同步电机变频调速.docx

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同步电机变频调速

同步电机变频调速

历史上最早出现的是直流电动机19世纪末，出现了交流电和交流电动机为了改善功率因数，同步电动机应运而生。

同步电动机也是一种交流电机。

既可以做发电机用，也可做电动机用，过去一般用于功率较大，转速不要求调节的生产机械，例如大型水泵，空压机等。

最初的同步电动机只用于拖动恒速负载或用于改善功率因数的场合。

在恒定频率下运行的大型同步电动机又存在着容易发生失步和振荡的危险，以及起动困难等问题。

因此，在没有变频电源的情况下，很难对同步电动机的转速进行控制。

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。

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。

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

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：

可采用频率闭环控制，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。

下图给出了最常用的同步发电机的结构模型，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。

这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。

图中用AX、BY、CZ三个

在空间错开120电角度分布的线

圈代表三相对称交流绕组。

同步电机的运行方式：

同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。

同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。

近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。

同步电机的突出优点：

控制励磁来调节它的功率因数，可以使功率因数高到1.0，甚至超前。

同步电机还可以接于电网作为同步补偿机。

这时电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。

同步调速系统的特点：

（1）交流电机旋转磁场的同步转速ω1与定子电源频率f1有确定的关系

同步电动机的稳态转速等于同步转速，转差ωs=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。

目前采用的直流励磁方式分为两大类：

一类是用直流发电机作为励磁电源的直流励磁机励磁系统；另一类是用硅整流装置将交流转化成直流后供给励磁的整流器励磁系统。

（3）同步电动机的气隙有隐极与凸极之分。

凸极式转子上有明显凸出的成对磁极和励磁线圈。

如对水轮发电机来说，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。

隐极式同步电机转子上没有凸出的磁极，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。

（4）同步电动机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。

（5）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具有更快的动态响应，在同样的条件下，调速范围比异步电动机更宽。

同步机调速系统的类型：

（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。

1）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。

（1）转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速系统

（2）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

（3）由交-交变压变频器供电的大型低速同步电动机调速系统

1、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。

系统组成：

多台同步电动机的恒压频比控制调速系统

系统控制：

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。

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。

2、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）

系统组成：

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：

系统控制器的程序包括转速调节、负载换流控制和励磁电流控制，FBS是测速反馈环节。

由于变压变频装置是电流型的，还单独画出了电流控制器。

换流问题：

LCI同步调速系统在起动和低速时存在换流问题：

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：

这时，须采用“直流侧电流断续”的特殊方法，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。

3、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，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：

由交-交变压变频器供电的大型低速同步电动机调速系统

2）自控变频同步电动机调速系统

基本结构与原理：

（1）在电动机轴端装有一台转子位置检测器BQ，由它发出的信号控制变压变频装置的逆变器UI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。

自控变频同步电动机调速系统结构原理图

（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，就象是一台直流电动机。

直流电动机电枢里面的电流本来就是交变的，只是经过换向器和电刷才在外部电路表现为直流，这时，换向器相当于机械式的逆变器，电刷相当于磁极位置检测器。

这里，则采用电力电子逆变器和转子位置检测器替代机械式换向器和电刷。

自控变频同步电动机的分类：

自控变频同步电动机在其开发与发展的过程中，曾采用多种名称，有的至今仍习惯性地使用着，它们是：

无换向器电动机（多用于带直流励磁绕组的同步电机）

三相永磁同步电动机（输入正弦波电流时）

无刷直流电动机（采用方波电流时）

永磁同步电机和无刷直流电机机具有定子三相分布绕组和永磁转子，定子电流与转子永磁磁通互相独立，转矩恒定性好，脉动小，可以获得很宽的调速范围，适用于要求高性能的数控机床、机器人等场合。

目前已广泛应用于各种领域，如医疗仪器、过程控制、机床工业、纺织工业和轻工机械等。

梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统：

无刷直流电动机实质上是一种特定类型的同步电动机，调速时只在表面上控制了输入电压，实际上也自动地控制了频率，仍属于同步电动机的变压变频调速。

电动势与电流波形

永磁无刷直流电动机的转子磁极采用瓦形磁钢，经专门的磁路设计，可获得梯形波的气隙磁场，定子采用集中整距绕组，因而感应的电动势也是梯形波的。

由逆变器提供与电动势严格同相的方波电流，同一相（例如A相）的电动势eA和电流波iA形图如下图所示。

梯形波永磁同步电动机的电动势与电流波形图

由于各相电流都是方波，逆变器的电压只须按直流PWM的方法进行控制，比各种交流PWM控制都要简单得多，这是设计梯形波永磁同步电动机的初衷。

然而由于绕组电感的作用，换相时电流波形不可能突跳，其波形实际上只能是近似梯形的，因而通过气隙传送到转子的电磁功率也是梯形波。

梯形波永磁同步电动机的转矩脉动

实际的转矩波形每隔60°都出现一个缺口，而用PWM调压调速又使平顶部分出现纹波，这样的转矩脉动使梯形波永磁同步电动机的调速性能低于正弦波的永磁同步电动机。

梯形波永磁同步电动机的等效电路及逆变器主电路原理图

电压方程：

对于梯形波的电动势和电流，不能简单地用矢量表示，因而旋转坐标变换也不适用，只好在静止的ABC坐标上建立电机的数学模型。

当电动机中点与直流母线负极共地时，电动机的电压方程可以用下式表示

式中

uA、uB、uC——三相输入对地电压

iA、iB、iC——三相电流

eA、eB、eC——三相电动势

Rs——定子每相电阻

Ls——定子每相绕组的自感

Lm——定子任意两相绕组间的互感

由于三相定子绕组对称，故有

iA+iB+iC=0

则LmiB+LmiC=-LmiA

LmiC+LmiA=-LmiB

LmiA+LmiB=-LmiC

代入上式，并整理后得

设梯形波永磁同步电动机的电动势与电流波形图中方波电流的峰值为Ip，梯形波电动势的峰值为Ep，在一般情况下，同时只有两相导通，从逆变器直流侧看进去，为两相绕组串联，则电磁功率为Pm=2EpIp。

忽略电流换相过程的影响，电磁转矩为

式中ψp—梯形波励磁磁链的峰值，是恒定值。

由此可见，梯形波永磁同步电动机（即无刷直流电动机）的转矩与电流成正比，和一般的直流电动机相当。

这样，其控制系统也和直流调速系统一样，要求不高时，可采用开环调速，对于动态性能要求较高的负载，可采用双闭环控制系统。

无论是开环还是闭环系统，都必须具备转子位置检测、发出换相信号、调速时对直流电压的PWM控制等功能。

现已生产出专用的集成化芯片，比如：

MC33033、MC33035等。

不考虑换相过程及PWM波等因素的影响，当主电路原理图中的VT1和VT6导通时，A、B两相导通而C相关断，则可得无刷直流电动机的动态电压方程为

在上式中，（uA–uB）是A、B两相之间输入的平均线电压，采用PWM控制时,设占空比为ρ，则uA–uB=ρUd，于是，上式可改写成

式中为电枢漏磁时间常数

根据电机和电力拖动系统基本理论，可知

无刷直流电动机的动态结构图