无换向器电动机调速系统.ppt

2020年7月20日星期一,第四章 无换向器电动机 调速系统,第一节 无换向器电动机的基本工作原理,第二节 无换向器电动机的基本特性,第三节 无换向器电动机调速系统及其运行,2020年7月20日星期一,第一节 无换向器电动机的基本工作原理,一、概述,（一）同步电动机 同步电动机由定子和转子两部分组成。 定子结构与异步电动机相同，只要通入对称的交流电，就会建立旋转磁场，旋转磁场速度表达式与异步机相同。 同步电动机的转子则除了铁心和绕组之外，还另外通有直流励磁电源，使转子本身有规律排列的N、S磁极，因此，当旋转磁场旋转时，会带动转子的对应磁极一起旋转。 稳定运行时，转子转速与旋转磁场相同，被称为同步电动机。,3,同步电动机在同步运行时，转子跟着旋转磁场等速旋转、空间相对位置稳定，这时的转子、定子空间角度关系如右图所示。 轻载下角较小，满载时角较大。 同步电动机的拖动转矩与角成函数关系，角太小或太大都会造成拖动力矩不足。 在额定工况下，角一般在300左右。,2020年7月20日星期一,（二）同步电动机与异步电动机的区别,同步电动机,转速,异步电动机,异步电动机的气隙是均匀的，而同步电动机则有凸级式和隐极式之分。凸极式的气隙不均匀，直轴磁阻小，交轴磁阻大，因而会产生磁阻转矩分量，造成数学模型上的复杂性。,转子结构与异步电动机不同，异步电动机的转子只有铁心和闭合绕组（或导条），没有励磁绕组，而同步电动机的转子则除了铁心和绕组之外，还另外通有直流励磁电源。,2020年7月20日星期一,异步电动机总是在滞后的功率因数下运行。而同步电动机的功率因数可用励磁电流来调节，可以滞后，也可以超前。-优点,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。-优点,异步电动机要靠加大转差才能提高转矩，而同步电动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，能获得更快的动态转矩响应。 -优点,转速恒定 功率因数可调，可使功率因数提高到1.0，甚至超前。 在一个工厂里，只需要一台或几台大容量设备采用同步电动机，就足以改善全厂的功率因数。,同步电动机突出优点：,起动费事，重载时有振荡乃至失步的危险。,突出问题：,常用方法： “异步起动法”在同步电动机的转子磁极的极靴上装设阻尼绕组，阻尼绕组所起的作用与异步电动机的笼型绕组类似，同步电动机起动时靠阻尼绕组的感应电流受力实现异步起动。在升速、降速过程中，阻尼绕组还可以起到抑制振荡的作用。,异步起动的基本步骤,起动前将励磁绕组串入一适当大小的电阻（串电阻是为了避免过高的自感电势）后闭合，使转子暂时不产生同步磁极；,按照电动机的容量、负载性质和电源的情况，采取直接起动或降压起动，将同步电动机作为一台异步电动机而起动；,当电动机转速接近同步转速时，将直流电流送入励磁绕组，从而产生同步转矩将电动机牵入同步运行。,（三）同步电机的起动,2020年7月20日星期一,自控式变频调速：用电动机轴上所带的转子位置检测器或电动机反电动势波形提供的转子位置信号，来控制变压变频装置换相时刻的系统。,它控式变频调速：用独立的变压变频装置给同步电动机供电的系统。,（四）同步电动机的调速方法,对它控式变频调速的评价,优点：在多台参数一致的小容量同步电动机需要同时起动、同时调速的场合，采用一台变频器控制多台小电动机，系统对各台电动机的供电频率相同，供电电压也相同，易于群控。 缺点：如果一台电动机出现失步，将影响整个群控系统的正常工作。振荡和失步问题并未解决。,9,对自控式变频调速的评价,优点：在同步电动机中安装了转子位置检测器BQ，根据转子的实际位置来控制变频器的供电频率，保证定子旋转磁场的转速与转子磁极的转速始终处于同步状态。 避免了它控式同步电动机变频调速系统运行中会失步的缺点。,无换向器电动机属于一种自控式同步电动机，它由磁极位置检测器、同步电动机和半导体变频器共同组成电动机系统。 根据所用的变频器型式不同，可分为直流无换向器电动机系统(即交-直-交电动机系统)和交流无换向器电动机系统(即交-交电动机系统)。,（五）无换向器电动机,无换向器电动机综评,（一）保证了逆变器的输出电源的频率和电动机转速能保持同步。是区别于其他同步电动机的最显著的结构特点。 （二）具有直流电动机的调速特性，但是没有换向器，可以做成无接触式。 （三）和异步电动机一样，具有结构简单、不需要经常维护和检修等优点。它既可以用作直流调速，也可以用作交流调速。 （四）无换向器电动机调速系统具有同步电动机的效率高、功率因数可调等优点，特别是大容量低转速时更为突出，并且没有同步电动机的启动困难、重载时易振荡失步等问题，因而得到广泛的应用。,12,（一） 无换向器电动机的类型,二、无换向器电动机的工作原理,交-直-交控制系统无换向器电动机主回路结构,交-交控制系统无换向器电动机主回路结构,（二） 直流无换向器电动机的工作原理,从磁场的观点看，电动机的运动是主磁场和电枢磁场相互作用的结果。 直流电动机：主磁场在空间是静止的，电枢是旋转的，通过整流子及电刷换向，保持电枢电流方向不变，使电枢磁场与主磁场在空间的相互位置不变，夹角=90；如图（a） 异步电动机：定子磁场与转子磁场在空间的位置也不变，从空载到额定负载，由于转子cos2变化大，磁场夹角近于90。如图（b） 同步电动机：稳定运行时，角随负载而变化，空载时0，负载愈大愈大，当超过60以后，将失步停转，启动时由于没有恒定角，所以没有启动转矩。如图（c）,（a）,（b）,（c）,无换向器电动机调速的控制对象是同步电动机，但是从它的工作原理和运行特性来看，和直流电动机是相似的，因此，我们从直流电动机的基本原理出发来讨论其工作原理。,可见，两磁场之间的关系，很大程度上决定了电动机的运行性能。,直流无换向器电动机相当于有三个换向片的直流电动机，只不过换向是由晶闸管(或晶体管)来进行，因结构上的限制，电枢绕组及变流器静止不动，而磁极是旋转的，如图所示。,图4-4 从直流电动机到无换向器电动机的转化 (a)电枢旋转 (b)磁极旋转 (c)无换向器电动机,图 (a)为直流电动机电枢依次转过60的几个位置的情形， 根据运动的相对性，可以认为电枢和换向器在空间固定不动，磁极和电刷一起向相反方向依次转过60，电枢中各导体的电流不变，如图 (b)所示。,进一步将机械的换向器用半导体“开关”来代替，并依次触发相应的晶闸管，如图4-4(c)所示，顺次地使晶闸管6、11、22、33、44、55、66、1导通，则磁极(转子)也将会依次转过60。,从磁场角度分析电动机运动情形:,当晶闸管6、1导通时， 电流从电源正极晶闸管1A相绕组B相绕组晶闸管6电源负极 此时励磁磁场F0与电枢磁场Fa夹角为120，如图4-4(c)中Fa所示，转子向顺时针方向旋转；当转子转到F01位置时，F01与Fa的夹角为90，电动机产生的转矩最大。,转子继续旋转，当达到F02位置即夹角为60时，通过控制电路，触发晶闸管2使其导通，同时关断晶闸管6；电枢电流转换为从电源正极晶闸管1A相c相晶闸管2电源负极；Fa转过60，变成图4-4(c)中所示情形，此时F0与Fa的夹角又变为120，如此重复进行，则电动机转子连续旋转。,由上所述，由于转子磁极是连续旋转的，而决定电枢电流流向的晶闸管元件为每隔60切换一次，因此，电枢磁势Fa每次步进60，而Fa和F0之间也就保持在12060范围内(即围绕正交时的90)变化，而转矩也就围绕最大值脉动。,综上所述，具有三个换向片的直流电机的励磁磁场F0空间固定不变，而电枢磁场连续旋转且每隔60步进一次，与励磁磁场夹角是在60120范围变化，电动机的电磁转矩将在最小值和最大值之间变化； 而无换向器电动机的励磁磁场在空间连续旋转，电枢磁场Fa作步进式的旋转，Fa和F0之间的空间矢量关系也在60120之间变化，而两种电机的Fa始终领先于F0，因此电动机连续旋转。,无换向器电动机与直流电动机对比,可以看出，晶闸管的导通时间是120电角度，关断时间是60电角度，而每转过60电角度就有一只晶闸管换流。 为此要求随转子的旋转，周期性地触发或关断相应的晶闸管，才能使得电枢磁场和励磁磁场保持同步。此任务一般采用位置检测器来完成。,表4-2 反转时电枢电流方向与晶闸管导通顺序,表4-1 正转时电枢电流方向与晶闸管导通顺序,直流无换向器电动机的原理图,电动机定子电枢换流是直接由转子转速控制的，电动机速度降低时，电枢磁场和励磁磁场(转子)相对位置关系保持不变，电动机不会失步。这就是自控式同步电动机的特点。无换向器电动机又称为频率自控的同步电动机。,（三） 交流无换向器电动机的工作原理,交流式和直流式中各相电枢绕组电流的导通顺序相同。在变频器中，每一组三相零式电路的晶闸管导通信号由转子磁极的位置来决定。,转子位置检测器发出的信号，由它决定该导通的晶闸管组； 还应根据三相电源的相位来判断每一组零式电路究竟由哪一只晶闸管导通，此信号称为信号。,信号与信号的合成决定了导通的组以及组中的晶闸管元件。,晶闸管在电动机正转时的导通过程,（一） 反电势换流法,设在换流以前晶闸管VT1、VT2导通，如图所示。电流经由晶闸管VT1A相绕组C相绕组晶闸管VT2流通。当电流由晶闸管VT1 转移到晶闸管VT3时，可以利用电动机反电势自然换流，其条件是eAeB。即换流的时刻应比A、B二相电压(反电势)波形的交点K适当提前一个换流超前角。,若在这时由转子位置检测器所产生的触发信号使晶闸管VT3导通，则在晶闸管VT1、VT3和电动机A、B二相绕组之间会出现一个短路电流iSL，其方向如图4-8(a)中箭头所示。当这个短路电流iSL达到原来通过晶闸管VT1的负载电流Id时，晶闸管VT1就因流过的实际电流下降至零而关断，负载电流就由VT1全部转移到晶闸管VT3，U、V两相之间的换流过程就此结束。,如若换流的时刻不是发生在提前于K的时刻，而是滞后于是K点，即触发角为负。这时由于uBuA，在晶闸管VT1、VT3和电动机两相绕组之间可能再现的短路环流iSL的方向，将与图4-8所示的相反，这个电流阻止晶闸管VT3导通，而使晶闸管VT1继续通电，因此就不能实现换流的目的。,三. 无换向器电动机逆变器的换流,利用反电势自然换流，不需要增加什么换流辅助设备，比较经济。但在具体实现时要解决以下两个方面的问题:,(1)无换向器电动机利用反电势进行换流时，晶闸管之间的换流要保证有足够的时间。 为了保证可靠换流，通常要求实际的换流超前角至少应保持在1015之间。要满足这个要求，可增大空载时的换流超前角0或限制电动机的最大瞬时负载，也可以采用空载换流超前角0随负载而调节的办法。,(2) 电动机在起动和低速运转时反电势很小，换流不可能，为此，利用反电势换流的无换向器电动机还必须另想办法解决起动和低速运转问题。 解决的办法有二： 一是采用所谓电流断续法换流， 一是利用电网电源换流。 后一种只适用于交-交系统。,（二） 电流断续换流法,基本原理：当晶闸管需要换流时，先设法使逆变器的直流输入电流下降到零，迫使逆变器的所有晶闸管全部暂时关断，然后再给需要导通的晶闸管发脉冲使之导通，实现所需要的换流过程。,电流断续换流法的主电路,28,通常采用的断流方法是封锁电源或让整流桥暂时进入有源逆变状态，实现直流乃至电机电流的短时间断流。 断流时因为直流平波电抗器中的电流不能突变，可触发晶闸管VT0进行暂时续流，该管子在整流、逆变桥之间的电流恢复流通时，会被反向电压自动关断。,应用：起动和低速下使用。 在转速升高到额定转速的10%左右，切换至反电势换流,电流断续换流法就是晶闸管逆变器常用一种的既简单又经济的强迫换流方法。,当电动机采用电流断续法换流时，电动机侧逆变器的空载换流超前角0对换流已不起决定性作用。 为了增大起动转矩，减小转矩脉动，一般取00。当电动机进入高速运转阶段时，0则根据负载进行控制，电动机采用反电势换流法。,(三） 电源换流法,在无换向器电动机交交系统中，在电动机起动和低速运行时，由于电动机侧的频率低，在电动机侧一相通电的过程中，电源侧往往要经历几次换流过程。,交-交系统依靠电源换流的方式只适用于系统在低频工作的情况，用以解决电动机在起动和低速运行时的换流问题。 当电动机达到稍高转速时，通过控制电路，可以使电动机进入反电势换流运行方式。,下面以图所示的无换向器电动机中晶闸管VTrl到VTr3和VTs3的换流过程为例来讨论这一问题。,换流以前的状态是VTrl和VTt2,导通。现在在VTr3的控制极上加触发信号。如果换流超前角选择得当，且电动机在高速运行，则可利用反电动势完成自然换流过程。如果电动机运行在起动或低速状态下，则ea0，eb0，反电动势eab不可能产生足够的换向电流，使VTr1的电流下降至零。,在VTr3触发时不能使VTr1关断，于是出现了VTr1继续导电的情况。 但这个连续导电的情况最多只能持续至相当于三分之一电源周期的时间，在此之后，VTs3就会触发导通。 由于电源侧工作在整流状态，VTs3触发导通时必然eseR。,在电动势eSR=eSeR的作用下，一方面在电源S相、VTs3、VTr3和电源R相中形成环流isc，使VTs3通，VTr3关断，如图a所示；另一方面，它也在电源R和S二相、VTs3、电动机绕组b、a二相及VTrl之间产生环流isL，如图所示。这一环流将VTrl中的电流下降至零，使其关断，从而完成电流由a相过渡到b相的换流过程。,第二节 无换向器电动机的基本特性,（一） 定子一相(例如U相)绕组中通一持续直流电流时,在这个电流和转子磁场作用之下所产生的转矩也将随转子位置的不同而按正弦规律变化，如图所示。,一、无换向器电动机的电磁转矩,但在无换向器电动机中，实际上每相绕组中通过的不是持续的直流电流，而是只通电1/3周期。那么在每个相电流和转子磁场作用下所产生的转矩也只是正弦转矩曲线上相当于1/3周期长的一段。且这一段曲线与绕组开始通电时的转子相对位置有关。,（二）分析三相半波接法时的情况,显然，在图 (a)中所示瞬间触发晶闸管，从产生转矩的角度看来最为有利。因为在这种情况下，在绕组通电120区间里，载流导体正好处在比较强的磁场中，它所产生的转矩平均值最大，脉动小。习惯上把这一点作为晶闸管触发相位的基准点，定为0=0。,在00的情况下，电动机三相绕组通电所产生的总转矩如图（b)所示。若晶闸管的触发时间提前或延后，均将导致转矩的脉动增加，平均值减小。当030时，电动机的瞬时转矩过零点，这会在电动机起动时出现死点，因此在三相半波接法的情况下，特别是在启动时，0值不能大于30。,（三）分析三相桥式接法时的情况,在采用三相桥式逆变器时每相导通180，由于任何一个瞬间在三相绕组中有一相通过正向电流，而另一相通过反向电流。这两个电流分别产生转矩的情况和上述三相半波接法时相同，只不过每相正负电流产生的转矩在时间上要相差180，如图 (a)所示； 电动机的合成转矩是这两个转矩之和，在0=0的转矩曲线，如图 (b)所示； 在060时的转矩如图 (c)所示。,三相桥式接法与半波接法相比，可以得出： 三相桥式接法转矩较大，脉动较小； 桥式接法时，0角增大到60时，转矩曲线才过零点，三相半波在0=30时转矩曲线过零点。,（四）无换向器电动机的电磁转矩公式,根据同步电机理论可以推出无换向器电动机的电磁转矩公式有如下的形式 式中，Ct为基本转矩系数， I1m为电动机电枢电流的基波分量；CR为反应转矩系数； 为转子励磁所产生的定子磁链；Ld、Lq为电动机的直轴电感和交轴电感；0为空载换流超前角，它与电动机的功率因数角的关系为,当电动机的直轴电感和交轴电感相等时，即在圆周方向上电动的磁阻是均匀的，则电动机的反应电磁转矩为零，只有基本电磁转矩。 或者在不计换流重叠角时，使空载换流超前角0为零，则CR=0，反应电磁转矩为零，电动机的基本电磁转矩就是其总的电磁转矩。 在这两种情况下，无换向器电动机的电磁转矩公式与直流电动机的电磁转矩公式具有相同的形式，从而也就是具有相同的特性。,实际上采用具有自关断能力的器件构成的无换向器电动机很容易做到00，从而使整个电动机系统达到与直流电动机相同的机械特性与控制性能。 所以，随着电力电子技术和计算机控制技术的不断发展和应用，无换向器电动机将在许多领域得以应用并逐步取代传统的有刷直流电动机。,（一）负载换相同步电动机的调速特性,二、无换向器电动机基本特性,38,负载换相同步电动机的速度表达式 和直流电动机的转速公式十分类似。 由以上转速公式可以看出，改变 和 均可以对负载换相同步电动机进行调速，即负载换相同步电动机有调压调速和调励磁调速两种方法。当然换相超前角 的变化对速度也会有影响，但换相超前角 一般随负载变化而调节，主要考虑在运行中的安全换流问题，不用作速度调节。,39,（二）负载换相同步电动机的机械特性,取 并忽略换流重叠角 ，负载换相同步电动机的近似机械特性表达式为：,结论:负载换相同步电动机的机械特性曲线与直流电动机的机械特性表达式相似。它有着良好的运行特性和伺服控制性能。,注意：在接近堵转时，机械特性曲线出现了非线性区域，这是由于整个系统的非线性在接近堵转时所表现出来的。,（三） 无换向器电动机的过载能力,（1）利用反电动势换流的无换向器电动机的一个突出问题是其过载能力受到逆变器换流能力的限制。 当电动机空载运行时，若换流超前角整定在0，在电动机承受负载后，由于同步电动机中功率角的影响，电动机端电压的相位将前移一个角，使换流超前角由0减小到=0 。,无换向器电动机的过载能力，比一般直流电动机低。,目前一般无换向器电动机的过载能力只有1.52倍，对于爪极式无换向器电动机，过载能力甚至只有1.25倍。,（2）随着负载电流的增加，换流重叠角将逐渐增大，晶闸管延迟导通时间增长。角度=0 -称为换流剩余角，如图所示。它表示晶闸管换流结束后承受反向电压的时间，表征着换流的可靠性。 由于和均随负载的增大而增加，所以在0恒定的情况下，将随负载的增加而减小。 当负载达到一定数量，换流剩余时间接近晶闸管的关断时间toff时，电动机达到换流极限，这就是电动机的最大负载能力。,第三节 无换向器电动机调速系统及其运行,其控制策略有以下两种常用的方案： (1) 采用励磁电流和空载换流超前角0保持不变，通过改变直流回路电压来调节电动机的转速。 对于励磁电流保持不变，在技术上很容易保证，对于磁极为永磁体的无换向器电动机，这一点自然得到满足；而空载换流超前角0在不计换流重叠角时，它实际上反映了电动机的空载电动势与电流之间的相位关系，所以空载换流超前角0不变这一前提是靠转子位置检测器的信号来保证的。,一、无换向器电动机的控制策略,(2) 采用励磁电流和空载换流超前角随负载调节的办法来控制无换向器电动机的转速。 一般是保证不变，按换流剩余角保持不变来调节空载换流超前角0，从而调节电动机转速。 这种控制策略使电动机的过载能力有所提高，电动机的损耗减小，但控制系统较复杂。,通常为了保证换流可靠和触发信号的逻辑控制方便，在电动机高速运行时将空载换流超前角0整定在60，采用电动势自然换流；在起动或低速运行时，取0=0，采用电流断续换流；而在再生制动状态下则分别取0120和0180。 这种控制策略的优点是简单可靠，而缺点是电动机的过载能力较差，低速轻载时电动机的转矩脉动比较大。,43,一,二、晶闸管式无换向器电动机调速系统,44,三、晶体管式无换向器电动机调速系统,