同步电机的变频调速系统

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1、摘要： 采用电力电子装置实现电压-宾律协调控制，改变了同步电动机历来只能恒速运行而不能调速的面貌，使它和异步电机一样成为了可调速电机家族中的一员。起动费时、重载时震荡或失步等问题已经不再是同步电机广泛应用的障碍，同步电动机调速系统的应用正在飞速发展着。本文首先概括同步电机变压变频调速的特点及其基本类型，然后介绍了几种应用较广的系统，阐明了同步电机的多变量数学模型，最后讨论了自控变频同步电动机调速系统。关键词：同步电机，变频调速，目录1 同步电动机变压变频调速的特点及其基本类型31.1概述31.2同步调速系统的特点42 他控变频同步电动机调速系统52.1转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速系统

2、52.2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62.3由交-交变压变频器供电的大型低速同步电动机调速系统72.4按气隙磁场定向的同步电动机矢量控制系统83 自控变频同步电动机调速系统113.1梯形波永磁同步电动机（无刷直流电动机）的自控变频调速系统123.2正弦波永磁同步电动机的自控变频调速系统14参考文献151 同步电动机变压变频调速的特点及其基本类型历史上最早出现的是直流电动机19世纪末，出现了交流电和交流电动机为了改善功率因数，同步电动机应运而生。同步电动机也是一种交流电机。既可以做发电机用，也可做电动机用，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

3、泵，空压机等。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。在恒定频率下运行的大型同步电动机又存在着容易发生失步和振荡的危险，以及起动困难等问题。因此，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。1.1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）转速与电压频率严格同步；（2）功率因数高到1.0，甚至超前。存在的问题：（1

4、）起动困难；（2）重载时有振荡，甚至存在失步危险。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，例如：对于起动问题而言，可以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而言，可采用频率闭环控制，同步转速可以跟着频率改变，于是就不会振荡和失步了。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。同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。同步电机的突出优点：控制励磁来调节它的功率因数，可以使功率因数高到1.0，甚至超前。同步电机还

5、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。1.2同步调速系统的特点（1）交流电机旋转磁场的同步转速w1与定子电源频率 f1 有确定的关系（1-1）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 ws ；同步电动机的稳态转速等于同步转速，转差 ws = 0。 （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

6、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。（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 cosj = 1.0 时，电枢铜损最小，还可以节约变压变频装置的容量。 （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

7、样条件下，同步电动机的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。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。2.1转速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。多台

8、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。转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速系统如图2-1所示。图2-1多台同步电动机的恒压频比控制调速系统该调速系统优点是：结构简单，控制方便，只需一台变频器供电，成本低廉。缺点是：由于采用开环调速方式，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。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大型同步电动机

9、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逆变器（Load-commutated Inverter，简称LCI）。如图2-2，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，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）。 图2-2

10、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。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。 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

11、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。这类调速系统的基本结构画在图2-3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。图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 2.4按气隙磁场定向的同步电动机矢量控制系统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

12、，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。同步电机的主要特点是：定子有三相交流绕组，转子为直流励磁或永磁。为了突出主要问题，先忽略次要因素，作如下假设：（1）假设是隐极电机，或者说，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。这样，二级同步电动机的物理模型便如图2-4所示。图2-4二极同步电动机的物理模型图中，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

13、、iC 都是平衡的，转子以同步转速w1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 w1 旋转，d 轴与 A 轴之间的夹角 q 为变量。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2-5。w1图2-5同步电动机磁动势与磁通的空间矢量图将 Fs 除以相应的匝数即为定子三相电流合成空间矢量 is ，可将它沿M、T轴分解为励磁分量 ism 和转矩分量

14、ist。同样，Ff 与相当的励磁电流矢量 If 也可分解成 ifm 和 ift 。由图2-5得出下列关系式：在图2-6中画出了定子一相绕组的电压、电流与磁链的时间相量图。气隙合成磁通 FR 是空间矢量，FR 对该相绕组的磁链 YRs 则是时间相量， YRs 在绕组中感应的电动势 Es 领先于 YRs 90。按照假设条件，忽略定子电阻和漏抗，则 Es 与相电压 Us 近似相等，于是图2-6电压、电流和磁链的时间相量图在图2-6中，is 是该相电流相量，它落后于 Us 的相角 j 就是同步电动机的功率因数角。根据电机学原理，FR 与 Fs 空间矢量的空间角差 qs 也就是磁链YRs 与电流 is

15、在时间上的相角差，因此 j = 90- qs ，而且 ism和 ist 也是 is 相量在时间相量图上的分量。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 cosj = 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。3 自控变频同步电动机调速系统3-1自控变频同步电动机调速系统结构原理图系统结构原理图如图3-1该系统的结构特点又如下几点：（1）在电动机轴端装有一台转子位置检测器 BQ（见图8-7），由它发出的信号控制变压变频装置的逆变器 U I 换流，从而改变同步电动机的

16、供电频率，保证转子转速与供电频率同步。调速时则由外部信号或脉宽调制（PWM）控制 UI 的输入直流电压。（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；三相永磁同步电动机（输入正弦波电流时）；无刷直流电动机

17、（采用方波电流时）。永磁电动机控制系统有以下几个优点：由于采用了永磁材料磁极，特别是采用了稀土金属永磁，因此容量相同时电机的体积小、重量轻；转子没有铜损和铁损，又没有滑环和电刷的摩擦损耗，运行效率高；转动惯量小，允许脉冲转矩大，可获得较高的加速度，动态性能好； 结构紧凑，运行可靠。 3.1梯形波永磁同步电动机（无刷直流电动机）的自控变频调速系统无刷直流电动机实质上是一种特定类型的同步电动机，调速时只在表面上控制了输入电压，实际上也自动地控制了频率，仍属于同步电动机的变压变频调速。永磁无刷直流电动机的转子磁极采用瓦形磁钢，经专门的磁路设计，可获得梯形波的气隙磁场，定子采用集中整距绕组，因而感应的

18、电动势也是梯形波的。 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3-1所示。 图3-1 梯形波永磁同步电动机的电动势与电流波形图 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，这是设计梯形波永磁同步电动机的初衷。 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，因而通过气隙传送到转子的电磁功率也是梯形波。如图3-2所示，实际的转矩波形每隔60都出现一个缺口，而用 PWM 调压调速又使平顶部分出现纹波，这样的转矩脉动使梯形波永磁同步电动机的调速性能低于正弦波

19、的永磁同步电动机。图3-2梯形波永磁同步电动机的转矩脉动 3.2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变压变频器提供。正弦波永磁同步电动机一般没有阻尼绕组，转子磁通由永久磁钢决定，是恒定不变的，可采用转子磁链定向控制，即将两相旋转坐标系的d轴定在转子磁链 Yr 方向上，无须再采用任何计算磁链的模型。图3-3按转子磁链定向并使 id= 0 的PMSM自控变频调速系统 按转子磁链定向并使 id = 0 的正弦波永磁同步电动机自控变频调速

20、系统和直流电动机调速系统一样，转速调节器ASR的输出是正比于电磁转矩的定子电流给定值。由按转子磁链定向的正弦波永磁同步电动机矢量图可知：q 角是旋转的d轴与静止的A轴之间的夹角，由转子位置检测器测出，经过查表法读取相应的正弦函数值后，与 is* 信号相乘，即得三相电流给定信号 iA*、iB*、iC* 。图中的交流PWM变压变频器须用电流控制，可以用带电流内环控制的电压源型PWM变压变频器，也可以用电流滞环跟踪控制的变压变频器。该系统的优点可概括为：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，适用于要求高性能的数控机床、机器人等场合。不足之处有：（

21、1）当负载增加时，定子电流增大，使气隙磁链和定子反电动势都加大，迫使定子电压升高。为了保证足够的电源电压，电控装置须有足够的容量，而有效利用率却不大。（2）负载增加时，定子电压矢量和电流矢量的夹角也会增大，造成功率因数降低。（3）在常规情况下，弱磁恒功率的长期运行范围不大。 参考文献1陈伯时交流调速系统机械工业出版社2008年5月.2高徐娇，赵争鸣，赵强永磁同步电机的结构与其电磁参数关系分析清华大学学报，2001，9：44-47.3熊健.空间矢量脉宽调制的调制波分析J.电气自动化，2002，（2）：7-9.4舒志兵,等.交流伺服运动控制系统M.北京:清华大学出版社,2006.5杨贵杰，孙力，崔乃政，陆永平空间矢量脉宽调制方法的研究中国电机工程学报，2001(5).6陈伯时，高性能的通用变频器，第二届变频器行业企业家论坛论文集，成都，2003年10月