运动控制系统-第6章 同步电动机变压变频调速系统.ppt

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1、运动控制系统第6章同步电动机变压变频调速系统概述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只能是变频调速。概述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，同时也解决了失步与起动问题，使之不再是限制同步电动机运行的障碍。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。内容提要6.1同步电动机的基本特征与调速方法6.2他控变频同步电动机调速系统6.3自控变频同步电动机调速系统6.4同步电动机矢量控制系统6.1同步电动机的基本特征与调速方法讨论同步电

2、动机的特点、分类同步电动机的矩角特性和稳定运行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具有以下特点：1.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（6-1）同步电动机的稳态转速等于同步转速。同步电动机的特点2.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，或者靠永久磁钢励磁。3.同步电动机转子除直流励磁绕组（或永久磁钢）外，还可能有自身短路的阻尼绕组。同步电动机的特点4.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，造成数学模型上的复杂性。但凸极效应

3、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动机。同步电动机的特点5.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，在同样条件下，同步电动机的调速范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。6.1.2同步电动机的分类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。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，改变输入功率因数，可以滞后，也可以超前。永磁同步电动机的转子用永磁材料制成，无需直流励磁。永磁同步电

4、动机的优点1.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，因此容量相同的电机体积小、重量轻；2.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；3.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；4.结构紧凑，运行可靠。永磁同步电动机正弦波永磁同步电动机——当输入三相正弦波电流、气隙磁场为正弦分布，磁极采用永磁材料时，就使用这个普通的名称或直接称作永磁同步电动机（PermanentMagnetSynchronousMotor，简称PMSM）。永磁同步电动机梯形波永磁同步电动机——磁极仍为永磁材料，但输入方波电流，气隙磁场

5、呈梯形波分布，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频同步电动机又称作无刷直流电动机（BrushlessDCMotor，简称BLDM）。6.1.3同步电动机的矩角特性忽略定子电阻，图6-1是凸极同步电动机稳定运行且功率因数超前时的相量图，同步电动机从定子侧输入的电磁功率图6-1凸极同步电动机稳定运行相量图（功率因数超前）（6-2）永磁同步电动机电磁功率将代入永磁同步电动机电磁功率（6-4）电磁转矩在式（6-4）两边除以机械角速度，得电磁转矩（6-5）电磁转矩由两部分组成，第1部分由转子磁势产生的，第2部分是由于磁路不对称产生的。功角特性和矩

6、角特性在和恒定时，同步电动机的电磁功率和电磁转矩由确定，故称为功角或矩角。隐极同步电动机对于隐极同步电动机，故隐极同步电动机电磁功率（6-6）电磁转矩（6-7）隐极同步电动机的矩角特性当时，电磁转矩最大图6-2隐极同步电动机的矩角特性（6-8）6.1.4同步电动机的稳定运行以隐极同步电动机为例，分析同步电动机恒频恒压时的稳定运行问题。在的范围内同步电动机运行于，，此时电磁转矩和负载转矩相平衡，在的范围内当负载转矩加大为时，转子减速使角θ增加，当，电磁转矩和负载转矩又达到平衡，同步电动机仍以同步转速稳定运行。在的范围内若负载转矩又恢复为，则角恢复为，电磁转矩恢复

7、为。因此，在的范围内，同步电动机能够稳定运行。图6-3在隐极同步电动机的矩角特性的范围内，在的范围内同步电动机运行于，，此时电磁转矩和负载转矩相平衡，在的范围内当负载转矩加大为时，转子减速使角θ增加，电磁转矩减小，导致θ继续，最终，同步电动机转速偏离同步转速，这种现象称为“失步”。在的范围内在的范围内，同步电动机不能稳定运行，将产生失步现象。图6-4在隐极同步电动机的矩角特性的范围内，6.1.5同步电动机的起动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，当时，电磁转矩，使电动机加速，由于机械惯性的作用，电动机转速具有较大的滞后，不能快速跟上同步转

8、速。同步电动机的起动当时，电磁转矩，产