第3章同步电动机变压变频调速系统

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1、运动运动控制系统控制系统第第6章章同步电动机变压变频同步电动机变压变频调速系统调速系统概述概述n同步电动机直接投入电网运行时，存在同步电动机直接投入电网运行时，存在失步与起动两大问题，曾一直制约着同失步与起动两大问题，曾一直制约着同步电动机的应用。同步电动机的转速恒步电动机的应用。同步电动机的转速恒等于同步转速，所以同步电动机的调速等于同步转速，所以同步电动机的调速只能是变频调速。只能是变频调速。概述概述n变频调速的发展与成熟不仅实现了同步变频调速的发展与成熟不仅实现了同步电动机的调速问题，同时也解决了失步电动机的调速问题，同时也解决了失步与起动问题，使之不再是限制同步电动与起动问题，使之不再

2、是限制同步电动机运行的障碍。机运行的障碍。n同步电动机的调速可分为自控式和他控同步电动机的调速可分为自控式和他控式两种，适用于不同的应用场合。式两种，适用于不同的应用场合。内容提要内容提要n6.1 同步电动机的基本特征与调速方法同步电动机的基本特征与调速方法n6.2 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n6.3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 n6.4 同步电动机矢量控制系统同步电动机矢量控制系统 6.1同步电动机的基本特征与同步电动机的基本特征与调速方法调速方法 n讨论同步电动机的特点、分类讨论同步电动机的特点、分类n同步电动机的矩角特性和稳定运行同步电动

3、机的矩角特性和稳定运行n同步电动机的起动和调速同步电动机的起动和调速 6.1.1 同步电动机的特点同步电动机的特点n同步电动机具有以下特点：同步电动机具有以下特点：1. 交流电机旋转磁场的同步转速与定交流电机旋转磁场的同步转速与定子电源频率有确定的关系子电源频率有确定的关系ppnnfn26060111（6-1） 同步电动机的稳态转速等于同步转速同步电动机的稳态转速等于同步转速 。同步电动机的特点同步电动机的特点2. 同步电动机除定子磁动势外，在转同步电动机除定子磁动势外，在转子侧还有独立的直流励磁，或者靠子侧还有独立的直流励磁，或者靠永久磁钢励磁。永久磁钢励磁。3. 同步电动机转子除直流励磁绕

4、组同步电动机转子除直流励磁绕组（或永久磁钢）外，还可能有自身（或永久磁钢）外，还可能有自身短路的阻尼绕组。短路的阻尼绕组。同步电动机的特点同步电动机的特点4. 同步电动机则有隐极与凸极之分，同步电动机则有隐极与凸极之分，隐极式电机气隙均匀，凸极式则不隐极式电机气隙均匀，凸极式则不均匀，磁极直轴的磁阻小，极间的均匀，磁极直轴的磁阻小，极间的交轴磁阻大，两轴的电感系数不等，交轴磁阻大，两轴的电感系数不等，造成数学模型上的复杂性。但凸极造成数学模型上的复杂性。但凸极效应能产生转矩，单靠凸极效应运效应能产生转矩，单靠凸极效应运行的同步电动机称作磁阻式同步电行的同步电动机称作磁阻式同步电动机。动机。同步

5、电动机的特点同步电动机的特点5. 由于同步电动机转子有独立励磁，在由于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。因此，极低的电源频率下也能运行。因此，在同样条件下，同步电动机的调速范在同样条件下，同步电动机的调速范围比异步电动机更宽。围比异步电动机更宽。6. 同步电机只须加大功角就能增大转矩，同步电机只须加大功角就能增大转矩，同步电动机比异步电动机对转矩扰动同步电动机比异步电动机对转矩扰动具有更强的承受能力，动态响应快。具有更强的承受能力，动态响应快。6.1.2 同步电动机的分类同步电动机的分类n同步电动机按励磁方式分为可控励磁同步电动机按励磁方式分为可控励磁同步电动机和永磁同步电

6、动机两种。同步电动机和永磁同步电动机两种。n可控励磁同步电动机在转子侧有独立可控励磁同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，可流励磁电流，改变输入功率因数，可以滞后，也可以超前。以滞后，也可以超前。n永磁同步电动机的转子用永磁材料制永磁同步电动机的转子用永磁材料制成，无需直流励磁。成，无需直流励磁。 永磁同步电动机的优点永磁同步电动机的优点n1. 由于采用了永磁材料磁极，其磁能由于采用了永磁材料磁极，其磁能积高，可得较高的气隙磁通密度，因积高，可得较高的气隙磁通密度，因此容量相同的电机体积小、重量轻；此容量相同的电机

7、体积小、重量轻；n2. 转子没有铜损和铁损，又没有滑环转子没有铜损和铁损，又没有滑环和电刷的摩擦损耗，运行效率高；和电刷的摩擦损耗，运行效率高；n3. 转动惯量小，允许脉冲转矩大，可转动惯量小，允许脉冲转矩大，可获得较高的加速度，动态性能好；获得较高的加速度，动态性能好；n4. 结构紧凑，运行可靠。结构紧凑，运行可靠。永磁同步电动机永磁同步电动机n正弦波永磁同步电动机正弦波永磁同步电动机当输入三相当输入三相正弦波电流、气隙磁场为正弦分布，磁正弦波电流、气隙磁场为正弦分布，磁极采用永磁材料时，就使用这个普通的极采用永磁材料时，就使用这个普通的名称或直接称作永磁同步电动机名称或直接称作永磁同步电动

8、机（Permanent Magnet Synchronous Motor，简称，简称PMSM）。）。永磁同步电动机永磁同步电动机n梯形波永磁同步电动机梯形波永磁同步电动机磁极仍为永磁极仍为永磁材料，但输入方波电流，气隙磁场呈磁材料，但输入方波电流，气隙磁场呈梯形波分布，性能更接近于直流电动机。梯形波分布，性能更接近于直流电动机。用梯形波永磁同步电动机构成的自控变用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无刷直流电动机频同步电动机又称作无刷直流电动机（Brushless DC Motor，简称，简称BLDM）。）。6.1.3 同步电动机的矩角特性同步电动机的矩角特性n忽略定子电阻，图忽

9、略定子电阻，图6-1是凸是凸极同步电动机稳定运行且功极同步电动机稳定运行且功率因数超前时的相量图，同率因数超前时的相量图，同步电动机从定子侧输入的电步电动机从定子侧输入的电磁功率磁功率 图6-1 凸极同步电动机稳定运行相量图（功率因数超前）cos31ssMIUPP（6-2） 永磁同步电动机电磁功率永磁同步电动机电磁功率代入代入 sinsin3coscos3)cos(3cos31UIUIUIUIPPM将将sincoscossinssqqsssddssqssdUIxUEIxIIII永磁同步电动机电磁功率永磁同步电动机电磁功率（6-4） 2sin2)(3sin3sincos) 11(3sin3sin

10、)cos(3cossin3sin3cos3sinsin3coscos322qdqdsdssdqsdssdsssqssdssqssssssMxxxxUxEUxxUxEUxUEUxUUIUIUIUIUP电磁转矩电磁转矩n在式（在式（6-4）两边除以机械角速度，得电）两边除以机械角速度，得电磁转矩磁转矩2sin2)(3sin32qdmqdsdmssexxxxUxEUT（6-5） 电磁转矩由两部分组成，第电磁转矩由两部分组成，第1部分由转子部分由转子磁势产生的，第磁势产生的，第2部分是由于磁路不对称部分是由于磁路不对称产生的。产生的。功角特性和矩角特性功角特性和矩角特性 n在在 和和 恒定时，同步电动

11、机的电磁功恒定时，同步电动机的电磁功率和电磁转矩由率和电磁转矩由 确定，故称为功角或确定，故称为功角或矩角。矩角。sUsE隐极同步电动机隐极同步电动机 n对于隐极同步电动机，对于隐极同步电动机， cqdxxx故隐极同步电动机电磁功率故隐极同步电动机电磁功率 sin30dsMxEUP（6-6） 电磁转矩电磁转矩sin30dmsexEUT （6-7） 隐极同步电动机的矩角特性隐极同步电动机的矩角特性n当当 时，时，电磁转矩最大电磁转矩最大 图图6-2 隐极同步电动机的矩角特性隐极同步电动机的矩角特性2dmsexEUT0max3（6-8） 6.1.4 同步电动机的稳定运行同步电动机的稳定运行n以隐极