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1、同步电动机与变频调速,第七章,7.0 概述 同步电动机只能以同步速旋转，转速与频率之间有如下固定关系 r/min （7-1） 很久以来，同步电动机是不调速的。但是，自从有了变频技术，这个惯例就被打破了。现在，同步电动机不仅能够调速，而且已经成了异步电动机调速的有力竞争者。在很多方面两种电动机相似，前面对异步电动机的很多讨论也同样适用于同步电动机，差别较大的是凸极同步电动机与永磁同步电动机。,表面磁铁永磁同步电动机按绕组分布还可以进一步细分为正弦波表面永磁同步电动机与梯形波表面永磁同步电动机。,7.1 同步电动机 同步电动机按励磁方式可以分为直流励磁同步电动机和永磁同步电动机。,直流励磁同步电动
2、机按转子结构还可分为凸极式和隐极式两种形式；,永磁同步电动机按转子结构还可分为表面磁铁和内部磁铁两种形式；,它的定子绕组与异步电动机相同,以同步速旋转的凸极转子上有励磁绕组,绕组中通有直流励磁电流,这个励磁电流可以通过电刷、滑环来自外部,也可以来自内部的发电整流装置。由于转子总以同步速旋转,同步旋转d-q坐标系就固定在转子上,且d轴与N极同方向,也就是按转子定向,如图所示。,7.1.1 直流励磁同步电动机,图7-1理想化的三相二极凸极同步 电动机,由于转子上有独立的励磁回路,定子电流可以没有励磁分量(功率因数等于1)或者有一定的励磁分量(功率因数滞后)或者有一定的负励磁分量(功率因数超前),取
3、决于转子励磁电流所产生的气隙磁通能否感应出足够的电势去平衡定子绕组上的外施电压。因而同步电机除了作发电机、电动机使用外，另一个重要的用途是无功补偿。异步电动机则不然,定子必须为转子提供励磁(定子电流总有励磁分量),使得功率因数总是滞后。,除了励磁绕组外，转子上还可能有阻尼绕组，像异步电动机转子上的鼠笼。,1.等效电路 可以按照与异步电动机相似的方法推导出同步电动机的每相等效电路,如图7-2所示.电机等效成变压器,转子直流励磁电流If可以折算到定子侧,用频率等于1的交流电流If代替(相当于从d-q坐标系变换到A-B-C坐标系),n是匝比.利用戴维南定律,图(a)可以变换成图(b),这里Uf=1L
4、mnIf=1f被定义为直流励磁电流If产生的f在定子绕组中所感应出的交流速度电势。没有转差功率,稳态运行时,所有传过空气隙的功率(被速度电势Uf吸收的功率)都转换成了机械功。,返回6,如果电机过励磁(If大，Uf大),过多的滞后的感抗电流被送到输入端输出,即输入端功率因数超前；,另一方面,如果电机欠励磁(If小,Uf小),它就从定子电流Is中吸取一部分(励磁分量)补充,即功率因数滞后。,R10,图7-2 同步电动机每相等效电路,图7-3示出了图7-2等效电路的相量图，(a)电动模式，功率因数超前；(b)电动模式，功率因数滞后。图中a为电枢反应磁链，s为定子磁链。,R,图7-3 等效电路相量图
5、a)功率因数超前 b)功率因数滞后,2. 转矩的产生,(7-9),(7-10),推导如下：,图7-3,在图7-3(a)中，忽略电阻Rs，可以写出Is的表达式 （7-4） 或者 （7-5） 电动机的输入功率为 （7-6） 将式(7-5)代入到式(7-6)得 （7-7） 如果忽略不计电动机的损耗，Pin也就是输送到电动机轴上的功率 （7-8） 综合考虑式(7-7)和(7-8)得 （7-9） （7-10）,稳定运行的要求限定转矩角在=/2的范围内，在这个范围之外运行不稳定。如果不考虑磁路饱和的影响，转矩曲线的幅度与励磁电流成正比。,图7-4 隐极同步电动机转矩-特性,3. 转矩角的物理意义 式 交流
6、电动机的转矩与定子磁链、转子磁链以及它们夹角的正弦三者的乘积成正比.当转矩角=0时,定、转子磁极在同一轴线上,磁拉力最大,但无切向力,所以转矩为0.当角不为0时,转矩与转矩角成正弦函数关系,当=90,转矩最大,当=180,定、转子磁极又在同一轴线上,这时两对磁极同性相斥,斥力最大,但无切向力,转矩也为0.当180时,转矩变为负值,但仍按正弦规律变化.,图7-5 转矩角示意图 (a)电动 （b）发电,4. 凸极同步电动机特性,对于凸极同步电动机,因为在d轴和q轴方向上气隙磁阻不一样,导致d轴与q轴方向励磁电抗不一样(即XdsXqs),图7-6示出了凸极同步电动机的相量图,为了简化,忽略定子电阻,
7、d轴与f同方向。定子电流Is产生的电枢反应磁链a与转子磁链f合成定子磁链s。,R9,图7-6 凸极同步电动机相量图（电动）,(7-17),(7-18),R,图7-7 凸极同步电动机转矩-关系,式(7-18)给出了同步电动机转矩Te与转矩角的函数关系。其中第一项是转子磁链f产生的转矩，与式(7-10)相同；第二项被定义为磁阻转矩，由同步电动机凸极效应引起(即XdsXqs)。磁阻转矩有使转子向磁阻最小的位置转动的趋势，与励磁电流If无关。 图7-7示出了凸极同步电动机的Te-关系曲线。磁阻转矩分量的稳定运行范围限制在/4以内，励磁转矩分量的稳定运行范围限制在/2以内，合成转矩的稳定运行范围限制在正
8、负最大转矩之内。从式（7-17）可以看出，如果维持Us/1恒定，对于确定的转矩角，转矩Te也是确定的。,5.同步电动机的近似动态模型 无阻尼绕组的隐极同步电动机的每相近似动态等效电路如图7-8所示,其中的em是与气隙磁链对应的电势,由于动态过程中气隙磁链变化缓慢,气隙电势后面的阻抗就忽略不计了(它们对动态过程的影响很小)。,图7-8 隐极同步电动机每相近似动态等效电路,1）无电刷、滑环,无转子铜耗,效率高； 2）同样的体积,输出功率可以更大； 3）转动惯量小,动态性能好； 4）更坚固紧凑的转子结构。,7.1.2 永磁同步电动机（PMSM-Permanent Magnet Synchronous
9、 Motor） 在永磁同步电动机中,转子上的直流励磁绕组被永磁体取代。这样作的优点是：,由于上述优点,永磁同步电动机在100kW以下的中小功率范围,在高性能伺服控制领域,获得了广泛的工业应用,作为高科技产业受到了世界各国的重视。它的主要缺点是：失去了励磁控制的灵活性,带来了去磁的可能性。,2.永磁材料 在永磁电动机里被广泛采用的是铝镍钴、铁氧体和稀土永磁材料。图7-10示出了这三种材料的典型退磁曲线。其中,稀土永磁材料性能最好,但价格也最贵,现代高性能永磁电动机大都采用稀土永磁材料。,R,3.正弦波表面永磁同步电动机 定子有三相正弦分布绕组,转子以同步速旋转,在定子绕组中感应出正弦电势。永磁体
10、用环氧树脂粘在转子的表面,如图7-11所示,转子有铁心。为了变速运行的稳定,转子上可能有类似鼠笼一样的阻尼绕组。,因为永磁材料的相对导磁率很接近1(r1),永磁体被粘在转子的表面,等于有效的空气隙加大,电动机是非凸极的(Ldm=Lqm)。由于空气隙比较大,导致励磁电感比较小,因而电枢反应产生的影响也比较小。,如果转子被外动力驱动,定子绕组输出三相正弦电压,成了永磁同步发电机,4.梯形波表面永磁同步电动机,返回60,R21,当电动机旋转时，除了磁极之间的间隙通过相绕组的轴线时，大部分时间内一相绕组内的磁通链是线性变化的(磁通密度梯形分布所致)。如果电机被一个原动机拖动，所感应出的定子相电势将是三
11、相对称的梯形波，如图7-13所示。需要一个电子逆变器在每相电压的中间位置（平直部分）提供120宽的方波交变电流给定子以产生平稳的转矩。,由于电子逆变器是必不可少的，所以常常合称它们为电子电动机。,把梯形波永磁电动机、电子逆变器和装在电机轴上的位置传感器合在一起看，它们就是一台直流电动机，一台无刷直流电动机（BLDM-Brushless DC Motor)。,梯形波永磁电动机结构简单，价格也不贵，比正弦波永磁电动机有更高的功率密度。广泛地应用在几个kW以下的小功率伺服驱动系统和各种应用电器中。,梯形波表面永磁电动机，除了它的三相定子绕组采用集中整距代替正弦分布外，其它方面类似正弦波表面永磁电动机
12、，它们都是隐极结构。图7-12示出了它的横截面，转子表面粘有二个磁极，磁极之间有间隙，以减小边沿效应。,图7-12梯形波表面永磁电动机(二极),7.2 变磁阻电动机 （VRM-Variable Reluctance Machine） 变磁阻电动机或者双磁阻电动机，如其名，有双凸极结构，定子和转子均为凸极。变磁阻电动机有两类，一类是开关磁阻电动机；另一类是步进电动机。,步进电动机基本上属于数字电动机，每一个数字脉冲对应移动一步或者旋转一个确定的角度。步进电动机广泛地应用在计算机外部设备和数控机床中。,7.2.1 开关磁阻电动机 图7-14示出了四相开关磁阻电动机的结构原理，它有四对定子极，三对转
13、子极（8/6电机），转子上没有任何绕组，也没有永磁体。定子绕组是集中式的而不是正弦分布式的，每个绕组称为一相，在一个变流装置的激励下顺序导通。例如，当转子极对a-a靠近定子极对A-A时，定子绕组A-A得电，磁拉力将转子拉过来，定、转子磁极对准后，定子绕组失电。定子四相绕组在转子位置传感器的帮助下顺序导通，产生单一方向的转矩。,与定、转子极对的相对位置有关的电感和相电流的波形绘于图7-14（b）中。,返回83,R25,图7-14（b）开关磁阻电动机 （b）电感和电流,正转时，定子相绕组在电感的上升沿导通产生电动转矩；在电感的下降沿导通产生制动转矩。在每一个控制周期中，一个适当的相绕组激励导通,转
14、子转动15（60-45=15），产生的瞬时转矩大小为 （7-21） 这里 m=电感曲线的斜率,i=瞬时电流。在电感的上升沿（或下降沿）电流可以被斩波维持恒定。,高速运行时，由于反电动势CEMF高，导致电流变化缓慢,如图所示,结果在电感曲线的负沿仍残留有有较大的电流,产生了制动转矩。,开关磁阻电动机结构简单，可靠耐用，其价格潜力优于其它类型的电动机，但是，从原理上讲，转矩存在脉动，还存在与此相关的噪音问题。,7.3 同步电机他控变频调速系统,同步电动机主要有二种运行方式：他控和自控。他控运行方式是用独立的变频电源控制同步电动机的速度，是真正意义上的同步电动机运行模式；自控运行方式所用变频器不是独
15、立的，受安装在转子轴上的位置传感器控制。,R,图7-15 永磁同步电机开环V/F控制,7.3.1 正弦永磁同步电动机开环V/F控制 同步电动机他控的一个例子示于图7-15中,这里使用一台PWM变频器驱动多台正弦永磁同步电动机或者多台磁阻电动机,属于简单的标量控制,类似第五章里讲过的异步电动机恒压频比控制.在化纤纺丝机中使用图7-15的方案解决多台电动机之间的速度同步问题.图中的函数发生器维持大致线性的V/f关系,达到定子磁通基本恒定的目的.低速时有电压提升,以补偿定子电阻上的压降.维持磁通恒定在额定值附近,有利于获得较大的每安培转矩,从而获得快速的动态响应.,系统可以电动运行,也可以制动运行;
16、可以恒磁通恒转矩模式,也可以弱磁恒功率模式,如图7-16所示.相应的相量图示于7-17中,相量图类似图7-3,忽略定子电阻Rs.一个等效的永磁体励磁电流If也标示在图中.,R33,图7-16 V/f控制特性,图7-17 同步电动机相量图,a,频率给定1*的突然变化可能造成同步电动机失步。为了在变速时不失步,需要限制1*的变化率,允许的最大加、减速能力受以下方程支配： （7-22） 从而可以导出最大加、减速如下 （7-23） （7-24） TeN=额定转矩。,在基速b,电压Us饱和(处于过调制状态,PWM脉冲合并),超出这一点,进入弱磁恒功率区,随着s减小,可以得到的转矩也减小,如图所示。,类似异步电动机，减速过程有能量回送，动态制动环节DB消耗回送的能量。减速过程的工作点沿DEFA变化。图7-16 速度反向是可
