《电机运动控制系统 洪乃刚第6章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电机运动控制系统 洪乃刚第6章（41页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第6章 同步电动机调速系统,6.1 同步电机控制基础,6.2 同步电动机变频调速系统和稳态控制,6.3 可控励磁同步电动机数学模型,6.4 可控励磁同步电动机按气隙磁场定向 的矢量控制系统,6.5 自控式无换向器电机变频调速系统,6.6 永磁同步电动机调速控制系统,6.1 同步电机控制基础 6.1.1 同步电机原理和分类,一 同步电机工作原理,同步电机由电枢和励磁二部分组成，电枢在定子上，与异步电机相同是三相绕组,励磁在转子上，励磁由直流绕组F或永久磁铁产生,转子上一般还有短路的阻尼绕组Dd和Dq,定子磁势转子绕组或永久磁铁产生励磁磁势和合成产生气隙磁势都以相同的同步角速度旋转,电动机状态定子
2、绕组接交流电源，定子磁势与转子磁势合成产生气隙磁势 气隙磁势与转子磁势的作用，对转子产生电磁转矩带动转子和负载旋转,在发电机状态时，转子由原动机拖动，转子励磁领先气隙磁势，将原动机机械功转化为电能输出。,电动机状态,发电机状态,同步电机由磁场的互相牵引产生转动，磁场的旋转速度就是电机的转速，在电动状态，转速与电源频率成正比，改变频率就可以调节转速；在发电状态，原动机的转速决定了发电机的输出频率，原动机转速稳定，发电机输出频率也是稳定的。,同步电机的转子一般有隐极和凸极两种，隐极式转子同步电机气隙均匀，凸极式转子气隙不均匀，直轴方向磁阻小，交轴方向磁阻大，使直轴电枢反应电抗和交轴电枢反应电抗不相
3、同,同步电机转子上可能有补偿绕组和阻尼绕组，补偿绕组用以补偿直轴电枢反应，阻尼绕组用于减小同步电机的振荡。阻尼绕组是转子上安装的短路导体，相当于异步电动机的笼型转子，因此同步电动机起动方式之一是利用阻尼绕组，使同步电动机先以异步方式起动，在接近同步转速后再接通转子励磁使电机牵入同步，在达到同步转速后阻尼绕组的感应电流为0，阻尼绕组失去作用。,二 同步电机分类,1. 可控励磁同步电机,2. 永磁同步电机,（1）正弦波永磁同步电机 定子绕组与一般交流电动机相同为三相分布式绕组，在输入三相正弦交流电时，每相产生磁场为正弦波，故称之正弦波永磁同步电机，一般永磁同步电机（Permanent magnet
4、 synchronous , PMSM）即是指正弦波永磁同步电机。,（2）梯形波永磁同步电机 定子一般采用集中式绕组，输入三相矩形波交流电时，各相产生的磁场为梯形波，故谓之梯形波永磁同步电机。梯形波永磁同步电机是从直流电机演化而来，它将直流电机转子上的电枢放到定子上，不再需要直流电机的电刷和换向器，因此梯形波永磁同步电机一般都称为无刷直流电机（Brushless DC motor, BLDM）。,可以通过直流励磁电流调节.,转子为直流励磁绕组，励磁,6.1.2 同步电机基本方程,一 电压方程,-功率因数角,与 的夹角,内功率因数角,与 的夹角,功率角,的夹角,二 同步电机电磁功率和电磁转矩 1
5、. 电磁功率（功角特性）,（1）凸极式同步电动机电磁功率,（2）隐极式同步电动机电磁功率,气隙均匀直轴和交轴磁阻相同,同步电动机电磁功率都是 角的正弦函数，,功率角,2. 电磁转矩（矩角特性）,凸极式同步机电磁转矩,隐极式同步机电磁转矩,同步电机转矩都是,角的正弦函数，,也称转矩角,也称转矩角,6.1.3 同步电机特殊问题失步和功率因数控制,一 同步电机的稳定运行和失步,A和B交点上都有,，,A是电机稳定工作点， B是不稳定工作点,在B点，如负载从,增加到,，由于B点,功率角增加，使,电机转速将下降，,在 区间转矩都小于,在,电机转矩为“-”，,电机继续处于减速状态，在,进入电机稳定,点稳定工
6、作。,运行区，电机将在,如果负载转矩,电机转速下降将使同步电动机进入“失步”状态。在“失步”状态，,角反复在,之间循环，,和转向都随 变化,电机转矩的大小,电机发生剧烈的机械振动和电流振荡,失步现象,同样情况也会发生在负载急剧变化的时候，这是需要避免的。在同步电机变频调速没有实现前，同步电机主要使用在负载比较稳定的场合，如大功率风机和水泵。,二 功率因数控制,在同步电动机一定工作状态，电机电源电压,和电枢阻抗,不变，,功率角 是固定的,在负载不变时同步,使定子电势 与,的相位是一定的，调节励磁使 增加， 与 的相位角 增加，即功率因数变化，强励磁下，功率因数从滞后变为超前,三 同步电动机的起动
7、,同步电动机起动时，如果直接合闸接通定子三相和转子励磁，定子磁场即以同步速旋转，但是转子速度是从零开始，使转子励磁与定子磁场转速不能同步，电动机功率角 在,之间重复变化，,不能起动。因此同步电机起动时一般需要由,一周期中电机产生的平均转矩为0，,再接通电源将电机转速牵入同步。,将同步电动机带到接近同步速时，,同步电动机,同步电机与直流电机比较,二者都有电枢绕组和直流励磁绕组，,其它动力（如异步电动机等）,电枢绕组流通的都是,交流电，两种电机本质相同。,同步电机没有换向器，定子绕组直接连接交流电源，因此交流电源频率就决定了电机转速（电动机状态）,同步电机和异步电机比较,同步电机和异步电机有相同的
8、定子结构，转子结构不同,异步电动机转子电流由定子绕组磁场感应产生，定子磁场旋转,速度与转子转速不同（异步），异步电动机转矩是转差的函数，电机转速随转矩变化。同步电动机转矩是功率角的函数，加大功率角就可以提高转矩但是转速不变，二者相比，同步电动机对转矩扰动有更强的承受能力。异步电动机低速时因为定子阻抗压降，磁通减小，低速性能较差，而同步电动机有独立的励磁，励磁不受转速影响，转速为稳定的同步速，因此同步电动机较异步电动机有更宽的调速范围和更好的调速性能。,6.2 同步电动机变频调速系统和稳态控制,同步电动机变频调速系统主要由变频器和同步电动机组成，同步电动机电压和频率也需要和异步电动机一样进行协调
9、控制，,即VVVF控制。异步电动机VVVF控制的目的是保持气隙磁通不变，同步电动机励磁是独立控制的，没有异步电动机的保持磁通不变问题，同步电动机VVVF控制的目的是，在变频调速中保持同步电动机的最大转矩不变。,6.2.2 同步电动机变频调速系统的分类,1. 它控式变频同步电动机调速系统,独立控制变频器的输出频率和电压，SPWM调制的逆变器，调节调制波的频率和幅值，就可以调节逆变器输出频率和电压。它控式变频同步电动机调速系统可以用于单机控制或多机群控,2. 自控式变频同步电动机调速系统,变频器输出频率由同步机转子位置控制的系统，它通过转子轴上连接的位置编码器BQ输出信号来控制变频器的输出频率，变
10、频器输出频率与转速严格保持同步，因 此自控式同步电动机变频调速系统没有一般同步电机的失步和振荡问题。,因为频率是自动控制的，调压就能调速使用方便。自控式同步电动机应用很多，采用永久磁铁的矩形波永磁同步电动机，通称直流无刷电动机。,6.3 可控励磁同步电动机数学模型,6.3.1 同步电机磁链方程,凸极式同步电机在二相dq 旋转坐标系上的磁链方程,对隐极式同步电机：,，,；,6.3.2 同步电机在二相旋转坐标系上的电压方程,转子励磁绕组和阻尼绕组在dq坐标系上的电压方程,定子电压方程,因为转子绕组定义在dq坐标系上，且随dq坐标系同步旋转， 因此转子电压方程没有定子电压方程中的旋转电动势项，因为阻
11、尼绕组是短路的，其电压为0,凸极同步电机的电压方程（矩阵式）,6.3.3 同步电机转矩方程,6.4 可控励磁同步电动机按气隙磁场定向的矢量控制系统,同步电动机气隙磁场是转子励磁和定子电枢磁场的合成，转子励磁由励磁电流控制是可确定的，而定子电枢磁场受定子电流影响，定子电流与负载有关，因此气隙磁场要通过定子电流控制。,6.4.1 气隙磁场定向和转矩控制 一 气隙磁场定向,同步电动机矢量关系 （不考虑阻尼绕组）,气隙磁链,、励磁磁链,定子磁链,电流,、,、,都是空间旋转矢量，它们的旋转速度都为,图中建立了两个旋转直角坐标系，其中dq坐标系的d轴与转子励磁,方向重合，MT坐标系的M轴与气隙磁链,即按气
12、隙磁链,方向定向。,方向重合，,三相静止坐标系A轴的位置,可以通过转子位置检测器，,准确检测,t=0时转子初始位置,二 按气隙磁链定向的同步电机转矩,按气隙磁链定向，气隙磁链,在M轴上磁链,在T轴上分量,不考虑阻尼绕组，按气隙磁链定向的同步电机转矩,6.4.2 按气隙磁场定向的可控励磁 同步电动机矢量控制系统,电流控制型变频器供电，电机励磁由转子可控整流器控制，位置检测器BQ和转速检测器FBS。,转速和电流的双闭环控制，气隙磁链的开环控制,一 转子励磁控制,气隙磁通给定环节根据转速确定气隙磁通给定值,由式6.14计算气隙磁链电流给定值,气隙电流励磁分量,转子励磁调节器AFR根据励磁偏差偏差经励
13、磁调节器AFR得到励磁整流器的控制信号，通过整流器控制励磁电流,二 按气隙磁链定向的转矩和定子电流控制,转速调节器ASR根据转速偏差产生转矩控制信号，并由式6.15计算定子电流转矩分量。定子电流的励磁分量采用给定方式。经2r/3s变换得到三相定子电流的给定值，定向角,三相电流的频率和相位随 变化，在负载使,转速出现波动时ASR输出的转矩信号变化，通过调节定子电流的转矩分量调节功率角，控制定子电流保持转速不变。,三 定子电流励磁分量和功率因数,采用交直交变频器时，不控整流器阻断了无功的通路，整流器网侧无功不能控制，电动机的无功由变频器中间直流环节的大电容缓冲；当使用双PWM变频器时，网侧无功受网
14、侧PWM整流器控制，两者网侧,功率因数都与电机功率因数无关，因此选择电机功率因数 ，可取,定子电流在M轴上的励磁分量为0，定子电流 中只含转矩分量，控制定子电流就控制了电机的转矩。,6.5 自控式无换向器电机变频调速系统 6.5.1 无换向器电机原理,晶闸管整流器,逆变器, 电感Ld用于平滑直流环节电流Id和缓冲电动机无功。,晶闸管逆变器一般采用,导通型,提供三相方波电流,为电动机,通过调节可控整流器电压可调节直流环节电流，从而调节三相方波电流的幅值。,晶闸管触发信号由电动机轴上的转子位置,检测器BQ产生，对于一对极电机，转子每旋转一周位置检测器发出6个脉冲信号，依次触发6个晶闸管,与转速成正
15、比，即逆变器输出频率与同步电动机转速成正比，逆变器输出频率受电机转速控制,，晶闸管触发周期,6.5.2 晶闸管逆变器的换流方式,利用同步电动机定子绕组的三相感应电势为晶闸管提供关断条件负载换流方式。,定子绕组感应电动势,VT3受正向电压，触发VT3，VT3将导通。VT3导通后形成,VT1导通时,回路并产生环流 ,抵消了VT1的正向电流,使VT1电流下降为0而关断,VT1和VT3的换流必须在K点之前完成，并留有一定余量，,VT3触发要领先K点,换流重叠角,同步电动机转速较低时，定子绕组感应电势很小，换流时产生的环流不足以抵消晶闸管正向电流而关断,一般采用电流断续换流的方法，使逆变器晶闸管在 状态下换流，在需要换流时，先控制晶闸管整流器工作于逆变状态呈下降趋势，电感感应电势方向变为右“+”左“-”，这时触发VT0导通，使电感电流Id经VT0续流，逆变器直流侧输入电流为0，如此逆变器晶闸管可以零电流状态换流,6.5.3 无换向器电机调速系统,转速调节器ASR,电流调节器ACR和触发器CF1组成整流器控制通道，根据转速偏差控制整流器输出电压调节转速。,逆变器晶闸管由转子位置检测器BQ经触发器CF2产生脉冲触发。,6.6 永磁同步电动机调速控制系统,永磁同步电动机转子励磁是永久磁钢，与可控励磁相比不需要励磁控制装置，结构较简单,(a) 套筒型 (b) 瓦片型 (c) 嵌入型
