第3章同步电动机变压变频调速系统

运动控制系统第6章同步电动机变压变频调速系统概述同步电动机直接投入电网运行时，存在失步与起动两大问题，曾一直制约着同步电动机的应用。同步电动机的转速恒等于同步转速，所以同步电动机的调速只能是变频调速。概述变频调速的发展与成熟不仅实现了同步电动机的调速问题，同时也解决了失步与起动问题，使之不再是限制同步电动机运行的障碍。同步电动机的调速可分为自控式和他控式两种，适用于不同的应用场合。内容提要6.1同步电动机的基本特征与调速方法6.2他控变频同步电动机调速系统6.3自控变频同步电动机调速系统6.4同步电动机矢量控制系统6.1同步电动机的基本特征与调速方法讨论同步电动机的特点、分类同步电动机的矩角特性和稳定运行同步电动机的起动和调速6.1.1同步电动机的特点同步电动机具有以下特点：1.交流电机旋转磁场的同步转速与定子电源频率有确定的关系ppnnfn26060111（6-1）同步电动机的稳态转速等于同步转速。同步电动机的特点2.同步电动机除定子磁动势外，在转子侧还有独立的直流励磁，或者靠永久磁钢励磁。3.同步电动机转子除直流励磁绕组（或永久磁钢）外，还可能有自身短路的阻尼绕组。同步电动机的特点4.同步电动机则有隐极与凸极之分，隐极式电机气隙均匀，凸极式则不均匀，磁极直轴的磁阻小，极间的交轴磁阻大，两轴的电感系数不等，造成数学模型上的复杂性。但凸极效应能产生转矩，单靠凸极效应运行的同步电动机称作磁阻式同步电动机。同步电动机的特点5.由于同步电动机转子有独立励磁，在极低的电源频率下也能运行。因此，在同样条件下，同步电动机的调速范围比异步电动机更宽。6.同步电机只须加大功角就能增大转矩，同步电动机比异步电动机对转矩扰动具有更强的承受能力，动态响应快。6.1.2同步电动机的分类同步电动机按励磁方式分为可控励磁同步电动机和永磁同步电动机两种。可控励磁同步电动机在转子侧有独立的直流励磁，可以通过调节转子的直流励磁电流，改变输入功率因数，可以滞后，也可以超前。永磁同步电动机的转子用永磁材料制成，无需直流励磁。永磁同步电动机的优点1.由于采用了永磁材料磁极，其磁能积高，可得较高的气隙磁通密度，因此容量相同的电机体积小、重量轻；2.转子没有铜损和铁损，又没有滑环和电刷的摩擦损耗，运行效率高；3.转动惯量小，允许脉冲转矩大，可获得较高的加速度，动态性能好；4.结构紧凑，运行可靠。永磁同步电动机正弦波永磁同步电动机——当输入三相正弦波电流、气隙磁场为正弦分布，磁极采用永磁材料时，就使用这个普通的名称或直接称作永磁同步电动机（PermanentMagnetSynchronousMotor，简称PMSM）。永磁同步电动机梯形波永磁同步电动机——磁极仍为永磁材料，但输入方波电流，气隙磁场呈梯形波分布，性能更接近于直流电动机。用梯形波永磁同步电动机构成的自控变频同步电动机又称作无刷直流电动机（BrushlessDCMotor，简称BLDM）。6.1.3同步电动机的矩角特性忽略定子电阻，图6-1是凸极同步电动机稳定运行且功率因数超前时的相量图，同步电动机从定子侧输入的电磁功率sEsUsqIsIsdIsddIjxsqqIjxθO图6-1凸极同步电动机稳定运行相量图（功率因数超前）cos31ssMIUPP（6-2）永磁同步电动机电磁功率代入sinsin3coscos3)cos(3cos31UIUIUIUIPPM将sincoscossinssqqsssddssqssdUIxUEIxIIII永磁同步电动机电磁功率（6-4）2sin2)(3sin3sincos))11(3sin3sin)cos(3cossin3sin3cos3sinsin3coscos322qdqdsdssdqsdssdsssqssdssqssssssMxxxxUxEUxxUxEUxUEUxUUIUIUIUIUP电磁转矩在式（6-4）两边除以机械角速度，得电磁转矩2sin2)(3sin32qdmqdsdmssexxxxUxEUT（6-5）电磁转矩由两部分组成，第1部分由转子磁势产生的，第2部分是由于磁路不对称产生的。功角特性和矩角特性在和恒定时，同步电动机的电磁功率和电磁转矩由确定，故称为功角或矩角。sUsE隐极同步电动机对于隐极同步电动机，cqdxxx故隐极同步电动机电磁功率sin30dsMxEUP（6-6）电磁转矩sin30dmsexEUT（6-7）隐极同步电动机的矩角特性当时，电磁转矩最大eT02maxeT图6-2隐极同步电动机的矩角特性2dmsexEUT0max3（6-8）6.1.4同步电动机的稳定运行以隐极同步电动机为例，分析同步电动机恒频恒压时的稳定运行问题。在的范围内同步电动机运行于，，此时电磁转矩和负载转矩相平衡，2012011eT1LT111sin3dmssLexEUTT在的范围内当负载转矩加大为时，转子减速使角θ增加，当，电磁转矩和负载转矩又达到平衡，202LT222eT2LT同步电动机仍以同步转速稳定运行。222sin3dmssLexEUTT在的范围内若负载转矩又恢复为，则角恢复为，电磁转矩恢复为。因此，在的范围内，同步电动机能够稳定运行。2012011eT1LTeT011eT22eT2图6-3在20隐极同步电动机的矩角特性的范围内，在的范围内同步电动机运行于，，此时电磁转矩和负载转矩相平衡，23323eT3LT333sin3dmssLexEUTT在的范围内当负载转矩加大为时，转子减速使角θ增加，电磁转矩减小，导致θ继续，最终，同步电动机转速偏离同步转速，这种现象称为“失步”。24LT4eT在的范围内在的范围内，同步电动机不能稳定运行，将产生失步现象。2eT034eT43eT222图6-4在隐极同步电动机的矩角特性的范围内，6.1.5同步电动机的起动当同步电动机在工频电源下起动时，定子磁动势以同步转速sFpnn50601旋转，当时，电磁转矩，使电动机加速，由于机械惯性的作用，电动机转速具有较大的滞后，不能快速跟上同步转速。00eT同步电动机的起动当时，电磁转矩，产生制动作用，θ角以2π为周期变化，电磁转矩呈正弦规律变化，如图6-5所示。20eTeT02图6-5同步电动机在工频电源下起动转矩同步电动机的起动在一个周期内，电磁转矩的平均值等于零，0eavT故同步电动机不能正常起动。在工频电源下起动时，先用转子中的起动绕组按异步起动，接近同步转速时再通入励磁电流牵入同步。6.1.6同步电动机的调速同步电动机的转速等于同步转速而同步电动机的转子据有固定的极对数，所以同步电动机的调速只能是改变电源频率的变频调速。pnfnn1160（6-9）同步电动机的调速若忽略定子漏阻抗压降，则定子电压约等于同步电动机变频调速的电压频率特性与异步电动机变频调速相同，基频以下采用带定子压降补偿的恒压频比控制方式，基频以上采用电压恒定的控制方式。（6-10）mNssSkNfUΦ44.41他控变频调速系统用独立的变压变频装置给同步电动机供电的称作他控变频调速系统。他控变频调速系统控制较为简单，实现容易，能够实现多机拖动，但仍有可能产生失步现象。自控变频调速系统根据转子位置直接控制变压变频装置换相时刻的称作自控变频调速系统。自控变频调速系统严格保证电源频率与转速的同步，从根本上避免了失步现象，但系统结构复杂，需要转子位置检测器或根据电动机反电动势波形推算转子的位置。6.2他控变频同步电动机调速系统转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速系统大功率同步电动机调速系统6.2.1同步电动机群调速系统图6-6所示是转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速系统。多台永磁或磁阻同步电动机并联接在公共的变频器上，由统一的频率给定信号同时调节各台电动机的转速。多台同步电动机的恒压频比控制调速系统这种开环调速系统存在一个明显的缺点，就是转子振荡和失步问题并未解决，因此各台同步电动机的负载不能太大。PWM变压变频器MS*fMSMS永磁或磁阻式同步电动机群图6-6多台同步电动机的恒压频比控制调速系统6.2.2大功率同步电动机调速系统大功率的同步电动机转子上一般都具有励磁绕组，通过滑环由直流励磁电源供电。变压变频器MS*FBS系统控制器图6-7变压变频器供电的同步电动机调速系统大功率同步电动机调速系统大功率的同步电动机采用变频调速，在起动过程中，同步电动机定子电源频率按斜坡规律变化，将动态转差限制在允许的范围内，以保证同步电动机顺利起动。在运行过程中，采用频率或转速的闭环控制，及时调整同步电动机定子电源频率，将矩角限制在的范围内，有效地抑制了失步现象。20大功率同步电动机调速系统控制方案可以是恒压频比控制，也可以是矢量控制。大功率的同步电动机一般采用转速闭环控制，除了转速闭环控制外，还带有电枢（定子）电流和励磁（转子）电流的闭环控制。图6-7绘出了这种系统的结构图，系统控制器包括转速调节、定子电流和励磁电流控制。6.3自控变频同步电动机调速系统他控变频同步电动机调速系统变频器的输出频率与转子位置无直接的关系，若控制不当，仍然会造成失步。如果能根据转子位置直接控制变频装置的输出电压或电流的相位，使矩角小于90°，就能从根本上杜绝失步现象，这就是自控变频同步电动机的初衷。6.3.1自控变频同步电动机自控变频同步电动机的特点是在电动机轴端装有一台转子位置检测器BQ，由它发出的转子位置信号控制变频装置，保证转子转速与供电频率同步。由式（6-10）可知，在基频以下调速时，需要电压频率协调控制。因此，除了变频器UI外，还需要一套调压装置，为变频器提供可调的直流电源。自控变频同步电动机调速原理图图6-8自控变频同步电动机调速原理图~dUMSBQ控制器UIr可控整流器自控变频同步电动机3自控变频同步电动机自控变频同步电动机共有4个部分组成：同步电动机MS，与电动机同轴安装的转子位置检测器BQ，逆变器UI和变频控制器。由转子位置检测器发出的信号控制逆变器UI输出电压或电流的频率及相位，使电源频率与转速同步，可控整流器则完成调压的功能。自控变频同步电动机调速时改变直流电压，转速将随之变化，逆变器UI的输出频率自动跟踪转速。虽然在表面上只控制了电压，实际上也自动地控制了频率，故仍属于同步电动机的变压变频调速。自控变频同步电动机从电动机本身看，自控变频同步电动机是一台同步电动机，可以是永磁式的，容量大时也可以用励磁式的。但是如果把它和逆变器UI、转子位置检测器BQ合起来看，就象是一台直流电动机。从外部看来，改变直流电压，就可实现调速，相当于直流电动机的调压调速。自控变频同步电动机早期的自控变频同步电动机中的逆变器完成变频功能，而调压则由可控整流器来完成，需要两套可控功率单元。现常用PWM变频器取代原来的逆变器，既完成变频功能，又实现调压，用不可控整流器代替原来的控制整流，或直接由直流母线供电，系统结构简单，只需一套控制器。改进的自控变频同步电动机及调速原理图图6-9改进的自控变频同步电动机及调速原理图~dUMSBQ控制器r不可控整流器自控变频同步电动机3PWM变频器自控变频同步电动机自控变频同步电动机因其核心部件的不同，略有差异：1.无换向器电动机——由于采用电子换相取代了机械式的换向器，因而得名，多用于带直流励磁的同步电动机。自控变频同步电动机2.正弦波永磁自控变频同步电动机——以正弦波永磁同步电动机为核心，构成的自控变频同步电动机。正弦波永磁同步电动机是指当输入三相正弦波电流、气隙磁场为正弦分布，磁极采用永磁材料的同步电