第三章 同步电动机的变频调速控制

1、第三章第三章 同步电动机的变频调速控制同步电动机的变频调速控制 应用广泛应用广泛: : (1) 功率覆盖面非常广大，从瓦级无刷直流电动机到功率覆盖面非常广大，从瓦级无刷直流电动机到 万千瓦的大型轧机、窑炉万千瓦的大型轧机、窑炉 传动电机、鼓风机电机传动电机、鼓风机电机 等。等。 (2) 大型同步电机和超大型抽水蓄能电动发电机的变大型同步电机和超大型抽水蓄能电动发电机的变 频起动也属于同步电动机变频调速之列。频起动也属于同步电动机变频调速之列。 (3) 近年来永磁同步电动机的迅速发展，使同步电动近年来永磁同步电动机的迅速发展，使同步电动 机变频调速技术的应用愈来愈多。机变频调速技术的应用愈来愈多

2、。 优点优点: (1) 只要精确地控制变频电源的频率就能准确控只要精确地控制变频电源的频率就能准确控 制转速，无需速度反馈控制。制转速，无需速度反馈控制。 (2) 转矩干扰只影响同步电动机的功角，不影响转矩干扰只影响同步电动机的功角，不影响 电机的转速可以在极低的转速下运行，调速范围电机的转速可以在极低的转速下运行，调速范围 较宽。较宽。 (3)可以调节转子励磁来调节电机的功率因数可以调节转子励磁来调节电机的功率因数,甚甚 至可在至可在 下运行。下运行。 (4) 运行在超前功率因数下，有可能利用电动机运行在超前功率因数下，有可能利用电动机 的反电势实现负载换流，克服强迫换流的弊病的反电势实现负

3、载换流，克服强迫换流的弊病 （晶闸管（晶闸管)。 1cos 缺点缺点：同步电机本身结构稍微复杂：同步电机本身结构稍微复杂 3-1 同步电动机的结构形式和运行性能同步电动机的结构形式和运行性能 一、变频调速系统中应用的同步电动机一、变频调速系统中应用的同步电动机 对于对于大、中容量大、中容量的调速系统，一般采用普的调速系统，一般采用普 通的电励磁式结构；对于通的电励磁式结构；对于小型小型调速装置，采用调速装置，采用 磁阻式或者永磁式同步电机。磁阻式或者永磁式同步电机。 1. 特征特征 p f n 60 2. 永磁同步电动机的材料永磁同步电动机的材料 年代年代材料名称材料名称 最大磁积最大磁积(

4、(兆兆 高奥高奥)(HB)(HB) 特色特色 曲线曲线 3030年代年代铝镍钴、铁氧体铝镍钴、铁氧体差差易去磁易去磁 1 1 9090年代年代铁氧体铁氧体3.64.03.64.0 价格低价格低 （稀土的（稀土的1/101/10） 2 2 6060年代年代 后期后期 稀土永磁：稀土永磁： SmCSmC05 05 2424 热稳定性好热稳定性好 不怕去磁不怕去磁 3 3 7070年代年代 初期初期 稀土永磁：稀土永磁： S Sm mC C017 017 3333钴含量高、价格高钴含量高、价格高 稀土永磁：稀土永磁： 钕铁硼钕铁硼 Nd-Fe-BNd-Fe-B 38403840 我国储量世界第一，我

5、国储量世界第一， 温度可达温度可达200200？ 4 4 第三代第三代 几种永磁材料的特性比较几种永磁材料的特性比较 3.永磁同步电动机的磁极结构永磁同步电动机的磁极结构 永磁同步电动机的磁极结构型式随永磁材料特永磁同步电动机的磁极结构型式随永磁材料特 性的不同和应用领域的差异具有多种方案。性的不同和应用领域的差异具有多种方案。 按永磁材料的不同，可将永磁同步电动机分按永磁材料的不同，可将永磁同步电动机分 为三种类型：为三种类型： （1）铝鎳钴永磁同步电机）铝鎳钴永磁同步电机 （2）铁氧体永磁同步电机）铁氧体永磁同步电机 （3）稀土永磁同步电机）稀土永磁同步电机 铝镍钴永磁同步电机：铝镍钴永磁

6、同步电机： 早期的铝鎳钴永磁同早期的铝鎳钴永磁同 步电机沿用了传统同步电步电机沿用了传统同步电 机结构形式。根据铝鎳钴机结构形式。根据铝鎳钴 材料矫顽力小，剩磁密度材料矫顽力小，剩磁密度 大的特点，磁极采用截面大的特点，磁极采用截面 小，极身长的形状。小，极身长的形状。 铁氧体和稀土永磁同步电机铁氧体和稀土永磁同步电机: 铁氧体铁氧体矫顽力较大，剩磁密度较小，铁氧体永矫顽力较大，剩磁密度较小，铁氧体永 磁同步电机常采用如图磁同步电机常采用如图33 a）的磁极结构。而对）的磁极结构。而对 于磁能积很大的于磁能积很大的稀土稀土永磁电机，采用瓦片式结构，永磁电机，采用瓦片式结构， 如图如图33 b）

7、和）和c）所示。）所示。 磁阻电机磁阻电机: 磁阻电机，又称反应磁阻电机，又称反应 式同步电机，是一种无励式同步电机，是一种无励 磁的凸极式同步电动机，磁的凸极式同步电动机， 利用凸极转子磁路不对称，利用凸极转子磁路不对称， dq 轴电抗差异来产生反轴电抗差异来产生反 应转矩。其结构如图应转矩。其结构如图34 所示。所示。 二、同步电动机的运行性能二、同步电动机的运行性能 1. 电磁转矩电磁转矩 一般表达式一般表达式 隐极同步电动机，隐极同步电动机，dq轴同步电抗相等，反轴同步电抗相等，反 应转矩消失。应转矩消失。 磁阻式同步电动机，无励磁，磁阻式同步电动机，无励磁，E0。 2sin 222

8、2 11 qd qd d XX XX U f mp Sin X UE f mp T sin 2 1s X UE f mp T 2sin 22 2 1 qd qd XX XX U f mp T 2. 转矩特性曲线转矩特性曲线 凸极式同步电动机转矩特性曲线凸极式同步电动机转矩特性曲线 分析：分析：它是由转子励磁产它是由转子励磁产 生的同步转矩生的同步转矩2 和凸极效和凸极效 应产生的反应转矩应产生的反应转矩3两部分两部分 合成。合成。其中同步转矩按功其中同步转矩按功 率角的正弦变化，反应转率角的正弦变化，反应转 矩按其两倍频正弦变化。矩按其两倍频正弦变化。 对于隐极同步电机而言，对于隐极同步电机而

9、言， dq轴同步电抗相等，反应轴同步电抗相等，反应 转矩消失，转矩特性如曲转矩消失，转矩特性如曲 线线2 所示。所示。 永磁同步电动机转矩特性曲线永磁同步电动机转矩特性曲线 分析：由于永磁体本身分析：由于永磁体本身 的导磁率一般较低，其的导磁率一般较低，其 q轴同步电抗反比轴同步电抗反比d 轴轴 同步电抗大，使得反应同步电抗大，使得反应 转矩分量变负。可见永转矩分量变负。可见永 磁同步电动机产生磁同步电动机产生最大最大 转矩的功角转矩的功角大于电励磁大于电励磁 式同步电动机，且大于式同步电动机，且大于 90度。度。 4. 永磁式同步电动机的特殊问题永磁式同步电动机的特殊问题 起动性能不佳起动性

10、能不佳 永磁同步电动机不能像普通同步电机那样，只永磁同步电动机不能像普通同步电机那样，只 依靠装在转子上的起动绕组产生的异步转矩使电机依靠装在转子上的起动绕组产生的异步转矩使电机 达到亚同步速，再投入励磁使电机牵入同步。达到亚同步速，再投入励磁使电机牵入同步。 由于一开始，永磁转子上就存在磁场，会对起动由于一开始，永磁转子上就存在磁场，会对起动 过程产生不良影响，使起动过程中存在多种转矩过程产生不良影响，使起动过程中存在多种转矩 （异步性质的（异步性质的平均转矩平均转矩和同步性质的和同步性质的脉动转矩脉动转矩）。）。 永磁同步电动机起动转矩曲线永磁同步电动机起动转矩曲线 Tc基本基本异步起动转

11、矩，异步起动转矩， 由起动绕组产生由起动绕组产生 TD逆序磁场产生的逆序磁场产生的附附 加加异步起动转矩（起动绕组异步起动转矩（起动绕组 不对称引起）不对称引起） TM永磁体旋转与定子永磁体旋转与定子 绕组作用产生相当大的异步绕组作用产生相当大的异步 制动转矩制动转矩 Ts以上三种转矩的合成以上三种转矩的合成 转矩，为平均转矩转矩，为平均转矩 起动过程磁场分析起动过程磁场分析 除了异步性质的平均转矩外，还存在除了异步性质的平均转矩外，还存在3个的磁场：个的磁场： 电枢磁场：电枢磁场： 转子永磁体磁场：转子永磁体磁场： (1-s) 逆序磁场：逆序磁场： (1-2s) 三者会相互作用产生同步脉动转

12、矩（平均转矩为三者会相互作用产生同步脉动转矩（平均转矩为 0），所有各种转矩起动时都发生作用，异步性质的），所有各种转矩起动时都发生作用，异步性质的 平均转矩使电机平均转矩使电机加速加速，脉动转矩，脉动转矩时而加速时而减速时而加速时而减速。 随着转速的升高，转矩脉动频率降低。起动完毕（牵随着转速的升高，转矩脉动频率降低。起动完毕（牵 入同步），异步转矩消失，同步脉动转矩成为同步转入同步），异步转矩消失，同步脉动转矩成为同步转 矩。矩。 s n s n s n 解决方法：解决方法： （1）外力拖入同步）外力拖入同步 （2）从静止开始作逐步升频的变频起动）从静止开始作逐步升频的变频起动 三、同步电

13、动机变频调速的控制方式三、同步电动机变频调速的控制方式 （1）他控式变频器供电）他控式变频器供电 特点：特点： 1）运行频率由外界独立调节）运行频率由外界独立调节 2）改变逆变器的输出频率实现对同步电机）改变逆变器的输出频率实现对同步电机 的调速的调速 3）运行情况决定于）运行情况决定于E和和U之间的功率角（受之间的功率角（受 负载影响容易产生失步）负载影响容易产生失步） (2) 自控式变频器供电：无换向器电动机自控式变频器供电：无换向器电动机 特点：特点： 1）运行频率由转子转速决定）运行频率由转子转速决定 2）电流周期与转子速度始终保持同步，不会）电流周期与转子速度始终保持同步，不会 出现

14、失步现象出现失步现象 3）通过调节输入电压进行调速，其特性类似）通过调节输入电压进行调速，其特性类似 于直流电动机于直流电动机 3-2 无换向器电机（自控式同步电动机无换向器电机（自控式同步电动机 变频调速系统）变频调速系统） 自控式同步电机变频调速系统又称为无换自控式同步电机变频调速系统又称为无换 向器电机，一种新型机电一体化无级变速电机，向器电机，一种新型机电一体化无级变速电机， 它是由一台带转子磁极位置检测器它是由一台带转子磁极位置检测器PS 的同步电的同步电 动机动机SM和一套功率半导体逆变器和一套功率半导体逆变器INV所组成。所组成。 优点优点： 直流电机调速特性直流电机调速特性 无

15、换向器无换向器 结构简单结构简单 无须经常维护无须经常维护 无换向器电机有两种不同的系统结构形式无换向器电机有两种不同的系统结构形式 (1) 直流无换向器电机直流无换向器电机，即自控式同步电机交直，即自控式同步电机交直 交变频调速系统交变频调速系统 它是由电网交流电经可控整流器它是由电网交流电经可控整流器REC变成直流，变成直流， 然后再由晶闸管逆变器然后再由晶闸管逆变器INV转换成频率可调的交流，转换成频率可调的交流， 供给同步电动机实现变频调速。其结构框图如图供给同步电动机实现变频调速。其结构框图如图3 8所示。所示。 (2) 交流交流无换向器电机，即自控式同步电机交交无换向器电机，即自控

16、式同步电机交交 变频调速系统变频调速系统 它是利用它是利用 晶闸管变频器晶闸管变频器 直接把电网直接把电网 50Hz交流电转交流电转 换为可变频率换为可变频率 的交流供给同的交流供给同 步电动机。其步电动机。其 结构如图结构如图39 所示。所示。 直流和交流无换向器电机的比较直流和交流无换向器电机的比较 直流无换向器电机系统简单，所用晶闸管直流无换向器电机系统简单，所用晶闸管 元件少、耐压要求低，但因工作在直流电源上元件少、耐压要求低，但因工作在直流电源上 故有一个换向问题。故有一个换向问题。 交流无换向器电机的变频器晶闸管可靠电交流无换向器电机的变频器晶闸管可靠电 网交流电源换流，但所用元件

17、数目多、耐压要网交流电源换流，但所用元件数目多、耐压要 求高，因此我们将重点讨论直流无换向器电机。求高，因此我们将重点讨论直流无换向器电机。 用途用途 适用范围广适用范围广,如纺织、化工、水泥、制糖、矿山、如纺织、化工、水泥、制糖、矿山、 军工等军工等,易于做成高速大容量易于做成高速大容量（数千千瓦，（数千千瓦， 6000090000转转/分）。国外轧钢机主传动用的无换分）。国外轧钢机主传动用的无换 向器电机单机容量超过向器电机单机容量超过5000千瓦；千瓦；解决大型同步电解决大型同步电 机的起动问题机的起动问题:美国美国Racoon电站电站425兆伏安抽水蓄能兆伏安抽水蓄能 发电机配套了发电

18、机配套了20兆伏安无换向器电机起动装置；我兆伏安无换向器电机起动装置；我 国宝钢一号高炉的大型鼓风机驱动用国宝钢一号高炉的大型鼓风机驱动用48兆瓦同步电兆瓦同步电 动机，也是采用无换向器电机方式起动动机，也是采用无换向器电机方式起动 。 一、无换向器电机的基本原理一、无换向器电机的基本原理 1. 1. 等效直流电机模型等效直流电机模型 无换向器电机无换向器电机实质实质就是一种通过半导体就是一种通过半导体 变流器把电源频率变流器把电源频率电功率电功率转变成可变频率电功转变成可变频率电功 率供给同步电动机进行变频调速的系统。率供给同步电动机进行变频调速的系统。 但其但其输出频率输出频率不是独立调节

19、的，而是受与不是独立调节的，而是受与 同步电动机转子同轴安装的位置检测器的控制。同步电动机转子同轴安装的位置检测器的控制。 其特点是能保证变频器的输出频率和电动机转其特点是能保证变频器的输出频率和电动机转 速始终保持同步而不会发生失步。速始终保持同步而不会发生失步。 我们从直流电机与无换向器电机相比较的角我们从直流电机与无换向器电机相比较的角 度来分析无换向器电机的等效直流电机模型。度来分析无换向器电机的等效直流电机模型。 直流电机特点直流电机特点 l定、转子磁场相对静止定、转子磁场相对静止 l 电枢绕组中通过的电流为交流电枢绕组中通过的电流为交流 l 电流换向通过换向器获得电流换向通过换向器

20、获得 l 换流位置由电刷确定换流位置由电刷确定 l 磁场不旋转磁场不旋转 无换向器电机特点无换向器电机特点 l定、转子磁场相对静止；定、转子磁场相对静止； l电枢绕组中通过的电流为交流；电枢绕组中通过的电流为交流； l无换向装置无换向装置 直流电机与同步电机的比较直流电机与同步电机的比较 相同点：相同点： l 定、转子磁场相对静止定、转子磁场相对静止 l 电枢绕组中通过的电流为交流电枢绕组中通过的电流为交流 不同点：不同点： l 直流电机多了一套换向装置，若没有换向直流电机多了一套换向装置，若没有换向 置，直流电动机就是同步电动机置，直流电动机就是同步电动机 l 直流电动机磁场静止，同步电动机

21、磁场旋直流电动机磁场静止，同步电动机磁场旋 转转 其实，无换向器电机和直流电机一样，本其实，无换向器电机和直流电机一样，本 身就是一台同步电动机，只是直流电动机中用的身就是一台同步电动机，只是直流电动机中用的 是一个机械接触式的逆变器，而无换向器电机中是一个机械接触式的逆变器，而无换向器电机中 是用晶闸管组成的半导体逆变器来代替。直流电是用晶闸管组成的半导体逆变器来代替。直流电 机中用以控制换向位置的电刷，在无换向器电机机中用以控制换向位置的电刷，在无换向器电机 中是用无接触式的位置检测器来代替。尽管两者中是用无接触式的位置检测器来代替。尽管两者 构造不同，但他们的作用却完全相同，所以无换构造

22、不同，但他们的作用却完全相同，所以无换 向器电动机和一般并激直流电动机具有相同的调向器电动机和一般并激直流电动机具有相同的调 速特性。速特性。 2. 2. 电磁转矩的产生电磁转矩的产生 假设转子励磁所产生假设转子励磁所产生 的磁场在电机气隙中按正弦的磁场在电机气隙中按正弦 分布，如果定子一相绕组中分布，如果定子一相绕组中 通以持续的直流电流，则此通以持续的直流电流，则此 电流和转子磁场作用下所产电流和转子磁场作用下所产 生的转矩也将随转子位置不生的转矩也将随转子位置不 同而按正弦规律变化，这种同而按正弦规律变化，这种 变化规律如图变化规律如图3 31010所示。所示。 在无换向器电机，实际上每

23、相绕组中在无换向器电机，实际上每相绕组中 通过的不是持续的直流而是只通电通过的不是持续的直流而是只通电1/31/3周期周期 的方波电流，这样每相电流和转子磁场作的方波电流，这样每相电流和转子磁场作 用所产生的转矩也只是正弦转矩曲线上相用所产生的转矩也只是正弦转矩曲线上相 当于当于1/31/3周期长的一段，它的具体形状和绕周期长的一段，它的具体形状和绕 组开始通电时的转子相对位置有关。组开始通电时的转子相对位置有关。 图示位置是转子磁极轴线图示位置是转子磁极轴线 从某相绕组轴线转过从某相绕组轴线转过3030的位的位 置，在此瞬间触发该相晶闸管，置，在此瞬间触发该相晶闸管， 从产生转矩的角度看是最

24、有利从产生转矩的角度看是最有利 的。在此位置下，在绕组通电的。在此位置下，在绕组通电 的的1/31/3周期里，载流导体正好周期里，载流导体正好 处于比较强的磁场中，所产生处于比较强的磁场中，所产生 的转矩平均值最大，脉动最小。的转矩平均值最大，脉动最小。 从时间相位上看，晶闸管触发从时间相位上看，晶闸管触发 瞬间正好是该感应电势交变过瞬间正好是该感应电势交变过 零之后的零之后的3030相位处，习惯上相位处，习惯上 将此点选作晶闸管触发相位的将此点选作晶闸管触发相位的 基准点，称为空载换流超前基准点，称为空载换流超前 角角 。 0 在换流超前角为在换流超前角为0 0的情况下，电枢三的情况下，电枢

25、三 相绕组轮流通电产生的总转矩如图相绕组轮流通电产生的总转矩如图b b）所示。）所示。 当换流超前角为当换流超前角为3030，电机瞬时转矩有过，电机瞬时转矩有过 零点，如图零点，如图c c）所示。）所示。 左图为三相桥式逆左图为三相桥式逆 变路的情况。在每一瞬变路的情况。在每一瞬 时，三相绕组中一相通时，三相绕组中一相通 过正向电流而另一相通过正向电流而另一相通 过反向电流，所产生的过反向电流，所产生的 转矩如图转矩如图a a）所示，图）所示，图b b） 为换向超前角为为换向超前角为0 0时时 的合成转矩，换向超前的合成转矩，换向超前 角为角为6060的情况如图的情况如图c c） 所示，此时转

26、矩曲线才所示，此时转矩曲线才 有过零点。有过零点。 、 三相式，对转矩最为有利。三相式，对转矩最为有利。 矛盾：矛盾： 晶闸管靠反电势自然换流晶闸管靠反电势自然换流，要求，要求 超前，目前常取超前，目前常取 ，或按负载的，或按负载的 动态调节。动态调节。转矩脉动大转矩脉动大：凸极式无换向电：凸极式无换向电 机中，还存在磁阻转矩，当机中，还存在磁阻转矩，当 超前时为超前时为 负值，将使输出转矩减小。负值，将使输出转矩减小。 0 0 60 0 0 0 结结 论论 二、逆变器晶闸管的换流问题二、逆变器晶闸管的换流问题 问题的提出：问题的提出： 直流无换向器电机的晶闸管直接接在直流电直流无换向器电机的

27、晶闸管直接接在直流电 源上源上, ,导通后无法自行关断，换流困难。必须采取导通后无法自行关断，换流困难。必须采取 特殊的换流措施。特殊的换流措施。 解决：解决： 在过激状态下向逆变器提供超前的无功电流，在过激状态下向逆变器提供超前的无功电流， 可利用电机的反电势来实现自然换流。可利用电机的反电势来实现自然换流。 图3-13 电枢反电势换流原理图 反电势换流原理反电势换流原理 分析思路：分析思路： a a、c c两相通电两相通电 bb、c c两相通电两相通电 AA管关断、管关断、B B管导通管导通 B B管开通后，利用反电势管开通后，利用反电势e eab ab 使使A A管关断管关断 前提：前提

28、：提前换向提前换向 特点：特点：无需辅助换流电路，但存在换流能力无需辅助换流电路，但存在换流能力 与力矩特性矛盾，且低速时无法实现与力矩特性矛盾，且低速时无法实现 换流（低速反电势小）换流（低速反电势小） 空载（实线）和负载时，晶闸管承受空载（实线）和负载时，晶闸管承受 电压的情况电压的情况 图3-14 反电势自然换流时晶闸管上电压、电流波形 为保证可靠换流，要求负载时换流剩为保证可靠换流，要求负载时换流剩 余角余角 而而 ，故只能通过增大，故只能通过增大 或限制电机最大负荷，但转矩脉动增大，一般或限制电机最大负荷，但转矩脉动增大，一般 限制限制 。 断续电流法换流断续电流法换流：解决起动：解

29、决起动 和低速时换流问题。控制电源侧整流桥进入逆和低速时换流问题。控制电源侧整流桥进入逆 变状态（拉逆变），使逆变器输入电流下降为变状态（拉逆变），使逆变器输入电流下降为 零，逆变器所有晶闸管自然关断。然后给换流零，逆变器所有晶闸管自然关断。然后给换流 后该导通的管子发触发脉冲，重新通电时，则后该导通的管子发触发脉冲，重新通电时，则 实现了换流。常在直流环节接入平波电抗器以实现了换流。常在直流环节接入平波电抗器以 抑制谐波，并接入续流晶闸管抑制谐波，并接入续流晶闸管S0S0，构成了电流，构成了电流 源逆变器的性质。工程上实际上，加速了断流源逆变器的性质。工程上实际上，加速了断流 过程。过程。

30、1510 0 0 60 0 低速时（低速时（510%510%额定转速以下）采用断额定转速以下）采用断 续电流法换流，且为增大转矩使续电流法换流，且为增大转矩使 ；高；高 速时，采用反电势换流，为保证换流能力改速时，采用反电势换流，为保证换流能力改 为为 0 0 60 0 结结 论论 三、无换向器电机的工作特性三、无换向器电机的工作特性 1. 1. 调速特性调速特性 无换向器电机可以看作一台直流电无换向器电机可以看作一台直流电 动机，可以采动机，可以采 用分析直流电机的方法进行用分析直流电机的方法进行 分析。分析。 2 cos) 2 cos( 08. 4 PK RIE n dD 2 cos 2

31、cos34. 2 sD EE 改变直流电压改变直流电压E ED D。通过改变可控。通过改变可控 整流桥触发角整流桥触发角来实现来实现 改变励磁磁通改变励磁磁通 或者励磁电流或者励磁电流I If f 改变换流超前角改变换流超前角 实用中多采用改变直流电压的调速方法实用中多采用改变直流电压的调速方法 0 无换向器电机的调速方法：无换向器电机的调速方法： 当励磁及换流当励磁及换流 超前角恒定条件下，超前角恒定条件下， 改变直流电压改变直流电压EDED时时 的机械特性如图的机械特性如图 3 153 15所示。所示。 图图3-15 无换向电机调压调速机械特性无换向电机调压调速机械特性 2. 2. 过载能

32、力过载能力 无换向器电机的过载能力受晶闸管换流无换向器电机的过载能力受晶闸管换流 能力的限制，比一般直流电动机低，只有能力的限制，比一般直流电动机低，只有 1.51.52 2倍。要提高过载能力，一方面尽量减少倍。要提高过载能力，一方面尽量减少 换流重迭角换流重迭角的数值，另一方面减小功角的数值，另一方面减小功角的的 影响。影响。 转子上装阻尼绕组或者采用整铸磁极，利用转子上装阻尼绕组或者采用整铸磁极，利用 其阻尼作用减小换流电抗，从而减小换流重叠其阻尼作用减小换流电抗，从而减小换流重叠 角角 减小交轴同步电抗减小交轴同步电抗 在磁极上装交轴补偿绕组，使其中通过电流在磁极上装交轴补偿绕组，使其中

33、通过电流 和和 成正比，由它产生的磁势完全补偿交轴电成正比，由它产生的磁势完全补偿交轴电 枢反应，使等效交轴电抗为零，换流超前角将枢反应，使等效交轴电抗为零，换流超前角将 不随负载变化，从而提高过载能力。不随负载变化，从而提高过载能力。 采用励磁电流随负载比例变化的控制方法，采用励磁电流随负载比例变化的控制方法， 此时空载电势相应增大，整个矢量图按比例放此时空载电势相应增大，整个矢量图按比例放 大，功角将保持不变，从而显著提高电机的过大，功角将保持不变，从而显著提高电机的过 载能力。载能力。 q x q I 提高过载能力的具体措施提高过载能力的具体措施 保持换流剩余角保持换流剩余角 恒定，调节

34、换流超前恒定，调节换流超前 角角 恒角恒角/ /变磁控制变磁控制无位置检测器的控制系无位置检测器的控制系 统统 0 新型控制方法新型控制方法 四、无换向器电机的调速系统四、无换向器电机的调速系统 典型的无换向器电机控制系统结构典型的无换向器电机控制系统结构 调速系统调速系统 双闭环：电流环和速度环双闭环：电流环和速度环 零电流检测单元零电流检测单元 逻辑控制单元逻辑控制单元 四象限运行控制系统四象限运行控制系统 转子位置检测器转子位置检测器 脉冲分配器脉冲分配器 转子位置检测器和转子位置检测器和脉冲分配器将是介绍的重点脉冲分配器将是介绍的重点 控制系统主要功能单元控制系统主要功能单元 作用作用

35、 与电动机同轴安装，根据转子位置产生相 应的信号，经逻辑分配器和放大后去 触发控 制逆变器。 位置检测器类型位置检测器类型 霍尔元件式 光电式 接近开关式 电磁感应式 转子位置检测器转子位置检测器 电磁感应式转子位置检测器结构如图电磁感应式转子位置检测器结构如图3 3 1919所示，由一个带缺口的圆盘和三个小型开所示，由一个带缺口的圆盘和三个小型开 口变压器式的检测元件组成。口变压器式的检测元件组成。 图图a a）：带缺口的导磁（铁）圆盘。）：带缺口的导磁（铁）圆盘。 图图b b）：缺口随转子旋转盖住变压器）：缺口随转子旋转盖住变压器3 3条腿，条腿， 由于磁路对称，副绕组中不会感应电势。由于

36、磁路对称，副绕组中不会感应电势。 电磁感应式转子位置检测器电磁感应式转子位置检测器 图图c c）：圆缺口对准变压器而只盖住两条）：圆缺口对准变压器而只盖住两条 腿时，因磁路不对称在副绕组中感应出电势，腿时，因磁路不对称在副绕组中感应出电势， 发出转子位置信号。发出转子位置信号。 在实际系统中，一般采用三个相隔在实际系统中，一般采用三个相隔120120度电度电 角度的检测元件角度的检测元件A A 、B B、C C和一个带和一个带180180度电角度度电角度 缺口的铁圆盘组成位置检测器。配以简单的逻辑缺口的铁圆盘组成位置检测器。配以简单的逻辑 电路，可获得晶闸管触发信号。电路，可获得晶闸管触发信号

37、。 位置检测器输出信号的处理 任务任务 将转子位置检测器输出的六个信号根据将转子位置检测器输出的六个信号根据 电机的不同运行状态输送到不同的晶闸管。电机的不同运行状态输送到不同的晶闸管。 信号分配信号分配 要求电动机作四象限运行时，有八种不要求电动机作四象限运行时，有八种不 同的运行方式。信号分配如表同的运行方式。信号分配如表3 31 1所示。所示。 脉冲分配器脉冲分配器 将正、反转情况下各晶闸管的触将正、反转情况下各晶闸管的触 发信号进行比较发现，实际加在各晶发信号进行比较发现，实际加在各晶 闸管上的不同的触发信号只有四种，闸管上的不同的触发信号只有四种， 脉冲分配器由一组简单的逻辑线路组脉

38、冲分配器由一组简单的逻辑线路组 成如图成如图3 32121所示。所示。 3-3 3-3 同步电机矢量变换控制同步电机矢量变换控制 将电枢电流矢量分解成等效励磁将电枢电流矢量分解成等效励磁 电流电流 和等效和等效转矩转矩 电流电流 分量分量 。 控制磁化电流使有效磁通控制磁化电流使有效磁通 保持恒定，保持恒定， 那么同步电动机所产生的转矩就直接那么同步电动机所产生的转矩就直接 和电枢电流中的等效转矩分量和电枢电流中的等效转矩分量 成正成正 比。且比。且 与与 相互垂直。相互垂直。M-TM-T坐标系坐标系 中又都是直流量，可以象直流电机一中又都是直流量，可以象直流电机一 样灵活控制。样灵活控制。

39、1T i mi m 1T i 1T i m 一、同步电机矢量变换控制的基本思想一、同步电机矢量变换控制的基本思想 二、同步电动机矢量变换控制系统二、同步电动机矢量变换控制系统 图图3 32323为控制系统框图。同步电动机为控制系统框图。同步电动机 电枢绕组由交交变频器供电，转子磁场电枢绕组由交交变频器供电，转子磁场 绕组由可控整流器供电。电枢和磁场中均绕组由可控整流器供电。电枢和磁场中均 设有电流调节回路，此外还设有有效磁通设有电流调节回路，此外还设有有效磁通 和速度的调节回路。和速度的调节回路。 1 1、指令信号运算、指令信号运算 整个控制系统的主指令信号来自速度给定信号。整个控制系统的主指令信号来自速度给定信号。 转矩电流给定值转矩电流给定值 速度给定与实际转速相比较，误差信号控制速速度给定与实际转速相比较，误差信号控制速 度调节器，输出为保持速度给定所需的转矩给定值。度调节器，输出为保持速度给定所需的转矩给定值。 除以有效磁通即为电枢的等效转矩电流给定值。除以有效磁通即为电枢的等效转矩电流给定值。 磁化电流给定值磁化电流给定值 根据实际转速，按基频以下恒磁通（恒转矩），根据实际转速，按基频以下恒磁通（恒转矩）， 基频以上弱磁通（恒功率）的调节规律，由函数发基频以上弱