第8章 同步电动机变压变频调速系统.ppt

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1、电力拖动自动控制系统运动控制系统 电气工程学院电气工程学院 自动化自动化杨霞杨霞20102010年年6 6月月第第8章章 同步电动机变压变频调速系统同步电动机变压变频调速系统内内 容容 提提 要要第第8章章 同步电动同步电动机变压变频调速机变压变频调速系统系统课程总结课程总结第第6章章 基于动态基于动态模型的异步电动模型的异步电动机调速系统机调速系统第第1章章 交流调速交流调速系统概述系统概述第第5章章 基于稳态基于稳态模型的异步电动模型的异步电动机调速系统机调速系统第第7章章 绕线转子绕线转子异步电动机双馈异步电动机双馈调速系统调速系统第第9章章 伺服系统伺服系统*8.1 同步电动机的稳态模

2、型与调速方法同步电动机的稳态模型与调速方法8.2 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8.3 自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8.4 同步电动机矢量控制系统同步电动机矢量控制系统8.5 同步电动机直接转矩控制系统同步电动机直接转矩控制系统同同同同步步步步电电电电动动动动机机机机直直直直接接接接投投投投入入入入电电电电网网网网运运运运行行行行时时时时，存存存存在在在在失失失失步步步步与与与与起起起起动动动动困困困困难难难难两两两两大大大大问题，曾制约着同步电动机的应用。问题，曾制约着同步电动机的应用。问题，曾制约着同步电动机的应用。问题，曾制约着同步电动机的应

3、用。同同步步电电动动机机的的转转速速恒恒等等于于同同步步转转速速，所所以以同同步步电电动动机机的的调调速速只能是变频调速。只能是变频调速。8.1 同同步步电电动动机机的的稳稳态态模模型型与与调速方法调速方法8.5 同步电动同步电动机直接转矩控机直接转矩控制系统制系统8.2 他控变频同他控变频同步电动机调速系步电动机调速系统统8.3 自控变频同自控变频同步电动机调速步电动机调速系统系统8.4 同步电动机同步电动机矢量控制系统矢量控制系统变变变变频频频频技技技技术术术术的的的的发发发发展展展展与与与与成成成成熟熟熟熟不不不不仅仅仅仅实实实实现现现现了了了了同同同同步步步步电电电电动动动动机机机机的

4、的的的调调调调速速速速，同同同同时时时时也也也也解解解解决决决决了了了了失失失失步步步步与与与与起起起起动动动动问问问问题题题题，使使使使之之之之不不不不再再再再是是是是限限限限制制制制同同同同步步步步电电电电动动动动机机机机运运运运行行行行的的的的障障障障碍碍碍碍。随随随随着着着着变变变变频频频频技技技技术术术术的的的的发发发发展展展展，同同同同步步步步电电电电动动动动机机机机调调调调速速速速系系系系统统统统的的的的应应应应用用用用日益广泛。日益广泛。日益广泛。日益广泛。同同步步电电动动机机调调速速可可分分为为自自自自控控控控式式式式和和他他他他控控控控式式式式两两种种，适适用用于于不不同同

5、的的应用场合。应用场合。n n 同步电机的特点与问题同步电机的特点与问题同步电机的特点与问题同步电机的特点与问题优点：优点：优点：优点：（1）转速与电压频率严格同步；（转速与电压频率严格同步；（2）功率因数高到功率因数高到1.0，甚至超前；甚至超前；存在的问题：存在的问题：存在的问题：存在的问题：（1）起动困难；（）起动困难；（2）重载时有振荡，甚至存在失）重载时有振荡，甚至存在失步危险；步危险；n n 解决思路解决思路解决思路解决思路问题的根源：问题的根源：问题的根源：问题的根源：供电电源频率固定不变。供电电源频率固定不变。解决办法：解决办法：解决办法：解决办法：采用采用电压电压-频率协调控

6、制，可解决由固定频率电源供电频率协调控制，可解决由固定频率电源供电而产生的问题。例如：而产生的问题。例如：对于起动问题：对于起动问题：对于起动问题：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。渐上升，实现软起动。对于对于对于对于振荡和失步问题振荡和失步问题振荡和失步问题振荡和失步问题 ：由于采用频率闭环控制，同步转速可以由于采用频率闭环控制，同步转速可以跟着频率改变，于是就不会振荡和失步了。跟着频率改变，于是就不会振荡和失步了。(1)(1)(1)(1)他控变频调速系统他控变频调速系统他控变频调速系统他控变频调速系统 用独立的

7、变压变频装置给同步电动机供电的系统用独立的变压变频装置给同步电动机供电的系统。(2)(2)(2)(2)自控变频调速系统自控变频调速系统自控变频调速系统自控变频调速系统 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变频装置换相时刻的系统。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。n n 同步调速系统的类型同步调速系统的类型同步调速系统的类型同步调速系统的类型8.1 同同步步电电动动机机的的稳稳态态模模型型与与调速方法调速方法8.5 同步电动同步电动机直接转矩控机直接转矩控制系统制系统8.2 他控

8、变频同他控变频同步电动机调速系步电动机调速系统统8.3 自控变频同自控变频同步电动机调速步电动机调速系统系统8.4 同步电动机同步电动机矢量控制系统矢量控制系统绪论绪论8.1 同步电动机的稳态模型与调速方法同步电动机的稳态模型与调速方法8.1 同同步步电电动动机机的的稳稳态态模模型型与与调速方法调速方法8.5 同步电动同步电动机直接转矩控机直接转矩控制系统制系统8.2 他控变频同他控变频同步电动机调速系步电动机调速系统统8.3 自控变频同自控变频同步电动机调速步电动机调速系统系统8.4 同步电动机同步电动机矢量控制系统矢量控制系统8.1.1 8.1.1 同步电动机的特点同步电动机的特点同步电动

9、机的特点同步电动机的特点同同步步电电动动机机在在转转转转子子子子侧侧侧侧有有有有独独独独立立立立的的的的直直直直流流流流励励励励磁磁磁磁，或或者者靠靠永永永永久久久久磁磁磁磁钢钢钢钢励励励励磁磁磁磁。还可能有自身短路的阻尼绕组。还可能有自身短路的阻尼绕组。同步电动机的稳态转速恒等于同步转速，机械特性硬同步电动机的稳态转速恒等于同步转速，机械特性硬同步电动机有同步电动机有隐极隐极隐极隐极与与凸极凸极凸极凸极之分。隐极式电机气隙均匀；凸极式则之分。隐极式电机气隙均匀；凸极式则不均匀，磁极直轴磁阻小，极间交轴磁阻大，两轴的电感系数不不均匀，磁极直轴磁阻小，极间交轴磁阻大，两轴的电感系数不等，使数学模

10、型更复杂一些。等，使数学模型更复杂一些。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，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，同同同同步电动机的调速范围比异步电动机更宽步电动机的调速范围比异步电动机更宽步电动机的调速范围比异步电动机更宽步电动机的调速范围比异步电动机更宽。异步电动机要靠加大异步电动机要靠加大异步电动机要靠加大异步电动机要靠加大转差转差转差转差才能提高转矩才能提高转矩才能提高转矩才能提高转矩，而，而，而，而同步电机只须加大同步电机只须加大同步电机只须加大同步电机只须加大功功功功角角角角就能增大转矩就能增大转矩就能增大转矩就能增大转矩，同步电动机比异步电动机对

11、，同步电动机比异步电动机对，同步电动机比异步电动机对，同步电动机比异步电动机对转矩扰动具有更强转矩扰动具有更强转矩扰动具有更强转矩扰动具有更强的承受能力的承受能力的承受能力的承受能力，动态响应快动态响应快动态响应快动态响应快。8.1.2 同步电动机的分类同步电动机的分类 同步电动机按励磁方式分为同步电动机按励磁方式分为同步电动机按励磁方式分为同步电动机按励磁方式分为：可控励磁同步电动机可控励磁同步电动机可控励磁同步电动机可控励磁同步电动机和和和和永磁同步电永磁同步电永磁同步电永磁同步电动机动机动机动机两种。两种。两种。两种。可控励磁同步电动机：可控励磁同步电动机：可控励磁同步电动机：可控励磁同

12、步电动机：在转子侧有独立的直流励磁，可以通过调节转子的直流励磁电流，在转子侧有独立的直流励磁，可以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。改变输入功率因数，可以滞后，也可以超前。永磁同步电动机：永磁同步电动机：永磁同步电动机：永磁同步电动机：采用永磁材料磁极采用永磁材料磁极(无需直流励磁无需直流励磁)，磁能积高，体积小、重量轻；，磁能积高，体积小、重量轻；转子没有铜损和铁损，没有滑环和电刷的摩擦损耗，运行效率高；转子没有铜损和铁损，没有滑环和电刷的摩擦损耗，运行效率高；转动惯量小转动惯量小,允许脉冲转矩大允许脉冲转矩大,可获得较高的加速度可获得较高的加速度,动态性能

13、好；动态性能好；结构紧凑，运行可靠。结构紧凑，运行可靠。永磁同步电动机气隙磁场分布永磁同步电动机气隙磁场分布永磁同步电动机气隙磁场分布永磁同步电动机气隙磁场分布 正弦波永磁同步电动机正弦波永磁同步电动机正弦波永磁同步电动机正弦波永磁同步电动机磁极采用永磁材料，输入三相正弦波电磁极采用永磁材料，输入三相正弦波电流时，气隙磁场为正弦分布，称作正弦波永磁同步电动机，或简称永流时，气隙磁场为正弦分布，称作正弦波永磁同步电动机，或简称永磁同步电动机缩写为磁同步电动机缩写为PMSMPMSM。梯形波永磁同步电动机梯形波永磁同步电动机梯形波永磁同步电动机梯形波永磁同步电动机气隙磁场呈梯形波分布，性能更接近于气

14、隙磁场呈梯形波分布，性能更接近于直流电动机。梯形波永磁同步电动机构成的自控变频同步电动机又称直流电动机。梯形波永磁同步电动机构成的自控变频同步电动机又称作作无刷直流电动机无刷直流电动机无刷直流电动机无刷直流电动机，缩写为，缩写为BLDMBLDM。8.5 同步电动同步电动机直接转矩控机直接转矩控制系统制系统8.2 他控变频同他控变频同步电动机调速系步电动机调速系统统8.3 自控变频同自控变频同步电动机调速步电动机调速系统系统8.4 同步电动机同步电动机矢量控制系统矢量控制系统8.1 同同步步电电动动机机的的稳稳态态模模型型与与调速方法调速方法8.1.3 同步电动机的矩角特性同步电动机的矩角特性在

15、忽略定子电阻时，同步电动机从定子侧输入的在忽略定子电阻时，同步电动机从定子侧输入的电磁功率电磁功率电磁功率电磁功率图图8-1 凸极同步电动机凸极同步电动机稳定运行相量图稳定运行相量图8.5 同步电动同步电动机直接转矩控机直接转矩控制系统制系统8.2 他控变频同他控变频同步电动机调速系步电动机调速系统统8.3 自控变频同自控变频同步电动机调速步电动机调速系统系统8.4 同步电动机同步电动机矢量控制系统矢量控制系统8.1 同同步步电电动动机机的的稳稳态态模模型型与与调速方法调速方法电磁转矩电磁转矩电磁转矩电磁转矩 第第1部分由转子磁动势产生，是同步电动机的部分由转子磁动势产生，是同步电动机的主转矩

16、主转矩主转矩主转矩；第第2部分由于磁路不对称产生，称作部分由于磁路不对称产生，称作磁阻反应转矩磁阻反应转矩磁阻反应转矩磁阻反应转矩。电磁功率电磁功率电磁功率电磁功率图图8-2 凸极同步电动机的矩角特性凸极同步电动机的矩角特性隐极同步电动机隐极同步电动机 电磁功率电磁功率电磁转矩电磁转矩 图图8-3 隐极同步电动机的矩角特性隐极同步电动机的矩角特性电磁转矩最大电磁转矩最大 8.5 同步电动同步电动机直接转矩控机直接转矩控制系统制系统8.2 他控变频同他控变频同步电动机调速系步电动机调速系统统8.3 自控变频同自控变频同步电动机调速步电动机调速系统系统8.4 同步电动机同步电动机矢量控制系统矢量控

17、制系统8.1 同同步步电电动动机机的的稳稳态态模模型型与与调速方法调速方法8.1.4 同步电动机的稳定运行同步电动机的稳定运行图图8-4 隐极同步电动机的矩角特性隐极同步电动机的矩角特性能够稳定运行能够稳定运行图图8-5 隐极同步电动机的矩角特性隐极同步电动机的矩角特性不能稳定运行，产生失步现象不能稳定运行，产生失步现象。8.5 同步电动同步电动机直接转矩控机直接转矩控制系统制系统8.2 他控变频同他控变频同步电动机调速系步电动机调速系统统8.3 自控变频同自控变频同步电动机调速步电动机调速系统系统8.4 同步电动机同步电动机矢量控制系统矢量控制系统8.1 同同步步电电动动机机的的稳稳态态模模

18、型型与与调速方法调速方法8.1.5 同步电动机的起动同步电动机的起动当同步电动机在工频电源下起动时，定子磁动势以同步转速旋转，当同步电动机在工频电源下起动时，定子磁动势以同步转速旋转，当同步电动机在工频电源下起动时，定子磁动势以同步转速旋转，当同步电动机在工频电源下起动时，定子磁动势以同步转速旋转，电动机转速具有较大的滞后，不能快速跟上同步转速；电动机转速具有较大的滞后，不能快速跟上同步转速；电动机转速具有较大的滞后，不能快速跟上同步转速；电动机转速具有较大的滞后，不能快速跟上同步转速；在一个周期内，电磁转矩平均值等于零，故在一个周期内，电磁转矩平均值等于零，故在一个周期内，电磁转矩平均值等于

19、零，故在一个周期内，电磁转矩平均值等于零，故同步电动机不能起动同步电动机不能起动同步电动机不能起动同步电动机不能起动。同步电动机中转子有起动绕组同步电动机中转子有起动绕组同步电动机中转子有起动绕组同步电动机中转子有起动绕组，使电动机按异步电动机的方式起，使电动机按异步电动机的方式起，使电动机按异步电动机的方式起，使电动机按异步电动机的方式起动，当转速接近同步转速时再通入励磁电流牵入同步。动，当转速接近同步转速时再通入励磁电流牵入同步。动，当转速接近同步转速时再通入励磁电流牵入同步。动，当转速接近同步转速时再通入励磁电流牵入同步。8.1.6 同步电动机的调速同步电动机的调速同步电动机的转速恒等于

20、同步转速同步电动机的转速恒等于同步转速同同同同步步步步电电电电动动动动机机机机有有有有确确确确定定定定的的的的极极极极对对对对数数数数，同同同同步步步步电电电电动动动动机机机机的的的的调调调调速速速速只只只只能能能能是是是是改改改改变变变变电电电电源源源源频率的变频调速频率的变频调速频率的变频调速频率的变频调速。忽略定子漏阻抗压降，则定子电压忽略定子漏阻抗压降，则定子电压 同步电动机变频调速的电压频率特性与异步电动机变频调速相同。同步电动机变频调速的电压频率特性与异步电动机变频调速相同。同步电动机变频调速的电压频率特性与异步电动机变频调速相同。同步电动机变频调速的电压频率特性与异步电动机变频调

21、速相同。基基基基频频频频以以以以下下下下采采采采用用用用带带带带定定定定子子子子压压压压降降降降补补补补偿偿偿偿的的的的恒恒恒恒压压压压频频频频比比比比控控控控制制制制方方方方式式式式，基基基基频频频频以以以以上上上上采采采采用电压恒定的控制方式。用电压恒定的控制方式。用电压恒定的控制方式。用电压恒定的控制方式。8.5 同步电动同步电动机直接转矩控机直接转矩控制系统制系统8.2 他控变频同他控变频同步电动机调速系步电动机调速系统统8.3 自控变频同自控变频同步电动机调速步电动机调速系统系统8.4 同步电动机同步电动机矢量控制系统矢量控制系统8.1 同同步步电电动动机机的的稳稳态态模模型型与与调

22、速方法调速方法图图8-6 同步电动机变频调速机械特性同步电动机变频调速机械特性基频以下基频以下基频以下基频以下 基频以上基频以上基频以上基频以上 8.5 同步电动同步电动机直接转矩控机直接转矩控制系统制系统8.2 他控变频同他控变频同步电动机调速系步电动机调速系统统8.3 自控变频同自控变频同步电动机调速步电动机调速系统系统8.4 同步电动机同步电动机矢量控制系统矢量控制系统8.1 同同步步电电动动机机的的稳稳态态模模型型与与调速方法调速方法8.2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他控变频调速的特点：他控变频调速的特点：他控变频调速的特点：他控变频调速的特点：电源频率与同步电

23、动机的实际转速无直接的必然联系。电源频率与同步电动机的实际转速无直接的必然联系。控制系统结构简单，可以同时实现多台同步电动机调速。控制系统结构简单，可以同时实现多台同步电动机调速。没有从根本上消除失步问题。没有从根本上消除失步问题。8.2.18.2.1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特点：特点：特点：特点：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，由统一多台永磁或磁阻同步电动机并联接在公共的变频器上，

24、由统一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的频率给定信号同时调节各台电动机的转速的频率给定信号同时调节各台电动机的转速的频率给定信号同时调节各台电动机的转速。转子振荡和失步问题并未解决。转子振荡和失步问题并未解决。各台同步电动机的各台同步电动机的负载不能太大负载不能太大负载不能太大负载不能太大，否则会造成负载大的同步电，否则会造成负载大的同步电动机失步，进而使整个调速系统崩溃。动机失步，进而使整个调速系统崩溃。8.1 同同步步电电动动机机的的稳稳态态模模型型与与调速方法调速方法8.5 同步电动同步电动机直接转矩控机直接转矩控制系统制系统8

25、.2 他控变频同他控变频同步电动机调速步电动机调速系统系统8.3 自控变频同自控变频同步电动机调速步电动机调速系统系统8.4 同步电动机同步电动机矢量控制系统矢量控制系统图图8-7 多台同步电动机的恒压频比控制调速系统多台同步电动机的恒压频比控制调速系统适用场合：适用场合：适用场合：适用场合：转速开环恒压频比控制转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速系统，是一种最简单的同步电动机群调速系统，是一种最简单的的他控变频调速他控变频调速系统，多用于系统，多用于化纺工业小容量多电动机拖动系统化纺工业小容量多电动机拖动系统中。中。8.1 同同步步电电动动机机的的稳稳态态模模型型与与调速方法调速方法8.5

26、 同步电动同步电动机直接转矩控机直接转矩控制系统制系统8.3 自控变频同自控变频同步电动机调速步电动机调速系统系统8.4 同步电动机同步电动机矢量控制系统矢量控制系统8.2 他控变频同他控变频同步电动机调速步电动机调速系统系统8.2.28.2.2大功率同步电动机调速系统大功率同步电动机调速系统大功率同步电动机调速系统大功率同步电动机调速系统可以采用恒压频比控制，在起动过程中，同步电动机定子电源频可以采用恒压频比控制，在起动过程中，同步电动机定子电源频率按斜坡规律变化，率按斜坡规律变化，将动态转差限制在允许的范围内将动态转差限制在允许的范围内，以保证同，以保证同步电动机顺利起动。起动结束后，同步

27、电动机转速等于同步转速，步电动机顺利起动。起动结束后，同步电动机转速等于同步转速，稳态转差等于零稳态转差等于零。也可以采用转速闭环控制的矢量控制或直接转。也可以采用转速闭环控制的矢量控制或直接转矩控制。矩控制。大型同步电动机转子上一般都具有励磁绕组大型同步电动机转子上一般都具有励磁绕组大型同步电动机转子上一般都具有励磁绕组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，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。器供电。对于经常在对于经常在高速运行高速运行高速运行高速运行的机械设备，定子常用交

28、的机械设备，定子常用交-直直-交电流型变压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，可以时更简单，可以省去强迫换流电路省去强迫换流电路省去强迫换流电路省去强迫换流电路，而，而利用同步电动机定子中的利用同步电动机定子中的利用同步电动机定子中的利用同步电动机定子中的感应电动势实现换相感应电动势实现换相感应电动势实现换相感应电动势实现换相。这样的逆变器称作负载换流逆变器（。这样的逆变器称作负载换流逆变器（Load-commutated Inverter，简称，简称LCI）。）。8.1 同同步步电电动动机机的的

29、稳稳态态模模型型与与调速方法调速方法8.5 同步电动同步电动机直接转矩控机直接转矩控制系统制系统8.3 自控变频同自控变频同步电动机调速步电动机调速系统系统8.4 同步电动机同步电动机矢量控制系统矢量控制系统8.2 他控变频同他控变频同步电动机调速步电动机调速系统系统图图8-8 变压变频器供电的同步电动机调速系统变压变频器供电的同步电动机调速系统8.1 同同步步电电动动机机的的稳稳态态模模型型与与调速方法调速方法8.5 同步电动同步电动机直接转矩控机直接转矩控制系统制系统8.3 自控变频同自控变频同步电动机调速步电动机调速系统系统8.4 同步电动机同步电动机矢量控制系统矢量控制系统8.2 他控

30、变频同他控变频同步电动机调速步电动机调速系统系统n n 系统组成系统组成系统组成系统组成由交由交-直直-交电流型交电流型负载换流负载换流负载换流负载换流变压变频器供电的同步电动机调速系统变压变频器供电的同步电动机调速系统8.1 同同步步电电动动机机的的稳稳态态模模型型与与调速方法调速方法8.5 同步电动同步电动机直接转矩控机直接转矩控制系统制系统8.3 自控变频同自控变频同步电动机调速步电动机调速系统系统8.4 同步电动机同步电动机矢量控制系统矢量控制系统8.2 他控变频同他控变频同步电动机调速步电动机调速系统系统换流问题换流问题换流问题换流问题LCI同步调速系统在同步调速系统在起动和低速起动

31、和低速起动和低速起动和低速时存在换流问题：时存在换流问题：时存在换流问题：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；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。当电机静止时，感应电动势为零，根本就无法换流。解决方案解决方案解决方案解决方案采用采用“直流侧电流断续直流侧电流断续直流侧电流断续直流侧电流断续”的特殊方法，使中间直流环节电抗的特殊方法，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，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

32、恢复正允许逆变器换相，换相后再关断旁路晶闸管，使电流恢复正常。常。用这种换流方式可用这种换流方式可使电动机转速升到额定值的使电动机转速升到额定值的使电动机转速升到额定值的使电动机转速升到额定值的 3%5%3%5%，然，然后再切换到后再切换到负载电动势换流负载电动势换流负载电动势换流负载电动势换流。8.1 同同步步电电动动机机的的稳稳态态模模型型与与调速方法调速方法8.5 同步电动同步电动机直接转矩控机直接转矩控制系统制系统8.3 自控变频同自控变频同步电动机调速步电动机调速系统系统8.4 同步电动机同步电动机矢量控制系统矢量控制系统8.2 他控变频同他控变频同步电动机调速步电动机调速系统系统8

33、.3自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他他他他控控控控变变变变频频频频同同同同步步步步电电电电动动动动机机机机调调调调速速速速系系系系统统统统变变变变频频频频器器器器的的的的输输输输出出出出频频频频率率率率与与与与转转转转子子子子转转转转速速速速或或或或位位位位置无直接的关系，若控制不当，仍然会造成失步。置无直接的关系，若控制不当，仍然会造成失步。置无直接的关系，若控制不当，仍然会造成失步。置无直接的关系，若控制不当，仍然会造成失步。根根根根据据据据转转转转子子子子位位位位置置置置直直直直接接接接控控控控制制制制变变变变频频频频装装装装置置置置的的的的输输输输出出出出电电电电

34、压压压压或或或或电电电电流流流流的的的的相相相相位位位位，就就就就能能能能从根本上杜绝失步现象，这就是自控变频同步电动机的初衷。从根本上杜绝失步现象，这就是自控变频同步电动机的初衷。从根本上杜绝失步现象，这就是自控变频同步电动机的初衷。从根本上杜绝失步现象，这就是自控变频同步电动机的初衷。图图8-9 自控变频同步电动机调速原理图自控变频同步电动机调速原理图UI逆变器逆变器 BQ转子位置检测器转子位置检测器需要两套需要两套可控功率可控功率单元，系单元，系统结构复统结构复杂。杂。8.1 同同步步电电动动机机的的稳稳态态模模型型与与调速方法调速方法8.5 同步电动同步电动机直接转矩控机直接转矩控制系

35、统制系统8.2 他控变频同他控变频同步电动机调速系步电动机调速系统统8.3 自控变频同自控变频同步电动机调速步电动机调速系统系统8.4 同步电动机同步电动机矢量控制系统矢量控制系统8.3.1自控变频同步电动机自控变频同步电动机在基频以下调速时，需要电压频率协调控制。在基频以下调速时，需要电压频率协调控制。需要一套直流调压装置，为逆变器提供可调的直流电源。需要一套直流调压装置，为逆变器提供可调的直流电源。调调速速时时改改变变直直流流电电压压，转转速速将将随随之之变变化化，逆逆变变器器的的输输出出频频率率自自动动跟踪转速。跟踪转速。在在表表面面上上只只控控制制了了电电压压，实实际际上上也也自自动动

36、地地控控制制了了频频率率，这这就就是是自自控变频同步电动机变压变频调速。控变频同步电动机变压变频调速。采用采用PWM逆变器，既完成变频，又实现调压。逆变器，既完成变频，又实现调压。可可控控整整流流器器就就可可以以用用不不可可控控整整流流器器，或或直直接接由由直直流流母母线线供供电电，系系统结构简单，只需一套可控功率单元。统结构简单，只需一套可控功率单元。图图8-10 PWM控制的自控变频同步电动机及调速原理图控制的自控变频同步电动机及调速原理图8.1 同同步步电电动动机机的的稳稳态态模模型型与与调速方法调速方法8.5 同步电动同步电动机直接转矩控机直接转矩控制系统制系统8.2 他控变频同他控变

37、频同步电动机调速系步电动机调速系统统8.4 同步电动机同步电动机矢量控制系统矢量控制系统8.3 自控变频同自控变频同步电动机调速步电动机调速系统系统8.3.1自控变频同步电动机自控变频同步电动机从从电电动动机机本本身身看看，自自控控变变频频同同步步电电动动机机是是一一台台同同步步电电动动机机，可可以以是是永永磁式的，容量大时也可以用励磁式的。磁式的，容量大时也可以用励磁式的。把把电电动动机机和和逆逆变变器器、转转子子位位置置检检测测器器BQ合合起起来来看看，如如同同是是一一台台直直流流电动机。电动机。从从从从外外外外部部部部看看看看来来来来，改改改改变变变变直直直直流流流流电电电电压压压压，就

38、就就就可可可可实实实实现现现现调调调调速速速速，相相相相当当当当于于于于直直直直流流流流电电电电动动动动机机机机的的的的调调调调压调速。压调速。压调速。压调速。在在自自控控变变频频同同步步电电动动机机中中采采用用的的电电力力电电子子逆逆变变器器和和转转子子位位置置检检测测器器就就相相当当于于电电子子式式换换向向器器，用用静静止止的的电电力力电电子子电电路路代代替替了了容容易易产产生生火火花花的的旋转接触式换向器，用旋转接触式换向器，用电子换向取代机械换向电子换向取代机械换向电子换向取代机械换向电子换向取代机械换向。无换向器电动机无换向器电动机无换向器电动机无换向器电动机由于采用电子换相取代了机

39、械式的换向器，多用由于采用电子换相取代了机械式的换向器，多用于带直流励磁的同步电动机。于带直流励磁的同步电动机。正弦波永磁自控变频同步电动机正弦波永磁自控变频同步电动机正弦波永磁自控变频同步电动机正弦波永磁自控变频同步电动机以正弦波永磁同步电动机为核心，以正弦波永磁同步电动机为核心，构成的自控变频同步电动机。构成的自控变频同步电动机。梯形波永磁自控变频同步电动机即无刷直流电动机梯形波永磁自控变频同步电动机即无刷直流电动机梯形波永磁自控变频同步电动机即无刷直流电动机梯形波永磁自控变频同步电动机即无刷直流电动机以梯形波永磁以梯形波永磁同步电动机为核心的自控变频同步电动机，性能更接近于直流电动机同步

40、电动机为核心的自控变频同步电动机，性能更接近于直流电动机。但没有电刷，故称无刷直流电动机。但没有电刷，故称无刷直流电动机。尽管在名称上有区别，本质上都是一样的，所以统称作尽管在名称上有区别，本质上都是一样的，所以统称作“自控变频同自控变频同步电动机步电动机”。8.1 同同步步电电动动机机的的稳稳态态模模型型与与调速方法调速方法8.5 同步电动同步电动机直接转矩控机直接转矩控制系统制系统8.2 他控变频同他控变频同步电动机调速系步电动机调速系统统8.4 同步电动机同步电动机矢量控制系统矢量控制系统8.3 自控变频同自控变频同步电动机调速步电动机调速系统系统8.3.2梯形波永磁同步电动机的自控变频

41、调速系统梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统无无刷刷直直流流电电动动机机实实质质上上是是一一种种特特定定类类型型的的永永磁磁同同步步电电动动机机，转转子子磁磁极极采采用用瓦瓦形形磁磁钢钢，经经专专门门的的磁磁路路设设计计，可可获获得得梯梯形形波波的的气气隙隙磁磁场，感应的电动势也是梯形波的。场，感应的电动势也是梯形波的。逆变器提供与电动势严格同相的方波电流。逆变器提供与电动势严格同相的方波电流。图图8-11 梯形波永磁同步电动机的电动势波形与近似的电流波形图梯形波永磁同步电动机的电动势波形与近似的电流波形图8.1 同同步步电电动动机机的的稳稳态态模模型型与与调速方法调速方法8.5 同步电动同

42、步电动机直接转矩控机直接转矩控制系统制系统8.2 他控变频同他控变频同步电动机调速系步电动机调速系统统8.4 同步电动机同步电动机矢量控制系统矢量控制系统8.3 自控变频同自控变频同步电动机调速步电动机调速系统系统图图8-12 梯形波永磁同步电动机的等效电路及逆变器主电路原理图梯形波永磁同步电动机的等效电路及逆变器主电路原理图8.3.2梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统8.1 同同步步电电动动机机的的稳稳态态模模型型与与调速方法调速方法8.5 同步电动同步电动机直接转矩控机直接转矩控制系统制系统8.2 他控变频同他控变频同步电动机调速系步电动机调速系统

43、统8.4 同步电动机同步电动机矢量控制系统矢量控制系统8.3 自控变频同自控变频同步电动机调速步电动机调速系统系统8.3.2梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统图图8-13 PWM逆变器输出逆变器输出电压电压图图8-14 梯形波永磁同步电动梯形波永磁同步电动机的转矩脉动机的转矩脉动8.1 同同步步电电动动机机的的稳稳态态模模型型与与调速方法调速方法8.5 同步电动同步电动机直接转矩控机直接转矩控制系统制系统8.2 他控变频同他控变频同步电动机调速系步电动机调速系统统8.4 同步电动机同步电动机矢量控制系统矢量控制系统8.3 自控变频同自控变频同步电动机调

44、速步电动机调速系统系统8.3.2梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统PWM逆逆变变器器输输出出电电压压为为调调制制方方波波序序列列，换换相相的的顺顺序序与与三三相相桥桥式式晶晶闸闸管管可可控控整整流流电电路路相相同同，并并按按直直流流PWM的的方方法法对对方方波波进进行行调调制制，同时完成变压变频功能。同时完成变压变频功能。换换相相时时电电流流波波形形不不可可能能突突跳跳，其其波波形形实实际际上上只只能能是是近近似似梯梯形形的的，因而通过气隙传送到转子的电磁功率也是梯形波。因而通过气隙传送到转子的电磁功率也是梯形波。梯形波永磁同步电动机的电压方程梯形波永

45、磁同步电动机的电压方程 在在非非换换相相情情况况下下，同同时时只只有有两两相相导导通通，从从逆逆变变器器直直流流侧侧看看进进去去，为两相绕组串联，则电磁功率为两相绕组串联，则电磁功率电磁转矩电磁转矩 8.1 同同步步电电动动机机的的稳稳态态模模型型与与调速方法调速方法8.5 同步电动同步电动机直接转矩控机直接转矩控制系统制系统8.2 他控变频同他控变频同步电动机调速系步电动机调速系统统8.4 同步电动机同步电动机矢量控制系统矢量控制系统8.3 自控变频同自控变频同步电动机调速步电动机调速系统系统8.3.2梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统不不考考虑虑换

46、换相相过过程程及及PWM调调制制等等因因素素的的影影响响，VT1和和VT6导导通通时时，A、B两相导通，而两相导通，而C相关断相关断无刷直流电动机的电压方程无刷直流电动机的电压方程 采用采用PWM控制控制 电压方程电压方程 状态方程状态方程电枢漏磁时间常数电枢漏磁时间常数 8.1 同同步步电电动动机机的的稳稳态态模模型型与与调速方法调速方法8.5 同步电动同步电动机直接转矩控机直接转矩控制系统制系统8.2 他控变频同他控变频同步电动机调速系步电动机调速系统统8.4 同步电动机同步电动机矢量控制系统矢量控制系统8.3 自控变频同自控变频同步电动机调速步电动机调速系统系统8.3.2梯形波永磁同步电

47、动机的自控变频调速系统梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统根据电机和电力拖动系统基本理论根据电机和电力拖动系统基本理论 无刷直流电动机的状态方程无刷直流电动机的状态方程8.1 同同步步电电动动机机的的稳稳态态模模型型与与调速方法调速方法8.5 同步电动同步电动机直接转矩控机直接转矩控制系统制系统8.2 他控变频同他控变频同步电动机调速系步电动机调速系统统8.4 同步电动机同步电动机矢量控制系统矢量控制系统8.3 自控变频同自控变频同步电动机调速步电动机调速系统系统8.3.2梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统图图8-15 无刷直流电动机的动态结构图无刷

48、直流电动机的动态结构图图图8-16 无刷直流电动机调速系统无刷直流电动机调速系统lASR和和ACR均为均为带有积分带有积分带有积分带有积分和输出限幅的和输出限幅的和输出限幅的和输出限幅的PIPI调节器调节器调节器调节器，调，调节器可参照直节器可参照直流调速系统的流调速系统的方法设计。方法设计。8.1 同同步步电电动动机机的的稳稳态态模模型型与与调速方法调速方法8.5 同步电动同步电动机直接转矩控机直接转矩控制系统制系统8.2 他控变频同他控变频同步电动机调速系步电动机调速系统统8.4 同步电动机同步电动机矢量控制系统矢量控制系统8.3 自控变频同自控变频同步电动机调速步电动机调速系统系统8.3

49、.2梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统图图8-17 无刷直流电动机调速系统结构图无刷直流电动机调速系统结构图8.1 同同步步电电动动机机的的稳稳态态模模型型与与调速方法调速方法8.5 同步电动同步电动机直接转矩控机直接转矩控制系统制系统8.2 他控变频同他控变频同步电动机调速系步电动机调速系统统8.4 同步电动机同步电动机矢量控制系统矢量控制系统8.3 自控变频同自控变频同步电动机调速步电动机调速系统系统8.4同步电动机矢量控制系统同步电动机矢量控制系统通过坐标变换，把同步电动机等效成直流电动机，再模仿直流电通过坐标变换，把同步电动机等效成直流电动机，

50、再模仿直流电动机的控制方法进行控制。动机的控制方法进行控制。在同步电动机矢量控制系统中，在同步电动机矢量控制系统中，为了准确地定向，需要检测转子为了准确地定向，需要检测转子为了准确地定向，需要检测转子为了准确地定向，需要检测转子位置。位置。位置。位置。因此，因此，同步电动机矢量控制变频调速也可归属于自控变频同步电同步电动机矢量控制变频调速也可归属于自控变频同步电同步电动机矢量控制变频调速也可归属于自控变频同步电同步电动机矢量控制变频调速也可归属于自控变频同步电动机调速系统。动机调速系统。动机调速系统。动机调速系统。8.4.1可控励磁同步电动机动态数学模型可控励磁同步电动机动态数学模型作如下假定