电力拖动自动控制系统运动控制系统第9章PPT推荐.ppt
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内内容容提提要要n同步电动机的稳态模型与调速方法同步电动机的稳态模型与调速方法n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n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n同步电动机矢量控制系统同步电动机矢量控制系统n同步电动机直接转矩控制系统同步电动机直接转矩控制系统9.1同步电动机的稳态模型与同步电动机的稳态模型与调速方法调速方法l同同步步电电动动机机的的基基本本特特征征与与调调速速方方法法,讨讨论论同同步步电电动动机机的的矩矩角角特特性性和和稳稳定定运运行行,分分析析同步电动机的失步与起动问题。
同步电动机的失步与起动问题。
l讨论同步电动机变频调速的机械特性。
讨论同步电动机变频调速的机械特性。
9.1.1同步电动机的特点同步电动机的特点l同同步步电电动动机机在在转转子子侧侧有有独独立立的的直直流流励励磁磁,或或者者靠靠永永久久磁磁钢钢励励磁磁。
还还可可能能有有自自身身短短路路的阻尼绕组。
的阻尼绕组。
l同同步步电电动动机机的的稳稳态态转转速速恒恒等等于于同同步步转转速速,机械特性硬机械特性硬9.1.1同步电动机的特点同步电动机的特点l同步电动机有隐极与凸极之分。
隐极式电同步电动机有隐极与凸极之分。
隐极式电机气隙均匀;
凸极式则不均匀,磁极直轴机气隙均匀;
凸极式则不均匀,磁极直轴磁阻小,极间交轴磁阻大,两轴的电感系磁阻小,极间交轴磁阻大,两轴的电感系数不等,使数学模型更复杂一些。
数不等,使数学模型更复杂一些。
l同步电动机转子有独立励磁,在极低的电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,同步电动机的调速范源频率下也能运行,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。
9.1.1同步电动机的特点同步电动机的特点l异步电动机要靠加大转差才能提高转矩,异步电动机要靠加大转差才能提高转矩,而同步电机只须加大功角就能增大转矩,而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具有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。
更强的承受能力,动态响应快。
9.1.1同步电动机的分类同步电动机的分类l同步电动机按励磁方式分为可控励磁同步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动机两种。
电动机和永磁同步电动机两种。
l可控励磁同步电动机在转子侧有独立的直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流励磁电流励磁,可以通过调节转子的直流励磁电流,改变输入功率因数,可以滞后,也可流,改变输入功率因数,可以滞后,也可以超前。
以超前。
l永磁同步电动机的转子用永磁材料制成,永磁同步电动机的转子用永磁材料制成,无需直流励磁。
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l采用了永磁材料磁极,磁能积高,体积小、采用了永磁材料磁极,磁能积高,体积小、重量轻;
重量轻;
l转子没有铜损和铁损,没有滑环和电刷的转子没有铜损和铁损,没有滑环和电刷的摩擦损耗,运行效率高;
摩擦损耗,运行效率高;
l转动惯量小,允许脉冲转矩大,可获得较转动惯量小,允许脉冲转矩大,可获得较高的加速度,动态性能好;
高的加速度,动态性能好;
l结构紧凑,运行可靠。
结构紧凑,运行可靠。
气隙磁场分布气隙磁场分布l正弦波永磁同步电动机正弦波永磁同步电动机磁极采用永磁磁极采用永磁材料,输入三相正弦波电流时,气隙磁场材料,输入三相正弦波电流时,气隙磁场为正弦分布,称作正弦波永磁同步电动机,为正弦分布,称作正弦波永磁同步电动机,或简称永磁同步电动机缩写为或简称永磁同步电动机缩写为PMSM。
l梯形波永磁同步电动机梯形波永磁同步电动机气隙磁场呈梯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。
梯形波永磁同步电动机构成的自控变频同步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,缩写为电动机又称作无刷直流电动机,缩写为BLDM。
9.1.3同步电动机的矩角特同步电动机的矩角特性性l在在忽忽略略定定子子电电阻阻时时,同同步步电电动动机机从从定定子子侧侧输入的电磁功率输入的电磁功率9.1.3同步电动机的矩角特同步电动机的矩角特性性图图9-1凸极同步电动机稳定运行相量图凸极同步电动机稳定运行相量图9.1.3同步电动机的矩角特同步电动机的矩角特性性l电磁功率电磁功率9.1.3同步电动机的矩角特同步电动机的矩角特性性l电磁转矩电磁转矩l第第1部部分分由由转转子子磁磁动动势势产产生生,是是同同步步电电动动机的主转矩;
机的主转矩;
l第第2部部分分由由于于磁磁路路不不对对称称产产生生,称称作作磁磁阻阻反应转矩。
反应转矩。
9.1.3同步电动机的矩角特同步电动机的矩角特性性图图9-2凸极同步电动机的矩角特性凸极同步电动机的矩角特性9.1.3同步电动机的矩角特同步电动机的矩角特性性l隐极同步电动机隐极同步电动机l电磁功率电磁功率l电磁转矩电磁转矩9.1.3同步电动机的矩角特同步电动机的矩角特性性图图9-3隐极同步电动机的矩角特性隐极同步电动机的矩角特性电磁转矩最大电磁转矩最大9.1.4同步电动机的稳定运同步电动机的稳定运行行图图9-4隐极同步电动机的矩角特性隐极同步电动机的矩角特性能够稳定运行能够稳定运行9.1.4同步电动机的稳定运同步电动机的稳定运行行图图9-5隐极同步电动机的矩角特性隐极同步电动机的矩角特性不能稳定运行,不能稳定运行,产生失步现象产生失步现象。
9.1.5同步电动机的起动同步电动机的起动l当同步电动机在工频电源下起动时,定子当同步电动机在工频电源下起动时,定子磁动势以同步转速旋转,电动机转速具有磁动势以同步转速旋转,电动机转速具有较大的滞后,不能快速跟上同步转速;
较大的滞后,不能快速跟上同步转速;
l在一个周期内,电磁转矩的平均值等于零,在一个周期内,电磁转矩的平均值等于零,故同步电动机不能起动。
故同步电动机不能起动。
l同步电动机中转子有起动绕组,使电动机同步电动机中转子有起动绕组,使电动机按异步电动机的方式起动,当转速接近同按异步电动机的方式起动,当转速接近同步转速时再通入励磁电流牵入同步。
步转速时再通入励磁电流牵入同步。
9.1.6同步电动机的调速同步电动机的调速l同步电动机的转速等于同步转速同步电动机的转速等于同步转速l同步电动机有确定的极对数同步电动机有确定的极对数l同同步步电电动动机机的的调调速速只只能能是是改改变变电电源源频频率率的的变频调速。
变频调速。
9.1.6同步电动机的调速同步电动机的调速l忽略定子漏阻抗压降,则定子电压忽略定子漏阻抗压降,则定子电压l同同步步电电动动机机变变频频调调速速的的电电压压频频率率特特性性与与异异步电动机变频调速相同。
步电动机变频调速相同。
l基基频频以以下下采采用用带带定定子子压压降降补补偿偿的的恒恒压压频频比比控控制制方方式式,基基频频以以上上采采用用电电压压恒恒定定的的控控制制方式。
方式。
9.1.6同步电动机的调速同步电动机的调速图图9-6同步电动机变频调速机械特性同步电动机变频调速机械特性基频以下基频以下基频以上基频以上9.2他控变频同步电动机调速他控变频同步电动机调速系统系统l他他控控变变频频调调速速的的特特点点是是电电源源频频率率与与同同步步电电动机的实际转速无直接的必然联系。
动机的实际转速无直接的必然联系。
l控控制制系系统统结结构构简简单单,可可以以同同时时实实现现多多台台同同步电动机调速。
步电动机调速。
l没有从根本上消除失步问题。
没有从根本上消除失步问题。
9.2.1转速开环恒压频比控转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速系统制的同步电动机群调速系统l多台永磁或磁阻同步电动机并联接在公共多台永磁或磁阻同步电动机并联接在公共的变频器上,由统一的频率给定信号同时的变频器上,由统一的频率给定信号同时调节各台电动机的转速。
调节各台电动机的转速。
l转子振荡和失步问题并未解决。
转子振荡和失步问题并未解决。
l各台同步电动机的负载不能太大,否则会各台同步电动机的负载不能太大,否则会造成负载大的同步电动机失步,进而使整造成负载大的同步电动机失步,进而使整个调速系统崩溃。
个调速系统崩溃。
9.2.1转速开环恒压频比控转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速系统制的同步电动机群调速系统图图9-7多台同步电动机的恒压频比控制调速系统多台同步电动机的恒压频比控制调速系统9.2.2大功率同步电动机调大功率同步电动机调速系统速系统l可以采用恒压频比控制,在起动过程中,可以采用恒压频比控制,在起动过程中,同步电动机定子电源频率按斜坡规律变化,同步电动机定子电源频率按斜坡规律变化,将动态转差限制在允许的范围内,以保证将动态转差限制在允许的范围内,以保证同步电动机顺利起动。
同步电动机顺利起动。
l起动结束后,同步电动机转速等于同步转起动结束后,同步电动机转速等于同步转速,稳态转差等于零。
速,稳态转差等于零。
l也可以采用转速闭环控制的矢量控制或直也可以采用转速闭环控制的矢量控制或直接转矩控制。
接转矩控制。
9.2.2大功率同步电动机调大功率同步电动机调速系统速系统图图9-8变压变频器供电的同步电动机调速系统变压变频器供电的同步电动机调速系统9.3自控变频同步电动机调速自控变频同步电动机调速系统系统l他他控控变变频频同同步步电电动动机机调调速速系系统统变变频频器器的的输输出出频频率率与与转转子子转转速速或或位位置置无无直直接接的的关关系系,若控制不当,仍然会造成失步。
若控制不当,仍然会造成失步。
l根根据据转转子子位位置置直直接接控控制制变变频频装装置置的的输输出出电电压压或或电电流流的的相相位位,就就能能从从根根本本上上杜杜绝绝失失步步现象,这就是自控变频同步电动机的初衷。
现象,这就是自控变频同步电动机的初衷。
9.3.1自控变频同步电动机自控变频同步电动机图图9-9自控变频同步电动机调速原理图自控变频同步电动机调速原理图UI逆变器逆变器BQ转子位置检测器转子位置检测器需要两套需要两套可控功率可控功率单元,系单元,系统结构复统结构复杂。
杂。
9.3.1自控变频同步电动机自控变频同步电动机l在在基基频频以以下下调调速速时时,需需要要电电压压频频率率协协调调控控制。
制。
l需需要要一一套套直直流流调调压压装装置置,为为逆逆变变器器提提供供可可调的直流电源。
调的直流电源。
l调调速速时时改改变变直直流流电电压压,转转速速将将随随之之变变化化,逆变器的输出频率自动跟踪转速。
逆变器的输出频率自动跟踪转速。
l在在表表面面上上只只控控制制了了电电压压,实实际际上上也也自自动动地地控控制制了了频频率率,这这就就是是自自控控变变频频同同步步电电动动机机变压变频调速。
变压变频调速。
9.3.1自控变频同步电动机自控变频同步电动机l采采用用PWM逆逆变变器器,既既完完成成变变频频,又又实实现现调压。
调压。
l可可控控整整流流器器就就
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