同步電機(jī)變頻調(diào)速

1、同步電機(jī)變頻調(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。同步電動(dòng)機(jī)也是一種交流電機(jī)。既可以做發(fā)電機(jī)用，也可做電 動(dòng)機(jī)用，過(guò)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)恒速負(fù)載或用于改善功率因數(shù)的場(chǎng)合。在恒定頻率下運(yùn)行 的大型同步電動(dòng)機(jī)又存在著容易發(fā)生失步和振蕩的危險(xiǎn)，以及起動(dòng)困難等問(wèn)題。因此，在沒(méi)有變頻電源的情況下，很難對(duì)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(lái)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就絕對(duì)不變。采用電力電子裝置實(shí)現(xiàn)電壓-頻

2、率協(xié)調(diào)控制，改變了同步電動(dòng)機(jī)歷來(lái)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)振蕩或失步等問(wèn)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(wèn)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)高到 1.0，甚至超前。存在的問(wèn)題：（1）起動(dòng)困難；（2）重載時(shí)有振蕩，甚至存在失步危險(xiǎn)。問(wèn)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(duì)于起動(dòng)問(wèn)題：通過(guò)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(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)。對(duì)于振蕩和失步問(wèn)題：可采用頻率閉環(huán)控制，同步轉(zhuǎn)速可以跟著頻率改變，于是就不會(huì)振蕩和失步了。同步電機(jī)和其它類型的旋轉(zhuǎn)電機(jī)一樣，由固定的定子和可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子兩大部分組成。

3、下圖給出了最常用的同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)模型，其定子鐵心的內(nèi)圓均勻分布著定子槽，槽和繞組又稱為電樞鐵心和電樞繞組。楚孑氓想勵(lì)磁纜姐內(nèi)嵌放著按一定規(guī)律排列的三相對(duì)稱交流繞組。這種同步電機(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組。楚孑氓想勵(lì)磁纜姐圖中用AX、BY、CZ三個(gè)在空間錯(cuò)開(kāi)120電角度分布的線圈代表三相對(duì)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)，在不要求調(diào)速的場(chǎng)合庖用大型同步電動(dòng)機(jī)可以提高 運(yùn)行效率。近年來(lái)，小型同步電動(dòng)機(jī)在變頻調(diào)速系統(tǒng)中開(kāi)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)磁來(lái)調(diào)節(jié)它的功

4、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)作為同步補(bǔ)償機(jī)。這時(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)出所需的感性或者容性無(wú)功功率以達(dá)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(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速3與定子電源頻率f有確定的關(guān)系同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差3s = 0。異步電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)僅靠定子供電產(chǎn)生，而同步電動(dòng)機(jī)除定子磁動(dòng)勢(shì)外，轉(zhuǎn)子側(cè)還 有獨(dú)立的直流勵(lì)磁，或者用永久磁鋼勵(lì)磁。目前采用的直流勵(lì)磁方式分為兩大類：一類是用直流發(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置將交流轉(zhuǎn)化成直流后供給勵(lì)磁的整

5、流器勵(lì)磁系統(tǒng)。同步電動(dòng)機(jī)的氣隙有隱極與凸極之分。凸極式轉(zhuǎn)子上有明顯凸出的成對(duì)磁極和勵(lì) 磁線圈。如對(duì)水輪發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，由于水輪機(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)工藝上較為簡(jiǎn)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(méi)有凸出的磁極，氣隙均勻。凸極式則不均勻，兩軸的電感系_ 2兀f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p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(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的直流勵(lì)磁電流，改變輸入功率因數(shù)，可以滯后，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

6、動(dòng)機(jī)比異步電動(dòng)機(jī)具有更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，在同樣的條件下，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：（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(dòng)機(jī)供電的系統(tǒng)。（2 ）自控變頻調(diào)速系統(tǒng)用電動(dòng)機(jī)本身軸上所帶轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器或電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)波形提供的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)來(lái) 控制變壓變頻裝置換相時(shí)刻的系統(tǒng)。1 ）他控變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)與異步電動(dòng)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(dòng)機(jī)供電的系統(tǒng)稱作 他控變頻調(diào)速系統(tǒng)。（1）轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)恒壓頻比控制的同步電動(dòng)機(jī)群調(diào)速系統(tǒng)（2 ）由交-直-交電流型負(fù)載換流變壓變頻器供電的同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（3 ）由交-交變壓變頻器供電的大型低速同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

7、1、轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)恒壓頻比控制的同步電動(dòng)機(jī)群調(diào)速系統(tǒng)，是一種最簡(jiǎn)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(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)中。系統(tǒng)組成：永雄或磁 肌式同步 電動(dòng)機(jī)群永雄或磁 肌式同步 電動(dòng)機(jī)群系統(tǒng)控制：PWM變壓變S（器多臺(tái)同步電動(dòng)機(jī)的恒壓務(wù)頁(yè)比控制調(diào)速系統(tǒng)多臺(tái)永磁或磁阻同步電動(dòng)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(hào)f*同時(shí)調(diào)節(jié)各臺(tái)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。帶定子壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制保證了同步電動(dòng)機(jī)氣隙磁通恒定緩慢地調(diào)節(jié)頻率 給定f*可以逐漸地同時(shí)改變各臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。2、對(duì)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(dòng)機(jī)

8、供電時(shí)更簡(jiǎn)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)電動(dòng)勢(shì)實(shí)現(xiàn)換相。這樣的逆變器稱作負(fù)載換流逆變器（Load-commutated Inverter，簡(jiǎn)稱LCI）由交-直-交電流型負(fù)載換流變壓變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，F(xiàn)BS是測(cè)速反饋 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。換流問(wèn)題：LCI同步調(diào)速系統(tǒng)在起動(dòng)和低速時(shí)存在換流問(wèn)題：低速時(shí)同步電動(dòng)機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不夠大，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(shì)為零，根本就無(wú)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

9、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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升到額定值的3%5%用這種換流方式可使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升到額定值的3%5%，然后再切換到負(fù)載電動(dòng) 勢(shì)換流。三三勵(lì)靈電源于低速的電力拖動(dòng)，例如無(wú)齒輪傳于低速的電力拖動(dòng)，例如無(wú)齒輪傳3、另一類大型同步電動(dòng)機(jī)變壓變 參舞輸人-控制器 動(dòng)的可逆軋機(jī)、礦井提升機(jī)、水泥轉(zhuǎn)窯等該系統(tǒng)由交-交變壓變頻器供電，其輸出頻率為2025Hz （當(dāng)電網(wǎng)頻率為50Hz時(shí)），對(duì)于一臺(tái)20極的同步電動(dòng)機(jī)，同步轉(zhuǎn)速為120150r/min，直接用來(lái)拖動(dòng)軋鋼機(jī)等設(shè)備是很合適的，可以省去龐大的齒

10、輪傳動(dòng)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(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)2）自控變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與原理：（1）在電動(dòng)機(jī)軸端裝有一臺(tái)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)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，從而改變同步電動(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)構(gòu)原理圖（2 ）從電動(dòng)機(jī)本身看，它是一臺(tái)同步電動(dòng)機(jī)，但是如果把它和逆變器UI轉(zhuǎn)子位置檢自控變頻同步電動(dòng)機(jī)的分類:自控變頻同步電動(dòng)機(jī)在其開(kāi)發(fā)與發(fā)展的過(guò)程中，曾采用多種名稱，有的至今仍習(xí)慣性地 使用著，它們是：無(wú)換向器電動(dòng)機(jī) （多用于帶直流勵(lì)磁繞組的同步電機(jī)） 三相永磁同步電動(dòng)機(jī)（輸入正弦波電流時(shí)） 無(wú)刷

11、直流電動(dòng)機(jī)（采用方波電流時(shí)）永磁同步電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)機(jī)具有定子三相分布繞組和永磁轉(zhuǎn)子，定子電流與轉(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，適用于要求高性能的 數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等場(chǎng)合。目前已廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，如醫(yī)療儀器、過(guò)程控制、機(jī)床工業(yè)、紡織工業(yè)和輕工機(jī)械梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)： 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)實(shí)質(zhì)上是一種特定類型的同步電動(dòng)機(jī)，調(diào)速時(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(shì)與電流波形永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極采用瓦形磁鋼，經(jīng)專門的磁路設(shè)計(jì)，可獲得梯形波的氣 隙磁場(chǎng)，定子采用集中整距繞組，因而感

12、應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)也是梯形波的。由逆變器提供與電動(dòng)勢(shì)嚴(yán)格同相的方波電流，同一相（例如A相）的電動(dòng)勢(shì)eA和電流 波iA形圖如下圖所示。梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)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(jìn)行控制，比各種交VT師的轉(zhuǎn)矩波形每 波址樣的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)使 vt4VT&vt5隔60。都出現(xiàn)一個(gè)缺口，而用梯形波永磁同之I VT6vt2現(xiàn)紋B動(dòng)步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能脈動(dòng)調(diào)壓電壓方程： 對(duì)于梯形波的電動(dòng)勢(shì)和電流，不能簡(jiǎn)單地用矢量表示，因而旋轉(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)的數(shù)學(xué)模型。當(dāng)電動(dòng)機(jī)中點(diǎn)與直流母線負(fù)極共地時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電壓方程可以用下式表示式中uA、uB 、

13、uC 三相輸入對(duì)地電壓iA、iB 、iC 三相電流eA、eB 、eC 三相電動(dòng)勢(shì)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(duì)稱，故有iA + iB+ iC= 0Lm iB + Lm iCLmiC + Lm iA= - Lm iBLm iA+ Lm iB代入上式，并整理后得設(shè)梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)與電流波形圖中方波電流的峰值為 Ip ，梯形波電動(dòng)勢(shì)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 = 2 Ep Ip。忽略電流換相過(guò)程的影響，電磁轉(zhuǎn)矩為uAuBuCRuAuBuCR00sL - Lsm0

14、 L - L一j m00式中叫一梯形波勵(lì)磁磁鏈的峰值，是恒定值:iAiBi由此可見(jiàn)，梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)（即無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)）的轉(zhuǎn)矩與電流成正比C和一般eAeBeC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)速系統(tǒng)一樣，要求不高時(shí)，可采用開(kāi)環(huán)調(diào)速，對(duì)于動(dòng)態(tài)性 能要求較高的負(fù)載，可采用雙閉環(huán)控制E系統(tǒng)。T = m = p_p p = 2n 屮 I無(wú)論是開(kāi)環(huán)還是閉環(huán)系統(tǒng)，都必須具備轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)、發(fā)出換相信號(hào)、調(diào)速時(shí)對(duì)直流電np壓的PWM控制等功能?，F(xiàn)已生產(chǎn)出專用的集成化芯片，比如：MC33033、MC33035等。不考慮換相過(guò)程及PWM波等因素的影響，當(dāng)主電路原理圖中的VT1和VT6導(dǎo)通時(shí)，A、B兩相導(dǎo)通而C相關(guān)斷，則可得無(wú)刷直