第三章 同步電動機的變頻調(diào)速控制

1、第三章第三章 同步電動機的變頻調(diào)速控制同步電動機的變頻調(diào)速控制應(yīng)用廣泛應(yīng)用廣泛: :(1) 功率覆蓋面非常廣大，從瓦級無刷直流電動機到功率覆蓋面非常廣大，從瓦級無刷直流電動機到萬千瓦的大型軋機、窯爐萬千瓦的大型軋機、窯爐 傳動電機、鼓風(fēng)機電機傳動電機、鼓風(fēng)機電機等。等。 (2) 大型同步電機和超大型抽水蓄能電動發(fā)電機的變大型同步電機和超大型抽水蓄能電動發(fā)電機的變頻起動也屬于同步電動機變頻調(diào)速之列。頻起動也屬于同步電動機變頻調(diào)速之列。(3) 近年來永磁同步電動機的迅速發(fā)展，使同步電動近年來永磁同步電動機的迅速發(fā)展，使同步電動機變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用愈來愈多。機變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用愈來愈多。優(yōu)點優(yōu)點:(

2、1) 只要精確地控制變頻電源的頻率就能準確控只要精確地控制變頻電源的頻率就能準確控制轉(zhuǎn)速，無需速度反饋控制。制轉(zhuǎn)速，無需速度反饋控制。(2) 轉(zhuǎn)矩干擾只影響同步電動機的功角，不影響轉(zhuǎn)矩干擾只影響同步電動機的功角，不影響電機的轉(zhuǎn)速可以在極低的轉(zhuǎn)速下運行，調(diào)速范圍電機的轉(zhuǎn)速可以在極低的轉(zhuǎn)速下運行，調(diào)速范圍較寬。較寬。(3)可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁來調(diào)節(jié)電機的功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁來調(diào)節(jié)電機的功率因數(shù),甚甚至可在至可在 下運行。下運行。(4) 運行在超前功率因數(shù)下，有可能利用電動機運行在超前功率因數(shù)下，有可能利用電動機的反電勢實現(xiàn)負載換流，克服強迫換流的弊病的反電勢實現(xiàn)負載換流，克服強迫換流的弊?。ňчl管

3、（晶閘管)。1cos缺點缺點：同步電機本身結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜：同步電機本身結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜3-1 同步電動機的結(jié)構(gòu)形式和運行性能同步電動機的結(jié)構(gòu)形式和運行性能一、變頻調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用的同步電動機一、變頻調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用的同步電動機對于對于大、中容量大、中容量的調(diào)速系統(tǒng)，一般采用普的調(diào)速系統(tǒng)，一般采用普通的電勵磁式結(jié)構(gòu)；對于通的電勵磁式結(jié)構(gòu)；對于小型小型調(diào)速裝置，采用調(diào)速裝置，采用磁阻式或者永磁式同步電機。磁阻式或者永磁式同步電機。1. 特征特征pfn602. 永磁同步電動機的材料永磁同步電動機的材料年代年代材料名稱材料名稱最大磁積最大磁積( (兆兆高奧高奧)(HB)(HB)特色特色曲線曲線3030年代年代鋁

4、鎳鈷、鐵氧體鋁鎳鈷、鐵氧體差差易去磁易去磁1 19090年代年代鐵氧體鐵氧體3.64.03.64.0價格低價格低（稀土的（稀土的1/101/10）2 26060年代年代后期后期稀土永磁：稀土永磁：SmCSmC05052424熱穩(wěn)定性好熱穩(wěn)定性好不怕去磁不怕去磁3 37070年代年代初期初期稀土永磁：稀土永磁：S Sm mC C0170173333鈷含量高、價格高鈷含量高、價格高 稀土永磁：稀土永磁：釹鐵硼釹鐵硼NdNd-Fe-B-Fe-B38403840我國儲量世界第一，我國儲量世界第一，溫度可達溫度可達200200？4 4第三代第三代幾種永磁材料的特性比較幾種永磁材料的特性比較3.永磁同步電

5、動機的磁極結(jié)構(gòu)永磁同步電動機的磁極結(jié)構(gòu)永磁同步電動機的磁極結(jié)構(gòu)型式隨永磁材料特永磁同步電動機的磁極結(jié)構(gòu)型式隨永磁材料特性的不同和應(yīng)用領(lǐng)域的差異具有多種方案。性的不同和應(yīng)用領(lǐng)域的差異具有多種方案。 按永磁材料的不同，可將永磁同步電動機分按永磁材料的不同，可將永磁同步電動機分為三種類型：為三種類型： （1）鋁鎳鈷永磁同步電機）鋁鎳鈷永磁同步電機 （2）鐵氧體永磁同步電機）鐵氧體永磁同步電機 （3）稀土永磁同步電機）稀土永磁同步電機鋁鎳鈷永磁同步電機：鋁鎳鈷永磁同步電機：早期的鋁鎳鈷永磁同早期的鋁鎳鈷永磁同步電機沿用了傳統(tǒng)同步電步電機沿用了傳統(tǒng)同步電機結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)鋁鎳鈷機結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)鋁鎳鈷材料矯

6、頑力小，剩磁密度材料矯頑力小，剩磁密度大的特點，磁極采用截面大的特點，磁極采用截面小，極身長的形狀。小，極身長的形狀。鐵氧體和稀土永磁同步電機鐵氧體和稀土永磁同步電機: 鐵氧體鐵氧體矯頑力較大，剩磁密度較小，鐵氧體永矯頑力較大，剩磁密度較小，鐵氧體永磁同步電機常采用如圖磁同步電機常采用如圖33 a）的磁極結(jié)構(gòu)。而對）的磁極結(jié)構(gòu)。而對于磁能積很大的于磁能積很大的稀土稀土永磁電機，采用瓦片式結(jié)構(gòu)，永磁電機，采用瓦片式結(jié)構(gòu)，如圖如圖33 b）和）和c）所示。）所示。磁阻電機磁阻電機: 磁阻電機，又稱反應(yīng)磁阻電機，又稱反應(yīng)式同步電機，是一種無勵式同步電機，是一種無勵磁的凸極式同步電動機，磁的凸極式同步

7、電動機，利用凸極轉(zhuǎn)子磁路不對稱，利用凸極轉(zhuǎn)子磁路不對稱，dq 軸電抗差異來產(chǎn)生反軸電抗差異來產(chǎn)生反應(yīng)轉(zhuǎn)矩。其結(jié)構(gòu)如圖應(yīng)轉(zhuǎn)矩。其結(jié)構(gòu)如圖34所示。所示。二、同步電動機的運行性能二、同步電動機的運行性能1. 電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩 一般表達式一般表達式 隱極同步電動機，隱極同步電動機，dq軸同步電抗相等，反軸同步電抗相等，反應(yīng)轉(zhuǎn)矩消失。應(yīng)轉(zhuǎn)矩消失。 磁阻式同步電動機，無勵磁，磁阻式同步電動機，無勵磁，E0。2sin222211qdqddXXXXUfmpSinXUEfmpTsin21sXUEfmpT2sin2221qdqdXXXXUfmpT2. 轉(zhuǎn)矩特性曲線轉(zhuǎn)矩特性曲線凸極式同步電動機轉(zhuǎn)矩特性曲線凸極式同

8、步電動機轉(zhuǎn)矩特性曲線分析：分析：它是由轉(zhuǎn)子勵磁產(chǎn)它是由轉(zhuǎn)子勵磁產(chǎn)生的同步轉(zhuǎn)矩生的同步轉(zhuǎn)矩2 和凸極效和凸極效應(yīng)產(chǎn)生的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩應(yīng)產(chǎn)生的反應(yīng)轉(zhuǎn)矩3兩部分兩部分合成。合成。其中同步轉(zhuǎn)矩按功其中同步轉(zhuǎn)矩按功率角的正弦變化，反應(yīng)轉(zhuǎn)率角的正弦變化，反應(yīng)轉(zhuǎn)矩按其兩倍頻正弦變化。矩按其兩倍頻正弦變化。對于隱極同步電機而言，對于隱極同步電機而言，dq軸同步電抗相等，反應(yīng)軸同步電抗相等，反應(yīng)轉(zhuǎn)矩消失，轉(zhuǎn)矩特性如曲轉(zhuǎn)矩消失，轉(zhuǎn)矩特性如曲線線2 所示。所示。永磁同步電動機轉(zhuǎn)矩特性曲線永磁同步電動機轉(zhuǎn)矩特性曲線分析：由于永磁體本身分析：由于永磁體本身的導(dǎo)磁率一般較低，其的導(dǎo)磁率一般較低，其q軸同步電抗反比軸同步電抗反比

9、d 軸軸同步電抗大，使得反應(yīng)同步電抗大，使得反應(yīng)轉(zhuǎn)矩分量變負?？梢娪擂D(zhuǎn)矩分量變負?？梢娪来磐诫妱訖C產(chǎn)生磁同步電動機產(chǎn)生最大最大轉(zhuǎn)矩的功角轉(zhuǎn)矩的功角大于電勵磁大于電勵磁式同步電動機，且大于式同步電動機，且大于90度。度。4. 永磁式同步電動機的特殊問題永磁式同步電動機的特殊問題起動性能不佳起動性能不佳 永磁同步電動機不能像普通同步電機那樣，只永磁同步電動機不能像普通同步電機那樣，只依靠裝在轉(zhuǎn)子上的起動繞組產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩使電機依靠裝在轉(zhuǎn)子上的起動繞組產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩使電機達到亞同步速，再投入勵磁使電機牽入同步。達到亞同步速，再投入勵磁使電機牽入同步。 由于一開始，永磁轉(zhuǎn)子上就存在磁場，會對起動由于

10、一開始，永磁轉(zhuǎn)子上就存在磁場，會對起動過程產(chǎn)生不良影響，使起動過程中存在多種轉(zhuǎn)矩過程產(chǎn)生不良影響，使起動過程中存在多種轉(zhuǎn)矩（異步性質(zhì)的（異步性質(zhì)的平均轉(zhuǎn)矩平均轉(zhuǎn)矩和同步性質(zhì)的和同步性質(zhì)的脈動轉(zhuǎn)矩脈動轉(zhuǎn)矩）。）。永磁同步電動機起動轉(zhuǎn)矩曲線永磁同步電動機起動轉(zhuǎn)矩曲線Tc基本基本異步起動轉(zhuǎn)矩，異步起動轉(zhuǎn)矩，由起動繞組產(chǎn)生由起動繞組產(chǎn)生TD逆序磁場產(chǎn)生的逆序磁場產(chǎn)生的附附加加異步起動轉(zhuǎn)矩（起動繞組異步起動轉(zhuǎn)矩（起動繞組不對稱引起）不對稱引起）TM永磁體旋轉(zhuǎn)與定子永磁體旋轉(zhuǎn)與定子繞組作用產(chǎn)生相當大的異步繞組作用產(chǎn)生相當大的異步制動轉(zhuǎn)矩制動轉(zhuǎn)矩Ts以上三種轉(zhuǎn)矩的合成以上三種轉(zhuǎn)矩的合成轉(zhuǎn)矩，為平均轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩，

11、為平均轉(zhuǎn)矩起動過程磁場分析起動過程磁場分析除了異步性質(zhì)的平均轉(zhuǎn)矩外，還存在除了異步性質(zhì)的平均轉(zhuǎn)矩外，還存在3個的磁場：個的磁場：電樞磁場：電樞磁場：轉(zhuǎn)子永磁體磁場：轉(zhuǎn)子永磁體磁場： (1-s)逆序磁場：逆序磁場： (1-2s) 三者會相互作用產(chǎn)生同步脈動轉(zhuǎn)矩（平均轉(zhuǎn)矩為三者會相互作用產(chǎn)生同步脈動轉(zhuǎn)矩（平均轉(zhuǎn)矩為0），所有各種轉(zhuǎn)矩起動時都發(fā)生作用，異步性質(zhì)的），所有各種轉(zhuǎn)矩起動時都發(fā)生作用，異步性質(zhì)的平均轉(zhuǎn)矩使電機平均轉(zhuǎn)矩使電機加速加速，脈動轉(zhuǎn)矩，脈動轉(zhuǎn)矩時而加速時而減速時而加速時而減速。隨著轉(zhuǎn)速的升高，轉(zhuǎn)矩脈動頻率降低。起動完畢（牽隨著轉(zhuǎn)速的升高，轉(zhuǎn)矩脈動頻率降低。起動完畢（牽入同步），異步轉(zhuǎn)

12、矩消失，同步脈動轉(zhuǎn)矩成為同步轉(zhuǎn)入同步），異步轉(zhuǎn)矩消失，同步脈動轉(zhuǎn)矩成為同步轉(zhuǎn)矩。矩。snsnsn解決方法：解決方法：（1）外力拖入同步）外力拖入同步 （2）從靜止開始作逐步升頻的變頻起動）從靜止開始作逐步升頻的變頻起動三、同步電動機變頻調(diào)速的控制方式三、同步電動機變頻調(diào)速的控制方式（1）他控式變頻器供電）他控式變頻器供電特點：特點：1）運行頻率由外界獨立調(diào)節(jié)）運行頻率由外界獨立調(diào)節(jié)2）改變逆變器的輸出頻率實現(xiàn)對同步電機）改變逆變器的輸出頻率實現(xiàn)對同步電機的調(diào)速的調(diào)速3）運行情況決定于）運行情況決定于E和和U之間的功率角（受之間的功率角（受負載影響容易產(chǎn)生失步）負載影響容易產(chǎn)生失步）(2) 自控

13、式變頻器供電：無換向器電動機自控式變頻器供電：無換向器電動機 特點：特點：1）運行頻率由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速決定）運行頻率由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速決定2）電流周期與轉(zhuǎn)子速度始終保持同步，不會）電流周期與轉(zhuǎn)子速度始終保持同步，不會出現(xiàn)失步現(xiàn)象出現(xiàn)失步現(xiàn)象3）通過調(diào)節(jié)輸入電壓進行調(diào)速，其特性類似）通過調(diào)節(jié)輸入電壓進行調(diào)速，其特性類似于直流電動機于直流電動機3-2 無換向器電機（自控式同步電動機無換向器電機（自控式同步電動機 變頻調(diào)速系統(tǒng)）變頻調(diào)速系統(tǒng)） 自控式同步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)又稱為無換自控式同步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)又稱為無換向器電機，一種新型機電一體化無級變速電機，向器電機，一種新型機電一體化無級變速電機，它是由一臺帶轉(zhuǎn)子

14、磁極位置檢測器它是由一臺帶轉(zhuǎn)子磁極位置檢測器PS 的同步電的同步電動機動機SM和一套功率半導(dǎo)體逆變器和一套功率半導(dǎo)體逆變器INV所組成。所組成。優(yōu)點優(yōu)點：直流電機調(diào)速特性直流電機調(diào)速特性無換向器無換向器結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單無須經(jīng)常維護無須經(jīng)常維護無換向器電機有兩種不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式無換向器電機有兩種不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式(1) 直流無換向器電機直流無換向器電機，即自控式同步電機交直，即自控式同步電機交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)交變頻調(diào)速系統(tǒng) 它是由電網(wǎng)交流電經(jīng)可控整流器它是由電網(wǎng)交流電經(jīng)可控整流器REC變成直流，變成直流，然后再由晶閘管逆變器然后再由晶閘管逆變器INV轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的交流，轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的交流，

15、供給同步電動機實現(xiàn)變頻調(diào)速。其結(jié)構(gòu)框圖如圖供給同步電動機實現(xiàn)變頻調(diào)速。其結(jié)構(gòu)框圖如圖38所示。所示。(2) 交流交流無換向器電機，即自控式同步電機交交無換向器電機，即自控式同步電機交交變頻調(diào)速系統(tǒng)變頻調(diào)速系統(tǒng) 它是利用它是利用晶閘管變頻器晶閘管變頻器直接把電網(wǎng)直接把電網(wǎng)50Hz交流電轉(zhuǎn)交流電轉(zhuǎn)換為可變頻率換為可變頻率的交流供給同的交流供給同步電動機。其步電動機。其結(jié)構(gòu)如圖結(jié)構(gòu)如圖39所示。所示。直流和交流無換向器電機的比較直流和交流無換向器電機的比較 直流無換向器電機系統(tǒng)簡單，所用晶閘管直流無換向器電機系統(tǒng)簡單，所用晶閘管元件少、耐壓要求低，但因工作在直流電源上元件少、耐壓要求低，但因工作在直

16、流電源上故有一個換向問題。故有一個換向問題。 交流無換向器電機的變頻器晶閘管可靠電交流無換向器電機的變頻器晶閘管可靠電網(wǎng)交流電源換流，但所用元件數(shù)目多、耐壓要網(wǎng)交流電源換流，但所用元件數(shù)目多、耐壓要求高，因此我們將重點討論直流無換向器電機。求高，因此我們將重點討論直流無換向器電機。用途用途 適用范圍廣適用范圍廣,如紡織、化工、水泥、制糖、礦山、如紡織、化工、水泥、制糖、礦山、軍工等軍工等,易于做成高速大容量易于做成高速大容量（數(shù)千千瓦，（數(shù)千千瓦，6000090000轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/分）。國外軋鋼機主傳動用的無換分）。國外軋鋼機主傳動用的無換向器電機單機容量超過向器電機單機容量超過5000千瓦；千瓦；解

17、決大型同步電解決大型同步電機的起動問題機的起動問題:美國美國Racoon電站電站425兆伏安抽水蓄能兆伏安抽水蓄能發(fā)電機配套了發(fā)電機配套了20兆伏安無換向器電機起動裝置；我兆伏安無換向器電機起動裝置；我國寶鋼一號高爐的大型鼓風(fēng)機驅(qū)動用國寶鋼一號高爐的大型鼓風(fēng)機驅(qū)動用48兆瓦同步電兆瓦同步電動機，也是采用無換向器電機方式起動動機，也是采用無換向器電機方式起動 。一、無換向器電機的基本原理一、無換向器電機的基本原理1. 1. 等效直流電機模型等效直流電機模型 無換向器電機無換向器電機實質(zhì)實質(zhì)就是一種通過半導(dǎo)體就是一種通過半導(dǎo)體變流器把電源頻率變流器把電源頻率電功率電功率轉(zhuǎn)變成可變頻率電功轉(zhuǎn)變成可變

18、頻率電功率供給同步電動機進行變頻調(diào)速的系統(tǒng)。率供給同步電動機進行變頻調(diào)速的系統(tǒng)。 但其但其輸出頻率輸出頻率不是獨立調(diào)節(jié)的，而是受與不是獨立調(diào)節(jié)的，而是受與同步電動機轉(zhuǎn)子同軸安裝的位置檢測器的控制。同步電動機轉(zhuǎn)子同軸安裝的位置檢測器的控制。其特點是能保證變頻器的輸出頻率和電動機轉(zhuǎn)其特點是能保證變頻器的輸出頻率和電動機轉(zhuǎn)速始終保持同步而不會發(fā)生失步。速始終保持同步而不會發(fā)生失步。 我們從直流電機與無換向器電機相比較的角我們從直流電機與無換向器電機相比較的角度來分析無換向器電機的等效直流電機模型。度來分析無換向器電機的等效直流電機模型。直流電機特點直流電機特點l定、轉(zhuǎn)子磁場相對靜止定、轉(zhuǎn)子磁場相對靜

19、止l 電樞繞組中通過的電流為交流電樞繞組中通過的電流為交流l 電流換向通過換向器獲得電流換向通過換向器獲得l 換流位置由電刷確定換流位置由電刷確定l 磁場不旋轉(zhuǎn)磁場不旋轉(zhuǎn)無換向器電機特點無換向器電機特點l定、轉(zhuǎn)子磁場相對靜止；定、轉(zhuǎn)子磁場相對靜止；l電樞繞組中通過的電流為交流；電樞繞組中通過的電流為交流；l無換向裝置無換向裝置直流電機與同步電機的比較直流電機與同步電機的比較相同點：相同點：l 定、轉(zhuǎn)子磁場相對靜止定、轉(zhuǎn)子磁場相對靜止l 電樞繞組中通過的電流為交流電樞繞組中通過的電流為交流不同點：不同點：l 直流電機多了一套換向裝置，若沒有換向直流電機多了一套換向裝置，若沒有換向置，直流電動機就

20、是同步電動機置，直流電動機就是同步電動機l 直流電動機磁場靜止，同步電動機磁場旋直流電動機磁場靜止，同步電動機磁場旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 其實，無換向器電機和直流電機一樣，本其實，無換向器電機和直流電機一樣，本身就是一臺同步電動機，只是直流電動機中用的身就是一臺同步電動機，只是直流電動機中用的是一個機械接觸式的逆變器，而無換向器電機中是一個機械接觸式的逆變器，而無換向器電機中是用晶閘管組成的半導(dǎo)體逆變器來代替。直流電是用晶閘管組成的半導(dǎo)體逆變器來代替。直流電機中用以控制換向位置的電刷，在無換向器電機機中用以控制換向位置的電刷，在無換向器電機中是用無接觸式的位置檢測器來代替。盡管兩者中是用無接觸式的位置檢測器來

21、代替。盡管兩者構(gòu)造不同，但他們的作用卻完全相同，所以無換構(gòu)造不同，但他們的作用卻完全相同，所以無換向器電動機和一般并激直流電動機具有相同的調(diào)向器電動機和一般并激直流電動機具有相同的調(diào)速特性。速特性。2. 2. 電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生 假設(shè)轉(zhuǎn)子勵磁所產(chǎn)生假設(shè)轉(zhuǎn)子勵磁所產(chǎn)生的磁場在電機氣隙中按正弦的磁場在電機氣隙中按正弦分布，如果定子一相繞組中分布，如果定子一相繞組中通以持續(xù)的直流電流，則此通以持續(xù)的直流電流，則此電流和轉(zhuǎn)子磁場作用下所產(chǎn)電流和轉(zhuǎn)子磁場作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也將隨轉(zhuǎn)子位置不生的轉(zhuǎn)矩也將隨轉(zhuǎn)子位置不同而按正弦規(guī)律變化，這種同而按正弦規(guī)律變化，這種變化規(guī)律如圖變化規(guī)律如圖3 3101

22、0所示。所示。 在無換向器電機，實際上每相繞組中在無換向器電機，實際上每相繞組中通過的不是持續(xù)的直流而是只通電通過的不是持續(xù)的直流而是只通電1/31/3周期周期的方波電流，這樣每相電流和轉(zhuǎn)子磁場作的方波電流，這樣每相電流和轉(zhuǎn)子磁場作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也只是正弦轉(zhuǎn)矩曲線上相用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也只是正弦轉(zhuǎn)矩曲線上相當于當于1/31/3周期長的一段，它的具體形狀和繞周期長的一段，它的具體形狀和繞組開始通電時的轉(zhuǎn)子相對位置有關(guān)。組開始通電時的轉(zhuǎn)子相對位置有關(guān)。 圖示位置是轉(zhuǎn)子磁極軸線圖示位置是轉(zhuǎn)子磁極軸線從某相繞組軸線轉(zhuǎn)過從某相繞組軸線轉(zhuǎn)過3030的位的位置，在此瞬間觸發(fā)該相晶閘管，置，在此瞬間觸發(fā)該相晶閘管

23、，從產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的角度看是最有利從產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的角度看是最有利的。在此位置下，在繞組通電的。在此位置下，在繞組通電的的1/31/3周期里，載流導(dǎo)體正好周期里，載流導(dǎo)體正好處于比較強的磁場中，所產(chǎn)生處于比較強的磁場中，所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩平均值最大，脈動最小。的轉(zhuǎn)矩平均值最大，脈動最小。從時間相位上看，晶閘管觸發(fā)從時間相位上看，晶閘管觸發(fā)瞬間正好是該感應(yīng)電勢交變過瞬間正好是該感應(yīng)電勢交變過零之后的零之后的3030相位處，習(xí)慣上相位處，習(xí)慣上將此點選作晶閘管觸發(fā)相位的將此點選作晶閘管觸發(fā)相位的基準點，稱為空載換流超前基準點，稱為空載換流超前角角 。0 在換流超前角為在換流超前角為0 0的情況下，電樞三的情況下，電

24、樞三相繞組輪流通電產(chǎn)生的總轉(zhuǎn)矩如圖相繞組輪流通電產(chǎn)生的總轉(zhuǎn)矩如圖b b）所示。）所示。當換流超前角為當換流超前角為3030，電機瞬時轉(zhuǎn)矩有過，電機瞬時轉(zhuǎn)矩有過零點，如圖零點，如圖c c）所示。）所示。 左圖為三相橋式逆左圖為三相橋式逆變路的情況。在每一瞬變路的情況。在每一瞬時，三相繞組中一相通時，三相繞組中一相通過正向電流而另一相通過正向電流而另一相通過反向電流，所產(chǎn)生的過反向電流，所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩如圖轉(zhuǎn)矩如圖a a）所示，圖）所示，圖b b）為換向超前角為為換向超前角為0 0時時的合成轉(zhuǎn)矩，換向超前的合成轉(zhuǎn)矩，換向超前角為角為6060的情況如圖的情況如圖c c）所示，此時轉(zhuǎn)矩曲線才所示，此時轉(zhuǎn)矩

25、曲線才有過零點。有過零點。 、 三相式，對轉(zhuǎn)矩最為有利。三相式，對轉(zhuǎn)矩最為有利。矛盾：矛盾： 晶閘管靠反電勢自然換流晶閘管靠反電勢自然換流，要求，要求 超前，目前常取超前，目前常取 ，或按負載的，或按負載的動態(tài)調(diào)節(jié)。動態(tài)調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)矩脈動大轉(zhuǎn)矩脈動大：凸極式無換向電：凸極式無換向電機中，還存在磁阻轉(zhuǎn)矩，當機中，還存在磁阻轉(zhuǎn)矩，當 超前時為超前時為負值，將使輸出轉(zhuǎn)矩減小。負值，將使輸出轉(zhuǎn)矩減小。 0060000結(jié)結(jié) 論論二、逆變器晶閘管的換流問題二、逆變器晶閘管的換流問題 問題的提出：問題的提出： 直流無換向器電機的晶閘管直接接在直流電直流無換向器電機的晶閘管直接接在直流電源上源上, ,導(dǎo)通后無法自

26、行關(guān)斷，換流困難。必須采取導(dǎo)通后無法自行關(guān)斷，換流困難。必須采取特殊的換流措施。特殊的換流措施。解決：解決： 在過激狀態(tài)下向逆變器提供超前的無功電流，在過激狀態(tài)下向逆變器提供超前的無功電流，可利用電機的反電勢來實現(xiàn)自然換流?？衫秒姍C的反電勢來實現(xiàn)自然換流。 圖3-13 電樞反電勢換流原理圖反電勢換流原理反電勢換流原理 分析思路：分析思路： a a、c c兩相通電兩相通電 b b、c c兩相通電兩相通電 AA管關(guān)斷、管關(guān)斷、B B管導(dǎo)通管導(dǎo)通 B B管開通后，利用反電勢管開通后，利用反電勢e eabab 使使A A管關(guān)斷管關(guān)斷 前提：前提：提前換向提前換向 特點：特點：無需輔助換流電路，但存在

27、換流能力無需輔助換流電路，但存在換流能力 與力矩特性矛盾，且低速時無法實現(xiàn)與力矩特性矛盾，且低速時無法實現(xiàn) 換流（低速反電勢?。Q流（低速反電勢?。┛蛰d（實線）和負載時，晶閘管承受空載（實線）和負載時，晶閘管承受電壓的情況電壓的情況圖3-14 反電勢自然換流時晶閘管上電壓、電流波形 為保證可靠換流，要求負載時換流剩為保證可靠換流，要求負載時換流剩余角余角 而而 ，故只能通過增大，故只能通過增大 或限制電機最大負荷，但轉(zhuǎn)矩脈動增大，一般或限制電機最大負荷，但轉(zhuǎn)矩脈動增大，一般限制限制 。 斷續(xù)電流法換流斷續(xù)電流法換流：解決起動：解決起動和低速時換流問題?？刂齐娫磦?cè)整流橋進入逆和低速時換流問題?？?/p>

28、制電源側(cè)整流橋進入逆變狀態(tài)（拉逆變），使逆變器輸入電流下降為變狀態(tài)（拉逆變），使逆變器輸入電流下降為零，逆變器所有晶閘管自然關(guān)斷。然后給換流零，逆變器所有晶閘管自然關(guān)斷。然后給換流后該導(dǎo)通的管子發(fā)觸發(fā)脈沖，重新通電時，則后該導(dǎo)通的管子發(fā)觸發(fā)脈沖，重新通電時，則實現(xiàn)了換流。常在直流環(huán)節(jié)接入平波電抗器以實現(xiàn)了換流。常在直流環(huán)節(jié)接入平波電抗器以抑制諧波，并接入續(xù)流晶閘管抑制諧波，并接入續(xù)流晶閘管S0S0，構(gòu)成了電流，構(gòu)成了電流源逆變器的性質(zhì)。工程上實際上，加速了斷流源逆變器的性質(zhì)。工程上實際上，加速了斷流過程。過程。151000600 低速時（低速時（510%510%額定轉(zhuǎn)速以下）采用斷額定轉(zhuǎn)速以下

29、）采用斷續(xù)電流法換流，且為增大轉(zhuǎn)矩使續(xù)電流法換流，且為增大轉(zhuǎn)矩使 ；高；高速時，采用反電勢換流，為保證換流能力改速時，采用反電勢換流，為保證換流能力改為為 00600結(jié)結(jié) 論論三、無換向器電機的工作特性三、無換向器電機的工作特性1. 1. 調(diào)速特性調(diào)速特性 無換向器電機可以看作一臺直流電無換向器電機可以看作一臺直流電動機，可以采動機，可以采 用分析直流電機的方法進行用分析直流電機的方法進行分析。分析。2cos)2cos(08. 4PKRIEndD2cos2cos34. 2sDEE 改變直流電壓改變直流電壓E ED D。通過改變可控。通過改變可控整流橋觸發(fā)角整流橋觸發(fā)角來實現(xiàn)來實現(xiàn) 改變勵磁磁通

30、改變勵磁磁通 或者勵磁電流或者勵磁電流I If f 改變換流超前角改變換流超前角 實用中多采用改變直流電壓的調(diào)速方法實用中多采用改變直流電壓的調(diào)速方法0無換向器電機的調(diào)速方法：無換向器電機的調(diào)速方法： 當勵磁及換流當勵磁及換流超前角恒定條件下，超前角恒定條件下，改變直流電壓改變直流電壓EDED時時的機械特性如圖的機械特性如圖3 3 1515所示。所示。 圖圖3-15 無換向電機調(diào)壓調(diào)速機械特性無換向電機調(diào)壓調(diào)速機械特性 2. 2. 過載能力過載能力 無換向器電機的過載能力受晶閘管換流無換向器電機的過載能力受晶閘管換流能力的限制，比一般直流電動機低，只有能力的限制，比一般直流電動機低，只有1.5

31、1.52 2倍。要提高過載能力，倍。要提高過載能力，一方面盡量減少一方面盡量減少換流重迭角換流重迭角的數(shù)值，另一方面減小功角的數(shù)值，另一方面減小功角的的影響。影響。 轉(zhuǎn)子上裝阻尼繞組或者采用整鑄磁極，利用轉(zhuǎn)子上裝阻尼繞組或者采用整鑄磁極，利用其阻尼作用減小換流電抗，從而減小換流重疊其阻尼作用減小換流電抗，從而減小換流重疊角角 減小交軸同步電抗減小交軸同步電抗 在磁極上裝交軸補償繞組，使其中通過電流在磁極上裝交軸補償繞組，使其中通過電流和和 成正比，由它產(chǎn)生的磁勢完全補償交軸電成正比，由它產(chǎn)生的磁勢完全補償交軸電樞反應(yīng)，使等效交軸電抗為零，換流超前角將樞反應(yīng)，使等效交軸電抗為零，換流超前角將不隨

32、負載變化，從而提高過載能力。不隨負載變化，從而提高過載能力。 采用勵磁電流隨負載比例變化的控制方法，采用勵磁電流隨負載比例變化的控制方法，此時空載電勢相應(yīng)增大，整個矢量圖按比例放此時空載電勢相應(yīng)增大，整個矢量圖按比例放大，功角將保持不變，從而顯著提高電機的過大，功角將保持不變，從而顯著提高電機的過載能力。載能力。qxqI提高過載能力的具體措施提高過載能力的具體措施 保持換流剩余角保持換流剩余角 恒定，調(diào)節(jié)換流超前恒定，調(diào)節(jié)換流超前角角 恒角恒角/ /變磁控制變磁控制無位置檢測器的控制系無位置檢測器的控制系統(tǒng)統(tǒng)0新型控制方法新型控制方法四、無換向器電機的調(diào)速系統(tǒng)四、無換向器電機的調(diào)速系統(tǒng)典型的無

33、換向器電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)典型的無換向器電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng) 雙閉環(huán)：電流環(huán)和速度環(huán)雙閉環(huán)：電流環(huán)和速度環(huán) 零電流檢測單元零電流檢測單元 邏輯控制單元邏輯控制單元 四象限運行控制系統(tǒng)四象限運行控制系統(tǒng) 轉(zhuǎn)子位置檢測器轉(zhuǎn)子位置檢測器 脈沖分配器脈沖分配器 轉(zhuǎn)子位置檢測器和轉(zhuǎn)子位置檢測器和脈沖分配器將是介紹的重點脈沖分配器將是介紹的重點控制系統(tǒng)主要功能單元控制系統(tǒng)主要功能單元作用作用 與電動機同軸安裝，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置產(chǎn)生相應(yīng)的信號，經(jīng)邏輯分配器和放大后去 觸發(fā)控制逆變器。位置檢測器類型位置檢測器類型霍爾元件式光電式接近開關(guān)式電磁感應(yīng)式轉(zhuǎn)子位置檢測器轉(zhuǎn)子位置檢測器 電磁感應(yīng)式轉(zhuǎn)子位置檢測器結(jié)

34、構(gòu)如圖電磁感應(yīng)式轉(zhuǎn)子位置檢測器結(jié)構(gòu)如圖3 31919所示，由一個帶缺口的圓盤和三個小型開所示，由一個帶缺口的圓盤和三個小型開口變壓器式的檢測元件組成。口變壓器式的檢測元件組成。 圖圖a a）：帶缺口的導(dǎo)磁（鐵）圓盤。）：帶缺口的導(dǎo)磁（鐵）圓盤。 圖圖b b）：缺口隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)蓋住變壓器）：缺口隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)蓋住變壓器3 3條腿，條腿，由于磁路對稱，副繞組中不會感應(yīng)電勢。由于磁路對稱，副繞組中不會感應(yīng)電勢。電磁感應(yīng)式轉(zhuǎn)子位置檢測器電磁感應(yīng)式轉(zhuǎn)子位置檢測器 圖圖c c）：圓缺口對準變壓器而只蓋住兩條）：圓缺口對準變壓器而只蓋住兩條腿時，因磁路不對稱在副繞組中感應(yīng)出電勢，腿時，因磁路不對稱在副繞組中感應(yīng)出

35、電勢，發(fā)出轉(zhuǎn)子位置信號。發(fā)出轉(zhuǎn)子位置信號。 在實際系統(tǒng)中，一般采用三個相隔在實際系統(tǒng)中，一般采用三個相隔120120度電度電角度的檢測元件角度的檢測元件A A 、B B、C C和一個帶和一個帶180180度電角度度電角度缺口的鐵圓盤組成位置檢測器。配以簡單的邏輯缺口的鐵圓盤組成位置檢測器。配以簡單的邏輯電路，可獲得晶閘管觸發(fā)信號。電路，可獲得晶閘管觸發(fā)信號。位置檢測器輸出信號的處理任務(wù)任務(wù) 將轉(zhuǎn)子位置檢測器輸出的六個信號根據(jù)將轉(zhuǎn)子位置檢測器輸出的六個信號根據(jù)電機的不同運行狀態(tài)輸送到不同的晶閘管。電機的不同運行狀態(tài)輸送到不同的晶閘管。信號分配信號分配 要求電動機作四象限運行時，有八種不要求電動機

36、作四象限運行時，有八種不同的運行方式。信號分配如表同的運行方式。信號分配如表3 31 1所示。所示。脈沖分配器脈沖分配器 將正、反轉(zhuǎn)情況下各晶閘管的觸將正、反轉(zhuǎn)情況下各晶閘管的觸發(fā)信號進行比較發(fā)現(xiàn)，實際加在各晶發(fā)信號進行比較發(fā)現(xiàn)，實際加在各晶閘管上的不同的觸發(fā)信號只有四種，閘管上的不同的觸發(fā)信號只有四種，脈沖分配器由一組簡單的邏輯線路組脈沖分配器由一組簡單的邏輯線路組成如圖成如圖3 32121所示。所示。3-3 3-3 同步電機矢量變換控制同步電機矢量變換控制 將電樞電流矢量分解成等效勵磁將電樞電流矢量分解成等效勵磁電流電流 和等效和等效轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩 電流電流 分量分量 。控制磁化電流使有效磁通控

37、制磁化電流使有效磁通 保持恒定，保持恒定，那么同步電動機所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩就直接那么同步電動機所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩就直接和電樞電流中的等效轉(zhuǎn)矩分量和電樞電流中的等效轉(zhuǎn)矩分量 成正成正比。且比。且 與與 相互垂直。相互垂直。M-TM-T坐標系坐標系中又都是直流量，可以象直流電機一中又都是直流量，可以象直流電機一樣靈活控制。樣靈活控制。 1Timim1Ti1Tim一、同步電機矢量變換控制的基本思想一、同步電機矢量變換控制的基本思想二、同步電動機矢量變換控制系統(tǒng)二、同步電動機矢量變換控制系統(tǒng) 圖圖3 32323為控制系統(tǒng)框圖。同步電動機為控制系統(tǒng)框圖。同步電動機電樞繞組由交交變頻器供電，轉(zhuǎn)子磁場電樞繞組由交交變頻器供電，轉(zhuǎn)子磁場繞組由可控整流器供電。電樞和磁場中均繞組由可控整流器供電。電樞和磁場中均設(shè)有電流調(diào)節(jié)回路，此外還設(shè)有有效磁通設(shè)有電流調(diào)節(jié)回路，此外還設(shè)有有效磁通和速度的調(diào)節(jié)回路。和速度的調(diào)節(jié)回路。1 1、指令信號運算、指令信號運算 整個控制系統(tǒng)的主指令信號來自速度給定信號。整個控制系統(tǒng)的主指令信號來自速度給定信號。轉(zhuǎn)矩電流給定值轉(zhuǎn)矩電流給定值 速度給定與實際轉(zhuǎn)速相比較，誤差信號控制速速度給定與實際轉(zhuǎn)速相比較，誤差信號控制速度調(diào)節(jié)器，輸出為保持速度給定所需的轉(zhuǎn)矩給定值。度調(diào)節(jié)器，輸出為保持速度給定所需的轉(zhuǎn)矩給定值。除以有效磁通即為電樞的等效轉(zhuǎn)矩電流給定值。除以有效磁通即為電樞的等效轉(zhuǎn)矩電流給