同步电机原理幻灯片.ppt

第五章同步电动机数学模型，5.1同步电动机的基本结构和特征5.2同步电动机的一般方程式5.3d.q坐标下的同步电动机方程式5.4转子磁场取向控制的同步电动机数学模型5.5永磁同步电动机(PMSM )的模型5.6气隙磁场取向控制的同步电动机数学模型，5.1同步电动机的基本结构和特征，同步电动机由定子和转子构成定子结构与异步电动机的定子结构基本相同，由定子铁心、三相对称绕组及支架构成。 转子根据其磁极形状分为凸极式和劣极式两种。 基本结构和特点(2)，同步电机转子：由磁极铁心、磁极绕组等组成。 中大容量同步电机的励磁绕组由直流励磁绕组供电，一般为无刷励磁系统。 小容量同步电机的转子常用永磁励磁(永磁同步电机)，其磁场可视为恒定。 基本结构和特点(3)，凸极型转子：磁极明显，气隙不均匀，直轴磁阻小，与其垂直的交轴磁阻大，双轴电感不同。 凸极转子的磁极靴通常安装有阻尼绕组，其作用是：在恒频运行时起动，抑制重负载时容易发生的振动；在逆变器运行时，抑制逆变器引起的高次谐波和反相成分；减小同步电动机的过渡电流，实现动态响应基本结构和特征(4)的特点是调速系统采用同步电机：1.同步电机转速与电源基频之间保持同步关系精确控制转速。 2 .同步电动机比异步电动机对负载(转矩)的干扰具有更强的抗干扰能力，反应更快。 3 .同步电机的转子励磁，即使在极低的频率下也能运行，调速范围广。 异步电机：转子电流由电磁感应产生，频率极低时不能顺利励磁。 4 .同步电机功率因数：调节转子励磁，调节电机电流功率因数。 =1损耗小前进负载换流、5.2同步电动机的一般方程式如下： (1)电动机铁心的导磁率无限大，不考虑滞后、涡流的影响，磁路不饱和：可以忽略磁场中的非线性要素，利用重叠原理计算合成磁场。 (2)定子对称。 (3)定子产生的磁场沿定子呈正弦分布，即省略了磁场中的全部空间谐波成分。 (4)阻尼绕组阻尼杆和转子导磁体相对于转子d.q轴对称。 电压方程式、定子电压方程式： (5.1)、直轴与交轴电压方程式： (5.3)、磁场方程式、(5.4)、同步电机绕组布局图、磁场方程式分析、转子旋转与转子凸极性的关系、定子绕组与转子绕组间的互感、定子绕组各相间、以及定子绕组自身的自感在转子的位置只有转子绕组自感、磁绕组与直轴阻尼电路之间的互感是恒定的，与转子的位置无关。 同步电动机的交链磁通方程式是根据转子的位置变化的变量方程式，求解相当困难。 出口：坐标转换。 5.3d.q坐标下的同步电动机方程式由于电动机的定子内腔对称，因此对于与转子一起旋转的观察者来说，与转子的位置无关，d轴和q轴绕组的磁路始终不变。 因此，在d.q坐标系中，在磁力一定的条件下，绕组的链中不包含交变成分，即电动机的基本方程式中存在常数系数，这与解析研究的大幅度简化有关。 dq坐标系下的同步电动机的交链方程式采用dq旋转坐标系，经过正交变换，同步电动机的交链方程式为：(5.5)，dq坐标系下的同步电动机的电压方程式为同步电动机的分析，电压方程式为，(5.6)，励磁和正交轴，交轴的阻尼绕组方程式为，(5.7)。 得到同步电动机的等效模型相当于在1台直轴和交轴上分别具备1对电刷的直流电动机，但电枢绕组位于定子上，在空间中静止，磁极和电刷旋转，电枢绕组通过整流子与电刷连接，该绕组的轴线决定为电刷的位置另外，dq坐标系下的数学模型、电动机的转矩方程式中，(5.8)、(5.9)、5.4转子磁场取向控制的同步电动机的数学模型为(5.8)第4行取得部：(5.10 )、数学模型(2)、(5.8)第5行取得部： (5.11 )，从数学模型(3)，将(5.10 )、(5.11 )代入(5.5)，得到转子交链磁通方程式：(5.12 )、数学模型(4)、电动机转矩方程式：(5.13 )、同步电动机的转子交链磁通方向控制时：转矩为转子交链磁通转子交链磁通仅与转子励磁电流及定子电流的d轴成分有关，与定子电流的q轴成分无关。 也就是说，转子交链磁通和转矩电流成分相互反耦合，相互独立。 同步电机具有与其他励磁式直流电机相同的质量。 由数学模型(5)、公式(5.12 )可知，转子交链磁通方程比较复杂。 为了简化控制系统，可以总是控制定子电流矢量，使得在q轴上，即定子电流中没有d轴分量。 转子交链磁通方程为：(5.14 )，这样，定子电流和转子励磁电流分别被独立调节和控制，与真正的直流电机极为相似。 该控制方式适用于小容量同步电机，现在交流伺服系统，特别是采用永磁同步电机的系统，主要采用转子磁场进行控制。 中大容量同步电动机一般不采用这种控制，而采用气隙磁场取向的控制方法。 为什么气隙链会根据负载发生很大变化，引起电压比的变动。 5.5永磁同步电动机(PMSM )模型，永磁同步电机具有正弦形反电动势，其定子电压、电流也必须是正弦波，转子没有阻尼绕组。 在d.q坐标系中，永磁同步电动机定子交链磁通方程式为：(5.15 )，PMSM定子电压方程式，PMSM定子电压方程式为：(5.16 )，PMSM转矩方程式为3360，(5.17 )，PMSM常用控制模型(1)，在PMSM中，转子交链磁通一定，因此通常旋转在基本速度以下的恒转矩运转中，将定子电流矢量固定在q轴，即在定子电流中没有d轴成分的情况下：PMSM常用控制模型(2)，永久磁铁转子供给磁场，定子电流产生电磁转矩，电磁转矩与定子电流矢量成比例，与永久磁铁直流电动机的控制极为类似。 基速以上PMSM应以恒功率调速运行，如何实现？ 定子的弱磁通方法：也就是使定子电流矢量前进q轴，产生与转子磁场相反的成分，起到减磁作用。 由于定子的有效空隙大，即小，因此“电子反应弱磁通法”需要大的定子电流的直轴成分，不能长时间运转。 5.6气隙磁场定向控制的同步机数学模型，气隙磁场的定义(dq坐标系中为成分形式):气隙磁场定向：采用MT坐标系，气隙磁场定向在m轴上。 (5.20 )、MT坐标系表现(1)、m轴与d轴所成的角度为L:MT坐标系的表现(2)，因此，(5.21 )、(5.22 )、(5.23 )、MT坐标系的表现(3)、以及改写式(5.21 ) : (5.24 )或(5.25 )、MT坐标系下的表现(4)，在M.T坐标系下，同步电动机的电压方程式通过，(5.26 )，(5.27 )、MT坐标系下的表现(5)，实部和虚部分离而得到：(5.28 )，电磁转矩方程式通过，(5.29 )，气隙磁场保持一定时， 结论，气隙磁场定向控制为了保持气隙磁场一定，不仅是定子电流的m轴成分的函数，还是负荷角l的函数，这给系统的解耦控制带来困难，系统复杂。 气