無換向器電動機調速系統(tǒng)演示文稿

無換向器電動機調速系統(tǒng)演示文稿09六月2023當前第1頁\共有43頁\編于星期日\3點優(yōu)選無換向器電動機調速系統(tǒng)當前第2頁\共有43頁\編于星期日\3點09六月2023第一節(jié)無換向器電動機的基本工作原理一、概述（一）同步電動機同步電動機由定子和轉子兩部分組成。

定子結構與異步電動機相同，只要通入對稱的交流電，就會建立旋轉磁場，旋轉磁場速度表達式與異步機相同。

同步電動機的轉子則除了鐵心和繞組之外，還另外通有直流勵磁電源，使轉子本身有規(guī)律排列的N、S磁極，因此，當旋轉磁場旋轉時，會帶動轉子的對應磁極一起旋轉。

穩(wěn)定運行時，轉子轉速與旋轉磁場相同，被稱為同步電動機。當前第3頁\共有43頁\編于星期日\3點4

同步電動機在同步運行時，轉子跟著旋轉磁場等速旋轉、空間相對位置穩(wěn)定，這時的轉子、定子空間角度關系如右圖所示。輕載下θ角較小，滿載時θ角較大。同步電動機的拖動轉矩與θ角成函數(shù)關系，θ角太小或太大都會造成拖動力矩不足。在額定工況下，θ角一般在300左右。當前第4頁\共有43頁\編于星期日\3點09六月2023（二）同步電動機與異步電動機的區(qū)別同步電動機轉速異步電動機異步電動機的氣隙是均勻的，而同步電動機則有凸級式和隱極式之分。凸極式的氣隙不均勻，直軸磁阻小，交軸磁阻大，因而會產生磁阻轉矩分量，造成數(shù)學模型上的復雜性。轉子結構與異步電動機不同，異步電動機的轉子只有鐵心和閉合繞組（或導條），沒有勵磁繞組，而同步電動機的轉子則除了鐵心和繞組之外，還另外通有直流勵磁電源。當前第5頁\共有43頁\編于星期日\3點09六月2023異步電動機總是在滯后的功率因數(shù)下運行。而同步電動機的功率因數(shù)可用勵磁電流來調節(jié)，可以滯后，也可以超前。-----優(yōu)點同步電動機轉子有獨立勵磁，在極低的電源頻率下也能運行，因此在同樣條件下，同步電動機的調速范圍比異步電動機更寬。----優(yōu)點異步電動機要靠加大轉差才能提高轉矩，而同步電動機只須加大功角就能增大轉矩，同步電動機比異步電動機對轉矩擾動具有更強的承受能力，能獲得更快的動態(tài)轉矩響應。-----優(yōu)點轉速恒定功率因數(shù)可調，可使功率因數(shù)提高到1.0，甚至超前。在一個工廠里，只需要一臺或幾臺大容量設備采用同步電動機，就足以改善全廠的功率因數(shù)。同步電動機突出優(yōu)點：起動費事，重載時有振蕩乃至失步的危險。突出問題：當前第6頁\共有43頁\編于星期日\3點常用方法：“異步起動法”－－在同步電動機的轉子磁極的極靴上裝設阻尼繞組，阻尼繞組所起的作用與異步電動機的籠型繞組類似，同步電動機起動時靠阻尼繞組的感應電流受力實現(xiàn)異步起動。在升速、降速過程中，阻尼繞組還可以起到抑制振蕩的作用。異步起動的基本步驟起動前將勵磁繞組串入一適當大小的電阻（串電阻是為了避免過高的自感電勢）后閉合，使轉子暫時不產生同步磁極；按照電動機的容量、負載性質和電源的情況，采取直接起動或降壓起動，將同步電動機作為一臺異步電動機而起動；當電動機轉速接近同步轉速時，將直流電流送入勵磁繞組，從而產生同步轉矩將電動機牽入同步運行。（三）同步電機的起動當前第7頁\共有43頁\編于星期日\3點09六月2023自控式變頻調速：用電動機軸上所帶的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)。它控式變頻調速：用獨立的變壓變頻裝置給同步電動機供電的系統(tǒng)。（四）同步電動機的調速方法當前第8頁\共有43頁\編于星期日\3點

對它控式變頻調速的評價優(yōu)點：在多臺參數(shù)一致的小容量同步電動機需要同時起動、同時調速的場合，采用一臺變頻器控制多臺小電動機，系統(tǒng)對各臺電動機的供電頻率相同，供電電壓也相同，易于群控。缺點：如果一臺電動機出現(xiàn)失步，將影響整個群控系統(tǒng)的正常工作。振蕩和失步問題并未解決。當前第9頁\共有43頁\編于星期日\3點10對自控式變頻調速的評價

優(yōu)點：在同步電動機中安裝了轉子位置檢測器BQ，根據(jù)轉子的實際位置來控制變頻器的供電頻率，保證定子旋轉磁場的轉速與轉子磁極的轉速始終處于同步狀態(tài)。

避免了它控式同步電動機變頻調速系統(tǒng)運行中會失步的缺點。當前第10頁\共有43頁\編于星期日\3點

無換向器電動機屬于一種自控式同步電動機，它由磁極位置檢測器、同步電動機和半導體變頻器共同組成電動機系統(tǒng)。

根據(jù)所用的變頻器型式不同，可分為直流無換向器電動機系統(tǒng)(即交-直-交電動機系統(tǒng))和交流無換向器電動機系統(tǒng)(即交-交電動機系統(tǒng))。（五）無換向器電動機當前第11頁\共有43頁\編于星期日\3點無換向器電動機綜評（一）保證了逆變器的輸出電源的頻率和電動機轉速能保持同步。是區(qū)別于其他同步電動機的最顯著的結構特點。

（二）具有直流電動機的調速特性，但是沒有換向器，可以做成無接觸式。

（三）和異步電動機一樣，具有結構簡單、不需要經常維護和檢修等優(yōu)點。它既可以用作直流調速，也可以用作交流調速。

（四）無換向器電動機調速系統(tǒng)具有同步電動機的效率高、功率因數(shù)可調等優(yōu)點，特別是大容量低轉速時更為突出，并且沒有同步電動機的啟動困難、重載時易振蕩失步等問題，因而得到廣泛的應用。當前第12頁\共有43頁\編于星期日\3點13（一）無換向器電動機的類型按容量不同

晶體管電動機晶閘管電動機低壓小容量電動機，逆變器不存在換流問題可顯著簡化電動機的控制方法大功率電動機，逆變器存在換流問題晶閘管耐壓高，電流容量大，價格也相對較低二、無換向器電動機的工作原理當前第13頁\共有43頁\編于星期日\3點交-直-交控制系統(tǒng)無換向器電動機主回路結構當前第14頁\共有43頁\編于星期日\3點交-交控制系統(tǒng)無換向器電動機主回路結構當前第15頁\共有43頁\編于星期日\3點（二）直流無換向器電動機的工作原理從磁場的觀點看，電動機的運動是主磁場和電樞磁場相互作用的結果。直流電動機：主磁場在空間是靜止的，電樞是旋轉的，通過整流子及電刷換向，保持電樞電流方向不變，使電樞磁場與主磁場在空間的相互位置不變，夾角φ=90°；如圖（a）異步電動機：定子磁場與轉子磁場在空間的位置也不變，從空載到額定負載，由于轉子cosφ2變化大，磁場夾角φ近于90°。如圖（b）同步電動機：穩(wěn)定運行時，φ角隨負載而變化，空載時φ＝0°，負載愈大φ愈大，當φ超過60°以后，將失步停轉，啟動時由于沒有恒定φ角，所以沒有啟動轉矩。如圖（c）當前第16頁\共有43頁\編于星期日\3點AXYCBZFF（a）（b）（c）當前第17頁\共有43頁\編于星期日\3點無換向器電動機調速的控制對象是同步電動機，但是從它的工作原理和運行特性來看，和直流電動機是相似的，因此，我們從直流電動機的基本原理出發(fā)來討論其工作原理。可見，兩磁場之間的關系，很大程度上決定了電動機的運行性能。直流無換向器電動機相當于有三個換向片的直流電動機，只不過換向是由晶閘管(或晶體管)來進行，因結構上的限制，電樞繞組及變流器靜止不動，而磁極是旋轉的，如圖所示。當前第18頁\共有43頁\編于星期日\3點圖4-4從直流電動機到無換向器電動機的轉化

(a)電樞旋轉

(b)磁極旋轉

(c)無換向器電動機

圖(a)為直流電動機電樞依次轉過60°的幾個位置的情形，根據(jù)運動的相對性，可以認為電樞和換向器在空間固定不動，磁極和電刷一起向相反方向依次轉過60°，電樞中各導體的電流不變，如圖(b)所示。進一步將機械的換向器用半導體“開關”來代替，并依次觸發(fā)相應的晶閘管，如圖4-4(c)所示，順次地使晶閘管6、1→1、2→2、3→3、4→4、5→5、6→6、1導通，則磁極(轉子)也將會依次轉過60°。

當前第19頁\共有43頁\編于星期日\3點從磁場角度分析電動機運動情形:當晶閘管6、1導通時，電流從電源正極→晶閘管1→A相繞組→B相繞組→晶閘管6→電源負極此時勵磁磁場F0與電樞磁場Fa夾角為120°，如圖4-4(c)①中Fa所示，轉子向順時針方向旋轉；當轉子轉到F01位置時，F(xiàn)01與Fa的夾角為90°，電動機產生的轉矩最大。轉子繼續(xù)旋轉，當達到F02位置即夾角為60°時，通過控制電路，觸發(fā)晶閘管2使其導通，同時關斷晶閘管6；

電樞電流轉換為從電源正極→晶閘管1→A相→c相→晶閘管2→電源負極；

Fa轉過60°，變成圖4-4(c)中②所示情形，此時F0與Fa的夾角又變?yōu)?20°，如此重復進行，則電動機轉子連續(xù)旋轉。由上所述，由于轉子磁極是連續(xù)旋轉的，而決定電樞電流流向的晶閘管元件為每隔60°切換一次，因此，電樞磁勢Fa每次步進60°，而Fa和F0之間也就保持在120°～60°范圍內(即圍繞正交時的90°)變化，而轉矩也就圍繞最大值脈動。當前第20頁\共有43頁\編于星期日\3點綜上所述，具有三個換向片的直流電機的勵磁磁場F0空間固定不變，而電樞磁場連續(xù)旋轉且每隔60°步進一次，與勵磁磁場夾角是在60°～120°范圍變化，電動機的電磁轉矩將在最小值和最大值之間變化；而無換向器電動機的勵磁磁場在空間連續(xù)旋轉，電樞磁場Fa作步進式的旋轉，F(xiàn)a和F0之間的空間矢量關系也在60°～120°之間變化，而兩種電機的Fa始終領先于F0，因此電動機連續(xù)旋轉。無換向器電動機與直流電動機對比當前第21頁\共有43頁\編于星期日\3點可以看出，晶閘管的導通時間是120°電角度，關斷時間是60°電角度，而每轉過60°電角度就有一只晶閘管換流。為此要求隨轉子的旋轉，周期性地觸發(fā)或關斷相應的晶閘管，才能使得電樞磁場和勵磁磁場保持同步。此任務一般采用位置檢測器來完成。表4-2反轉時電樞電流方向與晶閘管導通順序表4-1正轉時電樞電流方向與晶閘管導通順序當前第22頁\共有43頁\編于星期日\3點直流無換向器電動機的原理圖電動機定子電樞換流是直接由轉子轉速控制的，電動機速度降低時，電樞磁場和勵磁磁場(轉子)相對位置關系保持不變，電動機不會失步。這就是自控式同步電動機的特點。

無換向器電動機又稱為頻率自控的同步電動機。當前第23頁\共有43頁\編于星期日\3點（三）

交流無換向器電動機的工作原理交流式和直流式中各相電樞繞組電流的導通順序相同。在變頻器中，每一組三相零式電路的晶閘管導通信號由轉子磁極的位置來決定。轉子位置檢測器發(fā)出的γ信號，由它決定該導通的晶閘管組；還應根據(jù)三相電源的相位來判斷每一組零式電路究竟由哪一只晶閘管導通，此信號稱為α信號。α信號與γ信號的合成決定了導通的組以及組中的晶閘管元件。當前第24頁\共有43頁\編于星期日\3點晶閘管在電動機正轉時的導通過程當前第25頁\共有43頁\編于星期日\3點（一）

反電勢換流法設在換流以前晶閘管VT1、VT2導通，如圖所示。電流經由晶閘管VT1→A相繞組→C相繞組→晶閘管VT2流通。

當電流由晶閘管VT1轉移到晶閘管VT3時，可以利用電動機反電勢自然換流，其條件是eA＞eB。即換流的時刻應比A、B二相電壓(反電勢)波形的交點K適當提前一個換流超前角γ。若在這時由轉子位置檢測器所產生的觸發(fā)信號使晶閘管VT3導通，則在晶閘管VT1、VT3和電動機A、B二相繞組之間會出現(xiàn)一個短路電流iSL，其方向如圖4-8(a)中箭頭所示。當這個短路電流iSL達到原來通過晶閘管VT1的負載電流Id時，晶閘管VT1就因流過的實際電流下降至零而關斷，負載電流就由VT1全部轉移到晶閘管VT3，U、V兩相之間的換流過程就此結束。如若換流的時刻不是發(fā)生在提前于K的時刻，而是滯后于是K點，即觸發(fā)角γ為負。這時由于uB>uA，在晶閘管VT1、VT3和電動機兩相繞組之間可能再現(xiàn)的短路環(huán)流iSL的方向，將與圖4-8所示的相反，這個電流阻止晶閘管VT3導通，而使晶閘管VT1繼續(xù)通電，因此就不能實現(xiàn)換流的目的。三.無換向器電動機逆變器的換流當前第26頁\共有43頁\編于星期日\3點利用反電勢自然換流，不需要增加什么換流輔助設備，比較經濟。但在具體實現(xiàn)時要解決以下兩個方面的問題:(1)無換向器電動機利用反電勢進行換流時，晶閘管之間的換流要保證有足夠的時間。為了保證可靠換流，通常要求實際的換流超前角至少應保持在10°～15°之間。要滿足這個要求，可增大空載時的換流超前角γ0或限制電動機的最大瞬時負載，也可以采用空載換流超前角γ0隨負載而調節(jié)的辦法。(2)電動機在起動和低速運轉時反電勢很小，換流不可能，為此，利用反電勢換流的無換向器電動機還必須另想辦法解決起動和低速運轉問題。解決的辦法有二：一是采用所謂電流斷續(xù)法換流，一是利用電網(wǎng)電源換流。后一種只適用于交-交系統(tǒng)。當前第27頁\共有43頁\編于星期日\3點（二）

電流斷續(xù)換流法基本原理：當晶閘管需要換流時，先設法使逆變器的直流輸入電流下降到零，迫使逆變器的所有晶閘管全部暫時關斷，然后再給需要導通的晶閘管發(fā)脈沖使之導通，實現(xiàn)所需要的換流過程。電流斷續(xù)換流法的主電路當前第28頁\共有43頁\編于星期日\3點29

通常采用的斷流方法是封鎖電源或讓整流橋暫時進入有源逆變狀態(tài)，實現(xiàn)直流乃至電機電流的短時間斷流。斷流時因為直流平波電抗器中的電流不能突變，可觸發(fā)晶閘管VT0進行暫時續(xù)流，該管子在整流、逆變橋之間的電流恢復流通時，會被反向電壓自動關斷。

應用：起動和低速下使用。在轉速升高到額定轉速的10%左右，切換至反電勢換流電流斷續(xù)換流法就是晶閘管逆變器常用一種的既簡單又經濟的強迫換流方法。當電動機采用電流斷續(xù)法換流時，電動機側逆變器的空載換流超前角γ0對換流已不起決定性作用。為了增大起動轉矩，減小轉矩脈動，一般取γ0＝0°。當電動機進入高速運轉階段時，γ0則根據(jù)負載進行控制，電動機采用反電勢換流法。當前第29頁\共有43頁\編于星期日\3點(三）電源換流法

在無換向器電動機交—交系統(tǒng)中，在電動機起動和低速運行時，由于電動機側的頻率低，在電動機側一相通電的過程中，電源側往往要經歷幾次換流過程。交-交系統(tǒng)依靠電源換流的方式只適用于系統(tǒng)在低頻工作的情況，用以解決電動機在起動和低速運行時的換流問題。當電動機達到稍高轉速時，通過控制電路，可以使電動機進入反電勢換流運行方式。下面以圖所示的無換向器電動機中晶閘管VTrl到VTr3和VTs3的換流過程為例來討論這一問題。當前第30頁\共有43頁\編于星期日\3點換流以前的狀態(tài)是VTrl和VTt2,導通?，F(xiàn)在在VTr3的控制極上加觸發(fā)信號。如果換流超前角選擇得當，且電動機在高速運行，則可利用反電動勢完成自然換流過程。如果電動機運行在起動或低速狀態(tài)下，則ea≈0，eb≈0，反電動勢eab不可能產生足夠的換向電流，使VTr1的電流下降至零。在VTr3觸發(fā)時不能使VTr1關斷，于是出現(xiàn)了VTr1繼續(xù)導電的情況。但這個連續(xù)導電的情況最多只能持續(xù)至相當于三分之一電源周期的時間，在此之后，VTs3就會觸發(fā)導通。由于電源側工作在整流狀態(tài)，VTs3觸發(fā)導通時必然es>eR。在電動勢eSR=eS－eR的作用下，一方面在電源S相、VTs3、VTr3和電源R相中形成環(huán)流isc，使VTs3通，VTr3關斷，如圖a所示；另一方面，它也在電源R和S二相、VTs3、電動機繞組b、a二相及VTrl之間產生環(huán)流isL，如圖所示。這一環(huán)流將VTrl中的電流下降至零，使其關斷，從而完成電流由a相過渡到b相的換流過程。當前第31頁\共有43頁\編于星期日\3點第二節(jié)無換向器電動機的基本特性（一）定子一相(例如U相)繞組中通一持續(xù)直流電流時

在這個電流和轉子磁場作用之下所產生的轉矩也將隨轉子位置的不同而按正弦規(guī)律變化，如圖所示。一、無換向器電動機的電磁轉矩但在無換向器電動機中，實際上每相繞組中通過的不是持續(xù)的直流電流，而是只通電1/3周期。那么在每個相電流和轉子磁場作用下所產生的轉矩也只是正弦轉矩曲線上相當于1/3周期長的一段。且這一段曲線與繞組開始通電時的轉子相對位置有關。當前第32頁\共有43頁\編于星期日\3點（二）分析三相半波接法時的情況顯然，在圖(a)中所示瞬間觸發(fā)晶閘管，從產生轉矩的角度看來最為有利。因為在這種情況下，在繞組通電120°區(qū)間里，載流導體正好處在比較強的磁場中，它所產生的轉矩平均值最大，脈動小。習慣上把這一點作為晶閘管觸發(fā)相位的基準點，定為γ0=0°。在γ0＝0°的情況下，電動機三相繞組通電所產生的總轉矩如圖（b)所示。若晶閘管的觸發(fā)時間提前或延后，均將導致轉矩的脈動增加，平均值減小。當γ0＝30°時，電動機的瞬時轉矩過零點，這會在電動機起動時出現(xiàn)死點，因此在三相半波接法的情況下，特別是在啟動時，γ0值不能大于30°。當前第33頁\共有43頁\編于星期日\3點（三）分析三相橋式接法時的情況在采用三相橋式逆變器時每相導通180°，由于任何一個瞬間在三相繞組中有一相通過正向電流，而另一相通過反向電流。這兩個電流分別產生轉矩的情況和上述三相半波接法時相同，只不過每相正負電流產生的轉矩在時間上要相差180°，如圖(a)所示；電動機的合成轉矩是這兩個轉矩之和，在γ0=0°的轉矩曲線，如圖(b)所示；在γ0＝60°時的轉矩如圖(c)所示。當前第34頁\共有43頁\編于星期日\3點三相橋式接法與半波接法相比，可以得出：

①三相橋式接法轉矩較大，脈動較??；②橋式接法時，γ0角增大到60°時，轉矩曲線才過零點，三相半波在γ0=30°時轉矩曲線過零點。當前第35頁\共有43頁\編于星期日\3點（四）無換向器電動機的電磁轉矩公式根據(jù)同步電機理論可以推出無換向器電動機的電磁轉矩公式有如下的形式

式中，Ct為基本轉矩系數(shù)，I1m為電動機電樞電流的基波分量；CR為反應轉矩系數(shù)；為轉子勵磁所產生的定子磁鏈；Ld、Lq為電動機的直軸電感和交軸電感；γ0為空載換流超前角，它與電動機的功率因數(shù)角φ的關系為

當前第36頁\共有43頁\編于星期日\3點當電動機的直軸電感和交軸電感相等時，即在圓周方向上電動的磁阻是均勻的，則電動機的反應電磁轉矩為零，只有基本電磁轉矩?；蛘咴诓挥嫇Q流重疊角μ時，使空載換流超前角γ0為零，則CR=0，反應電磁轉矩為零，電動機的基本電磁轉矩就是其總的電磁轉矩。在這兩種情況下，無換向器電動機的電磁轉矩公式與直流電動機的電磁轉矩公式具有相同的形式，從而也就是具有相同的特性。實際上采用具有自關斷能力的器件構成的無換向器電動機很容易做到γ0＝0，從而使整個電動機系統(tǒng)達到與直流電動機相同的機械特性與控制性能。所以，隨著電力電子技術和計算機控制技術的不斷發(fā)展和應用，無換向器電動機將在許多領域得以應用并逐步取代傳統(tǒng)的有刷直流電動機。當前第37頁\共有43頁\編于星期日\3點（一）負載換相同步電動機的調速特性

二、無換向器電動機基本特性當前第38頁\共有43頁\編于星期日\3點39負載換相同步電動機的速度表達式

和直流電動機的轉速公式十分類似。由以上轉速公式可以看出，改變和均可以對負載換相同步電動機進行調速，即負載換相同步電動機有調壓調速和調勵磁調速兩種方法。當然換相超前角的變化對速度也會有影響，但換相超前角

一般隨負載變化而調節(jié)，主要考慮在運行中的安全換流問題，不用作速度調節(jié)。當前第39頁\共有43頁\編于星期日\3點40（二）負載換相同步電動機的機械特性

取并忽略換流重疊角，負載換相同步電動機的近似機械特性表達式為：

結論:負載換相同步電動機的機械特性曲線與直流電動機的機械特性表達式相似。它有著良好的運行特性和伺服控制性能。注意：在接近堵轉時，機械特性曲線出現(xiàn)了非線性區(qū)域，這是由于整個系統(tǒng)的非線性在接近堵轉時所表現(xiàn)出來的。當前第40頁\共有43頁\編于星期日\3點（三）無換向器電動機的過載能力（1）利用反電動勢換流的無換向器電動機的一個突出問題是其過載能力受到逆變器換