序

第二版前言

版前言

第1章 緒論

1.1 交流同步電機的類型

1.2 交流同步電機與直流電機調速的比較

1.3 同步電機與異步電機調速的比較

1.4 大功率電力電子變換器

1.5 同步電機調速控制繫統

第2章 交流同步電機的數學模型

2.1 交流同步電機的基本數學模型

2.2 坐標變換

2.3 同步電機dq0軸繫的數學模型

2.4 多相同步電機的數學模型

2.5 同步電機的矢量圖

2.6 同步電機的動態參數

2.7 同步電機αβ0軸繫的數學模型

2.8 同步電機MT軸繫的數學模型

第3章 電力電子變換器

3.1 電力電子器件

3.2 大功率變頻器

3.3 交交變頻器

3.4 PWM交直交變頻器

第4章 交流同步電機的磁場定向控制原理與特性

4.1 直流電機的轉矩控制

4.2 交流異步電機的磁場定向控制

4.3 交流同步電機的磁場定向控制原理

4.4 交流同步電機的不同磁場定向控制

4.5 磁場定向控制同步電機的穩態特性

4.6 磁場定向控制同步電機的動態特性

第5章 交流同步電機的磁場定向控制繫統

5.1 概述

5.2 坐標

5.3 位置

5.4 MT軸定子電流模型

5.5 磁鏈觀測器-電流模型

5.6 磁鏈觀測器-電壓模型

5.7 電壓前饋U

5.8 電流控制繫統

5.9 磁鏈控制繫統

5.10 速度控制繫統

5.11 同步電機無速度傳感器控制繫統

第6章 交流同步電機的直接轉矩控制

6.1 直接轉矩控制的基本原理

6.2 交流同步電機直接轉矩控制的數學模型

6.3 直接轉矩控制的電壓空間矢量

6.4 定子磁鏈軌跡

6.5 電磁轉矩控制

6.6 電壓矢量的選擇

6.7 轉矩觀測器模型

6.8 定子磁鏈觀測器模型

6.9 交流電機直接轉矩控制繫統

6.10 直接轉矩控制繫統的運行特性

第7章 大功率永磁同步電機調速繫統

7.1 永磁同步電機簡介

7.2 永磁同步電機的數學模型

7.3 永磁同步電機繫統的特性

7.4 永磁同步電機的磁場定向控制

7.5 大功率永磁同步電機調速繫統在船舶推進中的應用

7.6 大功率永磁同步電機在風力發電中的應用

第8章 大功率直線同步電機調速繫統

8.1 長定子直線同步電機

8.2 直線同步電機的數學模型

8.3 直線同步電機的磁場定向控制

8.4 直線同步電機應用於高速磁懸浮列車

8.5 磁懸浮列車試驗線供電繫統

第9章 負載換流同步電機調速繫統

9.1 負載換流同步電機的基本原理

9.2 負載換流同步電機的數學模型

9.3 負載換流同步電機的基本關繫

9.4 負載換流同步電機的調速控制

9.5 負載換流同步電機調速繫統的設計

9.6 負載換流同步電機調速繫統的應用實例

第10章 交流變頻調速同步電機

10.1 交流同步電機的結構

10.2 同步電機極數與頻率的選擇

10.3 同步電機電壓

10.4 同步電機的設計性能比較

10.5 同步電機的參數

10.6 變頻調速同步電機阻尼繞組的研究

第11章 交流同步電機調速繫統的工程應用

11.1 交交變頻調速繫統的工程設計

11.2 交直交PWM變頻調速繫統的工程設計

11.3 交流同步電機調速繫統在軋鋼傳動中的應用

11.4 交流同步電機調速在礦井提升傳動中的工程應用

11.5 交流同步電機調速在油氣輸送工程中的應用

參考文獻

第1章緒論


1890年美國西屋電氣公司利用尼古拉?特斯拉的專利研制出臺交流同步電機。此後的100多年，交流同步電機以其效率高、功率因數高且可以調節等優點，在工業生產機械傳動特別是大功率傳動中廣泛應用。



同步電機的轉速是由定子電流頻率和電機極對數決定的。同步電機在電網固定頻率供電條件下作恆速運行，同步電機的轉子將以定子旋轉磁場的轉速同步旋轉，故稱為同步電機。傳統同步電機的轉子繞組采用直流激磁。在同步電機恆速運行時，調節轉子激磁電流即可調節同步電機的功率因數，功率因數可超前或滯後，也可以等於1。傳統同步電機的轉速是恆定不可調的，隻用於拖動恆速負載及改善功率因數的場合。在恆定頻率下運行的大型同步電機存在著起動困難、運行過程易發生失步和振蕩的問題，很難想像對同步電機的轉速進行控制。



隨著科學技術的發展和生產工藝技術的進步，越來越多的電氣傳動采用調速技術。直流電機調速性能好且方便，因而在要求調速的傳動中一直占統治地位。但是由於直流電機存在換向器、電刷、升高片等部件，使其在單機大容量、高過載能力、低轉動慣量以及維護簡單化等方面受到了限制，已不能滿足生產機械高性能、大型化的發展。隨著電力電子學、微電子技術以及現代控制理論的迅速發展，在大功率調速傳動領域出現了交流傳動取代直流傳動的趨勢。



交流傳動分為同步電機傳動和異步電機傳動。交流電機的轉速控制大多是通過變化頻率來實現的。同步電機比異步電機變頻調速繫統的功率因數高、變頻器容量小、電機效率高且轉動慣量小，在大功率傳動中同步電機調速優勢明顯。



從20世紀30年代的後期，人們就開始研究同步電機的調速問題。通過檢測同步電機轉子磁極的位置，以適當的順序控制與電機繞組相連的閘流管導通，代替直流電機的換向器和電刷的功能，形成由變流器供電的自控式同步電機，也稱為無換向器電機。自從晶閘管等電力電子器件發明後，同步電機變頻調速控制纔有了長足的進步。



1969年BBC公司成功研制出世界上臺6400kW交交變頻同步電機傳動裝置，用於法國倫伯爾基水泥廠水泥球磨機無級調速傳動。20世紀70年代，隨著交流電機磁場定向控制理論的產生及其技術的推廣應用，世界各大電氣公司都投入大量人力、物力對交流同步電機變頻調速傳動進行研究，期望將這一技術應用於高性能要求的軋機主傳動及礦井提升機傳動。1981年西門子公司成功研制世界上臺4220kW交交變頻同步電機調速繫統，用於礦井提升機傳動。同年該公司又成功研制臺4000kW軋機傳動交交變頻同步電機調速繫統，標志著這一技術的成熟，使大容量交流同步電機調速繫統登上了高性能調速的舞臺。由於交流同步電機調速比傳統的直流電機調速具有單機容量大、體積小、轉動慣量小、效率高、節約能源等顯著的優點，隨著電力電子器件和變頻技術的迅速發展，目前國內外鋼鐵行業的大型軋機、采礦領域的礦井提升機以及水泥球磨機等大型工業機械傳動已全面采用交流同步電機調速來取代直流電機調速傳動。



交流同步電機調速廣泛應用於大型風機、水泵、壓縮機的節能傳動。例如，驅動高爐鼓風機的48MW大型同步電機采用變頻調速控制；抽水蓄能電站運用30MW大功率變頻調速裝置對300MW大型同步電機進行啟動控制；大型長距離油氣輸送管道，像我國西氣東輸大型輸氣壓縮機驅動采用了20MW，6000r/min的高速同步電機變頻調速傳動；美國航天風洞試驗機采用了一臺120MW大型變頻調速同步電機驅動，這是目前世界上容量的變頻調速同步電機。



在現代交通中，交流同步電機調速廣泛應用於大型艦船電力推進、機車牽引、電動汽車驅動等領域。目前世界上的郵輪“瑪麗女王二世（QueenMary2）”號，采用兩臺44MW的大型交流變頻調速同步電機驅動。高速磁懸浮列車采用直線變頻同步電機牽引，該技術已進入商業運行階段，由大功率交直交變頻器供電的直線同步電機所牽引的磁懸浮列車速度可達500km/h。



在大型艦船電力推進方面，永磁同步電機的功率已超過10MW；新能源領域風力發電采用的直驅永磁同步電機功率達到5MW。永磁同步電機也廣泛應用於先進制造領域的機械和機床伺服傳動，交流伺服傳動的調速範圍已達到1∶100000以上，其調速、定位和跟蹤精度已遠遠超過直流調速。交流永磁同步電機變頻調速還走進千家萬戶，廣泛應用於家用電冰箱、空調機、洗衣機等，形成新一代“變頻”家電。交流同步電機調速正在國民經濟各個領域發揮越來越重要的作用。



1.1交流同步電機的類型


交流同步電機主要有以下幾種類型：


（1）轉子直流激磁同步電機


轉子直流激磁同步電機與傳統同步電機相同，是交流同步電機常見的類型。轉子直流激磁電流可由電力電子激磁裝置通過集電環和電刷送到繞組中。也可以采用無刷激磁的方式，即在同步電機軸上安裝一臺交流發電機作為激磁電源，感應的交流電經過固定在軸上的整流器變換成直流電供給同步電機的激磁繞組。激磁電流的調節可以通過控制交流激磁發電機的定子磁場來實現。



（2）永磁同步電機永磁同步電機的轉子一般采用稀土永磁材料做激磁磁極，如釤鈷合金、釹鐵硼合金等。永久磁鐵激磁使電機的體積和重量大為減小，而且永磁同步電機效率高、結構簡單、維護方便、運行可靠。



（3）磁阻同步電機


磁阻同步電機是由反應式同步電機發展而來的，它突破了傳統電機的結構模式，定轉子采用雙凸結構，轉子上沒有繞組，定子為集中繞組，比異步電機更簡單、堅固。目前已有開關磁阻電機調速繫統的繫列產品，但單機容量還不夠大。



（4）直線同步電機


直線同步電機是一種將電能直接轉換成直線運動機械能、不需任何中間轉換機構的傳動裝置。它是20世紀下半葉電工領域出現的一項高新技術。直線同步電機具有高速、大推力的特點，適合在軍事、交通運輸、工業生產輸送線等領域做各種橫向或垂直運動的電氣傳動。



1.2交流同步電機與直流電機調速的比較


交流電機與直流電機相比具有以下特點：


（1）單機容量不受限制


眾所周知，直流電機由於換向器的換向能力限制了電機的容量和速度，直流電機的極限容量和速度之積約為PN?nmax＝3.0×106
。例如，熱連軋機主傳動直流電機功率2×5MW（250/590r/min）已達到極限值。而交流電機單機容量可以突破這一限制，例如功率可達10MW（150/450r/min），容量和速度之積可達PN?nmax＝4.5×106
，為設備提供更大的動力。實際上交流電機可以充分利用電力電子器件的能力來提高供電電壓，采用先進的電機冷卻方式，變頻調速同步電機的單機容量已可以做到56MW。



（2）體積小、重量輕、占地面積小


交流電機由於結構簡單、體積小、重量輕，占地面積比直流電機大大減少。直流電機不僅單機體積大，而且為了減少轉動慣量，常常采用雙電樞或三電樞串聯方式，占地面積很大。日本某鋼廠采用交交變頻同步電機替代了原三電樞直流電機，電機功率同為11250kW，但交流電機的占地面積僅為原直流電機的1/3。



交流電機由於結構簡單、堅固，因此有可能與機械合為一體，形成機電一體化產品，從而大大簡化機械結構，減少體積和重量，提高可靠性。例如傳統的水泥球磨機采用齒輪傳動，采用交交變頻同步電機可以取消齒輪，將同步電機的轉子與球磨機滾筒聯為一體，實現高效率的無齒輪水泥球磨機直接傳動。礦井提升機采用外轉子結構，將鋼繩直接繞在電機外轉子上，使電機與卷筒合為一體。軋鋼地下卷取機傳動采用交流同步電機，將軋鋼地下卷取機的卷取芯棒作為同步電機的轉子，減少了電機的轉動慣量、體積和重量，提高了可靠性。越來越多的交流同步電機緊靠機械或與生產機械融為一體，打破了直流電機安裝在主電室中，遠離機械的格局。



（3）轉動慣量小


以某鋼廠2050mm 熱連軋機為例，直流主傳動電機2×4500kW
（250/578r/min）雙電樞傳動，轉動慣量為76.8t ?m2；而主傳動交流同步電機9000kW
（250/578r/min）單電樞傳動，其轉動慣量為17.2t
?m2，減少為直流電機的1/4.5，使整個傳動繫統的速度響應時間由120ms 提高到70ms ，提高了產品質量和產量。


（4）動態響應好


由於交流電機轉動慣量大大減少，並且交流變頻同步電機沒有換向火花對過載能力的限制，電機可以具有更大的動態加速電流。因此，交流電機較直流電機有更好的動態響應特性。現代熱軋和冷軋機都采用了軋板精度和板形自動控制，要求軋機傳動的速度控制繫統響應達到60rad/s
，而直流電機由於換向火花限制了電機電流變化率di/dt，使速度響應僅可達到15rad/s
。表1-2-1列出了當前交流調速與直流調速的技術性能比較。


表1-2-1交流調速與直流調速的技術性能比較直流調速


直流調速 交流調速


電機電壓 1200V  1500～6000V 


功率因數 0 .7 0 .6 ～ 1 .0


交換器效率 0 .98 0.96～0.97


調速範圍 0.1%～100% 0 ～ 100 % 


調速精度 ± 0 .01 % ± 0 .01 %


速度響應 15～30rad/s  40～100rad/s 





（5）維護簡單化


交流電機由於無須換向器，所以維護量大大減少。某厚板軋機直流主傳動年維修工作量145h ，而采用交流傳動後隻需36h
，僅為直流傳動的1/4。


（6）節約能源


交流同步電機的效率比直流電機提高2%～3%。以某鋼廠1150初軋機改造為例，原直流傳動2×4500kW
，功率消耗2×343kW ，冷卻水消耗2×110m3/h ；而采用交流傳動後，電機容量增大到2×5000kW
，功率消耗僅2×186.7kW ，減少功率損耗46%冷卻水消耗為2×59m3/h
，僅為原直流電機的54%。采用交流傳動後，每噸鋼電耗，節約15%以上，而產量則提高30%以上。


1.3同步電機與異步電機調速的比較


交流調速可以采用同步電機也可以采用異步電機。同步電機與異步電機各有其特點，近20年來，世界各國電氣公司和學術界對此爭論不休。但進入20世紀90年代，對於大容量交流電機調速，世界各國已基本趨向於同步電機。表1-3-1列出了同步電機與異步電機有關數據的比較。



表1-3-1同步電機與異步電機的比較


異步電機IM  同步電機SM 


額率功率PN /kW  6000  6000 


轉速n/（r/min） 60/120  60 /120 


電機功率因數cos φ 0 .89 1 .0


效率η  0 .939 0 .955


相對轉動慣量 134%  100 % 


相對定子重量 116%  100 % 


相對轉子重量 109%  100 % 


磁通變化時間常數/ms  3 .05 0 .355


相對變頻器容量 354%  258 % 


相對激磁功率 0  10 % 


電網輸入功率因數 0 .67 0.85





（1）可靠性與維護量


異步電機的轉子結構非常簡單，它沒有滑環和激磁繞組，因此對於籠形異步電機的維護隻限於軸承。而同步電機則在其滑環上有少量的維護量，不過與直流電機換向器相比，它的維護量要少得多。現代同步電機電刷的壽命在1.5萬小時左右。尤其是近年來軋機主傳動普遍采用隱極式同步電機，其轉子堅固性與籠形電機相近。因此，同步電機的維護量與異步電機基本相同。



（2）功率因數


同步電機由於獨立的轉子激磁調節控制，可使其定子功率因數保持為1，即cos
φ＝1。而異步電機則完全不同，電機的激磁功率必須通過定子側獲得，因此，定子電流始終是滯後的，其功率因數一般在0.8左右。為了改善異步電機的功率因數，可以降低電機的磁通密度，但這受到電機的材料設計限制；另一種提高功率因數的方法是降低漏抗，但這樣又增加了電流的諧波，會進一步惡化功率因數。顯然，異步電機功率因數低是一個很難克服的缺陷。



（3）變頻器容量


由於異步電機的激磁能量是從定子側供給的，同時異步電機功率因數低於同步電機，視在功率高於同步電機，故異步電機調速的變換器容量比同步電機大30%左右。



（4）電機尺寸和轉動慣量


由於異步電機的定子電流由磁化電流和有功電流兩部分組成，因此，異步電機的定子必須具有較大的視在功率。為了提高其功率因數，異步電機盡可能將電機氣隙減少，但減少氣隙要求電機制造工藝具有更高的加工精度，而細長結構的撓度也限制了氣隙的減少，使大功率變頻調速異步電機的設計和制作更加困難。所以，異步電機常常設計成較大的定子和轉子鐵芯直徑，電機結構短粗。由於同步電機激磁從轉子提供，其氣隙可以較大，制造相對容易，因此同步電機可以設計成細長結構，且長度和直徑之比可以優化設計。同步電機的體積D2
L（直徑平方與長度的乘積）要比異步電機小得多。由表1-3-1可見，異步電機的轉動慣量和尺寸要比同步電機大。


（5）控制精度


在異步電機的磁場定向控制繫統中，磁通控制取決於轉子電阻參數，而該電阻隨溫度變化。為了消除這一影響，必須進行轉子參數辨識控制，該課題一直是國內學者科研攻關的難題。而同步電機激磁電流是單獨控制的，電機磁通不隨溫度變化，故轉矩控制精度高。



（6）弱磁比根據異步電機原理，異步電機弱磁恆功率運行時，其轉矩Memax 隨電機頻


率的增加呈二次方減少，Memax ＝MemaxN 。其中，MemaxN 為額定頻率時的轉


（fmax /fN ）2


矩，fN 為額定頻率，fmax 為頻率。當電機弱磁比達到3，即頻率是額定頻


率3倍，fmax ＝3fN 時，異步電機的轉矩為額定轉矩的1/9，即Memax ＝19


MemaxN
。由此可見，對於弱磁比超過2.5的卷取機、冷連軋機等傳動，異步電機必須采取增加容量或提高電壓的方法來提高弱磁時的轉矩。顯然，在這種場合，同步電機要優越於異步電機。



1.4大功率電力電子變換器


現代電機調速技術的基礎是電力電子技術。電器件正向著大功率、高電壓、集成化、智能化方向發展。傳統的件正逐步讓位於新型可關斷電力半導體器件。近幾年出現的集成門極換向晶閘管（IGCT
）達到6kA /6kV ，已取代門極可關斷晶閘管（GTO ）成為大功率高壓變頻器的主流器件。場控器件絕緣柵雙極晶體管（IGBT
）在中小功率交流調速中普遍應用。1kA /6.5kV 的IGBT 以及4kA /4.5kV
的另一種場控器件――注入增強型絕緣柵晶體管（IEGT
）研制成功，並開始應用於大功率高壓變頻器。此外，將微電子集成電路與電力電子器件組合形成的功率集成電路（Power IC
）、智能功率模塊（IPM ）、功率電力電子集成模塊