第八章 同步电机调速

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1、第八章 同步电机变频调速系统 8.1 同步电机的变频调速8.2 他控变频同步电机调速系统及矢量控制8.3 自控变频同步电动机（无换相器电机）调速系统一、直流电机调速、交流异步电机调速和同步电机调速1、直流电机调速：直流电动机的缺点：结构复杂，存在机械磨损、噪声大、维护困难、价格昂贵换向产生火花，不适合易燃易爆等恶劣环境机械换向器的换向能力限制了电动机，难以制造大容量、 高转速、高电压的直流电动机，接触式的电流传输又限制了 直流电动机的使用场合；电枢在转子上，电动机效率低， 散热条件差，冷却费用高。为改善换向能力，减小电枢漏感， 转子变得短粗，GD2增大，影响系统的动态性能 直流电机调速的优点：

2、调速范围广，易于实现平滑无级调速起动、制动和过载转矩大易于控制，可靠性高，动态性能良好。2、交流异步电机调速：交流异步电动机的优点：结构简单，坚固耐用，维护工作量小运行效率高、转动惯量小，动态响应快，适应范围广可以制造大容量、高转速、高电压的交流电动机。交流异步电动机调速的缺点：异步电动机需丛定子侧励磁，电机功率因数低， 造成变频装置的功率因数低在高性能的矢量控制异步电动机调速系统中（最好的变压变频调速）， 转子参数受温度影响，产生控制误差，影响控制精度， 需加补偿措施或利用其他控制方式（如直接转矩控制）。异步电动机为提高其功率因数及效率，许尽量减小定、转子间隙 这使得制造困难，并不适合工作于

3、冲击振动大的场合。3、同步电机调速同步电动机的优点：普通同步电动机结构虽比笼型异步电动机复杂， 但比直流电动机简单；和同容量的直流电机相比，它具有效率高、过载能力大、 体积小、转动惯量小，省维护；可以制造大容量、高转速、高电压的同步电动机。同步电动机调速的优点：和异步电动机调速系统相比， 它具有功率因数高（可为1甚至超前）、转速恒定 转子参数可测、效率高等优点。特别是对于低转速、负载不断冲击振动的生产机械， 如：轧钢机和挖掘机，由交交变频器供电的同步电动机 矢量控制调速系统，其运行性能达到并超过了直流电机调速的水平 。同步电动机调速的缺点：起动费事，重载时有振荡以至于失步的危险。 采用转速频率

4、闭环控制解决失步问题。在三种调速系统中，直流调速系统虽然历史悠久，技术 成熟，并且在不断地完善自己（如全数字化），但由于 直流电动机的固有缺陷，必然被交流调速所取代。与异步电动机传动系统相比，有竞争能力的当属于同 步电机调速系统，她引起了人们的极大兴趣，在电气传 动领域中占很大比例，相信不久的将来，在取代直流调 速系统方面，其作用将超过交流异步电机调速系统。4、今后调速系统的发展趋势问题1：试比较直流电动机和直流电机调速系统、 异步电动机和交流异步电机调速系统、 同步电动机和同步电机调速系统的优缺点， 并指出今后调速系统的发展趋势。问题2：同步电动机按其结构不同可分为： 、 和 。1. 同步电

5、机概述同步电动机历来是以转速与电源频率保 持严格同步著称的。只要电源频率保持恒定， 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。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。n同步电机的特点与问题优点：（1）转速与电压频率严格同步；（2）功率因数高到1.0，甚至超前；n解决思路l问题的根源：供电电源频率固定不变。l解决办法：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。存在的问题： （1）起动困难； （2）重载时有振荡，甚至存在失步危险；例如p对于起动问题：通过变频电源频率的平

6、滑调节， 使电机转速逐渐上升，实现软起动。p对于振荡和失步问题 ：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。 2. 同步调速系统的类型（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。 （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。 3. 同步调速系统的特点（1）交流电机旋转磁场的同步转速1与 定子电源频率 f1 有确定的关系异步电动 机的稳态转 速总是低于同步 转速的，二者之差叫做转差 s ；同步电 动机的稳态转 速等于同步转速，转差 s = 0。

7、 （8-1） （2）异步电动机的磁场仅靠定子供电产 生，而同步电动机除定子磁动势外，转子 侧还有独立的直流励磁，或者用永久磁钢 励磁。 同步调速系统的特点（续）（3） 同步电动机和异步电动机的定子都 有同样的交流绕组，一般都是三相的，而 转子绕组则不同，同步电动机转子除直流 励磁绕组（或永久磁钢）外，还可能有自 身短路的阻尼绕组。（4）异步电动机的气隙是均匀的，而同 步电动机则有隐极与凸极之分，隐极式电 机气隙均匀，凸极式则不均匀，两轴的电 感系数不等，造成数学模型上的复杂性。 但凸极效应能产生平均转矩，单靠凸极效 应运行的同步电动机称作磁阻式同步电动 机。（5）异步电动机由于励磁的需要，必

8、须从电源吸取滞后的无功电流，空载时功 率因数很低。同步电动机则可通过调节转 子的直流励磁电流，改变输入功率因数， 可以滞后，也可以超前。当 cos = 1.0 时 ，电枢铜损最小，还可以节约变压变频装 置的容量。 同步调速系统的特点（续）（6）由于同步电动机转子有独立励磁， 在极低的电源频率下也能运行，因此， 在同样条件下，同步电动机的调速范围 比异步电动机更宽。（7）异步电动机要靠加大转差才能提高 转矩，而同步电机只须加大功角就能增 大转矩，同步电动机比异步电动机对转 矩扰动具有更强的承受能力，能作出更 快的动态响应。 同步调速系统的特点（续）交流同步电动机的特点： 电动机的转速与电源频率完

9、全成正比 。 Ns=60f/p (rpm) 转/分 式中：f: 电源频率 P: 极对数 Ns: 同步转速 同步电动机的特点和分类(总结)同步电动机按其转子结构不同可分为： 隐极式和 凸极式，交流异步电动机与同步电 动机的区别在于： 转速与电源频率不成正比，其 转速始终比同步转速还要低， 叫转差率。N=(1-s)ns(rpm) s=(ns-n)/ns*100% 同步电动机按其励磁方式不同可分为： 常见的有 ： 磁阻式同步电动机；磁滞式同步电动机；永磁式同步电动机。同步电动机按其励磁方式不同可分为：直流励磁、永久励磁、反应式 电动机的定子与异步电动机无多大出 入。不同之处在于转子片的形状。见图（1

10、）。为了使电机能自起动，转子片与异步电 机转子片一样具有鼠笼结构。但多了反应槽部分 。 开反应槽的目的是造成纵向磁阻和横向磁阻 的差别。磁阻差别越大反应转矩就越大。一台设计优越的磁阻电动机的功率可比同样 异步电动机大一个机座号。 1、磁阻式同步电动机电机的定子部分与一般的异步电动机无多 大区别，而转子结构有其特点，见图（2）。它的转子结构由非磁性材料制成。 在其表面套上一磁滞环构成. 一般磁滞环采用的材料为络钢、钴钢等。 在旋转磁场中磁场滞环被磁化后，由于环的磁 滞特性，使环磁通中滞后定子磁势轴一个角度, 并产生相应的转矩，由于这个关系，从零至同步转速都不变，所以转矩T是恒值 的。 磁滞同步电

11、动机从启动到正常工作过程中 ，基本与一般异步电动机性能相似，有较小的 起动电流和空载电流。工作也很平稳，但它一 般适用于较小功率的电机。 2、磁滞式同步电动机永磁同步电动机的种类很多，用量也非常大。如转子由永磁环，经多极充磁后制成，定子由带齿的磁 极加上集中绕组构成，其功率都很小。目前大量使用在家 用电器中。 工业用永磁同步电动机的功率都比较大，它的结 构与异步电动机结构相近。电机的定子部分与一般的异步 电机无多大不同，其转子结构与异步电机的转子区别是多 了一套永磁体。也即：在磁阻同步电动机的转子的反映槽 中放入永久磁铁，就成了永磁同步电动机了。永磁同步电动机具有良好的控制性能，可通过频率的

12、变化进行调速。 3、永磁同步电动机 永磁同步电机就其使用不同的永磁体，其性能特点有很大 区别。用铁氧体永磁材料制造的同步电动机。这类电动机研制的 年代最早，因此使用也最长久，它的特点是：a.由于铁氧体永磁材料的价格较低，因此此类永磁同步电 动机的价格相应的也较便宜。b.由于铁氧体永磁材料的磁能积比较低，磁场强度很小， 用铁氧体制造的同步电动机的体积相对就比较大，特别是制造 大容量的电动机的较困难。但此类电机的起动电流比异步电机 大不了多少。 用金属永磁体制成的永磁同步电动机，总的来说比用 铁氧体永磁材料制成的永磁同步电动机要优越些。用稀土永磁材料制成的永磁同步电动机，稀土永磁材 料具有很高的磁

13、能极，而且它的剩磁也特别高，用这类材料制 成的永磁同步电动机具有很多优越性。除前面介绍的优点外， 可缩小体积，提高工效。 同步电机变频调速的基本原理 和方法以及所用的变频装置 和异步电机变频调速大体相同。第七章所讨论的异步电机变频调速问题 （变频调速分段进行：基频以下调三种恒压频比控制方式从基频向上弱磁增速静止式变频装置：交-直-交变频装置交-交变频装置） 基本上都可以用于同步电机变频调速。异步电动机和同步动电机主要区别：（1） 异步电动机磁场靠定子供电产生，（大、中型）同步电动机在转子侧有独立的直流励磁小容量同步电动机常用永久磁铁励磁，其磁场可视为恒定 。磁阻式同步电动机，其转子没有任何磁场

14、，完全靠定子励 磁，靠磁阻的变化产生同步转矩（2） 异步电动机的转速始终比同步转速还要低同步电动机的转速始终等于同步转速， 与电源频率完全成正比。（3） 异步电动机永远在滞后的功率因数下运行，同步电动机的功率因数用励磁电流来调节， 可滞后、可超前，还可等于1。同步电动机除了拖动负载，还可负担无功功率。异步电动机和同步动电机主要区别：（4）同步电动机定子绕组与异步电动机定子绕组一样；同步电动机在转子侧有独立的直流励磁绕组（或永久磁铁 还有一个自身短路的阻尼绕组。当同步电动机在恒频下运行时，阻尼绕组有助于抑制重载时 容易发生的振荡。当同步电动机在转速闭环下变频调速，阻尼绕组便失去作用 ，增加数学模

15、型的复杂性。（5） 异步电动机间隙均匀同步电动机分凸极式（显极式）和隐极式。 隐极式间隙均匀 凸极式气隙磁阻不均匀，直轴磁阻小，与之垂直的交轴磁阻大 两轴的电感系数不同，还会因此而产生转矩的磁阻分量。问题3： 异步电动机和同步动电机主要区别是什么？问题4：参考异步电机变频调速方法，同步电机变频调速 是怎样实现分段控制的？8.2 他控变频同步电机调速系统及矢量控制一、转速开环恒压频比的同步电动机群调速系统二、由交交变频器供电的大型低速同步电动机调速系统三、由交交变频器供电的大型低速同步电动机调速系统四、同步电动机的矢量控制系统五、同步电动机的多变量数学模型一、 转速开环恒压频比控制的同步电动机群

16、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。这种系统采用多台永磁或磁阻同步电动机 并联接在公共的变频器上，由统一的频率给定 信号同时调节各台电动机的转速。 带定子压降补偿的函数发生器GF保证了 变频装置的恒压频比。系统组成图8-1多台同步电动机的恒压频比控制调速系统 缓缓地调节转速给定信号U* 可以逐步改变电动机的转速，达到额定转速后，中间直流 环节的电压不再升高。如果再提高频率，将进入 弱磁的恒功率区，转速升高时 ，输出转矩就要减小。l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。l PWM变压变频器中，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