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1、第七章 同步电动机调速系统及其仿真,第一节 同步电动机的分类及其调速原理 第二节 正弦波永磁同步电动机调速系统第三节 方波永磁同步电动机调速系统第四节 负载换相同步电动机调速系统第五节 大功率同步电动机交-交变频调速技术,第一节 同步电动机的结构及其调速原理,同步电动机的特点 ： 1、n与f 保持严格的同步关系，与负载大小无关; 2、改变I f可以调节同步电动机的功率因数； 3、存在启动困难和重载时失步的缺点 。,一、同步电动机的结构 1、结构： 定子：定子铁心、三相对称绕组以及机座和端盖等部件组成 。（与异步机定子结构基本相同） 转子：有两种结构形式，隐极式和凸极式。,自控式同步电机变频调速
2、也是通过改变电磁转矩的大小和方向来调节转速。电磁转矩和电机的定、转子电流有关。调节定子电流大小或相位及转子磁动势的大小就可以达到调速的目的。,系统能从根本上消除同步电机转子振荡和失步问题。因为：给电机定子供电的变频装置的输出频率受转子位置检测器的控制，即定子旋转磁场的转速与转子旋转的转速相等，始终保持同步，不会由于负载冲击等原因造成失步现象。,控制单元作用：判断转子的位置和转速，按一定控制策略产生控制信号，控制变频器输出三相电流（电压）的频率、幅值和相位，使同步转速跟踪转子转速。,图7-6 永磁同步电动机控制系统的结构原理图,（1）变频器 电流矢量：由转子位置检测器和矢量变换器完成。,特点:（
3、a）结构简单、工作可靠、响应快、谐波小，常用于高性能的交流伺服系统中。 （b）开关器件的开关频率在一个周期内差别很大，开关频率高的那一段，跟踪性能好；而开关频率低的那段，电流的跟踪性能差，影响了跟踪精度。 （c）过高的开关频率会使功率开关器件难以承受。,其工作原理是：当（HB滞环宽度）时，VT1关断， VT4导通，电机接电压-U， 下降；当 时， VT1导通， VT4关断，电机接+U， 上升。通过VT1 、 VT4的交替通断，使 HB，达到跟踪目的。,怎么解决？,正向电动：电流调节器输出，经滞环跟踪型PWM逆变器，输出三相对称交流电到永磁同步电机的三相绕组中，永磁同步电机产生与电流幅值成正比的
4、电磁转矩，使电机正向旋转。,正向制动：采用回馈制动。正向电动时，速度调节器给定为“+”，输出为“-”。变到正向制动后，输出变为“+”，使三相给定电流反相，即电流合成矢量由原来的超前 d 轴90变为滞后 d 轴90，转矩方向反向，变成制动转矩，使电动机处于制动状态。,（a）主回路原理图 （b）转子位置检测信号 （c）定子电流及换相关系图7-9 转子位置检测信号、定子电流及换向关系,图7-10 方波永磁同步电动机调速系统原理框图,控制系统包括：典型的速度、电流双闭环调节环节（类似于直流调速系统）；PWM发生器及逻辑控制单元。,变频器：为交-直-交电压型PWM变频器，可选用GTR、 IGBT或P-M
5、OSFET等全控型电力电子器件。 任务：在PWM作用下产生三相互差120电角度的方波电流。 能耗制动：电阻 Rh 及开关 VT 为电机能耗制动提供回路。,1、主回路组成 （1）变频器,（2）转子位置检测器 完成对转子位置的检测，发出换相信号，调速时对直流电压进行PWM控制。 电机的方波电流与转子位置有严格的对应关系，受转子磁极位置检测信号的控制。 本系统采用磁敏式转子位置检测器。,（2）PWM信号的分配和系统的运行原理,（a）转子位置检测器输出波形 （b）逆变器功率开关的导通信号,须经过运行状态（正转、反转，电动、制动）判别后，再经逻辑控制单元把使能信号与PWM信号分配给各个功率管，使能信号与
6、PWM相“与”后，输出到驱动电路，控制相应功率管的导通与关断。,（c）三相电流波形 图7-12 正转电动时系统有关信号的波形,正向制动：当从正向电动向正向制动转变时，ur信号由正变到零再到负，它改变方波电流的幅值，即改变转矩的大小，而未改变转矩的方向。改变同一磁极下电枢电流的方向（即通过改变逆变器功率管的导通次序，来改变电机的转矩方向。即：正向电动时VT1导通的时刻，由VT4导通来代替，使电枢电流反向；其它桥臂也要求同样互换，电机就会产生正向制动转矩（注意：正向制动时三相电流的相序并未改变，实际上只是相位提前180电角度）。,由于方波永磁同步电机属于交流电机的性质，电机反向电动运行时，只需改变
7、三相方波的相序即可。（注意：当电反转时，转子位置控测器的三个位置信号的相序也发生了变化。,图7-13 负载换相同步电动机调速系统原理结构图,这种利用负载（同步机）换向的晶闸管逆变器同步电机调速系统，在工作原理、特性及调速方式上类似于直流电机系统，但没有电刷和换向器，也称“无换向器电动机”。,第四节 负载换相同步电动机调速系统,一、负载换相同步电动机的类型,(a) 直流电动机 （b） 负载换相电动机图7-14 负载换相同步电动机与直流电动机的对比电路,二、负载换相同步电动机的调速原理,如图7-14（b）所示，电枢绕组及变流器静止不动，而磁极是旋转的 。,进一步将机械换向器用半导体“开关”来代替，
8、并依次触发相应的晶闸管，如图7-15（c）所示。,（c）负载换相同 步电动机,在一个周期内，顺次使晶闸管16、12、32、34、54、56导通，则磁极（转子）也会依次转过60。下面从磁场角度看电机运动情形，当晶闸管1、6通时，电流从电源正极晶闸管1A相绕组B相绕组晶闸管6电源负极流通，此时电枢合成磁势方向垂直于C相绕组轴线的位置，如图7-15（d）中所示，而此时转子磁极的位置如图7-15（c）中第一个图所示（定子磁动势的正方向按右手定则规定），转子磁势的方向见图7-15（d），励磁磁场与电枢磁场的夹角为120。,图7-15 负载换相同步电动机的工作原理,（d）定、转子的磁动势矢量变化图,电动机
9、正、反向转动时晶闸管的导通情况及电枢绕组的电流方向如表7-1、7-2所示。,由表可见：每只晶闸管导通120电角度，关断60电角度，而每转过 60电角度就有一只晶闸管换流。 因此：要随转子旋转，必须周期性地触发或关断相应的晶闸管，才能使电枢磁场和励磁磁场同步。而何时触发或关断相应的晶闸管是由磁极位置检测器的输出信号决定的。,在负载换相同步电机中，由于采用了晶闸管代替直流电机中的换向器，从根本上解决了直流电机的换向问题，但还存在逆变桥中晶闸管的换流问题， 即把正在导通相的电流切换到欲导通相的过程。,回顾：晶闸管换流的条件是什么？,思考：在电机旋转的 同时，如何周期性的完成换流问题？,三、负载换相同
10、步电动机的换流,当系统稳定和高速运行时，可利用电机绕组本身的反电势进行换流；在启动或低速时，由于负载换相同步电机的反电势小甚至无反电动势，常用电流断续法换流。,1、反电动势换流法,（a） （b） 图7-16 反电动势换流原理图,设换流前是VT1、VT2导通，电流回路是VT1A相绕组C相VT2。当电流由VT1转移到VT3时，只要电机绕组的反电势eAeB，即换流的时刻应比A、B二相绕组反电势电压波形的交点适当提前一个换流超前角 ，如图 7-16（b）中的s点。在该点有 ，若此时由转子位置检测器所产生的触发信号使VT3导通，则在VT1、VT3和电动机的A、B二相绕组间出现短路电流i，其方向如图7-1
11、6（a）中虚线所示。当i达到原来通过VT1的负载电流Id 时，VT1就会因流过的实际电流下降到零而关断，负载电流由VT1全部转移到VT3，完成了A、B二相之间的换流过程。,其二：无换向器电动机在启动和低速运行时绕组反电动势很小，甚至无反电动势，无法利用反电动势换流。,2、电流断续换流法,换流时，使逆变器的所有晶闸管均暂时关断，让流过逆变器的电流迅速下降至零，然后再给应该导通的晶闸管加上触发脉冲，让负载电流过它，从而实现从一相到另一相的换流。,解决办法：封锁电源或让三相电源侧的整流桥也进入逆变状态（本桥逆变），使通过电动机绕组的电流迅速衰减，在短时间内实现断流。,四、负载换相同步电动机的基本特性
12、,图7-17 负载换相同步电动机的主电路,R是等效总电阻，包括平波电抗器、晶闸管导通压降等效电阻和电机的两相电枢绕组的电阻；Ud、Id分别是三相可控整流桥输出的直流平均电压和电流； 是逆变桥的直流侧输入平均电压。,（二）负载换相同步电动机的电磁转矩,电磁转矩公式为：,五、负载换相同步电动机的调速系统,图7-19 负载换相同步电动机的调速系统框图,系统包括整流侧的转速控制和电机侧的四象限运行控制两部分。转速控制部分采用转速电流双闭环系统。,逻辑单元用来控制电机侧逆变器的触发脉冲分配，以进行四象限运行。零电流检测单元用来实现电机低速运行时电流断续法换流。电机本身的控制系统包括转子位置检测器BQ和脉
13、冲控制器，根据四象限运行要求，把相应脉冲分配到各触发器，经放大后去触发逆变器中的相应晶闸管。,位置检测器BQ由三个相隔120电角度的位置检测组件和一个带缺口为180电角度的铁盘组成，如图7-20（a）所示。从这三个检测组件可获得三个在时间上相差120、宽度为180的电信号PA、PB、PC，将这三个电信号经过图 7-20（b）所示的逻辑线路进行变换，即得到六个宽度为120、相互间隔为60电角度的脉冲信号。,断流控制单元由3个与非门和1个非门组成，如下图所示。,图7-21 断流控制单元的逻辑线路图,断流控制信号由端点A输入，端点B为电机高、低速鉴别信号。低速时，B端为“1”，高速时B端为“0”，它
14、经与非门1Y的作用，使得断流信号只在电机低速时发生作用。C端输入零电流检测信号。当电机主回路中有电流通过时，C点的电位为“1”，而电机断流时，C点的电位为“0”。,由于位置检测器在单位时间内所产生的脉冲数与电机转速成正比，因此，通过频率电压变换器 f / u，可以把它变成速度信号，作为电机转速指示和供高低速检测之用。,第五节 大功率同步电动机交-交变频调速技术,图7-22 大功率交-交变频同步电动机调速系统,磁化电流矢量方程为：,（b）电流、电压、磁链时间相量图 图7-23 同步电动机近似的空间矢量图与时间相量图,定子电流空间矢量 i s与A轴的夹角为：,三相定子电流为：,只要保证气隙磁链恒定，控制定子电流的转矩分量就能控制同步电机的电磁转矩。图7-24采用了双闭环控制结构。,图 7-24 同步电动机矢量控制变频调速系统AFR -励磁电流调节器 BRT -转速传感器 BQ-位置变换器,该矢量控制系统的动态性能和直流调速系统相仿，而且在负载变化时，还能尽量保持同步电机的气隙磁通、定子电势及功率因数不变。实际系统要复杂得多。,
