64kw-6p变频调速同步电动机电磁方案及控制系统的设计

64kw-6p变频调速同步电动机电磁方案及控制系统的设计内容摘要：

从使用上来说，旋转电枢式结构一般运用于小容量同步电机，而旋转磁极式结构则广泛运用于高电压、高转速、大容量的同步电机。 在旋转磁极式中，按磁极形状又可分为隐极式和凸极式。 如图所示，隐极式同步电机的气隙是均匀的，转子为圆柱形；凸极式同步电机的气隙是不均匀的，极弧处小而极间大，并且能看到明显的磁极。 图11 同步电机的转子结构图对于高速旋转的同步电机，从转子的机械强度和固定绕组来考虑，应采用隐极式结构，而低速旋转的时，由于转子的圆周速度较低，离心力较小，故常采用制造和结构较为简单的凸极式结构。 例如：汽轮发电机是高速运行的，故火电站中的汽轮机转子一般做成二极隐极式；水轮机是低速运行的，故水轮发电机一般做成凸极式；由内燃机拖动的同步电机一般也做成凸极式。 和其它类型的旋转电机一样， 同步发电机也是由定、转子两个部分组成。 隐极式同步电机由定转子、端盖和轴承等部件组成。 （1）定子定子由铁芯、绕组、机座以及固定的部件组成。 为减少铁耗，每叠厚约3—6cm，叠间有宽约1cm的通风槽，以利于散热。 当定子铁芯外径大于1m时，用扇形硅钢片拼成整圆。 定子机座为钢板焊接结构，机座不仅要支撑铁芯，还要组成通风路径，以满足通风散热的要求。 定子铁芯内圆开槽，槽内放电枢绕组。 （2）转子转子由转子铁芯、励磁绕组、护环、中心环、滑环和风扇等组成。 由于隐极式同步电机的转速较高，受离心力较大，故转子直径不能太大，若要增大电机容量，只能增加转子的长度，因此转子常做成细长的圆柱形。 转子铁芯用于固定绕组，同时也是电机磁路的一部分。 为了克服高速旋转所造成的机械应力，故常采用整块的高机械强度和导磁良好的合金钢锻造。 转子铁芯表面开槽，槽内放励磁绕组，励磁绕组用扁铜线绕成同心式线圈，各线圈匝与匝之间互相绝缘，线圈与铁芯之间对地绝缘。 同样，为了保证可靠的机械强度，励磁绕组的固定也很重要，槽内需用不导磁并且具有高机械强度的硬铝来压紧，端部导体用护环和中心环来固定。 集电环装在转轴上，与励磁绕组通过引线相连，并和电刷装置及外面的直流电源构成回路。 凸极同步电机分为立式和卧式两类。 大部分低速、大型水轮机和大型水泵电动机采用立式结构，而大多数同步发电机、调相机、内燃机或冲击式水轮机拖动的发电机则采用卧式结构。 以凸极式水轮机为例，水轮发电机的基本结构包括定子、转子、机架和推力轴承等部分。 （1）定子大型水轮机的直径很大，为便于运输，常将定子铁芯连同机座分成数瓣后运送到工地，在工地上拼成一个整圆。 （2）转子水轮发电机的转子包括磁极、磁轭、励磁绕组、支架和轴承等。 磁极由1—，并用铆钉装成一体。 励磁线圈由扁铜线绕成，套在磁极上。 磁极的极靴上装有阻尼绕组，阻尼绕组是由一根根裸铜条，放在极靴的阻尼槽中，通过在两端面用铜环焊接，形成一个短接的回路。 对发电机而言，阻尼绕组可以减少并联运行时转子振荡的幅值，而对同步电动机而言，主要作为起动绕组用。 磁极固定在磁轭上，有T尾和螺栓等固定方式。 磁轭一般用2—5mm的钢板冲成扇形片，叠成整圆，用拉紧螺杆来固定。 转轴用来传递转矩，承受着转动部分的重量和水轮发电机的轴向推力，故常用高强度钢锻成，做成空心，以减轻转轴的重量，也有利于检察锻件的质量。 （1）额定容量：铭牌规定运行条件下电机线端的视在功率。 （2）额定功率：发电机指额定运行时出线端输出的有功功率，电动机指额定运行下转轴输出的有效机械功率。 （3）额定电压：额定运行时，定子绕组出线端的线电压有效值。 （4）额定电流：额定运行时，定子绕组的线电流有效值。 （5）额定功率因数：额定运行时，定子绕组端的功率因数。 （6）额定频率:我国的工频电流为50Hz。 （7）额定效率：发电机指额定运行时定子绕组输出的电功率和转轴输入的机械功率的比值，电动机指额定运行时转轴输出的机械功率和定子绕组输入的电功率的比值。 除此之外，同步电机的铭牌上还给出额定转速，额定励磁电压和额定励磁电流等.第二章 同步电动机的工作原理及运行特性第二章 同步电动机的工作原理及运行特性 同步电动机的工作原理在同步电动机定子的三相对称绕组里通以三相交流电，定子内会产生三相旋转磁场，同时在转子励磁绕组里通以直流电，则在定子磁场的作用下，转子将受力而转动。 由于同步电动机的转子的转动是定子旋转磁场和转子磁场的异性磁极间的相互作用所产生的，故其转子的转速与定子旋转磁场的转速相等。 即：从上可知，稳定运行时，转子的转速只与电源频率有关，而与负载无关，若电源频率不变，则电动机转速不变。 同步电动机的工作特性是指当电网电压U、励磁电流为常数时，电磁转矩、电枢电流、效率、功率因数与输出功率之间的关系。 同步电动机的电磁转矩可认为等于空载转矩与输出转矩之和，当输出功率为0时，电磁转矩为空载转矩，电枢电流为空载电流。 随着输出功率的增大，为克服负载，电磁转矩和电枢电流也将正比增大。 如下图所示，电磁转矩和电枢电流与输出功率的关系曲线，近似为一条不经过原点的直线，而效率曲线与一般电动机近似。 图21 同步电动机的工作特性异步电动机的功率因数为滞后的功率因数，这会对电网造成污染，相比于异步机而言，同步电动机的功率因数为可调，这也是同步电动机可贵的性能之一。 下图为同步电动机不同励磁状况下的功率因数特性。 从图中可以看出，当励磁电流较小时，只有在空载时功率因数才为1，而负载后，功率因数变为滞后；加大励磁电流后，在半载时功率因数为1；继续增大励磁电流至一定值，可使电机在满载时功率因数为1，而未满载时功率因数为超前。 由此可见，通过调节励磁电流即可达到调节功率因数的目的图22 同步电动机不同励磁下的功率因数特性同步电动机的U型曲线指的是当端电压和电磁功率都为常数时，调节励磁电流，电枢电流的变化情况。 功率一定时，调节励磁电流，可以通过调节无功电流和功率因数来实现。 当时，为正常励磁状态，电枢电流全部为有功，电流值最小。 当电势减小到小于正常励磁电势时，为欠励状态，为了保持定子合成磁通不变，除了有功电流外，还会产生滞后的无功电流，用于增磁。 此时，电枢电流比正常励磁时大，功率因数为滞后。 当电势增大到大于正常励磁电势时，为过励状态，此时，除有功电流外，还将产生超前的无功电流，电枢电流比正常励磁时大，功率因数为超前。 为了改善电网的功率因数，(超前)。 图23 同步电动机的U型曲线以隐极式同步电机为例，简要介绍同步电动机能否稳定运行的问题。 （1）当电动机拖动负载运行在范围内假设电动机运行于，此时电磁转矩为T1，与负载转矩相等。 若增加负载使负载转矩增大，则转子要减速使角增大到，电磁转矩变大为T2，若能使增大后的电磁转矩等于负载转矩，电机就能继续同步运行。 若负载重新变为，则电子转子加速，而角减小，电磁转矩重新变为T1。 由此可见，当电机拖动负载运行在的范围时，可以稳定的运行。 （2）当电机拖动负载运行在范围 假定同步电动机运行于，此时电机的电磁转矩T3与负载转矩相等。 若突增负载使负载转矩变大，则电机要减速，角将增大为，而此时的电磁转矩比突增负载前更小，电机转速继续减小， 角将继续增大，导致电磁转矩也减小，如此循环，电机转子转速会偏离同步转速，无法工作。 故同步电动机无法稳定运行在的范围。 图24 同步电动机的稳定运行电动机的最大转矩和额定转矩之比为过载能力，即：其中 为功率角，即空载电势和端电压之间的相位角。 一般情况下，隐极同步电动机额定运行时的功率角为。 凸极式同步电动机的功率角较隐极式要小些。 由上可知，稳定运行时，同步电动机的转速与负载无关，其机械特性为一条直线，是硬特性。 第三章 同步电动机的起动第三章 同步电动机的起动与其他电机不同，同步电动机本身没有起动转矩，是无法自起动的，这也是同步电动机的一大缺陷。 同步电动机不能自起动是因为当同步电动机的定子直接接入电网后，定子旋转磁场为同步速，而转子转速为0，定转子磁场间有相对运动，无法产生平均的同步电磁转矩，因此电机转子不能转动。 为解决起动的问题，可在同步电动机的转子上装上起动绕组，电机起动时，起动绕组中将感应出电流，该电流与旋转磁场相互作用，产生异步起动转矩，从而使电动机自起动。 当同步电动机的转速达到同步转速的95%左右时，给励磁绕组通入直流电，转子即可自动牵入同步速。 这种起动方法被称为异步起动法，起动过程与异步电动机的起动过程一样，而且所接入的起动绕组的结构形式就像鼠笼型异步电机的鼠笼式绕组。 同步电动机异步起动法时，既可以在额定电压下直接起动，也可以降压起动，如星三角起动、自耦变压器起动、串电抗器起动等。 需要注意的是，同步电动机起动时，励磁绕组不能开路也不能短路。 若励磁绕组开路，刚起动时，气隙旋转磁场在励磁绕组里感应出很高的电动势，这可能会损坏励磁绕组的绝缘；若励磁绕组短路，那么励磁绕组中感应的电流将产生很大的转矩，这有肯呢个使电动机无法起动到接近同步速。 为此，我们可以在同步电动机的励磁绕组中串联510倍励磁绕组阻值的附加电阻，等起动到接近同步速时，再短接所串联的电阻，通以直流电，从而使同步电动机自动牵入同步，完成起动过程。 目前，同步电动机变频调速的应用越来越广泛，可利用变频器，使用变频起动法莱起动同步电机。 起动时，先将变频电源的频率调低，转子上加励磁。 同步电动机接上电源后，由于电源频率很低，产生的定子旋转磁场的转速也很低，只要定转子磁场间的相互作用所产生的同步转矩足以克服系统的机械静阻力矩，电机便可起动，并且在很低的转速下运行。 再逐渐加大变频电源的频率，使定子旋转磁场和转子转速慢慢升高，最终达到额定转速。 这种起动方法可实现软起动，且起动电流小，起动平稳，但增加了变频电源，使设备投入增加，费用较高。 该方法利用其他辅助电动机来拖动同步电动机起动，常选用与同步电动机极数相同的异步电动机作为辅助电动机，辅助电机的容量约为同步电动机容量的10%15%。 当辅助电动机把同步电动机拖动到接近同步速后，再利用自整步法把主机接入电网。 这种方法不宜用来起动带负载的同步电动机，而若采用大容量的辅助电机又显得不经济。 除上述几种起动方法外，还有采用准同步起动法来起动同步电动机，同辅助电机起动法一样，这种方法也需要一台辅助电动机，但一般是用他励或并励直流电动机做辅助电机。 42 第四章 同步电动机变频调速及其控制系统的设计第四章 同步电动机变频调速及其控制系统的设计电力传动系统可分为直流传动系统和交流传动系统两大类。 近年来，随着电力电子技术、计算机技术和现代控制理论的发展与成熟，交流传动系统由于其运行可靠且适用性强，得到了广泛的运用，并代替了直流传动系统。 交流传动系统根据所使用的电机的不同，又分为异步电动机传动系统和同步电动机传动系统。 在同步电动机的调速系统中，从输入的频率来看，有频率他控式和频率自控式调速系统。 频率他控式指给同步电动机供电的变频器的输出频率取决于转速给定的信号，其控制系统为开环控制，因此与接在电网上的同步电动机一样，存在着振荡和失步的问题。 而频率自控式输出的频率是由转子返回给变频器的信号决定的，其控制系统为闭环控制，故不存在失步的问题。 闭环控制变频调速系统框图如下所示，带有速度检测和转角检测反馈装置的变频调速系统称为闭环变频调速系统。 闭环系统在开环系统的基础上增加了实际测速检测和转角检测与调节环节。 图41 闭环变频调速系统通过速度检测装置检测同步电机的转速，并反馈给速度调节器，速度调节器通过比较给定速度与速度，得到误差，当实际速度低于给定速度时，误差为正，电机升速，反之则电机减速，这样就实现了对电机速度的闭环动态调整。 此外，通过同步电动机的转角检测装置，检测出磁极位置，并反馈给矢量控制器，通过计算，输出转子磁极相对定子绕组的空间位置角供坐标转换使用，以保证同步电动机运行在同步速。 （1）三相—两相变换或三相—两相变换先将同步电动机坐标系由a，b ，c系统变换到，0系统，当电机定子绕组为Y联接时，故反变换为（2）矢量旋转变换（VR）得到电流，后，经过矢量旋转变换，就可以得到的d，q坐标系下的电流，和M，T坐标系下的电流,了，其变换公式如下：变换到d，q坐标系反变换为其中是轴与d轴之间的夹角，是初始状态下轴与d轴之间的夹角。 变换到M，T坐标系反变换为其中是轴与M轴之间的夹角，；是初始状态轴与M轴之间的夹角。 （3）直流坐标轴与极坐标轴之间的变换（K/P）求得直角坐标系量后，就可以进一步求得相应的极坐标量。 以定子电流为例同步电动机矢量变换控制的基本思想：在异步电机的矢量变换控制中，我们选择转子全磁通矢量作为同步速旋转的磁场定向坐标系（MT坐标系）的M轴。 通过坐标变换，将三相定子电流分解为与转子磁通同方向的等效励磁电流及与转子磁通方向垂直的等效转矩电流。 由于此两者相互正交，解除了彼此间的耦合关系；在同步速的MT坐标系中它们是一组直流标量，故完全可以像直流电动机那样实现对磁场和转矩的分别控制，获得良好的调速特性。 这样一种控制思想完全可以应用到同步电动机转矩的瞬时控制中。 同步电动机矢量控制和异步电动机矢量控制的原理相似，即通过坐标变换，把同步电动机等效为直流电动机，然后模仿直流电动机的控制方法进行控制。 由于同步电动机的转子结构与异步电动机不同，故其矢量坐标变换也有自己的特色。 以二级同步电动机为例，若（1）忽略凸极的磁阻变化和阻尼绕组的影响； （3）忽略BH曲线饱和的非线性因素； （4）忽略定子电阻和定子漏抗的影响。 可建立物理模型如下图42 二极同步电动机的物理模型图中,定子A、B、C三相绕组轴线固定，三相电压、和三相电流、 都是平衡的，转子以同步速旋转，转子励磁绕组的励磁电压为，流过励磁电流。 沿转子励磁磁极的轴线为d轴，与d轴正交的为q轴，dq 坐标系在空间以同步速旋转，d轴与A轴之间的夹角为变量。 同步电动机除转子直流励磁外，定子磁动势还将产生电枢反应，直流励磁磁通与电枢反应磁通合成产生气隙磁通，合成磁通在同步电动机定子中感应的电动势与外加电压基本平衡。 可作出。