同步電機變頻調速

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上同步電機變頻調速歷史上最早出現(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，轉速不要求調節(jié)的生產(chǎn)機械，例如大型水泵，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速進行控制。同步電動機歷來是以轉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，同步電動機的轉速就絕對不變。采用電力電子

2、裝置實現(xiàn)電壓-頻率協(xié)調控制，改變了同步電動機歷來只能恒速運行不能調速的面貌。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：（1）轉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)調控制例如： 對于起動問題：通過變頻電源頻率的平滑調節(jié)，使電機轉速逐漸上升，實現(xiàn)軟起動。 對于振蕩和失步問題 ：可采用頻率閉環(huán)控制，同步轉速可以跟著頻率改變，于是就不會振蕩和失步了。 同步電機和其它類型的旋轉電機一樣，由固定的定子和可旋轉

3、的轉子兩大部分組成。 下圖給出了最常用的同步發(fā)電機的結構模型，其定子鐵心的內圓均勻分布著定子槽，槽內嵌放著按一定規(guī)律排列的三相對稱交流繞組。這種同步電機的定子又稱為電樞，定子鐵心和繞組又稱為電樞鐵心和電樞繞組。 圖中用AX、BY、CZ三個 在空間錯開120電角度分布的線 圈代表三相對稱交流繞組。同步電機的運行方式：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)可以調節(jié)，在不要求調速的場合，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：控制勵磁來調節(jié)它的功率因數(shù)，可以使功率因數(shù)高到1.0

4、，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，靠調節(jié)轉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)或者調節(jié)電網(wǎng)電壓的目的。 同步調速系統(tǒng)的特點：（1）交流電機旋轉磁場的同步轉速1與定子電源頻率 f1 有確定的關系 同步電動機的穩(wěn)態(tài)轉速等于同步轉速，轉差 s = 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，轉子側還有獨立的直流勵磁，或者用永久磁鋼勵磁。 目前采用的直流勵磁方式分為兩大類：一類是用直流發(fā)電機作為勵磁電源的直流勵磁機勵磁系統(tǒng)；另一類是用硅整流裝置將交流轉化成直流后供給勵磁的整流器勵磁系統(tǒng)。 （3

5、）同步電動機的氣隙有隱極與凸極之分。凸極式轉子上有明顯凸出的成對磁極和勵磁線圈。如對水輪發(fā)電機來說，由于水輪機的轉速較低，要發(fā)出工頻電能，發(fā)電機的極數(shù)就比較多，做成凸極式結構工藝上較為簡單。另外，中小型同步電機多半也做成凸極式。 隱極式同步電機轉子上沒有凸出的磁極，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。 （4）同步電動機可通過調節(jié)轉子的直流勵磁電流，改變輸入功率因數(shù)，可以滯后，也可以超前。 （5）異步電動機要靠加大轉差才能提高轉矩，而同步電機只須加大功角就能增大轉矩，同步電動機比異步電動

6、機具有更快的動態(tài)響應，在同樣的條件下，調速范圍比異步電動機更寬。同步機調速系統(tǒng)的類型： （1）他控變頻調速系統(tǒng)用獨立的變壓變頻裝置給同步電動機供電的系統(tǒng)。 （2）自控變頻調速系統(tǒng) 用電動機本身軸上所帶轉子位置檢測器或電動機反電動勢波形提供的轉子位置信號來控制變壓變頻裝置換相時刻的系統(tǒng)。1） 他控變頻同步電動機調速系統(tǒng) 與異步電動機變壓變頻調速一樣，用獨立的變壓變頻裝置給同步電動機供電的系統(tǒng)稱作他控變頻調速系統(tǒng)。（1）轉速開環(huán)恒壓頻比控制的同步電動機群調速系統(tǒng)（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速系統(tǒng)（3）由交-交變壓變頻器供電的大型低速同步電動機調速系統(tǒng) 1、轉速開環(huán)恒

7、壓頻比控制的同步電動機群調速系統(tǒng)，是一種最簡單的他控變頻調速系統(tǒng)，多用于化紡工業(yè)小容量多電動機拖動系統(tǒng)中。系統(tǒng)組成： 多臺同步電動機的恒壓頻比控制調速系統(tǒng) 系統(tǒng)控制： 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 * 同時調節(jié)各臺電動機的轉速。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，緩慢地調節(jié)頻率給定 f * 可以逐漸地同時改變各臺電機的轉速。2、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

8、相。這樣的逆變器稱作負載換流逆變器（Load-commutated Inverter，簡稱LCI）系統(tǒng)組成： 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速系統(tǒng)系統(tǒng)控制：系統(tǒng)控制器的程序包括轉速調節(jié)、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。換流問題：LCI同步調速系統(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。解決方案：這時，須采用“直流側電流斷續(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

9、器換相，換相后再關斷旁路晶閘管，使電流恢復正常。用這種換流方式可使電動機轉速升到額定值的 3%5%，然后再切換到負載電動勢換流。3、另一類大型同步電動機變壓變頻調速系統(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、水泥轉窯等。該系統(tǒng)由交-交變壓變頻器供電，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。系統(tǒng)組成： 由交-交變壓變頻器供電的大型低速同步電動機調速系統(tǒng) 2）自控變頻同步電動機調速系統(tǒng) 基本結構與原理： （1）在電動機軸端裝有一臺轉子位置檢測器

10、BQ，由它發(fā)出的信號控制變壓變頻裝置的逆變器UI換流，從而改變同步電動機的供電頻率，保證轉子轉速與供電頻率同步。自控變頻同步電動機調速系統(tǒng)結構原理圖 （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的分類： 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：

11、無換向器電動機 （多用于帶直流勵磁繞組的同步電機） 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） 永磁同步電機和無刷直流電機機具有定子三相分布繞組和永磁轉子，定子電流與轉子永磁磁通互相獨立，轉矩恒定性好，脈動小，可以獲得很寬的調速范圍，適用于要求高性能的數(shù)控機床、機器人等場合。 目前已廣泛應用于各種領域，如醫(yī)療儀器、過程控制、機床工業(yè)、紡織工業(yè)和輕工機械等。 梯形波永磁同步電動機的自控變頻調速系統(tǒng)： 無刷直流電動機實質上是一種特定類型的同步電動機，調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速。電動勢與電流波形永磁無刷直流電

12、動機的轉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 形圖如下圖所示。eAiAIPEPiAeAOwt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子的電磁功率也是梯形波。梯形波永磁同步電動機的轉矩脈動 實際的轉矩

13、波形每隔60°都出現(xiàn)一個缺口，而用 PWM 調壓調速又使平頂部分出現(xiàn)紋波，這樣的轉矩脈動使梯形波永磁同步電動機的調速性能低于正弦波的永磁同步電動機。梯形波永磁同步電動機的等效電路及逆變器主電路原理圖電壓方程：對于梯形波的電動勢和電流，不能簡單地用矢量表示，因而旋轉坐標變換也不適用，只好在靜止的ABC坐標上建立電機的數(shù)學模型。 當電動機中點與直流母線負極共地時，電動機的電壓方程可以用下式表示 式中 uA、uB 、uC 三相輸入對地電壓 iA、iB 、iC 三相電流 eA、eB 、eC 三相電動勢 Rs定子每相電阻 Ls定子每相繞組的自感 Lm定子任意兩相繞組間的互感由于三相定子繞組對稱

14、，故有 iA + iB + iC = 0則 Lm iB + Lm iC = - Lm iA Lm iC + Lm iA = - Lm iB Lm iA + Lm iB = - Lm iC 代入上式，并整理后得 設梯形波永磁同步電動機的電動勢與電流波形圖中方波電流的峰值為 Ip ，梯形波電動勢的峰值為Ep，在一般情況下，同時只有兩相導通，從逆變器直流側看進去，為兩相繞組串聯(lián)，則電磁功率為 Pm = 2 Ep Ip。忽略電流換相過程的影響，電磁轉矩為 式中p 梯形波勵磁磁鏈的峰值，是恒定值。 由此可見，梯形波永磁同步電動機（即無刷直流電動機）的轉矩與電流成正比，和一般的直流電動機相當。這樣，其控制系統(tǒng)也和直流調速系統(tǒng)一樣，要求不高時，可采用開環(huán)調速，對于動態(tài)性能要求較高的負載，可采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。 無論是開環(huán)還是閉環(huán)系統(tǒng)，都必須具備轉子位置檢測、發(fā)出換相信號、調速時對直流電壓的PWM控制等功能?，F(xiàn)已生產(chǎn)出專