第7章-同步电动机调速系统

第七章同步电动机调速系统及其仿真第一节同步电动机的分类及其调速原理第二节正弦波永磁同步电动机调速系统第三节方波永磁同步电动机调速系统第四节负载换相同步电动机调速系统第五节大功率同步电动机交-交变频调速技术第一节同步电动机的结构及其调速原理同步电动机的特点：1、n与f保持严格的同步关系，与负载大小无关;2、改变If可以调节同步电动机的功率因数；3、存在启动困难和重载时失步的缺点。一、同步电动机的结构1、结构：定子：定子铁心、三相对称绕组以及机座和端盖等部件组成。（与异步机定子结构基本相同）转子：有两种结构形式，隐极式和凸极式。凸极式：制造方便，但磁极明显，气隙不均匀，造成直轴磁阻小，交轴磁阻大，使两轴的电感系数不等。隐极式：气隙均匀，机械强度好，但制造工艺较复杂。~+NSSNsn-~+-SN（a）凸极式（b）隐极式图7-1同步电动机的转子结构示意图2、励磁：定子励磁：空间上对称的三相绕组通入时间上对称的三相电流产生一个空间旋转磁场，其同步转速为msspfnn60转子励磁：（a）转子铁心上装有励磁绕组，由直流励磁电源供电，称有刷励磁。由交流励磁机经过随转子一起旋转的整流器供电，称无刷励磁系统。（b）永久磁铁，其磁场可视为恒定（小容量）。3、短路绕组：短路绕组：装在转子磁极表面，又称启动绕组。主要作用：恒频运行时，用作启动和抑制重载时易发生的振荡。变频供电时，能直接启动。启动绕组主要用于抑制变频器引起的谐波和负序分量，减少同步电动机的暂态电抗，加速换流过程和加快动态响应。二、同步电动机的调速原理同步机为双边励磁方式，电磁转矩由两磁场的相互作用产生。由电机统一理论：emsrsinTCFF按频率控制方式不同分为：他控式变频调速和自控式变频调速。启动时，只要定、转子两磁动势之间的夹角就能产生电动的电磁转矩，拖动负载旋转；稳态时，只要定、转子磁动势相对静止，就能产生单一方向恒定的电磁转矩，驱动电动机以同步转速旋转。001800（一）他控式同步电动机变频调速系统由独立的变频装置提供变压变频电源，变频装置的输出频率由速度给定信号决定，通常为开环控制系统；带定子电压补偿的函数发生器GF保证了变频器的恒压频比控制；缓慢调节可以逐步改变电动机的转速。n图7-2恒压频比他控式变频调速系统GF-函数发生器UR-整流器UI-逆变器电压控制频率控制SMSMSM8-2GFndLdCURUI永磁式同步电动机群这种系统虽然解决了起动问题，但未能很好的解决转子振荡及失步问题。限制了这种控制方式的使用范围。（二）自控式同步电动机变频调速系统由同步电机SM、变频器、转子位置检测器BQ和控制单元组成。ASR×ACRPWMSM3~BQ速度反馈转子磁极位置-速度调节器乘法器ii-电流调节器)cos()sin(8-3图7-3自控式同步电动机变频调速系统框图自控式同步电机变频调速也是通过改变电磁转矩的大小和方向来调节转速。电磁转矩和电机的定、转子电流有关。调节定子电流大小或相位及转子磁动势的大小就可以达到调速的目的。系统能从根本上消除同步电机转子振荡和失步问题。因为：给电机定子供电的变频装置的输出频率受转子位置检测器的控制，即定子旋转磁场的转速与转子旋转的转速相等，始终保持同步，不会由于负载冲击等原因造成失步现象。控制单元作用：判断转子的位置和转速，按一定控制策略产生控制信号，控制变频器输出三相电流（电压）的频率、幅值和相位，使同步转速跟踪转子转速。永磁同步电机体积小、重量轻、效率高，无转子发热问题，控制系统简单一、正弦波永磁同步电机的调速原理采用转子磁链定向（转子磁通恒定），矢量图如下所示。第二节正弦波永磁同步电机调速系统qdqsiiAr8-4图7-4永磁同步电动机时的矢量图定子电压方程为（ｄ、ｑ坐标系）11111111drqqsqqrddsdpiRupiRu定子磁链方程为：1111qqqrdddiLiL转矩方程为：])([)(1111111dqqdqrmdqqdmeiiLLipiipT在基速下，采用定子电流矢量位于ｑ轴，全部用于产生转矩，即，。01disqii1srmeipT为常数。可见，转矩仅与定子的幅值成正比，实现了解耦控制，类似于直流电机。rsiASR×××ACRPWM逆变器SM3~BQ-sinBRT-siAiBiCiAiBiCiASBSCS---TAATAB8-5TAC图7-5永磁同步电动机调速系统工作原理框图转矩方程：将转子位置角（d轴与A轴间的夹角），经正弦波函数发生器转换成三个互差的位置角正弦信号。120)120sin()120sin(sin00CBASSS由矢量图可知，当：)120sin()120sin(sin00sCsBsAIiIiIi位于ｑ轴。为变频器输出的定子电流幅值(最大值)。sisI三相定子电流的空间合成矢量为：)90(205.1jsCBAseIiiii电流矢量的幅值为定子电流幅值的1.5倍，方向超前ｄ轴，位于ｑ轴。090电磁转矩：如图7-6所示，主回路：由脉宽调制（PWM）逆变器、永磁同步电机、转子位置检测器、电流传感器以及速度传感器组成。控制回路：由速度调节器、矢量变换器、电流调节器、PWM生成器及驱动电路、转速反馈变换回路组成。smsrmsrmeIKIpipT5.1控制转矩的大小实际上就是控制定子电流幅值的大小。sI二、正弦波永磁同步电动机调速系统（一）正弦波永磁同步电动机调速系统的组成1、主回路的组成和控制图7-6永磁同步电动机控制系统的结构原理图转子位置检测器驱动驱动驱动SMPWM生成器××电流分配信号发生器速度变换电路3~C速度传感器电流调节器速度调节器乘法器nn+-8-6矢量变换单元电流传感器（1）变频器电流矢量：由转子位置检测器和矢量变换器完成。变频器电流控制方式：带电流内环控制的电压型SPWM变压变频器或电流滞环跟踪型的PWM变压变频器。图7-7滞环电流跟踪型PWM逆变器单相结构示意图及输出电流、电压波形电流滞环跟踪型PWM变频器的控制目标是：让输出电流在一定的误差范围内跟随给定电流的变化。如图7-7所示：给定正弦波发生器电流检测驱动电路ii-HB设定定子电流电流滞环控制器1VT4VTUUii00tt8-72HB特点:（a）结构简单、工作可靠、响应快、谐波小，常用于高性能的交流伺服系统中。（b）开关器件的开关频率在一个周期内差别很大，开关频率高的那一段，跟踪性能好；而开关频率低的那段，电流的跟踪性能差，影响了跟踪精度。（c）过高的开关频率会使功率开关器件难以承受。其工作原理是：当（HB滞环宽度）时，VT1关断，VT4导通，电机接电压-U，下降；当时，VT1导通，VT4关断，电机接+U，上升。通过VT1、VT4的交替通断，使≤HB，达到跟踪目的。HBiiHBiiiiii怎么解决？同步开关法－－在每一个等距的采样瞬间，将给定电流与实际反馈电流作比较，然后开通相应的开关VT1和VT4，因采样周期恒定，故开关频率也恒定。滞环宽度控制法－－根据电流变化率实时改变滞环宽度，保证开关频率基本恒定；为让开关频率在允许值内基本恒定，减小跟踪误差，降低电流谐波值。通常采用2种控制方法：（2）电流检测：因定子三相接成星形，且中点悬空，只有两相独立，电流检测只用二相。电流调节器(滞环型)与PWM回路组合成电流跟踪型PWM逆变器。（3）转子位置检测器及速度传感器可采用增量式光电码盘检测器，它不仅能提高系统的精度，还能直接输出角的正弦信号。经速度传感器检测转子的速度，实现速度无差闭环调节。正向电动：电流调节器输出，经滞环跟踪型PWM逆变器，输出三相对称交流电到永磁同步电机的三相绕组中，永磁同步电机产生与电流幅值成正比的电磁转矩，使电机正向旋转。正向制动：采用回馈制动。正向电动时，速度调节器给定为“+”，输出为“-”。变到正向制动后，输出变为“+”，使三相给定电流反相，即电流合成矢量由原来的超前d轴90°变为滞后d轴90°，转矩方向反向，变成制动转矩，使电动机处于制动状态。2、控制回路及系统工作原理速度调节器（PI）输出为转矩给定，即电流幅值的给定值。与转子磁极位置检测电路的输出信号相乘，得到瞬时给定值Ai-Bi-Ci，其中Ci=-（Ai+Bi）。合成电流si超前转子d轴90。在制动过程中，转速方向未变，三相电流相序也未改变，合成电流矢量仍按原方向旋转，只是滞后d轴90°空间电角度。另外，采用回馈制动方法，主回路需进行部分改造，增加可控耗能环节，否则回馈的电能将为滤波电容充电，造成直流侧过电压或击穿等事故。反向电动运行：速度调节器的给定变为“-”，其输出为“+”，三相电流产生的合成矢量，即在反转方向上超前轴90°电角度，电机将产生反向电动转矩（顺时针方向），电机反转。由于转子反转，三相正弦信号发生器中三相正弦信号的相序也应与正转不同，为反转相序，保证电动机反转时的正常运行。可见，只要改变速度给定值的极性和大小，就可以方便地实现永磁同步电机控制系统的四象限运行。反向制动运行：反向制动状态的分析与正向制动相同。第三节方波永磁同步电动机的调速系统三相电枢反电势、电流波形如图7-8所示，具有严格的同相关系，每相电流为90°导电型的交流方波，三相对称。图7-8电动势、电流波形及对应关系一、方波永磁同步机调速原理1、结构：转子：永磁结构，磁路专门设计，产生梯形波气隙磁场。定子：集中整距绕组，感应电势为梯形波，大小与转子磁通和转速成正比。Be0ieAeAit030015001800210033003600ieBit090012001500270030003300ieCeCit0300600900210024002708-8由逆变器提供的三相电枢绕组电流是方波，逆变器只需按直流PWM控制；定子方波电流的通电时刻与感应电势波形、转子磁极位置有严格的对应关系。逆变器的控制信号也来自转子位置检测器，根据转子磁极位置，逆变器依次换向。其换向原理如图7-9所示：换相顺序为：2、原理：1234561VTVTVTVTVTVTVT电机为感性负载，电流不能突跳，电流波形实际上也是梯形波，因此通过气隙传递到转子的电磁功率也是梯形波。实际电磁转矩波形每隔会出现一个缺口，造成转矩脉动。所以，其调速精度和性能低于正弦波永磁同步电机调速系统。060SMBQ控制+-di(a)8-91VT2VT3VT4VT5VT6VT0teABC000ttt(b)0tididi-(c)1VT2VT5VT6VT4VT3VT6VT1VT（a）主回路原理图（b）转子位置检测信号（c）定子电流及换相关系图7-9转子位置检测信号、定子电流及换向关系二、方波永磁同步电动机的数学模型电流为梯形波，不便用矢量表示。在静止的A、B、C坐标系上建立数学模型定子三相电压的状态方程为:CBACBACCBCABCBBAACABACBAsssCBAeeeiiipLLLLLLLLLiiiRRRuuu000000假定:ABCsLLLLABACBABCCACBmLLLLLLL则:三相电流对称，有：ABC()0mLiiiCBACBAmsmsmsCBAsssCBAeeeiiipLLLLLLiiiRRRuuu000000000000电磁转矩的表达式为：CCBBAACBAmeieieiePPPPTsE为感应电动势大小，sI为电流大小。从变频器直流端看，任一时刻，只有两相同时导通，所以smmsseIpIET22电磁转矩大小和电流幅值成正比，控制逆变器输出方波电流的幅值就可控