同步電機(jī)變頻調(diào)速

實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案同步電機(jī)變調(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。同電動(dòng)機(jī)也是一種交流電機(jī)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)恒負(fù)載或用于改善功率因數(shù)的場合定頻率下運(yùn)行的大型同步電動(dòng)機(jī)又存在著容易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)速與電源率保持嚴(yán)格同步著稱的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-頻協(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)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)：轉(zhuǎn)速與電壓頻率嚴(yán)格同步；功率因數(shù)高到1.0，甚至超前。存在的問題：起動(dòng)困難；重載時(shí)有振蕩，甚至存在失步危。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)，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)樣，由固定的定子和可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子兩大部分組成。下圖給出了最常用的同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)模型定子鐵心的內(nèi)圓均勻分布著定子槽槽精彩文檔ss實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案內(nèi)嵌放著按一定規(guī)律排列的三相稱交流繞組種同步電機(jī)的定子又稱為電樞定子鐵心和繞組又稱為電樞鐵心和電樞繞。圖中用AX、、三個(gè)在空間錯(cuò)開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)不要求調(diào)速的場合用大型同步電動(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(jī)還可以接于電網(wǎng)作為同補(bǔ)償機(jī)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)出所需的感或者容性無功功率到改善電網(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)磁場的同步速ω與定子電源頻率f有定的關(guān)系

n同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速等于同步速，轉(zhuǎn)差ω。（異步電動(dòng)機(jī)的磁場僅靠定供電產(chǎn)生而步電動(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，或者用永久磁勵(lì)磁。目前采用的直流勵(lì)磁方式分為兩類是用直流發(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)。（同步電動(dòng)機(jī)的氣隙有隱極凸極之分極式轉(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)子上沒有凸出磁極，氣隙均勻。凸極式則不均勻，兩軸的電感系精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案數(shù)不等造成數(shù)學(xué)模型上的復(fù)雜但極效應(yīng)能產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩單靠凸極效應(yīng)運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)稱作磁阻式同步電動(dòng)機(jī)。同步電動(dòng)機(jī)可通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的直勵(lì)磁電流，改變輸入功率因數(shù)以滯后也可以超前。異步電動(dòng)機(jī)要靠加大轉(zhuǎn)差才能提轉(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)具有更的動(dòng)態(tài)響應(yīng)同樣的條件下調(diào)速范圍比異步電動(dòng)機(jī)更寬。同步機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的類型：（）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機(jī)供電的系統(tǒng)。（）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。1）他控變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系與異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速一樣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)。轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的同步電機(jī)群調(diào)速系統(tǒng)由交直交電流型負(fù)載換流變壓頻器供電的同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)由交交變壓變頻器供電的大型速同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)1、轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的同電動(dòng)機(jī)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)小容量多電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)中。系統(tǒng)組成：多臺(tái)同步電動(dòng)機(jī)的恒壓頻比控制速系統(tǒng)精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案系統(tǒng)控制：多臺(tái)永磁或磁阻同步電動(dòng)機(jī)并聯(lián)在公共的電壓源型PWM變變頻器上統(tǒng)一的頻率給定信號(hào)f*同時(shí)調(diào)節(jié)各電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。帶定子壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制證了同步電動(dòng)機(jī)氣隙磁通恒定慢地調(diào)節(jié)頻率給定f*可以逐漸地同時(shí)改變臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。2、對于經(jīng)常在高速運(yùn)行的機(jī)械備，定子常用直-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)動(dòng)勢實(shí)現(xiàn)換相。這樣的逆變器稱作負(fù)載換流逆變Load-commutatedInverter，簡稱LCI）系統(tǒng)組成：由交直-交電流型負(fù)載換流變壓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)磁電流控制是測速反饋環(huán)節(jié)。由于變壓變頻裝置是電流型的，單獨(dú)畫出了電流控制器。換流問題：LCI同步調(diào)速系統(tǒng)在起動(dòng)和低速存在換流問題：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)電抗器的旁路晶閘管導(dǎo)通，讓電抗器放電同時(shí)切直流電流允逆變器換相，換相后再關(guān)斷旁路晶閘精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案管，使電流恢復(fù)正常。用這種換流方式可使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速到額定值的3%~5%后切換到負(fù)載電動(dòng)勢換流。3、另一類大型同步電動(dòng)機(jī)變壓頻調(diào)速系統(tǒng)用于低速的電力拖動(dòng)，例如無齒輪傳動(dòng)的可逆軋機(jī)、礦井提升機(jī)、水轉(zhuǎn)窯等。該系統(tǒng)由交-交變壓變頻器供電其輸出頻率為20~25Hz（電網(wǎng)頻率為50Hz時(shí)對于一臺(tái)20極的同步電動(dòng)機(jī)，步轉(zhuǎn)速為120~150r/min，直接用來拖動(dòng)軋鋼機(jī)等設(shè)備是很合適的，可以省去龐大的齒傳動(dòng)裝置。系統(tǒng)組成：由交交變壓變頻器供電的大型速同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)2）自控變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系基本結(jié)構(gòu)與原理：（）在電動(dòng)機(jī)軸端裝有一臺(tái)轉(zhuǎn)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UI換流，從而改變同步動(dòng)機(jī)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)原理圖（從電動(dòng)機(jī)本身看它是一臺(tái)步電動(dòng)機(jī)但是如果把它和逆變器UI轉(zhuǎn)子位置檢測器合起來看，就象是一臺(tái)直電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)電樞里面的電流本來就是交變的，只精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案是經(jīng)過換向器和電刷才在外部電表現(xiàn)為直流這時(shí)換向器相當(dāng)于機(jī)械式的逆變器電刷相當(dāng)于磁極位置檢測器這里采用電力電子逆變器和轉(zhuǎn)子位置檢測器替代機(jī)械式換向器和電刷。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)與展的過程中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)（多用于帶直勵(lì)磁繞組的同步電機(jī)）三相永磁同步電動(dòng)機(jī)（輸入正弦電流時(shí)）無刷直流電動(dòng)機(jī)（采用方波電流）永磁同步電機(jī)和無刷直流電機(jī)機(jī)有定子三相分布繞組和永磁轉(zhuǎn)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，如療儀器、過程控制、機(jī)床工業(yè)織工業(yè)和輕工機(jī)械等。梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的自控變調(diào)速系統(tǒng)：無刷直流電動(dòng)機(jī)實(shí)質(zhì)上是一種特類型的同步電動(dòng)機(jī)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)子磁極用瓦形磁鋼專門的磁路設(shè)計(jì)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(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)格同相方波電流，同一相（例如A相）的電動(dòng)勢e和電流波i形圖如下圖所示。eA

iAeAiAO

E

I

t梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢電流波形圖精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案由于各相電流都是方波，逆變器電壓只須按直流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)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)子的磁功率也是梯形波。梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈實(shí)際的轉(zhuǎn)矩波形每隔60°都出一個(gè)缺口，而用PWM調(diào)調(diào)速又使平頂部分出現(xiàn)紋波，這樣的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)使梯形波永同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能低于正弦波的永磁同步電動(dòng)機(jī)。梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的等效電及逆變器主電路原理圖電壓方程：對于梯形波的電動(dòng)勢和電流不簡單地用矢量表示因旋轉(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)數(shù)學(xué)模型。當(dāng)電動(dòng)機(jī)中點(diǎn)與直流母線負(fù)極共時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電壓方程可以用下式表示精彩文檔AA0iLAA0iLAAAψ實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案uB

00

0

LLL

LAALpieBLC式中u、u、——三相輸入對地壓i、、——三相電流e、、——三相電動(dòng)勢——定子每相電阻——定子每相繞組的自感L——定子任意兩相繞組間的互由于三相定子繞組對稱，故有i+i+i=0則Li+Li=-LLi+Li=LiLi+Li=-Li代入上式，并整理后得uB

0s0

0LA0i0s

0Ls0

00pieBLsm設(shè)梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)與電流波形圖中方波電流的峰值為Ip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=2EpIp忽略電流換相過程的影響，電磁轉(zhuǎn)矩為

m1np

2EIppp1

nIpp式中

—梯形波勵(lì)磁磁鏈的峰值，是恒值。由此可見梯形波永磁同步電動(dòng)（即無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與電流成正比，和一般精彩文檔ll實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案的直流電動(dòng)機(jī)相當(dāng)。這樣其控制系統(tǒng)也和直流調(diào)速統(tǒng)一樣，要求不高時(shí)采用開環(huán)調(diào)速對于動(dòng)態(tài)性能要求較高的負(fù)載，可采用雙閉控制系統(tǒng)。無論是開環(huán)還是閉環(huán)系統(tǒng)都必須具備轉(zhuǎn)子位置檢測發(fā)出換相信號(hào)調(diào)速時(shí)對直流電壓的PWM控制等功能?，F(xiàn)已生產(chǎn)出專用的集成化芯片，如MC33033MC33035等。不考慮換相過程及PWM波等因素影響當(dāng)主電路原理圖中的VT1和VT6導(dǎo)通時(shí)AB兩相導(dǎo)通而C相關(guān)斷，則可得無直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)電壓方程