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1、第六章第六章 同步电机调速系统同步电机调速系统 6.1 同步电机变频调速的原理 给同步电动机三相对称绕组通入三相对称电流会在气隙中产生一旋转磁场，旋转磁场的同步转速为 n0。同步电机有转子磁场（保证恒定），转子可以看成一块磁铁。两磁场的相同作用，驱动同步电机旋转。同步电机转速公式n=60f/np:变极调速和变频调速。同步电机调速的主要方式是变频调速。第一页，编辑于星期六：二十点 四分。两种变频调速方式n同步电机变频调速按控制方式可分为自控式和他控式两种。n他控式；装置与电机是独立的。变频装置的输出频率由转速给定决定，由于同步关系，这时系统一般为开环，所依据的原理是VVVF。n控制简单，但存在转
2、子振荡和失步问题。第二页，编辑于星期六：二十点 四分。自控式自控式n自控式：变频装置与电机非独立，变频装置的输出频率是依据电动机轴上所带的转子位置决定。组成电源频率自动跟踪转子位置的闭环系统。n由于同步电机供电频率受转子位置的控制即定子磁场转速与转子转速相等，始终保持同步，因此不会出现转子振荡和失步的隐患。第三页，编辑于星期六：二十点 四分。自控式系统构成：n自控式同步电机变频调速系统主要由同步电动机、逆变单元、转子位置检测器和控制单元构成。第四页，编辑于星期六：二十点 四分。自控式同步电机的起动自控式同步电机的起动n电机起动之前，同步电机静止，转子位置检测器检测出转子的初始位置，d轴与A轴的
3、初始夹角为。第五页，编辑于星期六：二十点 四分。起动分析：n在三相绕组中通入如下电流：(6.1)n定子合成磁势为：(6.2)第六页，编辑于星期六：二十点 四分。起动分析（2）：n此时，同步电机的静止起动转矩为：(6.3)如果电机的起动转矩大于负载转矩，则电机开始转动。电机起动后，角速度为，必须有：(6.4)第七页，编辑于星期六：二十点 四分。起动分析（3）:n起动过程为：检测转子初始位置；根据负载大小确定初始电流的大小和相位；在起动过程中根据转子速度来给出定子电流频率，从而保证正常起动。第八页，编辑于星期六：二十点 四分。调速原理：调速原理：n式（6.3）第九页，编辑于星期六：二十点 四分。6
4、.2 转子位置检测n准确可靠的转子位置检测是自控式同步电机变频调速系统运行的必要条件。n转子检测一般采用无接触式，常用的转子检测型式：电磁式、磁敏式、光电式和间接式等。n电磁式子位置检测方法 通过与转子同轴旋转的凸凹圆盘来改变检测元件的电磁关系，从而达到检测转子位置的目的。电磁检测方法又可分为差动变压器式和接近开关式两种。第十页，编辑于星期六：二十点 四分。差动变压器式位置检测方法（差动变压器式位置检测方法（1）第十一页，编辑于星期六：二十点 四分。差动变压器式位置检测方法（差动变压器式位置检测方法（2）该方法装置结构简单，工作较为可靠，所以应用较广。但这种位置检测是粗精度的。第十二页，编辑于
5、星期六：二十点 四分。光电式转子位置检测方法n就是利用光电元件进行位置检测。1、简单式位置检测：用光电元件代替电磁元件进行位置检测。第十三页，编辑于星期六：二十点 四分。2、绝对式光电位置检测、绝对式光电位置检测n采用绝对式光电码盘。较适合于负载换相同步电机调速系统。第十四页，编辑于星期六：二十点 四分。3、增量式光电码盘转子位置检测方法、增量式光电码盘转子位置检测方法第十五页，编辑于星期六：二十点 四分。增量式光电码盘位置检测增量式光电码盘位置检测n增量式光电码盘检测位置精度高，信号质量好，在高性能增量式光电码盘检测位置精度高，信号质量好，在高性能同步电机调速中广泛应用。同步电机调速中广泛应
6、用。n但采用增量式光电码盘时初始位置的确定比较关键。但采用增量式光电码盘时初始位置的确定比较关键。n目前广泛采用的是：简单式增量式的方法。目前广泛采用的是：简单式增量式的方法。n增量式光电码盘还可用于电机速度的检测。增量式光电码盘还可用于电机速度的检测。n常用的速度检测方法有常用的速度检测方法有M法和法和T法。法。nM法：通过测量一定周期内脉冲的个数来计算转速，适用于法：通过测量一定周期内脉冲的个数来计算转速，适用于高速测量。高速测量。nT法：通过测量脉冲的周期来计算电机的转速，适用于低速法：通过测量脉冲的周期来计算电机的转速，适用于低速测量。测量。第十六页，编辑于星期六：二十点 四分。间接式
7、转子位置测量方法n通过利用电枢绕组的感应电动势间接检测转子的位置。n一般分两种：端电压检测法和电压模型法。n端电压法：用于负载换相系统，每相端电压在一个周期内两次过零点，以此来检测转子位置。n电压模型法：根据模型计算出磁场的大小和方位，间接获得转子位置。第十七页，编辑于星期六：二十点 四分。6.3 同步电机调速系统举例同步电机调速系统举例一、转子磁场定向的同步电机调速系统一、转子磁场定向的同步电机调速系统第十八页，编辑于星期六：二十点 四分。二、二、PMSM 变频调速系统变频调速系统第十九页，编辑于星期六：二十点 四分。直流调节的直流调节的PMSM调速系统调速系统第二十页，编辑于星期六：二十点
8、 四分。三、三、负载换相的同步电机变频调速系统负载换相的同步电机变频调速系统n采用晶闸管作为功率器件。n采用电流源型逆变器。n大容量。第二十一页，编辑于星期六：二十点 四分。6.4 无刷直流电动机（无刷直流电动机（BLDCM）控制系统控制系统一、无刷直流电动机BLDCM的数学模型 1、无刷直流电动机BLDCM的基本特点 BLDCM的构成：定子三相绕组、转子、变频器和位置sensor。转子采用永磁体（一般采用稀土永磁材料），经特殊磁路设计，可获得梯形的气隙磁场，定子采用整距集中绕组，由变频器供方波电流。第二十二页，编辑于星期六：二十点 四分。BLDCM的基本特点n气隙磁场感应的反电动势和供电电流
9、关系：气隙磁场感应的反电动势波形为梯形波，包含较多的高次谐波。第二十三页，编辑于星期六：二十点 四分。二、二、BLDCM的数学模型的数学模型n由于稀土永磁材料的导磁率很低，转子的磁阻很高，可忽略转子的影响，可得BLDCM的定子电压平衡方程式为：(6.5)第二十四页，编辑于星期六：二十点 四分。BLDCM的数学模型（的数学模型（2）nBLDCM的转子磁阻不随转子位置变化，假定电机三相对称，则有：(6.5)式可重写为：(6.6)第二十五页，编辑于星期六：二十点 四分。BLDCM的数学模型（的数学模型（3）n由于电机三相对称，即：(6.6)式可简化为：(6.7)第二十六页，编辑于星期六：二十点 四分
10、。BLDCM的数学模型（的数学模型（4）n电磁转矩方程为：(6.8)nBLDCM的等效电路图为：第二十七页，编辑于星期六：二十点 四分。二、二、BLDCM控制系统控制系统n1、三相BLDCM的控制方式第二十八页，编辑于星期六：二十点 四分。A:电机三相电机三相Y连接的两两导通方式连接的两两导通方式n两两导通方式是指每一瞬间最多只有两只开关导通，每隔60度电角度换相一次，每次换相一个开关，每个开关最多导通120度电角度。n正向时的导通顺序为：K1K2,K2K3,K3K4,K4K5,K5K6,K6K1,K1K2n反向时的导通顺序为：K1K2,K6K1,K5K6,K4K5,K3K4,K2K3,K1K
11、2第二十九页，编辑于星期六：二十点 四分。合成转矩分析：nK1K2导通时，电流从A相流入，C相流出，且ia-ic,则产生的转矩如下图a。n同样的分析，可得其它导通状况时产生的转矩矢量，如上图b和上图c。第三十页，编辑于星期六：二十点 四分。B:电机三相电机三相Y连接的三三导通方式连接的三三导通方式n三三导通方式是指每一瞬间最多有三只开关导通，每隔60度电角度换相一次，每次换相一个开关，每个开关导通180度电角度。n正向时的导通顺序为：K1K2K3,K2K3K4,K3K4K5,K4K5K6,K5K6K1,K6K1K2n反向时的导通顺序为：K1K2K3,K6K1K2,K5K6K1,K4K5K6,K
12、3K4K5,K2K3K4第三十一页，编辑于星期六：二十点 四分。合成转矩分析：nK6K1K2导通时，电流从A相流入，B相C相流出，且ib ic=-0.5ia,则产生的转矩如下图a。n同样的分析，可得其它导通状况时产生的转矩矢量，如上图b和上图c。第三十二页，编辑于星期六：二十点 四分。C:电机三相电机三相 连接的两两导通方式连接的两两导通方式nK1K2导通时，电流从A相流入，C相流出，且ib ic=-0.5ia,则产生的转矩如下图a。n同样的分析，可得其它导通状况时产生的转矩矢量，如上图b和上图c。第三十三页，编辑于星期六：二十点 四分。D:电机三相电机三相 连接的三三导通方式连接的三三导通方
13、式nK6K1K2导通时，电流从A相流入，B相C相流出，且ib-ia,则产生的转矩如下图a。n同样的分析，可得其它导通状况时产生的转矩矢量，如上图b和上图c。第三十四页，编辑于星期六：二十点 四分。2、BLDCM伺服系统设计第三十五页，编辑于星期六：二十点 四分。本章内容本章内容n同步电机变频调速的原理n转子位置检测n几种同步电机变频调速系统第三十六页，编辑于星期六：二十点 四分。第七章第七章 开关磁阻电机（开关磁阻电机（SR）调速系统调速系统n7.1 SR的原理和特点SR是一种新型可调速电机，由磁阻电机、功率变换器、转子位置Sensor和控制器四部分组成。SR的定子和转子都是凸极的，由普通硅钢
14、片叠压而成。SR的定子和转子的极数不相等，一般情况下定子极数比转子多2极。图7.1第三十七页，编辑于星期六：二十点 四分。SR的原理和特点的原理和特点n转子既无绕组也无永磁体。n定子上有集中绕组，径向相对的两个绕组串联构成一个两极磁极，称为一相。n研究表明，低于三相的SR电动机没有起动能力。n原理上，SR与步进电机相似，遵循“磁阻最小原理”磁通总是要沿着磁阻最小的路径闭合。nDABCD顺序通电时，转子逆时钟旋转。nSR是一种大步距角的步进电机。n相数多，步距角小，利于减小转矩脉动，但复杂度和成本都会增加。第三十八页，编辑于星期六：二十点 四分。基本构成基本构成nSRD的基本构成为：图7.2第三
15、十九页，编辑于星期六：二十点 四分。SR功率变换器主电路图功率变换器主电路图图7.3第四十页，编辑于星期六：二十点 四分。7.2 SR电动机的运行方式电动机的运行方式n采用图7.3电路供电，其电压方程为：（7.1）（7.2）第四十一页，编辑于星期六：二十点 四分。n电压方程可改写为：（7.3）n相绕组的电感随转子位置变化的规律为：图7.4第四十二页，编辑于星期六：二十点 四分。角度位置控制方式：角度位置控制方式：n角度位置控制是开关磁阻电机常用运行方式。图7.5第四十三页，编辑于星期六：二十点 四分。角度位置控制方式（角度位置控制方式（2）n角度相位控制分5个阶段：n第一阶段：0tt1:相电流
16、基本线性上升。n第二阶段：t1 tt2，L不断增大，存在旋转电势，电流变化规律受导通角影响较大。图7.6第四十四页，编辑于星期六：二十点 四分。角度位置控制方式（角度位置控制方式（3）n第三阶段：t2 tt3，关断开关管。一方面在Us的作用下磁链和电流减小，另一方面L在继续增大，存在旋转电势，电流下降更快。n第四阶段：t3 tt4，在这一阶段若电流没有衰减到零，电流产生制动转矩，电机进入制动状态。第四十五页，编辑于星期六：二十点 四分。电流斩波控制方式电流斩波控制方式n在电机低速运行时，往往采用电流斩波控制方式来避免过大的电流冲击。第四十六页，编辑于星期六：二十点 四分。7.3 PWM控制的控制的SR调速系统设计调速系统设计n位置检测对系统性能十分重要。第四十七页，编辑于星期六：二十点 四分。