运动控制系统同步电动机变压变频调速系统.ppt

同步电动机变压变频调速系统,运动控制系统,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,6.1 同步电动机的基本特征与调速方法,本节提要 概述 同步调速系统的类型 同步调速系统的特点,1. 概述,同步电动机历来是以转速与电源频率保持严格同步著称的只要电源频率保持恒定，同步电动机的转速就绝对不变 采用电力电子装置实现电压-频率协调控制，改变了同步电动机历来只能恒速运行不能调速的面貌起动费事、重载时振荡或失步等问题也已不再是同步电动机广泛应用的障碍6.1.1 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； 存在的问题： （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例如,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 ： 由于采用频率闭环控制，同步转速可以跟着频率改变，于是就不会振荡和失步了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 有确定的关系 异步电动机的稳态转速总是低于同步转速的，二者之差叫做转差 s ；同步电动机的稳态转速等于同步转速，转差 s = 0。

8-1）,同步调速系统的特点（续）,（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同步调速系统的特点（续）,（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同步调速系统的特点（续）,（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，在同样条件下，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。

同步调速系统的特点（续）,6.1.2. 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6.1.3 同步电动机的矩角特性,同步交流电动机由于转速与磁势旋转速度相同一致，因此电机负载力矩的变化不会影响转速；否则就是失步 同步电动机的电磁力矩与定子磁势和转子磁势的夹角有关，反映在电路变量上是输入电压U与电动势的夹角同步电机原理简述,同步电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成一般分为转场式同步电机和转枢式同步电机 图15.1给出了最常用的转场式同步电机的结构模型，其定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组同步电动机结构原理图,同步电机结构形式,凸极式转子 凸极式转子上有明显凸出的成对磁极和励磁线圈，如图15.3 所示当励磁线圈中通过直流励磁电流后，每个磁极就出现一定的极性，相邻磁极交替为 N 极和 S 极对水轮发电机来说，由于水轮机的转速较低，要发出工频电能，发电机的极数就比较多，做成凸极式结构工艺上较为简单。

另外，中小型同步电机多半也做成凸极式隐极式转子 隐极式转子上没有凸出的磁极，如图15.2b所示沿着转子本体圆周表面上，开有许多槽，这些槽中嵌放着励磁绕组在转子表面约1/3部分没有开槽，构成所谓大齿，是磁极的中心区励磁绕组通入励磁电流后，沿转子圆周也会出现 N 极和 S 极在大容量高转速汽轮发电机中，转子圆周线速度极高，最大可达170米/秒为了减小转子本体及转子上的各部件所承受的巨大离心力，大型汽轮发电机都做成细长的隐极式圆柱体转子考虑到转子冷却和强度方面的要求，隐极式转子的结构和加工工艺较为复杂U=IZ+E=RI+jXI+E,图6-1 凸极同步电动机稳定运行相量图（功率因数超前）,,,,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6,7,8 （6-2） 由图6-1得 ，于是 （6-3）,,,,,将 代入式（6-3），,,,（6-4）,,其中，,定子相电压有效值， 定子相电流有效值， 转子磁势在定子绕组产生的感应电势， 定子直轴电抗， 定子交轴电抗， 功率因数角， 与 间的相位角， 与 间的相位角，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。

在式（6-4）两边除以机械角速度，得电磁转矩 （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式（6-4）和式（6-5）是凸极同步电动机的功角特性和矩角特性 对于隐极同步电动机，，故隐极同步电动机电磁功率 （6-6）,,,电磁转矩 （6-7）,,,图6-2为隐极同步电动机的矩角特性，当时，电磁转矩最大 （6-8）,,,图6-2 隐极同步电动机的矩角特性,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 1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，即 当负载转矩加大为时，转子减速使角增加，当 ，电磁转矩和负载转矩又达到平衡，即 ，同步电动机仍以同步转速稳定运行，参见图6-3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图6-3 在 的范围内，隐极同步电动机的矩角特性,,,,2在 的范围内,同步电动机的运行于，，假定电磁转矩和负载转矩相平衡。

当负载转矩加大为时，转子减速使角增加，但随着角增加，电磁转矩反而减小，由于电磁转矩的减小，导致角继续增加，参见图6-4最终，同步电动机转速偏离同步转速，这种现象称为“失步”所以，在的范围内，同步电动机不能稳定运行，将产生失步现象图6-4 在 的范围内，隐极同步电动机的矩角特性,,,,6.1.5 同步电动机的起动,仍以隐极同步电动机为例讨论同步电动机的起动问题，分析同步电动机工作原理可知，角有双重意义一是电动势与电压之间的相位角，这是时间电角度；另一层的含义是，产生电动势的转子磁动势与定子磁动势之间的夹角，这是个空间电角度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；当时，电磁转矩，产生制动作用，角以为周期变化，电磁转矩呈正弦规律变化，如图6-5所示在一个周期内，电磁转矩的平均值等于零，即，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6,7,8图6-5 同步电动机在工频电源下起动转矩,,,6.1.6 同步电动机的调速,长期以来，同步电动机的失步和起动问题限制了其应用场合和范围，采用变频技术，不仅实现了同步电动机的调速，也解决了失步和起动问题。

同步电动机的转速等于同步转速 （6-9）,,,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同步电动机的定子结构与异步电动机相同，若忽略定子漏阻抗压降，则定子电压约等于 （6-10）,,,因此，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同步电动机的变频调速方法有两种：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，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,与异步电动机变压变频调速一样，用独立的变压变频装置给同步电动机供电的系统称作他控变频调速系统本节提要,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,6.2.1 转速开环恒压频比控制的同步电动机 群调速系统,转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速系统，是一种最简单的他控变频调速系统，多用于化纺工业小容量多电动机拖动系统中。

这种系统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,图6-6多台同步电动机的恒压频比控制调速系统,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6.2.2 大功率同步电动机调速系统,概述 另一类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 该系统由交-交变压变频器（又称周波变换器）供电，其输出频率为2025Hz（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120150r/min，直接用来拖动轧钢机等设备是很合适的，可以省去庞大的齿轮传动装置系统组成,图6-7 由交-交变压变频器供电的大型低速同步电动机调速系统,这类调速系统的基本结构画在图6-7中，可以实现4象限运行。

控制器按需要可以是常规的，也可以采用矢量控制，后者在下一小节再详细讨论系统控制,6.3 自控变频同步电动机调速系统,本节摘要 基本结构与原理 梯形波永磁同步电动机（无刷直流电动机）的自控变频调速系统 正弦波永磁同步电动机的自控变频调速系统,6.3.1 基本结构与原理,图6-8 自控变频同步电动机调速系统结构原理图,基本结构,结构特点,（1）在电动机轴端装有一台转子位置检测器 BQ（见图6-8），由它发出的信号控制变压变频装置的逆变器 U I 换流，从而改变同步电动机的供电频率，保证转子转速与供电频率同步调速时则由外部信号或脉宽调制（PWM）控制 UI 的输入直流电压结构特点（续）,（2）从电动机本身看，它是一台同步电动机，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。