现代电机控制技术

硕士研究生课程硕士研究生课程电机驱动控制理论—同步电动机部分同步电动机部分同步电动机部分同步电动机部分主讲教师：孙立志Tel：13624510617哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所第七章同步电动机的驱动控制第七章同步电动机的驱动控制7.1同步电动机调速系统分类及特点72永磁同步电机矢量控制原理及矢量方程7.2永磁同步电机矢量控制原理及矢量方程7.3永磁同步电动机的转子磁场定向矢量控制7.4永磁同步电动机的弱磁控制及昀大功率控制7.5基于定子磁场定向的矢量控制及直接转矩控制哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所主要教材：王成元.《现代电机控制技术》北京：机械工业出版社，2008陈伯时.《自动控制系统》哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所参考书目参考书目1D.W.Novotny,T.A.Lipo,T.M.Jahns,《IntroductiontoElectricMachinesAndDrives》2D.W.Novotny,T.A.Lipo.《VectorControlandDynamicsofACDrives》DynamicsofACDrives》3T.A.Lipo.《AnalysisofSynchronousMachines》4唐任远.《现代永磁电机理论》哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所71同步电动机调速系统的特点与分类7.1同步电动机调速系统的特点与分类同步电动机变压变频调速的特点同步电动机变压变频调速的特点他控变频同步电动机调速系统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哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所一、同步电动机变压变频调速的特点、同步电动机变压变频调速的特点概述同步调速系统的类型同步调速系统的特点哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所1同步电动机调速系统概述1、同步电动机调速系统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。哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所优点：（1）转速与电压频率严格同步（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；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；（2）重载时有振荡，甚至存在失步危险；哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所问题的根源：问题的根源供电电源频率固定不变。解决办法：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定频率电源供电而产生的问题。哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所对于起动问题：通过变频电源频率的平滑调节使电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：对于振荡和失步问题：由于采用频率闭环控制，同步转速可着频率变会步以跟着频率改变，就不会振荡和失步。哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所2同步调速系统的类型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（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。哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所3、同步调速系统的特点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f有确定的关系电源频率f1有确定的关系12f异步电动机的稳态转速总是低于同步转速p1n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稳态转速等于同步转速，转差s=0。哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所（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（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（或永久磁钢）外，还可能有自身短路的阻尼绕组。哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所（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。哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所（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=10时，电滞后，也可以超前。当cos1.0时，电枢铜损昀小，还可以节约变压变频装置的容量容量。哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所（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电动机更宽。（7）异步电动机要靠加大转差才能提高转（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，能作出更快的动态哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所响应。二、他控变频同步电动机调速系统二、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，用独立与异步电动机变压变频调速样，用独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称作他控变频调速系统。哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所他控变频调速系统包括：转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速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动机调速系统哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所1、转速开环恒压频比控制的步电动机群速系统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单他变调速系统，是一种昀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系统多用化纺小容多动机动系统中。这种系统采用多台永磁或磁阻同步电动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率给定信号同时调节各台电动机的转速。哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所1）系统组成多台同步电动机的恒压频比控制调速系统哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所多台同步电动机的恒压频比控制调速系统2）系统控制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的电压源型PWM变压变频器上，由统的频率给定信号f*同时调节各台电动机的转速速。PWM变压变频器中带定子压降补偿的恒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。哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所3）系统特点3）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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解决，因此各台同步电动机的负载不能太大。哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所2、由交-直-交电流型变压变频器供电的同步电动机调速系统器供电的同步电动机调速系统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，定子侧可以采用他控型交直交电流型变压变侧可以采用他控型交-直-交电流型变压变频器供电。哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所由交-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同步电动机调速系统哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所系统控制环节包括转速调节、负载换流控制和励磁电流控制是测速反馈环节制和励磁电流控制，FBS是测速反馈环节。变压变频装置一般是电流型的，往往需要电流控制器（包括电流调节和电源侧变换电流控制器（包括电流调节和电源侧变换器的触发控制）。哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所定子侧采用交-直-交电流型变压变频器供电晶闸管变换器（即逆变器）比给异步电，晶闸管变换器（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简流逆变器（Load-commutatedInverter，简称LCI）。哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所换流（Commutation）换流（Commutation）•换流:电路在工作过程中，电流由一个支路向另一个支路转移的过程称之为换流或换相。•研究换流方式主要是研究器件如何关断。哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所负载换流（LoadCommutation）负载换流（LoadCommutation）•区别于器件换流（DeviceCommutation）电网•区别于器件换流（DeviceCommutation）、电网换流（LineCommutation）、强迫换流（ForcedCommutation）等方式针对晶闸管由负载提供Commutation）等方式，针对晶闸管，由负载提供换流电压的换流方式称之为负载换流。哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所基本负载换流逆变电路负载换流特点负载换流特点•半控型器件晶闸管；•器件承受负压而关断；•器件承受负压而关断；•负载电流的相位需超前于负载电压电容性负载；•阻感性负载时并接电容，使负载略呈容性；•直流侧串入大电感Ld，使电流基本没有脉动；哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所负载换流电路其作波负载换流电路及其工作波形OuiioVT2、VT3导通时刻t1须在过uωtOooii必须在uo过零前，并留ωtOiiVT1iVT4i有足够的裕量，才能使ωtωtOitiVT2iVT3换流顺利完成。ωtωtOt1uVTuVT1uVT4哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所ωt同步电机的负载换流逆变器同步电机的负载换流逆变器•负载电流的相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流如电容性负载和同步电动机负载换流，如电容性负载和同步电动机。•当负载为同步电动机时，由于可以控制励磁电流使当负载为同步电动机时，由于可以控制励磁电流使负载呈现为容性，因而也可以实现负载换流。哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所旁路晶闸管的作用旁路晶闸管的作用LCI同步调速系统在起动和低速时存在换流问题步低存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；靠换流；当电机静止时，感应电动势为零，根本就无法换流。可采用“直流侧电流断续”方法使中间直流环可采用“直流侧电流断续”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。哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所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步电动机调速系统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，例如无齿轮传动的用于低速的电力拖动，例如无齿轮传