第4章无换向器电动机调速系统2.ppt

第第 4 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 01 八月 2024第四章第四章第四章第四章 无换向器电动机无换向器电动机无换向器电动机无换向器电动机调速系统调速系统调速系统调速系统第一节第一节第一节第一节 无换向器电动机的基本工作原理无换向器电动机的基本工作原理无换向器电动机的基本工作原理无换向器电动机的基本工作原理第二节第二节第二节第二节 无换向器电动机的基本特性无换向器电动机的基本特性无换向器电动机的基本特性无换向器电动机的基本特性 第三节第三节第三节第三节 无换向器电动机调速系统及其运行无换向器电动机调速系统及其运行无换向器电动机调速系统及其运行无换向器电动机调速系统及其运行 第第 4 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 01 八月 2024第一节第一节 无换向器电动机的基本工作原理无换向器电动机的基本工作原理一、概述一、概述一、概述一、概述（一）同步电动机（一）同步电动机（一）同步电动机（一）同步电动机同步电动机由定子和转子两部分组成。

同步电动机由定子和转子两部分组成同步电动机由定子和转子两部分组成同步电动机由定子和转子两部分组成 定子结构与异步电动机相同，只要通入对称的交流电，就会建立旋定子结构与异步电动机相同，只要通入对称的交流电，就会建立旋定子结构与异步电动机相同，只要通入对称的交流电，就会建立旋定子结构与异步电动机相同，只要通入对称的交流电，就会建立旋转磁场，旋转磁场速度表达式与异步机相同转磁场，旋转磁场速度表达式与异步机相同转磁场，旋转磁场速度表达式与异步机相同转磁场，旋转磁场速度表达式与异步机相同 同步电动机的转子则除了铁心和绕组之外，还另外通有直流励磁电同步电动机的转子则除了铁心和绕组之外，还另外通有直流励磁电同步电动机的转子则除了铁心和绕组之外，还另外通有直流励磁电同步电动机的转子则除了铁心和绕组之外，还另外通有直流励磁电源，使转子本身有规律排列的源，使转子本身有规律排列的源，使转子本身有规律排列的源，使转子本身有规律排列的NN、、、、S S磁极，因此，当旋转磁场旋磁极，因此，当旋转磁场旋磁极，因此，当旋转磁场旋磁极，因此，当旋转磁场旋转时，会带动转子的对应磁极一起旋转。

转时，会带动转子的对应磁极一起旋转转时，会带动转子的对应磁极一起旋转转时，会带动转子的对应磁极一起旋转 稳定运行时，转子转速与旋转磁场相同，被称为同步电动机稳定运行时，转子转速与旋转磁场相同，被称为同步电动机稳定运行时，转子转速与旋转磁场相同，被称为同步电动机稳定运行时，转子转速与旋转磁场相同，被称为同步电动机第第 4 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 3 同步电动机在同步运行时，同步电动机在同步运行时，转子跟着旋转磁场等速旋转、转子跟着旋转磁场等速旋转、空间相对位置稳定，这时的转空间相对位置稳定，这时的转子、定子空间角度关系如右图子、定子空间角度关系如右图所示 轻载下轻载下θθ角较小，满载时角较小，满载时θθ角较大 同步电动机的拖动转矩与同步电动机的拖动转矩与θθ角成函数关系，角成函数关系，θθ角太小或角太小或太大都会造成拖动力矩不足太大都会造成拖动力矩不足 在额定工况下，在额定工况下，θθ角一般角一般在在30300 0左右 第第 4 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 01 八月 2024（二）同步电动机与异步电动机的区别（二）同步电动机与异步电动机的区别同步电动机同步电动机转速转速异步电动机异步电动机异步异步电动机的气隙是均机的气隙是均匀的，而同步匀的，而同步电动机机则有凸有凸级式和式和隐极式之分。

极式之分凸极式的气隙不均匀，凸极式的气隙不均匀，直直轴磁阻小，交磁阻小，交轴磁阻磁阻大，因而会大，因而会产生磁阻生磁阻转矩分量，造成数学模型矩分量，造成数学模型上的复上的复杂性转子子结构与异步构与异步电动机不同，异步机不同，异步电动机的机的转子只有子只有铁心和心和闭合合绕组（或（或导条），没有励磁条），没有励磁绕组，而同步，而同步电动机的机的转子子则除了除了铁心和心和绕组之外，之外，还另外通有直流励磁另外通有直流励磁电源第第 4 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 01 八月 2024异步异步电动机机总是在滞后的功率因数下运行而同步是在滞后的功率因数下运行而同步电动机的功率因机的功率因数可用励磁数可用励磁电流来流来调节，可以滞后，也可以超前可以滞后，也可以超前优点点同步同步电动机机转子有独立励磁，在极低的子有独立励磁，在极低的电源源频率下也能运行，因此率下也能运行，因此在同在同样条件下，同步条件下，同步电动机的机的调速范速范围比异步比异步电动机更机更宽优点点异步异步电动机要靠加大机要靠加大转差才能提高差才能提高转矩，而同步矩，而同步电动机只机只须加大功加大功角就能增大角就能增大转矩，同步矩，同步电动机比异步机比异步电动机机对转矩矩扰动具有更具有更强强的的承受能力，能承受能力，能获得更快的得更快的动态转矩响矩响应。

-----优点点 转速恒定速恒定功率因数可功率因数可调，可使功率因数提高到，可使功率因数提高到1.0，甚至超前甚至超前在一个工厂里，只需要一台或几台大容量在一个工厂里，只需要一台或几台大容量设备采用同步采用同步电动机，就足以机，就足以改善全厂的功率因数改善全厂的功率因数w同步电动机突出优点：同步电动机突出优点：起起动费事，重事，重载时有振有振荡乃至失步的危乃至失步的危险w突出问题：突出问题：第第 4 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 常用方法：常用方法：“异异步步起起动法法”－－－－在在同同步步电动机机的的转子子磁磁极极的的极极靴靴上上装装设阻阻尼尼绕组，，阻阻尼尼绕组所所起起的的作作用用与与异异步步电动机机的的笼型型绕组类似似，，同同步步电动机机起起动时靠靠阻阻尼尼绕组的的感感应电流流受受力力实现异异步步起起动在在升升速速、、降降速速过程程中中，，阻阻尼尼绕组还可可以起到抑制振以起到抑制振荡的作用异步起动的基本步骤异步起动的基本步骤起起动前将励磁前将励磁绕组串入一适当大小的串入一适当大小的电阻（串阻（串电阻是阻是为了避免了避免过高的自高的自感感电势）后）后闭合，使合，使转子子暂时不不产生同步磁极；生同步磁极；按照按照电动机的容量、机的容量、负载性性质和和电源的情况，采取直接起源的情况，采取直接起动或降或降压起起动，，将同步将同步电动机作机作为一台异步一台异步电动机而起机而起动；；当当电动机机转速接近同步速接近同步转速速时，将直流，将直流电流送入励磁流送入励磁绕组，从而，从而产生同生同步步转矩将矩将电动机机牵入同步运行。

入同步运行三）同步电机的起动（三）同步电机的起动第第 4 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 01 八月 2024自控式变频调速：自控式变频调速：用电动机轴上所带的转子位置检测器或电用电动机轴上所带的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置换相时刻的系统它控式变频调速：它控式变频调速：用独立的变压变频装置给同步电动机供电用独立的变压变频装置给同步电动机供电的系统四）同步电动机的调速方法（四）同步电动机的调速方法第第 4 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 对它控式变频调速的评价对它控式变频调速的评价优点：在多台参数一致的小容量同点：在多台参数一致的小容量同步步电动机需要同机需要同时起起动、同、同时调速速的的场合，采用一台合，采用一台变频器控制多台器控制多台小小电动机，系机，系统对各台各台电动机的供机的供电频率相同，供率相同，供电电压也相同，易也相同，易于群控。

于群控缺点：如果一台缺点：如果一台电动机出机出现失步，失步，将影响整个群控系将影响整个群控系统的正常工作的正常工作振振荡和失步和失步问题并未解决并未解决 第第 4 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 9对自控式变频调速的评价对自控式变频调速的评价 优点：点：在同步在同步电动机中安装了机中安装了转子位置子位置检测器器BQ，根据，根据转子的子的实际位位置来控制置来控制变频器的供器的供电频率，保率，保证定子旋定子旋转磁磁场的的转速与速与转子磁极的子磁极的转速始速始终处于同步状于同步状态 避免了它控式同步避免了它控式同步电动机机变频调速系速系统运行中会失步的缺点运行中会失步的缺点第第 4 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 无换向器电动机属于一种自控式同步电动机，它由磁无换向器电动机属于一种自控式同步电动机，它由磁极位置检测器、同步电动机和半导体变频器共同组成电极位置检测器、同步电动机和半导体变频器共同组成电动机系统动机系统 根据所用的变频器型式不同，可分为直流无换向器根据所用的变频器型式不同，可分为直流无换向器电动机系统电动机系统(即交即交-直直-交电动机系统交电动机系统)和交流无换向器电动和交流无换向器电动机系统机系统(即交即交-交电动机系统交电动机系统)。

五）无换向器电动机（五）无换向器电动机第第 4 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 无换向器电动机综评无换向器电动机综评（一）（一）保证了逆变器的输出电源的频率和电动机转速能保持同步是保证了逆变器的输出电源的频率和电动机转速能保持同步是保证了逆变器的输出电源的频率和电动机转速能保持同步是保证了逆变器的输出电源的频率和电动机转速能保持同步是区别于其他同步电动机的最显著的结构特点区别于其他同步电动机的最显著的结构特点区别于其他同步电动机的最显著的结构特点区别于其他同步电动机的最显著的结构特点二）（二）具有直流电动机的调速特性，但是没有换向器，可以做成无接具有直流电动机的调速特性，但是没有换向器，可以做成无接具有直流电动机的调速特性，但是没有换向器，可以做成无接具有直流电动机的调速特性，但是没有换向器，可以做成无接触式三）（三）和异步电动机一样，具有结构简单、不需要经常维护和检修等和异步电动机一样，具有结构简单、不需要经常维护和检修等和异步电动机一样，具有结构简单、不需要经常维护和检修等和异步电动机一样，具有结构简单、不需要经常维护和检修等优点。

它既可以用作直流调速，也可以用作交流调速它既可以用作直流调速，也可以用作交流调速它既可以用作直流调速，也可以用作交流调速它既可以用作直流调速，也可以用作交流调速四）（四）无换向器电动机调速系统具有同步电动机的效率高、功率因数无换向器电动机调速系统具有同步电动机的效率高、功率因数无换向器电动机调速系统具有同步电动机的效率高、功率因数无换向器电动机调速系统具有同步电动机的效率高、功率因数可调等优点，特别是大容量低转速时更为突出，并且没有同步电动可调等优点，特别是大容量低转速时更为突出，并且没有同步电动可调等优点，特别是大容量低转速时更为突出，并且没有同步电动可调等优点，特别是大容量低转速时更为突出，并且没有同步电动机的启动困难、重载时易振荡失步等问题，因而得到广泛的应用机的启动困难、重载时易振荡失步等问题，因而得到广泛的应用机的启动困难、重载时易振荡失步等问题，因而得到广泛的应用机的启动困难、重载时易振荡失步等问题，因而得到广泛的应用第第 4 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 12（一）（一） 无换向器电动机的类型无换向器电动机的类型n按容量不同按容量不同 晶体管电动机晶体管电动机晶闸管电动机晶闸管电动机低压小容量电动机，低压小容量电动机，逆变器不存在换流问题逆变器不存在换流问题可显著简化电动机的可显著简化电动机的控制方法控制方法 大功率电动机，大功率电动机，逆变器存在换流问题逆变器存在换流问题晶闸管耐压高，电流容量晶闸管耐压高，电流容量大，价格也相对较低大，价格也相对较低 根据所用的根据所用的变流器型式变流器型式 直流无换向器直流无换向器电动机系统电动机系统(交交-直直-交系统交系统) 交流无换向器交流无换向器电动机系统电动机系统(交交-交系统交系统) 二、二、二、二、无换向器电动机的工作原理无换向器电动机的工作原理无换向器电动机的工作原理无换向器电动机的工作原理第第 4 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 交交-直直-交控制系统无换向器电动机主回路结构交控制系统无换向器电动机主回路结构第第 4 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 交交-交控制系统无换向器电动机主回路结构交控制系统无换向器电动机主回路结构第第 4 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 （二）（二） 直流无换向器电动直流无换向器电动机的工作原理机的工作原理w从磁场的观点看，电动机的运动是主磁场和电枢磁场相互作用的结从磁场的观点看，电动机的运动是主磁场和电枢磁场相互作用的结果。

果w w直流电动机：主磁场在空间是静止的，电枢是旋转的，通过整流子直流电动机：主磁场在空间是静止的，电枢是旋转的，通过整流子直流电动机：主磁场在空间是静止的，电枢是旋转的，通过整流子直流电动机：主磁场在空间是静止的，电枢是旋转的，通过整流子及电刷换向，保持电枢电流方向不变，使电枢磁场与主磁场在空间及电刷换向，保持电枢电流方向不变，使电枢磁场与主磁场在空间及电刷换向，保持电枢电流方向不变，使电枢磁场与主磁场在空间及电刷换向，保持电枢电流方向不变，使电枢磁场与主磁场在空间的相互位置不变，夹角的相互位置不变，夹角的相互位置不变，夹角的相互位置不变，夹角φ=90°φ=90°；如图（；如图（；如图（；如图（a a））））w w异步电动机：定子磁场与转子磁场在空间的位置也不变，从空载到异步电动机：定子磁场与转子磁场在空间的位置也不变，从空载到异步电动机：定子磁场与转子磁场在空间的位置也不变，从空载到异步电动机：定子磁场与转子磁场在空间的位置也不变，从空载到额定负载，由于转子额定负载，由于转子额定负载，由于转子额定负载，由于转子cosφ2cosφ2变化大，磁场夹角变化大，磁场夹角变化大，磁场夹角变化大，磁场夹角φ φ近于近于近于近于90°90°。

如图（如图（b b））））w w同步电动机：稳定运行时，同步电动机：稳定运行时，同步电动机：稳定运行时，同步电动机：稳定运行时，φ φ角随负载而变化，空载时角随负载而变化，空载时角随负载而变化，空载时角随负载而变化，空载时φ φ＝＝＝＝0°0°，负载，负载，负载，负载愈大愈大愈大愈大φ φ愈大，当愈大，当愈大，当愈大，当φ φ超过超过超过超过60°60°以后，将失步停转，启动时由于没有恒定以后，将失步停转，启动时由于没有恒定以后，将失步停转，启动时由于没有恒定以后，将失步停转，启动时由于没有恒定φ φ角，所以没有启动转矩如图（角，所以没有启动转矩如图（角，所以没有启动转矩如图（角，所以没有启动转矩如图（c c））））第第 4 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 AXYCBZFF（（（（a a））））（（（（b b））））（（（（c c））））第第 4 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 w无换向器电动机调速的控制对象是同步电动机，但是从它的工作原理无换向器电动机调速的控制对象是同步电动机，但是从它的工作原理和运行特性来看，和直流电动机是相似的，因此，我们从直流电动机的和运行特性来看，和直流电动机是相似的，因此，我们从直流电动机的基本原理出发来讨论其工作原理。

基本原理出发来讨论其工作原理w w可见，两磁场之间的关系，很大程度上决定了电动机的运行性能可见，两磁场之间的关系，很大程度上决定了电动机的运行性能可见，两磁场之间的关系，很大程度上决定了电动机的运行性能可见，两磁场之间的关系，很大程度上决定了电动机的运行性能w直流无换向器电动机相当于有三个换向片的直流电动机，只不过换向直流无换向器电动机相当于有三个换向片的直流电动机，只不过换向是由晶闸管是由晶闸管(或晶体管或晶体管)来进行，因结构上的限制，电枢绕组及变流器静来进行，因结构上的限制，电枢绕组及变流器静止不动，而磁极是旋转的，如图所示止不动，而磁极是旋转的，如图所示第第 4 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 图图4-4 从直流电动机从直流电动机到无换向器电动机到无换向器电动机的转化的转化 (a)电枢旋转电枢旋转 (b)磁极旋转磁极旋转 (c)无换向器电动机无换向器电动机 图图 (a)为直流电动机电为直流电动机电枢依次转过枢依次转过60°的几个的几个位置的情形，位置的情形， 根据运动的相对性，可根据运动的相对性，可以认为电枢和换向器以认为电枢和换向器在空间固定不动，磁在空间固定不动，磁极和电刷一起向相反极和电刷一起向相反方向依次转过方向依次转过60°，电，电枢中各导体的电流不枢中各导体的电流不变，如图变，如图 (b)所示。

所示进一步将机械的换向器用进一步将机械的换向器用半导体半导体“开关开关”来代替，来代替，并依次触发并依次触发相相应的晶的晶闸管，如管，如图4-4(c)所示，所示，顺次地使晶次地使晶闸管管6、、1→1、、2→2、、3→3、、4→4、、5→5、、6→6、、1导通，通，则磁极磁极(转子子)也也将会依次将会依次转过60° 第第 4 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 w从磁场角度分析电动机运动情形从磁场角度分析电动机运动情形:当晶闸管当晶闸管6、、1导通时，导通时，电流从电源正极电流从电源正极→晶闸管晶闸管1→A相绕组相绕组→B相绕组相绕组→晶闸管晶闸管6→电源负极电源负极此时励磁磁场此时励磁磁场F0与电枢磁场与电枢磁场Fa夹角为夹角为120°，如图，如图4-4(c)①①中中Fa所示，转子所示，转子向顺时针方向旋转；当转子转到向顺时针方向旋转；当转子转到F01位置时，位置时，F01与与Fa的夹角为的夹角为90°，电动，电动机产生的转矩最大机产生的转矩最大转子继续旋转，当达到转子继续旋转，当达到F02位置即夹角为位置即夹角为60°时，通过控制电路，触发晶闸管时，通过控制电路，触发晶闸管2使使其导通，同时关断晶闸管其导通，同时关断晶闸管6；；电枢电流转换为从电源正极电枢电流转换为从电源正极→晶闸管晶闸管1→A相相→c相相→晶闸管晶闸管2→电源负极；电源负极；Fa转过转过60°，变成图，变成图4-4(c)中中②②所示情形，此时所示情形，此时F0与与Fa的夹角又变为的夹角又变为120°，如，如此重复进行，则电动机转子连续旋转。

此重复进行，则电动机转子连续旋转由上所述，由于转子磁极是连续旋转的，而决定电枢电流流向的晶闸管元件为每由上所述，由于转子磁极是连续旋转的，而决定电枢电流流向的晶闸管元件为每隔隔60°切换一次，因此，电枢磁势切换一次，因此，电枢磁势Fa每次步进每次步进60°，而，而Fa和和F0之间也就保持在之间也就保持在120°～～60°范围内范围内(即围绕正交时的即围绕正交时的90°)变化，而转矩也就围绕最大值脉动变化，而转矩也就围绕最大值脉动第第 4 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 w综上所述，具有三个换向片的直流电机的励磁磁场综上所述，具有三个换向片的直流电机的励磁磁场F0空间固定不变，空间固定不变，而电枢磁场连续旋转且每隔而电枢磁场连续旋转且每隔60°步进一次，与励磁磁场夹角是在步进一次，与励磁磁场夹角是在60°～～120°范围变化，电动机的电磁转矩将在最小值和最大值之间变化；范围变化，电动机的电磁转矩将在最小值和最大值之间变化；w而无换向器电动机的励磁磁场在空间连续旋转，电枢磁场而无换向器电动机的励磁磁场在空间连续旋转，电枢磁场Fa作步进作步进式的旋转，式的旋转，Fa和和F0之间的空间矢量关系也在之间的空间矢量关系也在60°～～120°之间变化，而之间变化，而两种电机的两种电机的Fa始终领先于始终领先于F0，因此电动机连续旋转。

因此电动机连续旋转无换向器电动机与直流电动机对比无换向器电动机与直流电动机对比第第 4 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 w可以看出，晶可以看出，晶闸管的管的导通通时间是是120°电角度，关断角度，关断时间是是60°电角度，而角度，而每每转过60°电角度就有一只晶角度就有一只晶闸管管换流w为此要求随此要求随转子的旋子的旋转，周期性地触，周期性地触发或关断相或关断相应的晶的晶闸管，才能使得管，才能使得电枢磁枢磁场和励磁磁和励磁磁场保持同步此任保持同步此任务一般采用位置一般采用位置检测器来完成器来完成表表4-2 反转时电枢电流方向与晶闸管导通顺序反转时电枢电流方向与晶闸管导通顺序表表4-1 正转时电枢电流方向与晶闸管导通顺序正转时电枢电流方向与晶闸管导通顺序第第 4 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 直流无换向器电动机的原理图直流无换向器电动机的原理图 w电动机定子机定子电枢枢换流是直接由流是直接由转子子转速控制的，速控制的，电动机速度降低机速度降低时，，电枢磁枢磁场和励磁磁和励磁磁场(转子子)相相对位置关系保持不位置关系保持不变，，电动机不会失步。

机不会失步这就就是自控式同步是自控式同步电动机的特点机的特点无无换向器向器电动机又称机又称为频率自控的同步率自控的同步电动机第第 4 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 （三）（三） 交流无交流无换向器向器电动机的工作原理机的工作原理交流式和直流式中交流式和直流式中各相电枢绕组电流各相电枢绕组电流的导通顺序相同的导通顺序相同在变频器中，每一在变频器中，每一组三相零式电路的组三相零式电路的晶闸管导通信号由晶闸管导通信号由转子磁极的位置来转子磁极的位置来决定转子位置子位置检测器器发出出的的γ信号，由它决定信号，由它决定该导通的晶通的晶闸管管组；；还应根据三相根据三相电源的源的相位来判断每一相位来判断每一组零零式式电路究竟由哪一只路究竟由哪一只晶晶闸管管导通，此信号通，此信号称称为α信号信号α信号与信号与γ信号的合成信号的合成决定了决定了导通的通的组以及以及组中的晶中的晶闸管元件第第 4 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 晶闸管在电动机正转时的导通过程晶闸管在电动机正转时的导通过程第第 4 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 w（一）（一） 反电势换流法反电势换流法设在换流以前晶闸管设在换流以前晶闸管VT1、、VT2导通，如图所示。

电流经由晶闸管导通，如图所示电流经由晶闸管VT1→A相相绕组绕组→C相绕组相绕组→晶闸管晶闸管VT2流通当电流由晶闸管当电流由晶闸管VT1 转移到晶闸管转移到晶闸管VT3时，可以利用电动机反电势自然换时，可以利用电动机反电势自然换流，其条件是流，其条件是eA＞＞eB即换流的时刻应比即换流的时刻应比A、、B二相电压二相电压(反电势反电势)波形的波形的交点交点K适当提前一个换流超前角适当提前一个换流超前角γ若在这时由转子位置检测器所产生的触发信号使晶闸管若在这时由转子位置检测器所产生的触发信号使晶闸管VT3导通，导通，则在晶闸管则在晶闸管VT1、、VT3和电动机和电动机A、、B二相绕组之间会出现一个短二相绕组之间会出现一个短路电流路电流iSL，其方向如图，其方向如图4-8(a)中箭头所示当这个短路电流中箭头所示当这个短路电流iSL达到原来通过晶闸管达到原来通过晶闸管VT1的负载电流的负载电流Id时，晶闸管时，晶闸管VT1就因流过就因流过的实际电流下降至零而关断，负载电流就由的实际电流下降至零而关断，负载电流就由VT1全部转移到晶闸全部转移到晶闸管管VT3，，U、、V两相之间的换流过程就此结束。

两相之间的换流过程就此结束如若换流的时刻不是发生在提前于如若换流的时刻不是发生在提前于K的时刻，而是滞后于是的时刻，而是滞后于是K点，即触发角点，即触发角γ为为负这时由于负这时由于uB>uA，在晶闸管，在晶闸管VT1、、VT3和电动机两相绕组之间可能再现的和电动机两相绕组之间可能再现的短路环流短路环流iSL的方向，将与图的方向，将与图4-8所示的相反，这个电流阻止晶闸管所示的相反，这个电流阻止晶闸管VT3导通，导通，而使晶闸管而使晶闸管VT1继续通电，因此就不能实现换流的目的继续通电，因此就不能实现换流的目的三三三三. . 无换向器电动机逆变器的换流无换向器电动机逆变器的换流无换向器电动机逆变器的换流无换向器电动机逆变器的换流第第 4 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 利用反电势自然换流，不需要增加什么换流辅助设利用反电势自然换流，不需要增加什么换流辅助设备，比较经济但在具体实现时要解决以下两个方备，比较经济但在具体实现时要解决以下两个方面的问题面的问题: :w(1)(1)无换向器电动机利用反电势进行换流时，晶闸管之间的换流要保无换向器电动机利用反电势进行换流时，晶闸管之间的换流要保证有足够的时间。

证有足够的时间w为了保证可靠换流，通常要求实际的换流超前角为了保证可靠换流，通常要求实际的换流超前角至少应保持在至少应保持在1010°°～～1515°°之间要满足这个要求，可增大之间要满足这个要求，可增大空载时的换流超前角空载时的换流超前角γγ0 0或限制电动机的最大瞬时负载，也可以采或限制电动机的最大瞬时负载，也可以采用空载换流超前角用空载换流超前角γγ0 0随负载而调节的办法随负载而调节的办法w(2)(2) 电动机在起动和低速运转时反电势很小，换流不可能，为此，电动机在起动和低速运转时反电势很小，换流不可能，为此，利用反电势换流的无换向器电动机还必须另想办法解决起动和低速运利用反电势换流的无换向器电动机还必须另想办法解决起动和低速运转问题w解决的办法有二：解决的办法有二：w一是采用所谓电流断续法换流，一是采用所谓电流断续法换流，w一是利用电网电源换流一是利用电网电源换流w后一种只适用于交后一种只适用于交- -交系统第第 4 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 （二）（二） 电流断续换流法电流断续换流法基本原理基本原理：当晶闸管需要换流时，先设法使逆变器的直流输入电流下：当晶闸管需要换流时，先设法使逆变器的直流输入电流下降到零，迫使逆变器的所有晶闸管全部暂时关断，然后再给需要导降到零，迫使逆变器的所有晶闸管全部暂时关断，然后再给需要导通的晶闸管发脉冲使之导通，实现所需要的换流过程。

通的晶闸管发脉冲使之导通，实现所需要的换流过程电流断续换流法的主电路电流断续换流法的主电路第第 4 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 28 通常采用的断流方法是封锁电源或让整流桥暂时进入有源逆变状态，通常采用的断流方法是封锁电源或让整流桥暂时进入有源逆变状态，实现直流乃至电机电流的短时间断流实现直流乃至电机电流的短时间断流 断流时因为直流平波电抗器中的电流不能突变，可触发晶闸管断流时因为直流平波电抗器中的电流不能突变，可触发晶闸管VT0进行暂时续流，该管子在整流、逆变桥之间的电流恢复流通时，会被反进行暂时续流，该管子在整流、逆变桥之间的电流恢复流通时，会被反向电压自动关断向电压自动关断 应用：应用：起动和低速下使用起动和低速下使用 在转速升高到额定转速的在转速升高到额定转速的10%10%左右，切换至反电势换流左右，切换至反电势换流 电流断续换流法就是晶闸管逆变器常用一种的既简单又经济的强迫电流断续换流法就是晶闸管逆变器常用一种的既简单又经济的强迫换流方法换流方法w当当电动机采用机采用电流断流断续法法换流流时，，电动机机侧逆逆变器的空器的空载换流超前流超前角角γ0对换流已不起决定性作用。

流已不起决定性作用w为了增大起了增大起动转矩，减小矩，减小转矩脉矩脉动，一般取，一般取γ0＝＝0°当电动机机进入入高速运高速运转阶段段时，，γ0则根据根据负载进行控制，行控制，电动机采用反机采用反电势换流流法第第 4 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 (三）三） 电源换流法电源换流法 w在无在无换向器向器电动机交机交—交系交系统中，在中，在电动机起机起动和低速运行和低速运行时，由，由于于电动机机侧的的频率低，在率低，在电动机机侧一相通一相通电的的过程中，程中，电源源侧往往往往要要经历几次几次换流流过程交交-交系统依靠电源换流的方式只交系统依靠电源换流的方式只适用于系统在低频工作的情况，适用于系统在低频工作的情况，用以解决电动机在起动和低速运行时的换流问题用以解决电动机在起动和低速运行时的换流问题当电动机达到稍高转速时，通过控制电路，可以使电动机进入反电当电动机达到稍高转速时，通过控制电路，可以使电动机进入反电势换流运行方式势换流运行方式w下面以下面以图所示的无所示的无换向器向器电动机中晶机中晶闸管管VTrl到到VTr3和和VTs3的的换流流过程程为例来例来讨论这一一问题。

第第 4 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 换流以前的状态是换流以前的状态是VTrl和和VTt2,导通现在在导通现在在VTr3的的控制极上加触发信号如控制极上加触发信号如果换流超前角选择得当，果换流超前角选择得当，且电动机在高速运行，则且电动机在高速运行，则可利用反电动势完成自然可利用反电动势完成自然换流过程如果电动机运换流过程如果电动机运行在起动或低速状态下，行在起动或低速状态下，则则ea≈0，，eb≈0，反电动势，反电动势eab不可能产生足够的换向不可能产生足够的换向电流，使电流，使VTr1的电流下的电流下降至零在在VTr3触发时不能使触发时不能使VTr1关关断，于是出现了断，于是出现了VTr1继续导继续导电的情况电的情况但这个连续导电的情况最多但这个连续导电的情况最多只能持续至相当于三分之一只能持续至相当于三分之一电源周期的时间，在此之后，电源周期的时间，在此之后，VTs3就会触发导通就会触发导通由于电源侧工作在整流状态，由于电源侧工作在整流状态，VTs3触发导通时必然触发导通时必然es>eR在在电动势eSR=eS－－eR的作的作用下，一方面在用下，一方面在电源源S相、相、VTs3、、VTr3和和电源源R相中形成相中形成环流流isc，使，使VTs3通，通，VTr3关关断，如断，如图a所示；另一所示；另一方面，它也在方面，它也在电源源R和和S二相、二相、VTs3、、电动机机绕组b、、a二相及二相及VTrl之之间产生生环流流isL，如，如图所示。

所示这一一环流将流将VTrl中的中的电流下降流下降至零，使其关断，从而完至零，使其关断，从而完成成电流由流由a相相过渡到渡到b相的相的换流流过程第第 4 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 第二节第二节 无换向器电动机的基本特性无换向器电动机的基本特性（一）（一） 定子一相定子一相(例如例如U相相)绕组中通一持中通一持续直流直流电流流时 在这个电流和转子磁场作用之下所产生的转矩在这个电流和转子磁场作用之下所产生的转矩也将随转子位置的不同而按正弦规律变化，也将随转子位置的不同而按正弦规律变化，如图所示如图所示一、无换向器电动机的电磁转矩一、无换向器电动机的电磁转矩一、无换向器电动机的电磁转矩一、无换向器电动机的电磁转矩但在无换向器电动机中，实际上每相绕组中通过但在无换向器电动机中，实际上每相绕组中通过的不是持续的直流电流，而是只通电的不是持续的直流电流，而是只通电1/3周期那么在每个相电流和转子磁场作用下所产生那么在每个相电流和转子磁场作用下所产生的转矩也只是正弦转矩曲线上相当于的转矩也只是正弦转矩曲线上相当于1/3周期周期长的一段。

且这一段曲线与绕组开始通电时长的一段且这一段曲线与绕组开始通电时的转子相对位置有关的转子相对位置有关第第 4 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 （二）分析三相半波接法时（二）分析三相半波接法时的情况的情况w显然，在图显然，在图 (a)中所示瞬间触发晶闸管，中所示瞬间触发晶闸管，从产生转矩的角度看来最为有利因为从产生转矩的角度看来最为有利因为在这种情况下，在绕组通电在这种情况下，在绕组通电120°区间里，区间里，载流导体正好处在比较强的磁场中，它载流导体正好处在比较强的磁场中，它所产生的转矩平均值最大，脉动小习所产生的转矩平均值最大，脉动小习惯上把这一点作为晶闸管触发相位的基惯上把这一点作为晶闸管触发相位的基准点，定为准点，定为γ0=0°w在在γ0＝＝0°的情况下，的情况下，电动机三相机三相绕组通通电所所产生的生的总转矩如矩如图（（b)所示若晶所示若晶闸管的触管的触发时间提前或延后，提前或延后，均将均将导致致转矩的脉矩的脉动增加，增加，平均平均值减小当γ0＝＝30°时，，电动机的瞬机的瞬时转矩矩过零点，零点，这会在会在电动机起机起动时出出现死死点，因此在三相半波接法的点，因此在三相半波接法的情况下，特情况下，特别是在启是在启动时，，γ0值不能大于不能大于30°。

第第 4 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 （三）分析三相桥式接法时（三）分析三相桥式接法时的情况的情况w在采用三相桥式逆变器时每相导通在采用三相桥式逆变器时每相导通180°，由于任何一个瞬间在三相绕，由于任何一个瞬间在三相绕组中有一相通过正向电流，而另一组中有一相通过正向电流，而另一相通过反向电流这两个电流分别相通过反向电流这两个电流分别产生转矩的情况和上述三相半波接产生转矩的情况和上述三相半波接法时相同，只不过每相正负电流产法时相同，只不过每相正负电流产生的转矩在时间上要相差生的转矩在时间上要相差180°，如，如图图 (a)所示；所示；w电动机的合成转矩是这两个转矩之电动机的合成转矩是这两个转矩之和，在和，在γ0=0°的转矩曲线，如图的转矩曲线，如图 (b)所示；所示；w在在γ0＝＝60°时的转矩如图时的转矩如图 (c)所示第第 4 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 三相桥式接法与半波接法相比，可以得出：三相桥式接法与半波接法相比，可以得出： ①①三相桥式接法转矩较大，脉动较小；三相桥式接法转矩较大，脉动较小； ②②桥式接法时，桥式接法时，γ0角增大到角增大到60°时，转矩曲线才过零点，时，转矩曲线才过零点，三相半波在三相半波在γ0=30°时转矩曲线过零点。

时转矩曲线过零点第第 4 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 （四）无换向器电动机的电磁转矩公式（四）无换向器电动机的电磁转矩公式w根据同步电机理论可以推出无换向器电动机的电磁转矩公式有如下根据同步电机理论可以推出无换向器电动机的电磁转矩公式有如下的形式的形式w w式中，式中，Ct为基本转矩系数，为基本转矩系数，wI1m为电动机电枢电流的基波分量；为电动机电枢电流的基波分量；CR为反应转矩系数；为反应转矩系数；w 为转子励磁所产生的定子磁链；为转子励磁所产生的定子磁链；Ld、、Lq为电动机的直轴电感和交为电动机的直轴电感和交轴电感；轴电感；γ0为空载换流超前角，它与电动机的功率因数角为空载换流超前角，它与电动机的功率因数角φ的关系为的关系为w 第第 4 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 w当电动机的直轴电感和交轴电感相等时，即在圆周方向上电动的磁阻当电动机的直轴电感和交轴电感相等时，即在圆周方向上电动的磁阻是均匀的，则电动机的反应电磁转矩为零，只有基本电磁转矩。

是均匀的，则电动机的反应电磁转矩为零，只有基本电磁转矩w或者在不计换流重叠角或者在不计换流重叠角μ时，使空载换流超前角时，使空载换流超前角γ0为零，则为零，则CR=0，反，反应电磁转矩为零，电动机的基本电磁转矩就是其总的电磁转矩应电磁转矩为零，电动机的基本电磁转矩就是其总的电磁转矩w在这两种情况下，无换向器电动机的电磁转矩公式与直流电动机的电在这两种情况下，无换向器电动机的电磁转矩公式与直流电动机的电磁转矩公式具有相同的形式，从而也就是具有相同的特性磁转矩公式具有相同的形式，从而也就是具有相同的特性 w实际上采用具有自关断能力的器件构成的无换向器电动机很容易做实际上采用具有自关断能力的器件构成的无换向器电动机很容易做到到γ0＝＝0，从而使整个电动机系统达到与直流电动机相同的机械特，从而使整个电动机系统达到与直流电动机相同的机械特性与控制性能性与控制性能w所以，随着电力电子技术和计算机控制技术的不断发展和应用，无所以，随着电力电子技术和计算机控制技术的不断发展和应用，无换向器电动机将在许多领域得以应用并逐步取代传统的有刷直流电换向器电动机将在许多领域得以应用并逐步取代传统的有刷直流电动机。

动机第第 4 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 （一）负载换相同步电动机的调速特性（一）负载换相同步电动机的调速特性 二、无换向器电动机基本特性二、无换向器电动机基本特性二、无换向器电动机基本特性二、无换向器电动机基本特性第第 4 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 38负载换相同步电动机的速度表达式负载换相同步电动机的速度表达式 和直流电动机的转速公式十分类似和直流电动机的转速公式十分类似 由由以以上上转转速速公公式式可可以以看看出出，，改改变变 和和 均均可可以以对对负负载载换换相相同同步步电电动动机机进进行行调调速速，，即即负负载载换换相相同同步步电电动动机机有有调调压压调调速速和和调调励励磁磁调调速速两两种种方方法法当然换相超前角当然换相超前角 的变化对速度也会有影响，但换相超前角的变化对速度也会有影响，但换相超前角 一一般般随随负负载载变变化化而而调调节节，，主主要要考考虑虑在在运运行行中中的的安安全全换换流流问问题题，，不不用用作作速速度调节。

度调节第第 4 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 39（二）（二）负载换相同步电动机的机械特性载换相同步电动机的机械特性 取取 并并忽忽略略换换流流重重叠叠角角 ，，负负载载换换相同步电动机的近似相同步电动机的近似机械特性表达式机械特性表达式为：为： 结论结论: :负载换相同步电动机的机械特性曲线与负载换相同步电动机的机械特性曲线与直流电动机的机械特性表达式相似直流电动机的机械特性表达式相似它有着它有着良好的运行特性和伺服控制性能良好的运行特性和伺服控制性能注意：注意：在接近堵转时，机械特性曲线出现了非线性区域，这是由于整个在接近堵转时，机械特性曲线出现了非线性区域，这是由于整个系统的非线性在接近堵转时所表现出来的系统的非线性在接近堵转时所表现出来的第第 4 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 （三）（三） 无无换向器向器电动机的机的过载能力能力w（（1））利用反电动势换流的利用反电动势换流的无换向器电动机的一个突出无换向器电动机的一个突出问题是其过载能力受到逆变问题是其过载能力受到逆变器换流能力的限制。

器换流能力的限制w当电动机空载运行时，若换当电动机空载运行时，若换流超前角整定在流超前角整定在γ0，在电动，在电动机承受负载后，由于同步电机承受负载后，由于同步电动机中功率角动机中功率角θ的影响，电的影响，电动机端电压的相位将前移一动机端电压的相位将前移一个个θ角，使换流超前角由角，使换流超前角由γ0减小到减小到γ=γ0 –θ无换向器电动机的过载能力，比一般直流电动机低无换向器电动机的过载能力，比一般直流电动机低目前一般无换向器电动机的过载能力只有目前一般无换向器电动机的过载能力只有1.5~2倍，对于爪极式无换向器电倍，对于爪极式无换向器电动机，过载能力甚至只有动机，过载能力甚至只有1.25倍2）随着负载电流的增加，换流重叠）随着负载电流的增加，换流重叠角角μ将逐渐增大，晶闸管延迟导通时间将逐渐增大，晶闸管延迟导通时间增长角度增长角度δ=γ0 -θ-μ称为换流剩余角，称为换流剩余角，如图所示它表示晶闸管换流结束后承如图所示它表示晶闸管换流结束后承受反向电压的时间，表征着换流的可靠受反向电压的时间，表征着换流的可靠性由于由于θ和和μ均随负载的增大而增加，所均随负载的增大而增加，所以在以在γ0恒定的情况下，恒定的情况下，δ将随负载的增将随负载的增加而减小。

加而减小当负载达到一定数量，换流剩余时间接当负载达到一定数量，换流剩余时间接近晶闸管的关断时间近晶闸管的关断时间toff时，电动机达时，电动机达到换流极限，这就是电动机的最大负载到换流极限，这就是电动机的最大负载能力第第 4 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 第三节第三节 无换向器电动机调速系统无换向器电动机调速系统及其运行及其运行w其控制策略有以下两种常用的方案：其控制策略有以下两种常用的方案：w(1) 采用励磁电流和空载换流超前角采用励磁电流和空载换流超前角γ0保持不变，通过改变直流保持不变，通过改变直流回路电压来调节电动机的转速回路电压来调节电动机的转速w对于励磁电流保持不变，在技术上很容易保证，对于磁极为永对于励磁电流保持不变，在技术上很容易保证，对于磁极为永磁体的无换向器电动机，这一点自然得到满足；而空载换流超磁体的无换向器电动机，这一点自然得到满足；而空载换流超前角前角γ0在不计换流重叠角时，它实际上反映了电动机的空载电在不计换流重叠角时，它实际上反映了电动机的空载电动势与电流之间的相位关系，所以空载换流超前角动势与电流之间的相位关系，所以空载换流超前角γ0不变这一不变这一前提是靠转子位置检测器的信号来保证的。

前提是靠转子位置检测器的信号来保证的一、无换向器电动机的控制策略一、无换向器电动机的控制策略一、无换向器电动机的控制策略一、无换向器电动机的控制策略第第 4 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 w(2) 采用励磁电流和空载换流超前角随负载调节的办法来控制无换采用励磁电流和空载换流超前角随负载调节的办法来控制无换向器电动机的转速向器电动机的转速w一般是保证不变，按换流剩余角一般是保证不变，按换流剩余角δ保持不变来调节空载换流超前角保持不变来调节空载换流超前角γ0，从而调节电动机转速从而调节电动机转速w这种控制策略使电动机的过载能力有所提高，电动机的损耗减小，这种控制策略使电动机的过载能力有所提高，电动机的损耗减小，但控制系统较复杂但控制系统较复杂w通常为了保证换流可靠和触发信号的逻辑控制方便，在电动机高速通常为了保证换流可靠和触发信号的逻辑控制方便，在电动机高速运行时将空载换流超前角运行时将空载换流超前角γ0整定在整定在60°，采用电动势自然换流；在起，采用电动势自然换流；在起动或低速运行时，取动或低速运行时，取γ0=0°，采用电流断续换流；而在再生制动状态，采用电流断续换流；而在再生制动状态下则分别取下则分别取γ0＝＝120°和和γ0＝＝180°。

w这种控制策略的优点是简单可靠，而缺点这种控制策略的优点是简单可靠，而缺点是电动机的过载能力较差，低速轻载时电是电动机的过载能力较差，低速轻载时电动机的转矩脉动比较大动机的转矩脉动比较大 第第 4 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 43一一一一二、晶闸管式无换向器电动机调速系统二、晶闸管式无换向器电动机调速系统二、晶闸管式无换向器电动机调速系统二、晶闸管式无换向器电动机调速系统第第 4 章章 返回第一张返回第一张 上一张幻灯片上一张幻灯片下一张幻灯片下一张幻灯片 返回目录返回目录 44三、晶体管式无换向器电动机调速系统三、晶体管式无换向器电动机调速系统三、晶体管式无换向器电动机调速系统三、晶体管式无换向器电动机调速系统。