同步電機變頻調(diào)速

同步電機變頻調(diào)速歷史上最早出現(xiàn)的是直流電動機19世紀末，出現(xiàn)了交流電和交流電動機為了改善功率因數(shù)，同步電動機應(yīng)運而生。同步電動機也是一種交流電機。既可以做發(fā)電機用，也可做電動機用，過去一般用于功率較大，轉(zhuǎn)速不要求調(diào)節(jié)的生產(chǎn)機械，例如大型水泵，空壓機等。最初的同步電動機只用于拖動恒速負載或用于改善功率因數(shù)的場合。在恒定頻率下運行的大型同步電動機又存在著容易發(fā)生失步和振蕩的危險，以及起動困難等問題。因此，在沒有變頻電源的情況下，很難對同步電動機的轉(zhuǎn)速進行控制。同步電動機歷來是以轉(zhuǎn)速與電源頻率保持嚴格同步著稱的。只要電源頻率保持恒定，同步電動機的轉(zhuǎn)速就絕對不變。采用電力電子裝置實現(xiàn)電壓-頻率協(xié)調(diào)控制，改變了同步電動機歷來只能恒速運行不能調(diào)速的面貌。起動費事、重載時振蕩或失步等問題也已不再是同步電動機廣泛應(yīng)用的障礙。同步電機的特點與問題：優(yōu)點：（1）轉(zhuǎn)速與電壓頻率嚴格同步；（2）功率因數(shù)高到1.0，甚至超前。存在的問題：（1）起動困難；（2）重載時有振蕩，甚至存在失步危險。問題的根源：供電電源頻率固定不變解決辦法：采用電壓-頻率協(xié)調(diào)控制例如： 對于起動問題：通過變頻電源頻率的平滑調(diào)節(jié)，使電機轉(zhuǎn)速逐漸上升，實現(xiàn)軟起動。 對于振蕩和失步問題 ：可采用頻率閉環(huán)控制，同步轉(zhuǎn)速可以跟著頻率改變，于是就不會振蕩和失步了。 同步電機和其它類型的旋轉(zhuǎn)電機一樣，由固定的定子和可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子兩大部分組成。 下圖給出了最常用的同步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)模型，其定子鐵心的內(nèi)圓均勻分布著定子槽，槽內(nèi)嵌放著按一定規(guī)律排列的三相對稱交流繞組。這種同步電機的定子又稱為電樞，定子鐵心和繞組又稱為電樞鐵心和電樞繞組。 圖中用AX、BY、CZ三個 在空間錯開120電角度分布的線 圈代表三相對稱交流繞組。同步電機的運行方式：同步電機的主要運行方式有三種，即作為發(fā)電機、電動機和補償機運行。 同步電動機的功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)，在不要求調(diào)速的場合，應(yīng)用大型同步電動機可以提高運行效率。近年來，小型同步電動機在變頻調(diào)速系統(tǒng)中開始得到較多地應(yīng)用。 同步電機的突出優(yōu)點：控制勵磁來調(diào)節(jié)它的功率因數(shù)，可以使功率因數(shù)高到1.0，甚至超前。同步電機還可以接于電網(wǎng)作為同步補償機。這時電機不帶任何機械負載，靠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子中的勵磁電流向電網(wǎng)發(fā)出所需的感性或者容性無功功率，以達到改善電網(wǎng)功率因數(shù)或者調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓的目的。 同步調(diào)速系統(tǒng)的特點：（1）交流電機旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速1與定子電源頻率 f1 有確定的關(guān)系 同步電動機的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差 s = 0。 （2）異步電動機的磁場僅靠定子供電產(chǎn)生，而同步電動機除定子磁動勢外，轉(zhuǎn)子側(cè)還有獨立的直流勵磁，或者用永久磁鋼勵磁。 目前采用的直流勵磁方式分為兩大類：一類是用直流發(fā)電機作為勵磁電源的直流勵磁機勵磁系統(tǒng)；另一類是用硅整流裝置將交流轉(zhuǎn)化成直流后供給勵磁的整流器勵磁系統(tǒng)。 （3）同步電動機的氣隙有隱極與凸極之分。凸極式轉(zhuǎn)子上有明顯凸出的成對磁極和勵磁線圈。如對水輪發(fā)電機來說，由于水輪機的轉(zhuǎn)速較低，要發(fā)出工頻電能，發(fā)電機的極數(shù)就比較多，做成凸極式結(jié)構(gòu)工藝上較為簡單。另外，中小型同步電機多半也做成凸極式。 隱極式同步電機轉(zhuǎn)子上沒有凸出的磁極，氣隙均勻。凸極式則不均勻，兩軸的電感系數(shù)不等，造成數(shù)學(xué)模型上的復(fù)雜性。但凸極效應(yīng)能產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，單靠凸極效應(yīng)運行的同步電動機稱作磁阻式同步電動機。 （4）同步電動機可通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的直流勵磁電流，改變輸入功率因數(shù)，可以滯后，也可以超前。 （5）異步電動機要靠加大轉(zhuǎn)差才能提高轉(zhuǎn)矩，而同步電機只須加大功角就能增大轉(zhuǎn)矩，同步電動機比異步電動機具有更快的動態(tài)響應(yīng)，在同樣的條件下，調(diào)速范圍比異步電動機更寬。同步機調(diào)速系統(tǒng)的類型： （1）他控變頻調(diào)速系統(tǒng)用獨立的變壓變頻裝置給同步電動機供電的系統(tǒng)。 （2）自控變頻調(diào)速系統(tǒng) 用電動機本身軸上所帶轉(zhuǎn)子位置檢測器或電動機反電動勢波形提供的轉(zhuǎn)子位置信號來控制變壓變頻裝置換相時刻的系統(tǒng)。1） 他控變頻同步電動機調(diào)速系統(tǒng) 與異步電動機變壓變頻調(diào)速一樣，用獨立的變壓變頻裝置給同步電動機供電的系統(tǒng)稱作他控變頻調(diào)速系統(tǒng)。（1）轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的同步電動機群調(diào)速系統(tǒng)（2）由交-直-交電流型負載換流變壓變頻器供電的同步電動機調(diào)速系統(tǒng)（3）由交-交變壓變頻器供電的大型低速同步電動機調(diào)速系統(tǒng) 1、轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的同步電動機群調(diào)速系統(tǒng)，是一種最簡單的他控變頻調(diào)速系統(tǒng)，多用于化紡工業(yè)小容量多電動機拖動系統(tǒng)中。系統(tǒng)組成： 多臺同步電動機的恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng) 系統(tǒng)控制： 多臺永磁或磁阻同步電動機并聯(lián)接在公共的電壓源型PWM變壓變頻器上，由統(tǒng)一的頻率給定信號 f * 同時調(diào)節(jié)各臺電動機的轉(zhuǎn)速。帶定子壓降補償?shù)暮銐侯l比控制保證了同步電動機氣隙磁通恒定，緩慢地調(diào)節(jié)頻率給定 f * 可以逐漸地同時改變各臺電機的轉(zhuǎn)速。2、對于經(jīng)常在高速運行的機械設(shè)備，定子常用交-直-交電流型變壓變頻器供電，其電機側(cè)變換器（即逆變器）比給異步電動機供電時更簡單，可以省去強迫換流電路，而利用同步電動機定子中的感應(yīng)電動勢實現(xiàn)換相。這樣的逆變器稱作負載換流逆變器（Load-commutated Inverter，簡稱LCI）系統(tǒng)組成： 由交-直-交電流型負載換流變壓變頻器供電的同步電動機調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)控制：系統(tǒng)控制器的程序包括轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、負載換流控制和勵磁電流控制，F(xiàn)BS是測速反饋環(huán)節(jié)。由于變壓變頻裝置是電流型的，還單獨畫出了電流控制器。換流問題：LCI同步調(diào)速系統(tǒng)在起動和低速時存在換流問題： 低速時同步電動機感應(yīng)電動勢不夠大，不足以保證可靠換流；當電機靜止時，感應(yīng)電動勢為零，根本就無法換流。解決方案：這時，須采用“直流側(cè)電流斷續(xù)”的特殊方法，使中間直流環(huán)節(jié)電抗器的旁路晶閘管導(dǎo)通，讓電抗器放電，同時切斷直流電流，允許逆變器換相，換相后再關(guān)斷旁路晶閘管，使電流恢復(fù)正常。用這種換流方式可使電動機轉(zhuǎn)速升到額定值的 3%5%，然后再切換到負載電動勢換流。3、另一類大型同步電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)用于低速的電力拖動，例如無齒輪傳動的可逆軋機、礦井提升機、水泥轉(zhuǎn)窯等。該系統(tǒng)由交-交變壓變頻器供電，其輸出頻率為2025Hz（當電網(wǎng)頻率為50Hz時），對于一臺20極的同步電動機，同步轉(zhuǎn)速為120150r/min，直接用來拖動軋鋼機等設(shè)備是很合適的，可以省去龐大的齒輪傳動裝置。系統(tǒng)組成： 由交-交變壓變頻器供電的大型低速同步電動機調(diào)速系統(tǒng) 2）自控變頻同步電動機調(diào)速系統(tǒng) 基本結(jié)構(gòu)與原理： （1）在電動機軸端裝有一臺轉(zhuǎn)子位置檢測器BQ，由它發(fā)出的信號控制變壓變頻裝置的逆變器UI換流，從而改變同步電動機的供電頻率，保證轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與供電頻率同步。自控變頻同步電動機調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖 （2）從電動機本身看，它是一臺同步電動機，但是如果把它和逆變器UI轉(zhuǎn)子位置檢測器BQ合起來看，就象是一臺直流電動機。直流電動機電樞里面的電流本來就是交變的，只是經(jīng)過換向器和電刷才在外部電路表現(xiàn)為直流，這時，換向器相當于機械式的逆變器，電刷相當于磁極位置檢測器。這里，則采用電力電子逆變器和轉(zhuǎn)子位置檢測器替代機械式換向器和電刷。 自控變頻同步電動機的分類： 自控變頻同步電動機在其開發(fā)與發(fā)展的過程中，曾采用多種名稱，有的至今仍習(xí)慣性地使用著，它們是： 無換向器電動機 （多用于帶直流勵磁繞組的同步電機） 三相永磁同步電動機（輸入正弦波電流時） 無刷直流電動機（采用方波電流時） 永磁同步電機和無刷直流電機機具有定子三相分布繞組和永磁轉(zhuǎn)子，定子電流與轉(zhuǎn)子永磁磁通互相獨立，轉(zhuǎn)矩恒定性好，脈動小，可以獲得很寬的調(diào)速范圍，適用于要求高性能的數(shù)控機床、機器人等場合。 目前已廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，如醫(yī)療儀器、過程控制、機床工業(yè)、紡織工業(yè)和輕工機械等。 梯形波永磁同步電動機的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)： 無刷直流電動機實質(zhì)上是一種特定類型的同步電動機，調(diào)速時只在表面上控制了輸入電壓，實際上也自動地控制了頻率，仍屬于同步電動機的變壓變頻調(diào)速。電動勢與電流波形永磁無刷直流電動機的轉(zhuǎn)子磁極采用瓦形磁鋼，經(jīng)專門的磁路設(shè)計，可獲得梯形波的氣隙磁場，定子采用集中整距繞組，因而感應(yīng)的電動勢也是梯形波的。由逆變器提供與電動勢嚴格同相的方波電流，同一相（例如A相）的電動勢 eA和電流波 iA 形圖如下圖所示。eAiAIPEPiAeAOwt梯形波永磁同步電動機的電動勢與電流波形圖 由于各相電流都是方波，逆變器的電壓只須按直流PWM的方法進行控制，比各種交流PWM控制都要簡單得多，這是設(shè)計梯形波永磁同步電動機的初衷。然而由于繞組電感的作用，換相時電流波形不可能突跳，其波形實際上只能是近似梯形的，因而通過氣隙傳送到轉(zhuǎn)子的電磁功率也是梯形波。梯形波永磁同步電動機的轉(zhuǎn)矩脈動 實際的轉(zhuǎn)矩波形每隔60都出現(xiàn)一個缺口，而用 PWM 調(diào)壓調(diào)速又使平頂部分出現(xiàn)紋波，這樣的轉(zhuǎn)矩脈動使梯形波永磁同步電動機的調(diào)速性能低于正弦波的永磁同步電動機。梯形波永磁同步電動機的等效電路及逆變器主電路原理圖電壓方程：對于梯形波的電動勢和電流，不能簡單地用矢量表示，因而旋轉(zhuǎn)坐標變換也不適用，只好在靜止的ABC坐標上建立電機的數(shù)學(xué)模型。 當電動機中點與直流母線負極共地時，電動機的電壓方程可以用下式表示 式中 uA、uB 、uC 三相輸入對地電壓 iA、iB 、iC 三相電流 eA、eB 、eC 三相電動勢 Rs定子每相電阻 Ls定子每相繞組的自感 Lm定子任意兩相繞組間的互感由于三相定子繞組對稱，故有 iA + iB + iC = 0則 Lm iB + Lm iC = - Lm iA Lm iC + Lm iA = - Lm iB Lm iA + Lm iB = - Lm iC 代入上式，并整理后得 設(shè)梯形波永磁同步電動機的電動勢與電流波形圖中方波電流的峰值為 Ip ，梯形波電動勢的峰值為Ep，在一般情況下，同時只有兩相導(dǎo)通，從逆變器直流側(cè)看進去，為兩相繞組串聯(lián)，則電磁功率為 Pm = 2 Ep Ip。忽略電流換相過程的影響，電磁轉(zhuǎn)矩為 式中p 梯形波勵磁磁鏈的峰值，是恒定值。 由此可見，梯形波永磁同步電動機（即無刷直流電動機）的轉(zhuǎn)矩與電流成正比，和一般的直流電動機相當。這樣，其控制系統(tǒng)也和直流調(diào)速系統(tǒng)一樣，要求不高時，可采用開環(huán)調(diào)速，對于動態(tài)性能要求較高的負載，可采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。 無論是開環(huán)還是閉環(huán)系統(tǒng)，都必須具備轉(zhuǎn)子位置檢測、發(fā)出換相信號、調(diào)速時對直流電壓的PWM控制等功