异步电动机调速原理

1、1 第7章 同步电动机调速系统同步电动机转速n与供电电源fs严格同步,与负载大小无关;功率因数可由励磁电流调节，可以工作在感性，也可以工作在容性状态下向电网输送超前无功；由常用于不调速的场合变为用于大型轧钢机和矿井提升机、小功率的高动态响应的伺服系统的变频调速应用前景将会十分广阔！5.1同步电动机调速的基本原理5.2永磁同步电动机调速控制系统5.3无刷直流电动机调速系统5.5气隙磁场定向的同步电动机矢量控制调速系统 27.1同步电动机调速的基本原理7.1.1同步电动机的基本结构 图7-1 旋转磁极式同步电动机结构示意图大中型同步电机励磁绕组，由集电环引出小容量同步电动机永久磁铁励磁，磁场恒定p

2、ssnfnn60大型同步机转子上的阻尼绕组恒频时起动、抑制重载时的振荡变频时抑制谐波和负序分量(5-1)37.1. 同步电动机的调速原理 同步电动机变频调速他控式变频器独立，输出频率由给定决定，开环控制自控式变频器非独立，输出频率由电机轴上转子位置检测器控制，组成电源频率自动跟踪转子位置的闭环系统4图7-2 多台同步电动机的恒压频比他控式变频调速系统GF函数发生器UR 整流器UI 逆变器5 7.1.3 自控式同步电动机变频调速原理 图5-3 自控式同步电动机变频调速系统6 *根据统一的转矩公式 * 控制三相定子电流的频率、幅值和相位,完全可按转矩的要求控制好定子磁动势的大小和方位. 图5-4

3、同步电动机的空间矢量图sinsrmeFFCT 7 1.自控式同步电动机的起动起动前,可检测出转子空间位置,如图5-4所示 d轴(转子) 与 轴之间的夹角假设此时定子三相绕组通入电流那么定子合成磁通势的矢量为可产生静起动转矩只要，同步电动机就会开始起动 )(A00cosmAIi00120cosmBIi00240cosmCIi)()(20023)(jsjmsCBAsssseFeINiiiNiNFsinrsmesFFCTLesTT(5-2)(5-3)(5-4)8若电机转起来,夹角 增大为 减小为 造成转矩减小若要保持 角基本不变,则三相定子电流应变为定子磁通势为 式中, 为转子角速度.t0t0cos

4、tIimA00120costIimB00240costIimC)(023tjmsseINF(5-5)(5-6)9 2.自控式同步电动机的调速原理通过改变电磁转矩的大小和方向来达到调节转速的目的 向上调速与其起动过程原理一样 向下调速，发电制动状态，制动转矩， 图5-5 同步电动机磁动势的矢量图10 .自控式同步电动机从正转到反转运行的过渡及反转运行从正转，制动，制动转矩，从 反转，反向电动，电动转矩， （三相相序不同）图5-6波形在t1时刻转速下降为0，定子电流幅值不变，B、C变化，可使反向电动转矩与正向制动转矩相等 图5-6 同步电动机正反转时的三相电流波形11反转时的电流 0costIim

5、A00120costIimB00240costIimC(5-)12 7.2 永磁同步电动机调速控制系统永磁同步电动机用于KW级伺服系统(Bosch Rexroth 160KW) 大的过载能力，小的转动惯量，小的转矩脉动，线性转矩电流特性； 控制系统有高的通频带和放大系数，系统动、静态性能良好 稀土永磁材料，如钐钴合金(Sm-Co) 、钕铁硼(Nd-Fe-B)等 图5-7 表面式永磁同步电动机截面示意图13 7.2.1 永磁同步电动机的调速原理 图5-8 永磁同步电动机调速工作原理框图BQ转子磁极位置检测器BRT测速发电机三相定子电流瞬时给定值*,CBAiii14 转子磁场定向的矢量控制技术(转

6、子位置) 图5-9 永磁同步电动机矢量图由式(5-8) (5-12),可推出 电压方程 转矩方程 为常数，转矩只与定子电流的幅值成正比用式(5-15) (5-18)解释图5-8sqsdiLursqsssqpiLirusrpesinTr(5-13)(5-14)157.2.2 正弦波永磁同步电动机控制系统的构成和运行 图5-10 永磁同步电动机控制系统的结构原理图16变频器的组成和控制控制定子电流的幅值,所以要将电压型逆变器改造成电流控制的电流型逆变器.求出定子电流矢量根据空间位置求出电压矢两种方式 量PWM 电流跟踪型PWM逆变器 电流跟踪型PWM ， (HB滞环宽度)，电流下降 , 电流上升

7、特点：适合矢量控制，动态响应快，不受负载参数的影响开关频率在一个周期内变化较大，要高精度电流就要高开关频率 HBii*HBii*17 图5-11 滞环电流跟踪型PWM逆变器单相结构示意图及输出电流电压波形18 2控制系统的运行原理速度调节器为PI调节器,输出为转矩的给定值；制动时,速度给定减小,PI输出负转矩,电机处于再生制动状态,应考虑制动对滤波电容的充电,增加制动单元；反向运行，速度给定为负，定子电流相序改变19 7.3 无刷直流电动机调速系统 7.3.1 无刷直流电动机的调速原理无刷直流电动机(Brushless DC Motor，BLM或BDCM)的设计思想完全来自普通的有刷直流电动机

8、，仅是定转子换位 图5-12无刷直流电动机的原理模型20 图5-13电动势电流波形及对应关系217.3.2 无刷直流电动机的数学模型 图5-14转子位置检测信号定子电流及换向关系 22无刷直流电动机三相定子电压的平衡方程式由于可改写成式(5-20) 又由于 ，可改写成式(5-21) CBACBACCBCABCBBAACABACBAsssCBAeeeiiiPLLLLLLLLLiiirrruuu000000LLLLCBAMLLLLLLCBCABCBAACAB0CBAiii(5-19)23电磁转矩各绕组的感应电动势式中，n为电动机转速；N为总导体数；为主磁通从变频器的直流端看，星形联结的无刷直流电动

9、机感应电动势Ed由两相绕组经逆变器串联组成，所以有因此，电磁转矩表达式可化为式中，Id是方波电流的幅值，即变频器直流侧电流；CCBBAAesieieieT转子的机械角速度率跨过空隙传到转子的功nNnEmps60mnNnEEmpsd302dmpdsesINnIET 2602 n(5-22)(5-23)(5-24)24 7.3.3 无刷直流机调速系统无刷直流机调速系统与正弦波永磁同步电动机主要区别在电流控制.图5-15无刷直流机调速系统原理框图25 1. 主回路 产生三相互差1200电角度的方波电流 2. PWM信号的产生转矩与方波电流的幅值成正比,电流的频率和相位由转子位置决定.电流调节器控制着

10、逆变器输出电流的幅值，反馈信号为方波电流幅值成比例又相电流为1200通电型方波，故只需检测三相电流中正半波值进行叠加 图5-16PWM信号产生原理26 3. PWM信号的分配和系统四象限运行 信号分配位置检测位置信号处理单元 逆变器功率开关导通信号运行状态判别 例如正转电动状态： 等 正转制动状态：四象限运行改变电枢电流的方向，就可改变电动机的转矩方向可再生制动改变转矩的方向要改变逆变器功率管的导通次序，进而改变电流方向来实现 CATBAT21,PCPBPA, a b27 图5-17正转电动时系统有关的波形28 7.5气隙磁场定向的同步电动机矢量控制 调速系统永磁同步电动机的矢量控制系统，采用

11、转子磁链定向，控制系统简单，调速性能好。原理上讲可应用于普通同步电动机调速系统中，但存在缺点：随负载增加，定子电流增大，电枢反应的影响，造成同步机定子电压大幅度升高。同时功率因数变低。因此，高性能的，大中容量的同步电动机调速系统多采用气隙磁场定向的矢量控制方法 29 7.5.1 同步电动机气隙磁场定向控制的原理 同步电动机的矢量图如图5-46所示 图5-46 同步电动机矢量图30推导出同步电动机按气隙磁链定向的数学模型，十分必要定子电流矢量方程： 转子电流矢量方程：sTsMsjiiicosssMiisinssTii(5-55)rTrMrjiiiLrrMiicosLrrTiisin(5-56)3

12、1磁化电流矢量方程磁链矢量方程电磁转矩方程由式(5-60)知：气隙磁链恒定时，电磁转矩与定子电流的力矩分量 成简单的正比关系，于是控制定子电流的力矩分量就可以方便灵活地控制其电磁转矩rsiiirMsMiii(5-57)iLiiLmdrsmdm(5-58)sTmpesinT(5-60)mmsTi32气隙磁链 恒定条件下，电磁转矩与定子电流的力矩分量成简单的正比关系如何使气隙磁链恒定呢？ 由(5-58)知，只要协调控制同步电机转子电流的磁化分量和定子电流的磁化分量，就能保持气隙合成磁链恒定气隙磁链定向控制条件下，对同步机电磁转矩的分析，它是建立在已知气隙磁链矢量空间位置的基础上，因此，准确辨识（检

13、测）气隙磁链的大小和空间位置是矢量控制的另一个关健问题辨识气隙磁链的方法有iLiiLmdrsmdmm(5-58)电流模型法电压模型法33 电流模型法电流模型法是利用定子电流两分量的给定值和磁化电流的期望值计算出期望的负载角，与转子位置检测器检测到的转子位置角相加，便可得到期望的气隙磁链位置角得到气隙磁链空间位置由矢量图5-46可以得到： isTsMiitan*sMrMiii*sTrTii*cosrsMrrMLiiiii*sinrsTrrTLiiii*Ls(5-61)(5-62)(5-63)(5-65)(5-66)34 图5-47 使用电流模型的同步电动机矢量控制系统原理框图图中， 的大小由期望

14、的功率因数 和定子电流力矩分量决定 由速度调节器输出力矩信号除以气隙磁链的模型量得到 两个量经坐标变换后，得到三相电流的给定值 *sTi*esTm*sMiecos*sTi35电压模型法电压模型法: : 图5-48 使用电压模型的同步电动机矢量控制系统原理框图367.5.2三相交交变频器的电流控制 交交变频器又称直接变频器或循环变流器，它是将电网的工频交流电直接变成电压和频率可调的交流电输出 交交变频器的最大输出频率一般为电网工频的1/31/2,16.6 25HZ.三相交交变频器主要用于低速大容量传动的场合37 1.单相交交变频器的运行原理单相交交变频器如图5-49所示，实际上是一套三相桥式无环

15、流反并联的可逆整流装置(两组三相桥式整流电路反并联联接)。可输出直流或交流，交流电输出要分别由正反两组整流桥输出交流电流的正，负半周。对称控制两组反并联桥式整流器相位,使两组整流器在电流过零时切换，实现无环流。晶闸管的关断是通过电源交流电压的自然换向实现 图5-49单相交交变频器原理图 1.单相交交变频器的运行原理单相交交变频器如图5-49所示，实际上是一套三相桥式无环流反并联的可逆整流装置(两组三相桥式整流电路反并联联接)。可输出直流或交流，交流电输出要分别由正反两组整流桥输出交流电流的正，负半周。对称控制两组反并联桥式整流器相位,使两组整流器在电流过零时切换，实现无环流。晶闸管的关断是通过

16、电源交流电压的自然换向实现 图5-49单相交交变频器原理图38 图5-50单相交交变频器输出的电压和电流波形一个周期的波形可分成六段来分析(感性负载)：，反向组处于逆变状态电流过零点，无环流死时，正反组均处于封锁状，正向组处于整流状态 ，正向组处于逆变状态电流过零点，无环流死时，正反组均处于封锁状 ，反向组处于整流状态 图5-50单相交交变频器输出的电压和电流波形一个周期的波形可分成六段来分析(感性负载)：，反向组处于逆变状态电流过零点，无环流死时，正反组均处于封锁状，正向组处于整流状态 ，正向组处于逆变状态电流过零点，无环流死时，正反组均处于封锁状 ，反向组处于整流状态 0, 000iu0,

17、 000iu0, 000iu0, 000iu39 2.三相交交变频器的组成三相交交变频器由三套输出电压彼此相差1200时间电角度的单相交交变频器输出Y型连接而成，如图5-51所示 图5-51三相交交变频器的接线原理图缺点：优点： 2.三相交交变频器的组成三相交交变频器由三套输出电压彼此相差1200时间电角度的单相交交变频器输出Y型连接而成，如图5-51所示 图5-51三相交交变频器的接线原理图缺点：优点：40 3.三相交交变频器的电流跟踪控制 用电流控制方法把电压源变频器改造成具有电流源特性的变频器,实现输出电流跟踪给定电流,达到快速准确控制电磁转矩的目的. 图5-52 三相交交变频器的电流调

18、节系统电压前馈补偿( ):其一,调节输出电压,使输出电流较好地跟踪给定电流;其二,无环流切换中实现有准备切换. 3.三相交交变频器的电流跟踪控制 用电流控制方法把电压源变频器改造成具有电流源特性的变频器,实现输出电流跟踪给定电流,达到快速准确控制电磁转矩的目的. 图5-52 三相交交变频器的电流调节系统电压前馈补偿( ):其一,调节输出电压,使输出电流较好地跟踪给定电流;其二,无环流切换中实现有准备切换.*,CBAuuu41 7.5.3 同步电动机矢量控制系统中的电流电压模型解决了同步电动机的电流控制后，基本完成了电磁转矩的控制任务矢量控制系统中另一个关健的问题是如何找到气隙磁链矢量的大小和方

19、向，确定基本的定向坐标系同步电动机的电流模型或电压模型正是完成此任务 42 同步电动机的电流模型 由式(5-70) (5-79)可得： 式中，为d轴和q轴主电感，为阻尼绕组d轴开路时间常数, , 为阻尼绕组q轴开路时间常数, , 气隙磁化电流给定值d轴分量， 气隙磁化电流给定值q轴分量 经矢量分析器后，就可获得气隙磁链矢量的模值 和在 d-q轴上的相位，即M轴与d轴之间的夹角 (气隙磁链矢量的大小和方向)(5-81)*1dDdmdMidipTL*1qDqmqMiqipTLmqmdLL,DdTDDdDdrLTDqTDDqDqrLT*di*qiMiL432. 同步电动机的电压模型电压模型的任务：根

20、据定子电流电压实际测量值经3/2变换后得到的，计算出气隙磁链的模值和其位置角(定子轴到M轴间夹角)由式(5-87) (5-89) 得： 电机低速时，定子电阻压降增大，电压模型测量误差变大实际系统中，综合上述两种模型优点，配合使用电机转速较低时( ),电压模型误差大，采用电流模型电机转速较高时( ), 采用电压模型 ssssuuii,Ms22mmmmmscosmmssin(5-90)Nnn%10Nnn%10445.5.4 同步电动机的磁链控制同步电动机矢量控制系统的磁链控制分成两部分：一部分是气隙磁链的开环控制；一部分是磁链和定子电压的闭环控制励磁闭环调节由两部分组成，一部分产生磁链开环控制的给

21、定值 (电流模型的给定值)；另一部分是磁通和电压的闭环控制 7.5.4 同步电动机的磁链控制同步电动机矢量控制系统的磁链控制分成两部分：一部分是气隙磁链的开环控制；一部分是磁链和定子电压的闭环控制励磁闭环调节由两部分组成，一部分产生磁链开环控制的给定值 (电流模型的给定值)；另一部分是磁通和电压的闭环控制 nm*45磁链给定值 ：式中，为额定磁链给定值；为电机转速绝对值，额定转速以下，额定转速以上，；弱磁开始点的电机转速 图5-56 电流模型磁链给定电路磁链给定值 ：式中，为额定磁链给定值；为电机转速绝对值，额定转速以下，额定转速以上，；弱磁开始点的电机转速 图5-56 电流模型磁链给定电路

22、gmNmnnn,max*(5-91)(*nm*mNn1n1ngn1Ngnn1Ngnnn *mNmn1Ngnnn nnmNm*46 磁链和定子电压闭环控制图5-57 磁链和定子电压闭环控制原理图，额定磁链给定值，反馈磁链实际值当时放大器A3输出为，实现磁链闭环(基频以下)当时放大器A3输出为，实现电压闭环控制(基频以上) mmN*mNmssNsuuu*nusnusnus47 7.5.5 同步电动机的功率因数控制同步电动机的矢量图如图5-58所示 图5-58同步电动机矢量图 内功率因数角，定子电流矢量与电动势矢量间夹角外功率因数角，定子电流矢量和定子电压矢量间夹角功率因数指外功率因数角的余弦量，即

23、isiseesisuecos48由图5-58得：当及较小时，有由上两式可得式(5-97)两边乘以，代入式(5-94) 式(5-98)即为基速以下以及功率因数 给定情况下，应有的控制规律由图5-58得：当及较小时，有由上两式可得式(5-97)两边乘以，代入式(5-94) 式(5-98)即为基速以下以及功率因数 给定情况下，应有的控制规律isTsMiitanieieieietantantantan1tantantansTmssTssieiLieLtansTmseiiL tantanTtanssTmsesMiiLisTiesMi(5-94)(5-95)(5-96)(5-97)(5-98)ie,sr49 7.5.6 采用增量式光电码盘检测转子位置的方法 1.增量式光电码盘转子位置检测器原理图5-61 转子位置检测器原理框图 图5-62 检测器脉冲逻辑示意图 50 光电码盘(光电码盘工作原理前已讲过，在此不再详细叙述)AB两组脉冲信号频率相同，频率的快慢与电机转速有关并且用两脉冲前沿到达时刻不同，判断电机正反转方向.C为同步脉冲信号多路转换开关由来自”投入控制”的定位信号OR控制OR为高电平，系统