第6章-同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)-《電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》課件

第6章同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)6.1同步電機(jī)控制基礎(chǔ)6.2同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)和穩(wěn)態(tài)控制6.3可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型6.4可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣隙磁場(chǎng)定向

的矢量控制系統(tǒng)

6.5自控式無(wú)換向器電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)6.6永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)第6章同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)6.1同步電機(jī)控6.1同步電機(jī)控制基礎(chǔ)

6.1.1同步電機(jī)原理和分類一

同步電機(jī)工作原理

同步電機(jī)由電樞和勵(lì)磁二部分組成，電樞在定子上，與異步電機(jī)相同是三相繞組

勵(lì)磁在轉(zhuǎn)子上，勵(lì)磁由直流繞組F或永久磁鐵產(chǎn)生

轉(zhuǎn)子上一般還有短路的阻尼繞組Dd和Dq

定子磁勢(shì)轉(zhuǎn)子繞組或永久磁鐵產(chǎn)生勵(lì)磁磁勢(shì)和合成產(chǎn)生氣隙磁勢(shì)都以相同的同步角速度旋轉(zhuǎn)6.1同步電機(jī)控制基礎(chǔ)

6.1.1同步電機(jī)原理和

電動(dòng)機(jī)狀態(tài)定子繞組接交流電源，定子磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子磁勢(shì)合成產(chǎn)生氣隙磁勢(shì)

氣隙磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子磁勢(shì)的作用，對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)轉(zhuǎn)子和負(fù)載旋轉(zhuǎn)

在發(fā)電機(jī)狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)子由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁領(lǐng)先氣隙磁勢(shì)，將原動(dòng)機(jī)機(jī)械功轉(zhuǎn)化為電能輸出。電動(dòng)機(jī)狀態(tài)發(fā)電機(jī)狀態(tài)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)定子繞組接交流電源，定子磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子磁勢(shì)合成

同步電機(jī)由磁場(chǎng)的互相牽引產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度就是電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在電動(dòng)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比，改變頻率就可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；在發(fā)電狀態(tài)，原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了發(fā)電機(jī)的輸出頻率，原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，發(fā)電機(jī)輸出頻率也是穩(wěn)定的。

同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子一般有隱極和凸極兩種，隱極式轉(zhuǎn)子同步電機(jī)氣隙均勻，凸極式轉(zhuǎn)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(yīng)電抗和交軸電樞反應(yīng)電抗不相同

同步電機(jī)轉(zhuǎn)子上可能有補(bǔ)償繞組和阻尼繞組，補(bǔ)償繞組用以補(bǔ)償直軸電樞反應(yīng)，阻尼繞組用于減小同步電機(jī)的振蕩。阻尼繞組是轉(zhuǎn)子上安裝的短路導(dǎo)體，相當(dāng)于異步電動(dòng)機(jī)的籠型轉(zhuǎn)子，因此同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方式之一是利用阻尼繞組，使同步電動(dòng)機(jī)先以異步方式起動(dòng)，在接近同步轉(zhuǎn)速后再接通轉(zhuǎn)子勵(lì)磁使電機(jī)牽入同步，在達(dá)到同步轉(zhuǎn)速后阻尼繞組的感應(yīng)電流為0，阻尼繞組失去作用。同步電機(jī)由磁場(chǎng)的互相牽引產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度就二

同步電機(jī)分類1.可控勵(lì)磁同步電機(jī)2.永磁同步電機(jī)（1）正弦波永磁同步電機(jī)

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

定子一般采用集中式繞組，輸入三相矩形波交流電時(shí)，各相產(chǎn)生的磁場(chǎng)為梯形波，故謂之梯形波永磁同步電機(jī)。梯形波永磁同步電機(jī)是從直流電機(jī)演化而來(lái)，它將直流電機(jī)轉(zhuǎn)子上的電樞放到定子上，不再需要直流電機(jī)的電刷和換向器，因此梯形波永磁同步電機(jī)一般都稱為無(wú)刷直流電機(jī)（BrushlessDCmotor,BLDM）?？梢酝ㄟ^(guò)直流勵(lì)磁電流調(diào)節(jié).轉(zhuǎn)子為直流勵(lì)磁繞組，勵(lì)磁二同步電機(jī)分類1.可控勵(lì)磁同步電機(jī)2.永磁6.1.2同步電機(jī)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(jī)基本方程一電壓方程-----功二

同步電機(jī)電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩

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

角的正弦函數(shù)，

——功率角二同步電機(jī)電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩

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

6.1.3同步電機(jī)特殊問(wèn)題——失步和功率因數(shù)控制一

同步電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行和失步A和B交點(diǎn)上都有，

A是電機(jī)穩(wěn)定工作點(diǎn)，B是不穩(wěn)定工作點(diǎn)在B點(diǎn)，如負(fù)載從增加到，由于B點(diǎn)

功率角增加，使

電機(jī)轉(zhuǎn)速將下降，在區(qū)間轉(zhuǎn)矩都小于

在電機(jī)轉(zhuǎn)矩為“-”，

電機(jī)繼續(xù)處于減速狀態(tài)，在進(jìn)入電機(jī)穩(wěn)定點(diǎn)穩(wěn)定工作。

運(yùn)行區(qū)，電機(jī)將在6.1.3同步電機(jī)特殊問(wèn)題——失步和功率因數(shù)控制一如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩電機(jī)轉(zhuǎn)速下降將使同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)入“失步”狀態(tài)。在“失步”狀態(tài)，角反復(fù)在之間循環(huán)，

和轉(zhuǎn)向都隨

變化電機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小電機(jī)發(fā)生劇烈的機(jī)械振動(dòng)和電流振蕩——失步現(xiàn)象

同樣情況也會(huì)發(fā)生在負(fù)載急劇變化的時(shí)候，這是需要避免的。在同步電機(jī)變頻調(diào)速?zèng)]有實(shí)現(xiàn)前，同步電機(jī)主要使用在負(fù)載比較穩(wěn)定的場(chǎng)合，如大功率風(fēng)機(jī)和水泵。如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩電機(jī)轉(zhuǎn)速下降將使同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)入“失步”狀態(tài)。在“二

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

不變，功率角

是固定的在負(fù)載不變時(shí)同步使定子電勢(shì)

與的相位是一定的，調(diào)節(jié)勵(lì)磁使增加，與的相位角增加，即功率因數(shù)變化，強(qiáng)勵(lì)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(dòng)機(jī)一定工作狀態(tài)，電機(jī)電源電三

同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)

同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，如果直接合閘接通定子三相和轉(zhuǎn)子勵(lì)磁，定子磁場(chǎng)即以同步速旋轉(zhuǎn)，但是轉(zhuǎn)子速度是從零開(kāi)始，使轉(zhuǎn)子勵(lì)磁與定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速不能同步，電動(dòng)機(jī)功率角

在之間重復(fù)變化，不能起動(dòng)。因此同步電機(jī)起動(dòng)時(shí)一般需要由一周期中電機(jī)產(chǎn)生的平均轉(zhuǎn)矩為0，再接通電源將電機(jī)轉(zhuǎn)速牽入同步。將同步電動(dòng)機(jī)帶到接近同步速時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)同步電機(jī)與直流電機(jī)比較

二者都有電樞繞組和直流勵(lì)磁繞組，其它動(dòng)力（如異步電動(dòng)機(jī)等）電樞繞組流通的都是交流電，兩種電機(jī)本質(zhì)相同。

同步電機(jī)沒(méi)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(jī)轉(zhuǎn)速（電動(dòng)機(jī)狀態(tài)）三同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，如果直同步電機(jī)和異步電機(jī)比較

同步電機(jī)和異步電機(jī)有相同的定子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流由定子繞組磁場(chǎng)感應(yīng)產(chǎn)生，定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不同（異步），異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩是轉(zhuǎn)差的函數(shù)，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩變化。同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩是功率角的函數(shù)，加大功率角就可以提高轉(zhuǎn)矩但是轉(zhuǎn)速不變，二者相比，同步電動(dòng)機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)有更強(qiáng)的承受能力。異步電動(dòng)機(jī)低速時(shí)因?yàn)槎ㄗ幼杩箟航担磐p小，低速性能較差，而同步電動(dòng)機(jī)有獨(dú)立的勵(lì)磁，勵(lì)磁不受轉(zhuǎn)速影響，轉(zhuǎn)速為穩(wěn)定的同步速，因此同步電動(dòng)機(jī)較異步電動(dòng)機(jī)有更寬的調(diào)速范圍和更好的調(diào)速性能。同步電機(jī)和異步電機(jī)比較同步電機(jī)和異步電機(jī)有相同的定子6.2同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)和穩(wěn)態(tài)控制

同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由變頻器和同步電動(dòng)機(jī)組成，同步電動(dòng)機(jī)電壓和頻率也需要和異步電動(dòng)機(jī)一樣進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，即VVVF控制。異步電動(dòng)機(jī)VVVF控制的目的是保持氣隙磁通不變，同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁是獨(dú)立控制的，沒(méi)有異步電動(dòng)機(jī)的保持磁通不變問(wèn)題，同步電動(dòng)機(jī)VVVF控制的目的是，在變頻調(diào)速中保持同步電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩不變。6.2同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)和穩(wěn)態(tài)控制同步6.2.2同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的分類1.它控式變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

獨(dú)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(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)可以用于單機(jī)控制或多機(jī)群控6.2.2同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的分類1.它控2.自控式變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

變頻器輸出頻率由同步機(jī)轉(zhuǎn)子位置控制的系統(tǒng)，它通過(guò)轉(zhuǎn)子軸上連接的位置編碼器BQ輸出信號(hào)來(lái)控制變頻器的輸出頻率，變頻器輸出頻率與轉(zhuǎn)速嚴(yán)格保持同步，因此自控式同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)沒(méi)有一般同步電機(jī)的失步和振蕩問(wèn)題。因?yàn)轭l率是自動(dòng)控制的，調(diào)壓就能調(diào)速使用方便。自控式同步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用很多，采用永久磁鐵的矩形波永磁同步電動(dòng)機(jī)，通稱直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)。2.自控式變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)變頻器輸出頻率6.3可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型6.3.1同步電機(jī)磁鏈方程凸極式同步電機(jī)在二相dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的磁鏈方程對(duì)隱極式同步電機(jī)：，；,

6.3可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型6.3.1同步6.3.2同步電機(jī)在二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電壓方程轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組和阻尼繞組在dq坐標(biāo)系上的電壓方程定子電壓方程因?yàn)檗D(zhuǎn)子繞組定義在dq坐標(biāo)系上，且隨dq坐標(biāo)系同步旋轉(zhuǎn)，因此轉(zhuǎn)子電壓方程沒(méi)有定子電壓方程中的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)項(xiàng)，因?yàn)樽枘崂@組是短路的，其電壓為06.3.2同步電機(jī)在二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電壓方程轉(zhuǎn)子勵(lì)磁凸極同步電機(jī)的電壓方程（矩陣式）6.3.3同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩方程凸極同步電機(jī)的電壓方程（矩陣式）6.3.3同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩方

6.4可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣隙磁場(chǎng)定向的矢量控制系統(tǒng)

同步電動(dòng)機(jī)氣隙磁場(chǎng)是轉(zhuǎn)子勵(lì)磁和定子電樞磁場(chǎng)的合成，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁由勵(lì)磁電流控制是可確定的，而定子電樞磁場(chǎng)受定子電流影響，定子電流與負(fù)載有關(guān)，因此氣隙磁場(chǎng)要通過(guò)定子電流控制。6.4可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣隙磁場(chǎng)定向的矢量控制系統(tǒng)6.4.1氣隙磁場(chǎng)定向和轉(zhuǎn)矩控制

一

氣隙磁場(chǎng)定向同步電動(dòng)機(jī)矢量關(guān)系（不考慮阻尼繞組）氣隙磁鏈、勵(lì)磁磁鏈

定子磁鏈電流、、都是空間旋轉(zhuǎn)矢量，它們的旋轉(zhuǎn)速度都為

圖中建立了兩個(gè)旋轉(zhuǎn)直角坐標(biāo)系，其中dq坐標(biāo)系的d軸與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁方向重合，MT坐標(biāo)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(chǎng)定向和轉(zhuǎn)矩控制

一氣隙磁場(chǎng)三相靜止坐標(biāo)系A(chǔ)軸的位置可以通過(guò)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器，

準(zhǔn)確檢測(cè)——t=0時(shí)轉(zhuǎn)子初始位置二

按氣隙磁鏈定向的同步電機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)矩三相靜止坐標(biāo)系A(chǔ)軸的位置可以通過(guò)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器，準(zhǔn)確檢測(cè)—6.4.2按氣隙磁場(chǎng)定向的可控勵(lì)磁

同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)電流控制型變頻器供電，電機(jī)勵(lì)磁由轉(zhuǎn)子可控整流器控制，位置檢測(cè)器BQ和轉(zhuǎn)速檢測(cè)器FBS。轉(zhuǎn)速和電流的雙閉環(huán)控制，氣隙磁鏈的開(kāi)環(huán)控制6.4.2按氣隙磁場(chǎng)定向的可控勵(lì)磁

一

轉(zhuǎn)子勵(lì)磁控制氣隙磁通給定環(huán)節(jié)根據(jù)轉(zhuǎn)速確定氣隙磁通給定值由式6.14計(jì)算氣隙磁鏈電流給定值氣隙電流勵(lì)磁分量

轉(zhuǎn)子勵(lì)磁調(diào)節(jié)器AFR根據(jù)勵(lì)磁偏差偏差經(jīng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器AFR得到勵(lì)磁整流器的控制信號(hào)，通過(guò)整流器控制勵(lì)磁電流二

按氣隙磁鏈定向的轉(zhuǎn)矩和定子電流控制

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR根據(jù)轉(zhuǎn)速偏差產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)，并由式6.15計(jì)算定子電流轉(zhuǎn)矩分量。定子電流的勵(lì)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(fù)載使轉(zhuǎn)速出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)ASR輸出的轉(zhuǎn)矩信號(hào)變化，通過(guò)調(diào)節(jié)定子電流的轉(zhuǎn)矩分量調(diào)節(jié)功率角，控制定子電流保持轉(zhuǎn)速不變。一轉(zhuǎn)子勵(lì)磁控制氣隙磁通給定環(huán)節(jié)根據(jù)轉(zhuǎn)速確定氣隙磁通給定值三

定子電流勵(lì)磁分量和功率因數(shù)

采用交直交變頻器時(shí)，不控整流器阻斷了無(wú)功的通路，整流器網(wǎng)側(cè)無(wú)功不能控制，電動(dòng)機(jī)的無(wú)功由變頻器中間直流環(huán)節(jié)的大電容緩沖；當(dāng)使用雙PWM變頻器時(shí)，網(wǎng)側(cè)無(wú)功受網(wǎng)側(cè)PWM整流器控制，兩者網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)都與電機(jī)功率因數(shù)無(wú)關(guān)，因此選擇電機(jī)功率因數(shù)

，可取定子電流在M軸上的勵(lì)磁分量為0，定子電流

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

自控式無(wú)換向器電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)

6.5.1無(wú)換向器電機(jī)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(dòng)機(jī)無(wú)功。6.5自控式無(wú)換向器電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)

6.5.1晶閘管逆變器一般采用導(dǎo)通型

提供三相方波電流為電動(dòng)機(jī)

通過(guò)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(hào)由電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器BQ產(chǎn)生，對(duì)于一對(duì)極電機(jī)，轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周位置檢測(cè)器發(fā)出6個(gè)脈沖信號(hào)，依次觸發(fā)6個(gè)晶閘管與轉(zhuǎn)速成正比，即逆變器輸出頻率與同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，逆變器輸出頻率受電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，晶閘管觸發(fā)周期晶閘管逆變器一般采用導(dǎo)通型提供三相方波電流為電動(dòng)機(jī)6.5.2晶閘管逆變器的換流方式利用同步電動(dòng)機(jī)定子繞組的三相感應(yīng)電勢(shì)為晶閘管提供關(guān)斷條件——負(fù)載換流方式。定子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)VT3受正向電壓，觸發(fā)VT3，VT3將導(dǎo)通。VT3導(dǎo)通后形成VT1導(dǎo)通時(shí)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(guān)斷

VT1和VT3的換流必須在K點(diǎn)之前完成，并留有一定余量，VT3觸發(fā)要領(lǐng)先K點(diǎn)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(dòng)機(jī)定子繞組的三

同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，定子繞組感應(yīng)電勢(shì)很小，換流時(shí)產(chǎn)生的環(huán)流不足以抵消晶閘管正向電流而關(guān)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(shí)，先控制晶閘管整流器工作于逆變狀態(tài)呈下降趨勢(shì)，電感感應(yīng)電勢(shì)方向變?yōu)橛摇?”左“-”，這時(shí)觸發(fā)VT0導(dǎo)通，使電感電流Id經(jīng)VT0續(xù)流，逆變器直流側(cè)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，定子繞組感應(yīng)電勢(shì)很小，換流時(shí)產(chǎn)6.5.3無(wú)換向器電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速偏差控制整流器輸出電壓調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。逆變器晶閘管由轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器BQ經(jīng)觸發(fā)器CF2產(chǎn)生脈沖觸發(fā)。6.5.3無(wú)換向器電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR,電流調(diào)節(jié)6.6永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁是永久磁鋼，與可控勵(lì)磁相比不需要?jiǎng)?lì)磁控制裝置，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)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(dòng)機(jī)（常稱永磁同步電動(dòng)機(jī)）梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)（常稱無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)）通以三相正弦電流時(shí)產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小

通以三相矩形波電流時(shí)產(chǎn)生六邊型旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，但是成本較低控制較為簡(jiǎn)單6.6永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)6.6.1永磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型在二相dq坐標(biāo)系上定子磁鏈方程電壓方程：轉(zhuǎn)矩方程6.6.1永磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型在二相dq坐標(biāo)系上定子6.6.2永磁同步電動(dòng)機(jī)按轉(zhuǎn)子位置定向

矢量控制系統(tǒng)6.6.2永磁同步電動(dòng)機(jī)按轉(zhuǎn)子位置定向

矢量控制系

正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）矢量控制一般都采用按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的方法，因?yàn)檗D(zhuǎn)子位置用光電編碼器可以方便地檢測(cè)

設(shè)定定子電流的勵(lì)磁分量由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR產(chǎn)生定子電流的轉(zhuǎn)矩分量定子電流的轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量經(jīng)過(guò)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(dòng)機(jī)的定子三相電壓。三相電壓頻率

受轉(zhuǎn)子位置

控制因此電壓頻率與轉(zhuǎn)速同步，屬于自控式變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速。正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）矢量控制一般都采6.6.3永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真永磁同步電動(dòng)機(jī)按轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真永磁同步電動(dòng)機(jī)按轉(zhuǎn)子

(a)轉(zhuǎn)速(d)A相電流(b)電流dq軸分量(e)B相電流空載起動(dòng)，在0.05秒時(shí)電機(jī)加載4N.m0.15秒時(shí)轉(zhuǎn)速調(diào)整為1000rpm(a)轉(zhuǎn)速6.6.4無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)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(jìn)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速電流的雙閉環(huán)控制，PWM根據(jù)ACR輸出信號(hào)調(diào)節(jié)脈沖占空比6.6.4無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主電路6.6.5無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)模型6.6.5無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)模

Controller模塊結(jié)構(gòu)Controller模塊結(jié)構(gòu)(a)轉(zhuǎn)速響應(yīng)(d)A相電流(b)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)(e)B相電流(c)A相繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(f)c相電流(a)轉(zhuǎn)速響應(yīng)本章小結(jié)

同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子位置控制可以減小和避免振蕩和失步問(wèn)題，但是轉(zhuǎn)速檢測(cè)和轉(zhuǎn)子定位的精度對(duì)同步電動(dòng)機(jī)工作有很大影響。起動(dòng)是同步電動(dòng)機(jī)的特殊問(wèn)題，除帶阻尼繞組的同步電動(dòng)機(jī)可以用異步方式起動(dòng)外，一般需要外加的起動(dòng)裝置，小功率同步電動(dòng)機(jī)在空載下也可以低速起動(dòng)。對(duì)自控式變頻調(diào)速要求在零速時(shí)也能產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，靜止時(shí)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)也是位置傳感器研究的課題。

轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)常用的方法是在軸上安裝光電編碼器，近年來(lái)無(wú)位置傳感器技術(shù)有很大發(fā)展，如直接計(jì)算法，高頻注入法等，

同步電動(dòng)機(jī)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(jié)同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，調(diào)速范圍第6章同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)6.1同步電機(jī)控制基礎(chǔ)6.2同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)和穩(wěn)態(tài)控制6.3可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型6.4可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣隙磁場(chǎng)定向

的矢量控制系統(tǒng)

6.5自控式無(wú)換向器電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)6.6永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)第6章同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)6.1同步電機(jī)控6.1同步電機(jī)控制基礎(chǔ)

6.1.1同步電機(jī)原理和分類一

同步電機(jī)工作原理

同步電機(jī)由電樞和勵(lì)磁二部分組成，電樞在定子上，與異步電機(jī)相同是三相繞組

勵(lì)磁在轉(zhuǎn)子上，勵(lì)磁由直流繞組F或永久磁鐵產(chǎn)生

轉(zhuǎn)子上一般還有短路的阻尼繞組Dd和Dq

定子磁勢(shì)轉(zhuǎn)子繞組或永久磁鐵產(chǎn)生勵(lì)磁磁勢(shì)和合成產(chǎn)生氣隙磁勢(shì)都以相同的同步角速度旋轉(zhuǎn)6.1同步電機(jī)控制基礎(chǔ)

6.1.1同步電機(jī)原理和

電動(dòng)機(jī)狀態(tài)定子繞組接交流電源，定子磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子磁勢(shì)合成產(chǎn)生氣隙磁勢(shì)

氣隙磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子磁勢(shì)的作用，對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)轉(zhuǎn)子和負(fù)載旋轉(zhuǎn)

在發(fā)電機(jī)狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)子由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁領(lǐng)先氣隙磁勢(shì)，將原動(dòng)機(jī)機(jī)械功轉(zhuǎn)化為電能輸出。電動(dòng)機(jī)狀態(tài)發(fā)電機(jī)狀態(tài)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)定子繞組接交流電源，定子磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子磁勢(shì)合成

同步電機(jī)由磁場(chǎng)的互相牽引產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度就是電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在電動(dòng)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比，改變頻率就可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；在發(fā)電狀態(tài)，原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了發(fā)電機(jī)的輸出頻率，原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，發(fā)電機(jī)輸出頻率也是穩(wěn)定的。

同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子一般有隱極和凸極兩種，隱極式轉(zhuǎn)子同步電機(jī)氣隙均勻，凸極式轉(zhuǎn)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(yīng)電抗和交軸電樞反應(yīng)電抗不相同

同步電機(jī)轉(zhuǎn)子上可能有補(bǔ)償繞組和阻尼繞組，補(bǔ)償繞組用以補(bǔ)償直軸電樞反應(yīng)，阻尼繞組用于減小同步電機(jī)的振蕩。阻尼繞組是轉(zhuǎn)子上安裝的短路導(dǎo)體，相當(dāng)于異步電動(dòng)機(jī)的籠型轉(zhuǎn)子，因此同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方式之一是利用阻尼繞組，使同步電動(dòng)機(jī)先以異步方式起動(dòng)，在接近同步轉(zhuǎn)速后再接通轉(zhuǎn)子勵(lì)磁使電機(jī)牽入同步，在達(dá)到同步轉(zhuǎn)速后阻尼繞組的感應(yīng)電流為0，阻尼繞組失去作用。同步電機(jī)由磁場(chǎng)的互相牽引產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度就二

同步電機(jī)分類1.可控勵(lì)磁同步電機(jī)2.永磁同步電機(jī)（1）正弦波永磁同步電機(jī)

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

定子一般采用集中式繞組，輸入三相矩形波交流電時(shí)，各相產(chǎn)生的磁場(chǎng)為梯形波，故謂之梯形波永磁同步電機(jī)。梯形波永磁同步電機(jī)是從直流電機(jī)演化而來(lái)，它將直流電機(jī)轉(zhuǎn)子上的電樞放到定子上，不再需要直流電機(jī)的電刷和換向器，因此梯形波永磁同步電機(jī)一般都稱為無(wú)刷直流電機(jī)（BrushlessDCmotor,BLDM）?？梢酝ㄟ^(guò)直流勵(lì)磁電流調(diào)節(jié).轉(zhuǎn)子為直流勵(lì)磁繞組，勵(lì)磁二同步電機(jī)分類1.可控勵(lì)磁同步電機(jī)2.永磁6.1.2同步電機(jī)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(jī)基本方程一電壓方程-----功二

同步電機(jī)電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩

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

角的正弦函數(shù)，

——功率角二同步電機(jī)電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩

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

6.1.3同步電機(jī)特殊問(wèn)題——失步和功率因數(shù)控制一

同步電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行和失步A和B交點(diǎn)上都有，

A是電機(jī)穩(wěn)定工作點(diǎn)，B是不穩(wěn)定工作點(diǎn)在B點(diǎn)，如負(fù)載從增加到，由于B點(diǎn)

功率角增加，使

電機(jī)轉(zhuǎn)速將下降，在區(qū)間轉(zhuǎn)矩都小于

在電機(jī)轉(zhuǎn)矩為“-”，

電機(jī)繼續(xù)處于減速狀態(tài)，在進(jìn)入電機(jī)穩(wěn)定點(diǎn)穩(wěn)定工作。

運(yùn)行區(qū)，電機(jī)將在6.1.3同步電機(jī)特殊問(wèn)題——失步和功率因數(shù)控制一如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩電機(jī)轉(zhuǎn)速下降將使同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)入“失步”狀態(tài)。在“失步”狀態(tài)，角反復(fù)在之間循環(huán)，

和轉(zhuǎn)向都隨

變化電機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小電機(jī)發(fā)生劇烈的機(jī)械振動(dòng)和電流振蕩——失步現(xiàn)象

同樣情況也會(huì)發(fā)生在負(fù)載急劇變化的時(shí)候，這是需要避免的。在同步電機(jī)變頻調(diào)速?zèng)]有實(shí)現(xiàn)前，同步電機(jī)主要使用在負(fù)載比較穩(wěn)定的場(chǎng)合，如大功率風(fēng)機(jī)和水泵。如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩電機(jī)轉(zhuǎn)速下降將使同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)入“失步”狀態(tài)。在“二

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

不變，功率角

是固定的在負(fù)載不變時(shí)同步使定子電勢(shì)

與的相位是一定的，調(diào)節(jié)勵(lì)磁使增加，與的相位角增加，即功率因數(shù)變化，強(qiáng)勵(lì)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(dòng)機(jī)一定工作狀態(tài)，電機(jī)電源電三

同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)

同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，如果直接合閘接通定子三相和轉(zhuǎn)子勵(lì)磁，定子磁場(chǎng)即以同步速旋轉(zhuǎn)，但是轉(zhuǎn)子速度是從零開(kāi)始，使轉(zhuǎn)子勵(lì)磁與定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速不能同步，電動(dòng)機(jī)功率角

在之間重復(fù)變化，不能起動(dòng)。因此同步電機(jī)起動(dòng)時(shí)一般需要由一周期中電機(jī)產(chǎn)生的平均轉(zhuǎn)矩為0，再接通電源將電機(jī)轉(zhuǎn)速牽入同步。將同步電動(dòng)機(jī)帶到接近同步速時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)同步電機(jī)與直流電機(jī)比較

二者都有電樞繞組和直流勵(lì)磁繞組，其它動(dòng)力（如異步電動(dòng)機(jī)等）電樞繞組流通的都是交流電，兩種電機(jī)本質(zhì)相同。

同步電機(jī)沒(méi)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(jī)轉(zhuǎn)速（電動(dòng)機(jī)狀態(tài)）三同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，如果直同步電機(jī)和異步電機(jī)比較

同步電機(jī)和異步電機(jī)有相同的定子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流由定子繞組磁場(chǎng)感應(yīng)產(chǎn)生，定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不同（異步），異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩是轉(zhuǎn)差的函數(shù)，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩變化。同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩是功率角的函數(shù)，加大功率角就可以提高轉(zhuǎn)矩但是轉(zhuǎn)速不變，二者相比，同步電動(dòng)機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)有更強(qiáng)的承受能力。異步電動(dòng)機(jī)低速時(shí)因?yàn)槎ㄗ幼杩箟航担磐p小，低速性能較差，而同步電動(dòng)機(jī)有獨(dú)立的勵(lì)磁，勵(lì)磁不受轉(zhuǎn)速影響，轉(zhuǎn)速為穩(wěn)定的同步速，因此同步電動(dòng)機(jī)較異步電動(dòng)機(jī)有更寬的調(diào)速范圍和更好的調(diào)速性能。同步電機(jī)和異步電機(jī)比較同步電機(jī)和異步電機(jī)有相同的定子6.2同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)和穩(wěn)態(tài)控制

同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由變頻器和同步電動(dòng)機(jī)組成，同步電動(dòng)機(jī)電壓和頻率也需要和異步電動(dòng)機(jī)一樣進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，即VVVF控制。異步電動(dòng)機(jī)VVVF控制的目的是保持氣隙磁通不變，同步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁是獨(dú)立控制的，沒(méi)有異步電動(dòng)機(jī)的保持磁通不變問(wèn)題，同步電動(dòng)機(jī)VVVF控制的目的是，在變頻調(diào)速中保持同步電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩不變。6.2同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)和穩(wěn)態(tài)控制同步6.2.2同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的分類1.它控式變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

獨(dú)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(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)可以用于單機(jī)控制或多機(jī)群控6.2.2同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的分類1.它控2.自控式變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

變頻器輸出頻率由同步機(jī)轉(zhuǎn)子位置控制的系統(tǒng)，它通過(guò)轉(zhuǎn)子軸上連接的位置編碼器BQ輸出信號(hào)來(lái)控制變頻器的輸出頻率，變頻器輸出頻率與轉(zhuǎn)速嚴(yán)格保持同步，因此自控式同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)沒(méi)有一般同步電機(jī)的失步和振蕩問(wèn)題。因?yàn)轭l率是自動(dòng)控制的，調(diào)壓就能調(diào)速使用方便。自控式同步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用很多，采用永久磁鐵的矩形波永磁同步電動(dòng)機(jī)，通稱直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)。2.自控式變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)變頻器輸出頻率6.3可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型6.3.1同步電機(jī)磁鏈方程凸極式同步電機(jī)在二相dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的磁鏈方程對(duì)隱極式同步電機(jī)：，；,

6.3可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型6.3.1同步6.3.2同步電機(jī)在二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電壓方程轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組和阻尼繞組在dq坐標(biāo)系上的電壓方程定子電壓方程因?yàn)檗D(zhuǎn)子繞組定義在dq坐標(biāo)系上，且隨dq坐標(biāo)系同步旋轉(zhuǎn)，因此轉(zhuǎn)子電壓方程沒(méi)有定子電壓方程中的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)項(xiàng)，因?yàn)樽枘崂@組是短路的，其電壓為06.3.2同步電機(jī)在二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電壓方程轉(zhuǎn)子勵(lì)磁凸極同步電機(jī)的電壓方程（矩陣式）6.3.3同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩方程凸極同步電機(jī)的電壓方程（矩陣式）6.3.3同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩方

6.4可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣隙磁場(chǎng)定向的矢量控制系統(tǒng)

同步電動(dòng)機(jī)氣隙磁場(chǎng)是轉(zhuǎn)子勵(lì)磁和定子電樞磁場(chǎng)的合成，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁由勵(lì)磁電流控制是可確定的，而定子電樞磁場(chǎng)受定子電流影響，定子電流與負(fù)載有關(guān)，因此氣隙磁場(chǎng)要通過(guò)定子電流控制。6.4可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣隙磁場(chǎng)定向的矢量控制系統(tǒng)6.4.1氣隙磁場(chǎng)定向和轉(zhuǎn)矩控制

一

氣隙磁場(chǎng)定向同步電動(dòng)機(jī)矢量關(guān)系（不考慮阻尼繞組）氣隙磁鏈、勵(lì)磁磁鏈

定子磁鏈電流、、都是空間旋轉(zhuǎn)矢量，它們的旋轉(zhuǎn)速度都為

圖中建立了兩個(gè)旋轉(zhuǎn)直角坐標(biāo)系，其中dq坐標(biāo)系的d軸與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁方向重合，MT坐標(biāo)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(chǎng)定向和轉(zhuǎn)矩控制

一氣隙磁場(chǎng)三相靜止坐標(biāo)系A(chǔ)軸的位置可以通過(guò)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器，

準(zhǔn)確檢測(cè)——t=0時(shí)轉(zhuǎn)子初始位置二

按氣隙磁鏈定向的同步電機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)矩三相靜止坐標(biāo)系A(chǔ)軸的位置可以通過(guò)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器，準(zhǔn)確檢測(cè)—6.4.2按氣隙磁場(chǎng)定向的可控勵(lì)磁

同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)電流控制型變頻器供電，電機(jī)勵(lì)磁由轉(zhuǎn)子可控整流器控制，位置檢測(cè)器BQ和轉(zhuǎn)速檢測(cè)器FBS。轉(zhuǎn)速和電流的雙閉環(huán)控制，氣隙磁鏈的開(kāi)環(huán)控制6.4.2按氣隙磁場(chǎng)定向的可控勵(lì)磁

一

轉(zhuǎn)子勵(lì)磁控制氣隙磁通給定環(huán)節(jié)根據(jù)轉(zhuǎn)速確定氣隙磁通給定值由式6.14計(jì)算氣隙磁鏈電流給定值氣隙電流勵(lì)磁分量

轉(zhuǎn)子勵(lì)磁調(diào)節(jié)器AFR根據(jù)勵(lì)磁偏差偏差經(jīng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器AFR得到勵(lì)磁整流器的控制信號(hào)，通過(guò)整流器控制勵(lì)磁電流二

按氣隙磁鏈定向的轉(zhuǎn)矩和定子電流控制

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR根據(jù)轉(zhuǎn)速偏差產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)，并由式6.15計(jì)算定子電流轉(zhuǎn)矩分量。定子電流的勵(lì)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(fù)載使轉(zhuǎn)速出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)ASR輸出的轉(zhuǎn)矩信號(hào)變化，通過(guò)調(diào)節(jié)定子電流的轉(zhuǎn)矩分量調(diào)節(jié)功率角，控制定子電流保持轉(zhuǎn)速不變。一轉(zhuǎn)子勵(lì)磁控制氣隙磁通給定環(huán)節(jié)根據(jù)轉(zhuǎn)速確定氣隙磁通給定值三

定子電流勵(lì)磁分量和功率因數(shù)

采用交直交變頻器時(shí)，不控整流器阻斷了無(wú)功的通路，整流器網(wǎng)側(cè)無(wú)功不能控制，電動(dòng)機(jī)的無(wú)功由變頻器中間直流環(huán)節(jié)的大電容緩沖；當(dāng)使用雙PWM變頻器時(shí)，網(wǎng)側(cè)無(wú)功受網(wǎng)側(cè)PWM整流器控制，兩者網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)都與電機(jī)功率因數(shù)無(wú)關(guān)，因此選擇電機(jī)功率因數(shù)

，可取定子電流在M軸上的勵(lì)磁分量為0，定子電流

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

自控式無(wú)換向器電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)

6.5.1無(wú)換向器電機(jī)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(dòng)機(jī)無(wú)功。6.5自控式無(wú)換向器電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)

6.5.1晶閘管逆變器一般采用導(dǎo)通型

提供三相方波電流為電動(dòng)機(jī)

通過(guò)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(hào)由電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器BQ產(chǎn)生，對(duì)于一對(duì)極電機(jī)，轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周位置檢測(cè)器發(fā)出6個(gè)脈沖信號(hào)，依次觸發(fā)6個(gè)晶閘管與轉(zhuǎn)速成正比，即逆變器輸出頻率與同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，逆變器輸出頻率受電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，晶閘管觸發(fā)周期晶閘管逆變器一般采用導(dǎo)通型提供三相方波電流為電動(dòng)機(jī)6.5.2晶閘管逆變器的換流方式利用同步電動(dòng)機(jī)定子繞組的三相感應(yīng)電勢(shì)為晶閘管提供關(guān)斷條件——負(fù)載換流方式。定子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)VT3受正向電壓，觸發(fā)VT3，VT3將導(dǎo)通。VT3導(dǎo)通后形成VT1導(dǎo)通時(shí)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(guān)斷

VT1和VT3的換流必須在K點(diǎn)之前完成，并留有一定余量，VT3觸發(fā)要領(lǐng)先K點(diǎn)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(dòng)機(jī)定子繞組的三

同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，定子繞組感應(yīng)電勢(shì)很小，換流時(shí)產(chǎn)生的環(huán)流不足以抵消晶閘管正向電流而關(guān)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(shí)，先控制晶閘管整流器工作于逆變狀態(tài)呈下降趨勢(shì)，電感感應(yīng)電勢(shì)方向變?yōu)橛摇?”左“-”，這時(shí)觸發(fā)VT0導(dǎo)通，使電感電流Id經(jīng)VT0續(xù)流，逆變器直流側(cè)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，定子繞組感應(yīng)電勢(shì)很小，換流時(shí)產(chǎn)6.5.3無(wú)換向器電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速偏差控制整流器輸出電壓調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。逆變器晶閘管由轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器BQ經(jīng)觸發(fā)器CF2產(chǎn)生脈沖觸發(fā)。6.5.3無(wú)換向器電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR,電流調(diào)節(jié)6.6永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁是永久磁鋼，與可控勵(lì)磁相比不需要?jiǎng)?lì)磁控制裝置，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)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(dòng)機(jī)（常稱永磁同步電動(dòng)機(jī)）梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)（常稱無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)）通以三相正弦電流時(shí)產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)矩