刘锦波电机与拖动第9章三相同步电机的电力拖动课件

第9章三相同步电机的电力拖动内容简介内容包括：三相同步电动机的起动、调速和制动的原理与方法以及同步电动机两种常用的控制方式：他控和自控方式用途：

主要用于轧钢、水泥、化纤、轮船推动、电动汽车、磁悬浮火车、伺服与机器人驱动以及飞机发动机的起动/发电设备等。

优点：

运行效率高；转子采用直流励磁的同步电动机在过励状态下可以改善功率因数大型MW级的调速系统大多采用转子直流励磁同步电动机组成的拖动系统；中、小容量的伺服系统多采用由永磁同步电动机组成的拖动系统。一般应用场合：9.1.1自耦调压器的降压起动图9.1同步电动机的起动方法

方法介绍：同步电动机的降压起动方法又称为异步起动法，它是借助于同步电动机转子主磁极极靴上装设的鼠笼绕组（又称起动绕组或阻尼绕组）来完成起动的。

起动时，首先将转子直流励磁绕组通过电阻短接，然后再将定子绕组投入到三相电源上。依靠定子旋转磁场和起动绕组中所感应的电流产生类似于感应电机的异步电磁转矩，从而使转子起动。一旦转子接近同步速，再将转子励磁绕组切换至直流励磁电源上。利用定、转子之间的磁场相互作用所产生的牵入同步转矩，将转子牵入同步，完成起动。起动过程：起动过程中，要求转子直流励磁绕组不能开路；以避免因转子励磁绕组匝数较多，造成感应电势较高而引起绕组绝缘击穿；直流励磁绕组也不能直接短路；以避免“单轴转矩”的产生；通常起动过程中转子直流励磁绕组串接一定数值的电阻起动。一旦接近同步速，再通过转子滑环和电刷加入直流励磁，将转子牵入同步。

起动过程中的注意事项：单轴转矩的说明:起动时，定子旋转磁场在转子励磁绕组中感应转差频率的电势和电流;由转差频率的电流流过单相转子励磁绕组产生脉振磁势（或磁场）。该脉振磁势可分解为两个相对转子转速为、转向相反的正、负序旋转磁场；负序旋转磁势在定子绕组中感应电势（或电流）的频率为：（9-1）该电流与逆序旋转磁场相互作用即产生“单轴转矩”。显然，单轴转矩的同步点为：（即）。当时，电磁转矩为驱动性；当时，电磁转矩为制动性。（见图9.2）结论：

单轴转矩有可能造成同步电动机运行在附近而达不到同步速。9.1.2辅助异步电动机的起动选用一台极数相同的感应电动机（其容量约为主机的10~15%）作为辅助电动机起动;一旦转子接近同步速，再在转子绕组中加入直流励磁电流，利用牵入同步转矩将转子牵入同步。起动方法:9.1.3变频起动起动方法:起动前，首先将同步电动机的转子绕组通以直流励磁；逐渐增加供电变流器的输出频率，使定子旋转磁场和转子转速随之逐渐升高，直至转子达到同步转速为止；切换至电网供电。9.2三相同步电动机的调速矩角特性机械特性变频调速中的两条特性曲线：下面就以隐极式同步电动机为例说明。9.2.1三相同步电动机变频调速时的矩角特性分两种情况进行讨论：1.忽略定子绕组电阻的影响

根据8.4节隐极式同步电动机的矩角特性得：

（9-2）式中，为最大电磁转矩。图9.3隐极式同步电动机的等效电路与相量图根据图9.3，得隐极式同步电动机的电磁功率为：（9-6）设为参考相位，根据图9.3b可知：，。

由图9.3a得：由上式得：

令，并将上式代入式（9-6）可得：

电磁转矩为：

（9-7）根据上式便可绘出三相隐极式同步电动机考虑定子绕组电阻时的矩角特性曲线如图9.4中的实线所示。图9.4隐极式同步电动机的矩角特性曲线结论：

考虑定子绕组电阻后，最大转矩有所减小，最大电磁转矩出现时的临界功率角有所减小。

一般结论：

在采用的变频调速过程中，必须增加低频时的压频比，以补偿低频时因定子绕组电阻所引起的最大电磁转矩下降，确保过载能力保持不变。9.2.2三相同步电动机变频调速时的机械特性分两种情况进行讨论：1.忽略定子绕组电阻的影响根据式（9-5）可知：若采用恒压频比控制即，则最大电磁转矩

保持不变。考虑到同步电动机的转速与定子频率之间符合严格的同步关系，于是，隐极式同步电动机的机械特性可用图9.6表示之。考虑到，根据上式便可以得到考虑定子绕组电阻时隐极式同步电动机的机械特性曲线如图9.7所示。图9.7同步电动机变频调速时的机械特性（）结论：

对于实际同步电动机，低频（或低速）时，由于定子绕组电阻的影响，最大电磁转矩将有所降低。为了补偿这一影响，应在低频运行时适当增加压频比。9.3三相同步电动机的制动9.3.1电网供电同步电动机的制动

图9.9a、b分别给出了同步电动机三相定子绕组外接电阻和频敏变阻器进行能耗制动时的接线图。图9.9同步电动机能耗制动时的接线图图9.10同步电动机能耗制动时的机械特性

由图9.10可以看出：改变转子直流励磁电流的大小可以改变制动性电磁转矩的大小，进而调整制动时间的长短。图9.10给出了同步电动机能耗制动时的机械特性。用途:

适合于中小功率的交流拖动系统，如伺服系统、数控机床以及工业机器人的驱动等。2.再生(或回馈)制动图9.12变流器供电下交流电机再生制动原理的示意图再生制动将来自负载的机械能经过逆变器(工作在整流状态)首先转换为直流侧的电能,然后再经过PWM整流器(工作在逆变状态)逆变为交流,并回馈至电网。。

用途:

适用于需要经常实现四象限运行的大功率交流拖动系统。

9.4三相同步电动机的控制方式两种主要控制方式：

他控式（频率开环的控制方式

）；自控式（频率闭环的控制方式

）；9.4.1他控式同步电动机特点：他控式同步电动机是通过独立控制外部供电变流器的频率来控制同步电动机转子转速的，勿需提供转子转速（或位置）的信息。

对于他控式同步电动机，为确保定子磁链保持不变，经常采用恒压频比控制即的开环控制方案。

图9.13给出了他控式同步电动机的系统框图。图9.14给出了他控式同步电动机的转矩-转速曲线。图9.13他控式同步电动机的（或开环控制）示意图图9.14采用电压/频率比控制的他控式同步电动机的转矩-转速曲线9.4.2自控式同步电动机组成框图：图9.15自控式同步电动机与直流电动机的相似性特点：自控式同步电动机定子各相绕组电流的通断以及各相绕组电流的大小受控于自身转子的位置。转子转速越高，则定子通电频率越高。且定子绕组的通电频