同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng).

1、電力拖動Fl動控制系統(tǒng)第8章同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng) 同步電動村L變壓變頻調(diào)速的特點(diǎn)及 其基木類型他控變頻同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng) H控變頻同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)L1同步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速的特點(diǎn) 及其基本類型本節(jié)提要概述同步調(diào)速系統(tǒng)的類型同步調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)1.概述同步電動機(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，同步電動機(jī)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(jī)歷來只能恒速運(yùn)行 不能調(diào)速的面貌。起動費(fèi)事、重載時振蕩 或失步等問題也已不再是同步電動機(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

2、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;解決思路問題的根源：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，可解決由固 定頻率電源供電而產(chǎn)生的問題。例如口對于起動問題：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，實現(xiàn)軟起動?？趯τ谡袷幒褪Р絾栴}:由于采用頻率閉環(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。2.同步調(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機(jī)供 電的系統(tǒng)。（2）自控變頻調(diào)速系統(tǒng)用電動機(jī)本身軸上所帶轉(zhuǎn)子位置檢測器 或電動機(jī)反電動勢波形提供的轉(zhuǎn)子位置信 號來控制變壓變頻裝置換相時刻

3、的系統(tǒng)。同步調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)(續(xù))（1）交流電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速與定子 電源頻率fx有確定的關(guān)系(8-1)異步電動機(jī)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)差企；同步電動機(jī)的 穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差 = 0。同步調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)（續(xù)）（2）異步電動機(jī)的磁場僅靠定子供電產(chǎn)生， 而同步電動機(jī)除定子磁動勢外，轉(zhuǎn)子側(cè)還有 獨(dú)立的直流勵磁，或者用永久磁鋼勵磁。（3）同步電動機(jī)和異步電動機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子除直流勵磁繞組（或永久磁鋼）夕卜，還可能有自身短路的阻 尼繞組。(4) 異步電動機(jī)的氣隙是均勻的，而同步電 動機(jī)則有隱極與凸極之分，隱

4、極式屯機(jī)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。但凸極效應(yīng) 能產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，單靠凸極效應(yīng)運(yùn)行的同步 電動機(jī)稱作磁阻式同步電動機(jī)。同步調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)(續(xù))(5) 異步電動機(jī)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 數(shù)很低。同步電動機(jī)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(dāng)COS0 = 1.0時，電 樞銅損最小，還可以節(jié)約變壓變頻裝置的 容量。同步調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)（續(xù)）匚6）不手S1頑由蕩機(jī)轉(zhuǎn)瑋獨(dú)是勵磁，在極低的電源頻率下也能運(yùn)行，因此，在同 樣條件卜，同步電動機(jī)的調(diào)速范圍比異步 電動機(jī)更寬。（7）異步電動機(jī)

5、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，能作出更快的動態(tài) 響應(yīng)。返回目錄*8.2他控變頻同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)與異步電動機(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機(jī)供電的系統(tǒng)稱作他控變頻調(diào)速系統(tǒng)。本節(jié)提要轉(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)由交直交電流型負(fù)載換流變壓變頻器供電 的同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)由交交變壓變頻器供電的大型低速同步電 動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)按氣隙磁場定向的同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)同步電動機(jī)的多變量動態(tài)數(shù)學(xué)模型*821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)轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的同步電動機(jī)群 調(diào)速

6、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(jī)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(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)特點(diǎn)圖8-1多臺同步電動機(jī)的恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)永磁或磁阻式同步 電動機(jī)群系統(tǒng)控制多臺永磁或磁阻同步電動機(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 頻率給定信號廠同時調(diào)節(jié)各臺電動機(jī)的轉(zhuǎn) 速。 PWM變壓變頻器中，帶定子壓降補(bǔ)償?shù)暮?壓頻比控制保證了同步電動機(jī)氣隙磁通恒 定，緩慢地調(diào)節(jié)頻率給定廠可以逐漸地同 時改變各臺電機(jī)的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，只需一臺變頻 器供電，成本低廉。由于采

7、用開環(huán)調(diào)速方式，系統(tǒng)存在一個明 顯的缺點(diǎn)，就是轉(zhuǎn)子振蕩和失步問題并未 解決，因此各臺同步電動機(jī)的負(fù)載不能太*822由交直交電流型負(fù)載換流變壓變頻器供電的同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)概述大型同步電動機(jī)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(jī)經(jīng)過隨轉(zhuǎn)子一起旋 轉(zhuǎn)的整流器供電。系統(tǒng)控制對于經(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 機(jī)供電時更簡單，可以省去強(qiáng)迫換流電路， 而利用同步電動機(jī)定子中的感應(yīng)電動勢實 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LCI)

8、。系統(tǒng)組成旁路晶閘管在圖8-2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(fù)載換流控制和勵磁電 流控制，F(xiàn)BS是測速皮襪環(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（包括電流調(diào)節(jié)和電源 側(cè)變換器的觸發(fā)控制）。換流問題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(jī)感應(yīng)電動勢不夠大， 不足以保證可靠換流；當(dāng)電機(jī)靜止時，感應(yīng)電動勢為零，根本 就無法換流。解決方案這時，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(dǎo)通，讓電抗器放電，同吋切斷直流 電流，允許逆變器換相，換相后再關(guān)斷旁 路晶閘管，使電流恢復(fù)正常。用這種換流方式可使電動機(jī)轉(zhuǎn)速升到

9、額定 值的3%5%,然后再切換到負(fù)載電動勢換 流。823由交交變壓變頻器供電的大型低速同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)概途另一類大型同步電動機(jī)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(jī)、礦井提升機(jī)、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(dāng) 電網(wǎng)頻率為50Hz時），對于一臺20極的同 步電動機(jī)，同步轉(zhuǎn)速為120-150r/min,直 接用來拖動軋鋼機(jī)等設(shè)備是很合適的，可 以省去龐大的齒輪傳動裝置。系統(tǒng)組成控制器參考輸入圖83由交交變壓變頻器供電的人型低速同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)控制這類調(diào)速系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)畫在圖&3中, 可以實現(xiàn)4象限運(yùn)行。

10、控制器按需要可以是常規(guī)的，也可以采用矢量控制，后者在下一小節(jié)再詳細(xì)討論。*8.2.4按氣隙磁場定向的同步電動機(jī)矢 量控制系統(tǒng)1概述為了獲得高動態(tài)性能，同步電動機(jī)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(jī)矢量控制相似，也是通過坐 標(biāo)變換，把同步電動機(jī)等效成直流電動機(jī)， 再模仿直流電動機(jī)的控制方法進(jìn)行控制。但 由于同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)了結(jié)構(gòu)與異步電動機(jī)不 同，其矢量坐標(biāo)變換也有自己的特色。2.系統(tǒng)模烈假定條件(1) 假設(shè)是隱極電機(jī)，或者說，忽略凸極的磁 阻變化；(2) 忽略阻尼繞組的效應(yīng)；(3) 忽略磁化曲線的飽和非線性因素；(4) 暫先忽略定子電阻和漏抗的影響。其他假設(shè)條件和研究異

11、步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型時相 同，見第6.6.2節(jié)。模型描述圖中，定子三相繞組軸線A、B、C是靜 止的，三相電壓 你、叱和三相電流 以、；b、Q都是平衡的，轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速 旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子上的勵磁繞組在勵磁電壓5供 電下流過勵磁電流Zt O沿勵磁磁極的軸線 為d軸，與d軸正交的是q軸，d-q坐標(biāo)在 空間也以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，d軸與A軸之 間的夾角&為變量。同步電機(jī)的空間矢量在同步電動機(jī)中，除轉(zhuǎn)子直流勵磁外， 定子磁動勢還產(chǎn)牛電樞反應(yīng)，直流勵磁與 電樞反應(yīng)合成起來產(chǎn)生氣隙磁通，合成磁 通在定子中感應(yīng)的電動勢與外加電壓基本 平衡。一同步電動機(jī)磁動勢與磁通的空間矢量圖 示于圖8-5ao圖8-5同步電動機(jī)近似的空間矢量

12、圖和時間札I量圖同步電機(jī)的空間矢量（續(xù)） 圖中：片、f 轉(zhuǎn)子勵磁磁動勢和磁通，沿勵 磁方向為d軸；Fs一定子三相合成磁動勢；Fr、R 合成的氣隙磁動勢和總磁通； &s 代與Fr間的夾角； qFf與Fr間的夾角。矢量變換將代除以相應(yīng)的匝數(shù)即為定子三相電流 合成空間矢量，可將它沿M、T軸分解為 勵磁分量Z；m和轉(zhuǎn)矩分量同樣，厲與相 當(dāng)?shù)膭畲烹娏魇噶扣桃部煞纸獬芍魏?ft o矢量變換公式 由圖85a不難得出下列關(guān)系式4 - 此 +U(8-2)(8-3)，R ，sm +，fin(&4)心=-ift(8-5)人=is cosQ(8-6)Zfin =人 COS&f(8-7)定子電斥方稈在圖8-5b中畫出了

13、定子一和繞組的電壓、 電流與磁鏈的時間相量圖。定子電壓方程（續(xù)）氣隙合成磁通R是空間矢量，R對該 相繞組的磁鏈氨則足時問相量，氨在 繞組屮感應(yīng)的電動勢瓦領(lǐng)先于rs 90 o 按照假設(shè)條件，忽略定子電阻和漏抗，則 厶與相電壓4近似相等，于是USES= 4.44/,Rs（8-8）電流關(guān)系分析在圖85b中，z；是該相電流相量，它落后 于乞的相角0就是同步電動機(jī)的功率因數(shù) 角。根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，r與代空間矢量的 空間角差0S也就是磁鏈與電流心在吋間 上的相角差，因此0 = 90 氏,而且心 和zst也是zs相量在時間相量圖上的分量。電流關(guān)系分析（續(xù)）由此可知：定子電流的勵磁分量心可以 從定子電流is和調(diào)

14、速系統(tǒng)期望的功率因數(shù) 值求出。最簡單的情況是希望COS0 = 1, 也就是說，希望zsm=0o這樣，由期望功率因數(shù)確定的可作為 矢量控制系統(tǒng)的一個給定值。定子電流方稈以A軸為參考坐標(biāo)軸，貝Ud軸的位置角為 &二力，可以通過電機(jī)軸上的位置傳感 器BQ測得（見圖8-6） o于是，定子電流 空間矢量與A軸的夾角2便成為幾=o+a + a(8-9)定子電流方程(續(xù))由的幅值和相位角可以求出三相定子電流iA = is cos2iB = k|cos(2 120。)(8-10)ic = |zs|cos(/l + 120o)電磁轉(zhuǎn)矩方稈根據(jù)機(jī)電能址轉(zhuǎn)換原理，同步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn) 矩可以表達(dá)為=訴RsinQ(8-

15、12)(8-13)定子旋轉(zhuǎn)磁動勢幅值二3邁N扎s1 srs叫由式(8-2)及式(8-6)可知sin：將定子旋轉(zhuǎn)磁動勢幅值表達(dá)式（8-12） 及式（&13）代入式（8-11）,整理后得(8-14)式中3Cm佻 Nsg工作原理同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)采用了和直流 電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相仿的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)速控制：ASR的輸出是轉(zhuǎn)矩給定信號7；篤按照式(8-14) , 7T除以磁通模擬信號J即得定子電流轉(zhuǎn)矩分量的給定信號/ , 是由磁通給定信號*經(jīng)磁通滯后模型 模擬其滯后效應(yīng)后得到的。磁通和電流控制(1) *乘以系數(shù)K(d即得合成勵磁電流的 給定信號心篤另外，按功率因數(shù)要求還可 得定子電流勵磁分量給定信號心角(2) 將 匯、4/和來自位置傳感器 BQ的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)相位角&一起送入矢量運(yùn) 算器，按式(8-7)以及式(