陈伯时电拖课件 第八章

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1、第 8 章同步电动机变压变频调速系统 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统内容提要n同步电动机变压变频调速的特点及 其基本类型n他控变频同步电动机调速系统n自控变频同步电动机调速系统8.1 同步电动机变压变频调速的特点及其基本类型 本节提要n概述n同步调速系统的类型n同步调速系统的特点1. 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l优点：

2、 （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；l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 ；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。例如p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。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

3、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。 （8-1） 同步调速系统的特点（续）（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。 （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

4、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。同步调速系统的特点（续）（5）异步电动机由于励磁的需要，必 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

5、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）返回目录*8.2 他控变频同步电动机调速系统 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。本节提要n转速开环恒压频比控制的同步电动机群 调速系统n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n由交-交变压变频器供电的大型低速同步 电动机调速系统

6、n按气隙磁场定向的同步电动机矢量控制 系统n同步电动机的多变量动态数学模型*8.2.1 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。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 。n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 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

7、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。n系统控制n 系统特点l系统结构简单，控制方便，只需一台变 频器供电，成本低廉。l由于采用开环调速方式，系统存在一个 明显的缺点，就是转子振荡和失步问题并 未解决，因此各台同步电动机的负载不能 太大。*8.2.2 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n概述大型同步电动机转子上一般都具 有励磁绕组，通过滑环由直流励磁电 源供电，或者由交流励磁发电机经过 随转子一起旋转的整流器供电。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

8、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（Load-commutated Inverter，简 称LCI）。n 系统组成图8-2 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n 系统控制在图8-2中，系统控制器的程序包括转 速调节、转差控制、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（包括电流调节和电 源侧变换器的触发控制）。 n 换流问题LCI同步调速系统在起动和低速时 存在换流问题， l低速时同步电动机感应电动势不够

9、 大，不足以保证可靠换流；l当电机静止时，感应电动势为零， 根本就无法换流。n 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。 8.2.3 由交-交变压变频器供电的大型低速同步电动机调速系统 n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（又称周 波变换器）供电，其输出频率为202

10、5Hz （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 120150r/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。n 系统组成图8-3 由交-交变压变频器供电的大型低速同步电动机调速系统 这类调速系统的基本结构画在图8-3 中，可以实现4象限运行。控制器按需要可以是常规的，也可以 采用矢量控制，后者在下一小节再详细讨 论。 n 系统控制*8.2.4 按气隙磁场定向的同步电动机矢量控制系统 1. 概 述为了获得高动态性能，同步电动机变压 变频调速系统也可以采用矢量控制，其基本 原理和异步电动机矢量控制相似，也是通过 坐标变换，把同步电动机等

11、效成直流电动机 ，再模仿直流电动机的控制方法进行控制。 但由于同步电动机的转子结构与异步电动机 不同，其矢量坐标变换也有自己的特色。 2. 系统模型 n 假定条件（1）假设是隐极电机，或者说，忽略凸极 的磁阻变化； （2）忽略阻尼绕组的效应； （3）忽略磁化曲线的饱和非线性因素； （4）暂先忽略定子电阻和漏抗的影响。其他假设条件和研究异步电动机数学模型 时相同，见第6.6.2 节。 n 二极同步电机物理模型图8-4 二极同步电动机的物理模型 n 模型描述图中，定子三相绕组轴线 A、B、C 是 静止的，三相电压 uA、 uB、 uC 和三相电 流 iA、iB、iC 都是平衡的，转子以同步转 速1

12、旋转，转子上的励磁绕组在励磁电压 Uf 供电下流过励磁电流 If 。沿励磁磁极 的轴线为 d 轴，与 d 轴正交的是 q 轴，d-q 坐标在空间也以同步转速 1 旋转，d 轴与 A 轴之间的夹角 为变量。 在同步电动机中，除转子直流励磁外 ，定子磁动势还产生电枢反应，直流励磁 与电枢反应合成起来产生气隙磁通，合成 磁通在定子中感应的电动势与外加电压基 本平衡。同步电动机磁动势与磁通的空间矢量 图示于图8-5a。n 同步电机的空间矢量 1图8-5 同步电动机近似的空间矢量图和时间相量图 a）磁动势和磁通的空间矢量图同步电机的空间矢量（续）同步电机的空间矢量（续）Ff 、f 转子励磁磁动势和磁通，

13、 沿励磁方向为d轴； Fs 定子三相合成磁动势； FR 、R 合成的气隙磁动势和总磁通；s Fs与FR间的夹角；f Ff 与 FR 间的夹角。图中：n 矢量变换将 Fs 除以相应的匝数即为定子三相 电流合成空间矢量 is ，可将它沿M、T轴 分解为励磁分量 ism 和转矩分量ist。同样 ，Ff 与相当的励磁电流矢量 If 也可分解 成 ifm 和 ift 。l 矢量变换公式由图8-5a不难得出下列关系式（8-2） （8-3） （8-4） （8-5） （8-6） （8-7） 图8-5 b 电压、电流和 磁链的时间相量图n 定子电压方程在图8-5b中画出了定子一相绕组的电压、 电流与磁链的时间相

14、量图。定子电压方程（续）气隙合成磁通 R 是空间矢量，R 对 该相绕组的磁链 Rs 则是时间相量， Rs 在绕组中感应的电动势 Es 领先于 Rs 90。按照假设条件，忽略定子电阻和漏抗， 则 Es 与相电压 Us 近似相等，于是 （8-8） n 电流关系分析在图8-5b中，is 是该相电流相量，它 落后于 Us 的相角 就是同步电动机的功 率因数角。根据电机学原理，R 与 Fs 空间矢量的空间角差 s 也就是磁链Rs 与电 流 is 在时间上的相角差，因此 = 90 s ，而且 ism和 ist 也是 is 相量在时间相量图上的分量。电流关系分析（续）由此可知：定子电流的励磁分量 ism 可

15、 以从定子电流 is 和调速系统期望的功率 因数值求出。最简单的情况是希望 cos = 1，也就是说，希望 ism = 0。这样，由期望功率因数确定的 ism 可作为矢量控制系统的一个给定值。n 定子电流方程以A轴为参考坐标轴，则d轴的位置角 为 = 1 dt ，可以通过电机轴上的位置 传感器 BQ 测得（见图8-6）。于是，定 子电流空间矢量与 A 轴的夹角 便成为 （8-9） 定子电流方程（续）由的幅值和相位角可以求出三相定子电 流（8-10） n 电磁转矩方程根据机电能量转换原理，同步电动机的电 磁转矩可以表达为（8-11） 定子旋转磁动势幅值 由式（8-2）及式（8-6）可知 （8-1

16、2） （8-13） 将定子旋转磁动势 幅值表达式（8- 12）及式（8-13）代入式（8-11），整理 后得（8-14） 式中3. 同步电机矢量控制系统图8-6 同步电动机基于电流模型的矢量控制系统位置传感器n 工作原理同步电动机矢量控制系统采用了和 直流电动机调速系统相仿的双闭环控制 结构。 l转速控制：ASR的输出是转矩给定信号 Te*，按照式（8-14），Te* 除以磁通模拟 信号 R* 即得定子电流转矩分量的给定 信号 ist* ，R* 是由磁通给定信号 * 经 磁通滞后模型模拟其滞后效应后得到的 。l 磁通和电流控制（1）* 乘以系数 K 即得合成励磁电流 的给定信号iR*，另外，按功率因数要求 还可得定子电流励磁分量给定信号ism*。（2）将 iR* 、ist*、ism* 和来自位置传感 器BQ的旋转坐标相位角 一起送入矢量 运算器，按式（8-7）以及式（8-9）、 （8-10）计算出定子三相电流的给定信 号 iA*、iB*、iC* 和励磁电流给定