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
图3-14 反电势自然换流时晶闸管上电压、电流波形
为保证可靠换流，要求负载时换流剩 余角 10 ~ 15 而 ，故只能通过增大 0 或限制电机最大负荷，但转矩脉动增大，一般 0 限制 0 60 。 断续电流法换流：解决起动 和低速时换流问题。控制电源侧整流桥进入逆 变状态（拉逆变），使逆变器输入电流下降为 零，逆变器所有晶闸管自然关断。然后给换流 后该导通的管子发触发脉冲，重新通电时，则 实现了换流。常在直流环节接入平波电抗器以 抑制谐波，并接入续流晶闸管S0，构成了电流 源逆变器的性质。工程上实际上，加速了断流 过程。
0
在换流超前角为0°的情况下，电枢三 相绕组轮流通电产生的总转矩如图b）所示。 当换流超前角为30°，电机瞬时转矩有过 零点，如图c）所示。
左图为三相桥式逆 变路的情况。在每一瞬 时，三相绕组中一相通 过正向电流而另一相通 过反向电流，所产生的 转矩如图a）所示，图b） 为换向超前角为0°时 的合成转矩，换向超前 角为60°的情况如图c） 所示，此时转矩曲线才 有过零点。
永磁同步电动机起动转矩曲线
Tc——基本异步起动转矩， 由起动绕组产生 TD——逆序磁场产生的附 加异步起动转矩（起动绕组 不对称引起） TM——永磁体旋转与定子 绕组作用产生相当大的异步 制动转矩 Ts——以上三种转矩的合成 转矩，为平均转矩
起动过程磁场分析 除了异步性质的平均转矩外，还存在3个的磁场：
二、同步电动机的运行性能 1. 电磁转矩
mp UE mp 2 X d X q sin 2 Sin U 一般表达式 T 2f1 X d 2f1 2 X d X q
隐极同步电动机，dq轴同步电抗相等，反 应转矩消失。 mp UE T sin 2f1 X s
直流电机与同步电机的比较 相同点： 定、转子磁场相对静止 电枢绕组中通过的电流为交流 不同点： 直流电机多了一套换向装置，若没有换向 置，直流电动机就是同步电动机 直流电动机磁场静止，同步电动机磁场旋 转
其实，无换向器电机和直流电机一样，本 身就是一台同步电动机，只是直流电动机中用的 是一个机械接触式的逆变器，而无换向器电机中 是用晶闸管组成的半导体逆变器来代替。直流电 机中用以控制换向位置的电刷，在无换向器电机 中是用无接触式的位置检测器来代替。尽管两者 构造不同，但他们的作用却完全相同，所以无换 向器电动机和一般并激直流电动机具有相同的调 速特性。
无换向器电机有两种不同的系统结构形式
(1) 直流无换向器电机，即自控式同步电机交－直 －交变频调速系统
它是由电网交流电经可控整流器REC变成直流， 然后再由晶闸管逆变器INV转换成频率可调的交流， 供给同步电动机实现变频调速。其结构框图如图3－ 8所示。
(2) 交流无换向器电机，即自控式同步电机交－交 变频调速系统
1
§3-1 同步电动机的结构形式和运行性能 一、变频调速系统中应用的同步电动机 对于大、中容量的调速系统，一般采用普 通的电励磁式结构；对于小型调速装置，采用 磁阻式或者永磁式同步电机。 1. 特征
60 f n p
2. 永磁同步电动机的材料
年代 材料名称 最大磁积(兆 高奥)(HB) 特色 曲线
解决方法：
（1）外力拖入同步
（2）从静止开始作逐步升频的变频起动
三、同步电动机变频调速的控制方式 （1）他控式变频器供电
特点：
1）运行频率由外界独立调节 2）改变逆变器的输出频率实现对同步电机 的调速 3）运行情况决定于E和U之间的功率角（受 负载影响容易产生失步）
(2) 自控式变频器供电：无换向器电动机 特点： 1）运行频率由转子转速决定
反电势换流原理
图3-13 电枢反电势换流原理图
分析思路：
a、c两相通电 →b、c两相通电 →A管关断、B管导通 B管开通后，利用反电势eab 使A管关断 前提：提前换向 特点：无需辅助换流电路，但存在换流能力 与力矩特性矛盾，且低速时无法实现 换流（低速反电势小）
空载（实线）和负载时，晶闸管承受 电压的情况
电枢磁场： n s
转子永磁体磁场： (1-s) n s
逆序磁场： (1-2s) n s
三者会相互作用产生同步脉动转矩（平均转矩为 0），所有各种转矩起动时都发生作用，异步性质的 平均转矩使电机加速，脉动转矩时而加速时而减速。 随着转速的升高，转矩脉动频率降低。起动完毕（牵 入同步），异步转矩消失，同步脉动转矩成为同步转 矩。
结 论
低速时（5~10%额定转速以下）采用断
续电流法换流，且为增大转矩使 0 0 ；高 速时，采用反电势换流，为保证换流能力改 为
0 60
三、无换向器电机的工作特性 1. 调速特性 无换向器电机可以看作一台直流电 动机，可以采 用分析直流电机的方法进行 分析。
n 4.08 ED I d R PK cos(
永磁同步电动机转矩特性曲线
分析：由于永磁体本身 的导磁率一般较低，其 q轴同步电抗反比d 轴 同步电抗大，使得反应 转矩分量变负。可见永 磁同步电动机产生最大 转矩的功角大于电励磁 式同步电动机，且大于 90度。
4. 永磁式同步电动机的特殊问题
——起动性能不佳
永磁同步电动机不能像普通同步电机那样，只 依靠装在转子上的起动绕组产生的异步转矩使电机 达到亚同步速，再投入励磁使电机牵入同步。 由于一开始，永磁转子上就存在磁场，会对起动 过程产生不良影响，使起动过程中存在多种转矩 （异步性质的平均转矩和同步性质的脉动转矩）。
4
几种永磁材料的特性比较
3.永磁同步电动机的磁极结构 永磁同步电动机的磁极结构型式随永磁材料特 性的不同和应用领域的差异具有多种方案。 按永磁材料的不同，可将永磁同步电动机分 为三种类型： （1）铝鎳钴永磁同步电机
（2）铁氧体永磁同步电机
（3）稀土永磁同步电机
铝镍钴永磁同步电机： 早期的铝鎳钴永磁同 步电机沿用了传统同步电 机结构形式。根据铝鎳钴 材料矫顽力小，剩磁密度 大的特点，磁极采用截面 小，极身长的形状。
它是利用 晶闸管变频器 直接把电网 50Hz交流电转 换为可变频率 的交流供给同 步电动机。其 结构如图3－9 所示。
直流和交流无换向器电机的比较 直流无换向器电机系统简单，所用晶闸管 元件少、耐压要求低，但因工作在直流电源上 故有一个换向问题。 交流无换向器电机的变频器晶闸管可靠电 网交流电源换流，但所用元件数目多、耐压要 求高，因此我们将重点讨论直流无换向器电机。
2）电流周期与转子速度始终保持同步，不会 出现失步现象 3）通过调节输入电压进行调速，其特性类似 于直流电动机
§3-2 无换向器电机（自控式同步电动机 变频调速系统） 自控式同步电机变频调速系统又称为无换 向器电机，一种新型机电一体化无级变速电机， 它是由一台带转子磁极位置检测器PS 的同步电 动机SM和一套功率半导体逆变器INV所组成。 优点： 直流电机调速特性 无换向器 结构简单 无须经常维护
第三章 同步电动机的变频调速控制
应用广泛:
(1) 功率覆盖面非常广大，从瓦级无刷直流电动机到 万千瓦的大型轧机、窑炉 传动电机、鼓风机电机 等。 (2) 大型同步电机和超大型抽水蓄能电动发电机的变 频起动也属于同步电动机变频调速之列。
(3) 近年来永磁同步电动机的迅速发展，使同步电动 机变频调速技术的应用愈来愈多。
2. 电磁转矩的产生
假设转子励磁所产生 的磁场在电机气隙中按正弦 分布，如果定子一相绕组中 通以持续的直流电流，则此 电流和转子磁场作用下所产 生的转矩也将随转子位置不 同而按正弦规律变化，这种 变化规律如图3－10所示。
在无换向器电机，实际上每相绕组中 通过的不是持续的直流而是只通电1/3周期 的方波电流，这样每相电流和转子磁场作 用所产生的转矩也只是正弦转矩曲线上相 当于1/3周期长的一段，它的具体形状和绕 组开始通电时的转子相对位置有关。
我们从直流电机与无换向器电机相比较的角 度来分析无换向器电机的等效直流电机模型。