(一) PMSM 的数学模型 交流电机是一个非线性、强耦合的多变量系统。永磁同步电机的三相绕组分布在定子上，永磁体安装在转子上。在永磁同步电机运行过程中，定子与转子始终处于相对运动状态，永磁体与绕组，绕组与绕组之间相互影响，电磁关系十分复杂，再加上磁路饱和等非线性因素，要建立永磁同步电机精确的数学模型是很困难的。为了简化永磁同步电机的数学模型，我们通常做如下假设： 1) 忽略电机的磁路饱和，认为磁路是线性的； 2) 不考虑涡流和磁滞损耗； 3) 当定子绕组加上三相对称正弦电流时，气隙中只产生正弦分布的磁势， 忽略气隙中的高次谐波； 4) 驱动开关管和续流二极管为理想元件； 5) 忽略齿槽、换向过程和电枢反应等影响。 永磁同步电机的数学模型由电压方程、磁链方程、转矩方程和机械运动方程组成，在两相旋转坐标系下的数学模型如下： (l)电机在两相旋转坐标系中的电压方程如下式所示: d d s d d c q q q s q q c d di u R i L dt di u R i L dt ωψωψ?=+-????=++?? 其中，Rs 为定子电阻；ud 、uq 分别为d 、q 轴上的两相电压；id 、iq 分别为d 、q 轴上对应的两相电流；Ld 、Lq 分别为直轴电感和交轴电感；ωc 为电角速度；ψd 、ψq 分别为直轴磁链和交轴磁链。 若要获得三相静止坐标系下的电压方程，则需做两相同步旋转坐标系到三相
静止坐标系的变换，如下式所示。 cos sin 22 cos()sin() 33 22 cos()sin() 33 a d b q c u u u u u θθ θπθπ θπθπ ?? ? - ??? ?? ?? =--- ? ?? ?? ?? ?? ? +-+ ?? (2)d/q轴磁链方程： d d d f q q q L i L i ψψ ψ =+ ?? ? = ?? 其中，ψf为永磁体产生的磁链，为常数，0 f r e ω ψ=，而c r p ω ω=是机械角速度，p为同步电机的极对数，ωc为电角速度，e0为空载反电动势，其值为每项 倍。 (3)转矩方程： 3 2 e d q q d T p i i ψψ ?? =- ?? 把它带入上式可得: 3 () 2 33 () 22 e f q d q d q f q d q d q T p i L L i i p i p L L i i ψ ψ ?? =+- ?? =+- 对于上式，前一项是定子电流和永磁体产生的转矩，称为永磁转矩；后一项是转子突极效应引起的转矩，称为磁阻转矩，若Ld=Lq，则不存在磁阻转矩，此时，转矩方程为： 3 2 e f q t q T p i k i ψ == 这里， t k为转矩常数， 3 2 t f k pψ =。
多台电机同步驱动 图片： 摘要：在涂装行业中，由于传动链一般为几百米至上千米不等，因此传动链驱动通常采用几台电机同时驱动，要求几台电机速度同步才能保证传动链的正常运行，否则就会产生链条堆积或断裂，使系统不能很好的运行。同时本文将重点介绍安邦信G11变频器在传动链多台电机同步控制的应用。 关键词：传动链、同步控制、变频调速 一、前言 目前在涂装行业中由于涂装加工工艺流程较多，且规模较大，机械化生产线取代人工生产线。被加工工件多数采用吊空线或地盘线输送，在整个加工工艺流程中循环运行。传动链一般都很长，几百米至几千米不等。这样，一台电机驱动根本实现不了，就要求几台电机同时驱动一条传动链，就必须让电机实现同步控制，否则链条就容易堆积或断裂。 二、控制方式及控制要求 解决多台马达作同步控制时多数厂家大都采用两种控制方式。 1、采用滑差调速电机拖动（俗称VS马达控制器或速比控）。利用行程开关调整滑差。VS马达控制器是一种相当简单的带电压负反馈的，单相晶闸管整流控制器，其控制器输出一个直流供应给VS马达的励磁线圈。此控制系统的负载特性相当差，低速时速度极不稳定，容易造成系统链条堆积或断裂，且故障率很高。 2、采用变频器加异步电机拖动，利用行程开关调整速差。其控制原理是：在链条的每一传动段中，安装一个驱动座和一个调整座。调整座是可以移动的，可以用于存储过多的链条，当链条区段速度不一致时，链条会伸长和收紧。这样调整座的移动会让其行程开关发生状态
变化，从而调整马达的速度，使之达到平衡输送的目的。此系统工作时，调整是靠行程开关来检测，各区段链条的伸长和收紧。我们知道调整座不可能做得太长，行程开关也不能安装太多。因此，马达的速度调整是有级的、跳变的。调整幅度较大，调整座不断调整，导致系统频繁动作。机械磨损快，且传动链运行速度 下面我向大家介绍一种，性能更优越，成本更低的传动链自动化驱动方案。 首先我们采用深圳市安邦信电子有限公司生产的G11系列多功能矢量控制变频器，因为此变频器在传动链的自动化驱动方面有以下优势。 a、矢量控制技术，稳速精度是开环无速度传感器矢量控制：±0.5% ，闭环有速度传感器矢量控制：±0.02% b、低频转矩大，0.5HZ 满转矩输出。 c、功能强大特有频率源选择模式及给定模式，X、Y模式 d、过程PID控制系统。 只需从模拟量输入端口（0- +10V/0-20MA）引入反馈信号，即可实现过程PID系统的自动化控制。 因此在整个系统中，无需PLC等自动化产品作过程PID系统和其它功能，只要简单的线路联接，就可以实现整个传动链的自动化控制。 （1）各驱动马达基本同步，传动链条不堆积，不断裂。 （2）最高线速度可达到10m/min （3）调整座调整量越小越好. （4）调整座需安装极限保护. 三、控制原理: 1、在调整座的定滑轮上加装一个角位移传感器，将链条的伸长或收紧变化率通过传感器检测，并转换为0-10V/0-20mA的模拟信号，作为PID的反馈信号，送回变频器。 2、通过变频器的键盘设置，调整座的平衡点，系统根据反馈信号与PID给定的平衡点作比较，决定马达的调整方向和速率。 3、由于PID系统反应，调整座与平衡点稍微发生偏移时系统立刻做调整，这样，保证了在高速时能有效调整。 4、由于变频器采用矢量控制保证了速度不随负载的变化而变化。同时，克服低速时速度不稳定的缺陷。 5、采用主-从式结构，所有变频器的控制模式均为开环矢量控制模式,其速度可以通过面板设定或外置电位器给定。将一台E11矢量变频器作为主驱动输出，从驱动均采用G11系列产品，多台从驱动可以共用一台主驱动。 6、主驱动的运行频率通过AO模拟口输出，作为从驱动变频器的初始同步转速，其偏差可以通过模拟量输出口AO的零偏及增益的定义来修正。 7、从驱动的辅助频率源来自于PID。这样，从驱动马达的速度就靠调整座的信号来追踪主驱动马达的速度，达到同步的目的。 8、在每一个调整座安装极限开关，防止意外情况发生。 简易线路图：（见附件） 四、结束语 本系统在优化参数值之后，传动链的运行非常稳定。而且本系统电气器件配置简炼，逻辑清晰，与原老式系统相比，省去了价格昂贵的同步控制板和PLC，成本有较大的降幅。在行
多电机速度同步控制 在传统的传动系统中，要保证多个执行元件间速度的一定关系，其中包括保证其间的速度同步或具有一定的速比，常采用机械传动刚性联接装置来实现。但有时若多个执行元件间的机械传动装置较大，执行元件间的距离较远时，就只得考虑采用独立控制的非刚性联接传动方法。下面以两个例子分别介绍利用PLC和变频器实现两个电机间速度同步和保持速度间一定速比的控制方法。 薄膜吹塑及印刷机组的主要功能是，利用挤出吹塑的方法进行塑料薄膜的加工，然后经过凹版印刷机实现对薄膜的印刷，印刷工艺根据要求不同可以采用单面单色、单面多色、双面单色或双面多色等方法。在整个机组中，有多个电机的速度需要进行控制，如挤出主驱动电机、薄膜拉伸牵引电机、印刷电机以及成品卷绕电机等。电机间的速度有一定的关系，如：挤出主电机的速度由生产量要求确定，但该速度确定之后，根据薄膜厚度，相应的牵引速度也就确定，因此挤出速度和牵引速度之间有一确定的关系；同时，多组印刷胶辘必须保证同步，印刷电机和牵引电机速度也必须保持同步，否则，将影响薄膜的质量、印刷效果以及生产的连续性；卷绕电机的速度受印刷速度的限制，作相应变化，以保证经过印刷的薄膜能以恒定的张力进行卷绕。 在上述机组的传动系统中，多组印刷胶辘的同步驱动可利用刚性的机械轴联接，整个印刷胶辘的驱动由一台电机驱动，这样就保证了它们之间的同步。印刷电机的速度必须保证与牵引电机的速度同步，否则，在此两道工艺之间薄膜会出现过紧或过松的现象，影响印刷质量和生产的连续性。但是印刷生置与牵引装置相距甚远，无法采用机械刚性联接的方法。为实现牵引与印刷间的同步控制，牵引电机和印刷电机各采用变频器进行调速，再用PLC对两台变频器直接控制。 牵引电机和印刷电机采用变频调速，其控制框图如图1所示。在这个闭环控制中，以牵引辘的速度为目标，由印刷电机变频器调节印刷辘速度来跟踪牵引辘的速度。利用旋转编码器1和旋转编码器2分别采集上述两个电机的脉冲信号（编码器位置参见图3），并送到PLC的高速计数口或接在CPU的IR00000~IR00003。以这两个速度信号数据为输入量，进行比例积分（PI）控制算法，运算结果作为输出信号送PLC的模拟量模块，以控制印刷电机的变频器。这样，就可以保证印刷速度跟踪牵引速度的变化而发生变化，使两个速度保持同步。
同步电机的控制原理 一、控制原理 主机结构，包括定子、转子以及控制系统。 定子和异步电机完全相同。转子和线绕异步电机转子相同，有三个线圈，其中两个是励磁绕组，一个是阻尼绕组。励磁绕组通直流电，形成和定子对应的转子磁极，转子磁极在定子旋转磁场的作用下旋转，和定子保持同步。阻尼绕组的作用是防止已进入同步运转的电机失步。 启动状态下，转子的三个绕组起异步启动作用，产生感应电流，使电机逐步升速，直到接近于投磁前的亚同步状态。电机被拉入同步以前，两个励磁绕组经凸轮控制器串联，阻尼绕组经线路转换开关自成回路，这时通入直流电，把异步运转的电机强行拉入同步。 同步运转状态下，阻尼绕组和旋转磁场之间没有相对运动，不产生电流；失步状态下，阻尼绕组和旋转磁场之间有相对运动，产生电流和电动力，电动力的方向刚好和电机失步的方向相反，因此能起到阻止电机失步的作用。 控制系统包括一次系统控制回路和二次系统控制回路两部分。 一次系统控制回路主要是一台六氟化硫开关和一系列保护。有差动保护，过流保护，低电压保护，接地方向保护。 差动保护针对的是定子内部的短路或接地，定子内部短路或接地时，差动保护动作。过流保护主要保护电机的过载，在过载情况下动作。低电压保护在电网出现较长时间低电压情况下动作。接地方向保护在6kV单相完全接地或不完全接地情况下动作。各种保护动作，在切断主回路的同时，也切断直流回路。 二次回路包括励磁控制和启动回路。励磁控制是一套可控硅系统，功能和直流电机控制系统类似而较为简单，没有那么多反馈控制环，只有一个电流反馈控制环； 另外有联锁回路和失步、失磁、过激保护回路。励磁投入必须具备一定条件，如各种保护都没有动作，慢动电机处于脱开的位置，电机启动已进入亚同步状态的信号已送出，等。根据这些条件来准备控制可控硅的投入时间就是连锁，相应的回路称为连锁回路。 相对于一次回路的保护而言，失步、失磁和过激保护属于二次回路的保护。失步保护保护电动的失步。电机失步的破坏性很大，形成的异步力量能剪切转子线圈，所以这个保护功能必须可靠，否则一旦发生失步，后果很严重。该回路检测定子电流、电压。 众所周知，电机运行在功率因数超前状态，定子电流比定子电压滞后；运行在功率因数滞后状态，定子电流比定子电压超前。不论超前还是滞后，6kV回路的电流波和电压波之间都没有相对运动。如果电机失步，电机的电流波和电压波之间立即产生来来回回的相对运动，失步检测回路即捕捉此电流波和电压波来回运动时重合的脉冲。重合一次证明失步一次，重合两次失步保护动作。 失磁是欠激的极限状态，不清楚为什么有失磁保护而没有欠激保护，请各位探讨。失磁信号和过激信号的确定都通过比较放大器实现，比较放大器的给定可以调整。 二、启动过程 同步电机启动必须满足三个条件：1、继电器30C不激磁（过电流保护50/51未动作，接地方向继电器67G未动作，差动继电器87未动作，欠压继电器27未动作，故障继电器86X未动作，激磁变压器一次侧空气开关未跳，故障包括：失磁，失步，过激，启动限时，凸轮控制器及线路转换开关过载保护49AX，慢动电机总空气开关，慢动抱闸空气开关，慢动热保护49I，可控硅风机开关，及其热保护49FX，
(一) P M S M 的数学模型 交流电机是一个非线性、强耦合的多变量系统。永磁同步电机的三相绕组分布在定子上，永磁体安装在转子上。在永磁同步电机运行过程中，定子与转子始终处于相对运动状态，永磁体与绕组，绕组与绕组之间相互影响，电磁关系十分复杂，再加上磁路饱和等非线性因素，要建立永磁同步电机精确的数学模型是很困难的。为了简化永磁同步电机的数学模型，我们通常做如下假设： 1) 忽略电机的磁路饱和，认为磁路是线性的； 2) 不考虑涡流和磁滞损耗； 3) 当定子绕组加上三相对称正弦电流时，气隙中只产生正弦分布的磁势，忽略气隙中的高次谐波； 4) 驱动开关管和续流二极管为理想元件； 5) 忽略齿槽、换向过程和电枢反应等影响。 永磁同步电机的数学模型由电压方程、磁链方程、转矩方程和机械运动方程组成，在两相旋转坐标系下的数学模型如下： (l)电机在两相旋转坐标系中的电压方程如下式所示: 其中，Rs 为定子电阻；ud 、uq 分别为d 、q 轴上的两相电压；id 、iq 分别为d 、q 轴上对应的两相电流；Ld 、Lq 分别为直轴电感和交轴电感；ωc 为电角速度；ψd 、ψq 分别为直轴磁链和交轴磁链。 若要获得三相静止坐标系下的电压方程，则需做两相同步旋转坐标系到三相静止坐标系的变换，如下式所示。 (2)d/q 轴磁链方程： 其中，ψf 为永磁体产生的磁链，为常数，0f r e ωψ=，而c r p ωω=是机械角速度，p 为同步电机的极对数，ωc 为电角速度，e0为空载反电动势，其值为每项 倍。 (3)转矩方程： 把它带入上式可得: 对于上式，前一项是定子电流和永磁体产生的转矩，称为永磁转矩；后一项是转 子突极效应引起的转矩，称为磁阻转矩，若Ld=Lq ，则不存在磁阻转矩，此时，转矩方程为： 这里，t k 为转矩常数，32 t f k p ψ=。 (4)机械运动方程： 其中，m ω是电机转速，L T 是负载转矩，J 是总转动惯量(包括电机惯量和负载惯量)，B 是摩擦系数。 (二) 直线电机原理 永磁直线同步电机是旋转电机在结构上的一种演变，相当于把旋转电机的定子和动子沿轴向剖开，然后将电机展开成直线，由定子演变而来的一侧称为初级，转子演变而来的一侧称为次级。由此得到了直线电机的定子和动子，图1为其转变过程。
同步电机的分类 同步电机是转子转速等于同步转速的一类交流电机。按照功率转换关系，同步电机可分为同步发电机、同步电动机和同步补偿机三类。 1.三相同步发电机 三相同步发电机由定子和转子两大部分组成。按结构型式分为转磁式和转枢式两种，其中转磁式应用广泛。转磁式同步发电机定子结构与三相异步电动机相同。 其基本工作原理是：在转子励磁绕组中通入直流电产生恒定磁场，由原动机带动转子旋转形成旋转磁场，旋转磁场切割对称三相定子绕组产生对称三相正弦交流电，频率为。 2.三相同步电动机 三相同步电动机的基本结构与同步发电机相同，但转子一般采用凸极式结构。其基本工作原理是：对称三相定子绕组通入对称三相正弦交流电产生旋转磁场。转子励磁绕组通入直流电产生与定子极数相同的恒定磁场。同步电动机就是靠定、转子之间异性磁极的吸引力由旋转磁场带动磁性转子旋转的。 如果负载过重，同步电动机将停转，这种现象称为同
步电动机的“失步”。只要同步电动机的过载能力允许，采用强行励磁是克服同步电动机“失步”的有效方法。 当定子绕组接通电源时，旋转磁场立即产生并高速旋转。转子由于惯性，根本来不及跟着旋转。当定子磁极迅速越过转子磁极时，前后两次作用在转子磁极上的磁力大小相等、方向相反、间隔时间极短，平均转矩为零，因此同步电动机不能自行启动。 同步电动机通常采用异步启动法启动：在转子上装有笼型启动绕组。启动时将励磁绕组用一个10倍于励磁电阻的附加电阻连接成闭合回路。当旋转磁场作用于笼型启动绕组使转子转速达到同步转速的95%时，迅速切除附加电阻，通人励磁电流，使转子迅速拉入同步运行。当同步电动机处于同步运行时，笼型启动绕组是不起作用的。同步电机
多台电机同步调速器的应用 （TB-4同步控制器使用说明书） 同步控制是工业控制中常见的控制方式，传统的机械同步控制由于精度和可调性差而逐渐减少，我所开发的TB-4 同步控制器由于控制精度高，输出模拟量可选性多，能多台同步器并联使用, 等优点而在电线电缆, 皮革, 钢铁, 纺织, 造纸, 等一些需要电机同步同速和同步非同速控制的行业被大量应用。TB-4 同步控制器就其工作原理而言，实际上是一台具有4 路直流模拟量（电压或电流）控制信号输出的信号发生器。 技术参数； 自动控制输入：0-5VDC 。0-10V DC 手动控制：主调10K 电位器 模拟量输出四组电压型；0-5VDC . 1-5VDC. 0-10V . 2-10V 。 模拟量输出四组电压型：0-10ma. 0-20ma .2-10ma.4-20ma 软启动时间调节：0-60 秒 控制电机台数；4-48 台 可接口调速器：力矩电机控制器，直流电机调速器，变频器，电磁电机调速器，等可调速电机控制器。 外型尺寸 原理示意图
同步器的技术及其特点 TB-4 同步器，内部采用MAXI 公司的是最新12 位D/A ，A/D 转换电路，他能通过主调电位器同时输出 4 组电压量或电流量信号，这四组信号可通过4 个多圈微调电位器，在原有主调电位器调节输出的（电压或电流）基础上增加或衰减，以达到多台电机的同步同速和同步非同速控制。 软启动曲线图 该控制器具有输出模拟量（电压或电流）随时间线性上升功能，调节机器内部电位器W1 可使上升时间，0-60秒线性调节（图 1 ） 注：V/I 输出电压和电流，ms 启动时间 应用举例：
同步电机
第八章同步电机 8.1 同步电机原理和结构 1．同步发电机原理简述 （1）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。最常用的转场式同步电机的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）。除了 转场式同步电机外，还有转枢式同步发 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。图8-1-1给出了 典型的转场式同步发电机的结构模型。 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。 （2）工作原理 同步电机电枢绕组是三相对称交流绕 图8-1-1 同步电机结构模型 组，当原动拖动转子旋转时，通入三相对 称电流后，会产生高速旋转磁场，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），会在其中感应出大小和方向按周期性变化的交变电势，每相感应电势的有效值为， E0＝4.44f NФf k w （8-1-1） 式中f——电源频率；Фf——每极平均磁通； N——绕组总导体数；k w——绕组系数； E0是由励磁绕组产生的磁通Фf在电枢绕组中感应而得，称为励磁电势（也称主电势、空载电势、转子电势）。由于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势将在的时间上呈现出对称性，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势引出后可以作为交流电 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/133509729.html, 浅析两台异步电机的同步控制 作者：殷雄 来源：《科技资讯》2012年第02期 摘要：在两台异步电机(分别命名为1#，2#，下同)的控制中，以1#电机为基准，采用基 于PLC技术的变频控制，根据根据负载需要，不断改变1#电机的转速，为了达到两台异步电机的同步运行，以1#电机的转速为给定量，2#电机的转速为随动量，也采用基于PLC技术的闭环变频控制。从而实现两台异步电机的精确同步运行，也达到了节能之目的。 关键词：异步电机同步控制节能 中图分类号：TPO文献标识码：A文章编号：1672-3791(2012)01(b)-0134-01 随着国民经济的发展，生产过程中的机械化程度不断提高，而机械化程度的不断提高与电机特别是异步电机的广泛应用和精确控制是密不可分的。在海绵、塑料制品和钢铁行业生产过程中，对异步电机的同步控制要求十分高。例如：在海绵发泡过程中，必须保证两台电机转速的同步，如果2#电机的转速大于1#电机的转速，就会造成切断机刀架拉坏，如果2#电机的转速小于1#电机的转速就不能切断海绵。这两种情况在实际生产中是不允许的，因为这会造成 设备的损坏和产品的报废，从而造成经济损失，影响企业的效益。本文依据负载需要对两台电机采用闭环PLc变频控制，从而实现两台异步电机的转速同步控制，以满足工业生产的需要。 1基于PLC技术的1#电机转速变频控制的实现 先令1#电机以最低频率(35Hz)进行启动，当电机启动后，依据生产需要，不断改变电机转速的给定值，并将给定值输入PLC相应模块，与1#电机的相连的测速电机对1#电机进行测速，并将所测的速度值也输入PLC相应模块，让PLC进行判断。如果测速电机所测的速度大于给定速度时，那么PLC向1#电机的变频器发出无极降速的指令，从而让1#电机的变频器降低频率进而降低转速；如果测速电机所测的速度小于给定速度时，那么PLC向1#电机的变频器发出无极升速的指令，从而让1#电机的变频器提高频率进而升高转速。其PLC闭环控制原理图如图1所示，其PLC闭环控制流程图如图2所示。
每相感应电势的有效值为
(15.2) ◆ 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。 同步转速 ◆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： (15.3) ◆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。 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。 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。 ? 西安交通大学电机教研室 版权所有，侵权必究 2000.12?
水轮发电机 水轮发电机的特点是：极数多，直径大，轴向长度短，整个转子在外形上与汽轮发电机大不相同。大多数水轮发电机为立式。水轮发电机的直径很大，定子铁心由扇形电工钢片拼装叠成。为了散热的需要，定子铁心中留有径向通风沟。转子磁极由厚度为1～2mm 的钢片叠成；磁极两端有磁极压板，用来压紧磁极冲片和固定磁极绕组。有些发电机磁极的极靴上开有一些槽，槽内放上铜条，并用端环将所有铜条连在一起构成阻尼绕组，其作用是用来拟制短路电流和减弱电机振荡，在电动机中作为起动绕组用。磁极与磁极轭部采用 T 形或鸽尾形连接，如图15.4所示。 隐极式转子 隐极式转子上没有凸出的磁极，如图15.2b 所示。沿着转子本体圆周表面上，开有许多槽，这些槽中嵌放着励磁绕组。在转子表面约1/3部分没有开槽，构成所谓大齿，是磁极的中心区。励磁绕组通入励磁电流后，沿转子圆周也会出现 N 极和 S 极。在大容量高转速汽轮发电机中，转子圆周线速度极高，最大可达170米/秒。为了减小转子本体及转子上的各部件所承受的巨大离心力，大型汽轮发电机都做成细长的隐极式圆柱体转子。考虑到转子冷却和强度方面的要求，隐极式转子的结构和加工工艺较为复杂。
第六章 同步电机 一、填空 1. ★在同步电机中，只有存在 电枢反应才能实现机电能量转换。 答 交轴 2. 同步发电机并网的条件是：（1） ；（2） ；（3） 。 答 发电机相序和电网相序要一致，发电机频率和电网频率要相同，发电机电压和电网电压大小要相等、相位要一致 3. ★同步发电机在过励时从电网吸收 ，产生 电枢反应；同步电动机在过励时向电网输出 ，产生 电枢反应。 答 超前无功功率，直轴去磁，滞后无功功率，直轴增磁 4. ★同步电机的功角δ有双重含义，一是 和 之间的夹角；二是 和 空间夹角。 答 主极轴线，气隙合成磁场轴线，励磁电动势，电压 5. 凸极同步电机转子励磁匝数增加使q X 和d X 将 。 答 增加 6. 凸极同步电机气隙增加使q X 和d X 将 。 答 减小 7. ★凸极同步发电机与电网并联，如将发电机励磁电流减为零，此时发电机电磁转矩为 。 答 δs i n 2)X 1X 1( mU d q 2 - 二、选择 1. 同步发电机的额定功率指（ ）。 A 转轴上输入的机械功率； B 转轴上输出的机械功率； C 电枢端口输入的电功率； D 电枢端口输出的电功率。 答 D 2. ★同步发电机稳态运行时，若所带负载为感性8.0cos =?，则其电枢反应的性质为（ ）。 A 交轴电枢反应； B 直轴去磁电枢反应； C 直轴去磁与交轴电枢反应； D 直轴增磁与交轴电枢反应。 答 C 3. 同步发电机稳定短路电流不很大的原因是（ ）。 A 漏阻抗较大； B 短路电流产生去磁作用较强； C 电枢反应产生增磁作用； D 同步电抗较大。 答 B
4. ★对称负载运行时，凸极同步发电机阻抗大小顺序排列为（ ）。 A q aq d ad X X X X X >>>>σ； B σX X X X X q aq d ad >>>>； C σX X X X X ad d aq q >>>>； D σX X X X X aq q ad d >>>>。 答 D 5. 同步补偿机的作用是（ ）。 A 补偿电网电力不足； B 改善电网功率因数； C 作为用户的备用电源； D 作为同步发电机的励磁电源。 答 B 三、判断 1. ★负载运行的凸极同步发电机，励磁绕组突然断线，则电磁功率为零 。 （ ） 答 错 2. 同步发电机的功率因数总是滞后的 。 （ ） 答 错 3. 一并联在无穷大电网上的同步电机，要想增加发电机的输出功率，必须增加原动机的输入功率，因此原动机输入功率越大越好 。 （ ） 答 错 4. 改变同步发电机的励磁电流，只能调节无功功率。 （ ） 答 错 5. ★同步发电机静态过载能力与短路比成正比，因此短路比越大，静态稳定性越好。（ ） 答 错 6. ★同步发电机电枢反应的性质取决于负载的性质。 （ ） 答 错 7. ★同步发电机的短路特性曲线与其空载特性曲线相似。 （ ） 答 错 8. 同步发电机的稳态短路电流很大。 （ ） 答 错 9. 利用空载特性和短路特性可以测定同步发电机的直轴同步电抗和交轴同步电抗。（ ） 答 错 10. ★凸极同步电机中直轴电枢反应电抗大于交轴电枢反应电抗。 （ ） 答 对 11. 与直流电机相同，在同步电机中，U E >还是U E <是判断电机作为发电机还是电动机运行的依据之一。 （ ） 答 错 12. ★在同步发电机中，当励磁电动势0 E 与I 电枢电流同相时，其电枢反应的性质为直轴电枢反应 。 （ ） 答 错 四、简答 1. ★测定同步发电机的空载特性和短路特性时，如果转速降至0.951n ，对试验结果有什么影
伺服电机同步控制技术在印刷行业的应用 在印刷机械行业中，多电机的同步控制是一个非常重要的问题。由于印刷产品的特殊工艺要求，尤其是对于多色印刷，为了保证印刷套印精度（一般≤0.05mm），要求各个电机位置转差率很高（一般≤0.02%）。在传统的印刷机械中，以往大都采用以机械长轴作为动力源的同步控制方案，但机械长轴同步控制方案易出现振荡现象，各个机组互相干扰，而且系统中有许多机械零件，不方便系统维护和使用。随着机电一体化技术的发展，现场总线技术不断应用到各个领域并得到了广泛的应用。本文针对机组式印刷机械的同步需求，提出了一种基于CAN现场总线的同步控制解决方案，并得以验证。 一、无轴传动印刷机控制系统的同步需求 机组式卷筒印刷机一般由给纸机组、印刷机组、张力机组、加工机组和复卷机组等机组组成。在传统的有轴传动印刷机中，动力源由异步电机通过皮带轮带动一根机械长轴（约10-20m），然后通过长轴带动各机组的齿轮、凸轮、连杆等传动元件，再通过传动元件带动设备的执行元件完成设备的输人、输出任务。 卷筒印刷机要求印刷速度为300m/min，套印精度≤0.03mm，为了满足套印精度，要求在各个机组定位精度≤0.03 mm。在印刷机印刷过程中，要求各机组轴与机械长轴保持一定的同步运动关系，能否很好的实现各个机组轴的同步关系，将直接影响到印刷速度、套印精度等。其中，给纸机组、印刷机组要求与主轴转动速度成一定的比例关系，张力机组根据不同的印刷速度调整张力系数，加工机组需要与主轴保持凸轮运动关系，而复卷机组的运动规律，要求随着纸卷直径的增大而减小。 我们把机械长轴作为主轴（参考轴），各印刷机组轴为从动轴，如图1，各从动轴与主轴要满足同步关系θ1=f1（θ），θ2=f2（θ），θ3=f3（θ）···，其中，θ为主轴位置转角，θ1、θ2、θ3···为从动轴位置转角。 二、同步控制系统设计
第五篇同步电机·第二十章概述·第一节同步电机的基本结构和额定值 1.转子本体与基波旋转磁场同速的电机称为同步机。对 2.转子本体与基波旋转磁场异速的电机称为同步机。错 3.实际应用的同步机多是转枢式。错 4.同步电机实际运行状态取决于定、转子磁场的相对位置。对 5. 无刷励磁需要刷-环机构。错 第五篇同步电机·第二十一章同步发电机的运行原理·第一节同步发电机的空载运行1. 空载电势又叫励磁电势。对 第五篇同步电机·第二十一章同步发电机的运行原理·第二节对称负载时的电枢反应 1.电枢反应改变的是主极磁场。对 2.内功因角是空载电势与电枢电流之间的夹角。对 3. 电枢反应与内功因角无关。错 第五篇同步电机·第二十一章同步发电机的运行原理·第三节隐极同步发电机的数学模型 1.计及饱和时，可以引入电枢反应电抗的概念。错 2. 不计饱和时，电枢反应电势可以写成负的电抗压降形式。对 第五篇同步电机·第二十一章同步发电机的运行原理·第四节凸极同步发电机的数学模型 1.计及饱和时，可以应用双反应理论。错 2.引入虚拟电势后，可以画出凸极同步发电机的等效电路。对 3.直轴同步电抗下雨交轴同步电抗。对
第五篇同步电机·第二十一章同步发电机的运行原理·第五节同步发电机的功率和转 矩 1.对同步发电机言，输入功率扣掉铁耗、机耗，剩下的就是电磁功率。对 2.对同步发电机言，电磁功率就是空载电势发出的电功率。对 3.对同步发电机言，空载转矩对应铁耗与机耗之和，电磁转矩对应电磁功率。对 4. 功率角既是空载电势与端电压之间的夹角，又近似地是主磁场与合成磁场之间的夹角。对 第五篇同步电机·第二十二章同步发电机的特性·第一节同步发电机的基本特性 1.空载特性反映了定子量与转子量之间的关系。错 2.短路特性不是直线。错 3. 零功率因数负载特性和空载特性之间相差一个特性三角形。对 第五篇同步电机·第二十二章同步发电机的特性·第二节同步发电机的参数测定 1.短路试验时磁路是饱和的。错 2.短路比反映了一定条件下短路电流的大小。对 3.短路比等于饱和直轴同步电抗的倒数。对 4.零功率因数特性的实测曲线要比理想曲线高。错 5. 坡梯漏抗比实际漏抗略大。对 第五篇同步电机·第二十二章同步发电机的特性·第三节同步发电机的运行特性 1.感性负载的调整特性是降低的。错 2.感性负载的外特性是升高的。错 3. 额定效率是同步发电机的性能指标之一。对、、 第五篇同步电机·第二十三章同步发电机的并联运行·第一节投入并联运行的条件和方法
同步电动机原理 Synchronous Motor Principle 三相交流电动机是用三相交流电产生的旋转磁场来带动电机转子旋 转的，有关旋转磁场的产生原理在前面已作介绍，在这里只介绍电机转 子是如何在旋转磁场的作用下旋转的。 永磁交流同步电动机 最简单的方法是在产生旋转磁场的空间放一永久磁铁，该磁铁就会 跟着磁场旋转了。下图就是这样一个永久磁铁转子。 永久磁铁转子 把永久磁铁转子放在能产生旋转磁场的定子铁芯中，它将会跟随旋 转磁场同步旋转，其转速与旋转磁场一致，故称之为同步电动机，下图 便是一个永磁同步电动机模型的示意图。
永磁同步电动机模型 下面是该三相交流同步电动机模型的动画截图，为看清线圈与磁力线，定子与转子用半透明显示。动画中有输入三相电流的变化波形，有旋转磁场与跟着旋转的永磁转子。
永磁同步电动机动画截图 请观看永磁转子同步电动机原理模型3D动画 这个三相交流同步电动机的旋转磁场只有一对磁极，永磁转子也是一对磁极，转速与交流电源相同，用50周的交流电供电时转子转速是每秒50转。
电励磁交流同步电动机 实际上的三相交流同步电动机转子多数是电励磁的，转子上有励磁绕组，用直流励磁电源产生固定磁场，下图是一个电励磁三相交流同步电动机原理模型旋转动画的截图。 电励磁三相交流同步电动机模型 请观看三相交流同步电动机原理3D动画 该三相交流同步电动机的旋转磁场只有一对磁极，电励磁转子也是一对磁极，用50周的交流电供电时转子转速是每秒50转，也即每分钟3000转。两极同步电动机的转子一般采用隐极式转子。
多极交流同步电动机 许多场合需用低转速，大力矩输出的交流同步电动机，此时的电机多做成大直径的多极电机形式，定子绕组产生多对磁极旋转磁场，转子采用多对凸极结构。下图是一个3对磁极同步电动机模型示意图，定子有3个3相绕组，转子有3对（6个）凸极，转速为每分钟1000转。 多极三相交流同步电动机模型
一、同步电机和异步电机在设计上的不同： ①同步与异步的最大区别就在于看他门的转子速度是不是与定子旋转的磁场速度一致，如果转子的旋转速度与定子是一样的，那就叫同步电动机，如果不一致，就叫异步电动机。。。 ②当极对数一定时，电机的转速和频率之间有严格的关系，用电机专业术语说，就是同步。异步电机也叫感应电机，主要作为电动机使用，其工作时的转子转速总是小于同步电机。 ③所谓“同步”就是电枢（定子）绕组流过电流后，将在气隙中形成一旋转磁场，而该磁场的旋转方向及旋转速度均与转子转向，转速相同，故为同步。 异步电机的话，其旋转磁场与转子存在相对转速，即产生转距。 二、为什么会同步，为什么会不同步呢？ 同步电机和异步电机的定子绕组是相同的，主要区别在于转子的结构。同步电机的转子上有直流励磁绕组，所以需要外加励磁电源，通过滑环引入电流；而异步电机的转子是短路的绕组，靠电磁感应产生电流。相比之下，同步电机较复杂，造价高。 同步和异步电机均属交流动力电机，是靠50Hz交流电网供电而转动。异步电机是定子送入交流电，产生旋转磁场，而转子受感应而产生磁场，这样两磁场作用，使得转子跟着定子的旋转磁场而转动。其中转子比定子旋转磁场慢，有个转差，不同步所以称为异步机。而同步电机定子与异步电机相同，但其转子是人为加入直流电形成不变磁场，这样转子就跟着定子旋转磁场一起转而同步，始称同步电机。 简单的说就是：异步电机的转子上没加直流励磁电流，同步电机的转子上加了一个直流励磁电流使转子的转速与定子与转子切割产生的磁场转速一致。 三、同步发电机转子为什么要通入直流励磁电流，而不通入交流励磁电流？ 按工频50HZ考虑，转子通入直流励磁电流，可在定子绕组中感应出50HZ电势。 转子通入交流励磁电流后，可分解为正向与反向两个旋转磁场，正向旋转磁场旋转速度与转子旋转速度迭加，在定子绕组中感应出100HZ电势；反向旋转磁场旋转速度与转子旋转速度抵消，与定子绕组相对静止，不产生电势，但定子磁通中出现直流分量，可能饱和。
第四篇 同步电机习题解答 15-1 一台三相隐极同步发电机，25000kW N P =,10.5kV N U =,Y 接，cos 0.8 N ?=滞后，已知7.52, 0t a x R =Ω≈，每相励磁电动势07520V E =。求下列几种情况下的电枢电流，并说明其电枢反应的性质：（1）每相接7.52Ω的三相对称纯电阻负载；（2）每相接7.52Ω的三相对称纯电感负载；（3）每相接15.04Ω的三相对称纯电容负载；（4）每相接7.547.54j -Ω的三相对称电阻电容负载。 解：0a t L a t L t E U IR jIx IZ IR jIx IZ jIx =++=++≈+ 0L t E I Z jx =+ , 令0075200V E =∠ （1）7.52L Z =Ω 00075200701.145(A)7.527.52 L t E I Z jx j ∠===∠++ 为直轴和交轴电枢反应； （2）7.52L Z j =Ω 0007520050090(A)7.527.52 L t E I Z jx j j ∠===∠-++ 为直轴去磁电枢反应； （3）15.04L Z j =-Ω 000 75200100090(A)15.047.52 L t E I Z jx j j ∠===∠+-+ 为直轴增磁电枢反应； （4）7.527.52L Z j =-Ω 000 7520010000(A)7.527.527.52 L t E I Z jx j j ∠===∠+-+ 为交轴电枢反应。 15-2 一台凸极同步发电机，72500kW N P =,10.5kV N U =，Y 接， c o s 0.8N ?=滞后，1, 0.554, 0 d q a x x R * *==≈。试求额定负载下运行时发电机的0, , d q I I E ψ及。 解：Y 接，0cos 0.8, 36.87N N ??==
第五篇 同步电机 5．1 同步电机和异步电机在结构上有哪些区别？ 5．2 什么叫同步电机？怎样由其极数决定它的转速？试问75r/min 、50Hz 的电机是几极的？ 5．3 为什么现代的大容量同步电机都做成旋转磁极式？ 5．4汽轮发电机和水轮发电机的主要结构特点是什么？为什么有这样的特点？ 5．5 伞式和悬式水轮发电机的特点和优缺点如何？试比较之。 5．6 为什么水轮发电机要用阻尼绕组，而汽轮发电机却可以不用？ 5．7 一台转枢式三相同步发电机，电枢以转速n 逆时针方向旋转，对称负载运行时，电枢反应磁动势对电枢的转速和转向如何？对定子的转速又是多少？ 5．8 试分析在下列情况下电枢反应的性质。 （1）三相对称电阻负载； （2）纯电容性负载8.0=*C X ，发电机同步电抗0.1=* t X ； （3）纯电感性负载7.0=* L X ； （4）纯电容性负载2.1=*C X ，同步电抗0.1=* t X 。 5．9 三相同步发电机对称稳定运行时，在电枢电流滞后和超前于励磁电动势0E 的相 位差大于?90的两种情况下（即?<>?-18090ψ）， 电枢磁动势两个分量ad F 和aq F 各起什么作用？ 5．10 在凸极同步电机中，如果ψ为一任意锐角，用双反应理论分析电枢反应磁通a Φ 和电枢反应磁动势a F 两个矢量是否还同相？a Φ 与它所感应的电动势a E 是否还差?90？ 5．11 试述交轴和直轴同步电抗的意义。为什么同步电抗的数值一般较大，不可能做
得很小？请分析下面几种情况对同步电抗有何影响？ （1）电枢绕组匝数增加； （2）铁心饱和程度提高； （3）气隙加大； （4）励磁绕组匝数增加。 5．12 试根据不饱和时的电动势相量图证明下列关系式。 （1）隐极同步发电机 ? ? ψcos sin tan U IR U IX a t ++= ψψθsin cos cos 0t a IX IR U E ++= （2）凸极同步发电机 ? ?ψcos sin tan U IR U IX a q ++= ψψθsin cos cos 0d a IX IR U E ++= 其中，?为I 滞后于U 的夹角，即功率因数角；ψ为I 滞后于0E 的夹角；θ为U 滞后于0 E 的夹角，且有?ψθ-=。 5．13 试证明不考虑饱和时ad X 和aq X 的公式为 d N ad k p k N k l mf X 2 1 204δπτμδ= q N aq k p k N k l mf X 2 1 204δπτμδ= 5．15 为什么d X 在正常运行时应采用饱和值，而在短路时却采用不饱和值？为什么q X 一般总只采用不饱和值？ 5．16 测定同步发电机空载特性和短路特性时，如果转速降为N n 95.0，对实验结果
第八章同步电机 同步电机原理和结构 1．同步发电机原理简述 （1）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。最常用的转场式同步电机的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）。除了转场式同步电机外，还有转枢式 同步发电机，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。图8-1-1给出了典型的转场式 同步发电机的结构模型。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。 （2）工作原理 同步电机电枢绕组是三相对称交流绕组，当 图8-1-1 同步电机结构模型 原动拖动转子旋转时，通入三相对称电流后，会 产生高速旋转磁场，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），会在其中感应出大小和方向按周期性变化的交变电势，每相感应电势的有效值为， E0＝Фf k w （8-1-1）式中f——电源频率；Фf——每极平均磁通； N——绕组总导体数；k w——绕组系数； E0是由励磁绕组产生的磁通Фf在电枢绕组中感应而得，称为励磁电势（也称主电势、空载电势、转子电势）。由于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势将在的时间上呈现出对称性，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