刘锦波电机与拖动第9章三相同步电机的电力拖动

第9章 三相同步电机的电力拖动,刘锦波 山东大学 控制科学与工程学院,内容简介,内容包括：三相同步电动机的起动、调速和制动的原理与方法以及同步电动机两种常用的控制方式：他控和自控方式,用途：,主要用于轧钢、水泥、化纤、轮船推动、电动汽车、磁悬浮火车、伺服与机器人驱动以及飞机发动机的起动/发电设备等。,优点：,运行效率高； 转子采用直流励磁的同步电动机在过励状态下可以改善功率因 数,大型MW级的调速系统大多采用转子直流励磁同步电动机组成的拖动系统； 中、小容量的伺服系统多采用由永磁同步电动机组成的拖动系统。,一般应用场合：,9.1 三相同步电动机的起动,自耦调压器的降压起动； 辅助异步电动机的起动； 变频起动 ；,起动方法：,9.1.1 自耦调压器的降压起动,图9.1 同步电动机的起动方法,方法介绍：同步电动机的降压起动方法又称为异步起动法，它是借助于同步电动机转子主磁极极靴上装设的鼠笼绕组（又称起动绕组或阻尼绕组）来完成起动的。,起动时，首先将转子直流励磁绕组通过电阻短接，然后再将定子绕组投入到三相电源上。 依靠定子旋转磁场和起动绕组中所感应的电流产生类似于感应电机的异步电磁转矩，从而使转子起动。 一旦转子接近同步速，再将转子励磁绕组切换至直流励磁电源上。利用定、转子之间的磁场相互作用所产生的牵入同步转矩，将转子牵入同步，完成起动。,起动过程：,起动过程中，要求转子直流励磁绕组不能开路；以避免因转子励磁绕组匝数较多，造成感应电势较高而引起绕组绝缘击穿； 直流励磁绕组也不能直接短路；以避免 “单轴转矩”的产生； 通常起动过程中转子直流励磁绕组串接一定数值的电阻起动。一旦接近同步速，再通过转子滑环和电刷加入直流励磁，将转子牵入同步。,起动过程中的注意事项：,同步电动机异步起动过程中的电磁转矩分析：,图9.2 同步电动机异步起动时的转矩与转速曲线 1异步电磁转矩 2单轴转矩 3合成起动转矩,转矩说明：,异步电磁转矩:由定子旋转磁场与转子起动绕组中的感应电流相互作用产生; 单轴转矩: 由转子励磁绕组中的逆序旋转磁场与定子绕组中的感应电流相互作用产生(说明见下);,单轴转矩的说明:,起动时，定子旋转磁场在转子励磁绕组中感应转差频率的电势和电流; 由转差频率的电流流过单相转子励磁绕组产生脉振磁势（或磁场）。该脉振磁势可分解为两个相对转子转速为 、转向相反的正、负序旋转磁场； 负序旋转磁势在定子绕组中感应电势（或电流）的频率为：,（9-1）,该电流与逆序旋转磁场相互作用即产生 “单轴转矩”。 显然，单轴转矩的同步点为： （即 ）。当 时，电磁转矩为驱动性；当 时，电磁转矩为制动性。（见图9.2）,结论：,单轴转矩有可能造成同步电动机运行在 附近而达不到同步速。,9.1.2 辅助异步电动机的起动,选用一台极数相同的感应电动机（其容量约为主机的1015%）作为辅助电动机起动; 一旦转子接近同步速，再在转子绕组中加入直流励磁电流，利用牵入同步转矩将转子牵入同步。,起动方法:,9.1.3 变频起动,起动方法:,起动前，首先将同步电动机的转子绕组通以直流励磁； 逐渐增加供电变流器的输出频率，使定子旋转磁场和转子转速随之逐渐升高，直至转子达到同步转速为止； 切换至电网供电。,9.2 三相同步电动机的调速,矩角特性 机械特性,变频调速中的两条特性曲线：,下面就以隐极式同步电动机为例说明。,9.2.1 三相同步电动机变频调速时的矩角特性,分两种情况进行讨论：,1. 忽略定子绕组电阻的影响,根据8.4节隐极式同步电动机的矩角特性得：,（9-2）,式中， 为最大电磁转矩。,忽略磁路饱和，上式中转子直流励磁磁势在定子绕组中的感应电势为：,（9-3）,式（9-2）中的同步电抗可表示为：,（9-4）,将式（9-3）、（9-4）以及 一并代入式（9-2）得：,（9-5）,结论：,在转子直流励磁一定的条件下，若采用恒压频比控制即： ，则同步电动机最大电磁转矩（或过载能力）保持不变。,2. 考虑定子绕组电阻的影响,将隐极式同步电动机的等效电路和相量图(图8.14)重画为图9.3：,图9.3 隐极式同步电动机的等效电路与相量图,根据图9.3，得隐极式同步电动机的电磁功率为：,（9-6）,设 为参考相位，根据图9.3b可知： ， 。,由图9.3a得：,由上式得：,令 ，并将上式代入式（9-6）可得：,电磁转矩为：,（9-7）,根据上式便可绘出三相隐极式同步电动机考虑定子绕组电阻时的矩角特性曲线 如图9.4中的实线所示。,图9.4 隐极式同步电动机的矩角特性曲线,结论：,考虑定子绕组电阻后，最大转矩有所减小，最大电磁转矩出现时的临界功率角 有所减小。,一般结论：,在采用 的变频调速过程中，必须增加低频时的压频比，以补偿低频时因定子绕组电阻所引起的最大电磁转矩下降，确保过载能力保持不变。,9.2.2 三相同步电动机变频调速时的机械特性,分两种情况进行讨论：,1. 忽略定子绕组电阻的影响,根据式（9-5）可知：若采用恒压频比控制即 ，则最大电磁转矩 保持不 变。考虑到同步电动机的转速与定子频率之间符合严格的同步关系，于是，隐极式 同步电动机的机械特性可用图9.6表示之。,图9.6 同步电动机变频调速时的机械特性( ）,图中，纵坐标轴右边表示同步 电机作电动机状态运行，左边则 表示作发电机状态运行。,2. 考虑定子绕组电阻的影响,根据式（9-7）可得：,（9-8）,考虑到 ，根据上式便可以得到考虑定子绕组电阻时隐极式 同步电动机的机械特性曲线如图9.7所示。,图9.7 同步电动机变频调速时的机械特性（ ）,结论：,对于实际同步电动机，低频（或低速）时，由 于定子绕组电阻的影响，最大电磁转矩将有所降 低。为了补偿这一影响，应在低频运行时适当增加 压频比。,9.3 三相同步电动机的制动,9.3.1 电网供电同步电动机的制动,图9.9a、b 分别给出了同步电动机三相定子绕组外接电阻和频敏变阻器进行 能耗制动时的接线图。,图9.9 同步电动机能耗制动时的接线图,图9.10 同步电动机能耗制动时的机械特性,由图9.10可以看出：改变转子直流励磁电流的大小可以改变制动性电磁转矩的大小，进而调整制动时间的长短。,图9.10给出了同步电动机能耗制动时的机械特性。,9.3.2 变流器供电同步电动机的制动,动态制动 再生（或回馈）制动,两种常用的制动方式：,1.动态制动,图9.11 变流器供电下交流电机动态制动原理的示意图,动态制动类似于电网供电交流电机的能耗制动，只不过电能的性质发生了变化（由交流变为直流），所采用制动电阻的数量也有所减少。,用途:,适合于中小功率的交流拖动系统，如伺服系统、数控机床以及工业机器人的驱动等。,2. 再生(或回馈)制动,图9.12 变流器供电下交流电机再生制动原理的示意图,再生制动将来自负载的机械能经过逆变器(工作在整流状态)首先转换为直流侧的电能,然后再经过PWM整流器(工作在逆变状态)逆变为交流,并回馈至电网。,用途:,适用于需要经常实现四象限运行的大功率交流拖动系统。,9.4 三相同步电动机的控制方式,两种主要控制方式：,他控式（频率开环的控制方式 ）； 自控式（频率闭环的控制方式 ）；,9.4.1 他控式同步电动机,特点：他控式同步电动机是通过独立控制外部供电变流器 的频率来控制同步电动机转子转速的，勿需提供转子转速 （或位置）的信息。,对于他控式同步电动机，为确保定子磁链保持不变，经 常采用恒压频比控制即 的开环控制方案。,图9.13给出了他控式同步电动机的系统框图。图9.14给出了他控式同步电动机的 转矩-转速曲线。,图9.13 他控式同步电动机的（或开环 控制）示意图,图9.14 采用电压/频率比控制的他控式 同步电动机的转矩-转速曲线,同步电动机的变频调速一般也是基频（额定频率）以下采用恒压频比的恒转矩调速方式。当运行频率超过额定频率时，则采用电压保持不变的恒功率调速方式。,结论：,优点：,控制实现简单，且同一台变流器可以带多台同步电动机； 转子直流励磁电流还可独立调节，从而确保定子侧的功率因数达 到所希望的数值。,9.4.2 自控式同步电动机,组成框图：,图9.15 自控式同步电动机与直流电动机的相似性,特点：自控式同步电动机定子各相绕组电流的通断以及各相绕组电流的大小受控于自身转子的位置。转子转速越高，则定子通电频率越高。且定子绕组的通电频率与转子转速之间保持严格的同步关系。,自控式同步电动机与直流电动机的异同比较：,直流电动机：,电刷和换向器起到了将外部直流转换为内部交流即机械式逆变器的作用； 换向器起到了检测转子位置的作用； 励磁磁势 与电枢磁势 两者相对定子静止不动； 励磁磁势 与电枢磁势 空间互相垂直（见图9.15b）；,自控式同步电动机：,电枢绕组位于定子，而转子采用永磁体，相当于一台定、转子交换的反装式直流电动机； 转子位置的检测采用的是绝对位置编码器 ，而定子电枢绕组的换流则是通过电子式逆变器来实现的，从而取代了机械式逆变器； 励磁磁势和电枢反应磁势两者空间不是静止不动，而是均以同步速旋转，这就决定了励磁磁势和电枢反应磁势仍保持相对静止； 与 之间不再相互垂直，而是呈一定角度（见9.15a）,结论：,自控式同步电动机采用位置传感器与电子式逆变器取代了直流电动机的机械换向器与电刷，从而获得了类似于直流电动机的性能。故此，自控式永磁同步电动机又有无刷直流电动机之称。,无换向器电动机 （即转子采用直流绕组励磁的自控式同步电动机） 无刷直流电动机（即转子采用永磁体的自控式同步电动机） 正弦波永磁同步电动机； 梯形波永磁同步电动机（商用无刷直流电动机）；,自控式同步电动机的分类：,优点：,不存在失步和振荡问题（与他控式相比，因自控式同步电动机定子绕组的通电频率以及由此产生的定子旋转磁场受控于转子转速）； 转子的惯量较小，快速性和可靠性高，调速范围较宽；（因无机械式电刷与换向器，且具有直流电动机的性能）；,