《电机学(下)》同步电机复习提纲
《电机学（下）》同步电机复习提纲
第二十章 同步电机概述
1.同步电机的定子——称电枢，电枢铁心嵌放三相对称绕组；
转子——称主磁极，由直流电励磁，分为隐极式和凸极式【P193图20-2】；
隐极转子：气隙均匀，多用于高速电机，如：汽轮发电机，通常极对数p=1，由于转速高，
汽轮发电机直径较小、长度较长；
凸极转子：气隙不均匀，多用于低速电机，如：水轮发电机均采用凸极式，特点是直径大、
长度短；
转子除励磁绕组外，还常装有与感应电机笼型绕组相似的闭合绕组，在发电机称为阻尼绕组，在电
动机称为起动绕组。 2.同步电机定子三相对称绕组通进三相对称电流产生的旋转磁场，与转子旋转磁极的转速恒为同步速s n ， 定、转子旋转磁场轴线之间的夹角为转矩角sr δ，通常认为sr δδ≈【P195图20-6】
δ——称为功率角，是转子磁场轴线超前于定、转子合成磁场轴线的夹角；
当0δ>，相当于转子磁极拖着定、转子合成旋转磁场转，转子输入的机械功率转变为定子输出的电功率——发
电机运行状态；此时机械转矩为驱动转矩、电磁转矩为制动转矩；
当0δ<，相当于定、转子合成旋转磁场拖着转子磁极转，定子输入的电功率转变为转子输出的机械功率——电动机运行状态；此时电磁转矩为驱动转矩、机械转矩为制动转矩；
当0δ=，相当于转子与合成旋转磁场轴线重合，电机内没有有功功率转换——空载运行状态；电磁转矩为零。 3.同步电机的励磁系统有：直流励磁机励磁、交流整流励磁、晶闸管自励恒压励磁等 4.同步电机的额定值（铭牌数据）： N U 、N I ——指电枢（定子）线电压、线电流；
N S ——发电机的额定容量，指三相视在功率；
N P ——指额定运行时的输出三相有功功率，故对发电机是电功率、对电动机是机械功率；
∴N N N
S I =
单位：VA 、KVA
发电机：cos N N N N P I ?
电动机： cos N
N N N N P I ?η= 单位：KW
同步电机的转子转速n 与电枢电流频率f 、电机极对数p 存在严格不变的关系：
60s f n n p
=
——称为同步速，单位：/min r （转/分钟）；
我国电网频率 50f Hz =，故：p=1，n S =3000r/min ；p=2，n S =1500r/min ；p=3，n S =1000r/min .......
第二十一章 同步发电机运行原理
（一）同步发电机空载运行和负载时的电枢反应
1.同步发电机空载运行——励磁绕组通入直流励磁电流f I ，原动机拖动转子磁极以同步速n S 旋转，定子电枢绕组开路。
空载时只有f I 建立的励磁磁势f F ，产生空载磁通0φ，以n S 速度切割定子三相对称绕组感生三相空载电势0E ； 2.同步发电机接上三相对称负载后，电枢三相对称绕组通过三相对称电流I ，产生一个旋转磁势，称为电枢磁势
a F ，a F 的转速也为同步速n S ；即a F 、f F 均与转子转速、转向相同，故不会在转子绕组感应电势。
3..空载时气隙磁场中只有f F ，负载时多了a F ；
因此：负载时电枢磁势a F 对气隙磁场的影响——称为电枢反应 4.电枢反应的性质与内功率因数角0ψ有关， 定义：0ψ——电枢电流I 落后于0E 的夹角。
直轴（d 轴）——转子主磁极轴线，即f F 的轴线； 交轴（q 轴）——与直轴正交的轴线；
00ψ=时a F 为交轴磁势，产生交轴电枢反应；
交轴电枢反应的作用：使气隙磁场发生畸变，主极磁场超前于气隙合成磁场，电磁转矩为制动性质，原动机克服电磁转矩做功，机械能转变为电能。
0090ψ=时a F 为直轴磁势，产生直轴去磁电枢反应； 作用：纯去磁。 0090ψ=-时a F 为直轴磁势，产生直轴增磁电枢反应； 作用：纯增磁。
当0ψ为任意角时，可把a F 分解为一个交轴分量aq F 和一个直轴分量ad F ，其中aq F 产生交轴电枢反应，ad F 产生直轴电枢反应；因此：
00900ψ>>时电枢反应性质：交轴+直轴去磁； 00090ψ>>-时电枢反应性质：交轴+直轴增磁；
5.时-空统一相量图——把时间相量和空间相量合并在一起【P199图21-2】； 时间相量：0E 、I 、0φ；空间相量：f F 、 a F
在时-空统一相量图中：f F 与0φ同相、a F 与I 同相； （二）同步发电机数学模型 1.隐极发电机 ①电磁关系：
定子a a a a I F E jIx φ→→→=-系统
E j I x σσσ
φ→→=-
转子 00
f f I F E φ→→→
采用发电机惯例，定子绕组的上述感应电势与定子端电压U
平衡（忽略电枢绕组电阻
a
R ）：
0a E E E U
σ++=
其中：
a
E ——隐极机电枢反应电势；
a
x ——隐极机电枢反应电抗，对应于电枢反应的作用；
E σ
——漏磁通感生的漏电势；
x σ
——定子绕组漏电抗，对应于电枢漏磁场的作用；
E ——转子主磁通在定子感生的励磁电势，对应于主磁场的作用；
②电势方程（注：公式中所有电量均是相值）：
0()a a a s
E U E E U jIx jIx U jI x x U jIx σσσ=--=++=++=+
其中：
s a x x x σ=+——
隐极同步电机的同步电抗
③相量图和等效电路如【p202图21-9】：
其中：由于0E 是转子磁场感生的；U 可看成是定、转子合成磁场感生的，因此U 与0E 之间的夹角就是功率角δ【P208图21-18】；
δ——功率角（0E 超前于U 的角度）
0ψ——内功率因数角（I 落后于0E 的角度）
； ?——功率因数角（I 落后于U 的角度）；
0ψδ?=+
2.凸极发电机由于气隙不均匀，需采用“双反应理论”的分析方法；
双反应理论——把电枢电流、电枢磁势、电枢反应电抗、同步电抗都分解为直轴（d 轴）和交轴（q 轴）分量分别进行计算，再把结果叠加起来。 ①电磁关系：
定子 d ad ad ad d ad
I I F E jI x φ→→→→=-系统
q aq aq aq q aq I F E jI x φ→→→→=-
E jIx σσσφ→→=-
转子 00
f f I F E φ→→→
定子绕组的上述感应电势与定子端电压U
平衡（忽略
a
R ）：
0ad aq E E E E U
σ+++=
其中：d q I I I =+
d I 、ad F 、ad E 、ad x ——分别为直轴电流、直轴电枢磁势、直轴电枢反应电势、直轴电枢反应电抗；
q I 、aq F 、aq E 、aq x ——分别为交轴电流、交轴电枢磁势、交轴电枢反应电势、交轴电枢反应电抗；
②凸极发电机电势方程（注：公式中所有电量均是相值）：
0ad aq E U E E E σ=---
d ad q aq U jI x jI x jIx σ=+++
()()d ad q aq U jI x x jI x x σσ=++++ d d q q
U jI x jI x =++
其中：d ad x x x σ
=+——凸极同步电机的直轴同步电抗；
q a q x x x
σ=+——凸极同步电机的交轴同步电抗；
电抗的大小与磁导成正比，由于直轴气隙比交轴小故磁导比交轴大，所以d q
x x >；
隐极机由于气隙均匀，相当于d q s x x x ==。
上式变为：
0()d s q s d q s s
E U jI x jI x U j I I x U jIx =++=++=+——隐极机电势方程；
可见，隐极机可看成是凸极机当
d q
s x x x =时的特例。
③凸极机相量图如【P205图21-13、图21-14】：
由于d 轴就是励磁磁通0φ的方向， 0E 比0φ落后090，q 轴与d 轴垂直(正交)，∴0E 一定在q 轴方向； ∵相量d q I I I =+，∴大小0sin d I I ψ=、0cos q I I ψ=； ④利用凸极机相量图可采用几何方法求0ψ、δ、0E ：
由【P205图21-14】可见：
忽略a R ，过U 的矢端作I 的垂线与q 轴相交；所组成的直角三角形中，0ψ角的邻边长度为cos U ?、对边长度为sin q Ix U ?+；因此：0sin arctan cos q Ix U U ?ψ?
+= ；
0δψ?
=- 由【P205图21-13】可见： 忽略a R ，0cos d d
E U I x δ=+
其中：0sin d I I ψ=；
⑤此外由图21-14可见，凸极机0ψ的对边与q 轴相交所组成的直角三角形，其斜边并不是0E 而是Q E ，Q q E U jIx =+称为虚拟电动势，与此方程对应的等效电路如【P206图21-15】
； 由图21-14：0()Q d d q E E jI x x =+-；
由于0E 、Q E 、()d d q jI x x -同相，故大小为:0()Q d d q E E I x x =+-； 且由该直角三角形可知，忽略a R ：0cos cos Q U E ?ψ= 对于隐极机：∵d q x x =，∴0Q E E =； 书上例题：p206例21-1；
例1： 一台凸极同步发电机，72500N P kW =,10.5N U kV =，Y 接法，cos 0.8N ?=滞后，已知 1.217d x =Ω
0.674q x =Ω，忽略a R 。试求额定负载下运行时发电机的0ψ、d I 、q I 及0E 线。
解：4983()N N I I A ?==
=
=
36062()
N U V ?
===
1
1
00sin 49830.67460620.6
55.27cos 60620.8
N q N N
N N
I X U tg tg U ????ψ?--+?+?===?
0sin 4983sin55.274095()d N I I A ?ψ==?=
0cos 4983cos55.272838.9()q N I I A ?ψ==?=
∵ cos 0.8N ?=，∴0
36.87N ?=；000
055.2736.8718.4N δψ?=-=-=
00cos 6062cos18.44095 1.21710735.7()
N d d E U I x V ?δ=+=?+?
=0010735.718595()E V ===线 （三）同步发电机功率方程和转矩方程
1. 功率平衡方程（假设励磁损耗cuf p 由另外电源供给）： ①机械方面的功率平衡：10Fe e e P p p P p P Ω=++=+； 其中：1P ——由原动机输入的机械功率；
e P ——机械转变为电的那部分功率，称为电磁功率；
0()Fe p p p p Ω?=++——空载损耗，它包括机械损耗p Ω、铁耗Fe p ，有时还需考虑杂散损耗p ?； ②电方面的功率平衡：2e cua P p P =+；
其中：2cua a p mI R =——定子绕组铜耗；
2cos P mUI ?=——发出的电功率；
常忽略a R ，则：2e P P ≈
因此：20cos cos e Q P P mUI mE I ?ψ≈==（隐极机0Q E E =） 注：凡功率符号为大写P ，凡损耗符号为小写p ；
2.转矩平衡方程
把机械方面的功率平衡方程两边除以同步角速度S Ω，可得同步发电机的转矩平衡方程：10e T T T =+
其中：1
1S
P T =
Ω————原动机输入的驱动机械转矩； 00Fe
S S P p p T Ω
+=
=ΩΩ————电机的空载损耗转矩； 2e e S S
P P
T =
≈ΩΩ————制动性质的电磁转矩； 其中： 260
S
S n πΩ=
； 单位：/rad s （弧度/秒）；转矩单位：N.m （牛顿.米）； 第二十二章 同步发电机的特性
同步发电机在对称负载下运行时，S n n ==常数、cos ?=常数。
在可测量的f I 、U 、I 三个量中，保持其中一个不变，另两者之间的关系即表示一种特性：
0I =不变、00()f U
U E f I ==——空载特性； 0U =不变、()k f I
I f I =——短路特性；
0I ≠为常数不变、()f U f I =——负载特性；
其中cos 0?=的负载特性称为零功率因数负载特性；
f I =常数不变、()U f I =——外特性；
N U U =不变、()f I f I =——调整特性；
此外还有效率特性——2()f P η=
1.空载特性——0()f E f I =与磁化曲线0()f f F φ=形状相似：【P209图22-1】
当0φ较小时磁路未饱和，空载特性是直线，饱和后成为曲线；直线部分的延长线称为气隙线。 通常额定相电压Nph U 点设计在空载特性的拐弯点； 2.短路特性
短路时0U =，忽略a R 发电机只剩内部同步电抗压降与0E 平衡，故k I 是纯感性的，∴0
090ψ=， 对隐极机：0s k s
E U jIx jI x =+=；
对凸极机：由于0
90ψ=，则cos 0
q k I I ψ==，
sin d k k
I I I ψ==；
∴0q q d d k d
E U jI x jI x jI x =++=
可见无论隐极、凸极机：0k E I ∝
又由于0
090ψ=时的电枢反应是直轴去磁的，即磁通较小电机不饱和，∴0f E I ∝ 因此：k f I I ∝——短路特性是一条直线，【P209图22-2（b ）】。
且由于磁通较小、感应电势较小，故k I 不大， 所以同步发电机三相稳态短路没有危险。 3.利用空载特性和短路特性可求s x 、d x 的不饱和值：【P211图22—6】
由于短路时磁路不饱和，空载特性是直线即气隙线，短路特性也是一条直线； 因此，在图中对应同一励磁电流f I ，从空载特性气隙线上查0E 、从短路特性上查k I ； 据0k s E jI x =及0k d E jI x =可知，0E 与k I 的比值就是s x 、d x 的不饱和值：
s d k E x x I =
不饱和值、；
4. s x 、
d x 饱和值的近似求法【P212图22—7】： 在空载特性饱和段取Nph U 点，对应于该点找同一励磁电流0f I 下的短路电流k
I '； 则：Nph
s d k
U x x I ≈
'饱和值、 5.短路比c k 定义——产生空载额定电压与额定短路电流所需的励磁电流之比； 由【P212图22—7】：
011f Nph k k c b fk
N Nph N d d I U I I k Z I I U I X x *''=
=
=?=?=饱和饱和
可见：1c d k x
*
=
饱和
书上P212例22-1
6.零功率因数负载特性：
①由于cos 0?=，负载为纯感性，电机本身的阻抗也是纯感性（忽略a R ），故0
90ψ=，0q I =，电枢反应为直轴去磁；故此时的同步机方程：0d E U jIx =+
②在空载特性与零功率因数负载特性之间，存在一个特性三角形AEF ?【P210图22-5】
据上述同步机方程：在空载特性上∵0I =，当0Nph E U =时，励磁电流对应图中BC 段，即BC 段f I 用于建立
空载相电压Nph U ；
在负载特性上∵0I ≠，∴当Nph U U =时，0Nph d Nph ad E U jIx U jIx jIx σ=+=++， 励磁电流对应图中BF 段； BF BC CA AF =++
其中：BC 段f I 仍用于建立空载相电压Nph U ，CA 段f I 用于建立漏电抗压降Ix EA σ=，AF 段f I 用于
补偿直轴电枢反应ad Ix 的去磁作用； 由此可得：p EA x x I
σ=
————p x 比实际的电枢漏抗略大，称为坡梯电抗
由于0I ≠不变，故特性AEF ?的大小不变，当三角形的E 点在空载特性上移动时，F 点的轨迹就是零功率因数负载特性；当三角形的水平边移到与横坐标重合时，F 点=K 点对应短路点。 7.用转差法求d x 、q x 的不饱和值
原动机把同步机拖到接近同步速、转子励磁绕组开路、定子加三相对称低压（其相序应使电枢旋转磁场与转子转向相同）、示波器录下电枢电压U 和电枢电流I 波形，如【P213图22-8】； 则：max min
d U x I =
不饱和；min max q U
x I =不饱和
8.外特性：
实验测得各种负载下的外特性如【P214图22-10】：
令电机工作在Nph U 、N I 点，然后减少发电机的负载I ，可见：
随着负载电流I 的减少，纯阻负载端电压U 上升；感性负载U 上升得更多；容性负载则U 下降； 当I 减为零时，0U E =。
定义同步发电机的电压调整率：0100%
Nph Nph
E U U U -?=?
9.调整特性：
调整特性是N U U =不变、()f I f I =的曲线；由外特性可知：当负载为纯阻或感性时，随着I 增大U 是要下降的，且感性比纯阻负载下降更多；现随着I 增大U 要保持不变，则只好加大励磁电流，且感性比纯阻负载加大更多；
同理，容性负载随着I 增大U 是要上升的，现随着I 增大U 要保持不变，则只好减小励磁电流；如【P214图22-12】。 10.效率特性
据同步发电机功率平衡方程：122
Fe cua cuf P p p p p p P p P Ω?=+++++=+∑；
其中：总损耗
Fe cua cuf p p
p p p p Ω
?=++++∑
效率12111
211P P P P P P P P P P η-=
==-=-+∑∑∑∑
第二十三章
（一）同步发电机投入电网并联运行
1.并联条件
为了避免投入电网时产生冲击电流以及产生冲击转矩，并联时应使【P217图23-1】中开关Q 两端的电压差U ?为零，即发电机0E 与电网U 的瞬时值必须一直保持相等；
因此并联条件：发电机与电网相序、电压波形、频率一致；0E 与U 大小相等、相位相同； 2.并联方法：发电机投入并联所进行的调节和操作过程，称为整步过程
由于电压波形设计时已保证，电机转向和相序已标明；故整步过程只需实现0E 与U 大小、相位相同、频率相等； ①准确整步法：把发电机调整到完全符合并联条件再投入电网 灯光熄灭法【P218图23-3】：合闸条件：三灯全灭；
当0E 与U 大小不等或相位不等时，三灯等亮；当频率不等时，三灯同时出现时亮时暗； 灯光旋转法【P219图23-4】：合闸条件：一灯灭、两灯等亮；
当0E 与U 大小不等或相位不等时，三灯均亮但亮度不等；当频率不等时，灯光旋转；
②自整步法：操作简单，但有一定冲击电流
励磁绕组先经限流电阻短路，把发电机拖到接近同步速，发电机投入电网，立即加上直流励磁，依靠电磁转矩把转子牵入同步；
（二）同步发电机的功角特性
1.凸极同步发电机的功角特性()e P f δ= 忽略a R ，凸极机相量图如【P220图23-6】：
2cos e P P mUI ?=0cos(
)mUI ψδ=- 其中：0?ψδ=- 00cos cos sin sin mUI mUI ψδψδ=+ 其中：000cos()cos cos sin sin ψδψδψδ-=+
cos sin q d mUI mUI δδ=+ 其中：0cos q I I ψ=、0sin d I I ψ= 0cos sin cos sin q d E U U mU
mU x x δδδδ-=+ 其中：sin q q U I x δ
=
、0cos d d
E U I x δ-= 2011
sin ()sin 22d q d
UE U m m x x x δδ=+- 其中：1sin cos sin 22δδδ=
12e e P P =+————凸极同步发电机的功角特性【P220图23-7】
其中：1e P ——基本电磁功率，随
δ作正弦变化，与励磁电势0E 成正比，当0
90δ=时，1e P 达到最大值； 2e P ——附加电磁功率，随2δ作正弦变化；即使电机没有励磁即00E =，只要凸极效应存在即d q x x ≠，
2e P 就存在，当045δ=时，2e P 达到最大值；
3.隐极同步发电机的功角特性()e P f δ=
由于隐极机d q s x x x ==，故附加分量20e P =，只有基本分量1e P ； ∴0
sin e d
UE P m
x δ=————隐极同步发电机的功角特性；
可见：当090δ=时，隐极机的电磁功率出现最大值，而凸极机的最大电磁功率出现在00
45~90δ=之间。 书上P221例23-1
（三）有功功率调节和静态稳定
同步发电机投入并联的目的，就是要向电网输出功率，电机并联到（无穷大）电网上运行后，其端电压和频率均与电网一致不能变；
1.同步发电机有功功率的调节
增加原动机的输入功率P 1（如调节汽轮机的汽门或水轮机的水门），可使同步发电机的功率角δ增大，从而输出的电磁功率2e P P ≈增大。
2.静态稳定【P223图23-11】（以隐极机为例）： ①当工作点在0
090δ<≤（即
0e
dP d δ
>范围），如A 点： 当有扰动使输入功率1P ↑（从而1T ↑）时，引起功率角δ↑，由图23-11可见e P ↑（从而e T ↑）； 据同步发电机的转矩方程：10e T T T =+；驱动转矩与制动转矩均同时增大，可达新的平衡； 故当扰动消失时机组能回到原工作点A ； ②当工作点在0
90180δ<≤（即
0e
dP d δ
<范围），如B 点： 当有扰动使输入功率1P ↑（从而1T ↑）时δ→↑，由图23-11可见反而e P ↓（从而e T ↓）
； 使驱动转矩大于制动转矩，机组不能达到平衡；故当扰动消失时机组也不能回到原工作点B ，甚至引起失步； ③可见：机组静态稳定的条件是：0e
dP d δ
> 3.过载能力max
e p N
P k P =
对隐极发电机：0
90δ=时达到max e P ；
∴0max
01
sin sin e s p N
N N s
E U m
P x k E U P m x δδ=
==
（四）无功功率的调节
1.在调节无功功率时，假定输出的有功功率不变，即2e P P ≈不变； 以隐极机为例，由于m 、U 、s x 均是定值，故：
2cos P mUI ?=不变————cos I ?=常数
sin e s
UE P m
x δ=不变————0sin E δ=常数 2.据隐极机相量图【P224图23-12】，当调节f I ，0E 变化时：
为了保持cos I ?=常数，相量I 的矢端必须在CD 线上移动； 为了保持0sin E δ=常数，相量0E 的矢端必须在AB 线上移动； 3.设cos 1?=时的f I 称为正常励磁，对应图中0E 、I ；
当增大f I 大于正常励磁时，称为过励，对应图中0
E '、I '； 当减少f I 小于正常励磁时，称为欠励，对应图中0
E ''、I ''； 由图23-12可见：调节发电机的励磁，可调节其无功；
正常励磁时，发电机不输出无功；
过励时，I '是落后的电流，即发电机向电网输出落后的无功；
欠励时，I ''是超前的电流，即发电机向电网输出超前的无功； 4.同步发电机的V 型曲线：e P 一定时 ()f I f I =曲线
由图23-12可见：cos 1?=时，电枢电流I 是最小的，无论发电机过励或欠励，I 都比正常励磁时要大； 因此()f I f I =是一条V 型曲线【P224图23-13】，
其中：最低点对应正常励磁；每一条V 型曲线对应不同的e P ，把各曲线最低点连接起来得到一条cos 1?=的曲线，曲线的右侧为过励状态，发电机输出滞后的无功；曲线的左侧为欠励状态，发电机输出超前的无功；
第二十四章
（一）同步电动机的方程
1.由于电动机相当于定、转子合成磁场拖着转子磁极转，即U 超前于0E ，若采用发电机惯例和方程讨论电动
机，则0δ<， 0e
P <，090?>、cos 0?<；如【P225图24-1】： 2.为应用方便，采用电动机惯例：
定义功率角M δ——U 超前于0E 的角度；设输入电流为正方向，即以M I I =-代入原发电机方程；有关物理量下标加M ；
则隐极机方程式（忽略a R ）：0M s U E jI x =+；与之对应的相量图及等效电路如【P225图24-2】； 凸极机方程（忽略a R ）：0d M d q M q
U E j I x j I x =++；相量图如【P226图24-3】；
3.采用电动机惯例后，用几何方法求电动机0M ψ、M δ、0E 的计算公式与发电机相同： 凸极机：0sin arctan
cos M q M
M M
I x U U ?ψ?+= ；
0M M M δψ?=-
0cos M dM d E U I x δ=+ 其中：0sin dM M M I I ψ=；0cos qM M M I I ψ=
4.功率方程和功角特性：
①电方面的功率平衡：1cua e P p P =+；
其中：1cos M M P mUI ?=——由电网输入的电功率；
e P ——电能转变为机械能的那部分功率，称为电磁功率；
2cua M a p mI R =——定子绕组铜耗； 常忽略a R ，则：1e P P ≈
②机械方面的功率平衡：20e Fe e P p p p P p P Ω?=+++=+；
其中：2P ——输出的机械功率；
0Fe p p p p Ω?=++——空载损耗，它包括了机械损耗p Ω、铁耗Fe p 和杂散损耗p ?；
③把机械方面的功率平衡方程0e e P p P =+两边除以同步角速度S Ω，可得同步电动机的转矩平衡方程：
02e T T T =+
其中： 1e e S S
P P
T =
≈ΩΩ————驱动性质的电磁转矩； 2
2S
P T =
Ω——电动机轴上输出的机械转矩； ④采用电动机惯例后，功角（矩角）特性方程也与发电机相同：
隐极电动机：0
sin e M s
UE P m
x δ= 0
sin e e M s S s
P UE T m x δ=
=ΩΩ 凸极电动机：2011
sin ()sin 22e M M d q d
UE U P m
m x x x δδ=+- 2011
sin ()sin 22e e M M S S d S q d
P UE U T m m x x x δδ==+-ΩΩΩ
可见：即使没有励磁即00E =，只要有凸极效应存在即d q x x ≠，同步电动机就有驱动电磁转矩，就能转动； 同步电动机过载能力的定义和计算公式也与发电机一样。
书上P227例24-1（1）
注：采用标幺值进行计算时，公式中没有相数m （二）同步电动机的运行特性
1.同步电动机的工作特性：e T 、M I 、η、2cos ()M f P ?=曲线，如【P227图24-4】； 其中：∵2
020e S
P T T T T =+=+
Ω； 0T 、s Ω不变；∴22e P T T ↑→↑→↑ ∵102cos M M e P mUI P p P ?=≈=+；∴21e M P P P I ↑→≈↑→↑
各机种的2()f P η=曲线形状基本相同，当可变损耗=不变损耗时，效率达到最大值。 2.同步电动机在不同励磁时的2cos ()M f P ?=曲线如【P227图24-6】； 从三条曲线的变化规律可见：
①当励磁一定时（同一条曲线上），随着2P 增大，电动机从cos M ?（超前）→cos 1M ?=→cos M ?（滞后）； ②在满载时达到cos 1M ?=比半载时达到cos 1M ?=所需的励磁电流要大、比空载时达到cos 1M ?=所需的励磁电流更大；
（三）同步电动机的无功功率调节
与同步发电机一样，调节励磁，可调节电动机的无功； 以隐极机为例，相量图如【P227图24-5】；
1. 调无功时为保证输入有功功率1e P P ≈不变，当调节f I ，0E 变化时，相量M I 的矢端必须在CD 线上移动、相量0E 的矢端必须在AB 线上移动；
2.由图24-5可见：正常励磁时，对应图中0E 、M I ；电动机不吸取无功；
过励时，对应图中0
E '、M I '；M I '是超前的电流，即电动机从电网吸取超前的无功； 欠励时，对应图中0
E ''、M I ''；M I ''是滞后的电流，即电动机从电网吸取滞后的无功； 注：过励时，同步发电机向电网输出落后的无功、电动机从电网吸取超前的无功；由于吸取超前=输出落后，故为了改善电网落后的功率因数，无论同步发电机还是同步电动机均应调节为过励状态。 （四）同步电动机的起动 同步电动机直接起动时，定子旋转磁场以同步速旋转，转子静止不动，作用在转子上的同步电磁转矩正、反交变，平均转矩为零，电动机不能自行起动；
1.异步起动法：主极极靴上装设自行闭合的起动绕组，类似于感应电动机的笼型绕组，起动过程包括两个阶段； ①异步起动阶段：励磁绕组串接限流电阻后短路，定子旋转磁场在起动绕组中感应电流，产生异步电磁转矩使
电机起动起来；
其中：励磁绕组不能开路，因为励磁绕组匝数较多，起动时定子旋转磁场会在其感应高电压；
励磁绕组也不能直接短路，因为励磁绕组中的感应电流会产生脉振磁场，其分解的反向旋转磁场与定
子绕组相互作用会产生一个“单轴转矩”，使合成转矩在n s /2附近产生明显下凹【P229图24-7】，以 致电动机的转速停滞在n s /2处不能继续上升；
②牵入同步阶段：当转子接近同步速时，加入直流励磁，可牵入同步； 2.同步电动机还可采用其他辅助动力机来起动，或采用变频起动。 （五）同步补偿机
1. 同步补偿机相当一台空载运行的同步电动机，不实现有功功率的传递；正常励磁时电枢电流接近于零；
2.与同步电动机一样：正常励磁时，补偿机不吸取无功；
过励时，从电网吸取超前的无功；
欠励时，从电网吸取落后的无功；
3.电网中大部分负载为感性，需从电网吸取落后的无功，电网上装设同步补偿机并调为过励，则可从电网吸取超前的无功，以补偿感性负载所需的无功，相当于向电网发出了滞后的无功，从而提高电网的功率因数。
注意：
1. 所有计算要先写公式再代数据最后写答案。
2. 所有物理量最后答案要写单位。
作业：
P233题5-23（1）（2）（3）
P
P234题5-26（1）（2）改求
eN
P234题5-30
同步电机检测实验报告
三相同步发电机的运行特性
一、实验目的 1.掌握三相同步发电机的空载、短路及零功率因素负载特性的实验求取法 2.学会用试验方法求取三相同步发电机对称运行时的稳态参数 二、实验参数 实验在电力系统监控实验室进行，每套实验装置以直流电动机作为原动机，带动同步电动机转动，配置常规仪表进行实验参数进行测量，本次同步发电机运行试验，仅采用常规控制方式。 同步发电机的参数如下 额定功率2kw 额定电压400v 额定电流 3.6A 额定功率因素0.8 接法Y 三、实验原理 工作原理 ◆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 ◆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 ◆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： ◆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。
永磁同步电机矢量控制简要原理
关于1.5KW永磁同步电机控制器的初步方案 基于永磁同步电机自身的结构特点，要实现对转速及位置的伺服控制，采用矢量控制算法结合SVPWM技术实现对电机的精确控制，通过改变电机定子电压频率即可实现调速，为防止失步，采用自控方式，利用转子位置检测信号控制逆变器输出电流频率，同时转子位置检测信号作为同步电机的启动以及实现位置伺服功能的组成部分。 矢量控制的基本思想是在三相永磁同步电动机上设法模拟直流 电动机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分量分解成产生磁通的励磁电流分量id和产生转矩的转矩电流iq分量，并使两分量互相垂直，彼此独立。当给定Id=0，这时根据电机的转矩公式可以得到转矩与主磁通和iq乘积成正比。由于给定Id=0，那么主磁通就基本恒定，这样只要调节电流转矩分量iq就可以像控制直流电动机一样控制永磁同步电机。 根据这一思想，初步设想系统的主要组成部分为：主控制板部分，电源及驱动板部分，输入输出部分。 其中主控制板部分即DSP板，根据控制指令和位置速度传感器以及采集的电压电流信号进行运算，并输出用于控制逆变器部分的控制信号。 电源和驱动板部分主要负责给各个部分供电，并提供给逆变器部分相应的驱动信号，以及将控制信号与主回路的高压部分隔离开。 输入输出部分用来输入控制量，显示实时信息等。
原理框图如下： 基本控制过程：速度给定信号与检测到的转子信号相比较，经过速度控制器的调节，产生定子电流转矩分量Isq_ref，用这个电流量作为电流控制器的给定信号。励磁分量Isd_ref由外部给定，当励磁分量为零时，从电机端口看，永磁同步电机相当于一台他励直流电机，磁通基本恒定，简化了控制问题。另一端通过电流采样得到三相定子电流，经过Clarke变换将其变为α-β两相静止坐标系下的电流，再通过park变换将其变为d-q两相旋转坐标系下电流Isq，Isd，分别与两个调节器的参考值比较，经过控制器调节后变为电压信号Vsd_ref 和Vsq_ref，再经过park逆变换，得到Vsa_ref和Vsb_ref作为SVPWM
三相同步、鼠笼电机实验报告
重庆邮电大学 实验报告 实验名称：三相同步电机参数的测定 三相鼠笼异步电动机的工作特性 专业：自动化 班级: 0811203 小组成员：徐明霞 2012212965 陈柏果 2012212983 谢炳辉 2012213031 王骏超 2012213094 陈浩 2012212756 傅荟桥 2012213172
三相同步电机参数的测定 一、实验目的 掌握三相同步发电机参数的测定方法，并进行分析比较加深理论学习。 二、实验项目 1、用转差法测定同步发电机的同步电抗X d 、X q 。 2、用反同步旋转法测定同步发电机的负序电抗X 2及负序电阻r 2。 3、用单相电源测同步发电机的零序电抗X 0。 三、实验方法及结果 1、实验设备 序 号 型 号 名 称 数 量 1 DD03 导轨、测速发电机及转速表 1件 2 DJ23 校正直流测功机 1件 3 DJ18 三相同步电机 1件 4 D41 三相可调电阻器 1件 5 D44 可调电阻器、电容器 1件 6 D32 交流电流表 1件 7 D33 交流电压表 1件 8 D34-3 单三相智能功率、功率因数表 1件 9 D51 波形测试及开关板 1件 2、屏上挂件排列顺序 D44、D33、D32、D34-3、D51、D41 图5-6 用转差法测同步发电机的同步电抗接线图 W W U V W V 1 A *** * 同步电机励磁绕组 S X Y Z A B C 同步电机电枢绕组 I P I P II ＋－ 220V 励磁电源MG 220V 电枢电源 ＋ －R s t
3、用转差法测定同步发电机的同步电抗X d 、X q 。 1) 按图5-6接线。同步发电机ＧＳ定子绕组用Y 形接法。校正直流测功机ＭＧ按他励电动机方式接线，用作ＧＳ的原动机。R f 选用D44上1800Ω电阻，并调至最小。R st 选用D44上180Ω电阻，并调至最大。R 选用D41上90Ω固定电阻。开关S 合向R 端。 2) 把控制屏左侧调压器旋钮退到零位，功率表电流线圈短接。检查控制屏下方两边的电枢电源开关及励磁电源开关都须在“关”的位置。 3）接通控制屏上的电源总开关，按下“开”按钮，先接通励磁电源，后接通电枢电源，启动直流电动机MG ，观察电动机转向。 4）断开电枢电源和励磁电源，使直流电机MG 停机。再调节调压器旋钮，给三相同步电机加一电压，使其作同步电动机起动，观察同步电机转向。 5）若此时同步电机转向与直流电机转向一致。则说明同步机定子旋转磁场与转子转向一致，若不一致，将三相电源任意两相换接，使定子旋转磁场转向改变。 6）调节调压器给同步发电机加5～15%的额定电压（电压数值不宜过高，以免磁阻转矩将电机牵入同步，同时也不能太低，以免剩磁引起较大误差）。 7）调节直流电机MG 转速，使之升速到接近GS 的额定转速1500 r/min ，直至同步发电机电枢电流表指针缓慢摆动（电流表量程选用0.25A 档），在同一瞬间读取电枢电流周期性摆动的最小值与相应电压最大值，以及电流周期性摆动最大值和相应电压最小值。 8）测此两组数据记录于表5-14中。 表5-14 序号 I max （A ） U min （V ） X q （Ω） I min （A ） U max （V ） X d （Ω） 1 0.075 27 207.85 0.05 28 311.78 2 0.04 15 216.51 0.03 16 307.93 计算： 4、用反同步旋转法测定同步发电机的负序电抗X 2及负序电阻r 2。 1) 将同步发电机电枢绕组任意两相对换，以改换相序使同步发电机的定子旋转磁场和转子转向相反。 2) 开关S 闭合在短接端(图示下端)，调压器旋钮退至零位，功率表处于正常测量状态(拆掉电流线圈的短接线)。 min max max min 33I U X I U X d q ==
电机实验报告
步进电机控制报告 目录 引言 0 一系统技术指标 (1) 二总体方案 (1) 2.1 任务分析 (1) 2.2 总体方案 (1) 三硬件电路设计 (2) 3.1 单片机控制单元 (2) 3.2 nokia5110液晶显示单元 (3) 3.3 电机的选择 (4) 3.3.1 反应式步进电机（VR） (4) 3.3.2 永磁式步进电机（PM） (4) 3.3.3 混合式步进电机（HB） (4) 3.3.4 电机确定 (5) 3.4 驱动电路方案选择 (5) 3.4.1 单电压功率驱动 (5) 3.4.2 双电压驱动功率驱动 (6) 3.4.3 高低压功率驱动 (6) 3.4.4 斩波恒流功率驱动 (7) 3.4.5 集成功率驱动 (8)
3.4.6 驱动电路方案确定 (9) 3.5 键盘电路 (9) 四软件设计 (11) 五测试结果 (13) 六误差分析 (13) 七操作规范 (13)
引言 本系统是基于MSP430的步进电机控制系统，能够实现精密工作台位移、速度（满足电机的加、减速特性）、方向、定位的控制。用MSP430F449作为控制单元，通过矩阵键盘实现对步进电机转动开始与结束、转动方向、转动速度的控制。并且将步进电机的转动方向，转动速度，以及位移动态显示在LCD液晶显示屏上。硬件主要包括单片机系统、电机驱动电路、矩阵键盘、LCD显示等。
一系统技术指标 系统为开环伺服系统，执行元件为步进电动机，传动机构为丝杠螺母副。工作台脉冲当量：δ=0.01 mm /脉冲；最大运动速度=1.2m/min；定位精度=±0.01 mm；空载启动时间=25ms。 二总体方案 2.1 任务分析 本系统要求脉冲当量为δ=0.01 mm /脉冲，而工作台丝杠螺母副导程4mm，即电机转动一周需要400个脉冲，所以电机的步距选择0.9度；最大速度要求为1.2m/min（20mm/s），所以单片机输出的脉冲频率最大为2000Hz；空载启动时间为25ms，所以电机的启动频率为40Hz。 2.2 总体方案 根据系统要求，经过分析，可对MSP430F449单片机编程，实现按键控制和nokia5110液晶屏显示。由于MSP430F449的I/O的电压是3.3V，不符合L298驱动芯片的输入电压要求，固通过光耦隔离芯片TLP521-4，将I/0的3.3V 电压提升至5V，然后接进L298来控制电机的定位，加减速，正反转来实现精确系统总体框图如图1所示：
永磁同步电动机矢量控制(结构及方法)
第2章永磁同步电机结构及控制方法 2.1 永磁同步电机概述 永磁同步电动机的运行原理与电励磁同步电动机相同，但它以永磁体提供的磁通替代后的励磁绕组励磁，使电动机结构较为简单，降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性；又因无需励磁电流，省去了励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度。因而它是近年来研究得较多并在各个领域中得到越来越广泛应用的一种电动机。 永磁同步电动机分类方法比较多：按工作主磁场方向的不同，可分为径向磁场式和轴向磁场式；按电枢绕组位置的不同，可分为内转子式(常规式)和外转子式；按转子上有无起绕组，可分为无起动绕组的电动机(用于变频器供电的场合，利用频率的逐步升高而起动，并随着频率的改变而调节转速，常称为调速永磁同步电动机)和有起动绕组的电动机(既可用于调速运行又可在某以频率和电压下利用起动绕组所产生的异步转矩起动，常称为异步起动永磁同步电动机)；按供电电流波形的不同，可分为矩形波永磁同步电动机和正弦波永磁同步电动机(简称永磁同步电动机)。异步起动永磁同步电动机用于频率可调的传动系统时，形成一台具有阻尼(起动)绕组的调速永磁同步电动机。 永磁同步伺服电动机的定子与绕组式同步电动机的定子基本相同。但根据转子结构可分为凸极式和嵌入式两类。凸极式转子是将永磁铁安装在转子轴的表面，如图 2-1(a)。因为永磁材料的磁导率十分接近空气的磁导率，所以在交轴(q 轴)、直轴(d 轴)上的电感基本相同。嵌入式转子则是将永磁铁安装在转子轴的内部，如图 2-1(b)，因此交轴的电感大于直轴的电感。并且，除了电磁转矩外，还有磁阻转矩存在。 为了使永磁同步伺服电动机具有正弦波感应电动势波形，其转子磁钢形状呈抛物线状，其气隙中产生的磁通密度尽量呈正弦分布；定子电枢绕组采用短距分布式绕组，能最大限度地消除谐波磁动势。永磁体转子产生恒定的电磁场。当定子通以三相对称的正弦波交流电时，则产生旋转的磁场。两种磁场相互作用产生电磁力，推动转子旋转。如果能改变定子三相电源的频率和相位，就可以改变转子的转速和位置。
电机实验报告一
西华大学实验报告（理工类） 开课学院及实验室： 电气与电子信息学院 6A-214 实验时间 ：2018年12月01日 一、实验目的 1．熟悉他励直流电动机的启动、调速和改变转向的方法。 2．用实验方法测取他励直流电动机的工作特性和机械特性。 3．学习测取他励直流电动机调速特性的方法。 二、实验内容 1．他励直流电动机的启动、调速和改变转向的方法。 2．他励直流电动机额定工作点的求取和测取他励直流电动机的工作特性n =f (P 2)、 T =f (P 2)、 =f (P 2)，机械特性n =f (T )。 3．测取他励直流电动机调速特性。 4．他励直流电动机的能耗制动实验。 三、实验线路 直流机电枢电源 同步机励磁电源 接触注：LDSP 为转矩/转速测量仪表 图1-1 他励直流电动机实验线路原理图 图1-2 他励直流电动机能耗制动原理图 直流机电枢电源
说明： 1．为了测量直流电机的转矩和转速大小，转矩/转速测量仪表LDSP的I a+、I a-必须串接到直流电机的电枢回路，U a+、U a-要并接到直流电机的电枢绕组两端，并且测量仪表的接线正负极性要与使用说明书中的规定一致。 2．接线时注意选择合适量程的仪表。 3．多功能表的接线详见附录二（后续实验同此）。 四、实验说明 在通电实验之前，请仔细阅读附录中有关直流电源和转矩/转速表LDSP的使用说明。 1．他励直流电动机的启动和改变转向 实验步骤： （1）请参照实验线路图1-1正确接线。检查ZDL-565多功能表为三相四线制接线方式，具体操作见附录。 （2）合上“总电源”开关，对应总电源指示灯亮，再合上“操作电源”空开，对应操作电源指示灯亮。按下“操作电源开关”合闸按钮，对应的红色指示灯亮；检查台面上所有的按钮处于断开位置，均为绿灯亮；所有数字表显示无错误。 （3）按下实验台直流机励磁电源合闸按钮，按下ZL-Ⅱ微机型直流电机励磁电源机箱面板上的“启动”按钮，面板上的“合闸”指示灯将会亮。点击“增加电压”按钮将直流电动机的励磁电压调到电机额定励磁电压值220V； （4）按下实验台直流电机电枢电源合闸按钮，点击“增加电压”按钮将电枢电压从零逐渐升高，观察“LDSP转矩/转速表”上的直流电机转速显示值，通过调节电枢电压的大小使电机的转速逐渐上升至其额定转速（约1500r/min）。启动电机时注意使电机的转向应与标定转向相同。 如果希望改变他励直流电动机的转向，只须改变电动机的电磁转矩方向，同学们自拟改变转向的方法。 2．额定工作点求取和测取他励电动机工作特性与机械特性 实验步骤： （1）实验接线参考图1-1，启动直流电动机步骤参考实验1。 （2）按下实验台同步电机励磁电源合闸按钮，点击“增加电压”按钮将同步发电机端电压逐渐升高，因为发电机以灯泡作负载，实验时其线电压不要超过额定电压380V。 （3）合上实验台交流接触器接通发电机负荷箱回路，依次将实验负荷箱上KM1~KM7按钮按下；注意每投入一组负载，需要同时调节直流电动机的电枢电压或励磁电流以便保持电动机转速为额定转速。同样，由于负荷的变化，同步发电机机端电压也会发生变化，需要随时调节同步发电机励磁电流，以保证机端电压基本不变。直流电动机的负载为同步发电机，改变同步发电机的输出功率，即可改变电动机的负载大小，电动机负载变化影响转速变化，因此需要相
永磁直线电机精确相变量建模方法(精)
第29卷第9期中国电机工程学报V ol.29 No.9 Mar.25, 2009 98 2009年3月25日 Proceedings of the CSEE ?2009 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号:0258-8013 (2009 09-0098-06 中图分类号:TM 351;TM 359 文献标志码:A 学科分类号:470?40 永磁直线电机精确相变量建模方法 曾理湛1,陈学东1,李长诗2,农先鹏1,伞晓刚1 (1. 数字制造装备与技术国家重点实验室(华中科技大学,湖北省武汉市 430074; 2. 郑州轻工业学院机电工程学院,河南省郑州市 450002 Accurate Phase Variable Modeling of PM Linear Motors ZENG Li-zhan1, CHEN Xue-dong1, LI Chang-shi2, NONG Xian-peng1, SAN Xiao-gang1 (1. State Key Laboratory of Digital Manufacturing Equipment & Technology (Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei Province, China; 2. College of Mechanical and Electrical Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450002, Henan Province, China ABSTRACT: This paper proposes a general finite element (FE based phase variable modeling method of permanent magnet (PM linear motors for the accurate dynamic simulation of drive systems. A general phase variable model of PM linear motors is established taking account of the effects of the nonideal geometrical structure on the thrust force, in which the mover position dependent variables are obtained from FE
昆明理工大学电气工程及其自动化 发电机同步实验报告
实验二：同步发电机综合实验 三相同步发电机并网运行 一、 实验目的 1、学习三相同步发电机投入并网运行的方法。 2、测试三相同步发电机并网运行条件不满足时的冲击电流。 3、研究三相同步发电机并网运行时的静态稳定性。 4、测试三相同步发电机突然短路时的短路电流。 二、 实验原理 1. 同步发电机的并网运行 发电机与电网是否符合下列条件： a 、双方应有相同的相序； b 、双方应有相同的电压； c 、双方应有相同或接近相同的频率； d 、双方应有相同的电压初相位。 在实际并网中，这些条件并不要求完全达到，只要在一定的 误差范围之内就可以进行并网，比如转速（频率）相差约??（2%～5%）。 总之，在并车的时候必须避免产生巨大的冲击电流，以防止同步电机损坏，避免电力系统受到严重的干扰。 2. 同步发电机的静态稳定性 发电机输出的电磁功率与功角的关系为： 静态稳定的条件用数学表达为0>??δM P ,我们称δ ??M P 为比整步功率,又称为整补功率系数,其大小可以说明发电机维护同步运行的能力，既说明静态稳定的程度，用P ss 表示。
δ角越小，P ss 数值越大，发电机越稳定。由δ d dP E 和P E 可知，当δ小于90°时，δ d dP E 为正值，在这个范围内发电机的运行是稳定的，但当δ愈接近90°，其值愈小，稳定的程度越低。当δ等于90°时，是稳定和不稳定的分界点，称为静态稳定极限。在所讨论的简单系统情况下，静态稳定极限所对应的功角正好与最大功率或称功率极限的功角一致。对应的o 90=δ时达到静态稳定功率极限。为了安全可靠，极限功率应该比额定功率大一定的倍数，即发电机的额定运行点都远低于稳定极限，以保持有足够的静稳定储备。P em 与P en 之比称为静过载能力K m ，即： 一般要求K m >1.7，也可以说发电机带额定有功负荷运行时静态稳定储备应该在70% 以上，因此额定功角n δ一般应该是30°左右。 三、 实验线路 四、 实验结果及分析 a 、 在短路器断开的情况下，测出电网和发电机的电压波形，找到并联条件满 足的点，确定并网的时间，进行并网实验，测试并网时的冲击电流； 实验参数： 图1：励磁电流图2：相位 实验结果： 图3：电网与发电机的电压波形图4：调整后的电网与发电机电压波形 图5：并网时间图6：冲击电流波形 b 、 调整发电机的运行条件，分别在初相位不同和电压幅值不同时，进行并网 实验，测试并网时的冲击电流 实验参数： 图7：相位不同，幅值相同图8：并网时间 实验结果：
一种微小型永磁直流直线电机
第10卷 第1期2006年1月 电 机 与 控 制 学 报 EL EC TR IC MACH I N ES AND CON TROL Vol 110No 11Jan .2006 一种微小型永磁直流直线电机 王坤东, 颜国正 (上海交通大学电信与电气工程学院820所,上海200030) 摘 要:针对永磁直流直线电机的微型化问题,提出了近似拼接的设计方案,优化了结构参数,并 加工出样机进行了试验。在尺寸所限下,该电机使用多个长方体永磁块拼接的正八边形来近似逼近全径向磁化管形磁铁励磁。利用有限元分析软件Max W ell910优化了气隙和磁铁厚度等结构参数。对样机进行了试验分析,结果表明电机驱动力和电流呈线性关系,在整个行程中,输出力均匀,驱动力在电流01004A 时可达0172N,线圈温度在5516°C 。关键词:微小型;永磁;直线电机;有限元优化 中图分类号:T M351 文献标识码:A 文章编号:1007-449X (2006)01-0070-04 A m i n i a ture per manent magnet li n ear DC motor WANG Kun 2dong, Y AN Guo 2zheng (School of Electrical and I nf or mati on Eng .,Shanghai J iaot ong Univ .,Shanghai 200030,China ) Abstract:This paper p resented a method based on j ointed per manents for m iniature of DC linear mot or .Structural para meters were op ti m ized .Pr ot otype was manufactured t o make s ome experi m ents .Under the constraint of m icr o di m ensi on,several rectangular per manent magnets were j oined t o be octagon,whose field app r oaches the filed of tube 2shaped per manent magnetized at radial directi on .Based on the FEA s oft w are Max W ell 910,the structural para meters such as dep th of air gap and per manent magnet were op 2ti m ized .The characters of mot or are analyzed thr ough experi m ents .Research de monstrates that driving f orce is p r oporti onal with the current,and driving force is stable in the whole str oke,and driving force reaches 0172N when the current strength is 01004A ,and the te mperature of coil rises t o 5516°C .Key words:m iniature;per manent;linear mot or;FE op ti m is m 收稿日期:2004-10-21;修订日期:2005-06-15 基金项目:国家高技术研究发展计划(863)资助项目(2001AA422210) 作者简介:王坤东(1978-),男,博士研究生,研究方向为微型特种机器人; 颜国正(1960-),男,博士后、教授、博士生导师,研究方向为特种机器人、仿生机械。 1 引 言 在微小空间进行作业的行走机构,如工业细小管道或人体消化道的检测机器人等,要求直径在10～15mm 之间,同时对驱动技术也提出了新的要求, 如驱动力大、控制方便、可靠等[1,2] 。微型旋转电机受尺寸的限制,加上将旋转运动变为直线运动的中间机构也占有一定空间,因此将外形尺寸控制在直径为10mm 以下比较困难 [3] 。压电驱动器行程较 短,一般都是在μm 量级,存在如何将位移进行放大 的问题,而且驱动力很难控制[4] 。形状记忆合金驱动器由于记忆合金的加热变形—冷却回复的时间较 长,因此速度较慢[5] 。直线电机是近年来出现的一种新型驱动技术,它将电能直接转换为直线运动的机械能,不需要运动转换的中间机构,因此结构尺寸上能够进一步减小。直线电机种类繁多,其中永磁直流直线电机由永磁励磁,结构简单,控制方便。从现有的产品看,还没有出现直径在10mm 以下的圆
川大电力系统自动装置实验报告
同步发电机并车实验 一、实验目的 1、加深理解同步发电机准同期并列原理，掌握准同期并列条件； 2、熟悉同步发电机准同期并列过程； 3、观察、分析有关波形。 二、原理与说明 将同步发电机并入电力系统的合闸操作通常采用准同期并列方式。准同期并列要求在合闸前通过调整待并机组的电压和转速，当满足电压幅值和频率条件后，根据“恒定越前时间原理”，由运行操作人员手动或由准同期控制器自动选择合适时机发出合闸命令，这种并列操作的合闸冲击电流一般很小，并且机组投入电力系统后能被迅速拉入同步。根据并列操作的自动化程度不同，又分为手动准同期、半自动准同期和全自动准同期三种方式。 正弦整步电压是不同频率的两正弦电压之差，其幅值作周期性的正弦规律变化。它能反映两个待并系统间的同步情况，如频率差、相角差以及电压幅值差。线性整步电压反映的是不同频率的两方波电压间相角差的变化规律，其波形为三角波。它能反映两个待并系统间的频率差和相角差，并且不受电压幅值差的影响，因此得到广泛应用。 手动准同期并列，应在正弦整步电压的最低点(同相点)时合闸，考虑到断路器的固有合闸时间，实际发出合闸命令的时刻应提前一个相应的时间或角度。 自动准同期并列，通常采用恒定越前时间原理工作，这个越前时间可按断路器的合闸时间整定。准同期控制器根据给定的允许压差和允许频差，不断地检查准同期条件是否满足，在不满足要求时闭锁合闸并且发出均压均频控制脉冲。当所有条件均满足时，在整定的越前时刻送出合闸脉冲。 三、实验项目、方法及过程 (一)机组启动与建压 1、检查调速器上“模拟调节”电位器指针是否指在0位置，如不在则应调到0 位置； 2、合上操作电源开关，检查实验台上各开关状态：各开关信号灯应绿灯亮、红灯 熄。调速器面板上数码管在并网前显示发电机转速（左）和控制量（右），在 并网后显示控制量（左）和功率角（右）。调速器上“并网”灯和“微机故障” 灯均为熄灭状态，“输出零”灯亮； 3、按调速器上的“微机方式自动/手动”按钮使“微机自动”灯亮； 4、励磁调节器选择它励、恒UF运行方式，合上励磁开关； 5、把实验台上“同期方式”开关置“断开”位置； 6、合上系统电压开关和线路开关QF1，QF3，检查系统电压接近额定值380V； 7、合上原动机开关，按“停机/开机”按钮使“开机”灯亮，调速器将自动启动
机械毕业设计954交流永磁直线电机及其伺服控制系统的设计
摘 要 直线电机在各行各业中发挥着越来越重要的作用，特别是在机床进给驱动系统中。本 文以平板式交流永磁同步直线电机为研究对象，从电机机体到伺服驱动系统的软、硬件设 计作了深入研究。 本文首先介绍了交流永磁同步直线电机机体设计过程中电枢绕组、铝芯和定子磁钢的 设计和改进方法，较大程度上减小了推力波动，并且结合大推力直线电机的特点设计了方 便有效的装配过程。 建立交流永磁同步直线电机的数学模型，在此基础上分析了当今最通用的伺服控制策 略，选择了矢量控制方法。确定0 d i 的矢量控制实现形式。通过SVPWM 方法进行脉宽调 制，合成三相正弦波。选用TI 公司2000系列最新DSP TMS320F2812，深入研究了以上算法 在DSP 中的实现形式。采用了C 语言和汇编语言混合编程的实现方法。在功率放大装置中， 以智能功率模块IPM 为核心，设计了功率伺服驱动系统。还包括电流采样、光电隔离、过 压欠压保护和电源模块等。 由于知识和能力的限制，本次课题只对直线电机做一些理论研究。 关键词：永磁同步直线电机 DSP SVPWM 矢量控制
Abstract Line motors are playing a more and more important role in all kinds of trade , especially in machine tool feed system. We carry out our study in motor , software and hardware servo system based on flat AC permanent magnet synchronous linear motor(PMSLM). First introduce the design method of armature ,core of al and magnet which can minish the thrust ripples, then introduce the means of assembly base on high thrust permanent magnet synchronous motors. To ensure the accuracy to a high requirements and get a wide speed range, we choose the dsp of Texas Instruments named TMS320F2812 which is the core of the servo system .In the paper we set up mathematical model of PMSLM, then analyse the current control strategies and choose the vector control method which is realized by the method of 0 d i .The three phase sine wave is compounded by space voltage pulse width modulation(SVPWM).The arithmetic realized by C language and assembly language in DSP. Intelligent Power Model (IPM) is the core of the power amplification circuit system which also contains current sampling circuit, photoelectric-isolation circuits, over-voltage protection circuits, under-voltage protection circuits and power supply. As a result of the knowledge and ability limit, this topic only does a fundamental research to the linear motor. Key words: permanent magnet synchronous linear motor(PMSLM), DSP, SVPWM, vector control
同步电机实验报告
三相同步发电机的运行特性 学院: 电气信息学院 专业: 电气工程及其自动化 班级: 2011级 姓名:
一、实验目的 1.掌握三相同步发电机的空载、短路及零功率因素负载特性的实验求取法 2.学会用试验方法求取三相同步发电机对称运行时的稳态参数 二、实验参数 实验在电力系统监控实验室进行，每套实验装置以直流电动机作为原动机，带动同步电动机转动，配置常规仪表进行实验参数进行测量，本次同步发电机运行试验，仅采用常规控制方式。 同步发电机的参数如下 额定功率2kw 额定电压400v 额定电流 3.6A 额定功率因素0.8 接法Y 三、实验原理 工作原理 ◆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 ◆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 ◆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： ◆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
交流永磁同步直线电机介绍及其控制系统设计
交流永磁同步直线电机介绍及其控制系统设计 制造业中需要的线形驱动力，传统的方法是用旋转电机加滚珠丝杠的方式提供。实践证明，在许多高精密、高速度场合，这种驱动已经显露出不足。在这种情况下直线电机应运而生。直线电机直接产生直线运动，没有中间转换环节，动力是在气隙磁场中直接产生的，可获得比传统驱动机构高几倍的定位精度和快速响应速度。 本文是在我系研制的同步直线电机基础上进行基于矢量变换控制的驱动系统设计应用。 2. 交流永磁工作原理 直线电机的工作原理上相当于沿径向展开后的旋转电机。交流永磁同步直线电机通入三相交流电流后，会在气隙中产生磁场，若不考虑端部效应，磁场在直线方向呈正弦分布。行波磁场与次级相互作用产生电磁推力，使初级和次级产生相对运动。图1所示为开发设计的交流永磁同步直线电机。 3. 永磁同步直线电机矢量控制原理 由于矢量控制动态响应快，相比较标量控制，在很快的时间内就能达到稳态运行。经过30多年工业实践的考验、改进与提高，目前已经达到成熟阶段[3]，成为交流伺服电机控制的首选方法。因此，直线电机采用了交流矢量控制驱动的方法。
直线电机初级的三相电压（U、V、W相）构成了三相初级坐标系（a，b，c 轴系），其中的三相绕组相角相差120?，即在水平方向上互差1/3极距。参照旋转电机矢量变换理论，设定两相初级坐标系（α-β轴系），由三相初级坐标系到直角坐标系转换称为Clark变换，见式（1）。 从静止坐标系到旋转坐标系的变换称为Park变换，见式（2）。反之称Park 逆变换。 θ是d轴与轴的夹角。根据旋转电机的Park变换理论和两电机结构比较。由于电机运动部分的不同，故直线电机动子相当于旋转电机定子，直线电机定子相当于旋转电机动子。所以在旋转电机中旋转坐标系固定在动子上，旋转坐标系随着电机转子一起同步旋转。在直线电机中，由运动相对性原理，动子的直线运动，
稀土永磁材料及其在直线电机中的应用展望
本文1996年12月10日收到 煤炭科学基金项目(94电10817) 综 述 稀土永磁材料及其在直线电机中的应用展望 焦留成 禹 沛 禹 涓 (焦作工学院 焦作454000) (焦作教育学院 焦作454151) (焦作工学院 焦作454000) Prospects for Rare -earth Permanent Magnet Materials and their Application in Linear Motors J iao L iucheng (Jiaozuo Institute of T echnolo gy ,Jiaozuo 454000)Yu P ei (Jiaozuo Educational Colleg e ,Jiao zuo 454151) Yu J uan (Jiaozuo Institute of T echno logy ,Jiaozuo 454000) 【摘 要】 介绍了稀土永磁材料的发展、磁性能及其在直线电机中的应用,指出稀土永磁直线电机将成为直线电机的一个重要发展方向。 【关键词】 稀土永磁材料 直线电机 永磁直线电机【Abst ract 】 Rar e -ear th perma nent magnet mater ials'development,per for mance and applicatio n in lin-ear mo tor s is intr oduced.Rar e -eart h per manent magnet linear mo to rs w ill be an impo rtant dev elo pment t rend of linear mo tor s . 【Keywords 】 rar e -eart h permanent magnet mater i-als linear moto rs perma nent mag net linear mo tor s 1前 言 稀土永磁材料以其优异的磁性能得到了广泛 的应用和开发。其中钕铁硼永磁材料尤以价格相对低廉,日益成为应用最广泛的稀土永磁材料。在钕铁硼永磁材料中,将近40%被用于电机行业。由于直线电机的应用范围不断扩大,稀土永磁材料在直线电机方面的应用也日益受到重视。稀土永磁材料在直线电机方面的应用,有着广阔的前景。 2稀土永磁材料 2.1稀土永磁材料的发展 永磁材料属基础材料,目前有铝镍钴金属永磁,铁氧体永磁和稀土永磁三大类。稀土永磁是稀土元素(镧、镨、钇、钐、镐……)与铁族元素的金属间化合物。第一代稀土永磁合金(SmCo 5)诞生于 60年代后期,70年代第二代稀土永磁合金(Sm 2Co 17)问世。这两种永磁材料虽然磁性能好,但 钐与钴价格昂贵,限制了它们的应用。1983年6月,日本住友特殊金属公司制成了第三代稀土永磁合金(NdFeB)。钕铁硼永磁材料具有优异的磁性能,同时由于钕资源丰富,又以廉价的铁代替钴,所以其价格相对低廉,市场竞争力强,便于推广应用。钕铁硼永磁材料的问世被列为1983年世界十大重要科技成果之一。 2.2钕铁硼永磁材料的磁性能 钕铁硼永磁材料的磁性能优异,兼有铝镍钴和铁氧体永磁的优点,具有很高的剩磁和矫顽力,以及很大的磁能积。目前,常用的稀土永磁材料的磁能积,Sm Co 5为127.36～183.08kJ/m 3,试验最高值达227.7kJ/m 3 ;Sm 2Co 17为159.2～238.8kJ/m 3 ,试验最高值达263kJ /m 3,NdFeB 为238.8～318.4kJ /m 3;试验最高值415.5kJ /m 3。在各种永磁材料中,钕铁硼的磁能积最高,其最大磁能积比铝镍钴的大5～8倍,比铁氧体大10～15倍,在同样的有效体积下,比电励磁的大5～8倍,仅次于超导励磁。 钕铁硼磁钢的剩磁B r 和矫顽力H c 均很高。商品钕铁硼的B r 为1.02～1.25T ,最高可达14.8T ,约是铁氧体永磁的3～5倍,约是铝镍钴永磁的1～2倍。商品钕铁硼的磁感应矫顽力H CB 为764.2～915kA/m ,内禀矫顽力H CM 为876～1671.6kA /m ,最高可达2244.7kA /m ,相当于铁氧体的5～10倍,铸造铝镍钴的5～15倍。各种永磁材料的 32 微特电机 1997年第2期
感应起电机实验报告
感应起电机实验报告 篇一：感应起电机原理 感应起电机工作原理 及应用概述 学院：信息工程学院 班级：计01. 2班 组长：冯明浩0154038 小组成员：贾铮0154042 闫玮蓉0154054 张星0154056 日期：2002年12月20日 课题研究介绍 名称：感应起电机工作原理及应用概述 内容： 一、感应起电机基本结构。 二、感应起电机正转、反转状态下的工作原理。 三、拓展试验。
资料收集：冯明浩贾铮闫玮蓉张星 资料整理：贾铮 论文撰写：冯明浩贾铮闫玮蓉张星 主讲：闫玮蓉 试验操作：冯明浩 参考书目：《大学物理·电磁学》清华大学出版社张三慧主编《静电防护技术手册》电子工业出版社张宝铭主编《大不列颠百科全书》第五卷 参考网站： /retype/zoom/1b56b6d4b9f3f90f76c61b52 ?pn=3&x=0&y=0&raww=553&rawh=350 &o=png_6_0_0_439_282_337_213__&ty pe=pic&aimh=&md5sum=bfc23c0255ea7 e56ae71b40e01c0c6de&sign=8cbda26375 &zoom=&png=24362-125522&jpg=0-0” target=“_blank”>点此查看 这是因为没有莱顿瓶后其电容减小了，
可由公式U=Q/C解释：要产生电火花，两小球间电压约为几万伏，当C减小时，悬空电刷仅需要集聚很少电荷就可使电压升高到放电要求，故与原来相比，放电频率会加大。但是由于小球上每次放电所放出的电量减少了，相应电流也会减小，因而电火花很小。 二、感应起电机正转、反转状态下的工作原理 当顺时针摇动转轮上的摇柄时，分开的两个小球之间会有电火花产生，同时会听到噼里啪啦的放电声。这就是感应起电机的放电现象。这样的现象是如何产生的呢？下面我们就介绍一下它的原理。 由于在静电序列中铝排在铜之前，所以在圆盘转动时铝片与电刷上的铜丝摩擦而带上正电荷，铜丝带负电荷。如图：假设刚摩擦时金属铝片S1带电量为Q1，与其在同一直径上的铝片S2带电量为Q2,Q1与Q2有大小之分。如图：S1转过45°1===> S