交直流调速系统与MATLAB仿真 第7章-同步电动机调速系统.ppt
![资源得分’ title=](/images/score_1.gif)
![资源得分’ title=](/images/score_1.gif)
![资源得分’ title=](/images/score_1.gif)
![资源得分’ title=](/images/score_1.gif)
![资源得分’ title=](/images/score_05.gif)
《交直流调速系统与MATLAB仿真 第7章-同步电动机调速系统.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《交直流调速系统与MATLAB仿真 第7章-同步电动机调速系统.ppt(61页珍藏版)》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、第七章第七章 同步电动机调速系统及其仿真同步电动机调速系统及其仿真l第一节第一节 同步电动机的分类及其调速原理同步电动机的分类及其调速原理 l第二节第二节 正弦波永磁同步电动机调速系统正弦波永磁同步电动机调速系统l第三节第三节 方波永磁同步电动机调速系统方波永磁同步电动机调速系统l第四节第四节 负载换相同步电动机调速系统负载换相同步电动机调速系统l第五节第五节 大功率同步电动机交大功率同步电动机交-交变频调速技术交变频调速技术第一节第一节 同步电动机的结构及其调速原理同步电动机的结构及其调速原理同步电动机的特点同步电动机的特点:1、n与与f 保持严格的同步关系,与负载大小无关保持严格的同步关系
2、,与负载大小无关;2、改变、改变I f可以调节同步电动机的功率因数;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、存在启动困难和重载时失步的缺点。一、同步电动机的结构一、同步电动机的结构 1、结构:、结构:定子:定子:定子铁心、三相对称绕组以及机座和端盖等部件组定子铁心、三相对称绕组以及机座和端盖等部件组成成。(与异步机定子结构基本相同)。(与异步机定子结构基本相同)转子:转子:有两种结构形式,隐极式和凸极式。有两种结构形式,隐极式和凸极式。凸极式:凸极式:制造方便,但磁极明显,气隙不均匀,造成直制造方便,但磁极明显,气隙不均匀,造成直轴磁阻小,交轴磁阻大,使两轴的电感系数
3、不等。轴磁阻小,交轴磁阻大,使两轴的电感系数不等。隐极式:隐极式:气隙均匀,机械强度好,但制造工艺较复杂。气隙均匀,机械强度好,但制造工艺较复杂。(a)凸极式)凸极式(b)隐极式)隐极式 图图7-1 同步电动机的转子结构示意图同步电动机的转子结构示意图 2、励磁:、励磁:定子励磁:空间上对称的三相绕组通入时间上对称的定子励磁: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,其同步转速为三相电流产生一个空间旋转磁场,其同步转速为 转子励磁:转子励磁:(a)转转子子铁铁心心上上装装有有励励磁磁绕绕组组,由由直直流流励励磁磁电电源源供供电电,称称有有刷刷励励磁磁。由由交交流流励励磁
4、磁机机经经过过随随转转子子一一起起旋旋转转的的整整流流器器供电,称无刷励磁系统。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)永久磁铁,其磁场可视为恒定(小容量)。3、短路绕组:、短路绕组:短路绕组:装在转子磁极表面,又称启动绕组。短路绕组:装在转子磁极表面,又称启动绕组。主要作用:主要作用:恒频恒频运行时,用作启动和抑制重载时易发生的振荡。运行时,用作启动和抑制重载时易发生的振荡。变变频频供供电电时时,能能直直接接启启动动。启启动动绕绕组组主主要要用用于于抑抑制制变变频频 器器引引起起的的谐谐波波和和负负序序分分量量,减减少少同同步步电电动动机机的的暂暂态态电电抗抗,加速换
5、流过程和加快动态响应。加速换流过程和加快动态响应。二、同步电动机的调速原理二、同步电动机的调速原理同同步步机机为为双双边边励励磁磁方方式式,电电磁磁转转矩矩由由两两磁磁场场的的相相互互作作用用产产生生。由电机统一理论:由电机统一理论:按频率控制方式不同分为:按频率控制方式不同分为:他控式他控式变频调速和变频调速和自控式自控式变频调速。变频调速。启动时启动时,只要定、转子两磁动势之间的夹角,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;就能产生电动的电磁转矩,拖动负载旋转;稳稳态态时时,只只要要定定、转转子子磁磁动动势势相相对对静静止止,就就能能产产生生单单一一方方向恒定的
6、电磁转矩,驱动电动机以同步转速旋转。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(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;由速度给定信号决定,通常为开环控制系统;带带定定子子电电压压补补偿偿的的函函数数发发生生器器GF保保证证了了变变频频器器的的恒恒压压频频比控制;缓慢调节比控制;缓慢调节 可以逐步改变电动机的转速。可以逐步改变电动机的转速。图图7-2 恒压频比他控式变频调速系统恒压频比他控式变频调速系统GF-函数发生器函数
7、发生器 UR-整流器整流器 UI-逆变器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。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(二)自控式同步电动机变频调速系统由同步电机由同步电机SM、变频器、转子位置检测器、变频器、转子位置检测器BQ和控制单元组成。和控制单元组成。图图7-3 自控式同步电动机变频调速系统框图自控式同步电动机变频调速系统框图自自控控式式同同步步电电机机变变频频调调速速也也是是通通过过改改变变电电磁磁转转矩矩的的大大小小和和方方向向来来调
8、调节节转转速速。电电磁磁转转矩矩和和电电机机的的定定、转转子子电电流流有有关关。调调节节定定子子电电流流大大小小或或相相位位及及转转子子磁磁动动势势的的大大小小就就可可以以达达到到调调速速的目的。的目的。系系统统能能从从根根本本上上消消除除同同步步电电机机转转子子振振荡荡和和失失步步问问题题。因因为为:给给电电机机定定子子供供电电的的变变频频装装置置的的输输出出频频率率受受转转子子位位置置检检测测器器的的控控制制,即即定定子子旋旋转转磁磁场场的的转转速速与与转转子子旋旋转转的的转转速速相相等等,始始终终保持同步,不会由于负载冲击等原因造成失步现象。保持同步,不会由于负载冲击等原因造成失步现象。
9、控控制制单单元元作作用用:判判断断转转子子的的位位置置和和转转速速,按按一一定定控控制制策策略略产产生生控控制制信信号号,控控制制变变频频器器输输出出三三相相电电流流(电电压压)的的频频率、幅值和相位,使同步转速跟踪转子转速。率、幅值和相位,使同步转速跟踪转子转速。永永磁磁同同步步电电机机体体积积小小、重重量量轻轻、效效率率高高,无无转转子子发发热问题,控制系统简单热问题,控制系统简单一、一、正弦波永磁同步电机的调速原理正弦波永磁同步电机的调速原理采用采用转子磁链定向转子磁链定向(转子磁通恒定(转子磁通恒定),矢量图如下所示。),矢量图如下所示。第二节第二节 正弦波永磁同步电机调速系统正弦波永
10、磁同步电机调速系统图图7-4 永磁同步电动机时的矢量图永磁同步电动机时的矢量图定子电压方程为定子电压方程为(、坐标系)坐标系)定子磁链方程为:定子磁链方程为:转矩方程为:转矩方程为:在基速下,采用定子电流矢量位于在基速下,采用定子电流矢量位于轴,全部用于产生轴,全部用于产生转矩,即,。转矩,即,。为常数。可见,转矩仅与定子的幅值为常数。可见,转矩仅与定子的幅值 成正比,成正比,实现了解耦控制,类似于直流电机实现了解耦控制,类似于直流电机。图图7-5 永磁同步电动机调速系统工作原理框图永磁同步电动机调速系统工作原理框图转矩方程:转矩方程:将将转转子子位位置置角角(d轴轴与与A轴轴间间的的夹夹角角
11、),经经正正弦弦波波函函数发生器转换成三个互差的位置角正弦信号。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,当由矢量图可知,当:位于位于轴。为变频器输出的定子电流幅值轴。为变频器输出的定子电流幅值(最大值最大值)。三相定子电流的空间合成矢量为: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电流矢量的幅值为定子电流幅值的1.5倍,方向倍,方向超前超前轴,轴,位于位于轴。轴。电磁转矩:电磁转矩:如图如图7-6所示,所示,主主 回回 路路:由由 脉脉 宽宽 调调 制制(PWM)逆逆 变变 器器、永永 磁磁 同同 步步 电电 机机、转子位置检测器、电流传感器以及速度传感器组成。
12、转子位置检测器、电流传感器以及速度传感器组成。控控制制回回路路:由由速速度度调调节节器器、矢矢量量变变换换器器、电电流流调调节节器器、PWM生成器及驱动电路、转速反馈变换回路组成。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控制转矩的大小实际上就是控制定子电流幅值 的大小。的大小。二、正弦波永磁同步电动机调速系统二、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(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、主回路的组成和控制图图7-6 永磁同步电动机控制系统的结构原理图永磁同步电动机控制系统的结构原理图(1)变频器)变
13、频器 电流矢量:由转子位置检测器和矢量变换器完成。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变压变频器或电流滞环跟踪型的PWM变压变频器。变压变频器。图图7-7 滞环电流跟踪型滞环电流跟踪型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电流滞环跟踪型PWM变频器的控制目标是:变频器的控制目标是:让输出电流让输出电流在一定的误差范围内跟随给定电流的变化。如图在一定的误差范围内跟随给定电流的变化。如图7-7所示所示:特特点点
14、:(a)结结构构简简单单、工工作作可可靠靠、响响应应快快、谐谐波波小小,常常用用于高性能的交流伺服系统中。于高性能的交流伺服系统中。(b)开开关关器器件件的的开开关关频频率率在在一一个个周周期期内内差差别别很很大大,开开关关频频率率高高的的那那一一段段,跟跟踪踪性性能能好好;而而开开关关频频率率低低的的那段,电流的跟踪性能差,影响了跟踪精度。那段,电流的跟踪性能差,影响了跟踪精度。(c)过高的开关频率会使功率开关器件难以承受。)过高的开关频率会使功率开关器件难以承受。其工作原理是:其工作原理是:当(当(HB滞环宽度)时,滞环宽度)时,VT1关断,关断,VT4导通,电导通,电机接电压机接电压-U
15、,下降;当下降;当 时,时,VT1导通,导通,VT4关断,电机接关断,电机接+U,上升。通过上升。通过VT1、VT4的交替通断,的交替通断,使使 HB,达到跟踪目的。,达到跟踪目的。怎么怎么解决解决?同步开关法同步开关法在每一个等距的采样瞬间,将给定电流与在每一个等距的采样瞬间,将给定电流与实际反馈电流作比较,然后开通相应的开关实际反馈电流作比较,然后开通相应的开关VT1和和 VT4,因采样周期恒定,故开关频率也恒定。因采样周期恒定,故开关频率也恒定。滞环宽度控制法滞环宽度控制法根据电流变化率实时改变滞环宽度,保根据电流变化率实时改变滞环宽度,保证开关频率基本恒定;证开关频率基本恒定;为让开关
16、频率在允许值内基本恒定,减小跟踪误差,为让开关频率在允许值内基本恒定,减小跟踪误差,降低电流谐波值。通常降低电流谐波值。通常采用采用2种控制方法:种控制方法:(2)电电流流检检测测:因因定定子子三三相相接接成成星星形形,且且中中点点悬悬空空,只只有有两两相相独独立立,电电流流检检测测只只用用二二相相。电电流流调调节节器器(滞滞环环型型)与与PWM回回路路组组合合成成电电流流跟跟踪踪型型PWM逆逆变器。变器。(3)转转子子位位置置检检测测器器及及速速度度传传感感器器可可采采用用增增量量式式光光电电码码盘盘检检测测器器,它它不不仅仅能能提提高高系系统统的的精精度度,还还能能直直接输出角的正弦信号。
17、接输出角的正弦信号。经速度传感器检测转子的速度,实现速度无差闭环调节。经速度传感器检测转子的速度,实现速度无差闭环调节。正向电动:正向电动:电流调节器输出,经滞环跟踪型电流调节器输出,经滞环跟踪型PWM逆变器,输逆变器,输出三相对称交流电到永磁同步电机的三相绕组中,永磁同步出三相对称交流电到永磁同步电机的三相绕组中,永磁同步电机产生与电流幅值成正比的电磁转矩,使电机正向旋转。电机产生与电流幅值成正比的电磁转矩,使电机正向旋转。正正向向制制动动:采采用用回回馈馈制制动动。正正向向电电动动时时,速速度度调调节节器器给给定定为为“+”,输输出出为为“-”。变变到到正正向向制制动动后后,输输出出变变为
18、为“+”,使使三三相相给给定定电电流流反反相相,即即电电流流合合成成矢矢量量由由原原来来的的超超前前 d 轴轴90变变为为滞滞后后 d 轴轴90,转转矩矩方方向向反反向向,变变成成制制动动转转矩矩,使使电电动动机机处于制动状态。处于制动状态。在制动过程中,转速方向未变,三相电流相序也未改变,合在制动过程中,转速方向未变,三相电流相序也未改变,合成电流矢量仍按原方向旋转,只是滞后成电流矢量仍按原方向旋转,只是滞后d d 轴轴9090空间电角度。空间电角度。另外,采用回馈制动方法,主回路需进行部分改造,增加可另外,采用回馈制动方法,主回路需进行部分改造,增加可控耗能环节,否则回馈的电能将为滤波电容
19、充电,造成直流侧控耗能环节,否则回馈的电能将为滤波电容充电,造成直流侧过电压或击穿等事故。过电压或击穿等事故。反向电动运行:反向电动运行:速度调节器的给定变为速度调节器的给定变为“-”,其输出为,其输出为“+”,三,三相电流产生的合成矢量,即在反转方向上超前轴相电流产生的合成矢量,即在反转方向上超前轴 90电角度,电角度,电机将产生反向电动转矩(顺时针方向),电机反转。电机将产生反向电动转矩(顺时针方向),电机反转。由于转子反转,三相正弦信号发生器中三相正弦信号的相序也由于转子反转,三相正弦信号发生器中三相正弦信号的相序也应与正转不同,为反转相序,保证电动机反转时的正常运行。应与正转不同,为反
20、转相序,保证电动机反转时的正常运行。可见,只要改变速度给定值的极性和大小,就可以方便地实现可见,只要改变速度给定值的极性和大小,就可以方便地实现永磁同步电机控制系统的四象限运行。永磁同步电机控制系统的四象限运行。反向制动运行:反向制动运行:反向制动状态的分析与正向制动相同。反向制动状态的分析与正向制动相同。第三节第三节 方波永磁同步电动机的调速系统方波永磁同步电动机的调速系统 三相电枢反电势、电流波形如三相电枢反电势、电流波形如图图7-8所示,具有严格的同相关所示,具有严格的同相关系,每相电流为系,每相电流为90导电型的导电型的交流方波,三相对称。交流方波,三相对称。图图7-8 电动势、电流波
21、形及对应关系电动势、电流波形及对应关系一、方波永磁同步机调速原理一、方波永磁同步机调速原理1、结构:、结构:转子:转子:永磁结构,磁路专门设永磁结构,磁路专门设计,产生梯形波气隙磁场。计,产生梯形波气隙磁场。定子:定子:集中整距绕组,感应电集中整距绕组,感应电势为梯形波,大小与转子磁势为梯形波,大小与转子磁通和转速成正比。通和转速成正比。由逆变器提供的三相电枢绕组电流是方波,逆变器只需由逆变器提供的三相电枢绕组电流是方波,逆变器只需按直流按直流PWM控制;控制;定子方波电流的通电时刻与感应电势波形、转子磁极位定子方波电流的通电时刻与感应电势波形、转子磁极位置有严格的对应关系。逆变器的控制信号也
22、来自转子位置有严格的对应关系。逆变器的控制信号也来自转子位置检测器,根据转子磁极位置,逆变器依次换向。置检测器,根据转子磁极位置,逆变器依次换向。其换向原理如图其换向原理如图7-9所示:换相顺序为:所示:换相顺序为:2、原理:、原理:电机为感性负载,电流不能突跳,电流波形实际上也是梯形电机为感性负载,电流不能突跳,电流波形实际上也是梯形波,因此通过气隙传递到转子的电磁功率也是梯形波。波,因此通过气隙传递到转子的电磁功率也是梯形波。实际电磁转矩波形每隔实际电磁转矩波形每隔 会出现一个缺口,造成转矩脉动。会出现一个缺口,造成转矩脉动。所以,其调速精度和性能低于正弦波永磁同步电机调速系统。所以,其调
23、速精度和性能低于正弦波永磁同步电机调速系统。(a)主回路原理图)主回路原理图 (b)转子位置检测信号)转子位置检测信号 (c)定子电流及换相关系)定子电流及换相关系图图7-9 转子位置检测信号、定子电流及换向关系转子位置检测信号、定子电流及换向关系二、方波永磁同步电动机的数学模型二、方波永磁同步电动机的数学模型电流为梯形波,不便用矢量表示。在静止的电流为梯形波,不便用矢量表示。在静止的A、B、C坐标系上建立数学模型坐标系上建立数学模型 定子三相电压的状态方程为定子三相电压的状态方程为:假定假定:则则:三相电流对称,有:三相电流对称,有:电磁转矩的表达式为:电磁转矩的表达式为:电磁转矩大小和电流
24、幅值成正比,控制逆变器输出方波电流电磁转矩大小和电流幅值成正比,控制逆变器输出方波电流的幅值就可控制电机的转矩。和普通直流电动机相同的幅值就可控制电机的转矩。和普通直流电动机相同。三、方波永磁同步电动机调速系统三、方波永磁同步电动机调速系统(一)调速系统的组成(一)调速系统的组成 如图如图7-10所示:由方波永磁同步电动机、位置及转速检测所示:由方波永磁同步电动机、位置及转速检测装置和控制系统组成。装置和控制系统组成。图图7-10 方波永磁同步电动机调速系统原理框图方波永磁同步电动机调速系统原理框图 控制系统包括:典型的速度、电流双闭环调节环节(类似于控制系统包括:典型的速度、电流双闭环调节环
25、节(类似于直流调速系统);直流调速系统);PWM发生器及逻辑控制单元。发生器及逻辑控制单元。变频器:变频器:为交为交-直直-交电压型交电压型PWM变频器,可选用变频器,可选用GTR、IGBT或或P-MOSFET等全控型电力电子器件。等全控型电力电子器件。任务:任务:在在PWM作用下产生三相互差作用下产生三相互差120电角度的方波电流。电角度的方波电流。能耗制动:能耗制动:电阻电阻 Rh 及开关及开关 VT 为电机能耗制动提供回路。为电机能耗制动提供回路。1、主回路组成、主回路组成 (1)变频器)变频器 (2)转子位置检测器)转子位置检测器 完成对转子位置的检测,发出换相信号,调速时对直流电压完
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 交直流调速系统与MATLAB仿真 第7章-同步电动机调速系统 直流 调速 系统 MATLAB 仿真 同步电动机
![提示](https://www.deliwenku.com/images/bang_tan.gif)
限制150内