同步电机变频调速 我

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。
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：
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他控变频调速系统
定义：与异步电动机变压变频调速一样，用独立 的变压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。
他控变频调速系统
分类
（1）转速开环恒压频比控制的同步电动机群 调速系统 （2）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
（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
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”。
（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：
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
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。
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。
Te Cm Fs Fr sin
启动时，只要定、转子两磁动势之间的夹角
0 0 1800
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。
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。
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
在非换相情况下，同时只有两相导通，从逆变器直流侧看进去，为两相绕组串联，则电磁功率
2n p E p I p Pm Te 2n p p I p m / n p Pm
梯形波永磁同步电动机的自控变频调 速系统
不考虑换相过程及 PWM 调制等因素的影响 ， VT1 和 VT6 导通时， A 、 B 两相导通，而 C 相关断，无刷直流电动机的电压方程 无刷直流电动机的电压方程
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。
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
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
由于采用频率闭环控制，同步转速可以跟着频率改 变，于是就不会振荡和失步了。
（1）他控变频调速系统 用独立的变压变频装置给同步电动机供电的系统。（ 和异步电动机VVVF一样） （2）自控变频调速系统
用电动机本身轴上所带转子位置检测器或电动机反电 动势波形提供的转子位置信号来控制变压变频装置 换相时刻的系统。
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
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 换流问题：
LCI同步调速系统在起动和低速时存在换流问题： 低速时同步电动机感应电动势不够大，不足以保证可 靠换流； 当电机静止时，感应电动势为零，根本就无法换流。 解决方案： 这时，须采用“直流侧电流断续”的特殊方法，使中 间直流环节电抗器的旁路晶闸管导通，让电抗器放电， 同时切断直流电流，允许逆变器换相，换相后再关断旁 路晶闸管，使电流恢复正常。 用这种换流方式可使电动机转速升到额定值的 3%~5%，然后再切换到负载电动势换流
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
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。
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
~
~
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 ） 。
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。
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；
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。
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
正弦波永磁同步电动机一般没有阻尼绕组，转子磁通由永 久磁钢决定，是恒定不变的，可采用转子磁链定向控制， 即将两相旋转坐标系的d轴定在转子磁链 r 方向上，无须 再采用任何计算磁链的模型。
•其在d-q坐标上的磁链方程简化为
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。