电机学课件—第七章

1、第七章第七章 其它电机简介其它电机简介 7.1 7.1 双馈异步发电机及其在风力发电中的应用双馈异步发电机及其在风力发电中的应用 7.2 7.2 永磁无刷直流电动机永磁无刷直流电动机 7.3 7.3 开关磁阻电机开关磁阻电机 7.4 7.4 步进电机步进电机 7.5 7.5 控制电机简介控制电机简介 本章小结本章小结 7.1 7.1 双馈异步发电机及其在风力发电双馈异步发电机及其在风力发电 中的应用中的应用 双馈异步发电机的工作原理是怎样的？为什么双馈异步发电机的工作原理是怎样的？为什么 双馈异步发电机在风力发电中得到广泛的应用？双馈异步发电机在风力发电中得到广泛的应用？ 20Kw20Kw风力

2、发电机风力发电机 异步发电机异步发电机 7.1.1 7.1.1 双馈异步发电机工作原理双馈异步发电机工作原理 一、基本原理一、基本原理 双馈电机在结构上类似绕线式异步双馈电机在结构上类似绕线式异步 电机，定子侧直接接入三相工频电网电机，定子侧直接接入三相工频电网, ,而而 转子侧通过变流器接入所需低频电流。转子侧通过变流器接入所需低频电流。 因为定子与转子两侧都有能量的馈送因为定子与转子两侧都有能量的馈送, ,所所 以称为双馈电机。以称为双馈电机。 由第四章知，绕线转子异步电机的转子上嵌由第四章知，绕线转子异步电机的转子上嵌 装有三相对称绕组，在该三相对称绕组中通入三装有三相对称绕组，在该三相

3、对称绕组中通入三 相对称交流电，则将在电机气隙内产生旋转磁场，相对称交流电，则将在电机气隙内产生旋转磁场， 此旋转磁场的转速与所通入的交流电的频率及电此旋转磁场的转速与所通入的交流电的频率及电 机的极对数有关，即机的极对数有关，即 (7-1-1)(7-1-1) p f n 2 2 60 从式从式(7-1-1)(7-1-1)可知，改变频率可知，改变频率 ，即可改变，即可改变 。因。因 此，则只要调节转子电流的频率此，则只要调节转子电流的频率 ，就从而维持：，就从而维持： (7-1-2)(7-1-2) 式中式中 对应于电网频率对应于电网频率 时异步发电机的同步时异步发电机的同步 转速。转速。 2

4、f 2 n 2 f 21 nnn常数 1 n 1 f 异步电机定、转子电流频率的关系为异步电机定、转子电流频率的关系为 (7-1-3) 式式(7-1-3)表明，异步电机定子绕组的感应电势，表明，异步电机定子绕组的感应电势， 如同在同步发电机时一样，其频率将始终维持如同在同步发电机时一样，其频率将始终维持 为为 不变。不变。 21 fsf 1 f 二、三种运行状态二、三种运行状态 根据转子转速变化，双馈异步发电机有根据转子转速变化，双馈异步发电机有 以下三种运行状态：以下三种运行状态： 亚同步运行状态。在此种状态下亚同步运行状态。在此种状态下 ，由滑差频率为，由滑差频率为 的电流产生的旋转磁场的

5、电流产生的旋转磁场 转速转速 与转子的转速方向相同，因此有与转子的转速方向相同，因此有 (1)(1) 。 1 nn 2 f 2 n 12 nnn (2) (2) 超同步运行状态。此种状态下超同步运行状态。此种状态下 ，改变，改变 通入转子绕组的频率为通入转子绕组的频率为 的电流相序，则其所产的电流相序，则其所产 生的旋转磁场的转向与转子的转向相反，因此有生的旋转磁场的转向与转子的转向相反，因此有 。为了实现。为了实现 转向反向，在由亚转向反向，在由亚 同步运行转向超同步运行时，转子三相绕组必须同步运行转向超同步运行时，转子三相绕组必须 能自动改变其相序；反之，也是一样。能自动改变其相序；反之，

6、也是一样。 1 nn 2 f 12 nnn 2 n (3) (3) 同步运行状态。此种状态下同步运行状态。此种状态下 ，滑差频，滑差频 率率 ，这表明此时通入转子绕组的电流的频，这表明此时通入转子绕组的电流的频 率为率为0 0，也即是直流电流，因此与普通同步发电机，也即是直流电流，因此与普通同步发电机 一样。一样。 2 0f 1 nn 7.1.27.1.2等值电路及向量图等值电路及向量图 图图7-1-1 双馈异步发电机的等值电路双馈异步发电机的等值电路 （a a）亚同步运行）亚同步运行 （b b）超同步运行）超同步运行 图图7-1-27-1-2双馈异步发电机稳态运行时的向量图双馈异步发电机稳态

7、运行时的向量图 7.1.3 7.1.3 双馈电机在风力发电中的应用双馈电机在风力发电中的应用 图图7-1-37-1-3为典型的变速恒频风力发电系为典型的变速恒频风力发电系 统示意图，主要由风力机、增速箱、双馈统示意图，主要由风力机、增速箱、双馈 发电机、双向步流器、和控制系统组成。发电机、双向步流器、和控制系统组成。 图图7-1-3典型的变速恒频风力发电系统示意图典型的变速恒频风力发电系统示意图 双馈异步发电机在不同运行状态下功率传递关系怎双馈异步发电机在不同运行状态下功率传递关系怎 样？样？ 双馈异步发电机在亚同步运行及超同步运行时双馈异步发电机在亚同步运行及超同步运行时 的功率流向如图的功

8、率流向如图7-1-47-1-4所示，图中为发电机的电磁功所示，图中为发电机的电磁功 率，不计定子绕组损耗时，等于从定子输出到电网率，不计定子绕组损耗时，等于从定子输出到电网 的电功率。为电机的转差率，为输入机械功率。的电功率。为电机的转差率，为输入机械功率。 (a)亚同步运行亚同步运行 （b）超同步运行）超同步运行 图图7-1-4 双馈异步发电机运行时的功率流向双馈异步发电机运行时的功率流向 风速较低，电机运行在亚同步状态时，风速较低，电机运行在亚同步状态时， ，需要从电网向电机转子绕组馈入电功率，风力机，需要从电网向电机转子绕组馈入电功率，风力机 经转子传递给定子的功率为经转子传递给定子的功

9、率为 （忽略电机损耗），（忽略电机损耗）， 转子需要输入的电机率为转子需要输入的电机率为 ，所以发电机传，所以发电机传 给电网的总功率只有给电网的总功率只有 ，如图，如图7-4-4(a)7-4-4(a)。 Pem sPem ememem 1PsPs P 0s 风速较低，电机运行在超同步状态时，风速较低，电机运行在超同步状态时， ，转，转 子绕组向外（电网）供电，风力机经转子传递给定子的子绕组向外（电网）供电，风力机经转子传递给定子的 功率为功率为 （忽略电机损耗），转子输出到电网的电机（忽略电机损耗），转子输出到电网的电机 率为率为 ，所以发电机传给电网的总功率为，所以发电机传给电网的总功率为

10、 ，如图，如图7-1-4(b)7-1-4(b)。 0s Pem em s P ememem 1Ps Ps P 下面给出一双馈电机在风力发电系统中应用实例说下面给出一双馈电机在风力发电系统中应用实例说 明在不同风速下定、转子及输出功率的关系。明在不同风速下定、转子及输出功率的关系。 该电机主要参数：额定功率：该电机主要参数：额定功率：1501kW1501kW，额定转速：，额定转速： 1440r/min1440r/min，额定效率：，额定效率：97.1%97.1%，额定频率：，额定频率：60Hz60Hz，额定，额定 功率因数：功率因数：1.01.0，定子电压：，定子电压：575V575V，转子电压

11、：，转子电压：376V376V， 定子电流：定子电流：1287.2A1287.2A，转子电流：，转子电流：396.5A396.5A，定子输出功，定子输出功 率：率：1263kW1263kW，转子输出功率：，转子输出功率：247.8kW247.8kW。 表表7-1-17-1-1发电机在不同转速下的基本运行特性发电机在不同转速下的基本运行特性 n/ r/min Pe/ kW Ps/ kW Pr/ kW Qr/ kVAr I1/ A I2/ A EF/ % U2/ V 800446.0689.0-233.2-159.1691.8244.692.85666.3 900625.9853.0-218.0-

12、133.4856.5291.394.61504.5 1000795.9970.0-167.1-94.4973.9325.595.75340.4 1100974.61074.0-95.4-50.61078.4356.496.61174.9 1200896.0900.0-3.80.0903.7305.096.897.2 13001247.81160.091.450.41164.7382.197.18160.2 14001431.31238.0201.4113.21243.0405.697.12328.8 14401500.91263.0247.8138.21268.1413.197.10396.5

13、 15001500.31213.0299.3166.91217.9398.097.00497.0 16001502.11140.0377.2211.61144.6376.196.85664.0 7.2 7.2 永磁直流无刷电动机永磁直流无刷电动机 永磁无刷直流电机是在传统直流电机基础上发展永磁无刷直流电机是在传统直流电机基础上发展 起来的，其电磁结构上和传统直流电机一样，但是无起来的，其电磁结构上和传统直流电机一样，但是无 刷直流电机的电枢绕组放在定子上，转子则采用永磁刷直流电机的电枢绕组放在定子上，转子则采用永磁 材料制成的永磁体。永磁无刷直流电机以电子换向器材料制成的永磁体。永磁无刷直流电

14、机以电子换向器 取代了机械电刷和换向器，消除了电的滑动接触机构。取代了机械电刷和换向器，消除了电的滑动接触机构。 7.2.1 7.2.1 基本结构基本结构 永磁无刷直流电机驱动系统由电机本体、永磁无刷直流电机驱动系统由电机本体、 转子位置传感器和功率电子开关转子位置传感器和功率电子开关(逆变器逆变器)三三 部分组成，其结构简图如图部分组成，其结构简图如图7-2-1所示。所示。 图图7-2-1 7-2-1 永磁无刷直流电动机的结构简图永磁无刷直流电动机的结构简图 各主要组成部分的结构如下：各主要组成部分的结构如下： 1 1、电机本体、电机本体 2 2、电子开关（逆变环节）、电子开关（逆变环节）

15、3 3、转子位置传感器、转子位置传感器 图图7-2-2 永磁无刷直流电动机本体转子结构形式永磁无刷直流电动机本体转子结构形式 7.2.2 7.2.2 工作原理工作原理 永磁无刷直流电机的工作原理是什么？永磁无刷直流电机的工作原理是什么？ 它是如何实现电子换相的？它是如何实现电子换相的？ (a) (b) (a) (b) 图图7-2-3 7-2-3 两相导通三相六状态永磁无刷直流电动机工作原理示意图两相导通三相六状态永磁无刷直流电动机工作原理示意图 当转子永磁体转到图当转子永磁体转到图7-2-37-2-3（a a）所示位置时，）所示位置时， 转子位置传感器发出磁极位置信号，经过控制电转子位置传感器

16、发出磁极位置信号，经过控制电 路逻辑变换后驱动逆变器，使功率开关管路逻辑变换后驱动逆变器，使功率开关管V1V1、V6V6 导通（见图导通（见图7-2-17-2-1），电流），电流A A进进B B出，绕组出，绕组ABAB通电，通电， 电枢电流在空间形成磁势电枢电流在空间形成磁势,如图如图7-2-3(a)7-2-3(a)所示。所示。 当转子转过电角度，到达图当转子转过电角度，到达图7-2-3(b)7-2-3(b)位置时，位置时， 位置传感器输出的信号，经过逻辑变换后使开关位置传感器输出的信号，经过逻辑变换后使开关 管管V6V6截止，截止，V2V2导通，此时导通，此时V1V1仍导通。绕组仍导通。绕组

17、ACAC通电，通电， 电流电流A A进进C C出，电枢电流在空间合成磁场如图出，电枢电流在空间合成磁场如图b b所示所示 7.2.37.2.3运行特性运行特性 1 1、电枢绕组感应电动势、电枢绕组感应电动势 （7-2-17-2-1） 式中，式中， 为每极磁通；为每极磁通； 为电机转速；为电机转速； 为电势常数；为电势常数； 为极对数；为极对数； 为电枢绕组每相串联匝数；为电枢绕组每相串联匝数； 为计算极弧系数。为计算极弧系数。 e ECn 2 15 e i p CW n p W i 2 2、电枢电流、电枢电流 （7-2-27-2-2） 式中，式中， 为电枢电流；为电枢电流； 为电源电压；为电源

18、电压； 为功率管饱为功率管饱 和压降；和压降； 为每相绕组电阻，。为每相绕组电阻，。 2 2 a a UUE I r a I U U a r 3 3、电磁转矩、电磁转矩 （7-2-37-2-3） 式中，式中， 为转矩常数。为转矩常数。 Ta TCI 4 T i p CW 4 4、机械特性、机械特性 （7-2-47-2-4） 2 2222 aa a eeeeT UUrUUr nIT CCCC C 因此，永磁无刷直流电机的机械特性较硬，具有和因此，永磁无刷直流电机的机械特性较硬，具有和 传统直流电机一样好的控制性能，可以通过改变供电电传统直流电机一样好的控制性能，可以通过改变供电电 压实现无级调速

19、，调节电枢电流达到转矩控制的目的。压实现无级调速，调节电枢电流达到转矩控制的目的。 7.3 7.3 开关磁阻电机开关磁阻电机 开关磁阻电机开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor, (Switched Reluctance Motor, SRM)SRM)，又称可变磁阻电机，又称可变磁阻电机(Variable Reluctance (Variable Reluctance Motor)Motor)，是磁阻式电动机和开关电源组成的机电一，是磁阻式电动机和开关电源组成的机电一 体化的新型电机。其结构特别简单、可靠，系统调体化的新型电机。其结构特别简单、可靠，系统调 速性能好，

20、效率高，成本低，目前已在航空工业和速性能好，效率高，成本低，目前已在航空工业和 通用工业的各个领域得到了广泛的应用。通用工业的各个领域得到了广泛的应用。 开关磁阻电机开关磁阻电机 开关磁阻电机风力发电的应用开关磁阻电机风力发电的应用 7.3.1 7.3.1 结构特点结构特点 图图7-3-1 开关磁阻电机的典型结构原理开关磁阻电机的典型结构原理 7.3.2 7.3.2 工作原理工作原理 开关磁阻电机的运行原理是什么？开关磁阻电机的运行原理是什么？ 其电磁转矩有什么特点？其电磁转矩有什么特点？ 开关磁阻电机是依靠磁阻效应运行的，开关磁阻电机是依靠磁阻效应运行的， 其运行原理遵循其运行原理遵循“磁阻

21、最小原理磁阻最小原理”，即磁通，即磁通 总要沿着磁阻最小的路径闭合，在磁场中，总要沿着磁阻最小的路径闭合，在磁场中， 一定形状铁心的主轴线有向与磁场轴线重合一定形状铁心的主轴线有向与磁场轴线重合 位置运动的趋势。位置运动的趋势。 如图如图7-3-17-3-1，当定子绕组，当定子绕组 励磁时，所产生的励磁时，所产生的 磁力则力图使转子极轴线磁力则力图使转子极轴线 与定子极轴线与定子极轴线 重合，重合， 并使并使B B相励磁绕组的电感最大。若以图中定、转子所相励磁绕组的电感最大。若以图中定、转子所 处位置作为起始位置，依次按顺序处位置作为起始位置，依次按顺序 给绕给绕 组通电，则转子受磁场力作用沿

22、顺时针旋转。组通电，则转子受磁场力作用沿顺时针旋转。 BB 22BB CBAC 反之依次按顺序反之依次按顺序 给绕组通给绕组通 电，则转子逆时针旋转。可见，开关磁阻电动电，则转子逆时针旋转。可见，开关磁阻电动 机的转向与绕组的电流方向无关，仅取决于相机的转向与绕组的电流方向无关，仅取决于相 绕组通电顺序。绕组通电顺序。 BACB 由于由于SRMSRM的转向与绕组电流方向无关，的转向与绕组电流方向无关， 所以使得功率变换器电路能够充分简化。在所以使得功率变换器电路能够充分简化。在 图图7-3-17-3-1中，当主开关中，当主开关S1S1、S2S2接通时，接通时，A A相绕相绕 组从直流电源组从直

23、流电源U U吸收电能，而当吸收电能，而当S1S1、S2S2断开断开 时，绕组电流通过续流二极管时，绕组电流通过续流二极管VD1VD1、VD2VD2将剩将剩 余能量回馈给电源。因此余能量回馈给电源。因此SRMSRM具有能量回馈具有能量回馈 的特点，系统效率高。的特点，系统效率高。 7.3.3 7.3.3 运行特性运行特性 设每相绕组开关频率设每相绕组开关频率(主开关管开关频率主开关管开关频率) 为为 ，转子极数为，转子极数为 ，则电机的同步转，则电机的同步转 速（速（r/min）可表示为：）可表示为： (7-2-1) ph f r N ph r 60f n N 由于电机磁路的非线性，其电磁转矩应

24、根据磁共由于电机磁路的非线性，其电磁转矩应根据磁共 能来计算，即：能来计算，即： (7-3-2) 式中，式中， 为转子位置角；为转子位置角； 为绕组电流。为绕组电流。 , , Wi Ti i 若忽略磁路的非线性，上式可简化为：若忽略磁路的非线性，上式可简化为： (7-3-3) 2 d , 2 d iL Ti 7.47.4步进电动机步进电动机 步进电动机是将电脉冲信号转换成输步进电动机是将电脉冲信号转换成输 出轴的角位移或线位移的电动机，因此又出轴的角位移或线位移的电动机，因此又 称为脉冲电动机。称为脉冲电动机。 7.4.17.4.1基本结构基本结构 图图7-4-1 反应式步进电机的原理结构图反

25、应式步进电机的原理结构图 图图7-4-2 反应式步进电动机结构图反应式步进电动机结构图 7.4.27.4.2工作原理工作原理 反应式步进电机是利用凸极转子的交轴磁反应式步进电机是利用凸极转子的交轴磁 阻与直轴磁阻之差所产生的反应转矩而转动的，阻与直轴磁阻之差所产生的反应转矩而转动的， 所以也称为磁阻式步进电机。所以也称为磁阻式步进电机。 步进电机在工作时，需由专用的驱动步进电机在工作时，需由专用的驱动 电源将脉冲电压信号按一定的轮流加到定电源将脉冲电压信号按一定的轮流加到定 子的各相绕组上。定子绕组从一次通电到子的各相绕组上。定子绕组从一次通电到 下一次通电称为一拍。每一拍转子转过的下一次通电

26、称为一拍。每一拍转子转过的 角度称为步距角角度称为步距角 。 b 相步进电机按通电方式的不同，有以下三相步进电机按通电方式的不同，有以下三 种运行方式：种运行方式： 1 1、 相单相单 拍运行拍运行 每次只给一相绕组通电，通电次完成一个通电循每次只给一相绕组通电，通电次完成一个通电循 环。以三相步进电机为例，此时通电顺序为环。以三相步进电机为例，此时通电顺序为 或反之。或反之。 m ACB mm 2 2、 相双相双 拍运行拍运行 每次同时给两相绕组通电，通电每次同时给两相绕组通电，通电 次完成一个通电次完成一个通电 循环。以三相步进电机为例，此时通电顺序为循环。以三相步进电机为例，此时通电顺序

27、为 或反之。或反之。 3 3、 相单、双相单、双2 2 拍运行拍运行 以三相步进电机为例，其运行方式为三相单、双六以三相步进电机为例，其运行方式为三相单、双六 拍运行，此时通电顺序为拍运行，此时通电顺序为 或反之。或反之。 mm m mm ABBCCA AABBBCCCA (a) A相通电状态相通电状态 (b) B相通电状态相通电状态 (c) C相通电状态相通电状态 图图7-4-3 反应式步进电动机的工作原理图反应式步进电动机的工作原理图 7.4.3 7.4.3 转速转速 如果以如果以 表示步进电机运行的拍数，则转子表示步进电机运行的拍数，则转子 经过经过 步，将转过一个齿距。每转一圈步，将转

28、过一个齿距。每转一圈( (即即 机械角度机械角度) )，需要走，需要走 （ 为转子齿数），步为转子齿数），步 距角为：距角为： (7-4-1) (7-4-1) N N 0 360 r NZ r Z 0 r 360 S NZ (7-4-2) 式中，式中， 为通电状态系数。当采用单拍或双拍为通电状态系数。当采用单拍或双拍 运行时，运行时， ；而采用单、双拍运行时，；而采用单、双拍运行时， 。 NCm C 1C 2C 当步进电机的通电脉冲的频率为当步进电机的通电脉冲的频率为 时，由时，由 于转子每经过于转子每经过 个脉冲就旋转一周，故步进个脉冲就旋转一周，故步进 电机每分钟的转速为：电机每分钟的转速

29、为： （7-4-37-4-3） f r NZ 60 r f n NZ 步进电机不失步起动的最高频率称为起动频率。步进电机不失步起动的最高频率称为起动频率。 步进电机不失步运行的最高频率称为运行频率。步进电机不失步运行的最高频率称为运行频率。 由上可见，反应式步进电动机的转速与拍由上可见，反应式步进电动机的转速与拍 数、转子齿数及脉冲频率有关。数、转子齿数及脉冲频率有关。 7.5 7.5 控制电机简介控制电机简介 近年来，随着科学技术的发展和控制系统的不近年来，随着科学技术的发展和控制系统的不 断更新，对电机的要求越来越高。现在，已研制出断更新，对电机的要求越来越高。现在，已研制出 一些新型电机

30、，如双馈异步发电机、永磁无刷直流一些新型电机，如双馈异步发电机、永磁无刷直流 电机、开关磁阻电机等。本章将对这些新型电机的电机、开关磁阻电机等。本章将对这些新型电机的 基本结构和工作原理简介。基本结构和工作原理简介。 控制电机与一般旋转电机无原理上的控制电机与一般旋转电机无原理上的 差别，特性也大致相同。各种控制电机的差别，特性也大致相同。各种控制电机的 用途和功能尽管不同，但它们基本上可分用途和功能尽管不同，但它们基本上可分 为测量元件和执行元件两大类。为测量元件和执行元件两大类。 7.5.1 7.5.1 作为测量元件使用的控制电机作为测量元件使用的控制电机 1 1、测速发电机、测速发电机

31、测速发电机的功能是将机械转速转变为电信号测速发电机的功能是将机械转速转变为电信号 ( (输出端电压输出端电压) )输出，其输出电压精确的与转速成正输出，其输出电压精确的与转速成正 比，在系统中用来检测转速或进行速度反馈，也可比，在系统中用来检测转速或进行速度反馈，也可 以作为微分、积分的计算元件。根据输出电压的不以作为微分、积分的计算元件。根据输出电压的不 同，分为直流测速发电机和交流测速发电机。同，分为直流测速发电机和交流测速发电机。 2 2、自整角机、自整角机 自整角机的功能是对机械信号自整角机的功能是对机械信号( (转角或转速转角或转速) ) 进行传递、测量或指示。自整角机一般是两个进行

32、传递、测量或指示。自整角机一般是两个 以上元件对接使用，用于角度数据测量中。输以上元件对接使用，用于角度数据测量中。输 出电压信号的属于信号元件，输出转矩的属于出电压信号的属于信号元件，输出转矩的属于 功率元件。功率元件。 自整角机的基本用途是角度数据传输，自整角机的基本用途是角度数据传输， 作为信号元件时，输出电压是两个元件转子作为信号元件时，输出电压是两个元件转子 角差的正弦函数。作为功率元件时，输出转角差的正弦函数。作为功率元件时，输出转 矩也近似为两个元件转子角差的正弦函数，矩也近似为两个元件转子角差的正弦函数， 即在随动系统中作自整步元件或实现角度传即在随动系统中作自整步元件或实现角度传 输、变换和接收。输、变换和接收。 3 3、旋转变压器、旋转变压器 它的主