同步电动机调速系统..
同步电机的变频调速系统
图2-3由交-交变压变频器供电的大型低速同步电动机调速系统
2.4
为了获得高动态性能，同步电动机变压变频调速系统也可以采用矢量控制，其基本原理和异步电动机矢量控制相似，也是通过坐标变换，把同步电动机等效成直流电动机，再模仿直流电动机的控制方法进行控制。但由于同步电动机的转子结构与异步电动机不同，其矢量坐标变换也有自己的特色。
（1）在电动机轴端装有一台转子位置检测器BQ（见图8-7），由它发出的信号控制变压变频装置的逆变器U I换流，从而改变同步电动机的供电频率，保证转子转速与供电频率同步。调速时则由外部信号或脉宽调制（PWM）控制UI的输入直流电压。
（2）从电动机本身看，它是一台同步电动机，但是如果把它和逆变器UI、转子位置检测器BQ合起来看，就象是一台直流电动机。直流电动机电枢里面的电流本来就是交变的，只是经过换向器和电刷才在外部电路表现为直流，这时，换向器相当于机械式的逆变器，电刷相当于磁极位置检测器。这里，则采用电力电子逆变器和转子位置检测器替代机械式换向器和电刷。
（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）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，隐极式电机气隙均匀，凸极式则不均匀，两轴的电感系数不等，造成数学模型上的复杂性。但凸极效应能产生平均转矩，单靠凸极效应运行的同步电动机称作磁阻式同步电动机。
在同步电动机中，除转子直流励磁外，定子磁动势还产生电枢反应，直流励磁与电枢反应合成起来产生气隙磁通，合成磁通在定子中感应的电动势与外加电压基本平衡。
同步电动机变频调速自动控制回路系统设计
１系统设 计 组成
系统 设计 由晶 闸管整 流 电路 设计 、 向变换 控 方 制、 信号 系统 设 计 、 到位 时 电路 的接 通控 制 、 电系 供
统等 组成 ． 结构框 图如 图 ３所示 。 其
１１晶闸管 整流 电路设 计 ．
成滤 波 电路 ． 整 流器输 出端 除去 交流成 分 。 从 电容滤波 电路 多用 于小功 率 电源 ． 计使 用 电 设 容滤 波 电路 。电路 简单 ， 负载 直 流电压 较高 ， 波较 纹
动 机 。同步 电动 机作 为设 计 的动 力 装置 ． 制 较复 控
杂， 同步 电动机 是交 流 电机 。 多种 方式 调 速 ， 有 转子 串电阻 调速 ， 宽调 制 控制技 术 ， 交变 频 、 直交 脉 交 交
以 Ｑ 按 下 之 后 ， ２ Ｔ Ｓ １Ｓ２ Ｊ １Ｘ １ Ａ Ｊ ２— ，Ａ，Ｊ ，Ｊ ，２— ， Ｔ ，
４ ）按下 Ｇ Ａ， 电器 Ｓ １ 电 ，Ｓ １ 向动 点 ， Ｓ 继 Ｊ通 ＪＪ 打
接通 １ Ｖ 电压 ． ８ 电机 进 入 过速 运 转 阶 段 ． 同时 并 联
模 拟 系 统 自动 控 制 装 置 采 用 Ａ ２ Ｖ 供 电 ， Ｃ ２０ 电源 指示 灯 与 电源并 联 ． 速 主 电路采 用 多 触点 变 调 压器 ． 现 不 同 电 压 的需 求 ， 全 回路 的供 电通 过 实 安
直 流 电动机 的方 向变 化可采 用 电磁继 电器
电 磁继 电器 用 较 小 电 流控 制 较 大 电流 的 一 种
自动 开关 。 泛应 用于 电子设 备 中 。 广
１３信 号 系统 设 计 ．
第三章 同步电动机的变频调速控制
30年代
铝镍钴、铁氧体
差
易去磁
1
2 3
90年代 60年代 后期
铁氧体 稀土永磁： SmC05
3.6~4.0 24 33 38~40
价格低 （稀土的1/10） 热稳定性好 不怕去磁 钴含量高、价格高
70年代 初期
第三代
稀土永磁： SmC017 稀土永磁： 钕铁硼 Nd-Fe-B
我国储量世界第一， 温度可达200℃？
图示位置是转子磁极轴线 从某相绕组轴线转过30°的位 置，在此瞬间触发该相晶闸管， 从产生转矩的角度看是最有利 的。在此位置下，在绕组通电 的1/3周期里，载流导体正好 处于比较强的磁场中，所产生 的转矩平均值最大，脉动最小。 从时间相位上看，晶闸管触发 瞬间正好是该感应电势交变过 零之后的30°相位处，习惯上 将此点选作晶闸管触发相位的 基准点，称为空载换流超前 角 。
结 论
0 0 、 三相式，对转矩最为有利。
矛盾：
晶闸管靠反电势自然换流，要求 0 超前，目前常取 0 60 ，或按负载的 动态调节。转矩脉动大：凸极式无换向电 机中，还存在磁阻转矩，当 超前时为 0 负值，将使输出转矩减小。
二、逆变器晶闸管的换流问题
问题的提出： 直流无换向器电机的晶闸管直接接在直流电 源上,导通后无法自行关断，换流困难。必须采取 特殊的换流措施。 解决： 在过激状态下向逆变器提供超前的无功电流， 可利用电机的反电势来实现自然换流。
优点: (1) 只要精确地控制变频电源的频率就能准确控 制转速，无需速度反馈控制。 (2) 转矩干扰只影响同步电动机的功角，不影响 电机的转速可以在极低的转速下运行，调速范围 较宽。 (3)可以调节转子励磁来调节电机的功率因数,甚 至可在 下运行。 (4) 运行在超前功率因数下，有可能利用电动机 的反电势实现负载换流，克服强迫换流的弊病 （晶闸管)。 缺点：同步电机本身结构稍微复杂
电气传动与调速系统模拟题
电气传动与调速系统模拟试卷1一、判断题：9个题，每小题2分，合计18分。
1.由电动机作为动力源，通过传动机构拖动各类生产机械，在控制系统的作用下完成一定的生产工艺要求的系统，称为电气传动系统。
（）【A.】√【B.】×2.直流电机中用于产生感应电动势和通过电流的电路部分是励磁绕组。
（）【A.】√【B.】×3. 三相异步电动机的结构包括定子和转子两大部分。
（）【A.】√【B.】×4. 在电源频率一定时，同步电机的转速ｎ恒定，等于同步转速。
（）【A.】√【B.】×5. 一台伺服电动机的机械特性曲线如下图所示，可知，该电动机应该是直流伺服电动机。
（）【A.】√【B.】×6.电动机发热和冷却的情况不但与其所带负载的大小有关，而且与所带负载的持续时间有关。
（）【A.】√【B.】×7. 降压变换器是通过调整输入电压的幅值实现电压的变换。
（）【A.】√【B.】×8. 规则采样法实现SPWM时，采用载波正峰值采样的方法更准确。
（）【A.】√【B.】×9. 交-交无换向器电动机调速系统在高速运行时通常采用电源换流的方法进行换流。
（）【A.】√【B.】×二、单项选择题：12个题，每小题3分，合计36分。
1. 如下图所示的旋转运动系统（箭头方向表示转矩的实际方向），系统的运动状态是（ ）。
【A.】减速 【B.】匀速 【C.】静止 【D.】加速2.电气传动系统做直线运动时，其运动方程为（ ）。
【A.】tvmF F z d d =- 【B.】d d L T T Jt Ω-=【C.】2d 375d L GD nT T t -=【D.】d d L nT T Jt -=3.直流电机中用于产生感应电势和通过电流的电路部分是（ ）。
【A.】励磁绕组 【B.】主磁极 【C.】换向极 【D.】电枢绕组4.三相异步电动机的T 型等效电路如图所示，m 1表示电机的相数，则转子绕组的铜耗可表示为（ ）。
专升本《电力拖动与控制系统》_试卷_答案
专升本《电力拖动与控制系统》一、（共75题，共150分)1。
异步电动机在采用能耗制动时需要( ）。
(2分）A.转子回路串电阻B.定子回路串电阻C.把定子回路从电源断开,接制动电阻D。
定子回路通直流电流。
标准答案：D2。
三相桥式交叉连接可逆调速电路需要配置（）个限环流电抗器。
（2分)A.1B.2C.3D.4。
标准答案:B3。
闸管反并联可逆调速电路中采用配合控制可以消除( ). (2分）A.直流平均环流B.静态环流C。
瞬时脉动环流 D.动态环流.。
标准答案：A4。
为了检测直流电流信号，且与系统主电路隔离,常用的电流检测方法是( ）。
（2分）A。
串联采样电阻 B。
并联采样电阻C。
采用电流互感器 D.采用霍尔传感器。
标准答案:D5. 电流可反向的两象限直流PWM调速系统稳态工作时，当输出电压的平均值小于电机反电势时，电机工作在( ）象限。
（2分）A。
1 B。
2 C.3 D。
4.标准答案：B6。
直流斩波调速系统在回馈电流可控的回馈发电制动时，直流电动机的反电势( ）直流电源的电压。
（2分）A.大于B.等于 C。
小于。
标准答案：C7。
异步电动机串级调速系统，当调速范围较小时,一般采用的起动方法是（）. (2分）A.用串级调速装置起动 B。
定子降压起动。
标准答案：B8。
串级调速系统中，串级调速装置的容量（）. （2分）A.随调速范围D的增大而增加；B.随调速范围D的增大而减少；C。
与调速范围D无关..标准答案:A9。
绕线转子异步电动机的串级调速属于( )的调速方法。
(2分）A。
转差功率消耗型 B。
转差功率回馈型C.转差功率不变型.标准答案：B10。
永磁无刷直流电动机的调速系统中功率变换器的变频方式是（ )。
（2分）A.他控式变频 B。
自控式变频；C.矢量控制式变频。
标准答案：B11。
无刷直流电动机调速系统的位置检测器使用的是（ ) （2分)A.增量式位置检测器 B。
正余弦变压器.标准答案：A12. 永磁无刷直流电动机与永磁同步电动机结构非常相似，永磁无刷直流电动机的气隙磁密波形是（） (2分）A.近似方波 B。
运动控制期末必考题
运动控制期末必考题⼀、填空题1、直流电动机有三种调速⽅案：（1）调节电枢供电电压U；（2）减弱励磁磁通Φ；（3）改变电枢回路电阻R。
2、当电流⼤到⼀定程度时才出现的电流负反馈，叫做电流截⽌负反馈。
3、额定励磁状态下的直流电动机电枢电流与直流电动机的电磁转矩成正⽐。
4、他励直流电动机的调速⽅法中，调压调速是从基速（额定转速）往下调，在不同转速下容许的输出恒定，所以⼜称为恒转矩调速。
调磁调速是从基速往上调，励磁电流变⼩，也称为弱磁调速，在不同转速时容许输出功率基本相同，称为恒功率调速。
5、直流调速系统的静态性能指标主要包括静差率和调速范围。
6、在⽐例积分调节调节过程中，⽐例部分的作⽤是迅速响应控制，积分部分的作⽤是消除稳态误差。
7、采⽤积分速度调节器的闭环调速系统是⽆静差的。
8、直流调速系统中常⽤的可控直流电源主要有旋转变流机组、静⽌式可控整流器和直流斩波器或脉宽调制变换器三种。
9、所谓稳态是指电动机的平均电磁转矩与负载转矩相平衡的状态。
10、在额定负载下，⽣产⼯艺要求电动机提供的最⾼转速和最低转速之⽐叫做调速范围。
11、负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落与理想空载转速之⽐叫做静差率。
12、⼀个调速系统的调速范围，是指在最低转速时还能满⾜所需静差率的转速的可调范围。
13、反馈控制的作⽤是抵抗扰动、服从给定。
14、脉宽调制的⽅法是把恒定的直流电源电压调制成幅值相同、频率⼀定、宽度可变脉冲序列，从⽽可以改变平均输出电压的⼤⼩，以调节转速。
15、调速系统的要求有调速、稳速、加，减速。
16、直流电动机在调速过程中，若额定转速相同，则转速越低时，静差率越⼤。
17、在转速、电流双闭环直流调速系统中转速调节器的输出作为电流调节器的输⼊，再⽤电流调节器的输出去控制电⼒电⼦变换器。
18、双闭环调速系统在正常运⾏时， ACR 调节器是不会达到饱和的。
19、反馈控制系统所能抑制的知识被反馈环包围的前向通道上的扰动。
同步电机变频调速 我
u A Rs u 0 B uC 0
Pm 2E p I p
电磁转矩
0 Rs 0
0 iA L i 0 0 B Rs iC 0
0 L 0
0 i A eA d 0 iB eB dt L iC eC
（2）重载时有振荡，甚至存在失步危险；
问题的根源： 供电电源频率固定不变。由于改变交流电的频率较 为困难，以前一般工业设备很少采用同步电动机拖 动。 解决办法： 现代电力电子技术的发展，解决了交流电源的变压变 频问题，采用电压-频率协调控制，可解决由固定频 率电源供电而产生的问题。
对于起动问题： 通过变频电源频率的平滑调节，使电机转速逐渐上 升，实现软起动。 对于振荡和失步问题：
所以起动费事、重载时振荡或失步等问题也已不再是同步 电动机广泛应用的障碍。
四.同步电动机调速系统的特点
同步：同步电动机的转子转速就是旋转磁场的同步转速， 转差为0； 优点： （1）转速与电压频率严格同步； （2）可以通过控制励磁来调节其功率因数，可使功率因 数提高到1.0，甚至超前；
存在的问题：
（1）起动困难；
自控变频同步电动机调速系统
需要两套可控功率单元，系统结构复杂
自控变频同步电动机调速原理图 UI——逆变器 BQ——转子位置检测器
自控变频同步电动机调速系统
在基频以下调速时，需要电压频率协调 控制。
需要一套直流调压装置，为逆变器提供 可调的直流电源。
调速时改变直流电压，转速将随之变化 ，逆变器的输出频率自动跟踪转速。 在表面上只控制了电压，实际上也自动 地控制了频率，这就是自控变频同步电 动机变压变频调速。 采用PWM逆变器，既完成变频，又实现 调压。
运动控制系统-第6章 同步电动机变压变频调速系统
2
当负载转矩加大为 TL4时，转子减速使角θ 增加，电磁转矩 Te减4 小，导致θ继续，最 终，同步电动机转速偏离同步转速，这种 现象称为“失步”。
2
在 的范围 内，2 同步电动机不 能稳定运行，将产 生失步现象。
Te
Te3
Te4
0
3 4
2
图6-4 在 的范围内，
2
Te1
TL1
3U s Es
m xd
sin1
0
2
当负载转矩加大为 时，转子减速使角θ增加，
当 衡，
，电磁 转 2矩 2
和TL负2 载转矩
Te 2
又达到平
TL2
Te 2
TL2
3U s Es
m xd
s in 2
同步电动机仍以同步转速稳定运行。
0
2
若负载转矩又恢复
为 TL1，则角 恢 复
3. 梯形波永磁自控变频同步电动机即无刷直 流电动机——以梯形波永磁同步电动机为 核心的自控变频同步电动机，由于输入方 波电流，气隙磁场呈梯形波分布，性能更 接近于直流电动机，但没有电刷，故称无 刷直流电动机。
无刷直流电动机实质 上是一种特定类型的
iA eA eA
同步电动机，气隙磁 场和感应电动势是梯
第6章
同步电动机变压变频 调速系统
同步电动机直接投入电网运行时，存在 失步与起动两大问题，曾一直制约着同 步电动机的应用。同步电动机的转速恒 等于同步转速，所以同步电动机的调速 只能是变频调速。
变频调速的发展与成熟不仅实现了同步 电动机的调速问题，同时也解决了失步 与起动问题，使之不再是限制同步电动 机运行的障碍。
永磁同步电动机的转子用永磁材料制 成，无需直流励磁。
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采用转子磁链定向（转子磁通恒定 ），矢量图如下所示。
定子电压方程为（ｄ、ｑ坐标系） q
ud1 Rsid1 p d1 r q1
is iq
uq1 Rsiq1 p q1 r d1
定子磁链方程为：
r
d
d1 Ld id1 r q1 Lq iq1
1、n与f 保持严格的同步关系，与负载大小无关; 2、改变I f可以调节同步电动机的功率因数； 3、存在启动困难和重载时失步的缺点 。
一、同步电动机的结构
1、结构： 定子：定子铁心、三相对称绕组以及机座和端盖等部件组
成 。（与异步机定子结构基本相同） 转子：有两种结构形式，隐极式和凸极式。
凸极式：制造方便，但磁极明显，气隙不均匀，造成直 轴磁阻小，交轴磁阻大，使两轴的电感系数不等。
A
图7-4 永磁同步8-4电动机时的矢量图
转矩方程为： Te pm ( d1iq1 q1id1 ) pm [ r iq1 (Ld Lq )iq1id1 ]
在基速下，采用定子电流矢量位于ｑ轴，全部用于产生 转矩，即 id1 0 ，iq1 is 。 转矩方程：Te pm ris
图7-3 自控式同步电动机变频调速系统框图
控制单元作用：判断转子的位置和转速，按一定控制策略 产生控制信号，控制变频器输出三相电流（电压）的频 率、幅值和相位，使同步转速跟踪转子转速。
系统能从根本上消除同步电机转子振荡和失步问题。因为： 给电机定子供电的变频装置的输出频率受转子位置检测器的 控制，即定子旋转磁场的转速与转子旋转的转速相等，始终 保持同步，不会由于负载冲击等原因造成失步现象。
第七章 同步电动机调速系统及其 仿真
第一节 同步电动机的分类及其调速原理 第二节 正弦波永磁同步电动机调速系统 第三节 方波永磁同步电动机调速系统 第四节 负载换相同步电动机调速系统 第五节 大功率同步电动机交-交变频调速技术
第一节 同步电动机的结构及其调速原理
同步电动机的特点 ：
自控式同步电机变频调速也是通过改变电磁转矩的大小和方向 来调节转速。电磁转矩和电机的定、转子电流有关。调节 定子电流大小或相位及转子磁动势的大小就可以达到调速 的目的。
第二节 正弦波永磁同步电机调速系统
永磁同步电机体积小、重量轻、效率高，无转子发 热问题，控制系统简单
一、 正弦波永磁同步电机的调速原理
数发生器转换成三个互差120o 的位置角正弦信号。
S A sin SB sin( 1200 ) SC sin( 1200 )
由矢量图可知，当 ：iA I s sin
iB I s sin( 1200 ) iC I s sin( 1200 )
同步机为双边励磁方式，电磁转矩由两磁场的相互作用产生。 由电机统一理论： Te Cm Fs Fr sin
启动时，只要定、转子两磁动势之间的夹角 00 1800 就能产生电动的电磁转矩，拖动负载旋转；
稳态时，只要定、转子磁动势相对静止，就能产生单一方 向恒定的电磁转矩，驱动电动机以同步转速旋转。 按频率控制方式不同分为：他控式变频调速和自控式变频调速。 （一）他控式同步电动机变频调速系统 由独立的变频装置提供变压变频电源，变频装置的输出频率 由速度给定信号决定，通常为开环控制系统；
隐极式：气隙均匀，机械强度好，但制造工艺较复杂。
~
~
ns N
N
+
+
S
-
S
-
N
S
（a）凸极式
（b）隐极式
图7-1 同步电动机的转子结构示意图
2、励磁：
定子励磁：空间上对称的三相绕组通入时间上对称的 三相电流产生一个空间旋转磁场，其同步转速为
ns
n
60 fs pm
转子励磁：
（a）转子铁心上装有励磁绕组，由直流励磁电源供电，称 有刷励磁 。由交流励磁机经过随转子一起旋转的整流器 供电，称无刷励磁系统。
控制转矩的大小实际上就是控制定子电流幅值 I s 的大小。
二、正弦波永磁同步电动机调速系统 （一）正弦波永磁同步电动机调速系统的组成
如图7-6所示， 主 回 路 ： 由 脉 宽 调 制 （ PWM ） 逆 变 器 、 永 磁 同 步 电 机 、
荡及失步问题。限制了这种控制方式的使用范围。
（二）自控式同步电动机变频调速系统
由同步电机SM 、变频器、转子位置检测器BQ和控制单元组成。
速度调节器 乘法器 电流调节器
- ASR
× i
ACR
-
PWM
SM 3~
sin( )
i
cos( )
速度 转子磁
反馈 极位置
BQ
8-3
带定子电压补偿的函数发生器GF保证了变频器的恒压频 比控制；缓慢调节 n可以逐步改变电动机的转速。
电压控制 GF
频率控制
n
UR
Cd Ld 图7-2 恒压频比他控式变频调速系统
GF-函数发生器 UR-整流器 UI-逆变器
UI
永磁式同步电 动机群 SM SM SM
这种系统虽然解决了8起-2动问题，但未能很好的解决转子振
r 为常数。可见，转矩仅与定子的幅值 is 成正比，
实现了解耦控制，类似于直流电机 。
-
ASR
is
×
iA
-
× iB
-
× iC
-
SA SB SC
A
PWM
C
逆变器
R
iA iB iC
-sin
TAA SM
TAB
3~
TAC
BQ
BRT
图7-5 永磁同步电动机调速系统工作原理框图
8-5
将转子位置角 （d轴与A轴间的夹角），经正弦波函
is 位于ｑ轴。 I s 为变频器输出的定子电流幅值(最大值)。
三相定子电流的空间合成矢量为：
is iA iB 2iC 1.5Ise j(900)
电流矢量的幅值为定子电流幅值的1.5倍，方向超前ｄ轴 900 ， 位于ｑ轴。
电磁转矩： Te pm ris 1.5 pm r Is KmIs
（b）永久磁铁，其磁场可：
短路绕组：装在转子磁极表面，又称启动绕组。 主要作用：
恒频运行时，用作启动和抑制重载时易发生的振荡。 变频供电时，能直接启动。启动绕组主要用于抑制变频 器引起的谐波和负序分量，减少同步电动机的暂态电抗， 加速换流过程和加快动态响应。
二、同步电动机的调速原理