交直流调速系统与MATLAB仿真 第7章-同步电动机调速系统

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1、第七章同步电动机调速系统及其仿真第一节同步电动机的分类及其调速原理第二节正弦波永磁同步电动机调速系统第三节方波永磁同步电动机调速系统第四节负载换相同步电动机调速系统第五节大功率同步电动机交-交变频调速技术第一节同步电动机的结构及其调速原理同步电动机的特点：1、n与f保持严格的同步关系，与负载大小无关;2、改变If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。一、同步电动机的结构1、结构：定子：定子铁心、三相对称绕组以及机座和端盖等部件组成。（与异步机定子结构基本相同）转子：有两种结构形式，隐极式和凸极式。凸极式：制造方便，但磁极明显，气隙不均匀，造成直轴磁阻小，交轴磁

2、阻大，使两轴的电感系数不等。隐极式：气隙均匀，机械强度好，但制造工艺较复杂。（a）凸极式（b）隐极式图7-1同步电动机的转子结构示意图2、励磁：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，其同步转速为转子励磁：（a）转子铁心上装有励磁绕组，由直流励磁电源供电，称有刷励磁。由交流励磁机经过随转子一起旋转的整流器供电，称无刷励磁系统。（b）永久磁铁，其磁场可视为恒定（小容量）。3、短路绕组：短路绕组：装在转子磁极表面，又称启动绕组。主要作用：恒频运行时，用作启动和抑制重载时易发生的振荡。变频供电时，能直接启动。启动绕组主要用于抑制变频器引起的谐波和负序分量，减

3、少同步电动机的暂态电抗，加速换流过程和加快动态响应。二、同步电动机的调速原理同步机为双边励磁方式，电磁转矩由两磁场的相互作用产生。由电机统一理论：按频率控制方式不同分为：他控式变频调速和自控式变频调速。启动时，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；稳态时，只要定、转子磁动势相对静止，就能产生单一方向恒定的电磁转矩，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；带定子电压补偿的函数发生器GF保证了变频器的恒压频比控制；缓慢调节可以逐步改变电动机的转速。图7

4、-2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。（二）自控式同步电动机变频调速系统由同步电机SM、变频器、转子位置检测器BQ和控制单元组成。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机变频调速也是通过改变电磁转矩的大小和方向来调节转速。电磁转矩和电机的定、转子电流有关。调节定子电流大小或相位及转子磁动势的大小就可以达到调速的目的。系统能从根本上消除同步电机转子振荡和失步问题。因为：给电机定子供电的变频装置的输出频率受转子位置检测器的控制，即定子旋转磁场的转速与转子

5、旋转的转速相等，始终保持同步，不会由于负载冲击等原因造成失步现象。控制单元作用：判断转子的位置和转速，按一定控制策略产生控制信号，控制变频器输出三相电流（电压）的频率、幅值和相位，使同步转速跟踪转子转速。永磁同步电机体积小、重量轻、效率高，无转子发热问题，控制系统简单一、正弦波永磁同步电机的调速原理采用转子磁链定向（转子磁通恒定），矢量图如下所示。第二节正弦波永磁同步电机调速系统图7-4永磁同步电动机时的矢量图定子电压方程为（ｄ、ｑ坐标系）定子磁链方程为：转矩方程为：在基速下，采用定子电流矢量位于ｑ轴，全部用于产生转矩，即　　　　，　　　。为常数。可见，转矩仅与定子的幅值成正比，实现了解

6、耦控制，类似于直流电机。图7-5永磁同步电动机调速系统工作原理框图转矩方程：将转子位置角　（d轴与A轴间的夹角），经正弦波函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：位于ｑ轴。　为变频器输出的定子电流幅值(最大值)。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1.5倍，方向超前ｄ轴　　，位于ｑ轴。电磁转矩：如图7-6所示，主回路：由脉宽调制（PWM）逆变器、永磁同步电机、转子位置检测器、电流传感器以及速度传感器组成。控制回路：由速度调节器、矢量变换器、电流调节器、PWM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　的

7、大小。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1、主回路的组成和控制图7-6永磁同步电动机控制系统的结构原理图（1）变频器电流矢量：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SPWM变压变频器或电流滞环跟踪型的PWM变压变频器。图7-7滞环电流跟踪型PWM逆变器单相结构示意图及输出电流、电压波形电流滞环跟踪型PWM变频器的控制目标是：让输出电流在一定的误差范围内跟随给