同步電機(jī)變頻調(diào)速

1、實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案同步電機(jī)變頻調(diào)速歷史上最早出現(xiàn)的是直流電動(dòng)機(jī)19世紀(jì)末，出現(xiàn)了交流電和交流電動(dòng)機(jī)為了改善功率因數(shù)，同步電動(dòng)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。同步電動(dòng)機(jī)也是一種交流電機(jī)。既可以做發(fā)電機(jī)用， 也可做電動(dòng)機(jī)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(jī)械，例如大型水泵，空壓機(jī)等。最初的同步電動(dòng)機(jī)只用于拖動(dòng)恒速負(fù)載或用于改善功率因數(shù)的場合。在恒定頻率下運(yùn)行的大型同步電動(dòng)機(jī)又存在著容易發(fā)生失步和振蕩的危險(xiǎn)，以及起動(dòng)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。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)速就絕對不變。采用電力電子裝置實(shí)現(xiàn)電

2、壓 -頻率協(xié)調(diào)控制，改變了同步電動(dòng)機(jī)歷來只能恒速運(yùn)行不能 調(diào)速的面貌。起動(dòng)費(fèi)事、重載時(shí)振蕩或失步等問題也已不再是同步電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用的障礙。同步電機(jī)的特點(diǎn)與問題：優(yōu)點(diǎn)：（1）轉(zhuǎn)速與電壓頻率嚴(yán)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(dòng)困難；（2）重載時(shí)有振蕩，甚至存在失步危險(xiǎn)。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(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)。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(huì)振蕩和失步了。同步電機(jī)和其它類型的旋轉(zhuǎn)電機(jī)一樣，由固定的定子和可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子兩大

3、部分組成。F圖給出了最常用的同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)模型,其定子鐵心的內(nèi)圓均勻分布著定子槽，槽精彩文檔這種同步電機(jī)的定子又稱為電樞，定子鐵心內(nèi)嵌放著按一定規(guī)律排列的三相對稱交流繞組。 和繞組又稱為電樞鐵心和電樞繞組。圖中用AX、BY、CZ三個(gè)在空間錯(cuò)開120電角度分布的線圈代表三相對稱交流繞組。同步電機(jī)的運(yùn)行方式：同步電機(jī)的主要運(yùn)行方式有三種，即作為發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和補(bǔ)償機(jī)運(yùn)行。同步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)可以提高運(yùn)行效率。近年來，小型同步電動(dòng)機(jī)在變頻調(diào)速系統(tǒng)中開始得到較多地應(yīng)用。同步電機(jī)的突出優(yōu)點(diǎn)：控制勵(lì)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

4、。同步電機(jī)還可以接于電網(wǎng)作為同步補(bǔ)償機(jī)。這時(shí)電機(jī)不帶任何機(jī)械負(fù)載，靠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子中的勵(lì)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(dá)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(diǎn)：（1）交流電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速 1與定子電源頻率 f有確定的關(guān)系同步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的磁場僅靠定子供電產(chǎn)生，而同步電動(dòng)機(jī)除定子磁動(dòng)勢外，轉(zhuǎn)子側(cè)還 有獨(dú)立的直流勵(lì)磁，或者用永久磁鋼勵(lì)磁。目前采用的直流勵(lì)磁方式分為兩大類：一類是用直流發(fā)電機(jī)作為勵(lì)磁電源的直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)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(lì)磁的整流器勵(lì)磁系統(tǒng)。（3）同步電動(dòng)機(jī)的氣隙有

5、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(lì) 磁線圈。如對水輪發(fā)電機(jī)來說，由于水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速較低， 要發(fā)出工頻電能，發(fā)電機(jī)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(jī)多半也做成凸極式。隱極式同步電機(jī)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。單靠凸極效應(yīng)運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)稱作磁阻式同步電動(dòng)機(jī)。（4）同步電動(dòng)機(jī)可通過調(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。（5）異步電動(dòng)機(jī)要靠加大轉(zhuǎn)差才能提高轉(zhuǎn)矩，而同步電機(jī)只須加大功角就能增大轉(zhuǎn)矩，同步電動(dòng)機(jī)比異步電動(dòng)機(jī)具有更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，在同樣的條件下，調(diào)速范圍

6、比異步電動(dòng)機(jī)更寬。同步機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的類型：（1 ）他控變頻調(diào)速系統(tǒng)用獨(dú)立的變壓變頻裝置給同步電動(dòng)機(jī)供電的系統(tǒng)。（2）自控變頻調(diào)速系統(tǒng)用電動(dòng)機(jī)本身軸上所帶轉(zhuǎn)子位置檢測器或電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢波形提供的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)來 控制變壓變頻裝置換相時(shí)刻的系統(tǒng)。1）他控變頻同步電動(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)。（1）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)（2）由交-直-交電流型負(fù)載換流變壓變頻器供電的同步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)1、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

7、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。系統(tǒng)組成：系統(tǒng)控制:多臺(tái)永磁或磁阻同步電動(dòng)機(jī)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(hào) f*同時(shí)調(diào)節(jié)各臺(tái)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。帶定子壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制保證了同步電動(dòng)機(jī)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)改變各臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。2、對于經(jīng)常在高速運(yùn)行的機(jī)械設(shè)備，定子常用交-直-交電流型變壓變頻器供電，其電機(jī)側(cè)變換器(即逆變器)比給異步電動(dòng)機(jī)供電時(shí)更簡單，可以省去強(qiáng)迫換流電路， 而利用同步電動(dòng)機(jī)定子中的感應(yīng)電動(dòng)勢實(shí)現(xiàn)換相。這樣的逆變器稱作負(fù)載換流逆變器(Load-CommUtated InVerter ,簡稱LCl)

8、系統(tǒng)組成:旁路晶閘管吐建側(cè)變換器_電機(jī)由交-直-交電流型負(fù)載換流變壓變頻器供電的同步電動(dòng)機(jī)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(fù)載換流控制和勵(lì)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(dú)畫出了電流控制器。換流問題：LCl同步調(diào)速系統(tǒng)在起動(dòng)和低速時(shí)存在換流問題:低速時(shí)同步電動(dòng)機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢不夠大，不足以保證可靠換流;當(dāng)電機(jī)靜止時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢為零，根本就無法換流。解決方案：這時(shí)，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)電抗器的旁路晶閘用這種換流方式可使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升到額定值的3%5%切換到負(fù)載電動(dòng)管導(dǎo)通，讓電抗器放電， 同時(shí)切斷直流電流， 允許逆變器換相

9、，換相后再關(guān)斷旁路晶閘 管，使電流恢復(fù)正常。冥T如無齒輪傳勢換流。3、另一類大型同步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系參號(hào)輸人一整制器匕一一-動(dòng)的可逆軋機(jī)、礦井提升機(jī)、水泥轉(zhuǎn)窯等。5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(shí)），對于一臺(tái)20極的同步電動(dòng)機(jī)，同步轉(zhuǎn)速為120150rmin ,直接用來拖動(dòng)軋鋼機(jī)等設(shè)備是很合適的，可以省去龐大的齒輪傳動(dòng)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(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)2）自控變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與原理：（1）在電動(dòng)機(jī)軸端裝有一臺(tái)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Ul換流，從而改變同步電動(dòng)機(jī)

10、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(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖UI轉(zhuǎn)子位置檢（2）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* jhl11L測器BQ合起來看，就象是 只是經(jīng)過換向器和電刷才在夕 刷相當(dāng)于磁極位置檢測器。 器和電刷。臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)電樞里面的電流本來就是交變的,77這里,貝、部電路表現(xiàn)為直流;J這時(shí)，換向器相當(dāng)于機(jī)械式的逆變器，J采用電力電子逆變器和立置檢測器替代機(jī)械式換向自控變頻同步電動(dòng)機(jī)的分類:自控變頻同步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)（多用于帶直流勵(lì)磁繞組的同步電機(jī)）三相永磁

11、同步電動(dòng)機(jī)（輸入正弦波電流時(shí)）無刷直流電動(dòng)機(jī)（采用方波電流時(shí)）永磁冋步電機(jī)和無刷直流電機(jī)機(jī)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(dú)立，轉(zhuǎn)矩恒定性好，脈動(dòng)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(jī)床、機(jī)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(jī)床工業(yè)、紡織工業(yè)和輕工機(jī)械等。梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng):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。電動(dòng)勢與電流波形永磁無刷直流電動(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

12、，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形圖如下圖所示。梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)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(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形波。Tnmmrt60 都出現(xiàn)2S2S同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈$實(shí)際的轉(zhuǎn)矩波形每隔動(dòng)心，這樣的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)使梯形波永磁同步電動(dòng)VT6出現(xiàn)紋()- J機(jī)的調(diào)速性能

13、低于正弦波的永磁同步電動(dòng)機(jī)。個(gè)缺口，而用PWM /調(diào)壓調(diào)速又使平頂部分VT45不片2、牛UARSOo iALS Lm LmiAeAUBORSOiBLmLSLmPiBeBUC梯形波永磁同步R動(dòng)機(jī)的等效電路及逆變器主電路原理圖iCeC電壓方程：對于梯形波的電動(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ABC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式中UA、U B、UC三相輸入對地電壓iA、iB、ic-三相電流eA、eB 、ec-三相電動(dòng)勢RS-一定子每相電阻LS-一定子每相繞組的自感Lm-一定子任意兩相繞組間的互感由

14、于三相定子繞組對稱，故有iA + i B + i C = 0貝 ULm i B + Lm iC = - L m iALmiC + L m i A = - L m iBLm i A + L m i B = - L m iC代入上式，并整理后得設(shè)梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢與電流波形圖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UARSOOiALSLm00iAeAUB0式中RS 梯形波勵(lì)磁磁鏈的峰值，是恒定值S Lm0 P iBeBUCOORSiC00 L Lm ice。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)矩與電流成正比，和一般的直流電動(dòng)機(jī)相當(dāng)。可采用開環(huán)調(diào)速， 對于動(dòng)態(tài)性發(fā)出換相信號(hào)、調(diào)速時(shí)對直流電這樣，其控制系統(tǒng)也和直流調(diào)速系統(tǒng)一樣，要求不高時(shí),能要求較高的負(fù)載，可采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)EPl PTe2np PI P無論是開環(huán)還是閉環(huán)系統(tǒng)一都必須具備轉(zhuǎn)子位置檢測、 nP壓的PWM控制等功能?，F(xiàn)已生產(chǎn)出專用的集成化芯片，比如：MC33033、MC33035 等。不考慮換相過程及 PWM波等因素的影響，當(dāng)主電路原理圖中的VT