第6章-同步電動機調(diào)速系統(tǒng)-《電機運動控制系統(tǒng)》課件

第6章同步電動機調(diào)速系統(tǒng)6.1同步電機控制基礎6.2同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)和穩(wěn)態(tài)控制6.3可控勵磁同步電動機數(shù)學模型6.4可控勵磁同步電動機按氣隙磁場定向

的矢量控制系統(tǒng)

6.5自控式無換向器電機變頻調(diào)速系統(tǒng)6.6永磁同步電動機調(diào)速控制系統(tǒng)第6章同步電動機調(diào)速系統(tǒng)6.1同步電機控6.1同步電機控制基礎

6.1.1同步電機原理和分類一

同步電機工作原理

同步電機由電樞和勵磁二部分組成，電樞在定子上，與異步電機相同是三相繞組

勵磁在轉子上，勵磁由直流繞組F或永久磁鐵產(chǎn)生

轉子上一般還有短路的阻尼繞組Dd和Dq

定子磁勢轉子繞組或永久磁鐵產(chǎn)生勵磁磁勢和合成產(chǎn)生氣隙磁勢都以相同的同步角速度旋轉6.1同步電機控制基礎

6.1.1同步電機原理和

電動機狀態(tài)定子繞組接交流電源，定子磁勢與轉子磁勢合成產(chǎn)生氣隙磁勢

氣隙磁勢與轉子磁勢的作用，對轉子產(chǎn)生電磁轉矩帶動轉子和負載旋轉

在發(fā)電機狀態(tài)時，轉子由原動機拖動，轉子勵磁領先氣隙磁勢，將原動機機械功轉化為電能輸出。電動機狀態(tài)發(fā)電機狀態(tài)電動機狀態(tài)定子繞組接交流電源，定子磁勢與轉子磁勢合成

同步電機由磁場的互相牽引產(chǎn)生轉動，磁場的旋轉速度就是電機的轉速，在電動狀態(tài)，轉速與電源頻率成正比，改變頻率就可以調(diào)節(jié)轉速；在發(fā)電狀態(tài)，原動機的轉速決定了發(fā)電機的輸出頻率，原動機轉速穩(wěn)定，發(fā)電機輸出頻率也是穩(wěn)定的。

同步電機的轉子一般有隱極和凸極兩種，隱極式轉子同步電機氣隙均勻，凸極式轉子氣隙不均勻，直軸方向磁阻小，交軸方向磁阻大，使直軸電樞反應電抗和交軸電樞反應電抗不相同

同步電機轉子上可能有補償繞組和阻尼繞組，補償繞組用以補償直軸電樞反應，阻尼繞組用于減小同步電機的振蕩。阻尼繞組是轉子上安裝的短路導體，相當于異步電動機的籠型轉子，因此同步電動機起動方式之一是利用阻尼繞組，使同步電動機先以異步方式起動，在接近同步轉速后再接通轉子勵磁使電機牽入同步，在達到同步轉速后阻尼繞組的感應電流為0，阻尼繞組失去作用。同步電機由磁場的互相牽引產(chǎn)生轉動，磁場的旋轉速度就二

同步電機分類1.可控勵磁同步電機2.永磁同步電機（1）正弦波永磁同步電機

定子繞組與一般交流電動機相同為三相分布式繞組，在輸入三相正弦交流電時，每相產(chǎn)生磁場為正弦波，故稱之正弦波永磁同步電機，一般永磁同步電機（Permanentmagnetsynchronous,PMSM）即是指正弦波永磁同步電機。（2）梯形波永磁同步電機

定子一般采用集中式繞組，輸入三相矩形波交流電時，各相產(chǎn)生的磁場為梯形波，故謂之梯形波永磁同步電機。梯形波永磁同步電機是從直流電機演化而來，它將直流電機轉子上的電樞放到定子上，不再需要直流電機的電刷和換向器，因此梯形波永磁同步電機一般都稱為無刷直流電機（BrushlessDCmotor,BLDM）?？梢酝ㄟ^直流勵磁電流調(diào)節(jié).轉子為直流勵磁繞組，勵磁二同步電機分類1.可控勵磁同步電機2.永磁6.1.2同步電機基本方程一

電壓方程-----功率因數(shù)角與的夾角——內(nèi)功率因數(shù)角與的夾角——功率角的夾角6.1.2同步電機基本方程一電壓方程-----功二

同步電機電磁功率和電磁轉矩

1.電磁功率（功角特性）（1）凸極式同步電動機電磁功率（2）隱極式同步電動機電磁功率氣隙均勻直軸和交軸磁阻相同同步電動機電磁功率都是

角的正弦函數(shù)，

——功率角二同步電機電磁功率和電磁轉矩

1.電磁功率（功角特性2.電磁轉矩（矩角特性）凸極式同步機電磁轉矩隱極式同步機電磁轉矩同步電機轉矩都是角的正弦函數(shù)，也稱轉矩角也稱轉矩角2.電磁轉矩（矩角特性）凸極式同步機電磁轉矩隱極式同步

6.1.3同步電機特殊問題——失步和功率因數(shù)控制一

同步電機的穩(wěn)定運行和失步A和B交點上都有，

A是電機穩(wěn)定工作點，B是不穩(wěn)定工作點在B點，如負載從增加到，由于B點

功率角增加，使

電機轉速將下降，在區(qū)間轉矩都小于

在電機轉矩為“-”，

電機繼續(xù)處于減速狀態(tài)，在進入電機穩(wěn)定點穩(wěn)定工作。

運行區(qū)，電機將在6.1.3同步電機特殊問題——失步和功率因數(shù)控制一如果負載轉矩電機轉速下降將使同步電動機進入“失步”狀態(tài)。在“失步”狀態(tài)，角反復在之間循環(huán)，

和轉向都隨

變化電機轉矩的大小電機發(fā)生劇烈的機械振動和電流振蕩——失步現(xiàn)象

同樣情況也會發(fā)生在負載急劇變化的時候，這是需要避免的。在同步電機變頻調(diào)速沒有實現(xiàn)前，同步電機主要使用在負載比較穩(wěn)定的場合，如大功率風機和水泵。如果負載轉矩電機轉速下降將使同步電動機進入“失步”狀態(tài)。在“二

功率因數(shù)控制在同步電動機一定工作狀態(tài)，電機電源電壓和電樞阻抗

不變，功率角

是固定的在負載不變時同步使定子電勢

與的相位是一定的，調(diào)節(jié)勵磁使增加，與的相位角增加，即功率因數(shù)變化，強勵磁下，功率因數(shù)從滯后變?yōu)槌岸β室驍?shù)控制在同步電動機一定工作狀態(tài)，電機電源電三

同步電動機的起動

同步電動機起動時，如果直接合閘接通定子三相和轉子勵磁，定子磁場即以同步速旋轉，但是轉子速度是從零開始，使轉子勵磁與定子磁場轉速不能同步，電動機功率角

在之間重復變化，不能起動。因此同步電機起動時一般需要由一周期中電機產(chǎn)生的平均轉矩為0，再接通電源將電機轉速牽入同步。將同步電動機帶到接近同步速時，同步電動機同步電機與直流電機比較

二者都有電樞繞組和直流勵磁繞組，其它動力（如異步電動機等）電樞繞組流通的都是交流電，兩種電機本質相同。

同步電機沒有換向器，定子繞組直接連接交流電源，因此交流電源頻率就決定了電機轉速（電動機狀態(tài)）三同步電動機的起動同步電動機起動時，如果直同步電機和異步電機比較

同步電機和異步電機有相同的定子結構，轉子結構不同異步電動機轉子電流由定子繞組磁場感應產(chǎn)生，定子磁場旋轉速度與轉子轉速不同（異步），異步電動機轉矩是轉差的函數(shù)，電機轉速隨轉矩變化。同步電動機轉矩是功率角的函數(shù)，加大功率角就可以提高轉矩但是轉速不變，二者相比，同步電動機對轉矩擾動有更強的承受能力。異步電動機低速時因為定子阻抗壓降，磁通減小，低速性能較差，而同步電動機有獨立的勵磁，勵磁不受轉速影響，轉速為穩(wěn)定的同步速，因此同步電動機較異步電動機有更寬的調(diào)速范圍和更好的調(diào)速性能。同步電機和異步電機比較同步電機和異步電機有相同的定子6.2同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)和穩(wěn)態(tài)控制

同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由變頻器和同步電動機組成，同步電動機電壓和頻率也需要和異步電動機一樣進行協(xié)調(diào)控制，即VVVF控制。異步電動機VVVF控制的目的是保持氣隙磁通不變，同步電動機勵磁是獨立控制的，沒有異步電動機的保持磁通不變問題，同步電動機VVVF控制的目的是，在變頻調(diào)速中保持同步電動機的最大轉矩不變。6.2同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)和穩(wěn)態(tài)控制同步6.2.2同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)的分類1.它控式變頻同步電動機調(diào)速系統(tǒng)

獨立控制變頻器的輸出頻率和電壓，SPWM調(diào)制的逆變器，調(diào)節(jié)調(diào)制波的頻率和幅值，就可以調(diào)節(jié)逆變器輸出頻率和電壓。它控式變頻同步電動機調(diào)速系統(tǒng)可以用于單機控制或多機群控6.2.2同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)的分類1.它控2.自控式變頻同步電動機調(diào)速系統(tǒng)

變頻器輸出頻率由同步機轉子位置控制的系統(tǒng)，它通過轉子軸上連接的位置編碼器BQ輸出信號來控制變頻器的輸出頻率，變頻器輸出頻率與轉速嚴格保持同步，因此自控式同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)沒有一般同步電機的失步和振蕩問題。因為頻率是自動控制的，調(diào)壓就能調(diào)速使用方便。自控式同步電動機應用很多，采用永久磁鐵的矩形波永磁同步電動機，通稱直流無刷電動機。2.自控式變頻同步電動機調(diào)速系統(tǒng)變頻器輸出頻率6.3可控勵磁同步電動機數(shù)學模型6.3.1同步電機磁鏈方程凸極式同步電機在二相dq旋轉坐標系上的磁鏈方程對隱極式同步電機：，；,

6.3可控勵磁同步電動機數(shù)學模型6.3.1同步6.3.2同步電機在二相旋轉坐標系上的電壓方程轉子勵磁繞組和阻尼繞組在dq坐標系上的電壓方程定子電壓方程因為轉子繞組定義在dq坐標系上，且隨dq坐標系同步旋轉，因此轉子電壓方程沒有定子電壓方程中的旋轉電動勢項，因為阻尼繞組是短路的，其電壓為06.3.2同步電機在二相旋轉坐標系上的電壓方程轉子勵磁凸極同步電機的電壓方程（矩陣式）6.3.3同步電機轉矩方程凸極同步電機的電壓方程（矩陣式）6.3.3同步電機轉矩方

6.4可控勵磁同步電動機按氣隙磁場定向的矢量控制系統(tǒng)

同步電動機氣隙磁場是轉子勵磁和定子電樞磁場的合成，轉子勵磁由勵磁電流控制是可確定的，而定子電樞磁場受定子電流影響，定子電流與負載有關，因此氣隙磁場要通過定子電流控制。6.4可控勵磁同步電動機按氣隙磁場定向的矢量控制系統(tǒng)6.4.1氣隙磁場定向和轉矩控制

一

氣隙磁場定向同步電動機矢量關系（不考慮阻尼繞組）氣隙磁鏈、勵磁磁鏈

定子磁鏈電流、、都是空間旋轉矢量，它們的旋轉速度都為

圖中建立了兩個旋轉直角坐標系，其中dq坐標系的d軸與轉子勵磁方向重合，MT坐標系的M軸與氣隙磁鏈即按氣隙磁鏈方向定向。

方向重合，6.4.1氣隙磁場定向和轉矩控制

一氣隙磁場三相靜止坐標系A軸的位置可以通過轉子位置檢測器，

準確檢測——t=0時轉子初始位置二

按氣隙磁鏈定向的同步電機轉矩按氣隙磁鏈定向，氣隙磁鏈在M軸上磁鏈

在T軸上分量

不考慮阻尼繞組，按氣隙磁鏈定向的同步電機轉矩三相靜止坐標系A軸的位置可以通過轉子位置檢測器，準確檢測—6.4.2按氣隙磁場定向的可控勵磁

同步電動機矢量控制系統(tǒng)電流控制型變頻器供電，電機勵磁由轉子可控整流器控制，位置檢測器BQ和轉速檢測器FBS。轉速和電流的雙閉環(huán)控制，氣隙磁鏈的開環(huán)控制6.4.2按氣隙磁場定向的可控勵磁

一

轉子勵磁控制氣隙磁通給定環(huán)節(jié)根據(jù)轉速確定氣隙磁通給定值由式6.14計算氣隙磁鏈電流給定值氣隙電流勵磁分量

轉子勵磁調(diào)節(jié)器AFR根據(jù)勵磁偏差偏差經(jīng)勵磁調(diào)節(jié)器AFR得到勵磁整流器的控制信號，通過整流器控制勵磁電流二

按氣隙磁鏈定向的轉矩和定子電流控制

轉速調(diào)節(jié)器ASR根據(jù)轉速偏差產(chǎn)生轉矩控制信號，并由式6.15計算定子電流轉矩分量。定子電流的勵磁分量采用給定方式。經(jīng)2r/3s變換得到三相定子電流的給定值，定向角三相電流的頻率和相位隨

變化，在負載使轉速出現(xiàn)波動時ASR輸出的轉矩信號變化，通過調(diào)節(jié)定子電流的轉矩分量調(diào)節(jié)功率角，控制定子電流保持轉速不變。一轉子勵磁控制氣隙磁通給定環(huán)節(jié)根據(jù)轉速確定氣隙磁通給定值三

定子電流勵磁分量和功率因數(shù)

采用交直交變頻器時，不控整流器阻斷了無功的通路，整流器網(wǎng)側無功不能控制，電動機的無功由變頻器中間直流環(huán)節(jié)的大電容緩沖；當使用雙PWM變頻器時，網(wǎng)側無功受網(wǎng)側PWM整流器控制，兩者網(wǎng)側功率因數(shù)都與電機功率因數(shù)無關，因此選擇電機功率因數(shù)

，可取定子電流在M軸上的勵磁分量為0，定子電流

中只含轉矩分量，控制定子電流就控制了電機的轉矩。三定子電流勵磁分量和功率因數(shù)采用交直交變頻器時，不6.5

自控式無換向器電機變頻調(diào)速系統(tǒng)

6.5.1無換向器電機原理晶閘管整流器,逆變器,電感Ld用于平滑直流環(huán)節(jié)電流Id和緩沖電動機無功。6.5自控式無換向器電機變頻調(diào)速系統(tǒng)

6.5.1晶閘管逆變器一般采用導通型

提供三相方波電流為電動機

通過調(diào)節(jié)可控整流器電壓可調(diào)節(jié)直流環(huán)節(jié)電流，從而調(diào)節(jié)三相方波電流的幅值。

晶閘管觸發(fā)信號由電動機軸上的轉子位置檢測器BQ產(chǎn)生，對于一對極電機，轉子每旋轉一周位置檢測器發(fā)出6個脈沖信號，依次觸發(fā)6個晶閘管與轉速成正比，即逆變器輸出頻率與同步電動機轉速成正比，逆變器輸出頻率受電機轉速控制，晶閘管觸發(fā)周期晶閘管逆變器一般采用導通型提供三相方波電流為電動機6.5.2晶閘管逆變器的換流方式利用同步電動機定子繞組的三相感應電勢為晶閘管提供關斷條件——負載換流方式。定子繞組感應電動勢VT3受正向電壓，觸發(fā)VT3，VT3將導通。VT3導通后形成VT1導通時回路并產(chǎn)生環(huán)流,抵消了VT1的正向電流使VT1電流下降為0而關斷

VT1和VT3的換流必須在K點之前完成，并留有一定余量，VT3觸發(fā)要領先K點換流重疊角6.5.2晶閘管逆變器的換流方式利用同步電動機定子繞組的三

同步電動機轉速較低時，定子繞組感應電勢很小，換流時產(chǎn)生的環(huán)流不足以抵消晶閘管正向電流而關斷

一般采用電流斷續(xù)換流的方法，使逆變器晶閘管在

狀態(tài)下?lián)Q流，在需要換流時，先控制晶閘管整流器工作于逆變狀態(tài)呈下降趨勢，電感感應電勢方向變?yōu)橛摇?”左“-”，這時觸發(fā)VT0導通，使電感電流Id經(jīng)VT0續(xù)流，逆變器直流側輸入電流為0，如此逆變器晶閘管可以零電流狀態(tài)換流同步電動機轉速較低時，定子繞組感應電勢很小，換流時產(chǎn)6.5.3無換向器電機調(diào)速系統(tǒng)轉速調(diào)節(jié)器ASR,電流調(diào)節(jié)器ACR和觸發(fā)器CF1組成整流器控制通道，根據(jù)轉速偏差控制整流器輸出電壓調(diào)節(jié)轉速。逆變器晶閘管由轉子位置檢測器BQ經(jīng)觸發(fā)器CF2產(chǎn)生脈沖觸發(fā)。6.5.3無換向器電機調(diào)速系統(tǒng)轉速調(diào)節(jié)器ASR,電流調(diào)節(jié)6.6永磁同步電動機調(diào)速控制系統(tǒng)永磁同步電動機轉子勵磁是永久磁鋼，與可控勵磁相比不需要勵磁控制裝置，結構較簡單(a)套筒型(b)瓦片型(c)嵌入型(d)內(nèi)埋型正弦波永磁同步電動機（常稱永磁同步電動機）梯形波永磁同步電動機（常稱無刷直流電動機）通以三相正弦電流時產(chǎn)生圓形旋轉磁場，轉矩脈動較小

通以三相矩形波電流時產(chǎn)生六邊型旋轉磁場，轉矩脈動較大，但是成本較低控制較為簡單6.6永磁同步電動機調(diào)速控制系統(tǒng)永磁同步電動機轉6.6.1永磁同步電動機動態(tài)數(shù)學模型在二相dq坐標系上定子磁鏈方程電壓方程：轉矩方程6.6.1永磁同步電動機動態(tài)數(shù)學模型在二相dq坐標系上定子6.6.2永磁同步電動機按轉子位置定向

矢量控制系統(tǒng)6.6.2永磁同步電動機按轉子位置定向

矢量控制系

正弦波永磁同步電動機（PMSM）矢量控制一般都采用按轉子磁鏈定向的方法，因為轉子位置用光電編碼器可以方便地檢測

設定定子電流的勵磁分量由轉速調(diào)節(jié)器ASR產(chǎn)生定子電流的轉矩分量定子電流的轉矩分量和勵磁分量經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器和2s/3s變換得到三相電壓給定值，經(jīng)變頻器控制永磁同步電動機的定子三相電壓。三相電壓頻率

受轉子位置

控制因此電壓頻率與轉速同步，屬于自控式變頻同步電動機調(diào)速。正弦波永磁同步電動機（PMSM）矢量控制一般都采6.6.3永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)仿真永磁同步電動機按轉子位置定向矢量控制系統(tǒng)仿真模型6.6.3永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)仿真永磁同步電動機按轉子

(a)轉速(d)A相電流(b)電流dq軸分量(e)B相電流空載起動，在0.05秒時電機加載4N.m0.15秒時轉速調(diào)整為1000rpm(a)轉速6.6.4無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)主電路一般采用不控整流和PWM逆變器，逆變器輸出電壓為寬的方波，在方波的范圍內(nèi)進行PWM斬波控制

調(diào)節(jié)PWM占空比調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓，從而調(diào)節(jié)電動機轉速轉速電流的雙閉環(huán)控制，PWM根據(jù)ACR輸出信號調(diào)節(jié)脈沖占空比6.6.4無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)主電路6.6.5無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)仿真無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)模型6.6.5無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)仿真無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)模

Controller模塊結構Controller模塊結構(a)轉速響應(d)A相電流(b)轉矩響應(e)B相電流(c)A相繞組感應電動勢(f)c相電流(a)轉速響應本章小結

同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)轉速穩(wěn)定，調(diào)速范圍寬，自控式變頻調(diào)速，變頻器頻率受轉子位置控制可以減小和避免振蕩和失步問題，但是轉速檢測和轉子定位的精度對同步電動機工作有很大影響。起動是同步電動機的特殊問題，除帶阻尼繞組的同步電動機可以用異步方式起動外，一般需要外加的起動裝置，小功率同步電動機在空載下也可以低速起動。對自控式變頻調(diào)速要求在零速時也能產(chǎn)生驅動信號，靜止時轉子位置的檢測也是位置傳感器研究的課題。

轉子位置檢測常用的方法是在軸上安裝光電編碼器，近年來無位置傳感器技術有很大發(fā)展，如直接計算法，高頻注入法等，

同步電動機變壓變頻調(diào)速都使用電力電子變頻器，大功率系統(tǒng)可以使用交交變頻器，高壓大功率系統(tǒng)可以使用多電平逆變器，中小功率系統(tǒng)使用PWM變頻器較多。本章小結同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)轉速穩(wěn)定，調(diào)速范圍第6章同步電動機調(diào)速系統(tǒng)6.1同步電機控制基礎6.2同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)和穩(wěn)態(tài)控制6.3可控勵磁同步電動機數(shù)學模型6.4可控勵磁同步電動機按氣隙磁場定向

的矢量控制系統(tǒng)

6.5自控式無換向器電機變頻調(diào)速系統(tǒng)6.6永磁同步電動機調(diào)速控制系統(tǒng)第6章同步電動機調(diào)速系統(tǒng)6.1同步電機控6.1同步電機控制基礎

6.1.1同步電機原理和分類一

同步電機工作原理

同步電機由電樞和勵磁二部分組成，電樞在定子上，與異步電機相同是三相繞組

勵磁在轉子上，勵磁由直流繞組F或永久磁鐵產(chǎn)生

轉子上一般還有短路的阻尼繞組Dd和Dq

定子磁勢轉子繞組或永久磁鐵產(chǎn)生勵磁磁勢和合成產(chǎn)生氣隙磁勢都以相同的同步角速度旋轉6.1同步電機控制基礎

6.1.1同步電機原理和

電動機狀態(tài)定子繞組接交流電源，定子磁勢與轉子磁勢合成產(chǎn)生氣隙磁勢

氣隙磁勢與轉子磁勢的作用，對轉子產(chǎn)生電磁轉矩帶動轉子和負載旋轉

在發(fā)電機狀態(tài)時，轉子由原動機拖動，轉子勵磁領先氣隙磁勢，將原動機機械功轉化為電能輸出。電動機狀態(tài)發(fā)電機狀態(tài)電動機狀態(tài)定子繞組接交流電源，定子磁勢與轉子磁勢合成

同步電機由磁場的互相牽引產(chǎn)生轉動，磁場的旋轉速度就是電機的轉速，在電動狀態(tài)，轉速與電源頻率成正比，改變頻率就可以調(diào)節(jié)轉速；在發(fā)電狀態(tài)，原動機的轉速決定了發(fā)電機的輸出頻率，原動機轉速穩(wěn)定，發(fā)電機輸出頻率也是穩(wěn)定的。

同步電機的轉子一般有隱極和凸極兩種，隱極式轉子同步電機氣隙均勻，凸極式轉子氣隙不均勻，直軸方向磁阻小，交軸方向磁阻大，使直軸電樞反應電抗和交軸電樞反應電抗不相同

同步電機轉子上可能有補償繞組和阻尼繞組，補償繞組用以補償直軸電樞反應，阻尼繞組用于減小同步電機的振蕩。阻尼繞組是轉子上安裝的短路導體，相當于異步電動機的籠型轉子，因此同步電動機起動方式之一是利用阻尼繞組，使同步電動機先以異步方式起動，在接近同步轉速后再接通轉子勵磁使電機牽入同步，在達到同步轉速后阻尼繞組的感應電流為0，阻尼繞組失去作用。同步電機由磁場的互相牽引產(chǎn)生轉動，磁場的旋轉速度就二

同步電機分類1.可控勵磁同步電機2.永磁同步電機（1）正弦波永磁同步電機

定子繞組與一般交流電動機相同為三相分布式繞組，在輸入三相正弦交流電時，每相產(chǎn)生磁場為正弦波，故稱之正弦波永磁同步電機，一般永磁同步電機（Permanentmagnetsynchronous,PMSM）即是指正弦波永磁同步電機。（2）梯形波永磁同步電機

定子一般采用集中式繞組，輸入三相矩形波交流電時，各相產(chǎn)生的磁場為梯形波，故謂之梯形波永磁同步電機。梯形波永磁同步電機是從直流電機演化而來，它將直流電機轉子上的電樞放到定子上，不再需要直流電機的電刷和換向器，因此梯形波永磁同步電機一般都稱為無刷直流電機（BrushlessDCmotor,BLDM）?？梢酝ㄟ^直流勵磁電流調(diào)節(jié).轉子為直流勵磁繞組，勵磁二同步電機分類1.可控勵磁同步電機2.永磁6.1.2同步電機基本方程一

電壓方程-----功率因數(shù)角與的夾角——內(nèi)功率因數(shù)角與的夾角——功率角的夾角6.1.2同步電機基本方程一電壓方程-----功二

同步電機電磁功率和電磁轉矩

1.電磁功率（功角特性）（1）凸極式同步電動機電磁功率（2）隱極式同步電動機電磁功率氣隙均勻直軸和交軸磁阻相同同步電動機電磁功率都是

角的正弦函數(shù)，

——功率角二同步電機電磁功率和電磁轉矩

1.電磁功率（功角特性2.電磁轉矩（矩角特性）凸極式同步機電磁轉矩隱極式同步機電磁轉矩同步電機轉矩都是角的正弦函數(shù)，也稱轉矩角也稱轉矩角2.電磁轉矩（矩角特性）凸極式同步機電磁轉矩隱極式同步

6.1.3同步電機特殊問題——失步和功率因數(shù)控制一

同步電機的穩(wěn)定運行和失步A和B交點上都有，

A是電機穩(wěn)定工作點，B是不穩(wěn)定工作點在B點，如負載從增加到，由于B點

功率角增加，使

電機轉速將下降，在區(qū)間轉矩都小于

在電機轉矩為“-”，

電機繼續(xù)處于減速狀態(tài)，在進入電機穩(wěn)定點穩(wěn)定工作。

運行區(qū)，電機將在6.1.3同步電機特殊問題——失步和功率因數(shù)控制一如果負載轉矩電機轉速下降將使同步電動機進入“失步”狀態(tài)。在“失步”狀態(tài)，角反復在之間循環(huán)，

和轉向都隨

變化電機轉矩的大小電機發(fā)生劇烈的機械振動和電流振蕩——失步現(xiàn)象

同樣情況也會發(fā)生在負載急劇變化的時候，這是需要避免的。在同步電機變頻調(diào)速沒有實現(xiàn)前，同步電機主要使用在負載比較穩(wěn)定的場合，如大功率風機和水泵。如果負載轉矩電機轉速下降將使同步電動機進入“失步”狀態(tài)。在“二

功率因數(shù)控制在同步電動機一定工作狀態(tài)，電機電源電壓和電樞阻抗

不變，功率角

是固定的在負載不變時同步使定子電勢

與的相位是一定的，調(diào)節(jié)勵磁使增加，與的相位角增加，即功率因數(shù)變化，強勵磁下，功率因數(shù)從滯后變?yōu)槌岸β室驍?shù)控制在同步電動機一定工作狀態(tài)，電機電源電三

同步電動機的起動

同步電動機起動時，如果直接合閘接通定子三相和轉子勵磁，定子磁場即以同步速旋轉，但是轉子速度是從零開始，使轉子勵磁與定子磁場轉速不能同步，電動機功率角

在之間重復變化，不能起動。因此同步電機起動時一般需要由一周期中電機產(chǎn)生的平均轉矩為0，再接通電源將電機轉速牽入同步。將同步電動機帶到接近同步速時，同步電動機同步電機與直流電機比較

二者都有電樞繞組和直流勵磁繞組，其它動力（如異步電動機等）電樞繞組流通的都是交流電，兩種電機本質相同。

同步電機沒有換向器，定子繞組直接連接交流電源，因此交流電源頻率就決定了電機轉速（電動機狀態(tài)）三同步電動機的起動同步電動機起動時，如果直同步電機和異步電機比較

同步電機和異步電機有相同的定子結構，轉子結構不同異步電動機轉子電流由定子繞組磁場感應產(chǎn)生，定子磁場旋轉速度與轉子轉速不同（異步），異步電動機轉矩是轉差的函數(shù)，電機轉速隨轉矩變化。同步電動機轉矩是功率角的函數(shù)，加大功率角就可以提高轉矩但是轉速不變，二者相比，同步電動機對轉矩擾動有更強的承受能力。異步電動機低速時因為定子阻抗壓降，磁通減小，低速性能較差，而同步電動機有獨立的勵磁，勵磁不受轉速影響，轉速為穩(wěn)定的同步速，因此同步電動機較異步電動機有更寬的調(diào)速范圍和更好的調(diào)速性能。同步電機和異步電機比較同步電機和異步電機有相同的定子6.2同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)和穩(wěn)態(tài)控制

同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由變頻器和同步電動機組成，同步電動機電壓和頻率也需要和異步電動機一樣進行協(xié)調(diào)控制，即VVVF控制。異步電動機VVVF控制的目的是保持氣隙磁通不變，同步電動機勵磁是獨立控制的，沒有異步電動機的保持磁通不變問題，同步電動機VVVF控制的目的是，在變頻調(diào)速中保持同步電動機的最大轉矩不變。6.2同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)和穩(wěn)態(tài)控制同步6.2.2同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)的分類1.它控式變頻同步電動機調(diào)速系統(tǒng)

獨立控制變頻器的輸出頻率和電壓，SPWM調(diào)制的逆變器，調(diào)節(jié)調(diào)制波的頻率和幅值，就可以調(diào)節(jié)逆變器輸出頻率和電壓。它控式變頻同步電動機調(diào)速系統(tǒng)可以用于單機控制或多機群控6.2.2同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)的分類1.它控2.自控式變頻同步電動機調(diào)速系統(tǒng)

變頻器輸出頻率由同步機轉子位置控制的系統(tǒng)，它通過轉子軸上連接的位置編碼器BQ輸出信號來控制變頻器的輸出頻率，變頻器輸出頻率與轉速嚴格保持同步，因此自控式同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)沒有一般同步電機的失步和振蕩問題。因為頻率是自動控制的，調(diào)壓就能調(diào)速使用方便。自控式同步電動機應用很多，采用永久磁鐵的矩形波永磁同步電動機，通稱直流無刷電動機。2.自控式變頻同步電動機調(diào)速系統(tǒng)變頻器輸出頻率6.3可控勵磁同步電動機數(shù)學模型6.3.1同步電機磁鏈方程凸極式同步電機在二相dq旋轉坐標系上的磁鏈方程對隱極式同步電機：，；,

6.3可控勵磁同步電動機數(shù)學模型6.3.1同步6.3.2同步電機在二相旋轉坐標系上的電壓方程轉子勵磁繞組和阻尼繞組在dq坐標系上的電壓方程定子電壓方程因為轉子繞組定義在dq坐標系上，且隨dq坐標系同步旋轉，因此轉子電壓方程沒有定子電壓方程中的旋轉電動勢項，因為阻尼繞組是短路的，其電壓為06.3.2同步電機在二相旋轉坐標系上的電壓方程轉子勵磁凸極同步電機的電壓方程（矩陣式）6.3.3同步電機轉矩方程凸極同步電機的電壓方程（矩陣式）6.3.3同步電機轉矩方

6.4可控勵磁同步電動機按氣隙磁場定向的矢量控制系統(tǒng)

同步電動機氣隙磁場是轉子勵磁和定子電樞磁場的合成，轉子勵磁由勵磁電流控制是可確定的，而定子電樞磁場受定子電流影響，定子電流與負載有關，因此氣隙磁場要通過定子電流控制。6.4可控勵磁同步電動機按氣隙磁場定向的矢量控制系統(tǒng)6.4.1氣隙磁場定向和轉矩控制

一

氣隙磁場定向同步電動機矢量關系（不考慮阻尼繞組）氣隙磁鏈、勵磁磁鏈

定子磁鏈電流、、都是空間旋轉矢量，它們的旋轉速度都為

圖中建立了兩個旋轉直角坐標系，其中dq坐標系的d軸與轉子勵磁方向重合，MT坐標系的M軸與氣隙磁鏈即按氣隙磁鏈方向定向。

方向重合，6.4.1氣隙磁場定向和轉矩控制

一氣隙磁場三相靜止坐標系A軸的位置可以通過轉子位置檢測器，

準確檢測——t=0時轉子初始位置二

按氣隙磁鏈定向的同步電機轉矩按氣隙磁鏈定向，氣隙磁鏈在M軸上磁鏈

在T軸上分量

不考慮阻尼繞組，按氣隙磁鏈定向的同步電機轉矩三相靜止坐標系A軸的位置可以通過轉子位置檢測器，準確檢測—6.4.2按氣隙磁場定向的可控勵磁

同步電動機矢量控制系統(tǒng)電流控制型變頻器供電，電機勵磁由轉子可控整流器控制，位置檢測器BQ和轉速檢測器FBS。轉速和電流的雙閉環(huán)控制，氣隙磁鏈的開環(huán)控制6.4.2按氣隙磁場定向的可控勵磁

一

轉子勵磁控制氣隙磁通給定環(huán)節(jié)根據(jù)轉速確定氣隙磁通給定值由式6.14計算氣隙磁鏈電流給定值氣隙電流勵磁分量

轉子勵磁調(diào)節(jié)器AFR根據(jù)勵磁偏差偏差經(jīng)勵磁調(diào)節(jié)器AFR得到勵磁整流器的控制信號，通過整流器控制勵磁電流二

按氣隙磁鏈定向的轉矩和定子電流控制

轉速調(diào)節(jié)器ASR根據(jù)轉速偏差產(chǎn)生轉矩控制信號，并由式6.15計算定子電流轉矩分量。定子電流的勵磁分量采用給定方式。經(jīng)2r/3s變換得到三相定子電流的給定值，定向角三相電流的頻率和相位隨

變化，在負載使轉速出現(xiàn)波動時ASR輸出的轉矩信號變化，通過調(diào)節(jié)定子電流的轉矩分量調(diào)節(jié)功率角，控制定子電流保持轉速不變。一轉子勵磁控制氣隙磁通給定環(huán)節(jié)根據(jù)轉速確定氣隙磁通給定值三

定子電流勵磁分量和功率因數(shù)

采用交直交變頻器時，不控整流器阻斷了無功的通路，整流器網(wǎng)側無功不能控制，電動機的無功由變頻器中間直流環(huán)節(jié)的大電容緩沖；當使用雙PWM變頻器時，網(wǎng)側無功受網(wǎng)側PWM整流器控制，兩者網(wǎng)側功率因數(shù)都與電機功率因數(shù)無關，因此選擇電機功率因數(shù)

，可取定子電流在M軸上的勵磁分量為0，定子電流

中只含轉矩分量，控制定子電流就控制了電機的轉矩。三定子電流勵磁分量和功率因數(shù)采用交直交變頻器時，不6.5

自控式無換向器電機變頻調(diào)速系統(tǒng)

6.5.1無換向器電機原理晶閘管整流器,逆變器,電感Ld用于平滑直流環(huán)節(jié)電流Id和緩沖電動機無功。6.5自控式無換向器電機變頻調(diào)速系統(tǒng)

6.5.1晶閘管逆變器一般采用導通型

提供三相方波電流為電動機

通過調(diào)節(jié)可控整流器電壓可調(diào)節(jié)直流環(huán)節(jié)電流，從而調(diào)節(jié)三相方波電流的幅值。

晶閘管觸發(fā)信號由電動機軸上的轉子位置檢測器BQ產(chǎn)生，對于一對極電機，轉子每旋轉一周位置檢測器發(fā)出6個脈沖信號，依次觸發(fā)6個晶閘管與轉速成正比，即逆變器輸出頻率與同步電動機轉速成正比，逆變器輸出頻率受電機轉速控制，晶閘管觸發(fā)周期晶閘管逆變器一般采用導通型提供三相方波電流為電動機6.5.2晶閘管逆變器的換流方式利用同步電動機定子繞組的三相感應電勢為晶閘管提供關斷條件——負載換流方式。定子繞組感應電動勢VT3受正向電壓，觸發(fā)VT3，VT3將導通。VT3導通后形成VT1導通時回路并產(chǎn)生環(huán)流,抵消了VT1的正向電流使VT1電流下降為0而關斷

VT1和VT3的換流必須在K點之前完成，并留有一定余量，VT3觸發(fā)要領先K點換流重疊角6.5.2晶閘管逆變器的換流方式利用同步電動機定子繞組的三

同步電動機轉速較低時，定子繞組感應電勢很小，換流時產(chǎn)生的環(huán)流不足以抵消晶閘管正向電流而關斷

一般采用電流斷續(xù)換流的方法，使逆變器晶閘管在

狀態(tài)下?lián)Q流，在需要換流時，先控制晶閘管整流器工作于逆變狀態(tài)呈下降趨勢，電感感應電勢方向變?yōu)橛摇?”左“-”，這時觸發(fā)VT0導通，使電感電流Id經(jīng)VT0續(xù)流，逆變器直流側輸入電流為0，如此逆變器晶閘管可以零電流狀態(tài)換流同步電動機轉速較低時，定子繞組感應電勢很小，換流時產(chǎn)6.5.3無換向器電機調(diào)速系統(tǒng)轉速調(diào)節(jié)器ASR,電流調(diào)節(jié)器ACR和觸發(fā)器CF1組成整流器控制通道，根據(jù)轉速偏差控制整流器輸出電壓調(diào)節(jié)轉速。逆變器晶閘管由轉子位置檢測器BQ經(jīng)觸發(fā)器CF2產(chǎn)生脈沖觸發(fā)。6.5.3無換向器電機調(diào)速系統(tǒng)轉速調(diào)節(jié)器ASR,電流調(diào)節(jié)6.6永磁同步電動機調(diào)速控制系統(tǒng)永磁同步電動機轉子勵磁是永久磁鋼，與可控勵磁相比不需要勵磁控制裝置，結構較簡單(a)套筒型(b)瓦片型(c)嵌入型(d)內(nèi)埋型正弦波永磁同步電動機（常稱永磁同步電動機）梯形波永磁同步電動機（常稱無刷直流電動機）通以三相正弦電流時產(chǎn)生圓形旋轉磁場，轉矩