电力拖动自动控制系统(陈伯时)第八章课件

北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity第8章同步电动机变压变频调速系统北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity内容提要同步电动机变压变频调速的特点及其基本类型他控变频同步电动机调速系统自控变频同步电动机调速系统北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity8.1同步电动机变压变频调速的特点及其基本类型同步电机的特点与问题优点：（1）转速与电压频率严格同步；（2）功率因数高到1.0，甚至超前；存在问题：（1）起动困难；（2）重载时有振荡，甚至存在失步危险；解决思路问题的根源：供电电源频率固定不变。解决办法：采用电压-频率协调控制，可解决由固定频率电源供电而产生的问题。对于起动问题：通过变频电源频率的平滑调节，使电机转速逐渐上升，实现软起动。对于振荡和失步问题：采用频率闭环控制，同步转速跟随频率改变，不会振荡和失步。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity同步调速系统的类型（1）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系统。（2）自控变频调速系统用电动机本身轴上所带转子位置检测器或电动机反电动势波形提供的转子位置信号来控制变压变频装置换相时刻的系统。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity同步调速系统的特点（1）交流电机旋转磁场的同步转速1与定子电源频率f1的关系异步电动机的稳态转速与同步转速之差为转差s；同步电动机的转差s=0。（2）异步电动机的磁场仅靠定子供电产生，而同步电动机除定子磁动势外，转子侧还有独立的直流励磁，或者用永久磁钢励磁。（3）同步电动机和异步电动机的定子都有同样的交流绕组，一般都是三相的，而转子绕组则不同，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。（4）异步电动机的气隙是均匀的，而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，两轴的电感系数不等，造成数学模型上的复杂性。但凸极效应能产生平均转矩，单靠凸极效应运行的同步电动机称作磁阻式同步电动机。（5）异步电动机由于励磁的需要，必须从电源吸取滞后的无功电流，空载时功率因数很低。同步电动机则可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。当cos=1.0时，电枢铜损最小，还可以节约变压变频装置的容量。（6）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，同步电动机的调速范围比异步电动机更宽。（7）异步电动机要靠加大转差才能提高转矩，而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，能作出更快的动态响应。p112nf北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity8.2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由交-直-交电流型负载换流变压变频器供电的同步电动机调速系统由交-交变压变频器供电的大型低速同步电动机调速系统按气隙磁场定向的同步电动机矢量控制系统同步电动机的多变量动态数学模型北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速系统多用于化纺工业小容量多电动机拖动系统中；采用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。系统组成北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity多台永磁或磁阻同步电动机并联接在公共的电压源型PWM变压变频器上，由统一的频率给定信号f*同时调节各台电动机的转速。PWM变压变频器中，带定子压降补偿的恒压频比控制保证了同步电动机气隙磁通恒定，缓慢地调节频率给定f*可以逐渐地同时改变各台电机的转速。系统控制系统特点系统结构简单，控制方便，只需一台变频器供电，成本低廉。由于采用开环调速方式，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。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity由交-直-交电流型负载换流变压变频器供电的同步电动机调速系统大型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，或者由交流励磁发电机经过随转子一起旋转的整流器供电。对于经常在高速运行的机械设备，定子常用交-直-交电流型变压变频器供电，其电机侧变换器（即逆变器）比给异步电动机供电时更简单，可以省去强迫换流电路，而利用同步电动机定子中的感应电动势实现换相。这样的逆变器称作负载换流逆变器（Load-commutatedInverter，简称LCI）。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity由交-直-交电流型负载换流变压变频器供电的同步电动机调速系统系统控制器的程序包括转速调节、转差控制、负载换流控制和励磁电流控制，FBS是测速反馈环节，电流型变压变频装置的电流控制器包括电流调节和电源侧变换器的触发控制。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity换流问题低速时同步电动机感应电动势不够大，不足以保证可靠换流；当电机静止时，感应电动势为零，根本就无法换流。解决方案采用“直流侧电流断续”的方法，使中间直流环节电抗器的旁路晶闸管导通，让电抗器放电，同时切断直流电流，允许逆变器换相，换相后再关断旁路晶闸管，使电流恢复正常。用这种换流方式可使电动机转速升到额定值的3%~5%，然后再切换到负载电动势换流。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity由交-交变压变频器供电的大型低速同步电动机调速系统大型同步电动机变压变频调速系统用于低速的电力拖动，例如无齿轮传动的可逆轧机、矿井提升机、水泥转窑等。系统由交-交变压变频器（又称周波变换器）供电，其输出频率为20~25Hz（当电网频率为50Hz时），对于一台20极的同步电动机，同步转速为120~150r/min，可以省去庞大的齿轮传动装置。系统组成北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity按气隙磁场定向的同步电动机矢量控制系统矢量控制—通过坐标变换，把同步电动机等效成直流电动机，再模仿直流电动机的控制方法进行控制。假设是隐极电机，或者说，忽略凸极的磁阻变化；忽略阻尼绕组的效应；忽略磁化曲线的饱和非线性因素；暂先忽略定子电阻和漏抗的影响。假定条件二极同步电机物理模型定子三相绕组轴线A、B、C是静止的，三相电压uA、uB、uC和三相电流iA、iB、iC都是平衡的，转子以同步转速1旋转，转子上的励磁绕组在励磁电压Uf供电下流过励磁电流If。沿励磁磁极的轴线为d轴，与d轴正交的是q轴，d-q坐标在空间也以同步转速1旋转，d轴与A轴之间的夹角为变量。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity1同步电动机磁动势与磁通的空间矢量图在同步电动机中，除转子直流励磁外，定子磁动势还产生电枢反应，直流励磁与电枢反应合成起来产生气隙磁通，合成磁通在定子中感应的电动势与外加电压基本平衡。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversityFf、f—转子励磁磁动势和磁通，沿励磁方向为d轴；Fs—定子三相合成磁动势；FR、R—合成的气隙磁动势和总磁通；s—Fs与FR间的夹角；f—Ff与FR间的夹角。矢量变换将Fs除以相应的匝数即为定子三相电流合成空间矢量is，可将它沿M、T轴分解为励磁分量ism和转矩分量ist。同样，Ff与相当的励磁电流矢量If也可分解成ifm和ift。2st2smsiii2ft2fmfiiIfmsmRiiiftstiisssmcosiifffmcosIi北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity电压、电流和磁链的时间相量图北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity定子电压方程气隙合成磁通R是空间矢量，R对该相绕组的磁链Rs则是时间相量，Rs在绕组中感应的电动势Es领先于Rs90°。Rs1ss44.4ΨfEU电流关系分析is是该相电流相量，落后于Us的相角为同步电动机的功率因数角。R与Fs空间矢量的空间角差s也就是磁链Rs与电流is在时间上的相角差，因此=90°s，而且ism和ist也是is相量在时间相量图上的分量。定子电流的励磁分量ism可以从定子电流is和调速系统期望的功率因数值求出。希望cos=1，即，ism=0。由期望功率因数确定的ism可作为矢量控制系统的一个给定值。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity定子电流方程以A轴为参考坐标轴，则d轴的位置角为=1dt，可以通过电机轴上的位置传感器BQ测得。于是，定子电流空间矢量与A轴的夹角sf三相定子电流cossAii)120cos(sBii)120cos(sCii北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity电磁转矩方程ssR2pesin2πFnT定子旋转磁动势幅值spNsssπ23inkNFstsssinii整理后得stRmeΦiCT式中Nsspm23kNnC北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity同步电动机基于电流模型的矢量控制系统位置传感器北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity同步电动机矢量控制系统采用和直流电动机调速系统相仿的双闭环控制结构。转速控制ASR的输出是转矩给定信号Te*，除以磁通模拟信号R*即得定子电流转矩分量的给定信号ist*，R*是由磁通给定信号*经磁通滞后模型模拟其滞后效应后得到的。磁通和电流控制（1）*乘以系数K即得合成励磁电流的给定信号iR*，另外，按功率因数要求还可得定子电流励磁分量给定信号ism*。（2）将iR*、ist*、ism*和来自位置传感器BQ的旋转坐标相位角一起送入矢量运算器，可计算出定子三相电流的给定信号iA*、iB*、iC*和励磁电流给定信号if*。（3）通过ACR和AFR实行电流闭环控制，可使实际电流iA、iB、iC以及If跟随其给定值变化，获得良好的动态性能。当负载变化时，还能尽量保持同步电动机的气隙磁通、定子电动势及功率因数不变。北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity同步电动机的多变量动态数学模型考虑同步电动机的凸极效应、阻尼绕组和定子电阻与漏抗假定条件同步电动机的动态电压方程式tiRtiRtIRUtiRutiRutiRudd0dd0ddddddddQQQDDDffffCCsCBBsBAAsA北京工商大学计算机与信息工程学院BeijingTechnology&BusinessUniversity坐标变换将ABC坐标系变换到dq同步旋转坐标系，并用p表示微分算子