5 同步机变压变频调速系统.ppt

1,第5章,同步电动机变压变频调速系统,同步电动机变压变频调速的特点及其基本类型,同步电动机历来是以转速与电源频率保持严格同步著称的。只要电源频率保持恒定，同步电动机的转速就绝对不变。采用电力电子装置实现电压-频率协调控制，改变了同步电动机历来只能恒速运行不能调速的面貌。起动费事、重载时振荡或失步等问题也已不再是同步电动机广泛应用的障碍。,同步电机的特点与问题,优点（1）转速与电压频率严格同步；（2）功率因数高到1.0，甚至超前。存在的问题（1）起动困难；（2）重载时有振荡，甚至存在失步危险。,解决思路,问题的根源供电电源频率固定不变。解决办法采用电压-频率协调控制，可解决由固定频率电源供电而产生的问题。,对于起动问题通过变频电源频率的平滑调节，使电机转速逐渐上升，实现软起动。对于振荡和失步问题由于采用频率闭环控制，同步转速可以跟着频率改变，于是就不会振荡和失步了。,同步调速系统的特点,（1）交流电机旋转磁场的同步转速1与定子电源频率f1有确定的关系异步电动机的稳态转速总是低于同步转速的，二者之差叫做转差s；同步电动机的稳态转速等于同步转速，转差s0。,,,,,（8-1）,同步调速系统的特点（续）,（2）异步电动机的磁场仅靠定子供电产生，而同步电动机除定子磁动势外，转子侧还有独立的直流励磁，或者用永久磁钢励磁。（3）同步电动机和异步电动机的定子都有同样的交流绕组，一般都是三相的，而转子绕组则不同，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。,（4）异步电动机的气隙是均匀的，而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，两轴的电感系数不等，造成数学模型上的复杂性。但凸极效应能产生平均转矩，单靠凸极效应运行的同步电动机称作磁阻式同步电动机。,同步调速系统的特点（续）,（5）异步电动机由于励磁的需要，必须从电源吸取滞后的无功电流，空载时功率因数很低。同步电动机则可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。当cos1.0时，电枢铜损最小，还可以节约变压变频装置的容量。,,同步调速系统的特点（续）,（6）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。（7）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，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，能作出更快的动态响应。,同步调速系统的特点（续）,同步调速系统的主要类型,（1）由交-直-交电流型变频器供电的同步电动机负载换流调速系统（2）由交-交变频器供电的同步电动机矢量控制调速系统（2）由交-直-交电压型变频器供电的同步电动机直接转矩控制调速系统,由交-直-交电流型变频器供电的同步电动机负载换流调速系统,大型同步电动机转子上一般都具有励磁绕组，通过滑环由直流励磁电源供电，或者由交流励磁发电机经过随转子一起旋转的整流器供电。,对于经常在高速运行的机械设备，定子常用交-直-交电流型变压变频器供电，其电机侧变换器（即逆变器）比给异步电动机供电时更简单，可以省去强迫换流电路，而利用同步电动机定子中的感应电动势实现换相。这样的逆变器称作负载换流逆变器（Load-commutatedInverter，简称LCI）。,负载换流同步电动机调速系统,系统控制原理,逆变桥中晶闸管从A、-B导通切换到A、-C导通时，电枢磁动势的幅值Fs不变，只是在空间位置跃进了60空间电角度。之后，在A、-C管导通的60时间电角度内，磁动势Fs在空间又静止不动。由此可见，随着逆变桥晶闸管轮流导通，电枢基波磁动势的幅值不变，但在气隙空间则按步进移动。,,换流问题,LCI同步调速系统在起动和低速时存在换流问题低速时同步电动机感应电动势不够大，不足以保证可靠换流；当电机静止时，感应电动势为零，根本就无法换流。,解决方案,这时，须采用“直流侧电流断续”的特殊方法，使中间直流环节电抗器的旁路晶闸管导通，让电抗器放电，同时切断直流电流，允许逆变器换相，换相后再关断旁路晶闸管，使电流恢复正常。用这种换流方式可使电动机转速升到额定值的35，然后再切换到负载电动势换流。,由交-交变频器供电的大型低速同步电动机矢量控制调速系统,另一类大型同步电动机变压变频调速系统用于低速的电力拖动，例如无齿轮传动的可逆轧机、矿井提升机、水泥转窑等。该系统由交-交变压变频器（又称周波变换器）供电，其输出频率为2025Hz（当电网频率为50Hz时），对于一台20极的同步电动机，同步转速为120150r/min，直接用来拖动轧钢机等设备是很合适的，可以省去庞大的齿轮传动装置。,交-交变频同步电动机调速系统,按气隙磁场定向的同步电动机矢量控制,为了获得高动态性能，同步电动机变频调速系统也可以采用矢量控制，其基本原理和异步电动机矢量控制相似，也是通过坐标变换，把同步电动机等效成直流电动机，再模仿直流电动机的控制方法进行控制。但由于同步电动机的转子结构与异步电动机不同，其矢量坐标变换也有自己的特色。,同步电动机的矢量图,从图中可以看出，气隙磁场电流是由励磁电流分量和定子电流分量共同组成的，即；转矩电流由定子电流分量提供。和异步电动机相比，气隙磁场电流不仅可由定子电流分量提供，而且可以由励磁电流分量提供，这样合理控制励磁电流的大小，让气隙磁场电流完全由励磁电流分量提供，即可使得同步电动机工作在单位功率因数下（），此时。,同步电动机矢量控制系统,同步电动机矢量控制工作原理,同步电动机矢量控制系统采用了和直流电动机调速系统相仿的双闭环控制结构。转速控制ASR的输出是转矩给定信号Te*，Te*除以磁通模拟信号R*即得定子电流转矩分量的给定信号ist*，R*是由磁通给定信号*经磁通滞后模型模拟其滞后效应后得到的。,,,,,,,磁通和电流控制,（1）*乘以系数K即得合成励磁电流的给定信号iR*，另外，按功率因数要求还可得定子电流励磁分量给定信号ism*。（2）将iR*、ist*、ism*和来自位置传感器BQ的旋转坐标相位角一起送入矢量运算器，计算出定子三相电流的给定信号iA*、iB*、iC*和励磁电流给定信号if*。,,,,,,,,,,,,,,,,,（3）通过ACR和AFR实行电流闭环控制，可使实际电流iA、iB、iC以及If跟随其给定值变化，获得良好的动态性能。当负载变化时，还能尽量保持同步电动机的气隙磁通、定子电动势及功率因数不变。,由交-直-交变频器供电的同步电动机直接转矩控制调速系统,近几年，直接转矩控制（DTC）技术已经应用于同步电动机调速系统中。其基本原理和异步电动机DTC相似，根据转矩偏差、磁链偏差及定子磁链的空间位置，选择合适的电压矢量，实现对磁链和转矩的直接控制。,区别在于电磁转矩产生的机理不同异步电动机的电磁转矩和转差有关，转子电流能够随负载角自适应的变化，较小的负载角就可以迅速增大转矩；而同步电动机无转差可言，电磁转矩完全由负载角决定。要实现转矩的突变，就必须大范围的变化负载角。但负载角变化过快，会带来同步电动机的失步问题。因此在实际控制中，需要动态调整励磁电流的大小，使得负载角限制在一个稳定的范围内。,同步电动机直接转矩控制系统,,同步电动机矢量图,同步电动机的磁链和转矩估计,电压模型电流模型转矩估计,,,电压-电流磁链模型,