同步电动机的变频控制方法_126607623

(a) 基本结构
(b) 端电压波形
无换向器电机换相原理图
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转矩控制原理：无换向器电机采用电流源型逆变器供电。以 隐极同步电动机为例，根据定子电流与转子磁场的相互作 用，转矩方程可表达如下：
T = 3 pmΦ f I a sin δT
或 T = 3 pm Lm I f I a sin δT
转子励磁电感
原理：
使用变频装置对绕组换相，将同步电机等效为一台带电子换向器的直流电 机进行控制。兼具直流电动机和电子换向器的优点，所以一般常称之为直 流无换向器电动机。
(a) 基本结构
(b) 电刷电压波形
具有机械换向器的直流电动机换相原理图
无换向器电机系统构成
无换向器电机一般用于大容量调速系统，功率开关通 常为大功率晶闸管
2ω1 X d X q
最大牵出转矩：
Tmax
=
3 pU 2 2ω 1
( Xd − Xq ) Xd Xq
电压向量图
转矩功率角特性
稳定极限为 45 0
4
4 内埋式永磁同步电动机
转矩方程
T = 3 pUE f sin δ + ω1 X d
3 pU 2 ( X d − X q ) sin 2δ
2ω1
XdXq
cos ϕ
≈
cos(γ 0
−
μ 2
)
平均电磁转矩公式
根据直流侧输入功 率表达式：
Pd = U d I d
转矩表达式：
Tem
=
pmU d I d ω1
=
36 π
pm Id Φ f
cos(γ 0
−
μ ) cos 2
μ 2
−9 π2
pm (Ld
−
Lq
)
I
2 d
sin
2(γ
0
−
μ ) cos 2
μ 2
平均电磁转矩由基本电磁转矩和反应转矩构成，基本电磁转矩 与直流电流成正比，反应转矩与直流电流的平方成正比。反应 转矩所占比重很小。
¾表面式永磁同步电机 x d = x q ，加工比较容 易，但不能安装异步启动绕组，弱磁调速困难
¾内置式永磁同步电机 x d < x q ，可弱磁控制， 可安装启动绕组，动态性能好
2、同步电动机的稳态运行
1 隐极式同步电动机
电机理想，磁路线性，忽略定子电阻压降情况下：
等值电路图
简化电压向量图
电压方程
⎟⎜ ⎟⎠⎜⎜⎝
idd idq
⎟ ⎟⎟⎠
相应转矩表达式为：
Tem = pm Im(is∗ψ s ) = pm (ψ sd isq −ψ isq sd ) = pm Lmd ieisq + pm (Ld − Lq )isd isq + pm (Lmd idd isq − Lmqidqisd )
4、电励磁同步电动机变频控制系统
转子电压空间矢量方程：
u e = R e i e + p ψ ed
转子阻尼绕组电压空间矢量方程：
0 = R d i dd + p ψ dd 0 = R d i dq + p ψ dq
整理后电机电压方程为：
⎜⎛ usd ⎟⎞ ⎜⎛ Rs + pLsd
⎜ usq ⎟ ⎜ ωLsd
⎜ ⎜
ue
⎟ ⎟
=
⎜ ⎜
恒功率控制：电机端电压增加到额定值之后，采用继续增加 电源频率的办法来提高转速，电源电压保持额定值。在恒功 率控制区域内，同步电机的输出转矩随着频率的升高而成反 比减小
转矩控制：
T = 3pmUE f sin δ + 3pmU 2 ( X d − X q ) sin 2δ
ω1 X s
2ω1
Xd Xq
xd > xq
¾转子磁极单独制造，而后固定在转子轭上，加工相 对比较容易，但机械强度不如隐极转子，一般用于低 速的水轮发电机和中小功率电机 ¾转子一般装有阻尼绕组，用以削弱负载不平衡产生 的逆序磁场，同时抑制机械振荡 ¾可作为同步补偿机，向电网发出感性或容性的无功 功率
反应式同步电机特点：
¾转子为凸极结构，但没有励磁磁场，x d ≠ x q
简化电压向量图
电压方程
U q = E f + X d Id U d = X qIq
功率方程
P = 3UI q cos δ + 3UI d sin δ
= 3UE f sin δ + 3 U 2 ( X d − X q ) sin 2δ
Xd
2
Xd Xq
基本电磁功率
凸极电磁功率
转矩方程
由功率表达式推导：
T = 3pUEf sinδ + 3pU2 ( Xd − Xq )sin2δ
⎪ ⎪ ⎭
各绕组的电感系数 ：
L sd = L e = L sσ + L md L sq = L sσ + L mq L dd = L d σ + L md L dq = L d σ + L mq
定子电压空间矢量方程：
u sd = R s i sd + p ψ sd − ωψ sq u sq = R s i sq + p ψ sq + ωψ sd
U = E f + jX s I a
功率方程
P
=
3UI a
cos ϕ
=
3UE f Xs
sin δ
转矩方程
由功率推导：
T = 3 p UE f sin δ ω1 Xs
磁场相互作用： T = 3 pΦ f Ia sinδT
稳态运行时的转矩－功率角特性曲线 隐极同步电机稳定极限 90 0
3
2 凸极式同步电动机
¾由于消除了转动中电刷的机械磨损，与普通直流电 机相比还具有运行可靠性高、维护容易、使用寿命长、 噪音低等优点。
¾一般与120度导通型逆变器配合，实现方波驱动， 驱动和位置反馈系统结构简单，成本低，电机单位电 流产生的转矩大。
正弦波永磁同步电机
表面式转子
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内置式转子
永磁同步电机定转子结构图
反电势波形
特点：
¾交交变频矢量控制系统：使用交交变频器提供幅值频率可变 的三相正弦波电压，控制策略采用磁场定向的失量控制，可 构成高性能的同步电机调速系统。
5
4.1 他控式变频调速系统
控制原理：采用变频电压源时，隐极同步电动机的最大转矩 即牵出转矩为
Tmax
=
3pm ω1
UE f Xs
恒转矩控制：类似于异步电机VVVF控制，U在额定电压以内 时，保持U/ω1为恒定，可实现近似恒定气隙磁通和恒定转矩 控制。
¾结构简单，稳定性好，成本低； ¾效率和功率因数低，启动电流大，转矩质量比小， 只能在落后功率因数下工作； ¾没有启动转矩，因此需要额外的启动绕组 ¾可通过增加d-q轴磁路不对称提高输出转矩 ¾主要用于几分之一瓦～数百瓦的小功率范围
永磁同步电机转子磁场由永磁体产生 依据产生的反电动势波形可分为两种：
无换向器电机运行特性分析
定转子磁势
断续换流示意图
转矩角与换流 角关系
(忽略重叠角)
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换流角γ0＝0°时 转矩波形
换流角γ0＝60° 时转矩波形
稳态转速公式：
n
=
3 π
CeΦ
6 U 2 cos α f cos( γ 0 −
− Id R∑
μμ
) cos
2
2
调速途径：
调节整流测导通角α
功率因数：
调节转子磁通Φf
¾ 用作电动机时，一般需在转子上安装启动绕组 ¾ 可作为同步补偿机，向电网发出感性或容性的无
功功率
隐极式同步电机
隐极式同步电机的定子、转子断面图
凸极式同步电机
凸极式同步电机的定子、转子断面图
1
凸极同步电机的磁路
反应式同步电机
反应式同步电动机转子
凸极式同步电机特点： ¾转子磁极凸出，定转子铁心间气隙不均匀，
根据双反应理论，所有矢量都可在d-q坐标系下分 解为两个互相垂直的分量。
磁链方程：
ψ sd = L sd i sd + L md ( i dd + i e )
⎫
ψ sq = L sq i sq + L mq i dq
⎪ ⎪
ψ e = L md i sd + L e i e + L md i dd
⎬
ψ dd = L md i sd + L md i e + L dd i dd ψ dq = L mq i sq + L dq i dq
速度环电流环控制：根据转矩表达式，在δT基本保 持恒定条件下，控制电机定子电流大小即可调节电 机电磁转矩。电机速度环给出转矩指令值，转矩指 令值经过电流环计算得到电压指令值去控制前端整 流器，由此实现整个无换向器电机的控制。
无换向器电机换相方法
电机反电势波 形与换相点
逆变器电流 波形
反电势换流法（自然换流法）：同步机负载本身能发出反电 势，晶闸管可以利用反电势进行换流。
pLmd
⎜ 0 ⎟ ⎜ pLmd
⎜⎜⎝0 ⎟⎟⎠
⎜ ⎝
0
− ωLsd Rs + pLsq
0 0 pLmq
pLmd ωLmd Re + pLe pLmd
0
pLmd ωLmd pLmd Rd + pLdd
0
− ωLmq ⎟⎞⎜⎛isd ⎟⎞
pLmq ⎟⎜ isq ⎟
0
⎟⎜ ⎟⎜
ie
⎟ ⎟
Rd
0 + pLdq
ω1 Xs
2ω1 Xd Xq
基本电磁转矩
由磁场相互作用推导：
凸极电磁转矩
T
=
3pΦf
Ia
sinδT
+
3p 2ω1
Ia ( Xd
−
Xq ) sin2δT
稳态运行时的转矩－功率角特性曲线 凸极同步电机稳定极限 45 0 ~ 90 0
3 反应式同步电动机
转矩方程 T = 3 pU 2 ( X d − X q ) sin 2δ
一．方波永磁同步电动机（无刷直流电机 BLDCM )
二．正弦波永磁同步电动机（永磁同步电机 PMSM )
依据永磁体在转子上的位置不同，又可分为：
一．表面式永磁同步电动机 二．内埋式永磁同步电动机
Ld = Lq Ld ≠ Lq
方波永磁同步电机（无刷直流电机）
无刷直流电机定转子结构
反电势波形
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特点：
¾结构上相当于一台用半导体电子开关线路代替换向 器和电刷作用的直流电机，因此具有效率高、控制简 单、启动和调速性能好、转矩动态响应快等传统直流 电机的优点。
同步电机的开环拖动控制
特点：
变频器输出频率直接由速度给定信号决定，属于转速开环控 制，系统结构简单。 维持U/f 恒定可维持近似恒定磁通控制。
缺点：
1、轻载和低速下的振荡现象，特别是反应式电动机。 2、存在失步问题
用途：
只少量用于小容量多电机拖动系统，如纺织机械、化工机械等
4.2 交直交负载换相同步电机控制系统
反电势换流示意图 逆变桥的换流也可以采用其他强迫换流方法，但需要复杂的专 门换流电路，价格昂贵，体积增大。除了特殊场合外很少采用。
电流断续换流法：是解决电动机启动和低速运行阶段（10％ 额定转速以内）反电势较小时换流最简单、经济的方法，是 无换向器电机反电势换流法的有效补充。需注意两种换流法 的平滑切换。
他控式（速度开环）变频调速系统：基于电机稳态方程，通 常使用电压型变频器，变频器输出固定频率电压时，电动机 的转速跟踪同步转速运行，转矩角随负载增加而增加，直至 牵出同步。
自控式变频调速系统：
¾交直交负载换相同步电机控制系统：通过电机轴上的位置传 感器信息来控制变频器触发信号，迫使变频器频率追上电机 速度 。转矩角可控制为恒定，负载变化时，系统自动调节电 流给定，电机不会被牵出同步。
同步电动机的变频控制方法
1、同步电动机的类型
同步电机－机械转速与给定电频率同步
常用同步电机类型
电励磁
永磁体
无励磁
按转子 结构： 隐极同步机 凸极同步机
按励磁 回路： 有刷励磁 无刷励磁
按转子永磁 体结构： 表面式转子 内置式转子
按反电势 波形： 方波电机 正弦波电机
反应式 同步电机
同步电机特点: 1. 转速与磁场同步，当极对数pm一定时，转速
E f 为常数
转矩－功率角特性 稳定极限约为 90 0 ~ 135 0
3、电励磁同步电动机动态数学模型
与异步电机一样，同步电动机同样也是一个高阶、 非线性、强耦合的多变量系统。为简化问题，分 析主要非线性和耦合性质，在建立数学模型时作 以下假设和约定： ¾电机定转子三相绕组完全对称 ¾定子表面光滑，无齿槽效应，转子上除励磁绕 组外还有阻尼绕组 ¾磁饱和、涡流及铁芯损耗忽略不计 ¾采用电机统一理论，将电机归结为两绕组模型： 定子绕组和阻尼绕组都分别等效地分解为直轴绕 组和交轴绕组，与励磁绕组一共五个绕组，假定 五个绕组具有完全相同的匝数
n与频率f有严格的对应关系－ n=60f/pm；
2. 效率高，功率因数高且可调； 3. 定转子气隙大、转矩动态响应快，所以控制
性能优异,并且容易实现大容量；
隐极式同步电机特点： ¾ 转子外形为圆柱体，定转子铁心间气隙均匀，
xd = xq
¾ 转子采用整块合金锻造而成，机械强度高，适合 于高速运行，但制造比较困难，主要用于大型汽 轮发电机
转子励磁电流
当转子磁通Φ f 和转矩角δT为恒量时，同步电动机类似于直 流电机，转矩和电枢电流 Ia 成比例关系。
对凸极电机也有类似结论成立，只是凸极转矩项会对影响转 矩与电枢电流的线性比例关系，采用转速外环后对转速影响 较小。
换流角控制：根据同步电机反馈的转子位置触发相 应桥臂晶闸管，向电机两相绕组馈入方波电流，方 波电流每360度电角度依次进行六次换向，以使转矩 角δT平均值保持恒定。