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1、2020年7月20日星期一,第四章 無(wú)換向器電動(dòng)機(jī) 調(diào)速系統(tǒng),第一節(jié) 無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)的基本工作原理,第二節(jié) 無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)的基本特性,第三節(jié) 無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)及其運(yùn)行,2020年7月20日星期一,第一節(jié) 無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)的基本工作原理,一、概述,（一）同步電動(dòng)機(jī) 同步電動(dòng)機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。 定子結(jié)構(gòu)與異步電動(dòng)機(jī)相同，只要通入對(duì)稱(chēng)的交流電，就會(huì)建立旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度表達(dá)式與異步機(jī)相同。 同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子則除了鐵心和繞組之外，還另外通有直流勵(lì)磁電源，使轉(zhuǎn)子本身有規(guī)律排列的N、S磁極，因此，當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子的對(duì)應(yīng)磁極一起旋轉(zhuǎn)。 穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相同，被
2、稱(chēng)為同步電動(dòng)機(jī)。,3,同步電動(dòng)機(jī)在同步運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子跟著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)等速旋轉(zhuǎn)、空間相對(duì)位置穩(wěn)定，這時(shí)的轉(zhuǎn)子、定子空間角度關(guān)系如右圖所示。 輕載下角較小，滿(mǎn)載時(shí)角較大。 同步電動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩與角成函數(shù)關(guān)系，角太小或太大都會(huì)造成拖動(dòng)力矩不足。 在額定工況下，角一般在300左右。,2020年7月20日星期一,（二）同步電動(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)的區(qū)別,同步電動(dòng)機(jī),轉(zhuǎn)速,異步電動(dòng)機(jī),異步電動(dòng)機(jī)的氣隙是均勻的，而同步電動(dòng)機(jī)則有凸級(jí)式和隱極式之分。凸極式的氣隙不均勻，直軸磁阻小，交軸磁阻大，因而會(huì)產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩分量，造成數(shù)學(xué)模型上的復(fù)雜性。,轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與異步電動(dòng)機(jī)不同，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子只有鐵心和閉合繞組（或?qū)l），沒(méi)有勵(lì)
3、磁繞組，而同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子則除了鐵心和繞組之外，還另外通有直流勵(lì)磁電源。,2020年7月20日星期一,異步電動(dòng)機(jī)總是在滯后的功率因數(shù)下運(yùn)行。而同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)可用勵(lì)磁電流來(lái)調(diào)節(jié)，可以滯后，也可以超前。-----優(yōu)點(diǎn),同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子有獨(dú)立勵(lì)磁，在極低的電源頻率下也能運(yùn)行，因此在同樣條件下，同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍比異步電動(dòng)機(jī)更寬。----優(yōu)點(diǎn),異步電動(dòng)機(jī)要靠加大轉(zhuǎn)差才能提高轉(zhuǎn)矩，而同步電動(dòng)機(jī)只須加大功角就能增大轉(zhuǎn)矩，同步電動(dòng)機(jī)比異步電動(dòng)機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)具有更強(qiáng)的承受能力，能獲得更快的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。 -----優(yōu)點(diǎn),轉(zhuǎn)速恒定 功率因數(shù)可調(diào)，可使功率因數(shù)提高到1.0，甚至超前。 在一個(gè)工廠(chǎng)里，只需要一臺(tái)
4、或幾臺(tái)大容量設(shè)備采用同步電動(dòng)機(jī)，就足以改善全廠(chǎng)的功率因數(shù)。,同步電動(dòng)機(jī)突出優(yōu)點(diǎn)：,起動(dòng)費(fèi)事，重載時(shí)有振蕩乃至失步的危險(xiǎn)。,突出問(wèn)題：,常用方法： “異步起動(dòng)法”在同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極的極靴上裝設(shè)阻尼繞組，阻尼繞組所起的作用與異步電動(dòng)機(jī)的籠型繞組類(lèi)似，同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)靠阻尼繞組的感應(yīng)電流受力實(shí)現(xiàn)異步起動(dòng)。在升速、降速過(guò)程中，阻尼繞組還可以起到抑制振蕩的作用。,異步起動(dòng)的基本步驟,起動(dòng)前將勵(lì)磁繞組串入一適當(dāng)大小的電阻（串電阻是為了避免過(guò)高的自感電勢(shì)）后閉合，使轉(zhuǎn)子暫時(shí)不產(chǎn)生同步磁極；,按照電動(dòng)機(jī)的容量、負(fù)載性質(zhì)和電源的情況，采取直接起動(dòng)或降壓起動(dòng)，將同步電動(dòng)機(jī)作為一臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)而起動(dòng)；,當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)
5、速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，將直流電流送入勵(lì)磁繞組，從而產(chǎn)生同步轉(zhuǎn)矩將電動(dòng)機(jī)牽入同步運(yùn)行。,（三）同步電機(jī)的起動(dòng),2020年7月20日星期一,自控式變頻調(diào)速：用電動(dòng)機(jī)軸上所帶的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器或電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)波形提供的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，來(lái)控制變壓變頻裝置換相時(shí)刻的系統(tǒng)。,它控式變頻調(diào)速：用獨(dú)立的變壓變頻裝置給同步電動(dòng)機(jī)供電的系統(tǒng)。,（四）同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法,對(duì)它控式變頻調(diào)速的評(píng)價(jià),優(yōu)點(diǎn)：在多臺(tái)參數(shù)一致的小容量同步電動(dòng)機(jī)需要同時(shí)起動(dòng)、同時(shí)調(diào)速的場(chǎng)合，采用一臺(tái)變頻器控制多臺(tái)小電動(dòng)機(jī)，系統(tǒng)對(duì)各臺(tái)電動(dòng)機(jī)的供電頻率相同，供電電壓也相同，易于群控。 缺點(diǎn)：如果一臺(tái)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)失步，將影響整個(gè)群控系統(tǒng)的正常工作。振蕩和失步
6、問(wèn)題并未解決。,9,對(duì)自控式變頻調(diào)速的評(píng)價(jià),,優(yōu)點(diǎn)：在同步電動(dòng)機(jī)中安裝了轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器BQ，根據(jù)轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置來(lái)控制變頻器的供電頻率，保證定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子磁極的轉(zhuǎn)速始終處于同步狀態(tài)。 避免了它控式同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行中會(huì)失步的缺點(diǎn)。,無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)屬于一種自控式同步電動(dòng)機(jī)，它由磁極位置檢測(cè)器、同步電動(dòng)機(jī)和半導(dǎo)體變頻器共同組成電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。 根據(jù)所用的變頻器型式不同，可分為直流無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)(即交-直-交電動(dòng)機(jī)系統(tǒng))和交流無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)(即交-交電動(dòng)機(jī)系統(tǒng))。,（五）無(wú)換向器電動(dòng)機(jī),無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)綜評(píng),（一）保證了逆變器的輸出電源的頻率和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速能保持同步。是區(qū)
7、別于其他同步電動(dòng)機(jī)的最顯著的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。 （二）具有直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性，但是沒(méi)有換向器，可以做成無(wú)接觸式。 （三）和異步電動(dòng)機(jī)一樣，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不需要經(jīng)常維護(hù)和檢修等優(yōu)點(diǎn)。它既可以用作直流調(diào)速，也可以用作交流調(diào)速。 （四）無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有同步電動(dòng)機(jī)的效率高、功率因數(shù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，特別是大容量低轉(zhuǎn)速時(shí)更為突出，并且沒(méi)有同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)困難、重載時(shí)易振蕩失步等問(wèn)題，因而得到廣泛的應(yīng)用。,12,（一） 無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型,二、無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)的工作原理,,交-直-交控制系統(tǒng)無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)主回路結(jié)構(gòu),交-交控制系統(tǒng)無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)主回路結(jié)構(gòu),（二） 直流無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)的工作原理,從磁場(chǎng)的觀(guān)點(diǎn)看
8、，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)是主磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)相互作用的結(jié)果。 直流電動(dòng)機(jī)：主磁場(chǎng)在空間是靜止的，電樞是旋轉(zhuǎn)的，通過(guò)整流子及電刷換向，保持電樞電流方向不變，使電樞磁場(chǎng)與主磁場(chǎng)在空間的相互位置不變，夾角=90；如圖（a） 異步電動(dòng)機(jī)：定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)在空間的位置也不變，從空載到額定負(fù)載，由于轉(zhuǎn)子cos2變化大，磁場(chǎng)夾角近于90。如圖（b） 同步電動(dòng)機(jī)：穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，角隨負(fù)載而變化，空載時(shí)0，負(fù)載愈大愈大，當(dāng)超過(guò)60以后，將失步停轉(zhuǎn)，啟動(dòng)時(shí)由于沒(méi)有恒定角，所以沒(méi)有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。如圖（c）,（a）,（b）,（c）,無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)調(diào)速的控制對(duì)象是同步電動(dòng)機(jī)，但是從它的工作原理和運(yùn)行特性來(lái)看，和直流電動(dòng)機(jī)是相似的，因此，
9、我們從直流電動(dòng)機(jī)的基本原理出發(fā)來(lái)討論其工作原理。,可見(jiàn)，兩磁場(chǎng)之間的關(guān)系，很大程度上決定了電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能。,直流無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于有三個(gè)換向片的直流電動(dòng)機(jī)，只不過(guò)換向是由晶閘管(或晶體管)來(lái)進(jìn)行，因結(jié)構(gòu)上的限制，電樞繞組及變流器靜止不動(dòng)，而磁極是旋轉(zhuǎn)的，如圖所示。,圖4-4 從直流電動(dòng)機(jī)到無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)化 (a)電樞旋轉(zhuǎn) (b)磁極旋轉(zhuǎn) (c)無(wú)換向器電動(dòng)機(jī),圖 (a)為直流電動(dòng)機(jī)電樞依次轉(zhuǎn)過(guò)60的幾個(gè)位置的情形， 根據(jù)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性，可以認(rèn)為電樞和換向器在空間固定不動(dòng)，磁極和電刷一起向相反方向依次轉(zhuǎn)過(guò)60，電樞中各導(dǎo)體的電流不變，如圖 (b)所示。,進(jìn)一步將機(jī)械的換向器用半導(dǎo)體“開(kāi)
10、關(guān)”來(lái)代替，并依次觸發(fā)相應(yīng)的晶閘管，如圖4-4(c)所示，順次地使晶閘管6、11、22、33、44、55、66、1導(dǎo)通，則磁極(轉(zhuǎn)子)也將會(huì)依次轉(zhuǎn)過(guò)60。,從磁場(chǎng)角度分析電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)情形:,當(dāng)晶閘管6、1導(dǎo)通時(shí)， 電流從電源正極晶閘管1A相繞組B相繞組晶閘管6電源負(fù)極 此時(shí)勵(lì)磁磁場(chǎng)F0與電樞磁場(chǎng)Fa夾角為120，如圖4-4(c)中Fa所示，轉(zhuǎn)子向順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)；當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到F01位置時(shí)，F(xiàn)01與Fa的夾角為90，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩最大。,轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)達(dá)到F02位置即夾角為60時(shí)，通過(guò)控制電路，觸發(fā)晶閘管2使其導(dǎo)通，同時(shí)關(guān)斷晶閘管6；電樞電流轉(zhuǎn)換為從電源正極晶閘管1A相c相晶閘管2電源負(fù)極；Fa轉(zhuǎn)
11、過(guò)60，變成圖4-4(c)中所示情形，此時(shí)F0與Fa的夾角又變?yōu)?20，如此重復(fù)進(jìn)行，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)。,由上所述，由于轉(zhuǎn)子磁極是連續(xù)旋轉(zhuǎn)的，而決定電樞電流流向的晶閘管元件為每隔60切換一次，因此，電樞磁勢(shì)Fa每次步進(jìn)60，而Fa和F0之間也就保持在12060范圍內(nèi)(即圍繞正交時(shí)的90)變化，而轉(zhuǎn)矩也就圍繞最大值脈動(dòng)。,綜上所述，具有三個(gè)換向片的直流電機(jī)的勵(lì)磁磁場(chǎng)F0空間固定不變，而電樞磁場(chǎng)連續(xù)旋轉(zhuǎn)且每隔60步進(jìn)一次，與勵(lì)磁磁場(chǎng)夾角是在60120范圍變化，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩將在最小值和最大值之間變化； 而無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁磁場(chǎng)在空間連續(xù)旋轉(zhuǎn)，電樞磁場(chǎng)Fa作步進(jìn)式的旋轉(zhuǎn)，F(xiàn)a和F0之間的空間
12、矢量關(guān)系也在60120之間變化，而兩種電機(jī)的Fa始終領(lǐng)先于F0，因此電動(dòng)機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。,無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)對(duì)比,可以看出，晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間是120電角度，關(guān)斷時(shí)間是60電角度，而每轉(zhuǎn)過(guò)60電角度就有一只晶閘管換流。 為此要求隨轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，周期性地觸發(fā)或關(guān)斷相應(yīng)的晶閘管，才能使得電樞磁場(chǎng)和勵(lì)磁磁場(chǎng)保持同步。此任務(wù)一般采用位置檢測(cè)器來(lái)完成。,表4-2 反轉(zhuǎn)時(shí)電樞電流方向與晶閘管導(dǎo)通順序,表4-1 正轉(zhuǎn)時(shí)電樞電流方向與晶閘管導(dǎo)通順序,直流無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)的原理圖,電動(dòng)機(jī)定子電樞換流是直接由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制的，電動(dòng)機(jī)速度降低時(shí)，電樞磁場(chǎng)和勵(lì)磁磁場(chǎng)(轉(zhuǎn)子)相對(duì)位置關(guān)系保持不變，電動(dòng)機(jī)不會(huì)失步。這就是自控
13、式同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)。無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)又稱(chēng)為頻率自控的同步電動(dòng)機(jī)。,（三） 交流無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)的工作原理,,交流式和直流式中各相電樞繞組電流的導(dǎo)通順序相同。在變頻器中，每一組三相零式電路的晶閘管導(dǎo)通信號(hào)由轉(zhuǎn)子磁極的位置來(lái)決定。,轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器發(fā)出的信號(hào)，由它決定該導(dǎo)通的晶閘管組； 還應(yīng)根據(jù)三相電源的相位來(lái)判斷每一組零式電路究竟由哪一只晶閘管導(dǎo)通，此信號(hào)稱(chēng)為信號(hào)。,信號(hào)與信號(hào)的合成決定了導(dǎo)通的組以及組中的晶閘管元件。,晶閘管在電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的導(dǎo)通過(guò)程,（一） 反電勢(shì)換流法,設(shè)在換流以前晶閘管VT1、VT2導(dǎo)通，如圖所示。電流經(jīng)由晶閘管VT1A相繞組C相繞組晶閘管VT2流通。當(dāng)電流由晶閘管VT1 轉(zhuǎn)移到
14、晶閘管VT3時(shí)，可以利用電動(dòng)機(jī)反電勢(shì)自然換流，其條件是eAeB。即換流的時(shí)刻應(yīng)比A、B二相電壓(反電勢(shì))波形的交點(diǎn)K適當(dāng)提前一個(gè)換流超前角。,若在這時(shí)由轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器所產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)使晶閘管VT3導(dǎo)通，則在晶閘管VT1、VT3和電動(dòng)機(jī)A、B二相繞組之間會(huì)出現(xiàn)一個(gè)短路電流iSL，其方向如圖4-8(a)中箭頭所示。當(dāng)這個(gè)短路電流iSL達(dá)到原來(lái)通過(guò)晶閘管VT1的負(fù)載電流Id時(shí)，晶閘管VT1就因流過(guò)的實(shí)際電流下降至零而關(guān)斷，負(fù)載電流就由VT1全部轉(zhuǎn)移到晶閘管VT3，U、V兩相之間的換流過(guò)程就此結(jié)束。,如若換流的時(shí)刻不是發(fā)生在提前于K的時(shí)刻，而是滯后于是K點(diǎn)，即觸發(fā)角為負(fù)。這時(shí)由于uBuA，在晶閘管VT
15、1、VT3和電動(dòng)機(jī)兩相繞組之間可能再現(xiàn)的短路環(huán)流iSL的方向，將與圖4-8所示的相反，這個(gè)電流阻止晶閘管VT3導(dǎo)通，而使晶閘管VT1繼續(xù)通電，因此就不能實(shí)現(xiàn)換流的目的。,三. 無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)逆變器的換流,利用反電勢(shì)自然換流，不需要增加什么換流輔助設(shè)備，比較經(jīng)濟(jì)。但在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)要解決以下兩個(gè)方面的問(wèn)題:,(1)無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)利用反電勢(shì)進(jìn)行換流時(shí)，晶閘管之間的換流要保證有足夠的時(shí)間。 為了保證可靠換流，通常要求實(shí)際的換流超前角至少應(yīng)保持在1015之間。要滿(mǎn)足這個(gè)要求，可增大空載時(shí)的換流超前角0或限制電動(dòng)機(jī)的最大瞬時(shí)負(fù)載，也可以采用空載換流超前角0隨負(fù)載而調(diào)節(jié)的辦法。,(2) 電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)和低速運(yùn)轉(zhuǎn)
16、時(shí)反電勢(shì)很小，換流不可能，為此，利用反電勢(shì)換流的無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)還必須另想辦法解決起動(dòng)和低速運(yùn)轉(zhuǎn)問(wèn)題。 解決的辦法有二： 一是采用所謂電流斷續(xù)法換流， 一是利用電網(wǎng)電源換流。 后一種只適用于交-交系統(tǒng)。,（二） 電流斷續(xù)換流法,基本原理：當(dāng)晶閘管需要換流時(shí)，先設(shè)法使逆變器的直流輸入電流下降到零，迫使逆變器的所有晶閘管全部暫時(shí)關(guān)斷，然后再給需要導(dǎo)通的晶閘管發(fā)脈沖使之導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)所需要的換流過(guò)程。,電流斷續(xù)換流法的主電路,28,通常采用的斷流方法是封鎖電源或讓整流橋暫時(shí)進(jìn)入有源逆變狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)直流乃至電機(jī)電流的短時(shí)間斷流。 斷流時(shí)因?yàn)橹绷髌讲娍蛊髦械碾娏鞑荒芡蛔儯捎|發(fā)晶閘管VT0進(jìn)行暫時(shí)續(xù)流，該管
17、子在整流、逆變橋之間的電流恢復(fù)流通時(shí)，會(huì)被反向電壓自動(dòng)關(guān)斷。,應(yīng)用：起動(dòng)和低速下使用。 在轉(zhuǎn)速升高到額定轉(zhuǎn)速的10%左右，切換至反電勢(shì)換流,電流斷續(xù)換流法就是晶閘管逆變器常用一種的既簡(jiǎn)單又經(jīng)濟(jì)的強(qiáng)迫換流方法。,當(dāng)電動(dòng)機(jī)采用電流斷續(xù)法換流時(shí)，電動(dòng)機(jī)側(cè)逆變器的空載換流超前角0對(duì)換流已不起決定性作用。 為了增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，一般取00。當(dāng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)入高速運(yùn)轉(zhuǎn)階段時(shí)，0則根據(jù)負(fù)載進(jìn)行控制，電動(dòng)機(jī)采用反電勢(shì)換流法。,(三） 電源換流法,在無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)交交系統(tǒng)中，在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)和低速運(yùn)行時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)側(cè)的頻率低，在電動(dòng)機(jī)側(cè)一相通電的過(guò)程中，電源側(cè)往往要經(jīng)歷幾次換流過(guò)程。,交-交系統(tǒng)依靠電源換流的
18、方式只適用于系統(tǒng)在低頻工作的情況，用以解決電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)和低速運(yùn)行時(shí)的換流問(wèn)題。 當(dāng)電動(dòng)機(jī)達(dá)到稍高轉(zhuǎn)速時(shí)，通過(guò)控制電路，可以使電動(dòng)機(jī)進(jìn)入反電勢(shì)換流運(yùn)行方式。,下面以圖所示的無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)中晶閘管VTrl到VTr3和VTs3的換流過(guò)程為例來(lái)討論這一問(wèn)題。,換流以前的狀態(tài)是VTrl和VTt2,導(dǎo)通?，F(xiàn)在在VTr3的控制極上加觸發(fā)信號(hào)。如果換流超前角選擇得當(dāng)，且電動(dòng)機(jī)在高速運(yùn)行，則可利用反電動(dòng)勢(shì)完成自然換流過(guò)程。如果電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在起動(dòng)或低速狀態(tài)下，則ea0，eb0，反電動(dòng)勢(shì)eab不可能產(chǎn)生足夠的換向電流，使VTr1的電流下降至零。,在VTr3觸發(fā)時(shí)不能使VTr1關(guān)斷，于是出現(xiàn)了VTr1繼續(xù)導(dǎo)電的情況。
19、但這個(gè)連續(xù)導(dǎo)電的情況最多只能持續(xù)至相當(dāng)于三分之一電源周期的時(shí)間，在此之后，VTs3就會(huì)觸發(fā)導(dǎo)通。 由于電源側(cè)工作在整流狀態(tài)，VTs3觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)必然eseR。,在電動(dòng)勢(shì)eSR=eSeR的作用下，一方面在電源S相、VTs3、VTr3和電源R相中形成環(huán)流isc，使VTs3通，VTr3關(guān)斷，如圖a所示；另一方面，它也在電源R和S二相、VTs3、電動(dòng)機(jī)繞組b、a二相及VTrl之間產(chǎn)生環(huán)流isL，如圖所示。這一環(huán)流將VTrl中的電流下降至零，使其關(guān)斷，從而完成電流由a相過(guò)渡到b相的換流過(guò)程。,第二節(jié) 無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)的基本特性,（一） 定子一相(例如U相)繞組中通一持續(xù)直流電流時(shí),在這個(gè)電流和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)作用之
20、下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也將隨轉(zhuǎn)子位置的不同而按正弦規(guī)律變化，如圖所示。,一、無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩,但在無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)中，實(shí)際上每相繞組中通過(guò)的不是持續(xù)的直流電流，而是只通電1/3周期。那么在每個(gè)相電流和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也只是正弦轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)上相當(dāng)于1/3周期長(zhǎng)的一段。且這一段曲線(xiàn)與繞組開(kāi)始通電時(shí)的轉(zhuǎn)子相對(duì)位置有關(guān)。,（二）分析三相半波接法時(shí)的情況,顯然，在圖 (a)中所示瞬間觸發(fā)晶閘管，從產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的角度看來(lái)最為有利。因?yàn)樵谶@種情況下，在繞組通電120區(qū)間里，載流導(dǎo)體正好處在比較強(qiáng)的磁場(chǎng)中，它所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩平均值最大，脈動(dòng)小。習(xí)慣上把這一點(diǎn)作為晶閘管觸發(fā)相位的基準(zhǔn)點(diǎn)，定為0=0。,在00的情況下
21、，電動(dòng)機(jī)三相繞組通電所產(chǎn)生的總轉(zhuǎn)矩如圖（b)所示。若晶閘管的觸發(fā)時(shí)間提前或延后，均將導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)增加，平均值減小。當(dāng)030時(shí)，電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩過(guò)零點(diǎn)，這會(huì)在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)出現(xiàn)死點(diǎn)，因此在三相半波接法的情況下，特別是在啟動(dòng)時(shí)，0值不能大于30。,（三）分析三相橋式接法時(shí)的情況,在采用三相橋式逆變器時(shí)每相導(dǎo)通180，由于任何一個(gè)瞬間在三相繞組中有一相通過(guò)正向電流，而另一相通過(guò)反向電流。這兩個(gè)電流分別產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的情況和上述三相半波接法時(shí)相同，只不過(guò)每相正負(fù)電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩在時(shí)間上要相差180，如圖 (a)所示； 電動(dòng)機(jī)的合成轉(zhuǎn)矩是這兩個(gè)轉(zhuǎn)矩之和，在0=0的轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)，如圖 (b)所示； 在060時(shí)的轉(zhuǎn)矩如
22、圖 (c)所示。,三相橋式接法與半波接法相比，可以得出： 三相橋式接法轉(zhuǎn)矩較大，脈動(dòng)較小； 橋式接法時(shí)，0角增大到60時(shí)，轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)才過(guò)零點(diǎn)，三相半波在0=30時(shí)轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)過(guò)零點(diǎn)。,（四）無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式,根據(jù)同步電機(jī)理論可以推出無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式有如下的形式 式中，Ct為基本轉(zhuǎn)矩系數(shù)， I1m為電動(dòng)機(jī)電樞電流的基波分量；CR為反應(yīng)轉(zhuǎn)矩系數(shù)； 為轉(zhuǎn)子勵(lì)磁所產(chǎn)生的定子磁鏈；Ld、Lq為電動(dòng)機(jī)的直軸電感和交軸電感；0為空載換流超前角，它與電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)角的關(guān)系為,,,,當(dāng)電動(dòng)機(jī)的直軸電感和交軸電感相等時(shí)，即在圓周方向上電動(dòng)的磁阻是均勻的，則電動(dòng)機(jī)的反應(yīng)電磁轉(zhuǎn)
23、矩為零，只有基本電磁轉(zhuǎn)矩。 或者在不計(jì)換流重疊角時(shí)，使空載換流超前角0為零，則CR=0，反應(yīng)電磁轉(zhuǎn)矩為零，電動(dòng)機(jī)的基本電磁轉(zhuǎn)矩就是其總的電磁轉(zhuǎn)矩。 在這兩種情況下，無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式與直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式具有相同的形式，從而也就是具有相同的特性。,實(shí)際上采用具有自關(guān)斷能力的器件構(gòu)成的無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)很容易做到00，從而使整個(gè)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)達(dá)到與直流電動(dòng)機(jī)相同的機(jī)械特性與控制性能。 所以，隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)將在許多領(lǐng)域得以應(yīng)用并逐步取代傳統(tǒng)的有刷直流電動(dòng)機(jī)。,（一）負(fù)載換相同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性,二、無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)基本特性,38,負(fù)載換相同步電
24、動(dòng)機(jī)的速度表達(dá)式 和直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式十分類(lèi)似。 由以上轉(zhuǎn)速公式可以看出，改變 和 均可以對(duì)負(fù)載換相同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，即負(fù)載換相同步電動(dòng)機(jī)有調(diào)壓調(diào)速和調(diào)勵(lì)磁調(diào)速兩種方法。當(dāng)然換相超前角 的變化對(duì)速度也會(huì)有影響，但換相超前角 一般隨負(fù)載變化而調(diào)節(jié)，主要考慮在運(yùn)行中的安全換流問(wèn)題，不用作速度調(diào)節(jié)。,39,（二）負(fù)載換相同步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性,取 并忽略換流重疊角 ，負(fù)載換相同步電動(dòng)機(jī)的近似機(jī)械特性表達(dá)式為：,,結(jié)論:負(fù)載換相同步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線(xiàn)與直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式相似。它有著良好的運(yùn)行特性和伺服控制性能。,注意：在接近堵轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)械特性曲線(xiàn)出現(xiàn)了非線(xiàn)性區(qū)域，這是由于
25、整個(gè)系統(tǒng)的非線(xiàn)性在接近堵轉(zhuǎn)時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的。,（三） 無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力,（1）利用反電動(dòng)勢(shì)換流的無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)的一個(gè)突出問(wèn)題是其過(guò)載能力受到逆變器換流能力的限制。 當(dāng)電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，若換流超前角整定在0，在電動(dòng)機(jī)承受負(fù)載后，由于同步電動(dòng)機(jī)中功率角的影響，電動(dòng)機(jī)端電壓的相位將前移一個(gè)角，使換流超前角由0減小到=0 。,無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力，比一般直流電動(dòng)機(jī)低。,目前一般無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力只有1.52倍，對(duì)于爪極式無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)，過(guò)載能力甚至只有1.25倍。,（2）隨著負(fù)載電流的增加，換流重疊角將逐漸增大，晶閘管延遲導(dǎo)通時(shí)間增長(zhǎng)。角度=0 --稱(chēng)為換流剩余角，如圖所示。它表示晶閘
26、管換流結(jié)束后承受反向電壓的時(shí)間，表征著換流的可靠性。 由于和均隨負(fù)載的增大而增加，所以在0恒定的情況下，將隨負(fù)載的增加而減小。 當(dāng)負(fù)載達(dá)到一定數(shù)量，換流剩余時(shí)間接近晶閘管的關(guān)斷時(shí)間toff時(shí)，電動(dòng)機(jī)達(dá)到換流極限，這就是電動(dòng)機(jī)的最大負(fù)載能力。,第三節(jié) 無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)及其運(yùn)行,其控制策略有以下兩種常用的方案： (1) 采用勵(lì)磁電流和空載換流超前角0保持不變，通過(guò)改變直流回路電壓來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 對(duì)于勵(lì)磁電流保持不變，在技術(shù)上很容易保證，對(duì)于磁極為永磁體的無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)，這一點(diǎn)自然得到滿(mǎn)足；而空載換流超前角0在不計(jì)換流重疊角時(shí)，它實(shí)際上反映了電動(dòng)機(jī)的空載電動(dòng)勢(shì)與電流之間的相位關(guān)系，所以空
27、載換流超前角0不變這一前提是靠轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器的信號(hào)來(lái)保證的。,一、無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)的控制策略,(2) 采用勵(lì)磁電流和空載換流超前角隨負(fù)載調(diào)節(jié)的辦法來(lái)控制無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 一般是保證不變，按換流剩余角保持不變來(lái)調(diào)節(jié)空載換流超前角0，從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。 這種控制策略使電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力有所提高，電動(dòng)機(jī)的損耗減小，但控制系統(tǒng)較復(fù)雜。,通常為了保證換流可靠和觸發(fā)信號(hào)的邏輯控制方便，在電動(dòng)機(jī)高速運(yùn)行時(shí)將空載換流超前角0整定在60，采用電動(dòng)勢(shì)自然換流；在起動(dòng)或低速運(yùn)行時(shí)，取0=0，采用電流斷續(xù)換流；而在再生制動(dòng)狀態(tài)下則分別取0120和0180。 這種控制策略的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單可靠，而缺點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力較差，低速輕載時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比較大。,43,一,二、晶閘管式無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng),44,三、晶體管式無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng),
無(wú)換向器電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng).ppt
