7章同步电动机变压变频调速系统

将式（7.4）两边除以机械角速度 ωm=ωs/np，得电磁转矩 3n U E 3n U x x
Te
p s s
s xd
sin
p
2 sLeabharlann dq2 s xd xq
sin 2
（7-5）
式（7.5）凸极同步电动机的电磁转矩由两部分组成，第1部分由转子磁动 势产生，是同步电动机的主转矩；第2部分由于磁路不对称产生，称作磁 阻反应转矩。按式（7.5）可绘出凸极同步电动机的转矩角特性，如图7-2 所示。由于磁阻反应，转矩正比于sin2 ，使其最大转矩位置前移。
根据永磁同步电动机气隙磁场分布，永磁同步电动机可分为： （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，气隙磁场为正弦分布，称作正弦波永磁同步电动机，或简称永磁同步电 动机，缩写为PMSM。 （2）梯形波永磁同步电动机—气隙磁场呈梯形波分布，性能更接近于直 流电动机。梯形波永磁同步电动机构成的自控变频同步电动机又称作无刷直 流电动机，缩写为BLDM。 7.2.2 同步电动机的转矩角特性
7.3.1转速开环恒压频比控制的小容量同步电动机群调速系统 图7-7所示是转速开环恒压频比控制的小容量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, 多用于纺织、化纤等工业小容量多电动机传动系统中。 多台永磁或磁阻同步电动机群并联接在公共的变频器上, 由统一的频率给定信号f* 同时调节各台电动机的转速。图中的变频器采用电压型PWM变频器。 PWM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*, 可以同时逐渐改变各台电动机的转速。这种开环调速 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。 图 7-7 多台同步电动机恒压频比控制的调速系统结构图
在忽略定子电阻 Rs 时，同步电动机从定子侧输入的电磁功率为
Pm Ps 3U s I s cos
（7.1）
1. 凸极同步电动机转矩角特性 图7-1 是凸极同步电动机稳定运行并且功率因数超前时的相 量图。 由图7-1，有 Pm Ps 3U s I s cos 3U s I s cos （7.2）

2
，电磁转矩最大，
s xd
（7.8）
7.2.3 同步电动机的稳定运行 时， 以隐极同步电动机为例分析同步电动机的稳定运行 问题。 图7-3 隐极同步电动机的矩角特性 1、在0 2 范围内 在图7-4中，若同步电动机稳定运行于θ1， 0 1 ，此时电磁转矩T 和负载 e1 2 3n pU s Es 转矩TL1相平衡，即 Te1 TL1 sin 1 。当负载转矩相加大到T 时， 转子速度减慢， L2
7.2 同步电动机的稳态模型与调速方法 7.2.1 同步电动机的分类 同步电动机按励磁方式分为：可控励磁同步电动机和永磁同步电动机两种。 1. 可控励磁同步电动机：在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：采用了永磁材料磁极（无需直流励磁），磁能极高，体 积小、重量轻；转子没有铜损和铁损，没有滑环和电刷的摩擦损耗，运行效率 高；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；结构 紧凑，运行可靠。
同步电动机与异步电动机相比，异步电动机的稳态转速总是低于同步转速，两者之 差叫做转差；同步电动机的稳态转速恒等于同步转速，转差等于0，机械特性是水 平直线。
（2）异步电动机的磁场仅靠定子供电产生，转子磁动势是感应得出的； 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。 （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。 （4） 如果忽略齿槽影响，异步电动机的气隙是均匀的；而同步电动机 则有隐极与凸极之分。隐极式电动机气隙均匀；凸极式则不均匀，直轴磁 阻小，交轴磁阻大，两轴的电感系数不等，使数学模型更复杂些。凸极效 应能产生平均的同步转矩，单靠凸极效应运行的同步电动机称作磁阻式同 步电动机。 （5） 异步电动机由于励磁的需要，必须从电源吸取滞后的无功功率， 空载时功率因数很低。同步电动机则可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。 （6） 由于同步电动机转子有独立励磁，在极低的电源频率下也能运行， 因此，在同样条件下，同步电动机的调速范围比异步电动机更宽。 （7）异步电动机要靠加大转差才能提高转矩，而同步电动机只须加大 功角就能增大转矩，同步电动机比异步电动机对负载转矩扰动具有更强的 承受能力，能获得更快的动态转矩响应。
范围内 2、在 2
在图7-5中，若同步电动机稳定运行于θ3， 2 3 ，此
时电磁转矩Te3和负载转矩TL3相平衡，即
Te3 TL3
3n pU s Es
s xd
sin 3

2
范围内隐极同步电动机的矩角特性
当负载转矩相加大到TL4时，转子速度减慢，使
将式（7.3）代入式（7.2）得
Pm 3U s I s cos cos 3U s I s sin sin 3U s I sq cos 3U s I sd sin 1 1 U s sin E U s cos E cos 3U s s sin 3U s s sin 3U s2 cos sin x xq xd xd q xd 3U s2 xd xq 3U s Es sin sin 2 xd 2 xd xq 3U s
图7-4 在 0
θ角增大，电磁转矩Te4反而减小，导致θ角继续增大，电磁转矩继续 减小，最终，同步电动机转速偏离同步转速，这种现象称为“失 步”。总之，在 范围内，同步电动机不能稳定运行，产生失步现象。 2
7.2.4 同步电动机的调速方式及机械特性
1. 同步电动机的调速方式
运动控制系统
第7章 同步电动机变压变频调 速系统
同步电动机的转速与电源频率保持严格同步，只要电源频率保持恒 定，同步电动机的转速就恒定不变。小到电钟和记录式仪表的定时旋转机 构，大到大型同步电动机一直流发电机组， 都是为了发挥其转速恒定的 优势而得到应用的。除此以外，同步电动机还有一个突出的优点，就是可 以控制励磁来调节它的功率因数，可使功率因数高到1.0，甚至超前。在 一个工厂里，只需有一台或几台大容量设备例如水泵、空气压缩机采用同 步电动机，就足以改善全厂的功率因数。过去由于同步电动机起动费事、 重载时有振荡乃至失步的危险，除了上述特殊情况外，一般工业设备很少 采用同步电动机传动。 自从变频调速技术获得广泛应用以后，采用电压-频率协调控制，同步电动 机便和异步电动机一样成为调速电动机家族的一员，原来由于供电电源频 率固定不变而阻碍同步电动机广泛应用的问题都已迎刃而解。例如起动问 题， 既然频率可以平滑调节，当频率由低调到高时，转速就随之逐渐上升， 不需要任何其他起动措施，甚至有些数千以至数万千瓦的大型高速同步电 动机，还专门配上变压变频装置作为软起动设备。再如振荡和失步问题， 其起因本来就是由于旋转磁场的同步转速固定不变，当突加负载使电动机 转子落后的角度太大时，便造成振荡乃至失步，现在有了频率的闭环控制， 同步转速可以跟着频率改变，自然就不会振荡和失步了。
同步电动机的转子旋转速度与旋转磁场的转速同步，转差角速度恒等 于0，没有转差功率，故变压变频调速自然属于转差功率不变型的调速方 式，没有其他类型。就频率控制的方法而言，同步电动机变压变频调速系 统，简称同步电动机变频调速系统可以分为他控变频和自控变频两大类。 和异步电动机变频调速一样，用独立的变频装置给同步电动机供电的系统 称作他控变频同步电动机调速系统；根据转子位置控制变频装置换相时刻 的系统是自控变频同步电动机调速系统。
7.3他控变频同步电动机调速系统
图7-6 同步电动机变频调速机械特性
与异步电动机变频调速一样，用独立的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。 他控变频调速的特点是电源频率与同步电动机的实际转速无直接的必然 联系，控制系统结构简单，可以同时实现多台同步电动机调速。然而，没有 从根本上消除失步问题。
s
Us
常数
p
，则 T
emax

3npU s Es
s xd

3Es U s 常数 xd s / np
基频以上采用电压恒定的控制方式，
Temax 3npU sN Es
U s U sN 常数 ，则
s xd

np 1 1 s / np 2f s fs
由此得到同步电动机的机械特性如图7-6所示。
s
（7.4）
Us 为定子相电压有效值； 式中， I s 为定子相电流有效值； E 为转子磁动势在定
为功率 xq 为定子交轴电抗； xd 为定子直轴电抗； 子绕组产生的感应电动势；
的相位角； 为 Is 与 E 因数角； 与E 的相位角， 为U 在 U s 与 Es 幅值恒定时， s s s 同步电动机的电磁功率和电磁转矩由 确定， 故称 为功率角或转矩角。
表7-1列出电励磁同步电动机与同等容量和转速的异步电动机有关数据的比较。
电动机 额定功率 转速 电动机功率因数 效率 相对转动惯量 相对定子重量 相对转子重量 磁通变化时间常数 相对变频器容量 电网输入功率因数 异步电动机 6000kW 60/120 r/min 0.89 0.939 134% 116% 109% 3.05ms 354% 0.67 同步电动机 6000kW 60/120 r/min 1.0 0.955 100% 100% 100% 0.355ms 258% 0.85
转子感应电动势滞后，θ角增大，当 2 时，电磁转矩T 和负载转矩T 又 L2 e2 2 3n pU s Es 达到平衡，即 Te2 TL2 sin 2 ，同步电动机仍以同步转速稳定运行。因此，