電力電子技術課件第9章

1、同步電機分為同步發(fā)電機和同步電動機。 同步電機在電力系統(tǒng)中有非常重要的地位和作用。 早期的勵磁裝置采用直流發(fā)電機作電源，自從大功率電力電子器件及可控整流技術問世以來，絕大部分勵磁裝置都采用了以晶閘管整流電路為主的可控變流技術。其控制電路采用集成化模擬控制或微機化數(shù)字控制，具備很高的可靠性。 同步機勵磁分為同步發(fā)電機勵磁和同步電動機勵磁，兩者有完全不同的控制方式。其中同步發(fā)電機勵磁容量大，責任也大，因此顯得更重要。 第9章 電力電子技術在同步電機中的應用 同步電機分為同步發(fā)電機和同步電動機。 第9章 電力電子技術第9章 電力電子技術在同步電機中的應用 9.1 同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)9.2 同步電動機

2、勵磁用整流器 9.3 無換向器電動機 第9章 電力電子技術在同步電機中的應用 9.1 同步發(fā)電9.1 同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng) 同步發(fā)電機是電力系統(tǒng)中最主要的供電電源，它主要分為隱極機和凸極機兩種。 隱極機與汽輪機配套，用于火力發(fā)電廠，一般為一對極，在50Hz情況下，轉(zhuǎn)速為3000r/min。凸極機則有較多的極對數(shù)，轉(zhuǎn)速較低，一般與水輪機配套，主要用于水力發(fā)電廠。 它們共同的特點是需要直流電流來建立磁場，統(tǒng)稱為勵磁系統(tǒng) 。9.1 同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng) 同步發(fā)電機是電力系統(tǒng)中最主發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)有許多不同的類型。由與發(fā)電機同軸旋轉(zhuǎn)的勵磁機來勵磁的稱為旋轉(zhuǎn)勵磁系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)勵磁系統(tǒng)又分直流勵磁系統(tǒng)和交流勵磁系

3、統(tǒng)。交流勵磁系統(tǒng)又分為同軸安裝的旋轉(zhuǎn)整流器和靜止整流器兩種。不存在旋轉(zhuǎn)部件，稱為靜止勵磁或全靜態(tài)勵磁系統(tǒng)。 發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)有許多不同的類型。9.1.1 發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的組成框圖 (1)勵磁機。根據(jù)調(diào)節(jié)器的指令信號向同步發(fā)電機的磁場繞組提供直流功率，是勵磁系統(tǒng)的功率輸出級。(2)調(diào)節(jié)器。將輸入控制信號進行處理并放大到一定水平，用于控制勵磁機。它既有調(diào)節(jié)功能又有使勵磁系統(tǒng)穩(wěn)定的功能(變化率反饋或超前滯后補償)。圖9-1 同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的功能方框圖 9.1.1 發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的組成框圖 (1)勵磁機。根據(jù)調(diào)(3)機端電壓傳感器和負荷補償器。測量發(fā)電機端電壓，將其進行信號幅值調(diào)理，并將其與一

4、個代表企望端電壓的基準值相比較。此外，如果要保持在電氣上遠離機端的某一點(例如升壓變壓器高壓端)的電壓恒定，則還要有負荷補償(線路壓降補償或無功補償)。 (4)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器。向調(diào)節(jié)器提供一個附加的輸入信號，以阻尼電力系統(tǒng)的振蕩。常用的輸入信號有轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的偏差、交流功率的偏差和頻率的偏差。(5)限制器與保護回路。包括一系列的控制與保護功能，保證勵磁機和發(fā)電機的負載能力極限不被超過。 (3)機端電壓傳感器和負荷補償器。測量發(fā)電機端電壓，將其進行9.1.2 勵磁系統(tǒng)的類型1. 直流勵磁系統(tǒng) 這類勵磁系統(tǒng)用直流發(fā)電機作為勵磁電源，并通過滑環(huán)向同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子供電。勵磁機可以由一臺電動機驅(qū)動，或者與發(fā)電

5、機同軸驅(qū)動。勵磁機可以是自激的，也可以是他激的。他激勵磁機的磁場由永磁副勵磁機供電。 9.1.2 勵磁系統(tǒng)的類型1. 直流勵磁系統(tǒng) 一臺直流整流子勵磁機，通過滑環(huán)向主發(fā)電機的磁場供直流電。勵磁機的磁場由一臺磁放大機控制。磁放大機是一種特殊的旋轉(zhuǎn)放大機，是特殊結(jié)構(gòu)的直流電機，只需要很小的磁場控制功率就能在交軸電樞里產(chǎn)生很大的電流。實際上磁放大機是一個功率放大10000100000倍，時間常數(shù)為0.020.25s的功放裝置。圖9-2 磁放大機電壓調(diào)節(jié)器的直流勵磁系統(tǒng) 一臺直流整流子勵磁機，通過滑環(huán)向主發(fā)電2. 旋轉(zhuǎn)整流器勵磁系統(tǒng)右圖這種系統(tǒng)稱為無刷勵磁系統(tǒng)(brushless excitation

6、 system)。開發(fā)這種系統(tǒng)是為了在為大容量發(fā)電機的磁場提供強大勵磁電流(例如600MW發(fā)電機的勵磁功率在1MW等級)時，避免發(fā)生使用電刷可能出現(xiàn)的問題。 圖9-3 無刷勵磁系統(tǒng) 2. 旋轉(zhuǎn)整流器勵磁系統(tǒng)右圖這種系統(tǒng)稱為無刷勵磁系統(tǒng)(bru 無刷勵磁系統(tǒng)不能直接測量發(fā)電機的磁場電流或電壓。主發(fā)電機電壓由晶閘管觸發(fā)回路的可調(diào)直流輸入設定值來控制。為了簡化，圖9-3中沒有詳細畫出控制電路的各項功能。 無刷勵磁系統(tǒng)不能直接測量發(fā)電機的磁場電流或3. 機端供電的全靜態(tài)勵磁系統(tǒng) 這種勵磁系統(tǒng)通常稱為母線供電或變壓器供電(bus-fed or transformer-fed)的靜態(tài)勵磁系統(tǒng)。這種靜態(tài)勵磁

7、系統(tǒng)縮短了發(fā)電機軸系，降低了造價，減小了振動因素，因此更適合大型發(fā)電機組，尤其是單元式發(fā)電機組。 此系統(tǒng)有很小的固有時間常數(shù)。但最大勵磁電壓 (頂值)取決于輸入的交流電壓，所以當系統(tǒng)故障使發(fā)電機端電壓下降時，可用的勵磁頂值電壓也下降。 圖9-4 機端供電的全靜態(tài)勵磁系統(tǒng) 3. 機端供電的全靜態(tài)勵磁系統(tǒng) 這種勵磁系統(tǒng)通常稱第9章 電力電子技術在同步電機中的應用 9.1 同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)9.2 同步電動機勵磁用整流器 9.3 無換向器電動機 第9章 電力電子技術在同步電機中的應用 9.1 同步發(fā)電9.2 同步電動機勵磁用整流器 9.2.1 同步機勵磁的工作原理 圖9-5是同步電動機勵磁用整流器的

8、典型原理圖。整流器通常采用三相橋式全控或半控方式。其中晶閘管VT1VT6組成三相全控橋式接線(若VT2，VT4，VT6采用同等容量的大功率二極管整流器代替則組成半控橋式接線)。VT1VT6都并聯(lián)有阻容吸收元件保護，串聯(lián)有快速熔斷器保護。整流變壓器TR起隔離作用和電壓匹配作用。 9.2 同步電動機勵磁用整流器 9.2.1 同步機勵磁的圖9-5 同步電動機勵磁用整流器原理圖MS同步電動機；UM滅磁電路；UR整流橋；Rfd1、Rfd2滅磁電阻；TR整流變壓器；QF斷路器；RS分流器；SB檢查按鈕 圖9-5 同步電動機勵磁用整流器原理圖MS同步電動機； 在同步電動機起動時，勵磁繞組不加勵磁電流，勵磁繞

9、組通過滅磁電阻短接，電動機靠阻尼繞組產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩起動，當轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速的95%97%時，根據(jù)一定條件啟動勵磁系統(tǒng)，加入勵磁電流，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場由定子磁場把轉(zhuǎn)子牽入同步，完成啟動過程。 在同步電動機起動時，勵磁繞組不加勵磁電9.2.2 勵磁用整流器的特點 為了使同步電動機在電網(wǎng)波動、電動機負載沖擊等外部條件影響下不至于失步，整流器的主回路應具有以下特點。 (1)在直流電壓輸出為額定值的40%100%時，能在額定電流下連續(xù)運行。(2)恒電流勵磁系統(tǒng)要求當電網(wǎng)電壓波動在80%105%額定值之間和勵磁繞組電阻的熱態(tài)值增加不大于10%的條件下，勵磁電流保證5%的精度。(3)恒無功功率調(diào)節(jié)的勵磁系統(tǒng)，

10、要求在同步電動機負載從空載至2倍額定負載范圍內(nèi)變動時，同步電動機無功功率變動不大于10%。(4)裝置具備一定的強勵能力。9.2.2 勵磁用整流器的特點 為了9.2.3 主電路計算 根據(jù)以上特點，與一般整流器的設計不同點在于，對冷卻系統(tǒng)、整流變壓器、晶閘管元件及其保護用快速熔斷器元件等的選擇應分別給予考慮：(1)由于強勵過載的時間不長、不頻繁，冷卻系統(tǒng)可按額定輸出時的發(fā)熱量來考慮。(2)強勵時間要求達到60s，對于熱時間常數(shù)以秒計的晶閘管和快速熔斷器來說，已相當于長期負載的作用，因此在選擇晶閘管和快速熔斷器保護的協(xié)調(diào)性時，應按照強勵過載倍數(shù)下的電流值來考慮。(3)整流變壓器的設計電壓可只考慮強勵

11、電壓倍數(shù)的要求，而不必考慮強勵電流倍數(shù)的要求。因為60s的電流強勵過載要求和以小時計的變壓器電流過載能力相比，可不予考慮。 9.2.3 主電路計算 根據(jù)以上特點9.2.4 控制電路 同步電動機勵磁整流器的控制電路，主要有晶閘管觸發(fā)器(包括強勵和滅磁功能的控制)、電動機的起動控制以及無功補償?shù)目刂啤?實現(xiàn)這些控制的電路方式很多，以下僅就設計控制電路時需考慮的一些問題進行說明。 9.2.4 控制電路 同步電動機勵磁整(1)觸發(fā)器。 三相全控橋式連接需要六組相隔60電角度的觸發(fā)脈沖，因為負載是電感性質(zhì)，并考慮到掣住電流的需要，脈沖發(fā)生器應能產(chǎn)生寬度大于60的寬脈沖或間隔60的雙窄脈沖。為了保持輸出的

12、勵磁電壓相對于電網(wǎng)電壓穩(wěn)定，可引入電網(wǎng)電壓反饋電路。當采用逆變方式加快滅磁過程時，觸發(fā)脈沖移相范圍應大于140，以使三相橋式電路能處于逆變器狀態(tài)工作。 (1)觸發(fā)器。(2)無功補償控制。 同步電動機工作在沖擊負載條件下時，常常使電網(wǎng)的無功分量發(fā)生較大的波動，影響電網(wǎng)質(zhì)量。為此采用無功補償控制環(huán)，檢測同步電動機無功電流信號，并控制勵磁系統(tǒng)在負載增加時自動調(diào)節(jié)勵磁電流，使同步電動機在沖擊負載下，以比較穩(wěn)定的無功電流或比較穩(wěn)定的功率因數(shù)運行。 (2)無功補償控制。第9章 電力電子技術在同步電機中的應用 9.1 同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)9.2 同步電動機勵磁用整流器 9.3 無換向器電動機 第9章 電力電子

13、技術在同步電機中的應用 9.1 同步發(fā)電9.3 無換向器電動機 9.3.1 無換向器電動機概述 無換向器電動機是近年發(fā)展起來的一種新型調(diào)速電機。它的構(gòu)造和交流同步機相同，沒有換向器，但其工作原理、特性及調(diào)速方式卻與直流機相似，因此稱這種電動機為無換向器直流電動機，簡稱無換向器電動機。由于它采用晶閘管電源供電，所以也稱做晶閘管電動機。 9.3 無換向器電動機 9.3.1 無換向器電動機概述 無換向器電動機可定義為具有磁極位置檢測器(PS)的同步電動機(SM)由半導體電力變換裝置供電的電機系統(tǒng)。無換向器電機加上系統(tǒng)控制裝置構(gòu)成了無換向器電機控制系統(tǒng)，如圖9-6所示。 圖9-6 無換向器電動機控制系

14、統(tǒng)SM同步電動機；PS位置檢測器 無換向器電動機可定義為具有磁極位置無換向器電機同其他幾種調(diào)速電動機比較，有如下特點：(1)調(diào)速性能優(yōu)良，與直流電機特性相似，可均勻無級調(diào)速，調(diào)速范圍可達10:1至50:1。(2)結(jié)構(gòu)簡單，無機械換向器，不會產(chǎn)生火花，便于維護，適應惡劣環(huán)境和易燃易爆場合，容易做到大容量，高轉(zhuǎn)速和高電壓。(3)起動特性不如直流機好，但比一般交流機好，起動轉(zhuǎn)矩較大，起動電流不很大，起動方便，運行穩(wěn)定。(4)功率因數(shù)和效率與直流系統(tǒng)相似，但比一般交流系統(tǒng)要好，可方便地實現(xiàn)四象限運行。(5)目前還存在過載能力低的問題，附加的控制裝置較復雜，系統(tǒng)的工作可靠性很大程度上取決于變頻器和控制系

15、統(tǒng)的可靠程度。無換向器電機同其他幾種調(diào)速電動機比較，有如下特點：9.3.2 無換向器電動機的工作原理 1. 無換向器電動機的基本原理 無換向器電機與帶有三個換向片的直流機在原理上基本相同，只不過是由晶閘管開關和位置檢測器代替了直流機的機械換向器和電刷來進行換向而已。依次觸發(fā)各相應的晶閘管開關，例如在圖9-7中順次有晶閘管SCR6、SCR1導通圖9-7(a)換向后SCR1、SCR2導通圖9-7(b)，轉(zhuǎn)子磁極將會依次轉(zhuǎn)過60電角度。 9.3.2 無換向器電動機的工作原理 1. 無換向器電動機圖9-7 無換向器電機的磁場(a)A-B；(b)A-C；(c)B-C 圖9-7 無換向器電機的磁場(a)A

16、-B；(b)A-C； 無換向器電動機隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，周期地觸發(fā)和關斷相應的晶閘管，使電樞磁場和磁極磁場保持相對靜止關系，其相位差為j角。兩個磁場相互作用的結(jié)果產(chǎn)生電機的運動，并在很大程度上決定了該電機運行性能。 無換向器電動機隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，周期地觸發(fā)圖9-8 直流無換向器電動機原理圖 圖9-8 直流無換向器電動機原理圖 無換向器電動機的構(gòu)造主要包括同步電動機本體，轉(zhuǎn)子位置檢測器(又稱測頻器)及晶閘管變頻器等幾部分。 位置檢測器是無換向器電動機特有的元件，它是檢測轉(zhuǎn)子磁極和定子旋轉(zhuǎn)磁場間相對位置并向變頻器發(fā)出控制信號的裝置。 常用的有差動變壓器式位置檢測器、接近開關式位置檢測器、磁敏式位置檢測

17、器和光電式位置檢測器等幾種。 無換向器電動機的構(gòu)造主要包括同步電動機本體，轉(zhuǎn)子位置檢正轉(zhuǎn)時間(電角度)0 120 240 360電樞繞組電流方向ABACBCBACACB(+)側(cè)導通的SCR135(-)側(cè)導通的SCR6246反轉(zhuǎn)電樞繞組電流方向ABCBCABABCAC(+)側(cè)導通的SCR1531(-)側(cè)導通的SCR642表9-1正反轉(zhuǎn)時電樞電流方向與晶閘管導通順序 正轉(zhuǎn)時間(電角度)0 1 綜上所述，無換向器電動機可以等效成帶有三個換向片的直流機，其換向器及電刷的功能由晶閘管SCR及轉(zhuǎn)子位置檢測器來完成。只是采用晶閘管開關取代了換向片和電刷，所以無換向器電動機又常稱為晶閘管電動機。由于晶閘管開關

18、元件數(shù)受限，相當具有三個換向片的直流電機，故無換向器電動機運行呈步進工作狀態(tài)。這在高速連續(xù)運行時由于電機的慣性作用對速度無任何影響，在低速運行時有步進感。 綜上所述，無換向器電動機可以等效成帶2. 無換向器電動機的換流 一般把欲觸發(fā)的晶閘管導通以及把先前已導通的晶閘管關斷的過程稱為換流。 無換向器電機的換流可靠與否，對于它的運行，起動及過載能力等方面都有重要的影響。下面介紹實用的兩種基本換流方式。 2. 無換向器電動機的換流 (1)自然換流法(反電勢換流法)。 一般無源逆變器為保證晶閘管可靠換流都需要有一套特設的換流電路，因而使逆變器線路變得很復雜。但在逆變器對同步電動機供電的線路中，同步電動

19、機的電樞繞組存在著由勵磁磁場感應產(chǎn)生的電勢(如同直流電機電樞中的反電勢一樣)。利用這個反電勢換流可以使換流電路大大簡化，這和有源逆變器工作中的換流過程是一樣的。 (1)自然換流法(反電勢換流法)。 圖9-9 反電勢換流的原理(a)逆變器電路；(b)換流時波形現(xiàn)在以晶閘管由SCR1到SCR3的換流過程為例說明反電勢換流的原理，參看圖9-9a 圖9-9 反電勢換流的原理(a)逆變器電路；(b)換流時 在電動機開始起動和低速運行時，由于反電勢過小，利用自然換流法難以實現(xiàn)可靠換流，因此一般需要采用附加電勢強制換流或斷續(xù)換流法，等電機到達一定高速時再轉(zhuǎn)到自然換流上去。 在電動機開始起動和低速運行時，由于

20、反電(2)斷續(xù)電流換流法。 無換向器電動機在起動和低速運行時，為了保證逆變器可靠地換流，應采取措施，使得每當換流來臨時刻讓流過逆變器的電流迅速下降到晶閘管維持電流以下，從而使晶閘管關斷。這種換流方法稱作斷續(xù)電流換流法或簡稱斷流法。 (2)斷續(xù)電流換流法。 無換向器電動機采用交直交變頻方式供電時，晶閘管逆變器在低速時采用斷續(xù)電流法換流，在高速時采用反電勢自然換流法換流。由低速向高速換流方式的切換，可以用帶滯環(huán)特性的施密特觸發(fā)器構(gòu)成的速度檢測器自動進行。 無換向器電動機采用交直交變頻方式供9.3.3 無換向器電動機的特性及調(diào)速方法 本小節(jié)簡要推導無換向器電動機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩公式及機械特性方程式，并分

21、析基本調(diào)速方式及其調(diào)速特性。在推導之前，規(guī)定下列符號，參看圖9-10(a)。 圖9-10 無換向器電動機主電路及電壓波形(a)主電路；(b)電壓波形 9.3.3 無換向器電動機的特性及調(diào)速方法 本小節(jié)簡要推導1. 轉(zhuǎn)速公式與調(diào)速方法設三相電壓瞬時值分別為 1. 轉(zhuǎn)速公式與調(diào)速方法則直流側(cè)電壓與電機端電壓平衡關系有 (9-1) 則直流側(cè)電壓與電機端電壓平衡關系有 (9-1) 電動機電樞每相繞組的電勢E與轉(zhuǎn)速n和磁通F之間的關系為 式中：p為電機極對數(shù)；n為轉(zhuǎn)速，rad/min；k1W1為電機每相繞組的等值匝數(shù)；F為每極磁通。 電動機電樞每相繞組的電勢E與轉(zhuǎn)速n和磁通F之間的關系為 若不考慮線路損

22、耗及電機內(nèi)部壓降(已歸入R)，則電機電勢E與外加直流電壓即逆變器輸出相電壓U相平衡，因此 將式(9-2)代入式(9-1)得 (9-2) (9-3) 若不考慮線路損耗及電機內(nèi)部壓降(已歸入R)，則電機電于是可以求出電動機轉(zhuǎn)速與輸入直流電壓的關系 其中 , 為電勢常數(shù)。 (9-4) 于是可以求出電動機轉(zhuǎn)速與輸入直流電壓的關系(9-4) 另一方面，晶閘管整流器輸出直流電壓平均值(對于三相全控橋式電路)為 將式(9-5)代入式(9-4)得(9-6) (9-5) 另一方面，晶閘管整流器輸出直流電壓平均值(對于三相全控 式(9-6)即為無換向器電動機的轉(zhuǎn)速公式。將它與直流電動機的轉(zhuǎn)速公式比較可以看出二者是

23、非常相似的。 根據(jù)式(9-6)可知無換向器電動機也有三種調(diào)速方式：(1)改變直流電壓Ud。在晶閘管整流器輸入為交流的情況下可以通過改變控制角a來實現(xiàn)。這類似直流電動機改變電樞電壓的調(diào)速方法。(2)改變勵磁電流If或磁通f。這相當于直流電動機的改變磁通(弱磁)的調(diào)速方法。(3)改變換流超前角g0。 式(9-6)即為無換向器電動機的轉(zhuǎn)速公式。將它2. 轉(zhuǎn)矩公式無換向器電動機的平均轉(zhuǎn)矩可由輸入的電磁功率Pd及角速度W求出：將式(9-5)及式(9-3)代入式(9-7)得 其中， 為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。 (9-7) (9-8) 2. 轉(zhuǎn)矩公式(9-7) (9-8) 圖9-11 三相零式逆變電路轉(zhuǎn)矩的脈動(a)轉(zhuǎn)矩

24、的產(chǎn)生；(b)g0=0；(c)g0=30圖9-11 三相零式逆變電路轉(zhuǎn)矩的脈動(a)轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生；在圖9-11(a)所示瞬間，觸發(fā)晶閘管使繞組通電并產(chǎn)生自左向右的電樞磁場，則磁極正好處于比較強的磁場范圍內(nèi)，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的平均值比較大，脈動比較小。習慣上把這一點的晶閘管觸發(fā)角度定為g0=0。在g0=0的情況下，電機三相繞組所產(chǎn)生的總轉(zhuǎn)矩如圖9-11(b)所示。在g0角超前或滯后情況下觸發(fā)晶閘管，則轉(zhuǎn)矩平均值減小，脈動增加。在三相零式逆變電路接法中，當g030超前時，電機轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)過零點如圖9-11(c)所示，這會在電動機起動時出現(xiàn)死點。 在圖9-11(a)所示瞬間，觸發(fā)晶閘管使繞組通電并產(chǎn)生自左向3. 調(diào)速特性 當勵磁電流If(或磁通j)保持一定時，以換流超前角g0為參數(shù)，根據(jù)式(9-6)可以畫出一族電動機轉(zhuǎn)速n隨外加控制直流電壓Ed變化的曲線n=f(Ed)，并稱它為無換向器電動機的空載調(diào)速特性，如圖9-13所示。 圖9-13 空載時電壓調(diào)速特性 3. 調(diào)速特性