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1、第七章第七章 同步电动机调速系统及其仿真同步电动机调速系统及其仿真l第一节第一节 同步电动机的分类及其调速原理同步电动机的分类及其调速原理 l第二节第二节 正弦波永磁同步电动机调速系统正弦波永磁同步电动机调速系统l第三节第三节 方波永磁同步电动机调速系统方波永磁同步电动机调速系统l第四节第四节 负载换相同步电动机调速系统负载换相同步电动机调速系统l第五节第五节 大功率同步电动机交大功率同步电动机交-交变频调速技术交变频调速技术第一节第一节 同步电动机的结构及其调速原理同步电动机的结构及其调速原理同步电动机的特点同步电动机的特点：1、n与与f 保持严格的同步关系，与负载大小无关保持严格的同步关系
2、，与负载大小无关;2、改变、改变I f可以调节同步电动机的功率因数；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、存在启动困难和重载时失步的缺点。一、同步电动机的结构一、同步电动机的结构 1、结构：、结构：定子：定子：定子铁心、三相对称绕组以及机座和端盖等部件组定子铁心、三相对称绕组以及机座和端盖等部件组成成。（与异步机定子结构基本相同）。（与异步机定子结构基本相同）转子：转子：有两种结构形式，隐极式和凸极式。有两种结构形式，隐极式和凸极式。凸极式：凸极式：制造方便，但磁极明显，气隙不均匀，造成直制造方便，但磁极明显，气隙不均匀，造成直轴磁阻小，交轴磁阻大，使两轴的电感系数
3、不等。轴磁阻小，交轴磁阻大，使两轴的电感系数不等。隐极式：隐极式：气隙均匀，机械强度好，但制造工艺较复杂。气隙均匀，机械强度好，但制造工艺较复杂。（a）凸极式）凸极式（b）隐极式）隐极式 图图7-1 同步电动机的转子结构示意图同步电动机的转子结构示意图 2、励磁：、励磁：定子励磁：空间上对称的三相绕组通入时间上对称的定子励磁：空间上对称的三相绕组通入时间上对称的三相电流产生一个空间旋转磁场，其同步转速为三相电流产生一个空间旋转磁场，其同步转速为 转子励磁：转子励磁：（a）转转子子铁铁心心上上装装有有励励磁磁绕绕组组，由由直直流流励励磁磁电电源源供供电电，称称有有刷刷励励磁磁。由由交交流流励励磁
4、磁机机经经过过随随转转子子一一起起旋旋转转的的整整流流器器供电，称无刷励磁系统。供电，称无刷励磁系统。（b）永久磁铁，其磁场可视为恒定（小容量）永久磁铁，其磁场可视为恒定（小容量）。3、短路绕组：、短路绕组：短路绕组：装在转子磁极表面，又称启动绕组。短路绕组：装在转子磁极表面，又称启动绕组。主要作用：主要作用：恒频恒频运行时，用作启动和抑制重载时易发生的振荡。运行时，用作启动和抑制重载时易发生的振荡。变变频频供供电电时时，能能直直接接启启动动。启启动动绕绕组组主主要要用用于于抑抑制制变变频频 器器引引起起的的谐谐波波和和负负序序分分量量，减减少少同同步步电电动动机机的的暂暂态态电电抗抗，加速换
5、流过程和加快动态响应。加速换流过程和加快动态响应。二、同步电动机的调速原理二、同步电动机的调速原理同同步步机机为为双双边边励励磁磁方方式式，电电磁磁转转矩矩由由两两磁磁场场的的相相互互作作用用产产生生。由电机统一理论：由电机统一理论：按频率控制方式不同分为：按频率控制方式不同分为：他控式他控式变频调速和变频调速和自控式自控式变频调速。变频调速。启动时启动时，只要定、转子两磁动势之间的夹角，只要定、转子两磁动势之间的夹角就能产生电动的电磁转矩，拖动负载旋转；就能产生电动的电磁转矩，拖动负载旋转；稳稳态态时时，只只要要定定、转转子子磁磁动动势势相相对对静静止止，就就能能产产生生单单一一方方向恒定的
6、电磁转矩，驱动电动机以同步转速旋转。向恒定的电磁转矩，驱动电动机以同步转速旋转。（一）他控式同步电动机变频调速系统（一）他控式同步电动机变频调速系统 由独立的变频装置提供变压变频电源，变频装置的输出频率由独立的变频装置提供变压变频电源，变频装置的输出频率由速度给定信号决定，通常为开环控制系统；由速度给定信号决定，通常为开环控制系统；带带定定子子电电压压补补偿偿的的函函数数发发生生器器GF保保证证了了变变频频器器的的恒恒压压频频比控制；缓慢调节比控制；缓慢调节 可以逐步改变电动机的转速。可以逐步改变电动机的转速。图图7-2 恒压频比他控式变频调速系统恒压频比他控式变频调速系统GF-函数发生器函数
7、发生器 UR-整流器整流器 UI-逆变器逆变器这种系统虽然解决了起动问题，但未能很好的解决转子振这种系统虽然解决了起动问题，但未能很好的解决转子振荡及失步问题。限制了这种控制方式的使用范围。荡及失步问题。限制了这种控制方式的使用范围。（二）自控式同步电动机变频调速系统（二）自控式同步电动机变频调速系统由同步电机由同步电机SM、变频器、转子位置检测器、变频器、转子位置检测器BQ和控制单元组成。和控制单元组成。图图7-3 自控式同步电动机变频调速系统框图自控式同步电动机变频调速系统框图自自控控式式同同步步电电机机变变频频调调速速也也是是通通过过改改变变电电磁磁转转矩矩的的大大小小和和方方向向来来调
8、调节节转转速速。电电磁磁转转矩矩和和电电机机的的定定、转转子子电电流流有有关关。调调节节定定子子电电流流大大小小或或相相位位及及转转子子磁磁动动势势的的大大小小就就可可以以达达到到调调速速的目的。的目的。系系统统能能从从根根本本上上消消除除同同步步电电机机转转子子振振荡荡和和失失步步问问题题。因因为为：给给电电机机定定子子供供电电的的变变频频装装置置的的输输出出频频率率受受转转子子位位置置检检测测器器的的控控制制，即即定定子子旋旋转转磁磁场场的的转转速速与与转转子子旋旋转转的的转转速速相相等等，始始终终保持同步，不会由于负载冲击等原因造成失步现象。保持同步，不会由于负载冲击等原因造成失步现象。
9、控控制制单单元元作作用用：判判断断转转子子的的位位置置和和转转速速，按按一一定定控控制制策策略略产产生生控控制制信信号号，控控制制变变频频器器输输出出三三相相电电流流（电电压压）的的频频率、幅值和相位，使同步转速跟踪转子转速。率、幅值和相位，使同步转速跟踪转子转速。永永磁磁同同步步电电机机体体积积小小、重重量量轻轻、效效率率高高，无无转转子子发发热问题，控制系统简单热问题，控制系统简单一、一、正弦波永磁同步电机的调速原理正弦波永磁同步电机的调速原理采用采用转子磁链定向转子磁链定向（转子磁通恒定（转子磁通恒定），矢量图如下所示。），矢量图如下所示。第二节第二节 正弦波永磁同步电机调速系统正弦波永
10、磁同步电机调速系统图图7-4 永磁同步电动机时的矢量图永磁同步电动机时的矢量图定子电压方程为定子电压方程为（、坐标系）坐标系）定子磁链方程为：定子磁链方程为：转矩方程为：转矩方程为：在基速下，采用定子电流矢量位于在基速下，采用定子电流矢量位于轴，全部用于产生轴，全部用于产生转矩，即，。转矩，即，。为常数。可见，转矩仅与定子的幅值为常数。可见，转矩仅与定子的幅值 成正比，成正比，实现了解耦控制，类似于直流电机实现了解耦控制，类似于直流电机。图图7-5 永磁同步电动机调速系统工作原理框图永磁同步电动机调速系统工作原理框图转矩方程：转矩方程：将将转转子子位位置置角角（d轴轴与与A轴轴间间的的夹夹角角
11、），经经正正弦弦波波函函数发生器转换成三个互差的位置角正弦信号。数发生器转换成三个互差的位置角正弦信号。由矢量图可知，当由矢量图可知，当：位于位于轴。为变频器输出的定子电流幅值轴。为变频器输出的定子电流幅值(最大值最大值)。三相定子电流的空间合成矢量为：三相定子电流的空间合成矢量为：电流矢量的幅值为定子电流幅值的电流矢量的幅值为定子电流幅值的1.5倍，方向倍，方向超前超前轴，轴，位于位于轴。轴。电磁转矩：电磁转矩：如图如图7-6所示，所示，主主 回回 路路：由由 脉脉 宽宽 调调 制制（PWM）逆逆 变变 器器、永永 磁磁 同同 步步 电电 机机、转子位置检测器、电流传感器以及速度传感器组成。
12、转子位置检测器、电流传感器以及速度传感器组成。控控制制回回路路：由由速速度度调调节节器器、矢矢量量变变换换器器、电电流流调调节节器器、PWM生成器及驱动电路、转速反馈变换回路组成。生成器及驱动电路、转速反馈变换回路组成。控制转矩的大小实际上就是控制定子电流幅值控制转矩的大小实际上就是控制定子电流幅值 的大小。的大小。二、正弦波永磁同步电动机调速系统二、正弦波永磁同步电动机调速系统（一）正弦波永磁同步电动机调速系统的组成（一）正弦波永磁同步电动机调速系统的组成1、主回路的组成和控制、主回路的组成和控制图图7-6 永磁同步电动机控制系统的结构原理图永磁同步电动机控制系统的结构原理图（1）变频器）变
13、频器 电流矢量：由转子位置检测器和矢量变换器完成。电流矢量：由转子位置检测器和矢量变换器完成。变频器电流控制方式：带电流内环控制的电压型变频器电流控制方式：带电流内环控制的电压型SPWM变压变频器或电流滞环跟踪型的变压变频器或电流滞环跟踪型的PWM变压变频器。变压变频器。图图7-7 滞环电流跟踪型滞环电流跟踪型PWM逆变器单相结构示意图及输出电流、电压波形逆变器单相结构示意图及输出电流、电压波形电流滞环跟踪型电流滞环跟踪型PWM变频器的控制目标是：变频器的控制目标是：让输出电流让输出电流在一定的误差范围内跟随给定电流的变化。如图在一定的误差范围内跟随给定电流的变化。如图7-7所示所示：特特点点
14、:（a）结结构构简简单单、工工作作可可靠靠、响响应应快快、谐谐波波小小，常常用用于高性能的交流伺服系统中。于高性能的交流伺服系统中。（b）开开关关器器件件的的开开关关频频率率在在一一个个周周期期内内差差别别很很大大，开开关关频频率率高高的的那那一一段段，跟跟踪踪性性能能好好；而而开开关关频频率率低低的的那段，电流的跟踪性能差，影响了跟踪精度。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。）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：其工作原理是：当（当（HB滞环宽度）时，滞环宽度）时，VT1关断，关断，VT4导通，电导通，电机接电压机接电压-U
15、，下降；当下降；当 时，时，VT1导通，导通，VT4关断，电机接关断，电机接+U，上升。通过上升。通过VT1、VT4的交替通断，的交替通断，使使 HB，达到跟踪目的。，达到跟踪目的。怎么怎么解决解决？同步开关法同步开关法在每一个等距的采样瞬间，将给定电流与在每一个等距的采样瞬间，将给定电流与实际反馈电流作比较，然后开通相应的开关实际反馈电流作比较，然后开通相应的开关VT1和和 VT4，因采样周期恒定，故开关频率也恒定。因采样周期恒定，故开关频率也恒定。滞环宽度控制法滞环宽度控制法根据电流变化率实时改变滞环宽度，保根据电流变化率实时改变滞环宽度，保证开关频率基本恒定；证开关频率基本恒定；为让开关
16、频率在允许值内基本恒定，减小跟踪误差，为让开关频率在允许值内基本恒定，减小跟踪误差，降低电流谐波值。通常降低电流谐波值。通常采用采用2种控制方法：种控制方法：（2）电电流流检检测测：因因定定子子三三相相接接成成星星形形，且且中中点点悬悬空空，只只有有两两相相独独立立，电电流流检检测测只只用用二二相相。电电流流调调节节器器(滞滞环环型型)与与PWM回回路路组组合合成成电电流流跟跟踪踪型型PWM逆逆变器。变器。（3）转转子子位位置置检检测测器器及及速速度度传传感感器器可可采采用用增增量量式式光光电电码码盘盘检检测测器器，它它不不仅仅能能提提高高系系统统的的精精度度，还还能能直直接输出角的正弦信号。
17、接输出角的正弦信号。经速度传感器检测转子的速度，实现速度无差闭环调节。经速度传感器检测转子的速度，实现速度无差闭环调节。正向电动：正向电动：电流调节器输出，经滞环跟踪型电流调节器输出，经滞环跟踪型PWM逆变器，输逆变器，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电磁转矩，使电机正向旋转。电机产生与电流幅值成正比的电磁转矩，使电机正向旋转。正正向向制制动动：采采用用回回馈馈制制动动。正正向向电电动动时时，速速度度调调节节器器给给定定为为“+”，输输出出为为“-”。变变到到正正向向制制动动后后，输输出出变变为
18、为“+”，使使三三相相给给定定电电流流反反相相，即即电电流流合合成成矢矢量量由由原原来来的的超超前前 d 轴轴90变变为为滞滞后后 d 轴轴90，转转矩矩方方向向反反向向，变变成成制制动动转转矩矩，使使电电动动机机处于制动状态。处于制动状态。在制动过程中，转速方向未变，三相电流相序也未改变，合在制动过程中，转速方向未变，三相电流相序也未改变，合成电流矢量仍按原方向旋转，只是滞后成电流矢量仍按原方向旋转，只是滞后d d 轴轴9090空间电角度。空间电角度。另外，采用回馈制动方法，主回路需进行部分改造，增加可另外，采用回馈制动方法，主回路需进行部分改造，增加可控耗能环节，否则回馈的电能将为滤波电容
19、充电，造成直流侧控耗能环节，否则回馈的电能将为滤波电容充电，造成直流侧过电压或击穿等事故。过电压或击穿等事故。反向电动运行：反向电动运行：速度调节器的给定变为速度调节器的给定变为“-”，其输出为，其输出为“+”，三，三相电流产生的合成矢量，即在反转方向上超前轴相电流产生的合成矢量，即在反转方向上超前轴 90电角度，电角度，电机将产生反向电动转矩（顺时针方向），电机反转。电机将产生反向电动转矩（顺时针方向），电机反转。由于转子反转，三相正弦信号发生器中三相正弦信号的相序也由于转子反转，三相正弦信号发生器中三相正弦信号的相序也应与正转不同，为反转相序，保证电动机反转时的正常运行。应与正转不同，为反
20、转相序，保证电动机反转时的正常运行。可见，只要改变速度给定值的极性和大小，就可以方便地实现可见，只要改变速度给定值的极性和大小，就可以方便地实现永磁同步电机控制系统的四象限运行。永磁同步电机控制系统的四象限运行。反向制动运行：反向制动运行：反向制动状态的分析与正向制动相同。反向制动状态的分析与正向制动相同。第三节第三节 方波永磁同步电动机的调速系统方波永磁同步电动机的调速系统 三相电枢反电势、电流波形如三相电枢反电势、电流波形如图图7-8所示，具有严格的同相关所示，具有严格的同相关系，每相电流为系，每相电流为90导电型的导电型的交流方波，三相对称。交流方波，三相对称。图图7-8 电动势、电流波
21、形及对应关系电动势、电流波形及对应关系一、方波永磁同步机调速原理一、方波永磁同步机调速原理1、结构：、结构：转子：转子：永磁结构，磁路专门设永磁结构，磁路专门设计，产生梯形波气隙磁场。计，产生梯形波气隙磁场。定子：定子：集中整距绕组，感应电集中整距绕组，感应电势为梯形波，大小与转子磁势为梯形波，大小与转子磁通和转速成正比。通和转速成正比。由逆变器提供的三相电枢绕组电流是方波，逆变器只需由逆变器提供的三相电枢绕组电流是方波，逆变器只需按直流按直流PWM控制；控制；定子方波电流的通电时刻与感应电势波形、转子磁极位定子方波电流的通电时刻与感应电势波形、转子磁极位置有严格的对应关系。逆变器的控制信号也
22、来自转子位置有严格的对应关系。逆变器的控制信号也来自转子位置检测器，根据转子磁极位置，逆变器依次换向。置检测器，根据转子磁极位置，逆变器依次换向。其换向原理如图其换向原理如图7-9所示：换相顺序为：所示：换相顺序为：2、原理：、原理：电机为感性负载，电流不能突跳，电流波形实际上也是梯形电机为感性负载，电流不能突跳，电流波形实际上也是梯形波，因此通过气隙传递到转子的电磁功率也是梯形波。波，因此通过气隙传递到转子的电磁功率也是梯形波。实际电磁转矩波形每隔实际电磁转矩波形每隔 会出现一个缺口，造成转矩脉动。会出现一个缺口，造成转矩脉动。所以，其调速精度和性能低于正弦波永磁同步电机调速系统。所以，其调
23、速精度和性能低于正弦波永磁同步电机调速系统。（a）主回路原理图）主回路原理图 （b）转子位置检测信号）转子位置检测信号 （c）定子电流及换相关系）定子电流及换相关系图图7-9 转子位置检测信号、定子电流及换向关系转子位置检测信号、定子电流及换向关系二、方波永磁同步电动机的数学模型二、方波永磁同步电动机的数学模型电流为梯形波，不便用矢量表示。在静止的电流为梯形波，不便用矢量表示。在静止的A、B、C坐标系上建立数学模型坐标系上建立数学模型 定子三相电压的状态方程为定子三相电压的状态方程为:假定假定:则则:三相电流对称，有：三相电流对称，有：电磁转矩的表达式为：电磁转矩的表达式为：电磁转矩大小和电流
24、幅值成正比，控制逆变器输出方波电流电磁转矩大小和电流幅值成正比，控制逆变器输出方波电流的幅值就可控制电机的转矩。和普通直流电动机相同的幅值就可控制电机的转矩。和普通直流电动机相同。三、方波永磁同步电动机调速系统三、方波永磁同步电动机调速系统（一）调速系统的组成（一）调速系统的组成 如图如图7-10所示：由方波永磁同步电动机、位置及转速检测所示：由方波永磁同步电动机、位置及转速检测装置和控制系统组成。装置和控制系统组成。图图7-10 方波永磁同步电动机调速系统原理框图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（类似于控制系统包括：典型的速度、电流双闭环调节环
25、节（类似于直流调速系统）；直流调速系统）；PWM发生器及逻辑控制单元。发生器及逻辑控制单元。变频器：变频器：为交为交-直直-交电压型交电压型PWM变频器，可选用变频器，可选用GTR、IGBT或或P-MOSFET等全控型电力电子器件。等全控型电力电子器件。任务：任务：在在PWM作用下产生三相互差作用下产生三相互差120电角度的方波电流。电角度的方波电流。能耗制动：能耗制动：电阻电阻 Rh 及开关及开关 VT 为电机能耗制动提供回路。为电机能耗制动提供回路。1、主回路组成、主回路组成 （1）变频器）变频器 （2）转子位置检测器）转子位置检测器 完成对转子位置的检测，发出换相信号，调速时对直流电压完
26、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进行PWM控制。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。位置检测信号的控制。本系统采用磁敏式转子位置检测器。本系统采用磁敏式转子位置检测器。2、控制回路及系统工作原理、控制回路及系统工作原理（1）PWM信号的产生信号的产生 电机的转矩与方波电流幅值成正比，电流的频率和相位由转子电机的转矩与方波电流幅值成正比，电流的频率和相位由转子位置决定。所以，位置决定。所以，控制目标是控制目标是电流幅值电流幅值，需设置一个电流幅值调，需设置一个电流幅值调节器（相当于
27、直流双闭环中的节器（相当于直流双闭环中的ACR）。）。如图如图7-11所示，所示，PWM信号的信号的宽度由宽度由ur控制。电流幅值闭环控制。电流幅值闭环调节后，逆变器输出的电流幅调节后，逆变器输出的电流幅值就能跟随给定电流变化，且值就能跟随给定电流变化，且稳态运行时无静差。稳态运行时无静差。图图7-11 PWM信号产生原理信号产生原理 该控制方法比电流跟踪型方法简单，该控制方法比电流跟踪型方法简单，开关频率由三角波频率确定。这种方法开关频率由三角波频率确定。这种方法能使六个功率开关元件同步开关动作，能使六个功率开关元件同步开关动作，不会造成桥臂间的互相干扰。不会造成桥臂间的互相干扰。（2）PW
28、M信号的分配和系统的运行原理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）转子位置检测器输出波形 （b）逆变器功率开关的导通信号）逆变器功率开关的导通信号 正向电动：正向电动：如图（如图（a）所示，）所示，PA，PB，PC为转子位置检测器输出的为转子位置检测器输出的三路三路“宽宽180且互差且互差120电角度电角度”的矩形波位置信号，经位置信号处的矩形波位置信号，经位置信号处理单元后，得到逆变器功率开关的理单元后，得到逆变器功率开关的使能（使能（0E）信号。）信号。图（图（b）为正转电动时逆变器功率开）为正转电动时逆变器功率开关的导通信号关的导通信号（注意：注意：当电机所处的运行状态
29、不同，使能当电机所处的运行状态不同，使能信号所对应的功率管也不同。）信号所对应的功率管也不同。）须经过运行状态（正转、反转，电动、制动）判别须经过运行状态（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后，再经逻辑控制单元把使能信号与PWM信号分配给信号分配给各个功率管，使能信号与各个功率管，使能信号与PWM相相“与与”后，输出到驱动后，输出到驱动电路，控制相应功率管的导通与关断。电路，控制相应功率管的导通与关断。（c c）三相电流波形）三相电流波形 图图7-12 7-12 正转电动时系统有关信号的波形正转电动时系统有关信号的波形正向制动：正向制动：当从正向电动向正向制动转变时，
30、当从正向电动向正向制动转变时，ur信号由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变电机的转矩方向。即：正向电动时即：正向电动时VT1导通的时刻，导通的时刻，由由VT4导通来代替，使电枢电流反向；其它桥臂也要求导通来代替，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（同样互换，电机就会产生正向制动转矩（注意注意
31、：正向制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）。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，只需改变三相方波的相序即可。（行时，只需改变三相方波的相序即可。（注意注意：当电反转时，：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。转子位置控测器的三个位置信号的相序也发生了变化。图图7-13 负载换相同步电动机调速系统原理结构图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，在工作这种利
32、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，也称称“无换向器电动机无换向器电动机”。第四节第四节 负载换相同步电动机调速系统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一、负载换相同步电动机的类型(a)直流电动机直流电动机 （b）负载换相电动机负载换相电动机图图7-14 负载换相同步电动机与直流电动机的对比电路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二、负载换相同步电动机的调速原理如图如图7-14（b）所示，）所
33、示，电枢绕组电枢绕组及及变流器变流器静止不动静止不动，而而磁极磁极是是旋转旋转的的。工作原理工作原理 ：（a）电枢旋转）电枢旋转 图图7-15（a）为）为直流电动机电枢依次转过直流电动机电枢依次转过60的几个位置的情形。的几个位置的情形。由运动的相对性，可认为电枢和整流子不动，由运动的相对性，可认为电枢和整流子不动，磁极和电刷向相反方向依磁极和电刷向相反方向依次转过次转过60，电枢中各导体的电流不变，如图（电枢中各导体的电流不变，如图（b）所示。）所示。（b）磁极旋转）磁极旋转 进进一一步步将将机机械械换换向向器器用用半半导导体体“开开关关”来来代代替替，并并依依次次触发相应的晶闸管，如图触发
34、相应的晶闸管，如图7-15（c）所示。）所示。（c）负载换相负载换相同同 步电动机步电动机 在在一一个个周周期期内内，顺顺次次使使晶晶闸闸管管16、12、32、34、54、56导导通通，则则磁磁极极（转转子子）也也会会依依次次转转过过60。下下面面从从磁磁场场角角度度看看电电机机运运动动情情形形，当当晶晶闸闸管管1、6通通时时，电电流流从从电电源源正正极极晶晶闸闸管管1A相相绕绕组组B相相绕绕组组晶晶闸闸管管6电电源源负负极极流流通通，此此时时电电枢枢合合成成磁磁势势方方向向垂垂直直于于C相相绕绕组组轴轴线线的的位位置置，如如图图7-15（d）中中所所示示，而而此此时时转转子子磁磁极极的的位位
35、置置如如图图7-15（c）中中第第一一个个图图所所示示（定定子子磁磁动动势势的的正正方方向向按按右右手手定定则则规规定定），转转子子磁磁势势的的方向见图方向见图7-15（d），励磁磁场与电枢磁场的夹角为，励磁磁场与电枢磁场的夹角为120。图图7-15 负载换相同步电动机的工作原理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定、转子的磁动势矢量变化图 电动机正、反向转动时晶闸管的导通情况及电枢绕组的电流电动机正、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方向如表7-1、7-2所示。所示。由表可见：由表可见：每只晶闸管导通每只晶闸管导通120电角度，关断电角度，关断60电角
36、电角度，而每转过度，而每转过 60电角度就有一只晶闸管换流。电角度就有一只晶闸管换流。因此：因此：要随转子旋转，必须周期性地触发或关断相应的要随转子旋转，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。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的换向器，从根本上解决了直流电机的换向问题换向问题，但还存在逆，但还存在逆变
37、桥中晶闸管的变桥中晶闸管的换流问题换流问题，即把正在导通相的电流切换到欲导即把正在导通相的电流切换到欲导通相的过程。通相的过程。回顾：回顾：晶闸晶闸管换流的条管换流的条件是什么？件是什么？思考：思考：在电机旋转的在电机旋转的 同时，如何周期性的同时，如何周期性的完成换流问题？完成换流问题？三、负载换相同步电动机的换流三、负载换相同步电动机的换流 当系统稳定和高速当系统稳定和高速运行时运行时，可利用电机绕组本身的，可利用电机绕组本身的反电势反电势进进行换流；在行换流；在启动或低速时启动或低速时，由于负载换相同步电机的反电势，由于负载换相同步电机的反电势小甚至无反电动势，常用小甚至无反电动势，常用
38、电流断续法电流断续法换流。换流。1、反电动势换流法、反电动势换流法 （a）（b）图图7-16 反电动势换流原理图反电动势换流原理图 设换流前是设换流前是VT1、VT2导通，电流回路是导通，电流回路是VT1A相绕组相绕组C相相VT2。当电流由。当电流由VT1转移到转移到VT3时，只要电机绕时，只要电机绕组的反电势组的反电势eAeB，即换流的时刻应比，即换流的时刻应比A、B二相绕组反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电势电压波形的交点适当提前一个换流超前角 ，如图，如图 7-16（b）中的）中的s点。在该点有点。在该点有 ，若此时由转子，若此时由转子位位置置检检测测器器所所产产生生
39、的的触触发发信信号号使使VT3导导通通，则则在在VT1、VT3和和电动机的电动机的A、B二相绕组间出现短路电流二相绕组间出现短路电流i，其方向如图，其方向如图7-16（a）中中虚虚线线所所示示。当当i达达到到原原来来通通过过VT1的的负负载载电电流流Id 时时，VT1就就会会因因流流过过的的实实际际电电流流下下降降到到零零而而关关断断，负负载载电电流流由由VT1全部转移到全部转移到VT3，完成了，完成了A、B二相之间的换流过程。二相之间的换流过程。如果换流时刻发生在交点如果换流时刻发生在交点k之后，则换流超前角为负，之后，则换流超前角为负，这时，在这时，在VT1、VT3和绕组和绕组A、B之间的
40、短路电流之间的短路电流 i 的方的方向与图向与图7-16（a）中的相反，将阻止）中的相反，将阻止VT3导通而使导通而使VT1继继续通电，造成换流失败。续通电，造成换流失败。具体实现具体实现 反电势换反电势换流法时应流法时应注意注意什么什么问题！（问题！（2个）个）其一：其一：电机带载运行时，电枢反应电机带载运行时，电枢反应和换流重叠角的影响，使实际的换和换流重叠角的影响，使实际的换流超前角减小，晶闸管上承受的负流超前角减小，晶闸管上承受的负偏压时间变短，而不能可靠关断。偏压时间变短，而不能可靠关断。（常要求实际的（常要求实际的 角在角在1015之间。）之间。）解决办法解决办法：可适当增大空载时
41、的换流超前角、限制电动：可适当增大空载时的换流超前角、限制电动机的最大瞬时负载或采用随负载而调节的办法。机的最大瞬时负载或采用随负载而调节的办法。其其二二：无无换换向向器器电电动动机机在在启启动动和和低低速速运运行行时时绕绕组组反反电电动动势很小，甚至无反电动势，无法利用反电动势换流。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、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
42、而实现从一相到另一相的换流。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：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。时间内实现断流。四、负载换相同步电动机的基本特性四、负载换相同步电动机的基本特性图图7-17 负载换相同步电动机的主电路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；阻和电机的两相电枢
43、绕组的电阻；Ud、Id分别是三相可控整流分别是三相可控整流桥输出的直流平均电压和电流；桥输出的直流平均电压和电流；是逆变桥的直流侧输入平是逆变桥的直流侧输入平均电压。均电压。（一）负载换相同步电动机的调速特性（一）负载换相同步电动机的调速特性 三相桥式整流输出平均电压三相桥式整流输出平均电压 Ud（考虑到换流重叠角（考虑到换流重叠角）换流重叠角换流重叠角 逆变桥直流侧输入的平均电压逆变桥直流侧输入的平均电压 与电机相电势与电机相电势 间间的关系为：的关系为：式中：式中：逆变桥的实际换流超前角；逆变桥的实际换流超前角；电机的电势常数电机的电势常数 类似于直类似于直流电机的流电机的转速特性转速特性
44、 调速方式主要有两种：调速方式主要有两种：改改变变直直流流电电压压 ，改改变变控控制制角角 来来实实现现。类类似似于于直直流流电电动动机调电枢电压调速的方法。机调电枢电压调速的方法。改改变变磁磁通通 ，即即改改变变励励磁磁电电流流来来调调速速。相相当当于于直直流流电电机机改改变变励励磁磁磁磁通通的的调调速速方方法法。若若转转子子磁磁极极由由永永磁磁体体构构成成，则则磁磁通通基本不变，主要利用基本不变，主要利用调速。调速。两两种种方方法法结结合合可可扩扩大大调调速速范范围围，即即在在基基速速以以下下，采采用用恒恒磁磁调压调压的调速方法；基速以上，采用的调速方法；基速以上，采用恒压调磁恒压调磁的调
45、速方法。的调速方法。由上由上 3 个式子可得负载换相电动机的转速表达式：个式子可得负载换相电动机的转速表达式：（二）负载换相同步电动机的电磁转矩（二）负载换相同步电动机的电磁转矩 电磁转矩公式为：电磁转矩公式为：（三）负载换相同步电动机的机械特性（三）负载换相同步电动机的机械特性 设：设：则：则：对电流进行傅里叶级数分析，电枢绕组电流基波对电流进行傅里叶级数分析，电枢绕组电流基波I1m与直流侧与直流侧平均电流平均电流 Id 之间存在固定的系数关系（之间存在固定的系数关系（K 为波形系数为波形系数）。）。转矩由基本电磁转矩和反应电磁转矩（磁阻转矩）两转矩由基本电磁转矩和反应电磁转矩（磁阻转矩）两
46、部分组成。当直轴电感和交轴相等（即气隙均匀），部分组成。当直轴电感和交轴相等（即气隙均匀），或不计或不计 ，使，使 ，则反应电磁转矩为零，只剩下基，则反应电磁转矩为零，只剩下基本电磁转矩，这时负载换相电机与直流电机的电磁转本电磁转矩，这时负载换相电机与直流电机的电磁转矩特性公式形式相同，从而特性也就相同。矩特性公式形式相同，从而特性也就相同。现在采用全控器件构成负载换相电机很容易做到现在采用全控器件构成负载换相电机很容易做到 ，从，从而使系统达到与直流电机相同的机械特性与控制性能。而使系统达到与直流电机相同的机械特性与控制性能。则：则：机械特性为机械特性为（设（设 ）图图7-18为负载换相同步
47、电机的机械特为负载换相同步电机的机械特性，在接近堵转时表现为非线性。性，在接近堵转时表现为非线性。可可见见，负负载载换换相相同同步步电电机机与与直直流流电电机机的的机机械械特特性性十十分分相相似似，它它有有着着良良好好的的运运行行特特性性和和伺伺服服控制性能。控制性能。五、负载换相同步电动机的调速系统五、负载换相同步电动机的调速系统图图7-19 负载换相同步电动机的调速系统框图负载换相同步电动机的调速系统框图 系统包括系统包括整流侧的转速控制和电机侧的四象限运行控制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。两部分。转速控制部分采用转速电流双闭环系统。逻
48、辑单元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换流。电机本身的控制系统包括转子位置检测器BQ和脉冲控制和脉冲控制器，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。大后去触发逆变器中的相应晶闸管。位置检测器位置检测器BQ由三个相隔由三个相隔120电角度的位置检测组件和一个电角度的位置检测组件和一个带缺
49、口为带缺口为180电角度的铁盘组成，如图电角度的铁盘组成，如图7-20（a）所示。从这）所示。从这三个检测组件可获得三个在时间上相差三个检测组件可获得三个在时间上相差120、宽度为、宽度为180的的电信号电信号PA、PB、PC，将这三个电信号经过图，将这三个电信号经过图 7-20（b）所示的）所示的逻逻辑辑线线路路进进行行变变换换，即即得得到到六六个个宽宽度度为为120、相相互互间间隔隔为为60电电角度的脉冲信号。角度的脉冲信号。（a）结构示意图）结构示意图 （b）逻辑检测电路）逻辑检测电路图图7-20 位置检测器及其输出信号的处理位置检测器及其输出信号的处理 位置检测器除提供各晶闸管的触发信
50、号外，每当导电的晶闸位置检测器除提供各晶闸管的触发信号外，每当导电的晶闸管需要切换时，它还产生一个逆变桥晶闸管换流时刻的检出管需要切换时，它还产生一个逆变桥晶闸管换流时刻的检出信号，作为断流指令加到断流控制单元。信号，作为断流指令加到断流控制单元。断流控制单元断流控制单元由由3个与非门和个与非门和1个非门组成，如下图所示。个非门组成，如下图所示。图图7-21 断流控制单元的逻辑线路图断流控制单元的逻辑线路图 断流控制信号由端点断流控制信号由端点A输入，端点输入，端点B为电机高、低速鉴别信号。为电机高、低速鉴别信号。低低速速时时，B端端为为“1”，高高速速时时B端端为为“0”，它它经经与与非非门