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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,内容提要,同步电动机变压变频调速的特点及其基本类型 他控变频同步电动机调速系统 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 概述 同步调速系统的类型 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。,同步电机的特点与问题,优点： （1）转速与电压频
2、率严格同步； （2）功率因数高到1.0，甚至超前； 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；,解决思路,问题的根源： 供电电源频率固定不变。 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,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。 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
3、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（或永久磁钢）外，还可能有自身短路的阻尼绕组。,（4）异
4、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
5、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）,*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,转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速系统 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 由交-交变压变频器供电的大型低速同步电动机调速系统 按气隙磁场定向的同步电动机矢量控制系统 同步电动机的多变量动态数学模型,*8.2.1 转速
6、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。,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,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。 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 * 可以逐渐地同时改变各台电机的转速。,系统控制,
7、系统特点,系统结构简单，控制方便，只需一台变频器供电，成本低廉。 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,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
8、逆变器（Load-commutated Inverter，简称LCI）。,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,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）。,换流问题,LCI同步调速系统在起动和低速时存在换流问题， 低速时同步电动机感应电动势不够大，不足以保证可靠换流； 当电机静止时，感应电动势为零，根本就无法换流。,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
9、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,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2025Hz（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。,系
10、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。,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,假定条件 （1）假设是隐极电机，或者说
11、，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。,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,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。
12、,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。,同步电机的空间矢量,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，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：,矢量变换,将 Fs 除以相应的匝数即为定子三相电流合成
13、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 。,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,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
14、 近似相等，于是,（8-8）,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。,定子电流方程,以A轴为参考
15、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）,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,（8-12）,（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,工作原理,同步
16、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。 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。,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* 和励磁电流给定信号if*。,
