同步电机变频调速 我

梯形波永磁同步电动机的电压方程
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。
3、短路绕组： 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。
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：
n2 p
梯形波永磁同步电动机的自控变频调 速系统
无刷直流电动机的动态结构图
ASR和ACR均为带有
积分和输出限幅的PI调 节器，调节器可参照直 流调速系统的方法设计 。
无刷直流电动机调速系统
梯形波永磁同步电动机的自控变频调 速系统
无刷直流电动机调速系统结构图
正弦波永磁同步电动机具有定子三相分布绕组和永磁转子， 在磁路结构和绕组分布上保证定子绕组中的感应电动势具 有正弦波形，外施的定子电压和电流也应为正弦波，一般 靠交流PWM变压变频器提供。
梯形波永磁同步电动机的自控变频调 速系统
PWM逆变器输出电压
梯形波永磁同步电动机的转矩脉动
梯形波永磁同步电动机的自控变频调 速系统
PWM逆变器输出电压为调制方波序列，换相的顺序与三相桥式晶闸管可控整流电路 相同，并按直流PWM的方法对方波进行调制，同时完成变压变频功能。 换相时电流波形不可能突跳，其波形实际上只能是近似梯形的，因而通过气隙传送到 转子的电磁功率也是梯形波。
由交-交变压变频器供电的大型低速同步 电动机调速系统
概述： 另一类大型同步电动机变压变频调速系 统用于低速的电力拖动，例如无齿轮传动的可逆 轧机、矿井提升机、水泥转窑等。 该系统由交-交变压变频器供电，其输出频率 为20~25Hz（当电网频率为50Hz时），对于一台 20极的同步电动机，同步转速为120~150r/min， 直接用来拖动轧钢机等设备是很合适的，可以省 去庞大的齿轮传动装置。
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 * 可以逐渐地同时 改变各台电机的转速。
由交-直-交电流型负载换流变压变频器供电的 同步电动机调速系统
系统组成：
由交-直-交电流型负载换流变压变频器供电的 同步电动机调速系统
由交-直-交电流型负载换流变压变频器供 电的同步电动机调速系统
可控整流器就可以用不可控整流器，或 直接由直流母线供电，系统结构简单， 只需一套可控功率单元。
自控变频同步电动机调速系统
从电动机本身看，自控变频同步电动机是一台同步电动机，可 以是永磁式的，容量大时也可以用励磁式的。
把电动机和逆变器、转子位置检测器BQ合起来看，如同是一台 直流电动机。
从外部看来，改变直流电压，就可实现调速，相当于直流电动 机的调压调速。
u A uB 2 Rs I p 2 L
dI p dt
2E p
采用PWM控制
u A u B U d
dt dI p E p U d 1 Ip dt Tl L 2L 2 Rs I p 2 L dI p U d 2 E p
电压方程
状态方 程
电枢漏磁时间常 数
概述：对于经常在高速运行的机械设备，定子常 用交-直-交电流型变压变频器供电，其电机侧变 换器（即逆变器）比给异步电动机供电时更简单 ，可以省去强迫换流电路，而利用同步电动机定 子中的感应电动势实现换相。
这样的逆变器称作负载换流逆变器（Loadcommutated Inverter，简称LCI）
由交-直-交电流型负载换流变压变频器供电的 同步电动机调速系统
内容提要
1. 同步电动机调速的特点和问题 2. 同步电机变频调速的两种方式 2.1它控式变频调速 2.2自控式变频调速
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。 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
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
60 f s ns n 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。 （b）永久磁铁，其磁场可视为恒定（小容量 ） 。
L Tl Rs
梯形波永磁同步电动机的自控变频调 速系统
根据电机和电力拖动系统基本理论
E p ke Te np

2 E p I p 2n p ke I p
np d (Te TL ) dt J
无刷直流电动机的状态方程
np d 2ke I p TL dt J J dI p ke U d 1 Ip dt Tl Ls 2 Ls
无刷直流电动机实质上是一 种特定类型的永磁同步电动 机，转子磁极采用瓦形磁钢 ，经专门的磁路设计，可获 得梯形波的气隙磁场，感应 的电动势也是梯形波的。 逆变器提供与电动势严格同 相的方波电流。
梯形波永磁同步电动机的电动势波形与近似的电流波 形图
梯形波永磁同步电动机的自控变频调 速系统
梯形波永磁同步电动机的等效电路及逆变器主电路原理图
在自控变频同步电动机中采用的电力电子逆变器和转子位置检 测器就相当于电子式换向器，用静止的电力电子电路代替了容 易产生火花的旋转接触式换向器，用电子换无换向器电动机 — —由于采用电子换相取代了机械式的换向器，多用于带直流励 磁的同步电动机。 正弦波永磁自控变频同步电动机 ——以正弦波永磁同步电动机 为核心，构成的自控变频同步电动机。向取代机械换向。 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，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。 尽管在名称上有区别，本质上都是一样的，所以统称作“自控 变频同步电动机”。
由交-交变压变频器供电的大型低速同步电动 机调速系统
系统组成：
由交-交变压变频器供电的大型低速同步电动机调速系 统
自控变频同步电动机调速系统
他控变频同步电动机调速系统变频器的输出频率 与转子转速或位置无直接的关系，若控制不当， 仍然会造成失步。 根据转子位置直接控制变频装置的输出电压或电 流的相位，就能从根本上杜绝失步现象，这就是 自控变频同步电动机的初衷。
自控变频同步电动机调速系统
永磁同步电机和无刷直流电机具有定子三相分布 绕组和永磁转子，定子电流与转子永磁磁通互相 独立，转矩恒定性好，脉动小，可以获得很宽的 调速范围，适用于要求高性能的数控机床、机器 人等场合。 目前已广泛应用于各种领域，如医疗仪器、过程 控制、机床工业、纺织工业和轻工机械等。
梯形波永磁同步电动机的自控变频调 速系统
Te Cm Fs Fr sin
启动时，只要定、转子两磁动势之间的夹角
0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。
三. 概述： 同步电动机历来是以转速与供电电源频率保持严格同步著 称的。 只要供电电源频率保持恒定，同步电动机的转速就绝对 不变。 采用电力电子装置实现电压-频率协调控制，改变了同步 电动机历来只能恒速运行不能调速的面貌。
转速开环恒压频比控制的同步电动机 群调速系统
转速开环恒压频比控制的同 步电动机群调速 系统，是一种最简单的他控变频调速系统， 多用于化纺工业小容量多电动机拖动系统中 。
转速开环恒压频比控制的同步电动机 群调速系统
系统控制：
多台永磁或磁阻同步电动 机并联接在公共的电压源型 PWM变压变频器上，由统一 的频率给定信号 f * 同时调节 各台电动机的转速。
系统控制：
系统控制器的程序包括转速调节、负载换 流控制和励磁电流控制，FBS是测速反馈环节。 由于变压变频装置是电流型的，还单独画出了电流 控制器