同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)課件

1、同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)第第6章章同步電動機(jī)變壓變頻同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)概述概述n同步電動機(jī)直接投入電網(wǎng)運行時，存在同步電動機(jī)直接投入電網(wǎng)運行時，存在失步與起動兩大問題，曾一直制約著同失步與起動兩大問題，曾一直制約著同步電動機(jī)的應(yīng)用。同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速恒步電動機(jī)的應(yīng)用。同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速恒等于同步轉(zhuǎn)速，所以同步電動機(jī)的調(diào)速等于同步轉(zhuǎn)速，所以同步電動機(jī)的調(diào)速只能是變頻調(diào)速。只能是變頻調(diào)速。同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)概述概述n變頻調(diào)速的發(fā)展與成熟不僅實現(xiàn)了同步變頻調(diào)速的發(fā)展與成熟不僅實現(xiàn)了同步電動機(jī)的調(diào)速問題，同時也解決了失步電動機(jī)的調(diào)

2、速問題，同時也解決了失步與起動問題，使之不再是限制同步電動與起動問題，使之不再是限制同步電動機(jī)運行的障礙。機(jī)運行的障礙。n同步電動機(jī)的調(diào)速可分為自控式和他控同步電動機(jī)的調(diào)速可分為自控式和他控式兩種，適用于不同的應(yīng)用場合。式兩種，適用于不同的應(yīng)用場合。同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)容提要內(nèi)容提要n6.1 同步電動機(jī)的基本特征與調(diào)速方法同步電動機(jī)的基本特征與調(diào)速方法n6.2 他控變頻同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)他控變頻同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)n6.3自控變頻同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)自控變頻同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng) n6.4 同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng) 6.1同步電動機(jī)的基本特征與同步

3、電動機(jī)的基本特征與調(diào)速方法調(diào)速方法 n討論同步電動機(jī)的特點、分類討論同步電動機(jī)的特點、分類n同步電動機(jī)的矩角特性和穩(wěn)定運行同步電動機(jī)的矩角特性和穩(wěn)定運行n同步電動機(jī)的起動和調(diào)速同步電動機(jī)的起動和調(diào)速同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng) 6.1.1 同步電動機(jī)的特點同步電動機(jī)的特點n同步電動機(jī)具有以下特點：同步電動機(jī)具有以下特點：1. 交流電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速與定交流電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速與定子電源頻率有確定的關(guān)系子電源頻率有確定的關(guān)系ppnnfn26060111（6-1） 同步電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速同步電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速 。同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)同步電動機(jī)的特點同步電動機(jī)的特點2.

4、 同步電動機(jī)除定子磁動勢外，在轉(zhuǎn)同步電動機(jī)除定子磁動勢外，在轉(zhuǎn)子側(cè)還有獨立的直流勵磁，或者靠子側(cè)還有獨立的直流勵磁，或者靠永久磁鋼勵磁。永久磁鋼勵磁。3. 同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子除直流勵磁繞組同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子除直流勵磁繞組（或永久磁鋼）外，還可能有自身（或永久磁鋼）外，還可能有自身短路的阻尼繞組。短路的阻尼繞組。同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)同步電動機(jī)的特點同步電動機(jī)的特點4. 同步電動機(jī)則有隱極與凸極之分，同步電動機(jī)則有隱極與凸極之分，隱極式電機(jī)氣隙均勻，凸極式則不隱極式電機(jī)氣隙均勻，凸極式則不均勻，磁極直軸的磁阻小，極間的均勻，磁極直軸的磁阻小，極間的交軸磁阻大，兩軸的電感系數(shù)不等，交軸磁阻大，兩軸的電

5、感系數(shù)不等，造成數(shù)學(xué)模型上的復(fù)雜性。但凸極造成數(shù)學(xué)模型上的復(fù)雜性。但凸極效應(yīng)能產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，單靠凸極效應(yīng)運效應(yīng)能產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，單靠凸極效應(yīng)運行的同步電動機(jī)稱作磁阻式同步電行的同步電動機(jī)稱作磁阻式同步電動機(jī)。動機(jī)。同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)同步電動機(jī)的特點同步電動機(jī)的特點5. 由于同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子有獨立勵磁，在由于同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子有獨立勵磁，在極低的電源頻率下也能運行。因此，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(jī)的調(diào)速范在同樣條件下，同步電動機(jī)的調(diào)速范圍比異步電動機(jī)更寬。圍比異步電動機(jī)更寬。6. 同步電機(jī)只須加大功角就能增大轉(zhuǎn)矩，同步電機(jī)只須加大功角就能增大轉(zhuǎn)矩，同步電動機(jī)比異步電動機(jī)對轉(zhuǎn)

6、矩擾動同步電動機(jī)比異步電動機(jī)對轉(zhuǎn)矩擾動具有更強(qiáng)的承受能力，動態(tài)響應(yīng)快。具有更強(qiáng)的承受能力，動態(tài)響應(yīng)快。同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)6.1.2 同步電動機(jī)的分類同步電動機(jī)的分類n同步電動機(jī)按勵磁方式分為可控勵磁同步電動機(jī)按勵磁方式分為可控勵磁同步電動機(jī)和永磁同步電動機(jī)兩種。同步電動機(jī)和永磁同步電動機(jī)兩種。n可控勵磁同步電動機(jī)在轉(zhuǎn)子側(cè)有獨立可控勵磁同步電動機(jī)在轉(zhuǎn)子側(cè)有獨立的直流勵磁，可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的直的直流勵磁，可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的直流勵磁電流，改變輸入功率因數(shù)，可流勵磁電流，改變輸入功率因數(shù)，可以滯后，也可以超前。以滯后，也可以超前。n永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子用永磁材料制永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子用永磁材料

7、制成，無需直流勵磁。成，無需直流勵磁。 同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)永磁同步電動機(jī)的優(yōu)點永磁同步電動機(jī)的優(yōu)點n1. 由于采用了永磁材料磁極，其磁能由于采用了永磁材料磁極，其磁能積高，可得較高的氣隙磁通密度，因積高，可得較高的氣隙磁通密度，因此容量相同的電機(jī)體積小、重量輕；此容量相同的電機(jī)體積小、重量輕；n2. 轉(zhuǎn)子沒有銅損和鐵損，又沒有滑環(huán)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；和電刷的摩擦損耗，運行效率高；n3. 轉(zhuǎn)動慣量小，允許脈沖轉(zhuǎn)矩大，可轉(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；獲得較高的加速度，動態(tài)性能好；n4. 結(jié)構(gòu)緊湊，運行可靠。結(jié)構(gòu)緊湊，運行

8、可靠。同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)永磁同步電動機(jī)永磁同步電動機(jī)n正弦波永磁同步電動機(jī)正弦波永磁同步電動機(jī)當(dāng)輸入三相當(dāng)輸入三相正弦波電流、氣隙磁場為正弦分布，磁正弦波電流、氣隙磁場為正弦分布，磁極采用永磁材料時，就使用這個普通的極采用永磁材料時，就使用這個普通的名稱或直接稱作永磁同步電動機(jī)名稱或直接稱作永磁同步電動機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor，簡稱，簡稱PMSM）。）。同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)永磁同步電動機(jī)永磁同步電動機(jī)n梯形波永磁同步電動機(jī)梯形波永磁同步電動機(jī)磁極仍為永磁極仍為永磁材料，但輸入方波電流，氣隙磁場呈磁材料，但輸入方波電流，氣隙磁場呈梯形

9、波分布，性能更接近于直流電動機(jī)。梯形波分布，性能更接近于直流電動機(jī)。用梯形波永磁同步電動機(jī)構(gòu)成的自控變用梯形波永磁同步電動機(jī)構(gòu)成的自控變頻同步電動機(jī)又稱作無刷直流電動機(jī)頻同步電動機(jī)又稱作無刷直流電動機(jī)（Brushless DC Motor，簡稱，簡稱BLDM）。）。同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)6.1.3 同步電動機(jī)的矩角特性同步電動機(jī)的矩角特性n忽略定子電阻，圖忽略定子電阻，圖6-1是凸是凸極同步電動機(jī)穩(wěn)定運行且功極同步電動機(jī)穩(wěn)定運行且功率因數(shù)超前時的相量圖，同率因數(shù)超前時的相量圖，同步電動機(jī)從定子側(cè)輸入的電步電動機(jī)從定子側(cè)輸入的電磁功率磁功率 圖6-1 凸極同步電動機(jī)穩(wěn)定運行相量圖（功率因數(shù)超

10、前）cos31ssMIUPP（6-2） 同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)永磁同步電動機(jī)電磁功率永磁同步電動機(jī)電磁功率代入代入 sinsin3coscos3)cos(3cos31UIUIUIUIPPM將將sincoscossinssqqsssddssqssdUIxUEIxIIII同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)永磁同步電動機(jī)電磁功率永磁同步電動機(jī)電磁功率（6-4） 2sin2)(3sin3sincos) 11(3sin3sin)cos(3cossin3sin3cos3sinsin3coscos322qdqdsdssdqsdssdsssqssdssqssssssMxxxxUxEUxxUxEUxUEUxUUIU

11、IUIUIUP同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩n在式（在式（6-4）兩邊除以機(jī)械角速度，得電）兩邊除以機(jī)械角速度，得電磁轉(zhuǎn)矩磁轉(zhuǎn)矩2sin2)(3sin32qdmqdsdmssexxxxUxEUT（6-5） 電磁轉(zhuǎn)矩由兩部分組成，第電磁轉(zhuǎn)矩由兩部分組成，第1部分由轉(zhuǎn)子部分由轉(zhuǎn)子磁勢產(chǎn)生的，第磁勢產(chǎn)生的，第2部分是由于磁路不對稱部分是由于磁路不對稱產(chǎn)生的。產(chǎn)生的。同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)功角特性和矩角特性功角特性和矩角特性 n在在 和和 恒定時，同步電動機(jī)的電磁功恒定時，同步電動機(jī)的電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩由率和電磁轉(zhuǎn)矩由 確定，故稱為功角或確定，故稱為功角或矩角。矩角。sUsE同步電動機(jī)

12、變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)隱極同步電動機(jī)隱極同步電動機(jī) n對于隱極同步電動機(jī)，對于隱極同步電動機(jī)， cqdxxx故隱極同步電動機(jī)電磁功率故隱極同步電動機(jī)電磁功率 sin30dsMxEUP（6-6） 電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩sin30dmsexEUT （6-7） 同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)隱極同步電動機(jī)的矩角特性隱極同步電動機(jī)的矩角特性n當(dāng)當(dāng) 時，時，電磁轉(zhuǎn)矩最大電磁轉(zhuǎn)矩最大 圖圖6-2 隱極同步電動機(jī)的矩角特性隱極同步電動機(jī)的矩角特性2dmsexEUT0max3（6-8） 同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)6.1.4 同步電動機(jī)的穩(wěn)定運行同步電動機(jī)的穩(wěn)定運行n以隱極同步電動機(jī)為例，分析同步電動機(jī)以隱極同步電動機(jī)為例，分

13、析同步電動機(jī)恒頻恒壓時的穩(wěn)定運行問題。恒頻恒壓時的穩(wěn)定運行問題。同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在在 的范圍內(nèi)的范圍內(nèi) n同步電動機(jī)運行于同步電動機(jī)運行于 ， ，此時電磁，此時電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩 和負(fù)載轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩 相平衡，相平衡，2012011eT1LT111sin3dmssLexEUTT同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在在 的范圍內(nèi)的范圍內(nèi) n當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩加大為當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩加大為 時，轉(zhuǎn)子減速使角時，轉(zhuǎn)子減速使角增加，當(dāng)增加，當(dāng) ，電磁轉(zhuǎn)矩，電磁轉(zhuǎn)矩 和負(fù)載轉(zhuǎn)和負(fù)載轉(zhuǎn)矩矩 又達(dá)到平衡，又達(dá)到平衡，202LT222eT2LT同步電動機(jī)仍以同步轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行。同步電動機(jī)仍以同步轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行。222sin3dmssL

14、exEUTT同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在在 的范圍內(nèi)的范圍內(nèi) n若負(fù)載轉(zhuǎn)矩又恢復(fù)若負(fù)載轉(zhuǎn)矩又恢復(fù)為為 ，則角，則角 恢恢復(fù)為復(fù)為 ，電磁轉(zhuǎn)矩，電磁轉(zhuǎn)矩恢復(fù)為恢復(fù)為 。n因此，在因此，在 的的范圍內(nèi)，同步電動范圍內(nèi)，同步電動機(jī)能夠穩(wěn)定運行。機(jī)能夠穩(wěn)定運行。2012011eT1LT圖圖6-3 在在20隱極同步電動機(jī)的矩角特性隱極同步電動機(jī)的矩角特性的范圍內(nèi)，的范圍內(nèi)，同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在在 的范圍內(nèi)的范圍內(nèi) n同步電動機(jī)運行于同步電動機(jī)運行于 ， ，此時電磁，此時電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩 和負(fù)載轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩 相平衡，相平衡，23323eT3LT333sin3dmssLexEUTT同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)

15、速系統(tǒng)在在 的范圍內(nèi)的范圍內(nèi) n當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩加大為當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩加大為 時，轉(zhuǎn)子減速使角時，轉(zhuǎn)子減速使角增加，電磁轉(zhuǎn)矩增加，電磁轉(zhuǎn)矩 減小，導(dǎo)致減小，導(dǎo)致繼續(xù)，繼續(xù)，最最終，同步電動機(jī)轉(zhuǎn)速偏離同步轉(zhuǎn)速，這種終，同步電動機(jī)轉(zhuǎn)速偏離同步轉(zhuǎn)速，這種現(xiàn)象稱為現(xiàn)象稱為“失步失步”。24LT4eT同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在在 的范圍內(nèi)的范圍內(nèi)n在在 的范圍的范圍 內(nèi)，同步電動機(jī)不內(nèi)，同步電動機(jī)不能穩(wěn)定運行，將產(chǎn)能穩(wěn)定運行，將產(chǎn)生失步現(xiàn)象。生失步現(xiàn)象。222圖圖6-4 在在隱極同步電動機(jī)的矩角特性隱極同步電動機(jī)的矩角特性的范圍內(nèi)，的范圍內(nèi)，同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)6.1.5 同步電動機(jī)的起動同步電動機(jī)的起動n

16、當(dāng)同步電動機(jī)在工頻電源下起動時，定子當(dāng)同步電動機(jī)在工頻電源下起動時，定子磁動勢磁動勢 以同步轉(zhuǎn)速以同步轉(zhuǎn)速sFpnn50601旋轉(zhuǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)，當(dāng) 時，電磁轉(zhuǎn)矩時，電磁轉(zhuǎn)矩 ，使，使電動機(jī)加速，由于機(jī)械慣性的作用，電動電動機(jī)加速，由于機(jī)械慣性的作用，電動機(jī)轉(zhuǎn)速具有較大的滯后，不能快速跟上同機(jī)轉(zhuǎn)速具有較大的滯后，不能快速跟上同步轉(zhuǎn)速。步轉(zhuǎn)速。 00eT同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)同步電動機(jī)的起動同步電動機(jī)的起動n當(dāng)當(dāng) 時，電磁轉(zhuǎn)時，電磁轉(zhuǎn)矩矩 ，產(chǎn)生，產(chǎn)生制動作用，制動作用，角以角以2為周為周期變化，電磁期變化，電磁轉(zhuǎn)矩呈正弦規(guī)轉(zhuǎn)矩呈正弦規(guī)律變化，如圖律變化，如圖6-5所示。所示。20eT圖6-5 同

17、步電動機(jī)在工頻電源下起動轉(zhuǎn)矩同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)同步電動機(jī)的起動同步電動機(jī)的起動n在一個周期內(nèi)，電磁轉(zhuǎn)矩的平均值等于零，在一個周期內(nèi)，電磁轉(zhuǎn)矩的平均值等于零，0eavT故同步電動機(jī)不能正常起動。在工頻電源下故同步電動機(jī)不能正常起動。在工頻電源下起動時，先用轉(zhuǎn)子中的起動繞組按異步起起動時，先用轉(zhuǎn)子中的起動繞組按異步起動，接近同步轉(zhuǎn)速時再通入勵磁電流牽入動，接近同步轉(zhuǎn)速時再通入勵磁電流牽入同步同步 。同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)6.1.6 同步電動機(jī)的調(diào)速同步電動機(jī)的調(diào)速n同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速 而同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子據(jù)有固定的極對數(shù)，所而同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子據(jù)有固定

18、的極對數(shù)，所以同步電動機(jī)的調(diào)速只能是改變電源頻率以同步電動機(jī)的調(diào)速只能是改變電源頻率的變頻調(diào)速。的變頻調(diào)速。 pnfnn1160（6-9） 同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)同步電動機(jī)的調(diào)速同步電動機(jī)的調(diào)速n若忽略定子漏阻抗壓降，則定子電壓約等若忽略定子漏阻抗壓降，則定子電壓約等于于同步電動機(jī)變頻調(diào)速的電壓頻率特性與異步同步電動機(jī)變頻調(diào)速的電壓頻率特性與異步電動機(jī)變頻調(diào)速相同，基頻以下采用帶定電動機(jī)變頻調(diào)速相同，基頻以下采用帶定子壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制方式，基頻以子壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制方式，基頻以上采用電壓恒定的控制方式。上采用電壓恒定的控制方式。 （6-10） mNssSkNfU44. 41同步電

19、動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)他控變頻調(diào)速系統(tǒng)他控變頻調(diào)速系統(tǒng)n用獨立的變壓變頻裝置給同步電動機(jī)供電用獨立的變壓變頻裝置給同步電動機(jī)供電的稱作他控變頻調(diào)速系統(tǒng)。的稱作他控變頻調(diào)速系統(tǒng)。n他控變頻調(diào)速系統(tǒng)控制較為簡單，實現(xiàn)容他控變頻調(diào)速系統(tǒng)控制較為簡單，實現(xiàn)容易，能夠?qū)崿F(xiàn)多機(jī)拖動，但仍有可能產(chǎn)生易，能夠?qū)崿F(xiàn)多機(jī)拖動，但仍有可能產(chǎn)生失步現(xiàn)象。失步現(xiàn)象。同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)自控變頻調(diào)速系統(tǒng)自控變頻調(diào)速系統(tǒng)n根據(jù)轉(zhuǎn)子位置直接控制變壓變頻裝置換相根據(jù)轉(zhuǎn)子位置直接控制變壓變頻裝置換相時刻的稱作自控變頻調(diào)速系統(tǒng)。時刻的稱作自控變頻調(diào)速系統(tǒng)。n自控變頻調(diào)速系統(tǒng)嚴(yán)格保證電源頻率與轉(zhuǎn)自控變頻調(diào)速系統(tǒng)嚴(yán)格保證電源頻率與

20、轉(zhuǎn)速的同步，從根本上避免了失步現(xiàn)象，但速的同步，從根本上避免了失步現(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)電動機(jī)反電動勢波形推算轉(zhuǎn)子的位置。據(jù)電動機(jī)反電動勢波形推算轉(zhuǎn)子的位置。同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)6.2他控變頻同步電動機(jī)調(diào)速系他控變頻同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)統(tǒng)n轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的同步電動機(jī)群轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的同步電動機(jī)群調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)n大功率同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)大功率同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)6.2.1同步電動機(jī)群調(diào)速系統(tǒng)同步電動機(jī)群調(diào)速系統(tǒng)n圖圖6-6所示是轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的同所示是轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的同步電動機(jī)群調(diào)速

21、系統(tǒng)。步電動機(jī)群調(diào)速系統(tǒng)。n多臺永磁或磁阻同步電動機(jī)并聯(lián)接在公多臺永磁或磁阻同步電動機(jī)并聯(lián)接在公共的變頻器上，由統(tǒng)一的頻率給定信號共的變頻器上，由統(tǒng)一的頻率給定信號同時調(diào)節(jié)各臺電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。同時調(diào)節(jié)各臺電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)多臺同步電動機(jī)的恒壓頻比控制多臺同步電動機(jī)的恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)n這種開環(huán)調(diào)速系這種開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)存在一個明顯統(tǒng)存在一個明顯的缺點，就是轉(zhuǎn)的缺點，就是轉(zhuǎn)子振蕩和失步問子振蕩和失步問題并未解決，因題并未解決，因此各臺同步電動此各臺同步電動機(jī)的負(fù)載不能太機(jī)的負(fù)載不能太大。大。 圖圖6-6 多臺同步電動機(jī)的多臺同步電動機(jī)的恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)恒壓頻比控制調(diào)

22、速系統(tǒng)同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)6.2.2大功率同步電動機(jī)調(diào)速系大功率同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)統(tǒng)n大功率的同大功率的同步電動機(jī)轉(zhuǎn)步電動機(jī)轉(zhuǎn)子上一般都子上一般都具有勵磁繞具有勵磁繞組，通過滑組，通過滑環(huán)由直流勵環(huán)由直流勵磁電源供電。磁電源供電。 圖圖6-7 變壓變頻器供電變壓變頻器供電的同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)大功率同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)大功率同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)n大功率的同步電動機(jī)采用變頻調(diào)速，在大功率的同步電動機(jī)采用變頻調(diào)速，在起動過程中，同步電動機(jī)定子電源頻率起動過程中，同步電動機(jī)定子電源頻率按斜坡規(guī)律變化，將動態(tài)轉(zhuǎn)差限制在允按斜坡規(guī)律變化，將動態(tài)轉(zhuǎn)差限制在允許

23、的范圍內(nèi)，以保證同步電動機(jī)順利起許的范圍內(nèi)，以保證同步電動機(jī)順利起動。動。n在運行過程中，采用頻率或轉(zhuǎn)速的閉環(huán)在運行過程中，采用頻率或轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，及時調(diào)整同步電動機(jī)定子電源頻控制，及時調(diào)整同步電動機(jī)定子電源頻率，將矩角限制在率，將矩角限制在 的范圍內(nèi)，有效的范圍內(nèi)，有效地抑制了失步現(xiàn)象。地抑制了失步現(xiàn)象。20同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)大功率同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)大功率同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)n控制方案可以是恒壓頻比控制，也可以控制方案可以是恒壓頻比控制，也可以是矢量控制。大功率的同步電動機(jī)一般是矢量控制。大功率的同步電動機(jī)一般采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，除了轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，除了轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制外，還

24、帶有電樞（定子）電流和勵磁外，還帶有電樞（定子）電流和勵磁（轉(zhuǎn)子）電流的閉環(huán)控制。（轉(zhuǎn)子）電流的閉環(huán)控制。n圖圖6-7繪出了這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)控繪出了這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)控制器包括轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、定子電流和勵磁電制器包括轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、定子電流和勵磁電流控制。流控制。同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)6.3 自控變頻同步電動機(jī)調(diào)速系自控變頻同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)統(tǒng) n他控變頻同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)變頻器的他控變頻同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)變頻器的輸出頻率與轉(zhuǎn)子位置無直接的關(guān)系，若輸出頻率與轉(zhuǎn)子位置無直接的關(guān)系，若控制不當(dāng)，仍然會造成失步?？刂撇划?dāng)，仍然會造成失步。n如果能根據(jù)轉(zhuǎn)子位置直接控制變頻裝置如果能根據(jù)轉(zhuǎn)子位置直接控

25、制變頻裝置的輸出電壓或電流的相位，使矩角小于的輸出電壓或電流的相位，使矩角小于90，就能從根本上杜絕失步現(xiàn)象，這，就能從根本上杜絕失步現(xiàn)象，這就是自控變頻同步電動機(jī)的初衷。就是自控變頻同步電動機(jī)的初衷。同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)6.3.1自控變頻同步電動機(jī)自控變頻同步電動機(jī)n自控變頻同步電動機(jī)的特點是在電動機(jī)自控變頻同步電動機(jī)的特點是在電動機(jī)軸端裝有一臺轉(zhuǎn)子位置檢測器軸端裝有一臺轉(zhuǎn)子位置檢測器BQ，由它，由它發(fā)出的轉(zhuǎn)子位置信號控制變頻裝置，保發(fā)出的轉(zhuǎn)子位置信號控制變頻裝置，保證轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與供電頻率同步。證轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與供電頻率同步。n由式（由式（6-10）可知，在基頻以下調(diào)速時，）可知，在基頻以下調(diào)

26、速時，需要電壓頻率協(xié)調(diào)控制。因此，除了變需要電壓頻率協(xié)調(diào)控制。因此，除了變頻器頻器UI外，還需要一套調(diào)壓裝置，為變外，還需要一套調(diào)壓裝置，為變頻器提供可調(diào)的直流電源。頻器提供可調(diào)的直流電源。同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)自控變頻同步電動機(jī)調(diào)速原理圖自控變頻同步電動機(jī)調(diào)速原理圖 圖圖6-8 自控變頻同步電動機(jī)調(diào)速原理圖自控變頻同步電動機(jī)調(diào)速原理圖 同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)自控變頻同步電動機(jī)自控變頻同步電動機(jī)n自控變頻同步電動機(jī)共有自控變頻同步電動機(jī)共有4個部分組成：個部分組成：同步電動機(jī)同步電動機(jī)MS，與電動機(jī)同軸安裝的轉(zhuǎn)，與電動機(jī)同軸安裝的轉(zhuǎn)子位置檢測器子位置檢測器BQ，逆變器，逆變器UI和變頻

27、控制和變頻控制器。器。n由轉(zhuǎn)子位置檢測器發(fā)出的信號控制逆變由轉(zhuǎn)子位置檢測器發(fā)出的信號控制逆變器器UI輸出電壓或電流的頻率及相位，使輸出電壓或電流的頻率及相位，使電源頻率與轉(zhuǎn)速同步，可控整流器則完電源頻率與轉(zhuǎn)速同步，可控整流器則完成調(diào)壓的功能。成調(diào)壓的功能。同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)自控變頻同步電動機(jī)自控變頻同步電動機(jī)n調(diào)速時改變直流電壓，轉(zhuǎn)速將隨之變化，調(diào)速時改變直流電壓，轉(zhuǎn)速將隨之變化，逆變器逆變器UI的輸出頻率自動跟蹤轉(zhuǎn)速。雖的輸出頻率自動跟蹤轉(zhuǎn)速。雖然在表面上只控制了電壓，實際上也自然在表面上只控制了電壓，實際上也自動地控制了頻率，故仍屬于同步電動機(jī)動地控制了頻率，故仍屬于同步電動機(jī)的變

28、壓變頻調(diào)速。的變壓變頻調(diào)速。同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)自控變頻同步電動機(jī)自控變頻同步電動機(jī)n從電動機(jī)本身看，自控變頻同步電動機(jī)從電動機(jī)本身看，自控變頻同步電動機(jī)是一臺同步電動機(jī)，可以是永磁式的，是一臺同步電動機(jī)，可以是永磁式的，容量大時也可以用勵磁式的。但是如果容量大時也可以用勵磁式的。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，就象是一臺直流電動機(jī)。從外起來看，就象是一臺直流電動機(jī)。從外部看來，改變直流電壓，就可實現(xiàn)調(diào)速，部看來，改變直流電壓，就可實現(xiàn)調(diào)速，相當(dāng)于直流電動機(jī)的調(diào)壓調(diào)速。相當(dāng)于直流電動機(jī)的調(diào)壓調(diào)速。 同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)自控變頻同步

29、電動機(jī)自控變頻同步電動機(jī)n早期的自控變頻同步電動機(jī)中的逆變器早期的自控變頻同步電動機(jī)中的逆變器完成變頻功能，而調(diào)壓則由可控整流器完成變頻功能，而調(diào)壓則由可控整流器來完成，需要兩套可控功率單元。來完成，需要兩套可控功率單元。n現(xiàn)常用現(xiàn)常用PWM變頻器取代原來的逆變器，變頻器取代原來的逆變器，既完成變頻功能，又實現(xiàn)調(diào)壓，用不可既完成變頻功能，又實現(xiàn)調(diào)壓，用不可控整流器代替原來的控制整流，或直接控整流器代替原來的控制整流，或直接由直流母線供電，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，只需由直流母線供電，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，只需一套控制器。一套控制器。同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)改進(jìn)的自控變頻同步電動機(jī)及調(diào)改進(jìn)的自控變頻同步電動機(jī)及調(diào)

30、速原理圖速原理圖圖圖6-9 改進(jìn)的自控變頻同步電動機(jī)及調(diào)速原理圖改進(jìn)的自控變頻同步電動機(jī)及調(diào)速原理圖同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)自控變頻同步電動機(jī)自控變頻同步電動機(jī)n自控變頻同步電動機(jī)因其核心部件的不自控變頻同步電動機(jī)因其核心部件的不同，略有差異：同，略有差異：1. 無換向器電動機(jī)無換向器電動機(jī)由于采用電子換相取由于采用電子換相取代了機(jī)械式的換向器，因而得名，多用代了機(jī)械式的換向器，因而得名，多用于帶直流勵磁的同步電動機(jī)。于帶直流勵磁的同步電動機(jī)。同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)自控變頻同步電動機(jī)自控變頻同步電動機(jī)2. 正弦波永磁自控變頻同步電動機(jī)正弦波永磁自控變頻同步電動機(jī)以正以正弦波永磁同步電動機(jī)

31、為核心，構(gòu)成的自弦波永磁同步電動機(jī)為核心，構(gòu)成的自控變頻同步電動機(jī)。正弦波永磁同步電控變頻同步電動機(jī)。正弦波永磁同步電動機(jī)是指當(dāng)輸入三相正弦波電流、氣隙動機(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磁場為正弦分布，磁極采用永磁材料的同步電動機(jī)。同步電動機(jī)。同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)自控變頻同步電動機(jī)自控變頻同步電動機(jī)3. 梯形波永磁自控變頻同步電動機(jī)即無刷直梯形波永磁自控變頻同步電動機(jī)即無刷直流電動機(jī)流電動機(jī)以梯形波永磁同步電動機(jī)以梯形波永磁同步電動機(jī)為核心的自控變頻同步電動機(jī)，由于輸為核心的自控變頻同步電動機(jī)，由于輸入方波電流，氣隙磁場呈梯形波分布，入方波電流，氣隙磁場

32、呈梯形波分布，性能更接近于直流電動機(jī)，但沒有電刷，性能更接近于直流電動機(jī)，但沒有電刷，故稱無刷直流電動機(jī)。故稱無刷直流電動機(jī)。同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)6.3.2梯形波永磁同步電動機(jī)的梯形波永磁同步電動機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)自控變頻調(diào)速系統(tǒng)n無刷直流電動機(jī)實質(zhì)無刷直流電動機(jī)實質(zhì)上是一種特定類型的上是一種特定類型的同步電動機(jī)，氣隙磁同步電動機(jī)，氣隙磁場和感應(yīng)電動勢是梯場和感應(yīng)電動勢是梯形波的，由逆變器提形波的，由逆變器提供與電動勢嚴(yán)格同相供與電動勢嚴(yán)格同相的方波電流。的方波電流。圖圖6-10 梯形波永磁同步電動梯形波永磁同步電動機(jī)的電動勢與電流波形圖機(jī)的電動勢與電流波形圖同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)

33、梯形波永磁同步電動機(jī)的自控變梯形波永磁同步電動機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)頻調(diào)速系統(tǒng)圖圖6-11 梯形波永磁同步電動機(jī)的等效電路及逆變器梯形波永磁同步電動機(jī)的等效電路及逆變器主電路原理圖主電路原理圖同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)梯形波永磁同步電動機(jī)的自控變梯形波永磁同步電動機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)頻調(diào)速系統(tǒng)n為恒定的直流電壓，為恒定的直流電壓，PWM逆變器輸出電逆變器輸出電壓為壓為120的方波序列，換相的順序與的方波序列，換相的順序與三相橋式晶閘管可控整流電路相同，并三相橋式晶閘管可控整流電路相同，并按直流按直流PWM的方法對的方波進(jìn)行調(diào)制，的方法對的方波進(jìn)行調(diào)制，同時完成變壓變頻功能。同時完成變壓變頻功能。

34、同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)梯形波永磁同步電動機(jī)的自控變梯形波永磁同步電動機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)頻調(diào)速系統(tǒng)n為恒定的直流電壓，為恒定的直流電壓，PWM逆變器輸出電逆變器輸出電壓為壓為120的方波序的方波序列，換相的順序與三列，換相的順序與三相橋式晶閘管可控整相橋式晶閘管可控整流電路相同，并按直流電路相同，并按直流流PWM的方法對的的方法對的方波進(jìn)行調(diào)制，同時方波進(jìn)行調(diào)制，同時完成變壓變頻功能。完成變壓變頻功能。圖圖6-12 PWM逆變逆變器器A相輸出電壓相輸出電壓同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)梯形波永磁同步電動機(jī)的自控變梯形波永磁同步電動機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)頻調(diào)速系統(tǒng)n為恒定的直流電壓，為恒定的直流電

35、壓，PWM逆變器輸出電逆變器輸出電壓為壓為120的方波序的方波序列，換相的順序與三列，換相的順序與三相橋式晶閘管可控整相橋式晶閘管可控整流電路相同，并按直流電路相同，并按直流流PWM的方法對的的方法對的方波進(jìn)行調(diào)制，同時方波進(jìn)行調(diào)制，同時完成變壓變頻功能。完成變壓變頻功能。圖圖6-12 PWM逆變逆變器器A相輸出電壓相輸出電壓同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)梯形波永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈梯形波永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動動n由于由于PWM逆變逆變器每隔換相一次，器每隔換相一次，故實際的轉(zhuǎn)矩波故實際的轉(zhuǎn)矩波形每隔出現(xiàn)一個形每隔出現(xiàn)一個缺口，這樣的轉(zhuǎn)缺口，這樣的轉(zhuǎn)矩脈動使梯形波矩脈動使梯形波永磁同步電動機(jī)永磁

36、同步電動機(jī)的調(diào)速性能低于的調(diào)速性能低于真正的直流電動真正的直流電動機(jī)。機(jī)。圖圖6-13 梯形波永磁同步梯形波永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)梯形波永磁同步電動機(jī)的電壓方梯形波永磁同步電動機(jī)的電壓方程程 n為方便起見，在靜止的為方便起見，在靜止的A-B-C坐標(biāo)上建立坐標(biāo)上建立電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，梯形波永磁同步電動機(jī)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，梯形波永磁同步電動機(jī)的電壓方程的電壓方程 CBACBAsmmmsmmmsCBAsssCBAeeeiiidtdLLLLLLLLLiiiRRRuuu000000（6-11） 同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)梯形波永磁同步電動機(jī)的電壓方梯形波永磁同步電

37、動機(jī)的電壓方程程 n由于三相定子繞組對稱，故有由于三相定子繞組對稱，故有 （6-12） CBACBAmsmsmsCBAsssCBAeeeiiidtdLLLLLLiiiRRRuuu0000000000000CBAiii則則 同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩n方波電流的峰值為方波電流的峰值為 ，梯形波電動勢的，梯形波電動勢的峰值為峰值為 ，在一般情況下，同時只有兩，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(jìn)去，為兩相相導(dǎo)通，從逆變器直流側(cè)看進(jìn)去，為兩相繞組串聯(lián)，則電磁功率為繞組串聯(lián)，則電磁功率為 。n忽略電流換相過程的影響，電磁轉(zhuǎn)矩為忽略電流換相過程的影響，電磁轉(zhuǎn)矩為pIpEpp

38、mIEP2pppppppmmmeInIEnnPPT22/（6-13） 同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)梯形波永磁同步電動機(jī)的調(diào)速梯形波永磁同步電動機(jī)的調(diào)速n梯形波永磁同步電動機(jī)（即無刷直流電動梯形波永磁同步電動機(jī)（即無刷直流電動機(jī)）的轉(zhuǎn)矩與電流成正比，和一般的直流機(jī)）的轉(zhuǎn)矩與電流成正比，和一般的直流電動機(jī)相當(dāng)。這樣，其控制系統(tǒng)也和直流電動機(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，可采用開環(huán)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(fù)載，可調(diào)速，對于動態(tài)性能要求較高的負(fù)載，可采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)梯形

39、波永磁同步電動機(jī)的調(diào)速梯形波永磁同步電動機(jī)的調(diào)速n無論是開環(huán)還是閉環(huán)系統(tǒng)，都必須檢測轉(zhuǎn)無論是開環(huán)還是閉環(huán)系統(tǒng)，都必須檢測轉(zhuǎn)子位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子位置發(fā)出換相信號，子位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子位置發(fā)出換相信號，使變頻器輸出與電動勢嚴(yán)格同相的方波電使變頻器輸出與電動勢嚴(yán)格同相的方波電壓，而通過對方波電壓的壓，而通過對方波電壓的PWM調(diào)制控制調(diào)制控制方波電流的幅值，進(jìn)而控制無刷直流電動方波電流的幅值，進(jìn)而控制無刷直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。 同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)梯形波永磁同步電動機(jī)的調(diào)速梯形波永磁同步電動機(jī)的調(diào)速n不考慮換相過程及不考慮換相過程及PWM波等因素的影響，波等因素的影響，當(dāng)圖當(dāng)圖6-11

40、中的中的VT1和和VT6導(dǎo)通時，導(dǎo)通時，A、B兩相導(dǎo)通，而兩相導(dǎo)通，而C相關(guān)斷，則無刷直流電動相關(guān)斷，則無刷直流電動機(jī)的動態(tài)電壓方程為機(jī)的動態(tài)電壓方程為ApmspsBAedtdILLIRuu2)(22(6-14) 同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)梯形波永磁同步電動機(jī)的調(diào)速梯形波永磁同步電動機(jī)的調(diào)速n由于由于(6-15) dBAUuu則無刷直流電動機(jī)的動態(tài)電壓方程為則無刷直流電動機(jī)的動態(tài)電壓方程為AdpmspseUdtdILLIR2)(22同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)狀態(tài)方程狀態(tài)方程狀態(tài)方程狀態(tài)方程)(2)(1msdmsAplpLLULLeITdtdI(6-16) 其中，其中，smslRLLT同步電動機(jī)

41、變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)狀態(tài)方程狀態(tài)方程n根據(jù)電機(jī)和電力拖動系統(tǒng)基本理論，可知根據(jù)電機(jī)和電力拖動系統(tǒng)基本理論，可知eBAkeepepBBAApeIknieienT2)()(LepTTJndtd(6-17) (6-18) (6-19) 同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)狀態(tài)方程狀態(tài)方程n無刷直流電動機(jī)的狀態(tài)方程無刷直流電動機(jī)的狀態(tài)方程 (6-20) )(2)(122msdmseplpLppepLLULLkITdtdITJnIkJndtd同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖動態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖圖6-14 無刷直流電動機(jī)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖無刷直流電動機(jī)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)6.4 同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)同步電動機(jī)

42、矢量控制系統(tǒng) n為了獲得高動態(tài)性能，應(yīng)當(dāng)從同步電動機(jī)為了獲得高動態(tài)性能，應(yīng)當(dāng)從同步電動機(jī)的動態(tài)模型出發(fā)，研究同步電動機(jī)的調(diào)速的動態(tài)模型出發(fā)，研究同步電動機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)。n同步電動機(jī)的定子繞組與異步電動機(jī)相同，同步電動機(jī)的定子繞組與異步電動機(jī)相同，主要差異在轉(zhuǎn)子部分，同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子為主要差異在轉(zhuǎn)子部分，同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子為直流勵磁或永磁體，為了解決起動問題和直流勵磁或永磁體，為了解決起動問題和抑制失步現(xiàn)象，有些同步電動機(jī)在轉(zhuǎn)子側(cè)抑制失步現(xiàn)象，有些同步電動機(jī)在轉(zhuǎn)子側(cè)帶有阻尼繞組。帶有阻尼繞組。同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)6.4.1可控勵磁同步電動機(jī)動態(tài)可控勵磁同步電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型n作如下假

43、定：作如下假定：忽略空間諧波，設(shè)定子三相繞組對稱，在空間中忽略空間諧波，設(shè)定子三相繞組對稱，在空間中互差互差120電角度，所產(chǎn)生的磁動勢沿氣隙按正電角度，所產(chǎn)生的磁動勢沿氣隙按正弦規(guī)律分布；弦規(guī)律分布；忽略磁路飽和，各繞組的自感和互感都是恒定的；忽略磁路飽和，各繞組的自感和互感都是恒定的；忽略鐵心損耗；忽略鐵心損耗；不考慮頻率變化和溫度變化對繞組電阻的影響。不考慮頻率變化和溫度變化對繞組電阻的影響。同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)帶有阻尼繞組的同步電動機(jī)物理帶有阻尼繞組的同步電動機(jī)物理模型模型n定子三相繞組軸線定子三相繞組軸線A、B、C是靜止的，轉(zhuǎn)是靜止的，轉(zhuǎn)子以角速度旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子勵磁繞組流過勵磁子以

44、角速度旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子勵磁繞組流過勵磁電流。沿勵磁磁極的軸線為電流。沿勵磁磁極的軸線為d軸，與軸，與d軸正軸正交的是交的是q軸，軸，dq坐標(biāo)系固定在轉(zhuǎn)子上，與坐標(biāo)系固定在轉(zhuǎn)子上，與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，d軸與軸與A軸之間的夾角為變軸之間的夾角為變量。阻尼繞組是多導(dǎo)條類似籠型的繞組，量。阻尼繞組是多導(dǎo)條類似籠型的繞組，把它等效成在把它等效成在d軸和軸和q軸各自短路的兩個獨軸各自短路的兩個獨立的繞組。立的繞組。同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)帶有阻尼繞組的同步電動機(jī)物理帶有阻尼繞組的同步電動機(jī)物理模型模型圖圖6-15 帶有阻尼繞組的同帶有阻尼繞組的同步電動機(jī)物理模型步電動機(jī)物理模型同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速

45、系統(tǒng)電壓方程電壓方程 n考慮同步電動機(jī)的凸極效應(yīng)和阻尼繞組，考慮同步電動機(jī)的凸極效應(yīng)和阻尼繞組，同步電動機(jī)的定、轉(zhuǎn)子電壓方程同步電動機(jī)的定、轉(zhuǎn)子電壓方程dtdiRudtdiRudtdiRuCCsCBBsBAAsAdtdiRdtdiRdtdIRUrqrqrqrdrdrdffff00(6-22) (6-21) 同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)定子電壓方程定子電壓方程n按照坐標(biāo)變換原理，將定子電壓方程從按照坐標(biāo)變換原理，將定子電壓方程從ABC三相坐標(biāo)系變換到三相坐標(biāo)系變換到dq二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系系 sdsqsqssqsqsdsdssddtdiRudtdiRu(6-23) 同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)

46、磁鏈方程磁鏈方程 n在在dq兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的磁鏈方程兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的磁鏈方程 rqrqsqmqrqrdrdfmdsdmdrdrdmdffsdmdfrqmqsqsqsqrdmdfmdsdsdsdiLiLiLILiLiLILiLiLiLiLILiL(6-24) 同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩和運動方程轉(zhuǎn)矩和運動方程n同步電動機(jī)在同步電動機(jī)在dq軸上的轉(zhuǎn)矩和運動方程分軸上的轉(zhuǎn)矩和運動方程分別為別為)(sdsqsqsdpeiinTLpsdsqsqsdpLepTJniiJnTTJndtd)()(2(6-26) (6-25) 同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩方程轉(zhuǎn)矩方程n把式（把式（6-24）中的）中的

47、 和和 代入式代入式（6-25）的轉(zhuǎn)矩方程，并整理后得）的轉(zhuǎn)矩方程，并整理后得dd)()(sdrqmqsqrdmdpsqsdsqsdpsqfmdpeiiLiiLniiLLniILnT(6-27) 同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩分析轉(zhuǎn)矩分析n第一項是轉(zhuǎn)子勵磁磁動勢和定子電樞反應(yīng)第一項是轉(zhuǎn)子勵磁磁動勢和定子電樞反應(yīng)磁動勢轉(zhuǎn)矩分量相互作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，磁動勢轉(zhuǎn)矩分量相互作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，是同步電動機(jī)主要的電磁轉(zhuǎn)矩。是同步電動機(jī)主要的電磁轉(zhuǎn)矩。n第二項是由凸極效應(yīng)造成的磁阻變化在電第二項是由凸極效應(yīng)造成的磁阻變化在電樞反應(yīng)磁動勢作用下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，稱作反樞反應(yīng)磁動勢作用下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，稱作反應(yīng)轉(zhuǎn)矩或磁阻轉(zhuǎn)

48、矩，這是凸極電機(jī)特有的應(yīng)轉(zhuǎn)矩或磁阻轉(zhuǎn)矩，這是凸極電機(jī)特有的轉(zhuǎn)矩，在隱極電機(jī)中，該項為零。轉(zhuǎn)矩，在隱極電機(jī)中，該項為零。同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩分析轉(zhuǎn)矩分析n第三項是電樞反應(yīng)磁動勢與阻尼繞組磁動第三項是電樞反應(yīng)磁動勢與阻尼繞組磁動勢相互作用的轉(zhuǎn)矩，如果沒有阻尼繞組，勢相互作用的轉(zhuǎn)矩，如果沒有阻尼繞組，或者在穩(wěn)態(tài)運行時阻尼繞組中沒有感應(yīng)電或者在穩(wěn)態(tài)運行時阻尼繞組中沒有感應(yīng)電流，該項都是零。只有在動態(tài)過程中，產(chǎn)流，該項都是零。只有在動態(tài)過程中，產(chǎn)生阻尼電流，才有阻尼轉(zhuǎn)矩，幫助同步電生阻尼電流，才有阻尼轉(zhuǎn)矩，幫助同步電動機(jī)盡快達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)。動機(jī)盡快達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)。同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)同步電動

49、機(jī)的電壓矩陣方程式同步電動機(jī)的電壓矩陣方程式rqrdfsqsdrqmqrdmdmdmdfmdmqsqmdmdsdrqrdfsqsdrqrdfmdmdssdmqsqsfsqsdiiIiidtdLLLLLLLLLLLLLiiIiiRRRLLRLLLRUuu00000000000000000000000000000(6-28) 同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)運動方程運動方程 LpsdrqmqsqrdmdsqsdsqsdsqfmdpLepTJniiLiiLiiLLiILJnTTJndtd)()()(2(6-29) 同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)凸極同步電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型凸極同步電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型n與籠型異步電

50、動機(jī)相比較，勵磁繞組的存與籠型異步電動機(jī)相比較，勵磁繞組的存在，增加了狀態(tài)變量的維數(shù)，提高了微分在，增加了狀態(tài)變量的維數(shù)，提高了微分方程的階次，而凸極效應(yīng)則使得方程的階次，而凸極效應(yīng)則使得d軸和軸和q軸軸參數(shù)不等，這無疑增加了數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜參數(shù)不等，這無疑增加了數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜性。性。同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)隱極式同步電動機(jī)隱極式同步電動機(jī)n隱極式同步電動機(jī)的隱極式同步電動機(jī)的dq軸對稱，故軸對稱，故ssqsdLLLmmqmdLLL同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)隱極式同步電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型隱極式同步電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型n忽略阻尼繞組的作用，則動態(tài)數(shù)學(xué)模型為忽略阻尼繞組的作用，則動態(tài)數(shù)學(xué)模型為fsqs

51、dfmsmsfsqsdfmssssfsqsdIiidtdLLLLLIiiRLRLoLRUuu000000LpsqfmpLepTJniILJnTTJndtd2)(6-30) (6-31) 同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)隱極式同步電動機(jī)的狀態(tài)方程 fmfsssdmfsmfmfsfssqmfsmfsdmfssmfsqsfsmsqsssdsqfmfsmsdmfsffmfsfmsqmfssfsdmfssfsdLpsqfmpLepULLLLuLLLLILLLRLiLLLLLiLLLRLdtdIuLILLiLRidtdiULLLLuLLLLILLLRLiLLLLLiLLLRLdtdiTJniILJnTTJndt

52、d222222222221)(6-32) 同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)同步電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型同步電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型n同步電動機(jī)也是個非線性、強(qiáng)耦合的多變同步電動機(jī)也是個非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，若考慮阻尼繞組的作用和凸極效量系統(tǒng)，若考慮阻尼繞組的作用和凸極效應(yīng)時，動態(tài)模型更為復(fù)雜，與異步電動機(jī)應(yīng)時，動態(tài)模型更為復(fù)雜，與異步電動機(jī)相比，其非線性、強(qiáng)耦合的程度有過之而相比，其非線性、強(qiáng)耦合的程度有過之而無不及。無不及。n為了達(dá)到良好的控制效果，往往采用電流為了達(dá)到良好的控制效果，往往采用電流閉環(huán)控制的方式，實現(xiàn)對象的近似解耦。閉環(huán)控制的方式，實現(xiàn)對象的近似解耦。 同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)6.4.

53、2可控勵磁同步電動機(jī)按氣可控勵磁同步電動機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)n定義定義mt坐標(biāo)系，使坐標(biāo)系，使m軸與氣隙合成磁鏈?zhǔn)篙S與氣隙合成磁鏈?zhǔn)噶恐睾希恐睾?，t軸與軸與m軸正交。再將定子三相電軸正交。再將定子三相電流合成矢量流合成矢量 沿沿m、t軸分解為勵磁分量軸分解為勵磁分量 和轉(zhuǎn)矩分量和轉(zhuǎn)矩分量 ，同樣，將勵磁電流矢量，同樣，將勵磁電流矢量 分解成分解成 和和 ，參見圖，參見圖6-16，圖中功率，圖中功率因數(shù)滯后。因數(shù)滯后。smistifmifIsifti同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)可控勵磁同步電動機(jī)空間矢量圖可控勵磁同步電動機(jī)空間矢量圖圖圖6-16 可控勵磁同步電動機(jī)空

54、間矢量圖可控勵磁同步電動機(jī)空間矢量圖同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量n將將dq坐標(biāo)系中的定子電流矢量、勵磁電流坐標(biāo)系中的定子電流矢量、勵磁電流矢量變換到矢量變換到mt坐標(biāo)系，得到相應(yīng)的勵磁分坐標(biāo)系，得到相應(yīng)的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量量和轉(zhuǎn)矩分量sqsdstsmiiiicossinsincos0cossinsincosfftfmIii(6-37) (6-36) 同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)按氣隙磁鏈定向按氣隙磁鏈定向n考慮到按氣隙磁鏈定向，考慮到按氣隙磁鏈定向， 0cossinsincosgmftmstmfmmsmmgqgdgtgmiLiLiLiLiL由此導(dǎo)出由此導(dǎo)出fts

55、tfmsmgiiiii(6-38) (6-39) 同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)逆變換逆變換n逆變換分別為逆變換分別為 stsmsqsdiiiicossinsincosgtgmgqgdcossinsincos(6-41) (6-40) 同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩n將式（將式（6-40）和式（）和式（6-41）代入式（）代入式（6-34）并整理得到同步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩）并整理得到同步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩ftgmpstgmpeininT(6-42) 同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩n按氣隙磁鏈定向后，同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩公按氣隙磁鏈定向后，同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式與直流電動機(jī)轉(zhuǎn)矩表達(dá)式相

56、同。只要保式與直流電動機(jī)轉(zhuǎn)矩表達(dá)式相同。只要保證氣隙磁鏈恒定，控制定子電流的轉(zhuǎn)矩分證氣隙磁鏈恒定，控制定子電流的轉(zhuǎn)矩分量就可以方便靈活地控制同步電動機(jī)的電量就可以方便靈活地控制同步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，問題是如何能夠保證氣隙磁鏈恒磁轉(zhuǎn)矩，問題是如何能夠保證氣隙磁鏈恒定和準(zhǔn)確地按氣隙磁鏈定向。定和準(zhǔn)確地按氣隙磁鏈定向。同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)氣隙磁鏈恒定控制氣隙磁鏈恒定控制n要保證氣隙磁鏈要保證氣隙磁鏈 恒定，只要使恒定，只要使gmfmsmgiii恒定即可，定子電流的勵磁分量恒定即可，定子電流的勵磁分量 可以可以從同步電動機(jī)期望的功率因數(shù)值求出。從同步電動機(jī)期望的功率因數(shù)值求出。n一般說來，希望功

57、率因數(shù)一般說來，希望功率因數(shù) ，即即 ，也就是說，希望，也就是說，希望 。n因此，由期望功率因數(shù)確定的因此，由期望功率因數(shù)確定的 可作可作為矢量控制系統(tǒng)的一個給定值。為矢量控制系統(tǒng)的一個給定值。smi1cos 90s0smismi同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)按氣隙磁鏈定向按氣隙磁鏈定向 n由同步電動機(jī)空間矢量圖由同步電動機(jī)空間矢量圖6-16得出得出 22stsmsiiismstsiitg122ftfmfiiIfmstfmftiitgiitg11(6-45) (6-44) (6-46) (6-43) n考慮到考慮到逆逆時鐘為正，時鐘為正，故在式（故在式（6-46）中）中 前取負(fù)號。前取負(fù)號。fti同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)按氣隙磁鏈定向按氣隙磁鏈定向n以以A軸為參考坐標(biāo)軸，則軸為參考坐標(biāo)軸，則d軸的位置角軸的位置角dtr可以通過電機(jī)軸上的位置傳感器可以通過電機(jī)軸上的位置傳感器BQ測得或測得或通過積分得到。于是，定子電流空間矢量通過積分得到。于是，定子電流空間矢量與與A軸的夾角為軸的夾角為sr(6-47) 同步電動機(jī)變壓變頻