磁。 (3)旋转整流器励磁系统。这种励滋方式是将同轴交流励磁机做成旋转电枢式，并将整流器装置固定在此电枢上一起旋转，组成了旋转整流器励磁系统，将交流励磁发电机输出的交流电整流后，直接供给励磁绕组。这种励磁方式完全省去集电环、电刷等滑动接触装置，成为无刷励磁系统，在大容量发电机中得到广泛应用。,第5节 同步电动机的工作原理,同步电机的工作原理： 图4l是具有一对磁极的三相同步电机的工作原理图。根据电机可逆原理，同步电机与其他电机一样，既可以作发电机运行，也可以作电动机运行。下面介绍同步电机的工作原理。 三相同步电机运行时存在两个旋转磁场：定子旋转磁场和转子旋转磁场。当对称三相电流流过定子对称三相绕组时，将在空气隙中产生旋转磁动势。 它的旋转速度为同步速度，即nl60f1p；它的旋转方向是从超前电流相转向滞后电流相；当某相电流达到最大值的瞬间，旋转磁动势恰好转到该相绕组轴线处。这个旋转磁动势是以电气方式形成的。,同步电机不论作为发电机运行还是作为电动机运行，只要其定子三相绕组中流过对称三相电流，都将在空气隙中产生上述旋转磁动势，建立旋转磁场。同步电机的定子绕组通常被称为电枢绕组，因此，上述磁动势又称为电枢磁动势，而相应的磁场称为电枢磁场。 在同步电机的转子上装有由直流励磁产生的磁极，磁极与转子无相对运动。当轮子旋转时，以机械方式形成旋转磁动势，并在气隙中形成另一种旋转磁场。由于此磁场随转子一同旋转，所以又被称为直流励磁的旋转磁场。 同步电机的空气隙间存在着两种不同方式产生的旋转磁场。当这两个磁场的空间位位置不同时，,同步电机的空气隙之间存在着两种不同方式产生的旋转磁场。当这两个磁场的空间位置不同时，由于磁极问同性相斥、异性相吸的原理，它们之间便会产生相互作用的电磁力。 同步电机的定子磁场和转子磁场均以同步转速旋转，但空间相位不同。当切割静止的定子绕组时，两旋转磁场在定子三相绕组中感应出频率相同、时间相位不同的感应电动势。绕组中的感应电动势的时间相位差与旋转磁场问的空间相位差相等。,在稳态对称运行时，无论是定子磁场或是转子磁场都以同步转速旋转，与转子绕组没有相对运动，因而不会在转子绕组中产生感应电动势。 如果不考虑饱和现象，可以采用叠加原理，将转子磁场与定子磁场在定子三相绕组中感应的电动势分别计算后再叠加。实际上，当电机正常运行时，其磁路总是饱和的。如果考虑饱和现象，叠加原理不再适用，必须把电枢磁动势与转子磁动势合并成合成磁动势，再由合成磁动势确定合成磁场及所感应的合成电动势。 同步电机的定子磁场和转子磁场之间没有相对运动。但是由于负载的影响，两个磁场之间的相对位置却是不同的。,这个相对位置决定了同步电机的运行方式。当同步电机的转子在原动机的拖动下，转子磁场顺着旋转方向超前于电枢磁场运行时，定子磁场作用到转子上的转矩是制动转矩，原动机只有克服电磁转矩才能拖动转子旋转。这时，电机转子从原动机输入机械功率，从定子输出电功率，则同步电机工作于发电机运行方式。反之，当转子磁剧顷着旋转方向滞后于定子磁场运行时，转子会受到与其转向相同的电磁转矩的作用。这时，电抠磁场作用到转子上的转矩是拖动转矩，转子拖动外部机械负载旋转，则同步电机工作于电动机运行方式。,第6节、同步电动机内部电路 （主副励磁电路）,6.1、同步电动机内部电路在机内的分布位置,如下3个图可知：它有定子线圈，转子励磁整流电路，有灭磁电路、励磁发电机的励磁电路等。,6.2、内部电路总图,定子线圈：是接变频器的输出，是驱动电动机的功率来源。并产生转磁场，拖动转子运动， 转子励磁整流电路为转子励磁 有灭磁电路为保护转子电路正常工作 励磁发电机的励磁电路为励磁发电机提供励磁电源 内部电路总图如下,6.2.1、灭磁电阻电路及电阻外观图,（灭磁电阻参数， 电阻结构）,1、灭磁电阻电路,1）灭磁电阻电路工作原理,该无刷励磁系统的工作原理是：旋转整流器采用三相桥式整流电路，并具有灭磁保护控。 无刷励磁同步电动机在起动过程中，当转子励磁绕组两端1Fl、1F2所感应的超高交流过电压，在励磁绕组两端1F2对1F1而言为正时，励磁绕组正半周感应电流由1F2经灭磁电阻Rf1、Rf2三相桥式整流器二极整流管VDlVD4、VD2VD5、VD3VD6导通至1Fl。此导通电流，在灭磁保护控制电路的双串联晶闸管VTl、VT2的G极施加的是一个反向偏压，因此它处于阻断状态。,当转子励磁绕组两端1Fl、对1F2而言为正时，灭磁保护控制电路双串联半导体晶闸管T3、VT4的G极是由双串联稳压二极管VSl和VS2、VS3和VS4组成，当施加的电压达到设计的规定值时，就立即处于反向击穿的导通状态，励磁绕组负半周感应电流经稳压二极管VSl和VS2、VS3和VS4流入双串联晶闸管VT3、VT4的G极并将其触发导通，即励磁绕组负半周感应电流由1Fl经晶闸管VT3、VT4、灭磁电阻器Rf1、Rf2流至1F2。,在此电流流向下，灭磁保护控制电路的双串联晶闸管VTl、VT2被反向偏压且仍处于阻断状态。因此无刷励磁同步电动机在起动加速过程中，无刷励磁系统的灭磁保护控制电路的灭磁电阻器固接在旋转整流器输出端并与转子励磁绕组两端并联连续工作。,2）灭磁电阻的外形和结构,2、转子励磁电路,3、励磁发电机励磁电路,4、励磁发电机参数,4 、励磁发电机参数,3、同步电机参数,6、2、2无刷励磁内部基础电路整体工作原理 随着电力电子半导体器件的发展，无刷励磁技术才得到突破性的创新并飞速发展，逐渐形成了以电力电子自动控制为主体的新型无刷励磁系统。 在这里还必须向读者介绍的无刷励磁同步电动机和目前广泛应用的典型无刷励磁系统。前面已特别强调并指出了现代无刷励磁系统是在传统的集电环型同步电动机励磁系统基础上，应用电力半导体器件实现了无触点自动控制的典型电路。如上图所示，是无刷励磁系统的两种形式。,在高压、大功率、低速多极、凸极式同步电动机上，应用无刷励磁技术就必须首先考虑到转子励磁绕组在堵转起动的瞬间和起动过程中所感应的超高过电压危害；无刷励磁系统器件技术性能所能承受的正向和反向峰值电压的最大能力和最小安全系数；灭磁保护电路高电阻灭磁电阻器的结构设计及安全运行c 该无刷励磁系统的特点是：由于灭磁保护电路采用了双串联晶闸管VTl、T2与双串联灭磁电阻器Rf1、Rf2并联的特殊均压电路的无