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第 8 章

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  1. 运动控制系统 第 8 章 同步电动机变压变频调速系统

  2. 第8章 同步电动机变压变频调速系统 • 8.1 同步电动机的稳态模型与调速方法 • 8.2 他控变频同步电动机调速系统 • 8.3自控变频同步电动机的调速 • 小结

  3. 8.1 同步电动机的稳态模型与调速方法 • 同步电动机历来是以转速与电源频率保持严格同步著称的。只要电源频率保持恒定,同步电动机的转速就绝对不变。 • 同步电动机直接投入电网运行时,存在失步与起动困难两大难题,曾经制约着同步电动机的应用。 • 同步电动机的调速只能是变频调速。 • 变频技术的发展与成熟不仅实现了同步电动机的调速,同时也解决了失步与起动困难的问题,使之不再是限制同步电动机运行的障碍。

  4. 8.1.1 同步电动机的特点 • 与异步电动机相比,同步电动机具有以下特点: 1)交流电机旋转磁场的同步转速n1与定子电源频率f1有确定的关系 异步电动机的稳态转速总是低于同步转速,而同步电动机的稳态转速恒等于同步转速,因此机械特性很硬。

  5. 磁极 直流励磁绕组 永久磁钢 B B 定子绕组 C C N N X + X A A - S S 定子铁心 Z Z Y Y 同步电动机的特点(续) 2)异步电动机的转子磁动势靠感应产生,而同步电动机除定子磁动势外,在转子侧还有独立的直流励磁,或者靠永久磁钢励磁。

  6. 同步电动机的特点(续) 3)同步电动机和异步电动机的定子都有同样的交流绕组,一般都是三相的,而转子绕组则不同,同步电动机转子除直流励磁绕组(或永久磁钢)外,还可能有自身短路的阻尼绕组。

  7. 同步电动机的特点(续) 4)异步电动机的气隙是均匀的,而同步电动机则有隐极和凸极之分。隐极电动机气隙均匀;凸极电动机的气隙不均匀,数学模型复杂。 同步电动机的结构

  8. 同步电动机的特点(续) 5)由于同步电动机有独立励磁,在极低的电源频率下也能运行,因此在同样的条件下,同步电动机的调速范围比异步电动机更宽。 6)异步电动机要靠加大转差才能提高转矩,而同步电动机只需加大转矩角就能增大转矩,同步电动机比异步电动机对转矩扰动具有更强的承受能力,动态响应快。

  9. 存在的问题: • (1)起动困难; • (2)重载时有振荡,甚至存在失步危险;

  10. 解决思路 • 问题的根源: 供电电源频率固定不变。 • 解决办法: 采用电压-频率协调控制,可解决由固定频率电源供电而产生的问题。

  11. 例 如 • 对于起动问题: 通过变频电源频率的平滑调节,使电机转速逐渐上升,实现软起动。 • 对于振荡和失步问题 : 由于采用频率闭环控制,同步转速可以跟着频率改变,于是就不会振荡和失步了。

  12. 8.1.2 同步电动机的分类 按励磁方式分: ① 可控励磁同步电动机 转子侧有独立的直流励磁,可以通过调节转子的直流励磁电流改变输入功率因数,可以滞后,也可以超前。 ② 永磁同步电动机 转子用永磁材料制成,无需直流励磁。

  13. 永磁同步电动机的特点 1)由于采用了永磁材料磁极,特别是采用了稀土金属永磁,如钕铁硼,其磁能高,可得到较高的气隙磁通密度,因此容量相同的电动机体积小、重量轻。

  14. 永磁同步电机的发展与永磁材料工业的发展密切相关。永磁同步电机的发展与永磁材料工业的发展密切相关。 自上世纪九十年代以来,随着永磁材料性能的不断提高和完善,特别是钕铁硼永磁材料性能的改善和价格的逐步降低,稀土永磁电机的研究进入了一个新阶段。 我国是盛产永磁材料的国家,特别是稀土永磁材料钕铁硼资源在我国非常丰富,稀土矿的储藏量为世界其他各国总和的4倍左右,号称“稀土王国’。稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际先进水平。因此对我国来说,永磁同步电动机有很好的应用前景。

  15. 永磁同步电动机的特点(续) 2)转子没有铜损和铁损,又没有集电环和电刷的摩擦损耗,运行效率高。 3)转动惯量小,允许脉冲转矩大,可获得较高的加速度,动态性能好。 4)结构紧凑,运行可靠。

  16. 永磁同步电动机的主要应用领域 • (l)军事、航空、航天领域; • (2)控制精度要求高的领域,如数控机床、工业机器人控制等; • (3)交通工具控制领域,如电动汽车控制; • (4)家用电器控制领域,如家用空调、电冰箱等。

  17. 永磁同步电动机的分类 按气隙磁场分布可分为两类: 1)正弦波永磁同步电动机: 磁极采用永磁材料,输入三相正弦波电流时,气隙磁场为正弦波分布。 简称永磁同步电动机 (Permanent Magnet Synchronous Motor ---PMSM) 2)梯形波永磁同步电动机: 磁极仍为永磁材料,但输入方波电流,气隙磁场呈梯形波分布,性能更接近于直流电动机。 用梯形波永磁同步电动机构成的自控变频同步电动机又称为无刷直流电动机Brushless DC Motor - BLDCM

  18. B A C N0 n0 S N S0 同步电机的工作原理 • 当对称三相正弦交流电通入对称三相定子绕组时,便产生了旋转磁场,转子励磁绕组通入直流电,便产生极对数与旋转磁场相等的大小和极性都不变的恒定磁场。转子好像一个“磁铁”,在旋转磁场的带动下旋转。 • 由于同步电动机的转子的转矩是旋转磁场与转子磁场不同极性间的吸引力所产生的,所以转子的转速始终等于旋转磁场转速,不因负载改变而改变 - +

  19. 8.1.3 同步电动机的转矩角特性 电磁功率和电磁转矩 凸极同步电动机 Us---定子电压有效值 Is---定子电流有效值 Es---转子磁动势在定子绕组中产生的感应电动势 xd---定子直轴电抗 xq---定子交轴电抗 θ---Us与Es之间的相位角。 在Us和Es恒定时,同步电动机的电磁功率和电磁转矩由θ决定,故称功率角或转矩角

  20. Te 2π π θ 8.1.3 同步电动机的转矩角特性(续) 隐极同步电动机 xd=xq,电磁功率和电磁转矩为 θ---Us与Es之间的相位角。 当θ=π/2时,电磁转矩最大。

  21. Te Te Te2 Te3 Te1 Te4 θ O θ1 θ2 π/2 θ θ4 O θ3 π/2 8.1.4 同步电动机的稳定运行 以隐极同步电动机为例,分析同步电动机恒频恒压时的稳定运行问题。 2. 在π/2<θ<π范围内 1. 在0<θ<π/2范围内 电动机能够稳定运行 电动机不能稳定运行,产生失步

  22. 8.1.5 同步电动机的起动 当同步电动机在工频电源下起动时,定子磁动势立即以同步转速旋转。由于机械惯性的作用,电动机转速具有较大的滞后,不能快速跟上同步转速;转矩角θ以2π为周期变化,旋转磁场和转子磁极之间的吸引和排斥相互交替,电磁转矩呈正弦规律变化,在一个周期内,电磁转矩的平均值为零,故同步电动机不能起动。 B C A N0 在实际的同步电动机中转子都有类似笼型异步电动机中的起动绕组,使电动机按异步电动机的方式起动,当转速接近同步转速时再通入直流励磁电流牵入同步。 n0 S N S0

  23. 8.1.6 同步电动机的调速 同步电动机的转速n 同步电动机有确定的极对数np,所以同步电动机的调速只能是变频调速。 同步电动机的失步和起动问题限制了其应用场合,采用变频技术不仅可以实现调速,而且也解决了起动和失步问题

  24. B A C N0 n0 S N S0 采用变频法起动时,先在转子绕组中通入直流励磁电流,借助变频器逐步升高加在定子上的电源频率,使转子磁极在开始起动时就与旋转磁场建立起稳定的磁拉力而同步旋转,并在起动过程中同步增速,一直增到额定转速值。 - +

  25. 8.1.6 同步电动机的调速(续) 忽略定子漏阻抗压降,有 同步电动机变频调速的电压频率特性与异步电动机变频调速相同,基频以下采用带定子电压补偿的恒压频比控制方式,基频以上采用电压恒定的控制方式。

  26. 同步电动机的变频调速方法 他控变频调速系统: 用独立的变压变频装置给同步电动机供电。 自控变频调速系统: 根据转子位置直接控制变压变频装置。 开环控制的他控变频调速系统比较简单,能实现多机拖动,但仍可能产生失步现象。 自控变频调速系统严格保证电源频率与转速的同步,从根本上避免了失步现象,但系统结构复杂,需要转子位置检测器或根据电动机的反电动势波形推算转子的位置。 返回目录

  27. 8.2 他控变频同步电动机调速系统 与异步电动机变压变频调速一样,用独立的变压变频装置给同步电动机供电的系统称作他控变频调速系统。

  28. 8.2.1 转速开环恒压频比控制的同步电动机 群调速系统 转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速系统,是一种最简单的他控变频调速系统,多用于化纺工业小容量多电动机拖动系统中。 这种系统采用多台永磁或磁阻同步电动机并联接在公共的变频器上,由统一的频率给定信号同时调节各台电动机的转速。

  29. 系统组成 图8-1多台同步电动机的恒压频比控制调速系统

  30. 系统控制 • 多台永磁或磁阻同步电动机并联接在公共的电压源型PWM变压变频器上,由统一的频率给定信号 f *同时调节各台电动机的转速。 • PWM变压变频器中,带定子压降补偿的恒压频比控制保证了同步电动机气隙磁通恒定,缓慢地调节频率给定f * 可以逐渐地同时改变各台电机的转速。

  31. 系统特点 • 系统结构简单,控制方便,只需一台变频器供电,成本低廉。 • 由于采用开环调速方式,系统存在一个明显的缺点,就是转子振荡和失步问题并未解决,因此各台同步电动机的负载不能太大。否则会造成负载大的同步电动机失步,进而使整个调速系统崩溃。

  32. 8.2.2 大功率同步电动机调速系统 概述 大型同步电动机转子上一般都具有励磁绕组,通过集电环由直流励磁电源供电,或者由交流励磁发电机经过随转子一起旋转的整流器供电。

  33. 一类大型同步电动机变压变频调速系统用于低速的电力拖动,如无齿轮传动的可逆轧机、矿井提升机、水泥转窑等。一类大型同步电动机变压变频调速系统用于低速的电力拖动,如无齿轮传动的可逆轧机、矿井提升机、水泥转窑等。 由交-交变压变频器供电,其输出频率为20~25Hz,对于一台20极的同步电动机,同步转速为120~150r/min,直接用来拖动轧钢机等设备是合适的,可以省去庞大的齿轮传动装置。

  34. 大型同步电动机可以采用恒压频比控制,转速闭环的矢量控制或直接转矩控制。大型同步电动机可以采用恒压频比控制,转速闭环的矢量控制或直接转矩控制。 变频调速既能解决起动问题,又可抑制失步现象,可谓“一举两得” 返回目录

  35. 8.3 自控变频同步电动机的调速 他控变频同步电动机调速系统变频器的输出频率与转子转速或位置无直接关系,若控制不当,仍然会造成失步。 如果能根据转子位置直接控制变频器的输出电压或电流的相位,使转矩角小于π/2,就能从根本上杜绝失步,这就是采用自控变频同步电动机的初衷。

  36. 自控变频同步电动机 UI MS ω 逆变器 可控 整流 器 + BQ Ud - θr 控制器 8.3.1 自控变频同步电动机 图8-9 自控变频同步电动机调速原理图 由四部分组成 在电动机轴端装有一台转子位置检测器BQ,由它发出的信号控制变压变频装置的逆变器U I换流,从而改变同步电动机MS的供电频率,保证转子转速与供电频率同步。

  37. 结构特点 转子位置检测器与电动机同轴安装,当转子转动时,转子位置检测器能正确反映转子磁极的位置,根据转子磁极的位置信号控制逆变器输出电压的频率和相位,使同步电动机的转矩角或功率角小于π/2。 当电动机转速变化时,逆变器输出电压的频率与转速同步变化,从根本上消除失步现象,保证同步电动机稳定运行。

  38. 结构特点(续) • 在基频以下调速时,需要电压频率协调控制,因此除了逆变器外,还需要一套调压装置,为逆变器提供可调的直流电源。可控整流器完成调压的功能。 • 调速时改变直流电压,转速将随之变化,逆变器的输出频率自动跟踪转速。虽然表面上只控制了电压,实际上也自动控制了频率,这就是自控变频同步电动机变压变频调速。

  39. 自控变频同步电动机 UI MS ω 逆变器 可控 整流 器 + BQ Ud - θr 控制器 结构特点(续) 从电动机本身看,它是一台同步电动机,但是如果把它和逆变器 UI、转子位置检测器 BQ 合起来看,就象是一台直流电动机。从外部看来,改变直流电压就可以实现调速,相当于直流电动机的调压调速。

  40. 自控变频同步电动机 UI MS ω 逆变器 可控 整流 器 + BQ Ud - θr 控制器 与直流电动机比较 • 直流电动机电枢里面的电流本来就是交变的,只是经过换向器和电刷才在外部电路表现为直流,这时,换向器相当于机械式的逆变器,电刷相当于磁极位置检测器。这里,则采用电力电子逆变器和转子位置检测器替代机械式换向器和电刷。

  41. 与直流电动机比较 稍有不同的是,直流电动机的磁极在定子上,电枢是旋转的,而同步电动机的磁极一般都在转子上,电枢却是静止的。 只是运动形式的不同,没有本质的区别。

  42. 自控变频同步电动机的分类 自控变频同步电动机因其核心部件的不同,略有差异: 1)无换向器电动机 :由于采用电子换向器取代了机械式的换向器,因而得名,多用于带直流励磁的同步电动机。 2)正弦波永磁自控同步电动机:以正弦波永磁同步电动机为核心,构成的自控变频同步电动机。正弦波永磁同步电动机是指当输入三相正弦波电流、气隙磁场为正弦分布,磁极采用永磁材料的同步电动机。

  43. 自控变频同步电动机的分类(续) 1)无换向器电动机 : 3)梯形波永磁自控变频同步电动机(无刷直流电动机):以梯形波永磁同步电动机为核心的自控变频同步电动机,由于输入方波电流,气隙磁场呈梯形波分布,性能更接近于直流电动机,但没有电刷,故称无刷直流电动机。 2)正弦波永磁自控同步电动机: 尽管名称上有区别,但本质上都是一样的,所以统称做“自控变频同步电动机”

  44. 8.3.2 梯形波永磁同步电动机(无刷直流电 动机)的自控变频调速系统 1. 概 述 无刷直流电动机实质上是一种特定类型的同步电动机,调速时只在表面上控制了输入电压,实际上也自动地控制了频率,仍属于同步电动机的变压变频调速。

  45. 电动势与电流波形 永磁无刷直流电动机的转子磁极采用瓦形磁钢,经专门的磁路设计,可获得梯形波的气隙磁场,定子采用集中整距绕组,因而感应的电动势也是梯形波的。 由逆变器提供与电动势严格同相的方波电流,同一相(例如A相)的电动势 eA和电流波 iA 形图如图8-8所示。

  46. eA iA eA iA EP IP O t 电动势与电流波形(续) 图8-8 梯形波永磁同步电动机的电动势与电流波形图

  47. 由于各相电流都是方波,逆变器的电压只须按直流PWM的方法进行控制,比各种交流PWM控制都要简单得多,这是设计梯形波永磁同步电动机的初衷。由于各相电流都是方波,逆变器的电压只须按直流PWM的方法进行控制,比各种交流PWM控制都要简单得多,这是设计梯形波永磁同步电动机的初衷。 然而由于绕组电感的作用,换相时电流波形不可能突跳,其波形实际上只能是近似梯形的,因而通过气隙传送到转子的电磁功率也是梯形波。

  48. 转矩脉动 如图8-9所示,实际的转矩波形每隔60°都出现一个缺口,而用 PWM 调压调速又使平顶部分出现纹波,这样的转矩脉动使梯形波永磁同步电动机的调速性能低于正弦波的永磁同步电动机。

  49. 转矩脉动(续) 图8-9 梯形波永磁同步电动机的转矩脉动

  50. 逆变器电路 2. 稳态模型 图8-10 梯形波永磁同步电动机的等效电路及逆变器主电路原理图