劉錦波電機與拖動第9章三相同步電機的電力拖動課件

第9章三相同步電機的電力拖動內(nèi)容簡介內(nèi)容包括：三相同步電動機的起動、調(diào)速和制動的原理與方法以及同步電動機兩種常用的控制方式：他控和自控方式用途：

主要用于軋鋼、水泥、化纖、輪船推動、電動汽車、磁懸浮火車、伺服與機器人驅(qū)動以及飛機發(fā)動機的起動/發(fā)電設(shè)備等。

優(yōu)點：

運行效率高；轉(zhuǎn)子采用直流勵磁的同步電動機在過勵狀態(tài)下可以改善功率因數(shù)大型MW級的調(diào)速系統(tǒng)大多采用轉(zhuǎn)子直流勵磁同步電動機組成的拖動系統(tǒng)；中、小容量的伺服系統(tǒng)多采用由永磁同步電動機組成的拖動系統(tǒng)。一般應用場合：9.1.1自耦調(diào)壓器的降壓起動圖9.1同步電動機的起動方法

方法介紹：同步電動機的降壓起動方法又稱為異步起動法，它是借助于同步電動機轉(zhuǎn)子主磁極極靴上裝設(shè)的鼠籠繞組（又稱起動繞組或阻尼繞組）來完成起動的。

起動時，首先將轉(zhuǎn)子直流勵磁繞組通過電阻短接，然后再將定子繞組投入到三相電源上。依靠定子旋轉(zhuǎn)磁場和起動繞組中所感應的電流產(chǎn)生類似于感應電機的異步電磁轉(zhuǎn)矩，從而使轉(zhuǎn)子起動。一旦轉(zhuǎn)子接近同步速，再將轉(zhuǎn)子勵磁繞組切換至直流勵磁電源上。利用定、轉(zhuǎn)子之間的磁場相互作用所產(chǎn)生的牽入同步轉(zhuǎn)矩，將轉(zhuǎn)子牽入同步，完成起動。起動過程：起動過程中，要求轉(zhuǎn)子直流勵磁繞組不能開路；以避免因轉(zhuǎn)子勵磁繞組匝數(shù)較多，造成感應電勢較高而引起繞組絕緣擊穿；直流勵磁繞組也不能直接短路；以避免“單軸轉(zhuǎn)矩”的產(chǎn)生；通常起動過程中轉(zhuǎn)子直流勵磁繞組串接一定數(shù)值的電阻起動。一旦接近同步速，再通過轉(zhuǎn)子滑環(huán)和電刷加入直流勵磁，將轉(zhuǎn)子牽入同步。

起動過程中的注意事項：單軸轉(zhuǎn)矩的說明:起動時，定子旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子勵磁繞組中感應轉(zhuǎn)差頻率的電勢和電流;由轉(zhuǎn)差頻率的電流流過單相轉(zhuǎn)子勵磁繞組產(chǎn)生脈振磁勢（或磁場）。該脈振磁勢可分解為兩個相對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為、轉(zhuǎn)向相反的正、負序旋轉(zhuǎn)磁場；負序旋轉(zhuǎn)磁勢在定子繞組中感應電勢（或電流）的頻率為：（9-1）該電流與逆序旋轉(zhuǎn)磁場相互作用即產(chǎn)生“單軸轉(zhuǎn)矩”。顯然，單軸轉(zhuǎn)矩的同步點為：（即）。當時，電磁轉(zhuǎn)矩為驅(qū)動性；當時，電磁轉(zhuǎn)矩為制動性。（見圖9.2）結(jié)論：

單軸轉(zhuǎn)矩有可能造成同步電動機運行在附近而達不到同步速。9.1.2輔助異步電動機的起動選用一臺極數(shù)相同的感應電動機（其容量約為主機的10~15%）作為輔助電動機起動;一旦轉(zhuǎn)子接近同步速，再在轉(zhuǎn)子繞組中加入直流勵磁電流，利用牽入同步轉(zhuǎn)矩將轉(zhuǎn)子牽入同步。起動方法:9.1.3變頻起動起動方法:起動前，首先將同步電動機的轉(zhuǎn)子繞組通以直流勵磁；逐漸增加供電變流器的輸出頻率，使定子旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨之逐漸升高，直至轉(zhuǎn)子達到同步轉(zhuǎn)速為止；切換至電網(wǎng)供電。9.2三相同步電動機的調(diào)速矩角特性機械特性變頻調(diào)速中的兩條特性曲線：下面就以隱極式同步電動機為例說明。9.2.1三相同步電動機變頻調(diào)速時的矩角特性分兩種情況進行討論：1.忽略定子繞組電阻的影響

根據(jù)8.4節(jié)隱極式同步電動機的矩角特性得：

（9-2）式中，為最大電磁轉(zhuǎn)矩。圖9.3隱極式同步電動機的等效電路與相量圖根據(jù)圖9.3，得隱極式同步電動機的電磁功率為：（9-6）設(shè)為參考相位，根據(jù)圖9.3b可知：，。

由圖9.3a得：由上式得：

令，并將上式代入式（9-6）可得：

電磁轉(zhuǎn)矩為：

（9-7）根據(jù)上式便可繪出三相隱極式同步電動機考慮定子繞組電阻時的矩角特性曲線如圖9.4中的實線所示。圖9.4隱極式同步電動機的矩角特性曲線結(jié)論：

考慮定子繞組電阻后，最大轉(zhuǎn)矩有所減小，最大電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)時的臨界功率角有所減小。

一般結(jié)論：

在采用的變頻調(diào)速過程中，必須增加低頻時的壓頻比，以補償?shù)皖l時因定子繞組電阻所引起的最大電磁轉(zhuǎn)矩下降，確保過載能力保持不變。9.2.2三相同步電動機變頻調(diào)速時的機械特性分兩種情況進行討論：1.忽略定子繞組電阻的影響根據(jù)式（9-5）可知：若采用恒壓頻比控制即，則最大電磁轉(zhuǎn)矩

保持不變。考慮到同步電動機的轉(zhuǎn)速與定子頻率之間符合嚴格的同步關(guān)系，于是，隱極式同步電動機的機械特性可用圖9.6表示之。考慮到，根據(jù)上式便可以得到考慮定子繞組電阻時隱極式同步電動機的機械特性曲線如圖9.7所示。圖9.7同步電動機變頻調(diào)速時的機械特性（）結(jié)論：

對于實際同步電動機，低頻（或低速）時，由于定子繞組電阻的影響，最大電磁轉(zhuǎn)矩將有所降低。為了補償這一影響，應在低頻運行時適當增加壓頻比。9.3三相同步電動機的制動9.3.1電網(wǎng)供電同步電動機的制動

圖9.9a、b分別給出了同步電動機三相定子繞組外接電阻和頻敏變阻器進行能耗制動時的接線圖。圖9.9同步電動機能耗制動時的接線圖圖9.10同步電動機能耗制動時的機械特性

由圖9.10可以看出：改變轉(zhuǎn)子直流勵磁電流的大小可以改變制動性電磁轉(zhuǎn)矩的大小，進而調(diào)整制動時間的長短。圖9.10給出了同步電動機能耗制動時的機械特性。用途:

適合于中小功率的交流拖動系統(tǒng)，如伺服系統(tǒng)、數(shù)控機床以及工業(yè)機器人的驅(qū)動等。2.再生(或回饋)制動圖9.12變流器供電下交流電機再生制動原理的示意圖再生制動將來自負載的機械能經(jīng)過逆變器(工作在整流狀態(tài))首先轉(zhuǎn)換為直流側(cè)的電能,然后再經(jīng)過PWM整流器(工作在逆變狀態(tài))逆變?yōu)榻涣?并回饋至電網(wǎng)。。

用途:

適用于需要經(jīng)常實現(xiàn)四象限運行的大功率交流拖動系統(tǒng)。

9.4三相同步電動機的控制方式兩種主要控制方式：

他控式（頻率開環(huán)的控制方式

）；自控式（頻率閉環(huán)的控制方式

）；9.4.1他控式同步電動機特點：他控式同步電動機是通過獨立控制外部供電變流器的頻率來控制同步電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的，勿需提供轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（或位置）的信息。

對于他控式同步電動機，為確保定子磁鏈保持不變，經(jīng)常采用恒壓頻比控制即的開環(huán)控制方案。

圖9.13給出了他控式同步電動機的系統(tǒng)框圖。圖9.14給出了他控式同步電動機的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線。圖9.13他控式同步電動機的（或開環(huán)控制）示意圖圖9.14采用電壓/頻率比控制的他控式同步電動機的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線9.4.2自控式同步電動機組成框圖：圖9.15自控式同步電動機與直流電動機的相似性特點：自控式同步電動機定子各相繞組電流的通斷以及各相繞組電流的大小受控于自身轉(zhuǎn)子的位置。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高，則定子通電頻率越高。且定子繞組的通電頻