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山东大学崔纳新同步电动机变频调速系统现代交流调速系统•19世纪末，交流电动机的问世把工业生产带入了以电动机为中心的时代。•异步电机的功率因数较低，一般只有0.85•为了改善功率因数，同步电动机应运而生同步电机因其转速恒等于同步速得名。同步电机主要用作发电机，也可用作电动机。•传统同步电机的转子绕组采用直流励磁，在同步电机恒速运行时，调节转子励磁电流即可调节同步电机的功率因数，功率因数可超前或滞后，也可以等于1。•最初的同步电动机只用于拖动恒速负载或用于改善功率因数的场合。在没有变频电源的情况下，很难对同步电动机的转速进行控制。过去一般用于功率较大，转速不要求调节的生产机械，例如大型水泵，空压机等。•X.1同步电动机•同步电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成。•右图给出了最常用的同步发电机的结构模型，其定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。图中用AX、BY、CZ三个在空间错开120电角度分布的线圈代表三相对称交流绕组。国产200MW汽轮发电机定子结构模型•转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场(也称主磁场、转子磁场)。永磁同步电机•永磁同步电动机具有体积小，损耗低，效率高等优点，其控制技术日趋成熟。•近年来，随着新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电动机得以迅速的推广应用。运行方式同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。同步电机可以接于电网作为同步补偿机。这时电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。近年来，小型永磁同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。同步调速系统的特点（1）同步电动机的稳态转速等于旋转磁场的同步转速1，与定子电源频率f1有确定的关系转差s=0。（5-1）11p2fn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。目前采用的直流励磁方式分为两大类：一类是用直流发电机作为励磁电源的直流励磁机励磁系统；另一类是用可控整流装置将交流转化成直流后供给励磁的整流器励磁系统。（3）同步电动机的气隙有隐极与凸极之分。凸极式转子上有明显凸出的成对磁极和励磁线圈。如对水轮发电机来说，由于水轮机的转速较低，要发出工频电能，发电机的极数就比较多，做成凸极式结构工艺上较为简单。另外，中小型同步电机多半也做成凸极式。同步调速系统的特点（续）水轮发电机结构转子结构10000kW水轮机转子•隐极式同步电机转子上没有凸出的磁极，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。（4）同步电动机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。（5）同步电动机比异步电动机具有更快的动态响应，在同样的条件下，调速范围比异步电动机更宽。同步调速系统的特点（续）同步电机的特点与问题优点：（1）转速与供电频率严格同步；（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；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。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，振荡和失步问题也随之解决。同步机调速系统的类型•（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传感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。X.2他控变频同步电动机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称作他控变频调速系统。转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速系统由交-直-交电流型负载换流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磁场定向的同步电动机矢量控制系统•系统组成图5-3多台同步电动机的恒压频比控制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。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。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。系统控制交-直-交电流型负载换流变频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，或者由交流励磁发电机经过整流器供电。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逆变器。图5-4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上图中，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等。低频时采用“直流侧电流断续”的特殊方法换相，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。一般用于MW级大容量同步电机调速系统，如大型豪华游轮的动力推进、抽水蓄能电站等。X.3自控变频同步电动机调速系统本节摘要•基本结构与原理•同步电动机自控变频调速系统的分类基本结构与原理图7-2自控变频同步电动机调速系统结构原理图（1）在电动机轴端装有一台转子位置检测器BQ，由它发出的信号控制变压变频装置的逆变器UI换流，从而改变同步电动机的供电频率，保证转子转速与供电频率同步。换向器电刷结构特点（续）（2）从电动机本身看，它是一台同步电动机，但是如果把它和逆变器UI、转子位置检测器BQ合起来看，就象是一台直流电动机。直流电动机电枢里面的电流本来就是交变的，只是经过换向器和电刷才在外部电路表现为直流，这时，换向器相当于机械式的逆变器，电刷相当于磁极位置检测器。这里，则采用电力电子逆变器和转子位置检测器替代机械式换向器和电刷。自控变频同步电动机的分类自控变频同步电动机在其开发与发展的过程中，曾采用多种名称，有的至今仍习惯性地使用着，它们是：无换向器电动机（多用于带直流励磁绕组的同步电机）三相永磁同步电动机（输入正弦波电流时）无刷直流电动机（采用方波电流时）永磁同步电机和无刷直流电机机具有定子三相分布绕组和永磁转子，定子电流与转子永磁磁通互相独立，转矩恒定性好，脉动小，可以获得很宽的调速范围，适用于要求高性能的数控机床、机器人等场合。目前已广泛应用于各种领域，如医疗仪器、过程控制、机床工业、纺织工业和轻工机械等。无刷直流电动机的自控变频调速系统由逆变器提供与电动势严格同相的方波电流，同一相（例如A相）的电动势eA和电流波iA形图如图X-5所示。eAiAIPEPiAeAOt图X-5无刷直流电动机的电动势与电流波形图无刷直流电动机的自控变频调速系统由于各相电流都是方波，逆变器的电压只须按直流PWM的方法进行控制，比各种交流PWM控制都要简单得多，这是设计无刷直流电动机的初衷。然而由于绕组电感的作用，换相时电流波形不可能突跳，其波形实际上只能是近似梯形的。转矩脉动图X-6无刷直流电机的转矩脉动如图X-6所示，实际的转矩波形每隔60°都出现一个缺口，这样的转矩脉动使无刷直流电动机的调速性能低于正弦波的永磁同步电动机。•目前无刷直流电动机主要用于家用电器、电动自行车等小容量调速系统。正弦波永磁同步电动机的自控变频调速系统正弦波永磁同步电动机具有定子三相分布绕组和永磁转子，在磁路结构和绕组分布上保证定子绕组中的感应电动势具有正弦波形，外施的定子电压和电流也应为正弦波，一般靠交流PWM变频器提供。•优点：定子电流与转子永磁磁通互相独立，控制系统简单，转矩恒定性好，脉动小，可以获得很宽的调速范围。•正弦波永磁同步电动机常用于电梯、伺服系统、电动汽车、城轨交通等高性能调速，实现按转子励磁磁链定向的矢量控制（VC），或按定子磁链和转矩的砰-砰控制的直接转矩控制（DTC）。正弦波永磁同步电动机的自控变频调速系统•通过本章学习，熟悉和了解同步电动机变压变频调速的基本类型和特点；掌握同步电动机调速系统的基本类型。课程开始