電力拖動自動控制系統(tǒng)(陳伯時)ppt8同步電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)

1、1 1第8章同步電動機變壓變頻同步電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng) 2 2l學(xué)習(xí)要點：學(xué)習(xí)要點：1、同步電動機變壓變頻調(diào)速的特點及其基本類型。 2、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);3. 由交-直-交變頻器供電的大型低速同步電動機調(diào)速系統(tǒng)難點： 他控、自控變頻調(diào)速系統(tǒng)。 3 38.1 同步電動機變壓變頻調(diào)速的特點 及其基本類型 本節(jié)提要本節(jié)提要l概述l同步調(diào)速系統(tǒng)的類型l同步調(diào)速系統(tǒng)的特點4 41. 概 述 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

2、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。5 5n同步電機的特點與問題同步電機的特點與問題l優(yōu)點：優(yōu)點：（1 1）轉(zhuǎn)速與電壓頻率嚴格同步；）轉(zhuǎn)速與電壓頻率嚴格同步；（2 2）功率因數(shù)高到）功率因數(shù)高到1.01.0，甚至超前。，甚至超前。l存在的問題：存在的問題：（1 1）起動困難；）起動困難；（2 2）重載時有振蕩，甚至存在失步危險。）重載時有振蕩，甚至存在失步危險?？刂苿畲趴刂苿畲? 6n 解決思路解決思路l問題的根源： 供電電源頻率固定不變l解決辦法： 采用電壓采用電壓- -頻率協(xié)調(diào)控制頻率協(xié)調(diào)控制7 7例例 如如p對于起動問題： 通過變頻電源頻率的平

3、滑調(diào)節(jié)，使電機轉(zhuǎn)速逐漸上升，實現(xiàn)軟起動。p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。 8 82. 同步調(diào)速系統(tǒng)的類型（1）他控他控變頻調(diào)速系統(tǒng)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）自控自控變頻調(diào)速系統(tǒng)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)。 9 93. 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 異步電動機的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速總是低于同步轉(zhuǎn)速的，存在轉(zhuǎn)差s ；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。

4、p112nf（8-1） 1010同步調(diào)速系統(tǒng)的特點（續(xù)）（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。 （3）同步電動機和異步電動機的定子繞組相同，轉(zhuǎn)子繞組則不同，同步電動機轉(zhuǎn)子除直流勵磁繞組（或永久磁鋼）外，還可能有自身短路的阻尼繞組。1111（4）異步電動機的氣隙是均勻的，而同步電動機則有隱極與凸極之分，隱極式電機氣隙均勻，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。同步調(diào)速系統(tǒng)的特點（續(xù)）1212 （5）異步電動機由于勵磁的需要，

5、必須從電源吸取滯后的無功電流，空載時功率因數(shù)很低。同步電動機則可通過調(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。當(dāng) cos = 1.0 時，電樞銅損最小，還可以節(jié)約變壓變頻裝置的容量。 同步調(diào)速系統(tǒng)的特點（續(xù)）1313 （6）由于同步電動機轉(zhuǎn)子有獨立勵磁，在極低的電源頻率下也能運行，因此，在同樣條件下，同步電動機的調(diào)速范圍比異步電動機更寬。 （7）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對轉(zhuǎn)矩擾動具有更強的承受能力，能作出更快的動態(tài)響應(yīng)。 同步調(diào)速系統(tǒng)的特點（續(xù)）1414*8.2 他控變頻同步電動機調(diào)速系統(tǒng) 與異步電動機

6、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)他控變頻調(diào)速系統(tǒng)。1515本節(jié)提要l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)l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)l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)1616*8.2.1 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) 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。 1717l系統(tǒng)組成圖圖8-1多臺同步電動機的恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)多臺同步電動機的恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng) 這種系統(tǒng)采用多臺永磁這種系統(tǒng)采用多臺永磁或

7、磁阻同步電動機并聯(lián)或磁阻同步電動機并聯(lián)接在公共的變頻器上，接在公共的變頻器上，由統(tǒng)一的頻率給定信號由統(tǒng)一的頻率給定信號同時調(diào)節(jié)各臺電動機的同時調(diào)節(jié)各臺電動機的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速。1818lPWM變壓變頻器中，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。l系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，只需一臺變頻器供電，成本低廉。l由于采用開環(huán)調(diào)速方式，系統(tǒng)存在一個明顯的缺點，就是轉(zhuǎn)子振蕩和失步問題依然存在，因此各臺同步電動機的負載不能太大。n系統(tǒng)控制系統(tǒng)控制1919*8.2.2 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)l概述 大型

8、同步電動機轉(zhuǎn)子上一般都具有勵磁繞組，通過滑環(huán)由直流勵磁電源供電，或者由交流勵磁發(fā)電機經(jīng)過隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的整流器供電。2020 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）。2121圖圖8-2 由交由交-直直-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)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)2222n 系統(tǒng)控制系統(tǒng)控制 在圖8-2中，系統(tǒng)控

9、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。 2323n 換流問題換流問題 LCI同步調(diào)速系統(tǒng)在起動和低速時存在換流問題， l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；l當(dāng)電機靜止時，感應(yīng)電動勢為零，根本就無法換流。2424n 解決方案解決方案 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。 252

10、58.2.3 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) 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(dāng)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。2626n 系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成圖8-3 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) 27278.3 自控變頻同步電動機調(diào)速系統(tǒng) 本節(jié)摘要本節(jié)摘要l基本結(jié)構(gòu)與原理l梯形波永磁同步電動機（無刷直流電動機）的自控變頻調(diào)

11、速系統(tǒng)l正弦波永磁同步電動機的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)28288.3.0 基本結(jié)構(gòu)與原理圖圖8-7 8-7 自控變頻同步電動機調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖自控變頻同步電動機調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖2929n 結(jié)構(gòu)特點結(jié)構(gòu)特點 （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。調(diào)速時則由外部信號或脈寬調(diào)制（PWM）控制UI的輸入直流電壓。 3030結(jié)構(gòu)特點（續(xù)）結(jié)構(gòu)特點（續(xù)） （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

12、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(dāng)于機械式的逆變器，電刷相當(dāng)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。3131n 自控變頻同步電動機的分類自控變頻同步電動機的分類 自控變頻同步電動機的多種名稱： l無換向器電動機（帶直流勵磁繞組的同步電動機 ）l永磁同步電動機,PMSM（正弦波永磁同步電動機，輸入正弦波電流）l無刷直流電動機,BLDC（梯形波永磁同步電動機，輸入方波電流）3232n 永磁電動機控制系統(tǒng)的優(yōu)點永磁電動機控制系統(tǒng)的優(yōu)點l由于采用了永磁材料磁極，特別是采用了稀土金屬永磁，因此容量相同時電機的體積

13、小、重量輕； l轉(zhuǎn)子沒有銅損和鐵損，又沒有滑環(huán)和電刷的摩擦損耗，運行效率高； l轉(zhuǎn)動慣量小，允許脈沖轉(zhuǎn)矩大，可獲得較高的加速度，動態(tài)性能好； l結(jié)構(gòu)緊湊，運行可靠。 33338.3.1 梯形波永磁同步電動機的自控變頻調(diào)速系統(tǒng) 1. 概概 述述 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。 3434n 電動勢與電流波形電動勢與電流波形 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

14、波電流，同一相（例如A相）的電動勢 eA和電流波 iA 形圖如圖8-8所示。 3535電動勢與電流波形（續(xù)）電動勢與電流波形（續(xù)） 圖圖8-8 梯形波永磁同步電動機的電動勢與電流波形圖梯形波永磁同步電動機的電動勢與電流波形圖 eAiAIPEPiAeAOt3636 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。 3737轉(zhuǎn)矩脈動（續(xù)）轉(zhuǎn)矩脈動（續(xù)） 圖8-9 梯形波永磁同步電動機的轉(zhuǎn)

15、矩脈動 3838n 轉(zhuǎn)矩脈動轉(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。3939n 逆變器電路逆變器電路圖圖8-10 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2. 2. 穩(wěn)態(tài)模型穩(wěn)態(tài)模型逆變器通常采用120導(dǎo)通型的，當(dāng)兩相導(dǎo)通時，另一相斷開。4040 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(dāng)電動機中點與直流母線負極共地時，電動機的電壓

16、方程可以用下式表示 n 電壓方程電壓方程4141電壓方程（續(xù)）電壓方程（續(xù)）三相輸入對地電壓；三相電流；三相電動勢；定子每相電阻；定子每相繞組的自感；定子任意兩相繞組間的互感。CBACBAsmmmsmmmsCBAsssCBA000000eeeiiipLLLLLLLLLiiiRRRuuu（8-22） 式中uA、uB 、uC iA、iB 、iC eA、eB 、eC RsLsLm4242電壓方程（續(xù)）電壓方程（續(xù)） 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

17、 = - Lm iC 4343 電壓方程（續(xù)）電壓方程（續(xù)）代入式（8-22），并整理后得 CBACBAmsmsmsCBAsssCBA000000000000eeeiiipLLLLLLiiiRRRuuu（8-23） 4444n 轉(zhuǎn)矩方程轉(zhuǎn)矩方程 設(shè)圖8-8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 ppp1pppp1me22InIEnnPT（8-24） 式中 p 梯形波勵磁磁鏈的峰值，是恒定值。4545 由此可見，梯形波永磁同步電動機（即無

18、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(dāng)。 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)。 4646注意注意 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控制等功能。 現(xiàn)已生產(chǎn)出專用的集成化芯片，比如： MC33033、MC33035等。47473. 動態(tài)模型動態(tài)模型l動態(tài)電壓方程 不考慮換相過程及PWM波等因素的影響，當(dāng)圖8-10中的VT1和VT6導(dǎo)通時，A、B兩相導(dǎo)通而C相關(guān)斷，則可得無刷直流電動機的動態(tài)電壓方程為 AAmsAsBA2)(22epiLLiRuu（8-25） 4848動態(tài)模型（續(xù)）動態(tài)模型（續(xù)） 在上式中， ( uA uB ) 是 A、B 兩相之間輸入的平均線電壓，采用PWM控制時,設(shè)占空比為，則 uA uB = Ud ，于是，式（8-25）可改寫成 AsAd) 1(22ipTR