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第 5 章 同步电动机变压变频调速系统 同步电动机变压变频调速的特点及其基本类型 同步电动机历来是以转速与电源频率保持严格同步著称的。只要电源频率保持恒定，同步电动机的转速就绝对不变。 采用电力电子装置实现电压-频率协调控制，改变了同步电动机历来只能恒速运行不能调速的面貌。起动费事、重载时振荡或失步等问题也已不再是同步电动机广泛应用的障碍。 同步电机的特点与问题 优点 （1）转速与电压频率严格同步； （2）功率因数高到1.0，甚至超前。 存在的问题 （1）起动困难； （2）重载时有振荡，甚至存在失步危险。 解决思路 问题的根源： 供电电源频率固定不变。 解决办法： 采用电压-频率协调控制，可解决由固定频率电源供电而产生的问题。 对于起动问题： 通过变频电源频率的平滑调节，使电机转速逐渐上升，实现软起动。 对于振荡和失步问题 ： 由于采用频率闭环控制，同步转速可以跟着频率改变，于是就不会振荡和失步了。 同步调速系统的特点 （1）交流电机旋转磁场的同步转速?1与定子电源频率 f1 有确定的关系 异步电动机的稳态转速总是低于同步转速的，二者之差叫做转差 ?s ；同步电动机的稳态转速等于同步转速，转差 ?s = 0。 同步调速系统的特点（续） （2）异步电动机的磁场仅靠定子供电产生，而同步电动机除定子磁动势外，转子侧还有独立的直流励磁，或者用永久磁钢励磁。 （3） 同步电动机和异步电动机的定子都有同样的交流绕组，一般都是三相的，而转子绕组则不同，同步电动机转子除直流励磁绕组（或永久磁钢）外，还可能有自身短路的阻尼绕组。 同步调速系统的特点（续） （4）异步电动机的气隙是均匀的，而同步电动机则有隐极与凸极之分，隐极式电机气隙均匀，凸极式则不均匀，两轴的电感系数不等，造成数学模型上的复杂性。但凸极效应能产生平均转矩，单靠凸极效应运行的同步电动机称作磁阻式同步电动机。 同步调速系统的特点（续） （5）异步电动机由于励磁的需要，必须从电源吸取滞后的无功电流，空载时功率因数很低。同步电动机则可通过调节转子的直流励磁电流，改变输入功率因数，可以滞后，也可以超前。当 cos? = 1.0 时，电枢铜损最小，还可以节约变压变频装置的容量。 同步调速系统的特点（续） （6）由于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。 （7）异步电动机要靠加大转差才能提高转矩，而同步电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，能作出更快的动态响应。 同步调速系统的主要类型 （1）由交-直-交电流型变频器供电的同步电动机负载换流调速系统 （2）由交-交变频器供电的同步电动机矢量控制调速系统 （2）由交-直-交电压型变频器供电的同步电动机直接转矩控制调速系统 由交-直-交电流型变频器供电的同步电动机 负载换流调速系统 大型同步电动机转子上一般都具有励磁绕组，通过滑环由直流励磁电源供电，或者由交流励磁发电机经过随转子一起旋转的整流器供电。 对于经常在高速运行的机械设备，定子常用交-直-交电流型变压变频器供电，其电机侧变换器（即逆变器）比给异步电动机供电时更简单，可以省去强迫换流电路，而利用同步电动机定子中的感应电动势实现换相。这样的逆变器称作负载换流逆变器（Load-commutated Inverter，简称LCI）。 负载换流同步电动机调速系统 系统控制原理 换流问题 LCI同步调速系统在起动和低速时存在换流问题： 低速时同步电动机感应电动势不够大，不足以保证可靠换流； 当电机静止时，感应电动势为零，根本就无法换流。 解决方案 这时，须采用“直流侧电流断续”的特殊方法，使中间直流环节电抗器的旁路晶闸管导通，让电抗器放电，同时切断直流电流，允许逆变器换相，换相后再关断旁路晶闸管，使电流恢复正常。 用这种换流方式可使电动机转速升到额定值的 3%~5%，然后再切换到负载电动势换流。 由交-交变频器供电的大型低速同步电动机 矢量控制调速系统 另一类大型同步电动机变压变频调速系统用于低速的电力拖动，例如无齿轮传动的可逆轧机、矿井提升机、水泥转窑等。 该系统由交-交变压变频器（又称周波变换器）供电，其输出频率为20~25Hz（当电网频率为50Hz时），对于一台20极的同步电动机，同步转速为120~150 r/min，直接用来拖动轧钢机等设备是很合适的，可以省去庞大的齿轮传动装置。 交-交变频同步电动