1、第9章 三相同步電機(jī)的電力拖動(dòng),劉錦波 山東大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院,內(nèi)容簡(jiǎn)介,內(nèi)容包括：三相同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)的原理與方法以及同步電動(dòng)機(jī)兩種常用的控制方式：他控和自控方式,用途：,主要用于軋鋼、水泥、化纖、輪船推動(dòng)、電動(dòng)汽車(chē)、磁懸浮火車(chē)、伺服與機(jī)器人驅(qū)動(dòng)以及飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)/發(fā)電設(shè)備等。,優(yōu)點(diǎn)：,運(yùn)行效率高； 轉(zhuǎn)子采用直流勵(lì)磁的同步電動(dòng)機(jī)在過(guò)勵(lì)狀態(tài)下可以改善功率因 數(shù),大型MW級(jí)的調(diào)速系統(tǒng)大多采用轉(zhuǎn)子直流勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)組成的拖動(dòng)系統(tǒng)； 中、小容量的伺服系統(tǒng)多采用由永磁同步電動(dòng)機(jī)組成的拖動(dòng)系統(tǒng)。,一般應(yīng)用場(chǎng)合：,9.1 三相同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng),自耦調(diào)壓器的降壓起動(dòng)； 輔助異步電動(dòng)機(jī)的起

2、動(dòng)； 變頻起動(dòng) ；,起動(dòng)方法：,9.1.1 自耦調(diào)壓器的降壓起動(dòng),圖9.1 同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法,方法介紹：同步電動(dòng)機(jī)的降壓起動(dòng)方法又稱為異步起動(dòng)法，它是借助于同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子主磁極極靴上裝設(shè)的鼠籠繞組（又稱起動(dòng)繞組或阻尼繞組）來(lái)完成起動(dòng)的。,起動(dòng)時(shí)，首先將轉(zhuǎn)子直流勵(lì)磁繞組通過(guò)電阻短接，然后再將定子繞組投入到三相電源上。 依靠定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和起動(dòng)繞組中所感應(yīng)的電流產(chǎn)生類(lèi)似于感應(yīng)電機(jī)的異步電磁轉(zhuǎn)矩，從而使轉(zhuǎn)子起動(dòng)。 一旦轉(zhuǎn)子接近同步速，再將轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組切換至直流勵(lì)磁電源上。利用定、轉(zhuǎn)子之間的磁場(chǎng)相互作用所產(chǎn)生的牽入同步轉(zhuǎn)矩，將轉(zhuǎn)子牽入同步，完成起動(dòng)。,起動(dòng)過(guò)程：,起動(dòng)過(guò)程中，要求轉(zhuǎn)子直流勵(lì)磁繞組不能

3、開(kāi)路；以避免因轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組匝數(shù)較多，造成感應(yīng)電勢(shì)較高而引起繞組絕緣擊穿； 直流勵(lì)磁繞組也不能直接短路；以避免 “單軸轉(zhuǎn)矩”的產(chǎn)生； 通常起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)子直流勵(lì)磁繞組串接一定數(shù)值的電阻起動(dòng)。一旦接近同步速，再通過(guò)轉(zhuǎn)子滑環(huán)和電刷加入直流勵(lì)磁，將轉(zhuǎn)子牽入同步。,起動(dòng)過(guò)程中的注意事項(xiàng)：,同步電動(dòng)機(jī)異步起動(dòng)過(guò)程中的電磁轉(zhuǎn)矩分析：,圖9.2 同步電動(dòng)機(jī)異步起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速曲線 1異步電磁轉(zhuǎn)矩 2單軸轉(zhuǎn)矩 3合成起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)矩說(shuō)明：,異步電磁轉(zhuǎn)矩:由定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子起動(dòng)繞組中的感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生; 單軸轉(zhuǎn)矩: 由轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組中的逆序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與定子繞組中的感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生(說(shuō)明見(jiàn)下);,單軸轉(zhuǎn)矩的說(shuō)明

4、:,起動(dòng)時(shí)，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組中感應(yīng)轉(zhuǎn)差頻率的電勢(shì)和電流; 由轉(zhuǎn)差頻率的電流流過(guò)單相轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組產(chǎn)生脈振磁勢(shì)（或磁場(chǎng)）。該脈振磁勢(shì)可分解為兩個(gè)相對(duì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為 、轉(zhuǎn)向相反的正、負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)； 負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)在定子繞組中感應(yīng)電勢(shì)（或電流）的頻率為：,（9-1）,該電流與逆序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用即產(chǎn)生 “單軸轉(zhuǎn)矩”。 顯然，單軸轉(zhuǎn)矩的同步點(diǎn)為： （即 ）。當(dāng) 時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩為驅(qū)動(dòng)性；當(dāng) 時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)性。（見(jiàn)圖9.2）,結(jié)論：,單軸轉(zhuǎn)矩有可能造成同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在 附近而達(dá)不到同步速。,9.1.2 輔助異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng),選用一臺(tái)極數(shù)相同的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（其容量約為主機(jī)的1015%）作為輔助電動(dòng)機(jī)起動(dòng);

5、 一旦轉(zhuǎn)子接近同步速，再在轉(zhuǎn)子繞組中加入直流勵(lì)磁電流，利用牽入同步轉(zhuǎn)矩將轉(zhuǎn)子牽入同步。,起動(dòng)方法:,9.1.3 變頻起動(dòng),起動(dòng)方法:,起動(dòng)前，首先將同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組通以直流勵(lì)磁； 逐漸增加供電變流器的輸出頻率，使定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨之逐漸升高，直至轉(zhuǎn)子達(dá)到同步轉(zhuǎn)速為止； 切換至電網(wǎng)供電。,9.2 三相同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速,矩角特性 機(jī)械特性,變頻調(diào)速中的兩條特性曲線：,下面就以隱極式同步電動(dòng)機(jī)為例說(shuō)明。,9.2.1 三相同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速時(shí)的矩角特性,分兩種情況進(jìn)行討論：,1. 忽略定子繞組電阻的影響,根據(jù)8.4節(jié)隱極式同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性得：,（9-2）,式中， 為最大電磁轉(zhuǎn)矩。,忽略磁

6、路飽和，上式中轉(zhuǎn)子直流勵(lì)磁磁勢(shì)在定子繞組中的感應(yīng)電勢(shì)為：,（9-3）,式（9-2）中的同步電抗可表示為：,（9-4）,將式（9-3）、（9-4）以及 一并代入式（9-2）得：,（9-5）,結(jié)論：,在轉(zhuǎn)子直流勵(lì)磁一定的條件下，若采用恒壓頻比控制即： ，則同步電動(dòng)機(jī)最大電磁轉(zhuǎn)矩（或過(guò)載能力）保持不變。,2. 考慮定子繞組電阻的影響,將隱極式同步電動(dòng)機(jī)的等效電路和相量圖(圖8.14)重畫(huà)為圖9.3：,圖9.3 隱極式同步電動(dòng)機(jī)的等效電路與相量圖,根據(jù)圖9.3，得隱極式同步電動(dòng)機(jī)的電磁功率為：,（9-6）,設(shè) 為參考相位，根據(jù)圖9.3b可知： ， 。,由圖9.3a得：,由上式得：,令 ，并將上式代入式

7、（9-6）可得：,電磁轉(zhuǎn)矩為：,（9-7）,根據(jù)上式便可繪出三相隱極式同步電動(dòng)機(jī)考慮定子繞組電阻時(shí)的矩角特性曲線 如圖9.4中的實(shí)線所示。,圖9.4 隱極式同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性曲線,結(jié)論：,考慮定子繞組電阻后，最大轉(zhuǎn)矩有所減小，最大電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)時(shí)的臨界功率角 有所減小。,一般結(jié)論：,在采用 的變頻調(diào)速過(guò)程中，必須增加低頻時(shí)的壓頻比，以補(bǔ)償?shù)皖l時(shí)因定子繞組電阻所引起的最大電磁轉(zhuǎn)矩下降，確保過(guò)載能力保持不變。,9.2.2 三相同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性,分兩種情況進(jìn)行討論：,1. 忽略定子繞組電阻的影響,根據(jù)式（9-5）可知：若采用恒壓頻比控制即 ，則最大電磁轉(zhuǎn)矩 保持不 變?？紤]到同步電動(dòng)機(jī)

8、的轉(zhuǎn)速與定子頻率之間符合嚴(yán)格的同步關(guān)系，于是，隱極式 同步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性可用圖9.6表示之。,圖9.6 同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性( ）,圖中，縱坐標(biāo)軸右邊表示同步 電機(jī)作電動(dòng)機(jī)狀態(tài)運(yùn)行，左邊則 表示作發(fā)電機(jī)狀態(tài)運(yùn)行。,2. 考慮定子繞組電阻的影響,根據(jù)式（9-7）可得：,（9-8）,考慮到 ，根據(jù)上式便可以得到考慮定子繞組電阻時(shí)隱極式 同步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線如圖9.7所示。,圖9.7 同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性（ ）,結(jié)論：,對(duì)于實(shí)際同步電動(dòng)機(jī)，低頻（或低速）時(shí)，由 于定子繞組電阻的影響，最大電磁轉(zhuǎn)矩將有所降 低。為了補(bǔ)償這一影響，應(yīng)在低頻運(yùn)行時(shí)適當(dāng)增加 壓頻比。,9.3 三相同

9、步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng),9.3.1 電網(wǎng)供電同步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng),圖9.9a、b 分別給出了同步電動(dòng)機(jī)三相定子繞組外接電阻和頻敏變阻器進(jìn)行 能耗制動(dòng)時(shí)的接線圖。,圖9.9 同步電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)時(shí)的接線圖,圖9.10 同步電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性,由圖9.10可以看出：改變轉(zhuǎn)子直流勵(lì)磁電流的大小可以改變制動(dòng)性電磁轉(zhuǎn)矩的大小，進(jìn)而調(diào)整制動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短。,圖9.10給出了同步電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性。,9.3.2 變流器供電同步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng),動(dòng)態(tài)制動(dòng) 再生（或回饋）制動(dòng),兩種常用的制動(dòng)方式：,1.動(dòng)態(tài)制動(dòng),圖9.11 變流器供電下交流電機(jī)動(dòng)態(tài)制動(dòng)原理的示意圖,動(dòng)態(tài)制動(dòng)類(lèi)似于電網(wǎng)供電交流電機(jī)的能耗制動(dòng)，只不過(guò)電能

10、的性質(zhì)發(fā)生了變化（由交流變?yōu)橹绷鳎?，所采用制?dòng)電阻的數(shù)量也有所減少。,用途:,適合于中小功率的交流拖動(dòng)系統(tǒng)，如伺服系統(tǒng)、數(shù)控機(jī)床以及工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)等。,2. 再生(或回饋)制動(dòng),圖9.12 變流器供電下交流電機(jī)再生制動(dòng)原理的示意圖,再生制動(dòng)將來(lái)自負(fù)載的機(jī)械能經(jīng)過(guò)逆變器(工作在整流狀態(tài))首先轉(zhuǎn)換為直流側(cè)的電能,然后再經(jīng)過(guò)PWM整流器(工作在逆變狀態(tài))逆變?yōu)榻涣?并回饋至電網(wǎng)。,用途:,適用于需要經(jīng)常實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行的大功率交流拖動(dòng)系統(tǒng)。,9.4 三相同步電動(dòng)機(jī)的控制方式,兩種主要控制方式：,他控式（頻率開(kāi)環(huán)的控制方式 ）； 自控式（頻率閉環(huán)的控制方式 ）；,9.4.1 他控式同步電動(dòng)機(jī),特點(diǎn)：他

11、控式同步電動(dòng)機(jī)是通過(guò)獨(dú)立控制外部供電變流器 的頻率來(lái)控制同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的，勿需提供轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 （或位置）的信息。,對(duì)于他控式同步電動(dòng)機(jī)，為確保定子磁鏈保持不變，經(jīng) 常采用恒壓頻比控制即 的開(kāi)環(huán)控制方案。,圖9.13給出了他控式同步電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)框圖。圖9.14給出了他控式同步電動(dòng)機(jī)的 轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線。,圖9.13 他控式同步電動(dòng)機(jī)的（或開(kāi)環(huán) 控制）示意圖,圖9.14 采用電壓/頻率比控制的他控式 同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線,同步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速一般也是基頻（額定頻率）以下采用恒壓頻比的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。當(dāng)運(yùn)行頻率超過(guò)額定頻率時(shí)，則采用電壓保持不變的恒功率調(diào)速方式。,結(jié)論：,優(yōu)點(diǎn)：,控制實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，

12、且同一臺(tái)變流器可以帶多臺(tái)同步電動(dòng)機(jī)； 轉(zhuǎn)子直流勵(lì)磁電流還可獨(dú)立調(diào)節(jié)，從而確保定子側(cè)的功率因數(shù)達(dá) 到所希望的數(shù)值。,9.4.2 自控式同步電動(dòng)機(jī),組成框圖：,圖9.15 自控式同步電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)的相似性,特點(diǎn)：自控式同步電動(dòng)機(jī)定子各相繞組電流的通斷以及各相繞組電流的大小受控于自身轉(zhuǎn)子的位置。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高，則定子通電頻率越高。且定子繞組的通電頻率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之間保持嚴(yán)格的同步關(guān)系。,自控式同步電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)的異同比較：,直流電動(dòng)機(jī)：,電刷和換向器起到了將外部直流轉(zhuǎn)換為內(nèi)部交流即機(jī)械式逆變器的作用； 換向器起到了檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的作用； 勵(lì)磁磁勢(shì) 與電樞磁勢(shì) 兩者相對(duì)定子靜止不動(dòng)； 勵(lì)磁磁勢(shì) 與電

13、樞磁勢(shì) 空間互相垂直（見(jiàn)圖9.15b）；,自控式同步電動(dòng)機(jī)：,電樞繞組位于定子，而轉(zhuǎn)子采用永磁體，相當(dāng)于一臺(tái)定、轉(zhuǎn)子交換的反裝式直流電動(dòng)機(jī)； 轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)采用的是絕對(duì)位置編碼器 ，而定子電樞繞組的換流則是通過(guò)電子式逆變器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，從而取代了機(jī)械式逆變器； 勵(lì)磁磁勢(shì)和電樞反應(yīng)磁勢(shì)兩者空間不是靜止不動(dòng)，而是均以同步速旋轉(zhuǎn)，這就決定了勵(lì)磁磁勢(shì)和電樞反應(yīng)磁勢(shì)仍保持相對(duì)靜止； 與 之間不再相互垂直，而是呈一定角度（見(jiàn)9.15a）,結(jié)論：,自控式同步電動(dòng)機(jī)采用位置傳感器與電子式逆變器取代了直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換向器與電刷，從而獲得了類(lèi)似于直流電動(dòng)機(jī)的性能。故此，自控式永磁同步電動(dòng)機(jī)又有無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)之稱。,無(wú)換向器電動(dòng)機(jī) （即轉(zhuǎn)子采用