自控变频同步电动机调速系统

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1、辽宁工程技术大学课程设计（论文） 1 一. 概述 自控变频同步电动机也称无换相器电动机或无整流电动机，也称之为 无刷电动机或电子换向电动机。 自控同步电动机具有直流电动机的调速特性，但没有换向器，可以做 成无接触式。它又具有与异步电动机一样的结构简单、容易维护和检修等 优点。无换向器电动机适合于矿山、水泥、化工、纺织等恶劣环境，对需 要大容量高转速的工业部门也是一种理想的调速电动机。 二. 方案设计 2.1 自控同步电动机调速系统设计 2.1.1 自控同步电动机调速系统的组成一个自控频度同步电动机调速系统应由同步电动机、变频电源、转子位置 检测器及辅助电路组成。变频电源可以是交-直-交变频器，

2、也可以是交-交变频 器。采用交-直-交变频器时称为直流无换向器电动机，采用交-交变频器时称为 交流无换向器电动机。如图所示为采用交直交变频器的自控变频器同步电动机 调速系统的结构原理图 自控变频同步电动机调速系统结构原理图系统由晶闸管三相整流桥 UR，直流平波电抗器 ，晶闸管逆变桥 CSL， d L 三相同步电动机 MS，转子位置检测器 BQ 及整流、逆变电路的触发控制环节等 构成。由于电流源变频器提供的电流是 的方波，因而定子三相合成磁势不 120 o辽宁工程技术大学课程设计（论文） 2 是恒速旋转的，而是步进磁动势，它和恒速旋转的转子磁动势相互作用产生的 转矩使电动机旋转。 2.1.2 自

3、控同步电动机的电磁转矩普通直流电动机在正、负 2个电刷间有多片换向片，电枢转一周要换向多 次。无换向器电动机每周只换向 6次，每个极下换流 3次，相当于只有 3个换 向片的直流电动机，所以其电磁转矩必然含有较大的脉动成分。如何使脉动成 为减小，必须进一步分析其电磁转矩与哪些因素有关。按电动机容量大小不同，晶闸管逆变器可采用三相桥式和三相半波接法。 如果转子磁场在气隙中按正弦规律分布，且在定子每相绕组中通以持续的直流 电源，则这个电流在转子磁场作用下产生的转矩随转子位置不同而按正弦规律 变化。如果逆变器采用三相半波接法，每相绕组中通过的不是持续的直流电流， 而只是通过三分之一周期。即 。在每个相

4、电流和转子磁场作用下所产生的 120 o 转矩也只有正弦曲线上相当于三分之一长的一段，是哪一段取决与绕组开始通 电时的转子位置。触发晶闸管产生的转矩平均值最大，脉动最小。从产生转矩 的角度看，这种情况是最有利的，习惯上把这个位置定为晶闸管触发相位的基 准点，定为 =0。 0 三相半波逆变器供电时的转矩触发晶闸管的时间提前或延后，都会导致转矩平均值减小，脉动成分增加。 如图所示表示 = 时的电动机转矩。显然，出现转矩瞬时值为零的点会造成 0 30 o 电动机启动时出现死点。因此对于三相半波逆变器， 不应大于 。 0 30 o同理，当采用三相桥式逆变器时，转矩曲线如图所示辽宁工程技术大学课程设计（

5、论文） 3三相桥式逆变器供电时的转矩比较以上两种情况可知： 1. 三相桥式接法转矩较大，脉动较小，尤其在 =0。时，更为有利。 0 2. 桥式接法， 增大到 时转矩曲线过零点。这只是从转矩角度分析 0 30 o 问题，后面我们分析换流时会看到，利用反电势自然换流对 还有不 0 同的要求。 2.1.3 自控同步电动机的换流晶闸管逆变器的换流方法有强迫换流、电网电压换流和反电势换流。对 于无换向器电动机的逆变器，由于同步电动机本身能发出所需要的电动势，因 此多采用反电动势自然换流的方法。如下图所示，假设在换流之前共阳极组 和共阴极组 导通，即 1 VT 2 VT A，C 两相导电，现在要把 A 相

6、电流转到 B 相，需触发 和关断 ，应在两 3 VT 1 VT 波形交点 K 之前的某一点（如 S 点）来触发 ，满足 的条件。 被触 3 VT a e b e 3 VT 发导通后，晶闸管 ， 和电动机 A，B 两绕组间产生一局部环流 ，其方 1 VT 3 VT c i 向如下图所示。当此电流与原通过 的负载电流相等时，流过 的实际电流 1 VT 1 VT 为零而开始关断。负载电流就全部转移到 ，A，B 两相之间的换流结束。S 2 VT 和 K 之间的角度为换流提前角 。如果 不是提前 角触发，而是在自然换 0 3 VT 0 成流点或它的后面触发，则 小于等于 0，A相电流不会下降， 不会关断

7、。 ab e 1 VT 经电角度后 触发导通，就会造成 和 直通短路，这是不允许的。 4 VT 1 VT 4 VT辽宁工程技术大学课程设计（论文） 4反电势换流原理 采用反电动势换流的优点是不需要增加辅助换流设备，比较经济。但在低 速时电动机的反电势很小，不能保证晶闸管可靠关断。为解决这一问题可采用 断流法，即在换流时，设法使逆变器的输入电流下降到零，使所有的晶闸管都 暂时关断，之后再给换流后应该导通的晶闸管加上触发脉冲，使它导通以实现 换流。通常采用的办法是封锁电源，或让整流器也进入逆变状态，使通过电动 机的电流迅速减小以达到“断流”的目的。 在电流型变频器直流回路中串有平波电抗器，它可以延

8、缓电流的衰减过程， 因此要在电抗器两端并接一个续流晶闸管 ，如图所示，当电流减小时， 0 VT 触发，让平波电抗器经 续流，延缓了电抗器中储能的释放，以便不影响 0 VT 0 VT 逆变器的断流。换流结束，整流桥恢复整流状态后， 自行关断。 0 VT断流时间长，换流可靠。但断流期间电动机没有电磁转矩，对运行不利。 当采用断流换流时， 的大小已无意义，为了增大启动转矩，一般取 =0，当 0 0 电动机进入高速阶段时，在将改为，以便实现反电势换流。 2.1.4 自控同步电动机的过载能力从前面的讨论可知，当无换向器电动机的负载增大时，其换流的提前角由 空载的 减小为 ，换流重叠角 随负载的增加而增加

9、，如下图所示，这样， 0 就使晶闸管承受反压时间变小。为了确定可靠换流，必须满足0 1 ( ) off K t 式中 K安全系数-逆变器工作角频率，取最大可能值 1 辽宁工程技术大学课程设计（论文） 5-晶闸管关断时间 off t采用晶闸管续流的断流主电路 负载对换流角的影响 如果忽略不计，则图中 和 的交点相当于电机的过载能力 ( ) a f i ( ) a f i 的极限值。无换向器电动机的过载能力比较低，一般只有 1.5-2倍，有的电动机 甚至只有 1.25倍，由图可知，要提高过载能力，可以通过减小功角 和重叠角 来实现。 2.2 自控同步电动机的转子位置检测自控同步电动机轴上带有的位置

10、检测器发出信号，控制逆变的触发相位， 从而实现闭环的频率控制。位置检测器的结构形式很多，应用较广的有霍尔元 件式位置检测器光电式位置检测器接近开关式位置检测器和电磁感应式位置检 测器等。下面仅以电磁感应式位置检测器说明转子位置检测原理。下图为一种电磁式位置检测器示意图。它由与电动机转子同轴的带 电 0 180 角度缺口的导磁圆盘和三个相隔 电角度的差动变压器组成。差动变压器铁 0 120 心为“E”字形，上有两组线圈，如图（b）所示，外侧的原边线圈由高频电源 供电，中柱上的副线圈输出信号。如图（b）所示，当铁心对着整块圆盘时，由 于磁路对称，在二次绕组中不会感应出电动势；当铁心对住圆盘缺口时，

11、如图 （c）所示，由于右边开口，磁组大，磁通只经过左柱和中柱，二次绕组将感应 出电动势，发出信号。齿盘旋转时 A 相变压器与它的齿相对的 电角度有信 0 180 号，输出高电平，与它的槽相对的 电角度无信号，输出低电平，因为 B 相 0 180 滞后 A 相 ，C 相滞后 B 相 ，齿盘顺时针旋转，则 A 信号超前 B 信号 0 120 0 120 ，超前 C 信号 ，如图（a）所示。逆变桥有 6只晶闸管，需 6个触发 0 120 0 240辽宁工程技术大学课程设计（论文） 6 信号。检测元件输出的 3个信号经图（c）所示的逻辑电路时行逻辑变换后，得 到图（b）所示的 6个信号，用 6个信号作

12、为触发信号，其变化规律与晶闸管的 导通规律相符。这样，即可使逆变桥的工作通过位置检测器与同步电动机连起 来。电磁感应式位置检测器 2.3自控同步电动机的机械特性 根据半导体技术理论，当考虑换流重叠角 时，逆变器输入端的直流电压 平均值 和电动机相电压 之间的关系为 d U U 0 3 6 cos( )cos 2 2 d U U 如果认为电动机相电压 U 与相电势 E 相等，则有1 1 1 1 1 2 2 / 60 N N U E f N K pn N K 式中 n电动机转速 -相绕组匝数 1 N -绕组系数 1 N K -每级气隙磁通量 整流器输出直流电压 可表示为 d E0 cos d d

13、a d E U U i R 其中， 为主电路和电动机的总电阻 R 由以上 3个式子可以得到转速方程辽宁工程技术大学课程设计（论文） 70 0 cos cos( )cos 2 2 d d e U I R n K 式中， ，为电势常数 1 1 3 10 e N K pN K 电动机的转矩2 / 60 d d d e P U I T n 则由上式可得0 2 2 2 0 0 cos cos( )cos cos ( )cos 2 2 2 2 d e e e m U R n T K K K 如果励磁磁通保持为常数，其机械特性如图所示 励磁恒定时的机械特性 由图可知，其机械特性与它励直流电动机相似。由上式可

14、知，调节也会使 转速变化。 0 辽宁工程技术大学课程设计（论文） 8 心得体会通过本次的设计，我首先对自控同步电动机的工作原理及其它的结构原理 图有了初步的认识和了解，随后又对它的电磁转矩，换流，过载能力以及机械 特性进行了深层次的分析，通过对以上知识点的分析很好的培养了我的分析能 力，并将所学知识很好的应用到了这次的设计中，同时也培养了我的动手能力， 增长了见识，开拓了眼界，对一些新鲜事物有了更深层次的认识，也让我对这 些新鲜事物产生了浓厚的兴趣，为我今后的学习起到了很好的铺垫作用。辽宁工程技术大学课程设计（论文） 9 结论 在本次的设计当中，在设计之初我们首先了解了自控同步电动机的工作原

15、理，在工作原理中我们又学习了自控同步电动机的组成及其结构原理图，对自 控同步电动机有了初步的了解。接下来又对自控同步电动机的电磁转矩和自控 同步电动机的换流进行了比较详细的分析，在经过比较详细的分析之后得出结 论，从产生的角度来看，习惯上是把 =0 点定为晶闸管触发相位的基准点。从 0 换流的角度来讲，当电动机进入高速阶段时，将 改为 ，以便实现反电势 0 0 60 换流。接下来又对自控同步电动机的过载能力进行了进一步的分析，由设计中 的图可知，要提高过载能力，可以通过减小功角 和重叠角 来实现。随后我 们又对自控同步电动机转子位置进行了检测，并描绘了自控同步电动机的机械 特性没，完成了本次设计的整体设计方案。辽宁工程技术大学课程设计（论文） 10 参考文献 1. 陈伯时主编. 电力拖动自动控制系统，北京：机械工业出版社，1997 2. 孟庆春主编. 电力拖动自动控制系统，辽宁：东北大学出版社，2005 3. 陈伯时，陈敏逊主编. 交流调速系统.，北京：机械工业出版社，1998 4. 张明达主编. 电力拖动自动控制系统，北京：冶金工业出版社，1983 5. 谭建成主编. 电力控制专用集成电路，北京：机械工业出版社，2004