同步電機的變頻調(diào)速系統(tǒng)

1、摘要： 采用電力電子裝置實現(xiàn)電壓-賓律協(xié)調(diào)控制，改變了同步電動機歷來只能恒速運行而不能調(diào)速的面貌，使它和異步電機一樣成為了可調(diào)速電機家族中的一員。起動費時、重載時震蕩或失步等問題已經(jīng)不再是同步電機廣泛應用的障礙，同步電動機調(diào)速系統(tǒng)的應用正在飛速發(fā)展著。本文首先概括同步電機變壓變頻調(diào)速的特點及其基本類型，然后介紹了幾種應用較廣的系統(tǒng)，闡明了同步電機的多變量數(shù)學模型，最后討論了自控變頻同步電動機調(diào)速系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：同步電機，變頻調(diào)速，目錄1 同步電動機變壓變頻調(diào)速的特點及其基本類型31.1概述31.2同步調(diào)速系統(tǒng)的特點42 他控變頻同步電動機調(diào)速系統(tǒng)52.1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)

2、52.2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)62.3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)72.4按氣隙磁場定向的同步電動機矢量控制系統(tǒng)83 自控變頻同步電動機調(diào)速系統(tǒng)113.1梯形波永磁同步電動機（無刷直流電動機）的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)123.2正弦波永磁同步電動機的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)14參考文獻151 同步電動機變壓變頻調(diào)速的特點及其基本類型歷史上最早出現(xiàn)的是直流電動機19世紀末，出現(xiàn)了交流電和交流電動機為了改善功率因數(shù)，同步電動機應運而生。同步電動機也是一種交流電機。既可以做發(fā)電機用，也可做電動機用，過去一般用于功率較大，轉(zhuǎn)速不要求調(diào)節(jié)的生產(chǎn)機械，例如大型水

3、泵，空壓機等。 最初的同步電動機只用于拖動恒速負載或用于改善功率因數(shù)的場合。在恒定頻率下運行的大型同步電動機又存在著容易發(fā)生失步和振蕩的危險，以及起動困難等問題。 因此，在沒有變頻電源的情況下，很難對同步電動機的轉(zhuǎn)速進行控制。 1.1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用的障礙。 同步電機的特點與問題： 優(yōu)點： 

4、;（1）轉(zhuǎn)速與電壓頻率嚴格同步； （2）功率因數(shù)高到1.0，甚至超前。 存在的問題： （1）起動困難； （2）重載時有振蕩，甚至存在失步危險。 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：對于起動問題而言，可以通過變頻電源頻率的平滑調(diào)節(jié)，使電機轉(zhuǎn)速逐漸上升，實現(xiàn)軟起動。對于振蕩和失步問題而言，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。同步電機的主要運行方式有三種，即作為發(fā)電機、電動機和補償機運行。  同步電動機的功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)，在不

5、要求調(diào)速的場合，應用大型同步電動機可以提高運行效率。近年來，小型同步電動機在變頻調(diào)速系統(tǒng)中開始得到較多地應用。  同步電機的突出優(yōu)點：控制勵磁來調(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。 同步電機還可以接于電網(wǎng)作為同步補償機。這時電機不帶任何機械負載，靠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子中的勵磁電流向電網(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。1.2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w1與定子電源頻率 f1 有確定的關(guān)系（1-1）異步電動機的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速總是低于同步轉(zhuǎn)速的，二者之差叫做轉(zhuǎn)差 ws ；同步電動機的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)

6、速，轉(zhuǎn)差 ws = 0。 （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都有同樣的交流繞組，一般都是三相的，而轉(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。（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)學模型上的復雜性。但凸極效應能產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，單靠凸極效應運行的同步電動機稱作磁阻式同步電動機。（5）異步電動機由于勵磁的需要，必須從電源吸取滯后的無功電流，空載時功率因

7、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 cosj = 1.0 時，電樞銅損最小，還可以節(jié)約變壓變頻裝置的容量。 （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。2 他控變頻同步電動機調(diào)速系統(tǒng)與異步電動機變壓變頻調(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)。2.1轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的同步電

8、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。這種系統(tǒng)采用多臺永磁或磁阻同步電動機并聯(lián)接在公共的變頻器上，由統(tǒng)一的頻率給定信號同時調(diào)節(jié)各臺電動機的轉(zhuǎn)速。多臺永磁或磁阻同步電動機并聯(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 f * 同時調(diào)節(jié)各臺電動機的轉(zhuǎn)速。PWM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。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)如圖2-1所示。圖2-1多臺同步電動機的恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)

9、該調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，只需一臺變頻器供電，成本低廉。缺點是：由于采用開環(huán)調(diào)速方式，轉(zhuǎn)子振蕩和失步問題并未解決，因此各臺同步電動機的負載不能太大。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)大型同步電動機轉(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。對于經(jīng)常在高速運行的機械設備，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

10、Inverter，簡稱LCI）。如圖2-2，圖中系統(tǒng)控制器的程序包括轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)差控制、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（包括電流調(diào)節(jié)和電源側(cè)變換器的觸發(fā)控制）。 圖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)LCI同步調(diào)速系統(tǒng)在起動和低速時存在換流問題，低速時同步電動機感應電動勢不夠大，不足以保證可靠換流；當電機靜止時，感應電動勢為零，根本就無法換流。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

11、電流恢復正常。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。 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（又稱周波變換器）供電，其輸出頻率為2025Hz（當電網(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備是很合適的，可以省去龐大的齒輪傳動裝置。這類調(diào)速系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)畫在圖2-3中，可以實現(xiàn)4象限運行。控制器按需要可以是常規(guī)的，也可以采用矢量控制。圖2-3由交

12、-交變壓變頻器供電的大型低速同步電動機調(diào)速系統(tǒng) 2.4按氣隙磁場定向的同步電動機矢量控制系統(tǒng)為了獲得高動態(tài)性能，同步電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)也可以采用矢量控制，其基本原理和異步電動機矢量控制相似，也是通過坐標變換，把同步電動機等效成直流電動機，再模仿直流電動機的控制方法進行控制。但由于同步電動機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與異步電動機不同，其矢量坐標變換也有自己的特色。同步電機的主要特點是：定子有三相交流繞組，轉(zhuǎn)子為直流勵磁或永磁。為了突出主要問題，先忽略次要因素，作如下假設：（1）假設是隱極電機，或者說，忽略凸極的磁阻變化； （2）忽略阻尼繞組的效應； （3）忽略磁化曲線的飽和非線性因素； （4）暫先忽略定子電

13、阻和漏抗的影響。其他假設條件和研究異步電動機數(shù)學模型時相同。這樣，二級同步電動機的物理模型便如圖2-4所示。圖2-4二極同步電動機的物理模型圖中，定子三相繞組軸線 A、B、C 是靜止的，三相電壓 uA、 uB、 uC 和三相電流 iA、iB、iC 都是平衡的，轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速w1旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子上的勵磁繞組在勵磁電壓 Uf 供電下流過勵磁電流 If 。沿勵磁磁極的軸線為 d 軸，與 d 軸正交的是 q 軸，d-q 坐標在空間也以同步轉(zhuǎn)速 w1 旋轉(zhuǎn)，d 軸與 A 軸之間的夾角 q 為變量。在同步電動機中，除轉(zhuǎn)子直流勵磁外，定子磁動勢還產(chǎn)生電樞反應，直流勵磁與電樞反應合成起來產(chǎn)生氣隙磁通，合成磁通在定子

14、中感應的電動勢與外加電壓基本平衡。同步電動機磁動勢與磁通的空間矢量圖示于圖2-5。w1圖2-5同步電動機磁動勢與磁通的空間矢量圖將 Fs 除以相應的匝數(shù)即為定子三相電流合成空間矢量 is ，可將它沿M、T軸分解為勵磁分量 ism 和轉(zhuǎn)矩分量ist。同樣，F(xiàn)f 與相當?shù)膭畲烹娏魇噶?If 也可分解成 ifm 和 ift 。由圖2-5得出下列關(guān)系式：在圖2-6中畫出了定子一相繞組的電壓、電流與磁鏈的時間相量圖。氣隙合成磁通 FR 是空間矢量，F(xiàn)R 對該相繞組的磁鏈 YRs 則是時間相量， YRs 在繞組中感應的電動勢 Es 領(lǐng)先于 YRs 90°。按照假設條件，忽略定子電阻和漏抗，則 E

15、s 與相電壓 Us 近似相等，于是圖2-6電壓、電流和磁鏈的時間相量圖在圖2-6中，is 是該相電流相量，它落后于 Us 的相角 j 就是同步電動機的功率因數(shù)角。根據(jù)電機學原理，F(xiàn)R 與 Fs 空間矢量的空間角差 qs 也就是磁鏈YRs 與電流 is 在時間上的相角差，因此 j = 90°- qs ，而且 ism和 ist 也是 is 相量在時間相量圖上的分量。由此可知：定子電流的勵磁分量 ism 可以從定子電流 is 和調(diào)速系統(tǒng)期望的功率因數(shù)值求出。最簡單的情況是希望 cosj = 1，也就是說，希望 ism = 0。這樣，由期望功率因數(shù)確定的 ism 可作為矢量控制系統(tǒng)的一個給定

16、值。3 自控變頻同步電動機調(diào)速系統(tǒng)3-1自控變頻同步電動機調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖3-1該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點又如下幾點：（1）在電動機軸端裝有一臺轉(zhuǎn)子位置檢測器 BQ（見圖8-7），由它發(fā)出的信號控制變壓變頻裝置的逆變器 U I 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。（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，換向器相當于機械式

17、的逆變器，電刷相當于磁極位置檢測器。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。自控變頻同步電動機在其開發(fā)與發(fā)展的過程中，曾采用多種名稱，有的至今仍習慣性地使用著，它們是：無換向器電動機；三相永磁同步電動機（輸入正弦波電流時）；無刷直流電動機（采用方波電流時）。永磁電動機控制系統(tǒng)有以下幾個優(yōu)點：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小、重量輕；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；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； 結(jié)構(gòu)緊湊，運行可靠。 3.1梯形波永磁同步電動機（無刷直流電動機）的自控變

18、頻調(diào)速系統(tǒng)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。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波電流，同一相（例如A相）的電動勢 eA和電流波 iA 形圖如圖3-1所示。 圖3-1 梯形波永磁同步電動機的電動勢與電流波形圖 由于各相電流都是方波，逆變器的電壓只須按直流PWM的方法進行控制，比各種交流PWM控制都要簡單得多，這是設計梯形波永磁同步電動機的初衷。 然而由于繞組電

19、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。如圖3-2所示，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。圖3-2梯形波永磁同步電動機的轉(zhuǎn)矩脈動 3.2正弦波永磁同步電動機的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)正弦波永磁同步電動機具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電動勢具有正弦波形，外施的定子電壓和電流也應為正弦波，一般靠交流PWM變壓變頻器提供。正弦波永磁同步電動機一般沒有阻尼繞組，轉(zhuǎn)子

20、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)坐標系的d軸定在轉(zhuǎn)子磁鏈 Yr 方向上，無須再采用任何計算磁鏈的模型。圖3-3按轉(zhuǎn)子磁鏈定向并使 id= 0 的PMSM自控變頻調(diào)速系統(tǒng) 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向并使 id = 0 的正弦波永磁同步電動機自控變頻調(diào)速系統(tǒng)和直流電動機調(diào)速系統(tǒng)一樣，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出是正比于電磁轉(zhuǎn)矩的定子電流給定值。由按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的正弦波永磁同步電動機矢量圖可知：q 角是旋轉(zhuǎn)的d軸與靜止的A軸之間的夾角，由轉(zhuǎn)子位置檢測器測出，經(jīng)過查表法讀取相應的正弦函數(shù)值后，與 is* 信號相乘，即得三相電流給定信號 iA*、iB*、iC* 。圖中的交流PWM變壓變頻器須用電流控制，可以用帶電流