青島科技大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)第8章同步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)

1、第第 8 章章同步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)同步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng) 第第8章章 同步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)同步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng) 8.1 同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型與調(diào)速方法同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型與調(diào)速方法 8.2 他控變頻他控變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 8.3 自控變頻同步電動(dòng)機(jī)自控變頻同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速的調(diào)速 小結(jié)小結(jié)8.1 同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型與調(diào)速方法同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型與調(diào)速方法 同步電動(dòng)機(jī)歷來是以轉(zhuǎn)速與電源頻率保持嚴(yán)格同轉(zhuǎn)速與電源頻率保持嚴(yán)格同步步著稱的。只要電源頻率保持恒定，同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就絕對(duì)不變。 同步電動(dòng)機(jī)直接投入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，存在失步與起失步與起動(dòng)困難兩大難題動(dòng)困

2、難兩大難題，曾經(jīng)制約著同步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用。 同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速只能是變頻調(diào)速變頻調(diào)速。 變頻技術(shù)的發(fā)展變頻技術(shù)的發(fā)展與成熟不僅實(shí)現(xiàn)了同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速調(diào)速，同時(shí)也解決了失步與起動(dòng)困難的問題解決了失步與起動(dòng)困難的問題，使之不再是限制同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的障礙。8.1.1 同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)l 與異步電動(dòng)機(jī)相比，同步電動(dòng)機(jī)具有以下特點(diǎn)：111pp60602fnnn異步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速總是低于同步轉(zhuǎn)速異步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速總是低于同步轉(zhuǎn)速，而同同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速恒等于同步轉(zhuǎn)速步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速恒等于同步轉(zhuǎn)速，因此機(jī)械機(jī)械特性很硬特性很硬。1）交流電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速n1與定子電源頻率f1有確定的

3、關(guān)系同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)（續(xù)）同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)（續(xù)）AXBYCZSN永久磁鋼2）異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢靠感應(yīng)產(chǎn)生，而同步電動(dòng)機(jī)除定子磁動(dòng)勢外，在轉(zhuǎn)子側(cè)還有獨(dú)同步電動(dòng)機(jī)除定子磁動(dòng)勢外，在轉(zhuǎn)子側(cè)還有獨(dú)立的立的直流勵(lì)磁直流勵(lì)磁，或者靠永，或者靠永久磁鋼勵(lì)磁久磁鋼勵(lì)磁。AXBYCZ直流勵(lì)磁繞組SN磁極定子鐵心定子繞組+-同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)（續(xù)）同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)（續(xù)） 3）同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)的定子都有定子都有同樣的交流繞組同樣的交流繞組，一般都是三相的，而轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)子繞組則不同，同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子除直流勵(lì)磁繞組（或永久磁鋼）外，還可能有自身短路的阻尼繞組自身短路的阻尼繞組。 4）異步電動(dòng)機(jī)的氣隙是均勻的，而同

4、步電動(dòng)機(jī)則有隱極和凸極隱極和凸極之分。隱極電動(dòng)機(jī)氣隙均勻；凸極電動(dòng)機(jī)的氣隙不均勻，數(shù)學(xué)模型復(fù)雜。同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)（續(xù)）同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)（續(xù)） 5）由于同步電動(dòng)機(jī)有獨(dú)立勵(lì)磁，在極低的電源頻率下也能運(yùn)行，因此在同樣的條件下，同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍比異步電動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍比異步電動(dòng)機(jī)更寬機(jī)更寬。 6）異步電動(dòng)機(jī)要靠加大轉(zhuǎn)差轉(zhuǎn)差才能提高轉(zhuǎn)矩，而同步電動(dòng)機(jī)只需加大轉(zhuǎn)矩角轉(zhuǎn)矩角就能增大轉(zhuǎn)矩，同步電動(dòng)機(jī)比異步電動(dòng)機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)矩同步電動(dòng)機(jī)比異步電動(dòng)機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)具有更強(qiáng)的承受能力，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。擾動(dòng)具有更強(qiáng)的承受能力，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)（續(xù)）同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)（續(xù)） 存在的問題：存在的問題：

5、 （1）起動(dòng)困難； （2）重載時(shí)有振蕩，甚至存在失步危險(xiǎn)；n 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-頻率協(xié)調(diào)控制，可解決由固定頻率電源供電而產(chǎn)生的問題。例 如p對(duì)于起動(dòng)問題：對(duì)于起動(dòng)問題： 通過變頻電源頻率的平滑調(diào)節(jié)，使電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸上升，實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)。p對(duì)于對(duì)于振蕩和失步問題振蕩和失步問題 ： 由于采用頻率閉環(huán)控制，同步轉(zhuǎn)速可以跟著頻率改變，于是就不會(huì)振蕩和失步了。 8.1.2 同步電動(dòng)機(jī)的分類同步電動(dòng)機(jī)的分類按勵(lì)磁方式分：按勵(lì)磁方式分： 可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī) 永磁同步電動(dòng)機(jī)永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子用永磁材料永磁材料制成，無需直流勵(lì)磁。轉(zhuǎn)子側(cè)有獨(dú)立的直流

6、勵(lì)磁有獨(dú)立的直流勵(lì)磁，可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的直流勵(lì)磁電流改變輸入功率因數(shù)，可以滯后，也可以超前。永磁同步電動(dòng)機(jī)永磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn) 1）由于采用了永磁材料磁極，特別是采用了稀土金屬永磁稀土金屬永磁，如釹鐵硼釹鐵硼，其磁能高，可得到較高的氣隙磁通密度，因此容量相同的電動(dòng)機(jī)體積小、重量輕體積小、重量輕。 永磁同步電機(jī)永磁同步電機(jī)的發(fā)展與永磁材料工業(yè)永磁材料工業(yè)的發(fā)展密切相關(guān)。 自上世紀(jì)九十年代上世紀(jì)九十年代以來，隨著永磁材料性能的不斷提高和完善，特別是釹鐵硼永磁材料釹鐵硼永磁材料性能的改善和價(jià)格的逐步降低，稀土永磁電機(jī)的研究進(jìn)稀土永磁電機(jī)的研究進(jìn)入了一個(gè)新階段入了一個(gè)新階段。 我國是盛產(chǎn)永磁材料的國家

7、我國是盛產(chǎn)永磁材料的國家，特別是稀土永磁材料釹鐵硼資源在我國非常豐富，稀土礦的儲(chǔ)藏量為世界其他各國總和的4倍左右倍左右，號(hào)稱“稀土王稀土王國國。稀土永磁材料和稀土永磁電機(jī)的科研水平都達(dá)到了國際先進(jìn)水平。因此對(duì)我國來說，永磁同步電動(dòng)機(jī)有很好的應(yīng)用前景。2）轉(zhuǎn)子沒有銅損和鐵損，又沒有集電環(huán)和電刷的摩擦損耗，運(yùn)行效率高運(yùn)行效率高。3）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，允許脈沖轉(zhuǎn)矩大，可獲得較高的加速度，動(dòng)態(tài)性能好。4）結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)行可靠運(yùn)行可靠。永磁同步電動(dòng)機(jī)永磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)（續(xù)）永磁同步電動(dòng)機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域永磁同步電動(dòng)機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域 (l)軍事、航空、航天領(lǐng)域; (2)控制精度要求高的領(lǐng)域，如數(shù)控機(jī)床、

8、數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人控制工業(yè)機(jī)器人控制等; (3)交通工具控制領(lǐng)域，如電動(dòng)汽車電動(dòng)汽車控制; (4)家用電器控制領(lǐng)域，如家用空調(diào)、電空調(diào)、電冰箱冰箱等。按氣隙磁場分布可分為兩類：永磁同步電動(dòng)機(jī)的分類1）正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)： 磁極采用永磁材料，輸入三相正弦波電流輸入三相正弦波電流時(shí)，氣隙磁場為正弦波氣隙磁場為正弦波分布。2）梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)： 磁極仍為永磁材料，但輸入方波電流輸入方波電流，氣隙磁氣隙磁場呈梯形波分布，場呈梯形波分布，性能更接近于直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)。用梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的自控變頻同步電動(dòng)機(jī)又稱為無刷直流電動(dòng)機(jī)無刷直流電動(dòng)機(jī)Brushless DC Motor - BL

9、DCM簡稱永磁同步電動(dòng)機(jī)永磁同步電動(dòng)機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor -PMSM）同步電機(jī)的同步電機(jī)的工作原理工作原理 當(dāng)對(duì)稱三相正弦交流電通入對(duì)稱三相定子繞組時(shí)，便產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組通入直流電，便產(chǎn)生極對(duì)數(shù)與旋轉(zhuǎn)磁場相等的大小和極性都不變的恒定磁場。轉(zhuǎn)子好像一個(gè)轉(zhuǎn)子好像一個(gè)“磁鐵磁鐵”，在旋轉(zhuǎn)磁場的，在旋轉(zhuǎn)磁場的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)。帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)。由于同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩是旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子磁場不同極性間的吸引力吸引力所產(chǎn)生的，所以轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速始終等于旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速始終等于旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速速，不因負(fù)載改變而改變AN0BCS0NSn0+-8.1.3 同步

10、電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩角特性轉(zhuǎn)矩角特性凸極同步電動(dòng)機(jī)凸極同步電動(dòng)機(jī)電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩2sdqssMddqsins3()32in2UxxU EPxx x2sdqssemdmdqsins3()32in2UxxU ETxx xUs-定子電壓有效值Is-定子電流有效值Es-轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢在定子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢在定子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢xd-定子直軸電抗xq-定子交軸電抗-Us與與Es之間的相位角之間的相位角。在Us和Es恒定時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)的電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩由決定，故稱功率角或轉(zhuǎn)矩角功率角或轉(zhuǎn)矩角隱極同步電動(dòng)機(jī)隱極同步電動(dòng)機(jī)xd=xq，電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩為ssMd3sinU EPxssemdin3

11、sU ETxTe2當(dāng)當(dāng)=/2時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩最大。時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩最大。8.1.3 同步電動(dòng)機(jī)的同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩角特性轉(zhuǎn)矩角特性（續(xù)）（續(xù)）-Us與與Es之間的相位之間的相位角角。8.1.4 同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行穩(wěn)定運(yùn)行 以隱極同步電動(dòng)機(jī)隱極同步電動(dòng)機(jī)為例，分析同步電動(dòng)機(jī)恒頻恒壓時(shí)的穩(wěn)定運(yùn)行問題。1. 在在0/2范圍內(nèi)范圍內(nèi)TeO1Te1Te22/2TeO4Te4Te33/22. 在在/2范圍內(nèi)范圍內(nèi)電動(dòng)機(jī)能夠穩(wěn)定穩(wěn)定運(yùn)行運(yùn)行電動(dòng)機(jī)不能穩(wěn)定運(yùn)不能穩(wěn)定運(yùn)行，行，產(chǎn)生失步失步8.1.5 同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)起動(dòng) 當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)在工頻電源下起動(dòng)時(shí)在工頻電源下起動(dòng)時(shí)，定子磁動(dòng)勢立即以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。由于機(jī)械慣性的作用

12、，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速具有較大的滯后，不能快速跟上同步轉(zhuǎn)速；轉(zhuǎn)矩角轉(zhuǎn)矩角以以2為周期變化為周期變化，旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子磁極之間旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子磁極之間的吸引和排斥相互交替的吸引和排斥相互交替，電磁轉(zhuǎn)矩呈正弦規(guī)律變化電磁轉(zhuǎn)矩呈正弦規(guī)律變化，在一個(gè)周期內(nèi)，電磁轉(zhuǎn)矩的平均值為零電磁轉(zhuǎn)矩的平均值為零，故同步電動(dòng)機(jī)不能起動(dòng)。AN0BS0NSn0C 在實(shí)際的同步電動(dòng)機(jī)中轉(zhuǎn)子都有類似籠型異步電動(dòng)機(jī)中的起動(dòng)繞組起動(dòng)繞組，使電動(dòng)機(jī)按異步電動(dòng)機(jī)的方式起動(dòng)按異步電動(dòng)機(jī)的方式起動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)再通入直流直流勵(lì)磁電流牽入同步勵(lì)磁電流牽入同步。8.1.6 同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n1p160nnfn同步電動(dòng)機(jī)有確定的

13、極對(duì)數(shù)np,所以同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速只能是變頻調(diào)速只能是變頻調(diào)速。同步電動(dòng)機(jī)的失步和起動(dòng)問題限制了其應(yīng)用場合，采用變頻技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速調(diào)速，而且也解決了起動(dòng)和失步起動(dòng)和失步問題 采用變頻法起動(dòng)變頻法起動(dòng)時(shí)，先在轉(zhuǎn)子繞組中通入直流勵(lì)磁電流直流勵(lì)磁電流，借助變頻器逐步升高逐步升高加在定子上的電源頻率電源頻率，使轉(zhuǎn)子磁極在開始起轉(zhuǎn)子磁極在開始起動(dòng)時(shí)就與旋轉(zhuǎn)磁場建立起穩(wěn)定的磁拉力而動(dòng)時(shí)就與旋轉(zhuǎn)磁場建立起穩(wěn)定的磁拉力而同步旋轉(zhuǎn)，同步旋轉(zhuǎn)，并在起動(dòng)過程中同步增速，一直增到額定轉(zhuǎn)速值。AN0BCS0NSn0+-8.1.6 同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速調(diào)速（續(xù)）（續(xù)）忽略定子漏阻抗壓降，有s1sNsm4.44Uf N k

14、 同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的電壓頻率特性與異與異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速相同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速相同，基頻以下基頻以下采用帶定子電壓補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制恒壓頻比控制方式，基頻以上基頻以上采用電壓恒定電壓恒定的控制方式。同步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速方法他控變頻調(diào)速系統(tǒng)：他控變頻調(diào)速系統(tǒng)：開環(huán)控制的他控變頻調(diào)速系統(tǒng)他控變頻調(diào)速系統(tǒng)比較簡單，能實(shí)現(xiàn)多機(jī)拖動(dòng)，但仍可能產(chǎn)生失步現(xiàn)象可能產(chǎn)生失步現(xiàn)象。自控變頻調(diào)速系統(tǒng)自控變頻調(diào)速系統(tǒng)嚴(yán)格保證電源頻率與轉(zhuǎn)速的同同步步，從根本上避免了失步現(xiàn)象避免了失步現(xiàn)象，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要轉(zhuǎn)子位置檢測器或根據(jù)電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢波形推算轉(zhuǎn)子的位置。用獨(dú)立的變壓變頻裝置獨(dú)立的變壓變頻裝置給同步電動(dòng)機(jī)供電。

15、根據(jù)轉(zhuǎn)子位置直接控制變壓變頻裝置轉(zhuǎn)子位置直接控制變壓變頻裝置。自控變頻調(diào)速系統(tǒng)：自控變頻調(diào)速系統(tǒng)：8.2 他控變頻他控變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 與異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速一樣，用用獨(dú)立的變壓變頻裝置獨(dú)立的變壓變頻裝置給同步電動(dòng)機(jī)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)。8.2.1 轉(zhuǎn)速開環(huán)轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制恒壓頻比控制的同步電動(dòng)機(jī)的同步電動(dòng)機(jī) 群調(diào)速系統(tǒng)群調(diào)速系統(tǒng) 轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的同步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)中。 這種系統(tǒng)采用多臺(tái)永磁或磁阻同步電動(dòng)機(jī)并聯(lián)接在公共的變頻器并聯(lián)接在公共的變頻器上，由統(tǒng)一的頻率

16、給定信號(hào)同時(shí)調(diào)節(jié)各臺(tái)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成圖8-1多臺(tái)同步電動(dòng)機(jī)的恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng) l多臺(tái)永磁或磁阻同步電動(dòng)機(jī)并聯(lián)接在公共的公共的電壓源型電壓源型PWM變壓變頻器變壓變頻器上，由統(tǒng)一的頻率給定信號(hào) f * 同時(shí)調(diào)節(jié)同時(shí)調(diào)節(jié)各臺(tái)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。l PWM變壓變頻器中，帶定子壓降補(bǔ)償?shù)暮銕Фㄗ訅航笛a(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制壓頻比控制保證了同步電動(dòng)機(jī)氣隙磁通恒定氣隙磁通恒定，緩慢地調(diào)節(jié)頻率給定 f * 可以逐漸地同時(shí)改變同時(shí)改變各臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速各臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)特點(diǎn)系統(tǒng)特點(diǎn)l系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，只需一臺(tái)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(gè)明顯的缺點(diǎn)，就是轉(zhuǎn)

17、子振蕩和失步問題并未解決轉(zhuǎn)子振蕩和失步問題并未解決，因此各臺(tái)同步電動(dòng)機(jī)的負(fù)載不能太大。負(fù)載不能太大。否則否則會(huì)造成負(fù)載大的同步電動(dòng)機(jī)失步，進(jìn)而使會(huì)造成負(fù)載大的同步電動(dòng)機(jī)失步，進(jìn)而使整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)崩潰。整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)崩潰。8.2.2 大功率同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)大功率同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)概述 大型同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上一般都具有勵(lì)一般都具有勵(lì)磁繞組磁繞組，通過集電環(huán)由直流勵(lì)磁電源供電直流勵(lì)磁電源供電，或者由交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)經(jīng)過隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的整流器供電。 一類大型同步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)用于低速的電力拖動(dòng)用于低速的電力拖動(dòng)，如無齒輪傳動(dòng)無齒輪傳動(dòng)的可逆軋機(jī)、礦井提升機(jī)、水泥轉(zhuǎn)窯等。由交交-交變壓變頻器交變壓變頻

18、器供電，其輸出頻率為2025Hz，對(duì)于一臺(tái)20極的同步電動(dòng)機(jī)，同步轉(zhuǎn)速為120150r/min，直接用來拖動(dòng)軋鋼機(jī)等設(shè)備是合適的，可以省去龐省去龐大的齒輪傳動(dòng)裝置大的齒輪傳動(dòng)裝置。 大型同步電動(dòng)機(jī)可以采用恒壓頻比控恒壓頻比控制制，轉(zhuǎn)速閉環(huán)的矢量控制轉(zhuǎn)速閉環(huán)的矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩直接轉(zhuǎn)矩控制控制。變頻調(diào)速既能解決起動(dòng)問題，又可抑制失步現(xiàn)象,可謂“一舉兩得”8.3 自控變頻同步電動(dòng)機(jī)自控變頻同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速的調(diào)速 他控變頻他控變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)變頻器的輸出頻率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速或位置無直接關(guān)系，若控制不當(dāng)，仍然會(huì)造成失步失步。 如果能根據(jù)轉(zhuǎn)子位置直接控制變頻器的輸出電壓或電流的相位，使轉(zhuǎn)矩角轉(zhuǎn)矩角小于小

19、于/2,就能從根本上杜絕失步，這就是采用自控變頻同步電動(dòng)機(jī)自控變頻同步電動(dòng)機(jī)的初衷。8.3.1 自控變頻同步電動(dòng)機(jī)自控變頻同步電動(dòng)機(jī)MSBQ控制器逆變器可控整流器+-UdrUI自控變頻同步電動(dòng)機(jī)自控變頻同步電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)機(jī)軸端裝有一臺(tái)轉(zhuǎn)子位置檢測器轉(zhuǎn)子位置檢測器BQ，由它發(fā)出的信號(hào)控制變壓變頻裝置的逆變器逆變器U I 換流，從而改變同步電動(dòng)機(jī)同步電動(dòng)機(jī)MS的供電頻率，保證轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與供電頻率同步。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與供電頻率同步。由四部分組成圖圖8-9 自控變頻自控變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速原理圖速原理圖結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 轉(zhuǎn)子位置檢測器轉(zhuǎn)子位置檢測器與電動(dòng)機(jī)同軸安裝，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子位置檢測器能正確反

20、映轉(zhuǎn)子磁極的位置，根據(jù)轉(zhuǎn)子磁極的位置信號(hào)控制逆變器輸出電壓的頻率和相位，使同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩角或功率角小于轉(zhuǎn)矩角或功率角小于/2。 當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，逆變器輸出電壓的頻率與轉(zhuǎn)速同步變化，從根本上消除失步現(xiàn)象，保證同步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（續(xù)） 在基頻以下調(diào)速時(shí)，需要電壓頻率協(xié)調(diào)控制，因此除了逆變器外除了逆變器外，還需要一套調(diào)壓調(diào)壓裝置裝置，為逆變器提供可調(diào)的直流電源?？煽卣髌魍瓿烧{(diào)壓的功能。 調(diào)速時(shí)改變直流電壓，轉(zhuǎn)速將隨之變化，調(diào)速時(shí)改變直流電壓，轉(zhuǎn)速將隨之變化，逆變器的輸出頻率自動(dòng)跟蹤轉(zhuǎn)速。逆變器的輸出頻率自動(dòng)跟蹤轉(zhuǎn)速。雖然表表面上只控制了電壓，實(shí)際上也自動(dòng)控制了面上

21、只控制了電壓，實(shí)際上也自動(dòng)控制了頻率頻率，這就是自控變頻同步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（續(xù)）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（續(xù)） 從電動(dòng)機(jī)本身看，它是一臺(tái)同步電動(dòng)機(jī)，但是如果把它和逆變器把它和逆變器 UI、轉(zhuǎn)子位置檢測器、轉(zhuǎn)子位置檢測器 BQ 合合起來看起來看，就象是一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)就象是一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)。從外部看來，改變直流電壓就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速改變直流電壓就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速，相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速。MSBQ控制器逆變器可控整流器+-UdrUI自控變頻同步電動(dòng)機(jī)自控變頻同步電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)比較與直流電動(dòng)機(jī)比較 直流電動(dòng)機(jī)電樞直流電動(dòng)機(jī)電樞里面的電流電流本來就是交變的交變的，只是經(jīng)過換向器換向器和電刷電刷才在外部電路表

22、現(xiàn)為直流，這時(shí)，換向器換向器相當(dāng)于機(jī)械式的逆變器機(jī)械式的逆變器，電刷電刷相當(dāng)于磁極位置檢測器磁極位置檢測器。這里，則采用電力電子逆變采用電力電子逆變器和轉(zhuǎn)子位置檢測器替代機(jī)械式換向器和電刷器和轉(zhuǎn)子位置檢測器替代機(jī)械式換向器和電刷。MSBQ控制器逆變器可控整流器+-UdrUI自控變頻同步電動(dòng)機(jī)自控變頻同步電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)比較與直流電動(dòng)機(jī)比較 稍有不同的是不同的是，直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)的磁極在定子上，電樞是旋轉(zhuǎn)的，而同步電動(dòng)機(jī)同步電動(dòng)機(jī)的磁極一般都在轉(zhuǎn)子上，電樞卻是靜止的。只是運(yùn)動(dòng)形式的不同，沒有本質(zhì)的區(qū)別。只是運(yùn)動(dòng)形式的不同，沒有本質(zhì)的區(qū)別。n 自控變頻同步電動(dòng)機(jī)的分類1）無換向器電動(dòng)機(jī)無換向

23、器電動(dòng)機(jī) ：由于采用電子換向器取代了機(jī)械式的換向器，因而得名，多用于帶直流勵(lì)磁的帶直流勵(lì)磁的同步電動(dòng)機(jī)同步電動(dòng)機(jī)。2）正弦波永磁自控同步電動(dòng)機(jī)：正弦波永磁自控同步電動(dòng)機(jī)：以正弦波永磁同正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)為核心步電動(dòng)機(jī)為核心，構(gòu)成的自控變頻同步電動(dòng)機(jī)。正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)是指當(dāng)輸入三相正弦波電流、氣隙磁場為正弦分布，磁極采用永磁材料的同步電動(dòng)機(jī)。自控變頻同步電動(dòng)機(jī)因其核心部件核心部件的不同，略有差異：3）梯形波永磁自控變頻同步電動(dòng)機(jī)梯形波永磁自控變頻同步電動(dòng)機(jī)（無刷無刷直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)）：以梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)為核心為核心的自控變頻同步電動(dòng)機(jī)，由于輸入方波電流，氣隙磁場

24、呈梯形波分布，性能更接近于直流電動(dòng)機(jī)，但沒有電刷，故稱無刷直流電動(dòng)機(jī)。n 自控變頻同步電動(dòng)機(jī)的分類（續(xù)）1）無換向器電動(dòng)機(jī)無換向器電動(dòng)機(jī) ：2）正弦波永磁自控同步電動(dòng)機(jī)：正弦波永磁自控同步電動(dòng)機(jī)：盡管名稱上有區(qū)別，但本質(zhì)上都是一樣的，所以統(tǒng)稱做“自控變頻同步電動(dòng)機(jī)自控變頻同步電動(dòng)機(jī)”8.3.2 梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)（無刷直流電梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)（無刷直流電 動(dòng)機(jī)）的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)機(jī)）的自控變頻調(diào)速系統(tǒng) 1. 概概 述述 無刷直流電動(dòng)機(jī)實(shí)質(zhì)上是一種特定類型的同步電動(dòng)機(jī)，調(diào)速時(shí)只在表面上控制了輸入電壓，實(shí)際上也自動(dòng)地控制了頻率，仍屬于同步電動(dòng)機(jī)的變壓變頻調(diào)速。n 電動(dòng)勢與電流波形 永磁無刷直

25、流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極采用瓦形磁鋼，經(jīng)專門的磁路設(shè)計(jì)，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(dòng)勢也是梯形波的。 由逆變器提供與電動(dòng)勢嚴(yán)格同相的方波電流，同一相（例如A相）的電動(dòng)勢 eA和電流波 iA 形圖如圖8-8所示。 電動(dòng)勢與電流波形（續(xù)） 圖8-8 梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢與電流波形圖 eAiAIPEPiAeAOt 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(jìn)行控制，比各種交流PWM控制都要簡單得多，這是設(shè)計(jì)梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的初衷。 然而由于繞組電感的作用，換相時(shí)電流波形不可能突跳，其波形實(shí)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

26、形波。 n 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) 如圖8-9所示，實(shí)際的轉(zhuǎn)矩波形每隔60都出現(xiàn)一個(gè)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(dòng)使梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能低于正弦波的永磁同步電動(dòng)機(jī)。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)（續(xù)） 圖8-9 梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) n 逆變器電路圖8-10 梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的等效電路及逆變器主電路原理圖2. 穩(wěn)態(tài)模型 逆變器工作方式 由三相橋式逆變器供電的Y接梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的等效電路及逆變器主電路原理圖如圖8-10所示，逆變器通常采用120導(dǎo)通型的，當(dāng)兩相導(dǎo)通時(shí)，另一相斷開。 對(duì)于梯形波的電動(dòng)勢和電流，不能簡單地用矢量表示，因而旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換也不適用，只好在靜止的A

27、BC坐標(biāo)上建立電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。 當(dāng)電動(dòng)機(jī)中點(diǎn)與直流母線負(fù)極共地時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電壓方程可以用下式表示 n 電壓方程電壓方程（續(xù)）三相輸入對(duì)地電壓；三相電流；三相電動(dòng)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 RsLsLm電壓方程（續(xù)） 由于三相定子繞組對(duì)稱，故有 iA + iB + iC = 0則 Lm iB + Lm iC = - Lm iA Lm iC + Lm iA = - Lm iB

28、Lm iA + Lm iB = - Lm iC 電壓方程（續(xù)）代入式（8-22），并整理后得 CBACBAmsmsmsCBAsssCBA000000000000eeeiiipLLLLLLiiiRRRuuu（8-23） n 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(dòng)勢的峰值為Ep，在一般情況下，同時(shí)只有兩相導(dǎo)通，從逆變器直流側(cè)看進(jìn)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(lì)磁磁鏈的峰值，是恒定值。 由此可見，梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)（即無刷直流電動(dòng)機(jī)）的轉(zhuǎn)矩與

29、電流成正比轉(zhuǎn)矩與電流成正比，和一般的直流電動(dòng)機(jī)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(shí)，可采用開環(huán)調(diào)速，對(duì)于動(dòng)態(tài)性能要求較高的負(fù)載，可采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。 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(hào)、調(diào)速時(shí)對(duì)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。3. 動(dòng)態(tài)模型l動(dòng)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(shí)，A、B兩相導(dǎo)通而C相關(guān)斷，則可得無刷直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)電壓方程為 AAmsAsBA2)(22epiLLiRuu（8-25） 動(dòng)態(tài)模型（續(xù)） 在上式中

30、， ( uA uB ) 是 A、B 兩相之間輸入的平均線電壓，采用PWM控制時(shí),設(shè)占空比為，則 uA uB = Ud ，于是，式（8-25）可改寫成 AsAd) 1(22ipTReUlsmsRLLTl（8-26） 式中為電樞漏磁時(shí)間常數(shù)。n 轉(zhuǎn)矩和電力拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程根據(jù)電機(jī)和電力拖動(dòng)系統(tǒng)基本理論，可知eBAkeeAepBBAApe2)(iknieienTpnJTTpLe（8-27） （8-28） （8-29） n無刷直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 圖8-11 無刷直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 8.3.2 正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)的自控變頻調(diào)速正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)的自控變頻調(diào)速 系統(tǒng)系統(tǒng) 正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)具

31、有定子三相分布繞組和永磁轉(zhuǎn)子，在磁路結(jié)構(gòu)和繞組分布上保證定子繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢具有正弦波形，外施的定子電壓和電流也應(yīng)為正弦波，一般靠交流PWM變壓變頻器提供。 1. 轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制模型 正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)一般沒有阻尼繞組，轉(zhuǎn)子磁通由永久磁鋼決定，是恒定不變的，可采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制，即將兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸定在轉(zhuǎn)子磁鏈 r 方向上，無須再采用任何計(jì)算磁鏈的模型。 磁鏈方程其在d-q坐標(biāo)上的磁鏈方程簡化為 qsqqrdsddiLiL（8-30） 電壓方程 式（8-19）的電壓方程簡化為r1dsd1qsqqsqqsq1dsddsdiLpiLiRuiLpiLiRu（8-31） 轉(zhuǎn)矩方程式（8-20）的轉(zhuǎn)矩方程變成 )()(qdsqsdqrpdqqdpeiiLLiniinT（8-32） 式中后一項(xiàng)是磁阻轉(zhuǎn)矩，正比于 Lsd 與 Lsq 之差?；l以下調(diào)速時(shí)的電機(jī)模型 在基頻以下的恒轉(zhuǎn)矩工作區(qū)中，控制定子電流矢量使之落在 q 軸上，即令 id = 0，iq = is，此時(shí)磁鏈、電壓和轉(zhuǎn)矩方程成為 ssqqrdiLr1ssqssqq1ssq1dpiLiRuiLusrpeinT（8-33） （8-34） （8-35） 由于 r 恒定，電磁轉(zhuǎn)矩與定子電流的幅值成正比，控制定子電流幅值就