同步電機變頻調(diào)速

實用標(biāo)準(zhǔn)文案同步電機變調(diào)速歷史上最早出現(xiàn)的是直流電動機19世紀(jì)末，出現(xiàn)了交流電和交流電動機為了改善功率因數(shù)同步電動機應(yīng)運而生。同電動機也是一種交流電機可以做發(fā)電機用也可做電動機用，過去一般用于功率較大轉(zhuǎn)速不要求調(diào)節(jié)的生產(chǎn)機械，例如大型水泵，空壓機等。最初的同步電動機只用于拖動恒負(fù)載或用于改善功率因數(shù)的場合定頻率下運行的大型同步電動機又存在著容易生失步和振蕩的危險，以及起動困難等問題。因此，在沒有變頻電源的情況下很難對同步電動機的轉(zhuǎn)速進行控制。同步電動機歷來是以轉(zhuǎn)速與電源率保持嚴(yán)格同步著稱的要電源頻率保持恒定同步電動機的轉(zhuǎn)速就絕對不變。采用電力電子裝置實現(xiàn)電-頻協(xié)調(diào)控制，改變了同步電動機歷來只能恒速運行不能調(diào)速的面貌。起動費事、重載時蕩或失步等問題也已不再是同步電動機廣泛應(yīng)用的障礙。同步電機的特點與問題：優(yōu)點：轉(zhuǎn)速與電壓頻率嚴(yán)格同步；功率因數(shù)高到1.0，甚至超前。存在的問題：起動困難；重載時有振蕩，甚至存在失步危。問題的根源：供電電源頻率固定不變解決辦法：采用電壓頻率協(xié)調(diào)控制例如：對于起動問題：通過變頻電源頻率的平滑調(diào)節(jié)，電機轉(zhuǎn)速逐漸上升，實現(xiàn)軟起動。對于振蕩和失步問題：可采用頻率閉環(huán)控制，同步轉(zhuǎn)速以跟著頻率改變，于是就不會振蕩和失步了。同步電機和其它類型的旋轉(zhuǎn)電機樣，由固定的定子和可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子兩大部分組成。下圖給出了最常用的同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)模型定子鐵心的內(nèi)圓均勻分布著定子槽槽精彩文檔ss實用標(biāo)準(zhǔn)文案內(nèi)嵌放著按一定規(guī)律排列的三相稱交流繞組種同步電機的定子又稱為電樞定子鐵心和繞組又稱為電樞鐵心和電樞繞。圖中用AX、、三個在空間錯開電角度分布的線圈代表三相對稱交流繞組。同步電機的運行方式：同步電機的主要運行方式有三種即作為發(fā)電機、電動機和補償機運行。同步電動機的功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)不要求調(diào)速的場合用大型同步電動機可以提高運行效率。近年來，小型同步電機在變頻調(diào)速系統(tǒng)中開始得到較多地應(yīng)用。同步電機的突出優(yōu)點：控制勵磁調(diào)節(jié)它的功率因數(shù)，可以使功率因數(shù)高到1.0，甚至超前。同步電機還可以接于電網(wǎng)作為同補償機時電機不帶任何機械負(fù)載靠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子中的勵磁電流向電網(wǎng)發(fā)出所需的感或者容性無功功率到改善電網(wǎng)功率因數(shù)或者調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓的目的。同步調(diào)速系統(tǒng)的特點：（1）交流電機旋轉(zhuǎn)磁場的同步速ω與定子電源頻率f有定的關(guān)系

n同步電動機的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速等于同步速，轉(zhuǎn)差ω。（異步電動機的磁場僅靠定供電產(chǎn)生而步電動機除定子磁動勢外轉(zhuǎn)子側(cè)還有獨立的直流勵磁，或者用永久磁勵磁。目前采用的直流勵磁方式分為兩類是用直流發(fā)電機作為勵磁電源的直流勵磁機勵磁系統(tǒng)；另一類是用硅整流裝將交流轉(zhuǎn)化成直流后供給勵磁的整流器勵磁系統(tǒng)。（同步電動機的氣隙有隱極凸極之分極式轉(zhuǎn)子上有明顯凸出的成對磁極和勵磁線圈如對水輪發(fā)電機來說，由水輪機的轉(zhuǎn)速較低，要發(fā)出工頻電能，發(fā)電機的極數(shù)就比較多，做成凸極式結(jié)構(gòu)工藝上較簡單。另外，中小型同步電機多半也做成凸極式。隱極式同步電機轉(zhuǎn)子上沒有凸出磁極，氣隙均勻。凸極式則不均勻，兩軸的電感系精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案數(shù)不等造成數(shù)學(xué)模型上的復(fù)雜但極效應(yīng)能產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩單靠凸極效應(yīng)運行的同步電動機稱作磁阻式同步電動機。同步電動機可通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的直勵磁電流，改變輸入功率因數(shù)以滯后也可以超前。異步電動機要靠加大轉(zhuǎn)差才能提轉(zhuǎn)矩，而同步電機只須加大功角就能增大轉(zhuǎn)矩，同步電動機比異步電動機具有更的動態(tài)響應(yīng)同樣的條件下調(diào)速范圍比異步電動機更寬。同步機調(diào)速系統(tǒng)的類型：（）他控變頻調(diào)速系統(tǒng)用獨立的變壓變頻裝置給同步電機供電的系統(tǒng)。（）自控變頻調(diào)速系統(tǒng)用電動機本身軸上所帶轉(zhuǎn)子位置測器或電動機反電動勢波形提供的轉(zhuǎn)子位置信號來控制變壓變頻裝置換相時刻的系。1）他控變頻同步電動機調(diào)速系與異步電動機變壓變頻調(diào)速一樣立的變壓變頻裝置給同步電動機供電的系統(tǒng)稱作他控變頻調(diào)速系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的同步電機群調(diào)速系統(tǒng)由交直交電流型負(fù)載換流變壓頻器供電的同步電動機調(diào)速系統(tǒng)由交交變壓變頻器供電的大型速同步電動機調(diào)速系統(tǒng)1、轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的同電動機群調(diào)速系統(tǒng)，是一種最簡單的他控變頻調(diào)速系統(tǒng)，多用于化紡工業(yè)小容量多電機拖動系統(tǒng)中。系統(tǒng)組成：多臺同步電動機的恒壓頻比控制速系統(tǒng)精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案系統(tǒng)控制：多臺永磁或磁阻同步電動機并聯(lián)在公共的電壓源型PWM變變頻器上統(tǒng)一的頻率給定信號f*同時調(diào)節(jié)各電動機的轉(zhuǎn)速。帶定子壓降補償?shù)暮銐侯l比控制證了同步電動機氣隙磁通恒定慢地調(diào)節(jié)頻率給定f*可以逐漸地同時改變臺電機的轉(zhuǎn)速。2、對于經(jīng)常在高速運行的機械備，定子常用直-交電流型變壓變頻器供電，其電機側(cè)變換器（即逆變器）比異步電動機供電時更簡單，可以省去強迫換流電路，而利用同步電動機定子中的感應(yīng)動勢實現(xiàn)換相。這樣的逆變器稱作負(fù)載換流逆變Load-commutatedInverter，簡稱LCI）系統(tǒng)組成：由交直-交電流型負(fù)載換流變壓頻器供電的同步電動機調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)控制：系統(tǒng)控制器的程序包括轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)負(fù)載換流控制和勵磁電流控制是測速反饋環(huán)節(jié)。由于變壓變頻裝置是電流型的，單獨畫出了電流控制器。換流問題：LCI同步調(diào)速系統(tǒng)在起動和低速存在換流問題：低速時同步電動機感應(yīng)電動勢不大，不足以保證可靠換流；當(dāng)電機靜止時，感應(yīng)電動勢為零根本就無法換流。解決方案：這時須采用“直流側(cè)電流斷續(xù)的特殊方法，使中間直流環(huán)節(jié)電抗器的旁路晶閘管導(dǎo)通，讓電抗器放電同時切直流電流允逆變器換相，換相后再關(guān)斷旁路晶閘精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案管，使電流恢復(fù)正常。用這種換流方式可使電動機轉(zhuǎn)速到額定值的3%~5%后切換到負(fù)載電動勢換流。3、另一類大型同步電動機變壓頻調(diào)速系統(tǒng)用于低速的電力拖動，例如無齒輪傳動的可逆軋機、礦井提升機、水轉(zhuǎn)窯等。該系統(tǒng)由交-交變壓變頻器供電其輸出頻率為20~25Hz（電網(wǎng)頻率為50Hz時對于一臺20極的同步電動機，步轉(zhuǎn)速為120~150r/min，直接用來拖動軋鋼機等設(shè)備是很合適的，可以省去龐大的齒傳動裝置。系統(tǒng)組成：由交交變壓變頻器供電的大型速同步電動機調(diào)速系統(tǒng)2）自控變頻同步電動機調(diào)速系基本結(jié)構(gòu)與原理：（）在電動機軸端裝有一臺轉(zhuǎn)位置檢測器BQ由它發(fā)出的信號控制變壓變頻裝置的逆變器UI換流，從而改變同步動機的供電頻率，保證轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與供電頻率同步。自控變頻同步電動機調(diào)速系統(tǒng)結(jié)原理圖（從電動機本身看它是一臺步電動機但是如果把它和逆變器UI轉(zhuǎn)子位置檢測器合起來看，就象是一臺直電動機。直流電動機電樞里面的電流本來就是交變的，只精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案是經(jīng)過換向器和電刷才在外部電表現(xiàn)為直流這時換向器相當(dāng)于機械式的逆變器電刷相當(dāng)于磁極位置檢測器這里采用電力電子逆變器和轉(zhuǎn)子位置檢測器替代機械式換向器和電刷。自控變頻同步電動機的分類：自控變頻同步電動機在其開發(fā)與展的過程中采用多種名稱有的至今仍習(xí)慣性地使用著，它們是：無換向器電動機（多用于帶直勵磁繞組的同步電機）三相永磁同步電動機（輸入正弦電流時）無刷直流電動機（采用方波電流）永磁同步電機和無刷直流電機機有定子三相分布繞組和永磁轉(zhuǎn)子電流與轉(zhuǎn)子永磁磁通互相獨立，轉(zhuǎn)矩恒定性好脈動小，可以獲得很寬的調(diào)速范圍于要求高性能的數(shù)控機床、機器人等場合。目前已廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，如療儀器、過程控制、機床工業(yè)織工業(yè)和輕工機械等。梯形波永磁同步電動機的自控變調(diào)速系統(tǒng)：無刷直流電動機實質(zhì)上是一種特類型的同步電動機時只在表面上控制了輸入電壓，實際上也自動地控制了頻率仍屬于同步電動機的變壓變頻調(diào)速。電動勢與電流波形永磁無刷直流電動機的轉(zhuǎn)子磁極用瓦形磁鋼專門的磁路設(shè)計可獲得梯形波的氣隙磁場，定子采用集中整距繞組因而感應(yīng)的電動勢也是梯形波的。由逆變器提供與電動勢嚴(yán)格同相方波電流，同一相（例如A相）的電動勢e和電流波i形圖如下圖所示。eA

iAeAiAO

E

I

t梯形波永磁同步電動機的電動勢電流波形圖精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案由于各相電流都是方波，逆變器電壓只須按直流PWM的方法進行控制，比各種交流PWM控制都要簡單得多，這是設(shè)梯形波永磁同步電動機的初衷。然而由于繞組電感的作用換相電流波形不可能突跳其波形實際上只能是近似梯形的，因而通過氣隙傳送到轉(zhuǎn)子的磁功率也是梯形波。梯形波永磁同步電動機的轉(zhuǎn)矩脈實際的轉(zhuǎn)矩波形每隔60°都出一個缺口，而用PWM調(diào)調(diào)速又使平頂部分出現(xiàn)紋波，這樣的轉(zhuǎn)矩脈動使梯形波永同步電動機的調(diào)速性能低于正弦波的永磁同步電動機。梯形波永磁同步電動機的等效電及逆變器主電路原理圖電壓方程：對于梯形波的電動勢和電流不簡單地用矢量表示因旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換也不適用只好在靜止的ABC坐標(biāo)上建立電機數(shù)學(xué)模型。當(dāng)電動機中點與直流母線負(fù)極共時，電動機的電壓方程可以用下式表示精彩文檔AA0iLAA0iLAAAψ實用標(biāo)準(zhǔn)文案uB

00

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LLL

LAALpieBLC式中u、u、——三相輸入對地壓i、、——三相電流e、、——三相電動勢——定子每相電阻——定子每相繞組的自感L——定子任意兩相繞組間的互由于三相定子繞組對稱，故有i+i+i=0則Li+Li=-LLi+Li=LiLi+Li=-Li代入上式，并整理后得uB

0s0

0LA0i0s

0Ls0

00pieBLsm設(shè)梯形波永磁同步電動機的電動與電流波形圖中方波電流的峰值為Ip形波電動勢的峰值為Ep，在一般情況下同時只有兩相導(dǎo)通，從逆變器直流側(cè)看進去，為兩相繞組串聯(lián)，則電磁功率為Pm=2EpIp忽略電流換相過程的影響，電磁轉(zhuǎn)矩為

m1np

2EIppp1

nIpp式中

—梯形波勵磁磁鏈的峰值，是恒值。由此可見梯形波永磁同步電動（即無刷直流電動機轉(zhuǎn)矩與電流成正比，和一般精彩文檔ll實用標(biāo)準(zhǔn)文案的直流電動機相當(dāng)。這樣其控制系統(tǒng)也和直流調(diào)速統(tǒng)一樣，要求不高時采用開環(huán)調(diào)速對于動態(tài)性能要求較高的負(fù)載，可采用雙閉控制系統(tǒng)。無論是開環(huán)還是閉環(huán)系統(tǒng)都必須具備轉(zhuǎn)子位置檢測發(fā)出換相信號調(diào)速時對直流電壓的PWM控制等功能。現(xiàn)已生產(chǎn)出專用的集成化芯片，如MC33033MC33035等。不考慮換相過程及PWM波等因素影響當(dāng)主電路原理圖中的VT1和VT6導(dǎo)通時AB兩相導(dǎo)通而C相關(guān)斷，則可得無直流電動機的動態(tài)電壓方程