6同步电动机变压变频调速系统ppt课件

1、运动控制系统运动控制系统第第6章章同步电动机变压变频同步电动机变压变频调速系统调速系统概述概述n同步电动机直接投入电网运行时，存在同步电动机直接投入电网运行时，存在失步与起动两大问题，曾一直制约着同失步与起动两大问题，曾一直制约着同步电动机的应用。同步电动机的转速恒步电动机的应用。同步电动机的转速恒等于同步转速，所以同步电动机的调速等于同步转速，所以同步电动机的调速只能是变频调速。只能是变频调速。概述概述n变频调速的发展与成熟不仅实现了同步变频调速的发展与成熟不仅实现了同步电动机的调速问题，同时也解决了失步电动机的调速问题，同时也解决了失步与起动问题，使之不再是限制同步电动与起动问题，使之不再

2、是限制同步电动机运行的障碍。机运行的障碍。n同步电动机的调速可分为自控式和他控同步电动机的调速可分为自控式和他控式两种，适用于不同的应用场合。式两种，适用于不同的应用场合。内容提要内容提要n6.1 同步电动机的基本特征与调速方法同步电动机的基本特征与调速方法n6.2 他控变频同步电动机调速系统他控变频同步电动机调速系统n6.3 自控变频同步电动机调速系统自控变频同步电动机调速系统 n6.4 同步电动机矢量控制系统同步电动机矢量控制系统 6.1同步电动机的基本特征与同步电动机的基本特征与调速方法调速方法 n讨论同步电动机的特点、分类讨论同步电动机的特点、分类n同步电动机的矩角特性和稳定运行同步电

3、动机的矩角特性和稳定运行n同步电动机的起动和调速同步电动机的起动和调速 6.1.1 同步电动机的特点同步电动机的特点n同步电动机具有以下特点：同步电动机具有以下特点：n1. 交流电机旋转磁场的同步转速与交流电机旋转磁场的同步转速与定子电源频率有确定的关系定子电源频率有确定的关系ppnnfn26060111（6-1） 同步电动机的稳态转速等于同步转速同步电动机的稳态转速等于同步转速 。同步电动机的特点同步电动机的特点2. 同步电动机除定子磁动势外，在转子侧同步电动机除定子磁动势外，在转子侧还有独立的直流励磁，或者靠永久磁钢还有独立的直流励磁，或者靠永久磁钢励磁。励磁。3. 同步电动机转子除直流励

4、磁绕组或永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久磁钢外，还可能有自身短路的阻尼绕组。绕组。同步电动机的特点同步电动机的特点4. 同步电动机则有隐极与凸极之分，隐极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，式电机气隙均匀，凸极式则不均匀，磁极直轴的磁阻小，极间的交轴磁阻磁极直轴的磁阻小，极间的交轴磁阻大，两轴的电感系数不等，造成数学大，两轴的电感系数不等，造成数学模型上的复杂性。但凸极效应能产生模型上的复杂性。但凸极效应能产生转矩，单靠凸极效应运行的同步电动转矩，单靠凸极效应运行的同步电动机称作磁阻式同步电动机。机称作磁阻式同步电动机。同步电动

5、机的特点同步电动机的特点5. 由于同步电动机转子有独立励磁，在极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样条件下，同步电动机的调速范围比异步电动机更宽。步电动机更宽。6. 同步电机只须加大功角就能增大转矩，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，动态响应快。有更强的承受能力，动态响应快。6.1.2 同步电动机的分类同步电动机的分类n同步电动机按励磁方式分为可控励磁同步电同步电动机按励磁方式分为可控励磁同步电动机和永磁同步

6、电动机两种。动机和永磁同步电动机两种。n可控励磁同步电动机在转子侧有独立的直流可控励磁同步电动机在转子侧有独立的直流励磁，可以通过调节转子的直流励磁电流，励磁，可以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。改变输入功率因数，可以滞后，也可以超前。n永磁同步电动机的转子用永磁材料制成，无永磁同步电动机的转子用永磁材料制成，无需直流励磁。需直流励磁。 永磁同步电动机的优点永磁同步电动机的优点n1. 由于采用了永磁材料磁极，其磁能积高，由于采用了永磁材料磁极，其磁能积高，可得较高的气隙磁通密度，因此容量相同可得较高的气隙磁通密度，因此容量相同的电机体积小、重量轻；的电机体积

7、小、重量轻；n2. 转子没有铜损和铁损，又没有滑环和电转子没有铜损和铁损，又没有滑环和电刷的摩擦损耗，运行效率高；刷的摩擦损耗，运行效率高；n3. 转动惯量小，允许脉冲转矩大，可获得转动惯量小，允许脉冲转矩大，可获得较高的加速度，动态性能好；较高的加速度，动态性能好；n4. 结构紧凑，运行可靠。结构紧凑，运行可靠。永磁同步电动机永磁同步电动机n正弦波永磁同步电动机正弦波永磁同步电动机当输入三相正当输入三相正弦波电流、气隙磁场为正弦分布，磁极采弦波电流、气隙磁场为正弦分布，磁极采用永磁材料时，就使用这个普通的名称或用永磁材料时，就使用这个普通的名称或直接称作永磁同步电动机直接称作永磁同步电动机P

8、ermanent Magnet Synchronous Motor，简称，简称PMSM）。）。永磁同步电动机永磁同步电动机n梯形波永磁同步电动机梯形波永磁同步电动机磁极仍为永磁磁极仍为永磁材料，但输入方波电流，气隙磁场呈梯形材料，但输入方波电流，气隙磁场呈梯形波分布，性能更接近于直流电动机。用梯波分布，性能更接近于直流电动机。用梯形波永磁同步电动机构成的自控变频同步形波永磁同步电动机构成的自控变频同步电动机又称作无刷直流电动机电动机又称作无刷直流电动机Brushless DC Motor，简称，简称BLDM）。）。n同步电动机稳态等效电路与异步电动机相同。同步电动机稳态等效电路与异步电动机相同

9、。n由于转差率为零，付边是开路的。由于转差率为零，付边是开路的。n感应电动势：主磁场磁通和电枢定子磁感应电动势：主磁场磁通和电枢定子磁场所感应的电动势之和。场所感应的电动势之和。n凸极同步电动机气隙不均匀，电枢电动势在凸极同步电动机气隙不均匀，电枢电动势在圆周不同位置遇到的磁阻不同，相应的电枢圆周不同位置遇到的磁阻不同，相应的电枢反应电抗不是常值。反应电抗不是常值。6.1.3 同步电动机的矩角特性同步电动机的矩角特性n当电枢磁动势与主磁极重合时，气隙最小，当电枢磁动势与主磁极重合时，气隙最小，磁阻最小，电抗最大，称之为直轴电抗；磁阻最小，电抗最大，称之为直轴电抗；成成9090时，气隙最大，磁阻

10、最大，电抗最时，气隙最大，磁阻最大，电抗最小，称之为交轴电抗。电抗是转子位置的小，称之为交轴电抗。电抗是转子位置的函数。函数。n由于同步电动机电枢磁动势和转子之间无由于同步电动机电枢磁动势和转子之间无相对运动，可以将电枢磁动势磁动势分成相对运动，可以将电枢磁动势磁动势分成直轴直轴d d、交轴、交轴q q磁动势等效。磁动势等效。n忽略定子电阻，图忽略定子电阻，图6-1是凸是凸极同步电动机稳定运行且功极同步电动机稳定运行且功率因数超前时的相量图，同率因数超前时的相量图，同步电动机从定子侧输入的电步电动机从定子侧输入的电磁功率磁功率 图6-1 凸极同步电动机稳定运行相量图功率因数超前）cos31ss

11、MIUPP（6-2） 永磁同步电动机电磁功率永磁同步电动机电磁功率代入代入 13cos3cos()3cos cos3sinsins ss sMs ss sPPU IU IU IU I将将sincoscossinssqqsssddssqssdUIxUEIxIIII永磁同步电动机电磁功率永磁同步电动机电磁功率（6-4） 2sin2)(3sin3sincos) 11(3sin3sin)cos(3cossin3sin3cos3sinsin3coscos322qdqdsdssdqsdssdsssqssdssqssssssMxxxxUxEUxxUxEUxUEUxUUIUIUIUIUP电磁转矩电磁转矩n在式

12、在式6-4两边除以机械角速度，得电两边除以机械角速度，得电磁转矩磁转矩2sin2)(3sin32qdmqdsdmssexxxxUxEUT（6-5） 电磁转矩由两部分组成，第电磁转矩由两部分组成，第1部分由转子磁势部分由转子磁势产生的，第产生的，第2部分是由于磁路不对称产生的。部分是由于磁路不对称产生的。功角特性和矩角特性功角特性和矩角特性 n在在 和和 恒定时，同步电动机的电磁恒定时，同步电动机的电磁功率和电磁转矩由功率和电磁转矩由 确定，故称为功角确定，故称为功角或矩角。或矩角。sUsE隐极同步电动机隐极同步电动机 n对于隐极同步电动机，对于隐极同步电动机， cqdxxx故隐极同步电动机电磁

13、功率故隐极同步电动机电磁功率 sin30dsMxEUP（6-6） 电磁转矩电磁转矩sin30dmsexEUT （6-7） 隐极同步电动机的矩角特性隐极同步电动机的矩角特性n当当 时，时，电磁转矩最大电磁转矩最大 图图6-2 隐极同步电动机的矩角特性隐极同步电动机的矩角特性2dmsexEUT0max3（6-8） 6.1.4 同步电动机的稳定运行同步电动机的稳定运行n以隐极同步电动机为例，分析同步电动机以隐极同步电动机为例，分析同步电动机恒频恒压时的稳定运行问题。恒频恒压时的稳定运行问题。在在 的范围内的范围内 n同步电动机运行于同步电动机运行于 ， ，此时电磁，此时电磁转矩转矩 和负载转矩和负载

14、转矩 相平衡，相平衡，2012011eT1LT111sin3dmssLexEUTT在在 的范围内的范围内 n当负载转矩加大为当负载转矩加大为 时，转子减速使角时，转子减速使角增加，当增加，当 ，电磁转矩，电磁转矩 和负载转和负载转矩矩 又达到平衡，又达到平衡，202LT222eT2LT同步电动机仍以同步转速稳定运行。同步电动机仍以同步转速稳定运行。222sin3dmssLexEUTT在在 的范围内的范围内 n若负载转矩又恢复若负载转矩又恢复为为 ，则角，则角 恢恢复为复为 ，电磁转矩，电磁转矩恢复为恢复为 。n因此，在因此，在 的的范围内，同步电动范围内，同步电动机能够稳定运行。机能够稳定运行

15、。2012011eT1LT图图6-3 在在20隐极同步电动机的矩角特性隐极同步电动机的矩角特性的范围内，的范围内，在在 的范围内的范围内 n同步电动机运行于同步电动机运行于 ， ，此时电磁，此时电磁转矩转矩 和负载转矩和负载转矩 相平衡，相平衡，23323eT3LT333sin3dmssLexEUTT在在 的范围内的范围内 n当负载转矩加大为当负载转矩加大为 时，转子减速使角时，转子减速使角增加，电磁转矩增加，电磁转矩 减小，导致减小，导致继续，最继续，最终，同步电动机转速偏离同步转速，这种终，同步电动机转速偏离同步转速，这种现象称为现象称为“失步失步”。24LT4eT在在 的范围内的范围内n

16、在在 的范围的范围 内，同步电动机不内，同步电动机不能稳定运行，将产能稳定运行，将产生失步现象。生失步现象。222图图6-4 在在隐极同步电动机的矩角特性隐极同步电动机的矩角特性的范围内，的范围内，6.1.5 同步电动机的起动同步电动机的起动n当同步电动机在工频电源下起动时，定子磁当同步电动机在工频电源下起动时，定子磁动势动势 以同步转速以同步转速sFpnn50601旋转，当旋转，当 时，电磁转矩时，电磁转矩 ，使，使电动机加速，由于机械惯性的作用，电动机电动机加速，由于机械惯性的作用，电动机转速具有较大的滞后，不能快速跟上同步转转速具有较大的滞后，不能快速跟上同步转速。速。 00eT同步电动

17、机的起动同步电动机的起动n当当 时，电磁转时，电磁转矩矩 ，产生，产生制动作用，制动作用，角角以以2为周期变为周期变化，电磁转矩化，电磁转矩呈正弦规律变呈正弦规律变化，如图化，如图6-5所示。所示。20eT图6-5 同步电动机在工频电源下起动转矩同步电动机的起动同步电动机的起动n在一个周期内，电磁转矩的平均值等于零，在一个周期内，电磁转矩的平均值等于零，0eavT故同步电动机不能正常起动。在工频电源下起故同步电动机不能正常起动。在工频电源下起动时，先用转子中的起动绕组按异步起动，接动时，先用转子中的起动绕组按异步起动，接近同步转速时再通入励磁电流牵入同步近同步转速时再通入励磁电流牵入同步 。6

18、.1.6 同步电动机的调速同步电动机的调速n同步电动机的转速等于同步转速同步电动机的转速等于同步转速 而同步电动机的转子据有固定的极对数，所而同步电动机的转子据有固定的极对数，所以同步电动机的调速只能是改变电源频率的以同步电动机的调速只能是改变电源频率的变频调速。变频调速。 pnfnn1160（6-9） 同步电动机的调速同步电动机的调速n若忽略定子漏阻抗压降，则定子电压约等于若忽略定子漏阻抗压降，则定子电压约等于同步电动机变频调速的电压频率特性与异步同步电动机变频调速的电压频率特性与异步电动机变频调速相同，基频以下采用带定子电动机变频调速相同，基频以下采用带定子压降补偿的恒压频比控制方式，基频

19、以上采压降补偿的恒压频比控制方式，基频以上采用电压恒定的控制方式。用电压恒定的控制方式。 （6-10） mNssSkNfU44. 41他控变频调速系统他控变频调速系统n用独立的变压变频装置给同步电动机供电用独立的变压变频装置给同步电动机供电的称作他控变频调速系统。的称作他控变频调速系统。n他控变频调速系统控制较为简单，实现容他控变频调速系统控制较为简单，实现容易，能够实现多机拖动，但仍有可能产生易，能够实现多机拖动，但仍有可能产生失步现象。失步现象。自控变频调速系统自控变频调速系统n根据转子位置直接控制变压变频装置换相根据转子位置直接控制变压变频装置换相时刻的称作自控变频调速系统。时刻的称作自

20、控变频调速系统。n自控变频调速系统严格保证电源频率与转自控变频调速系统严格保证电源频率与转速的同步，从根本上避免了失步现象，但速的同步，从根本上避免了失步现象，但系统结构复杂，需要转子位置检测器或根系统结构复杂，需要转子位置检测器或根据电动机反电动势波形推算转子的位置。据电动机反电动势波形推算转子的位置。6.2他控变频同步电动机调速系统他控变频同步电动机调速系统n转速开环恒压频比控制的同步电动机群转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速系统调速系统n大功率同步电动机调速系统大功率同步电动机调速系统6.2.1同步电动机群调速系统同步电动机群调速系统n图图6-6所示是转速开环恒压频比控制的同所示是转

21、速开环恒压频比控制的同步电动机群调速系统。步电动机群调速系统。n多台永磁或磁阻同步电动机并联接在公多台永磁或磁阻同步电动机并联接在公共的变频器上，由统一的频率给定信号共的变频器上，由统一的频率给定信号同时调节各台电动机的转速。同时调节各台电动机的转速。多台同步电动机的恒压频比控制多台同步电动机的恒压频比控制调速系统调速系统n这种开环调速系统这种开环调速系统存在一个明显的缺存在一个明显的缺点，就是转子振荡点，就是转子振荡和失步问题并未解和失步问题并未解决，因此各台同步决，因此各台同步电动机的负载不能电动机的负载不能太大。太大。 图图6-6 多台同步电动机的多台同步电动机的恒压频比控制调速系统恒压

22、频比控制调速系统6.2.2大功率同步电动机调速系大功率同步电动机调速系统统n大功率的同步大功率的同步电动机转子上电动机转子上一般都具有励一般都具有励磁绕组，通过磁绕组，通过滑环由直流励滑环由直流励磁电源供电。磁电源供电。n FBS-测速环测速环节。节。 图图6-7 变压变频器供电变压变频器供电的同步电动机调速系统的同步电动机调速系统大功率同步电动机调速系统大功率同步电动机调速系统n大功率的同步电动机采用变频调速，在起大功率的同步电动机采用变频调速，在起动过程中，同步电动机定子电源频率按斜动过程中，同步电动机定子电源频率按斜坡规律变化，将动态转差限制在允许的范坡规律变化，将动态转差限制在允许的范

23、围内，以保证同步电动机顺利起动。围内，以保证同步电动机顺利起动。n在运行过程中，采用频率或转速的闭环控在运行过程中，采用频率或转速的闭环控制，及时调整同步电动机定子电源频率，制，及时调整同步电动机定子电源频率，将矩角限制在将矩角限制在 的范围内，有效地抑制的范围内，有效地抑制了失步现象。了失步现象。20大功率同步电动机调速系统大功率同步电动机调速系统n控制方案可以是恒压频比控制，也可以是矢控制方案可以是恒压频比控制，也可以是矢量控制。大功率的同步电动机一般采用转速量控制。大功率的同步电动机一般采用转速闭环控制，除了转速闭环控制外，还带有电闭环控制，除了转速闭环控制外，还带有电枢定子电流和励磁转

24、子电流的闭环枢定子电流和励磁转子电流的闭环控制。控制。n图图6-7绘出了这种系统的结构图，系统控制绘出了这种系统的结构图，系统控制器包括转速调节、定子电流和励磁电流控制。器包括转速调节、定子电流和励磁电流控制。6.3 自控变频同步电动机调速系统自控变频同步电动机调速系统 n他控变频同步电动机调速系统变频器的输他控变频同步电动机调速系统变频器的输出频率与转子位置无直接的关系，若控制出频率与转子位置无直接的关系，若控制不当，仍然会造成失步。不当，仍然会造成失步。n如果能根据转子位置直接控制变频装置的如果能根据转子位置直接控制变频装置的输出电压或电流的相位，使矩角小于输出电压或电流的相位，使矩角小于

25、90，就能从根本上杜绝失步现象，这，就能从根本上杜绝失步现象，这就是自控变频同步电动机的初衷。就是自控变频同步电动机的初衷。6.3.1自控变频同步电动机自控变频同步电动机n自控变频同步电动机的特点是在电动机轴端自控变频同步电动机的特点是在电动机轴端装有一台转子位置检测器装有一台转子位置检测器BQ，由它发出的，由它发出的转子位置信号控制变频装置，保证转子转速转子位置信号控制变频装置，保证转子转速与供电频率同步。与供电频率同步。n由式由式6-10可知，在基频以下调速时，可知，在基频以下调速时，需要电压频率协调控制。因此，除了变频器需要电压频率协调控制。因此，除了变频器UI外，还需要一套调压装置，为

26、变频器提外，还需要一套调压装置，为变频器提供可调的直流电源。供可调的直流电源。自控变频同步电动机调速原理图自控变频同步电动机调速原理图 图图6-8 自控变频同步电动机调速原理图自控变频同步电动机调速原理图 自控变频同步电动机自控变频同步电动机n自控变频同步电动机共有自控变频同步电动机共有4个部分组成：同个部分组成：同步电动机步电动机MS，与电动机同轴安装的转子位，与电动机同轴安装的转子位置检测器置检测器BQ，逆变器，逆变器UI和变频控制器。和变频控制器。n由转子位置检测器发出的信号控制逆变器由转子位置检测器发出的信号控制逆变器UI输出电压或电流的频率及相位，使电源输出电压或电流的频率及相位，使

27、电源频率与转速同步，可控整流器则完成调压的频率与转速同步，可控整流器则完成调压的功能。功能。自控变频同步电动机自控变频同步电动机n调速时改变直流电压，转速将随之变化，调速时改变直流电压，转速将随之变化，逆变器逆变器UI的输出频率自动跟踪转速。虽然的输出频率自动跟踪转速。虽然在表面上只控制了电压，实际上也自动地在表面上只控制了电压，实际上也自动地控制了频率，故仍属于同步电动机的变压控制了频率，故仍属于同步电动机的变压变频调速。变频调速。自控变频同步电动机自控变频同步电动机n从电动机本身看，自控变频同步电动机是从电动机本身看，自控变频同步电动机是一台同步电动机，可以是永磁式的，容量一台同步电动机，

28、可以是永磁式的，容量大时也可以用励磁式的。大时也可以用励磁式的。n如果把它和逆变器如果把它和逆变器UI、转子位置检测器、转子位置检测器BQ合起来看，就象是一台直流电动机。合起来看，就象是一台直流电动机。从外部看来，改变直流电压，就可实现调从外部看来，改变直流电压，就可实现调速，相当于直流电动机的调压调速。速，相当于直流电动机的调压调速。 自控变频同步电动机自控变频同步电动机n早期的自控变频同步电动机中的逆变器完早期的自控变频同步电动机中的逆变器完成变频功能，而调压则由可控整流器来完成变频功能，而调压则由可控整流器来完成，需要两套可控功率单元。成，需要两套可控功率单元。n现常用现常用PWM变频器

29、取代原来的逆变器，变频器取代原来的逆变器，既完成变频功能，又实现调压，用不可控既完成变频功能，又实现调压，用不可控整流器代替原来的控制整流，或直接由直整流器代替原来的控制整流，或直接由直流母线供电，系统结构简单，只需一套控流母线供电，系统结构简单，只需一套控制器。制器。改进的自控变频同步电动机及调改进的自控变频同步电动机及调速原理图速原理图图图6-9 改进的自控变频同步电动机及调速原理图改进的自控变频同步电动机及调速原理图自控变频同步电动机自控变频同步电动机n自控变频同步电动机因其核心部件的不自控变频同步电动机因其核心部件的不同，略有差异：同，略有差异：n1. 无换向器电动机无换向器电动机由于

30、采用电子换由于采用电子换相取代了机械式的换向器，因而得名，相取代了机械式的换向器，因而得名，多用于带直流励磁的同步电动机。多用于带直流励磁的同步电动机。自控变频同步电动机自控变频同步电动机2. 正弦波永磁自控变频同步电动机正弦波永磁自控变频同步电动机以正以正弦波永磁同步电动机为核心，构成的自弦波永磁同步电动机为核心，构成的自控变频同步电动机。正弦波永磁同步电控变频同步电动机。正弦波永磁同步电动机是指当输入三相正弦波电流、气隙动机是指当输入三相正弦波电流、气隙磁场为正弦分布，磁极采用永磁材料的磁场为正弦分布，磁极采用永磁材料的同步电动机。同步电动机。自控变频同步电动机自控变频同步电动机3. 梯形

31、波永磁自控变频同步电动机即无刷直梯形波永磁自控变频同步电动机即无刷直流电动机流电动机以梯形波永磁同步电动机以梯形波永磁同步电动机为核心的自控变频同步电动机，由于输为核心的自控变频同步电动机，由于输入方波电流，气隙磁场呈梯形波分布，入方波电流，气隙磁场呈梯形波分布，性能更接近于直流电动机，但没有电刷，性能更接近于直流电动机，但没有电刷，故称无刷直流电动机。故称无刷直流电动机。6.3.2梯形波永磁同步电动机的梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统自控变频调速系统n无刷直流电动机实质无刷直流电动机实质上是一种特定类型的上是一种特定类型的同步电动机，气隙磁同步电动机，气隙磁场和感应电动势是梯场和感应电

32、动势是梯形波的，由逆变器提形波的，由逆变器提供与电动势严格同相供与电动势严格同相的方波电流。的方波电流。图图6-10 梯形波永磁同步电动梯形波永磁同步电动机的电动势与电流波形图机的电动势与电流波形图梯形波永磁同步电动机的自控变梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统频调速系统图图6-11 梯形波永磁同步电动机的等效电路及逆变器梯形波永磁同步电动机的等效电路及逆变器主电路原理图主电路原理图梯形波永磁同步电动机的自控变梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统频调速系统nUd为恒定的直流电为恒定的直流电压，压，PWM逆变器输逆变器输出电压为出电压为120方波方波序列，换相的顺序与序列，换相的顺序与三相桥

33、式晶闸管可控三相桥式晶闸管可控整流电路相同，并按整流电路相同，并按直流直流PWM的方法对的方法对的方波进行调制，同的方波进行调制，同时完成变压变频功能。时完成变压变频功能。图图6-12 PWM逆变逆变器器A相输出电压相输出电压梯形波永磁同步电动机的转矩脉梯形波永磁同步电动机的转矩脉动动n由于由于PWM逆变逆变器每隔器每隔60换相换相一次，故实际的一次，故实际的转矩波形每隔出转矩波形每隔出现一个缺口，这现一个缺口，这样的转矩脉动使样的转矩脉动使梯形波永磁同步梯形波永磁同步电动机的调速性电动机的调速性能低于真正的直能低于真正的直流电动机。流电动机。图图6-13 梯形波永磁同步梯形波永磁同步电动机的

34、转矩脉动电动机的转矩脉动梯形波永磁同步电动机的电压方程梯形波永磁同步电动机的电压方程 n为方便起见，在静止的为方便起见，在静止的A-B-C坐标上建立电坐标上建立电机的数学模型，梯形波永磁同步电动机的电机的数学模型，梯形波永磁同步电动机的电压方程压方程 CBACBAsmmmsmmmsCBAsssCBAeeeiiidtdLLLLLLLLLiiiRRRuuu000000（6-11） 梯形波永磁同步电动机的电压方程梯形波永磁同步电动机的电压方程 n由于三相定子绕组对称，故有由于三相定子绕组对称，故有 （6-12） CBACBAmsmsmsCBAsssCBAeeeiiidtdLLLLLLiiiRRRuu

35、u0000000000000CBAiii那么那么 电磁转矩电磁转矩n方波电流的峰值为方波电流的峰值为 ，梯形波电动势的峰，梯形波电动势的峰值为值为 ，在一般情况下，同时只有两相导，在一般情况下，同时只有两相导通，从逆变器直流侧看进去，为两相绕组串通，从逆变器直流侧看进去，为两相绕组串联，则电磁功率为联，则电磁功率为 。n忽略电流换相过程的影响，电磁转矩为忽略电流换相过程的影响，电磁转矩为pIpEppmIEP2pppppppmmmeInIEnnPPT22/（6-13） 梯形波永磁同步电动机的调速梯形波永磁同步电动机的调速n梯形波永磁同步电动机即无刷直流电动梯形波永磁同步电动机即无刷直流电动机的转

36、矩与电流成正比，和一般的直流机的转矩与电流成正比，和一般的直流电动机相当。这样，其控制系统也和直流电动机相当。这样，其控制系统也和直流调速系统一样，要求不高时，可采用开环调速系统一样，要求不高时，可采用开环调速，对于动态性能要求较高的负载，可调速，对于动态性能要求较高的负载，可采用转速、电流双闭环控制系统。采用转速、电流双闭环控制系统。梯形波永磁同步电动机的调速梯形波永磁同步电动机的调速n无论是开环还是闭环系统，都必须检测转子无论是开环还是闭环系统，都必须检测转子位置，并根据转子位置发出换相信号，使变位置，并根据转子位置发出换相信号，使变频器输出与电动势严格同相的方波电压，而频器输出与电动势严

37、格同相的方波电压，而通过对方波电压的通过对方波电压的PWM调制控制方波电流调制控制方波电流的幅值，进而控制无刷直流电动机电磁转矩。的幅值，进而控制无刷直流电动机电磁转矩。 梯形波永磁同步电动机的调速梯形波永磁同步电动机的调速n不考虑换相过程及不考虑换相过程及PWM波等因素的影响，波等因素的影响，当图当图6-11中的中的VT1和和VT6导通时，导通时，A、B两两相导通，而相导通，而C相关断，则无刷直流电动机的相关断，则无刷直流电动机的动态电压方程为动态电压方程为ApmspsBAedtdILLIRuu2)(22(6-14) 梯形波永磁同步电动机的调速梯形波永磁同步电动机的调速n由于由于(6-15)

38、 dBAUuu则无刷直流电动机的动态电压方程为则无刷直流电动机的动态电压方程为AdpmspseUdtdILLIR2)(22状态方程状态方程状态方程状态方程)(2)(1msdmsAplpLLULLeITdtdI(6-16) 其中，其中，smslRLLT状态方程状态方程n根据电机和电力拖动系统基本理论，可知根据电机和电力拖动系统基本理论，可知eBAkeepepBBAApeIknieienT2)()(LepTTJndtd(6-17) (6-18) (6-19) 状态方程状态方程n无刷直流电动机的状态方程无刷直流电动机的状态方程 (6-20) )(2)(122msdmseplpLppepLLULLkI

39、TdtdITJnIkJndtd动态结构图动态结构图图图6-14 无刷直流电动机的动态结构图无刷直流电动机的动态结构图6.4 同步电动机矢量控制系统同步电动机矢量控制系统 n为了获得高动态性能，应当从同步电动机的为了获得高动态性能，应当从同步电动机的动态模型出发，研究同步电动机的调速系统。动态模型出发，研究同步电动机的调速系统。n同步电动机的定子绕组与异步电动机相同，同步电动机的定子绕组与异步电动机相同，主要差异在转子部分，同步电动机转子为直主要差异在转子部分，同步电动机转子为直流励磁或永磁体，为了解决起动问题和抑制流励磁或永磁体，为了解决起动问题和抑制失步现象，有些同步电动机在转子侧带有阻失步

40、现象，有些同步电动机在转子侧带有阻尼绕组。尼绕组。6.4.1可控励磁同步电动机动态可控励磁同步电动机动态数学模型数学模型n作如下假定：作如下假定：n忽略空间谐波，设定子三相绕组对称，在空间中忽略空间谐波，设定子三相绕组对称，在空间中互差互差120电角度，所产生的磁动势沿气隙按正弦电角度，所产生的磁动势沿气隙按正弦规律分布；规律分布；n忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的；忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的；n忽略铁心损耗；忽略铁心损耗；n不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。带有阻尼绕组的同步电动机物理带有阻尼绕组的同步电动机物理模型

41、模型n定子三相绕组轴线定子三相绕组轴线A、B、C是静止的，转是静止的，转子以角速度旋转，转子励磁绕组流过励磁电子以角速度旋转，转子励磁绕组流过励磁电流。沿励磁磁极的轴线为流。沿励磁磁极的轴线为d轴，与轴，与d轴正交轴正交的是的是q轴，轴，dq坐标系固定在转子上，与转子坐标系固定在转子上，与转子同步旋转，同步旋转，d轴与轴与A轴之间的夹角为变量。轴之间的夹角为变量。阻尼绕组是多导条类似笼型的绕组，把它等阻尼绕组是多导条类似笼型的绕组，把它等效成在效成在d轴和轴和q轴各自短路的两个独立绕组。轴各自短路的两个独立绕组。带有阻尼绕组的同步电动机物理带有阻尼绕组的同步电动机物理模型模型图图6-15 带有

42、阻尼绕组的同带有阻尼绕组的同步电动机物理模型步电动机物理模型电压方程电压方程 n考虑同步电动机的凸极效应和阻尼绕组，同考虑同步电动机的凸极效应和阻尼绕组，同步电动机的定、转子电压方程步电动机的定、转子电压方程dtdiRudtdiRudtdiRuCCsCBBsBAAsAdtdiRdtdiRdtdIRUrqrqrqrdrdrdffff00(6-22) (6-21) 定子电压方程定子电压方程n按照坐标变换原理，将定子电压方程从按照坐标变换原理，将定子电压方程从ABC三相坐标系变换到三相坐标系变换到dq二相旋转坐标系二相旋转坐标系 sdsqsqssqsqsdsdssddtdiRudtdiRu(6-23

43、) 磁链方程磁链方程 n在在dq两相旋转坐标系上的磁链方程两相旋转坐标系上的磁链方程 rqrqsqmqrqrdrdfmdsdmdrdrdmdffsdmdfrqmqsqsqsqrdmdfmdsdsdsdiLiLiLILiLiLILiLiLiLiLILiL(6-24) 转矩和运动方程转矩和运动方程n同步电动机在同步电动机在dq轴上的转矩和运动方程分别轴上的转矩和运动方程分别为为)(sdsqsqsdpeiinTLpsdsqsqsdpLepTJniiJnTTJndtd)()(2(6-26) (6-25) 转矩方程转矩方程n把式把式6-24中的中的 和和 代入式代入式6-25的转矩方程，并整理后得的转矩

44、方程，并整理后得dd)()(sdrqmqsqrdmdpsqsdsqsdpsqfmdpeiiLiiLniiLLniILnT(6-27) 转矩分析转矩分析n第一项是转子励磁磁动势和定子电枢反应磁第一项是转子励磁磁动势和定子电枢反应磁动势转矩分量相互作用所产生的转矩，是同动势转矩分量相互作用所产生的转矩，是同步电动机主要的电磁转矩。步电动机主要的电磁转矩。n第二项是由凸极效应造成的磁阻变化在电枢第二项是由凸极效应造成的磁阻变化在电枢反应磁动势作用下产生的转矩，称作反应转反应磁动势作用下产生的转矩，称作反应转矩或磁阻转矩，这是凸极电机特有的转矩，矩或磁阻转矩，这是凸极电机特有的转矩，在隐极电机中，该项

45、为零。在隐极电机中，该项为零。转矩分析转矩分析n第三项是电枢反应磁动势与阻尼绕组磁动势第三项是电枢反应磁动势与阻尼绕组磁动势相互作用的转矩，如果没有阻尼绕组，或者相互作用的转矩，如果没有阻尼绕组，或者在稳态运行时阻尼绕组中没有感应电流，该在稳态运行时阻尼绕组中没有感应电流，该项都是零。只有在动态过程中，产生阻尼电项都是零。只有在动态过程中，产生阻尼电流，才有阻尼转矩，帮助同步电动机尽快达流，才有阻尼转矩，帮助同步电动机尽快达到新的稳态。到新的稳态。同步电动机的电压矩阵方程式同步电动机的电压矩阵方程式rqrdfsqsdrqmqrdmdmdmdfmdmqsqmdmdsdrqrdfsqsdrqrdf

46、mdmdssdmqsqsfsqsdiiIiidtdLLLLLLLLLLLLLiiIiiRRRLLRLLLRUuu00000000000000000000000000000(6-28) 运动方程运动方程 LpsdrqmqsqrdmdsqsdsqsdsqfmdpLepTJniiLiiLiiLLiILJnTTJndtd)()()(2(6-29) 凸极同步电动机动态数学模型凸极同步电动机动态数学模型n与笼型异步电动机相比较，励磁绕组的存在，与笼型异步电动机相比较，励磁绕组的存在，增加了状态变量的维数，提高了微分方程的增加了状态变量的维数，提高了微分方程的阶次，而凸极效应则使得阶次，而凸极效应则使得d轴

47、和轴和q轴参数不轴参数不等，这无疑增加了数学模型的复杂性。等，这无疑增加了数学模型的复杂性。隐极式同步电动机隐极式同步电动机n隐极式同步电动机的隐极式同步电动机的dq轴对称，故轴对称，故ssqsdLLLmmqmdLLL隐极式同步电动机动态数学模型隐极式同步电动机动态数学模型n忽略阻尼绕组的作用，则动态数学模型为忽略阻尼绕组的作用，则动态数学模型为fsqsdfmsmsfsqsdfmssssfsqsdIiidtdLLLLLIiiRLRLoLRUuu000000LpsqfmpLepTJniILJnTTJndtd2)(6-30) (6-31) 隐极式同步电动机的状态方程 fmfsssdmfsmfmfs

48、fssqmfsmfsdmfssmfsqsfsmsqsssdsqfmfsmsdmfsffmfsfmsqmfssfsdmfssfsdLpsqfmpLepULLLLuLLLLILLLRLiLLLLLiLLLRLdtdIuLILLiLRidtdiULLLLuLLLLILLLRLiLLLLLiLLLRLdtdiTJniILJnTTJndtd222222222221)(6-32) 同步电动机动态数学模型同步电动机动态数学模型n同步电动机也是个非线性、强耦合的多变量同步电动机也是个非线性、强耦合的多变量系统，若考虑阻尼绕组作用和凸极效应时，系统，若考虑阻尼绕组作用和凸极效应时，动态模型更为复杂，与异步电动机

49、相比，其动态模型更为复杂，与异步电动机相比，其非线性、强耦合的程度有过之而无不及。非线性、强耦合的程度有过之而无不及。n为了达到良好的控制效果，往往采用电流闭为了达到良好的控制效果，往往采用电流闭环控制的方式，实现对象的近似解耦。环控制的方式，实现对象的近似解耦。 6.4.2可控励磁同步电动机按气可控励磁同步电动机按气隙磁链定向矢量控制系统隙磁链定向矢量控制系统n定义定义mt坐标系，使坐标系，使m轴与气隙合成磁链矢轴与气隙合成磁链矢量重合，量重合，t轴与轴与m轴正交。再将定子三相电轴正交。再将定子三相电流合成矢量流合成矢量 沿沿m、t轴分解为励磁分量轴分解为励磁分量 和转矩分量和转矩分量 ，同

50、样，将励磁电流矢量，同样，将励磁电流矢量 分解成分解成 和和 ，参见图，参见图6-16，图中功率，图中功率因数滞后。因数滞后。smistifmifIsifti可控励磁同步电动机空间矢量图可控励磁同步电动机空间矢量图图图6-16 可控励磁同步电动机空间矢量图可控励磁同步电动机空间矢量图励磁分量和转矩分量励磁分量和转矩分量n将将dq坐标系中的定子电流矢量、励磁电流矢坐标系中的定子电流矢量、励磁电流矢量变换到量变换到mt坐标系，得到相应的励磁分量和坐标系，得到相应的励磁分量和转矩分量转矩分量sqsdstsmiiiicossinsincos0cossinsincosfftfmIii(6-37) (6-

51、36) 按气隙磁链定向按气隙磁链定向n考虑到按气隙磁链定向，考虑到按气隙磁链定向， 0cossinsincosgmftmstmfmmsmmgqgdgtgmiLiLiLiLiL由此导出由此导出ftstfmsmgiiiii(6-38) (6-39) 逆变换逆变换n逆变换分别为逆变换分别为 stsmsqsdiiiicossinsincosgtgmgqgdcossinsincos(6-41) (6-40) 电磁转矩电磁转矩n将式将式6-40和式和式6-41代入式代入式6-34并整理得到同步电动机的电磁转矩并整理得到同步电动机的电磁转矩ftgmpstgmpeininT(6-42) 电磁转矩电磁转矩n按气

52、隙磁链定向后，同步电动机的转矩公式按气隙磁链定向后，同步电动机的转矩公式与直流电动机转矩表达式相同。只要保证气与直流电动机转矩表达式相同。只要保证气隙磁链恒定，控制定子电流的转矩分量就可隙磁链恒定，控制定子电流的转矩分量就可以方便灵活地控制同步电动机的电磁转矩，以方便灵活地控制同步电动机的电磁转矩，问题是如何能够保证气隙磁链恒定和准确地问题是如何能够保证气隙磁链恒定和准确地按气隙磁链定向。按气隙磁链定向。气隙磁链恒定控制气隙磁链恒定控制n要保证气隙磁链要保证气隙磁链 恒定，只要使恒定，只要使gmfmsmgiii 恒定即可，定子电流的励磁分量恒定即可，定子电流的励磁分量 可以可以从同步电动机期望

53、的功率因数值求出。从同步电动机期望的功率因数值求出。一般说来，希望功率因数一般说来，希望功率因数 ，即即 ，也就是说，希望，也就是说，希望 。因此，由期望功率因数确定的因此，由期望功率因数确定的 可作为可作为矢量控制系统的一个给定值。矢量控制系统的一个给定值。smi1cos 90s0smismi按气隙磁链定向按气隙磁链定向 n由同步电动机空间矢量图由同步电动机空间矢量图6-16得出得出 22stsmsiiismstsiitg122ftfmfiiIfmstfmftiitgiitg11(6-45) (6-44) (6-46) (6-43) n考虑到考虑到逆时逆时钟为正，故钟为正，故在式在式6-46中中 前取负前取负号。号。fti按气隙磁链定向按气隙磁链定向n以以A轴为参考坐标轴，则轴为参考坐标轴，则d轴的位置角轴的位置角dtr可以通过电机轴上的位置传感器可以通过电机轴上的位置传感器BQ测得或测得或通过积分得到。于是，定子电流空间矢量与通过积分得到。于是，定子电流空间矢