第6章-同步电动机变压变频调速系统课件

概述概述n同同步步电电动动机机直直接接投投入入电电网网运运行行时时，存存在在失失步步与与起起动动两两大大问问题题，曾曾一一直直制制约约着着同同步步电电动动机机的的应应用用。同同步步电电动动机机的的转转速速恒恒等等于于同同步步转转速速，所所以以同同步步电电动动机机的的调调速速只能是变频调速。只能是变频调速。概述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，曾概述概述n变变频频调调速速的的发发展展与与成成熟熟不不仅仅实实现现了了同同步步电电动动机机的的调调速速问问题题，同同时时也也解解决决了了失失步步与与起起动动问问题题，使使之之不不再再是是限限制制同同步步电电动动机运行的障碍。机运行的障碍。n同同步步电电动动机机的的调调速速可可分分为为自自控控式式和和他他控控式两种，适用于不同的应用场合。式两种，适用于不同的应用场合。概述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内容提要6.1 同步电动机的基本特征与调速方法 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同步电动机的基本特征与调速方法 讨论同步电动机的特点 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：1.交流电机旋转磁场的同步转速与定子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电源频率有确定的关系（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。6.1.1 同步电动机的特点同步电动机具有以下特点：（6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，或者靠永侧还有独立的直流励磁，或者靠永久磁钢励磁。久磁钢励磁。3.同步电动机转子除直流励磁绕组（或同步电动机转子除直流励磁绕组（或永久磁钢）外，还可能有自身短路永久磁钢）外，还可能有自身短路的阻尼绕组。的阻尼绕组。同步电动机的特点2.同步电动机除定子磁动势外，在转子侧还有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，凸极式则不均极式电机气隙均匀，凸极式则不均匀，磁极直轴的磁阻小，极间的交匀，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，轴磁阻大，两轴的电感系数不等，造成数学模型上的复杂性。但凸极造成数学模型上的复杂性。但凸极效应能产生转矩，单靠凸极效应运效应能产生转矩，单靠凸极效应运行的同步电动机称作磁阻式同步电行的同步电动机称作磁阻式同步电动机。动机。同步电动机的特点4.同步电动机则有隐极与凸极之分，隐极式电同步电动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，极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在同样条件下，同步电动机的调速范围比异步电动机更宽。围比异步电动机更宽。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。具有更强的承受能力，动态响应快。同步电动机的特点5.由于同步电动机转子有独立励磁，在极低的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动机按励磁方式分为可控励磁同步电动机和永磁同步电动机两种。同步电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的直流励磁，可以通过调节转子的直流励磁电流，改变输入功率因数，可流励磁电流，改变输入功率因数，可以滞后，也可以超前。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永磁同步电动机的转子用永磁材料制成，无需直流励磁。成，无需直流励磁。6.1.2 同步电动机的分类同步电动机按励磁方式分为可控励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，因积高，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；此容量相同的电机体积小、重量轻；n2.转子没有铜损和铁损，又没有滑环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；和电刷的摩擦损耗，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；获得较高的加速度，动态性能好；n4.结构紧凑，运行可靠。结构紧凑，运行可靠。永磁同步电动机的优点1.由于采用了永磁材料磁极，其磁能积高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当输入三相正弦波电流、气隙磁场为正弦分布，磁正弦波电流、气隙磁场为正弦分布，磁极采用永磁材料时，就使用这个普通的极采用永磁材料时，就使用这个普通的名称或直接称作永磁同步电动机名称或直接称作永磁同步电动机（Permanent Magnet Synchronous Motor，简称，简称PMSM）。）。永磁同步电动机正弦波永磁同步电动机当输入三相正弦波电流、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极仍为永磁材料，但输入方波电流，气隙磁场呈磁材料，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。梯形波分布，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用梯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频同步电动机又称作无刷直流电动机（Brushless DC Motor，简称，简称BLDM）。）。永磁同步电动机梯形波永磁同步电动机磁极仍为永磁材料，但输6.1.3 同步电动机的矩角特性同步电动机的矩角特性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）（6-2）6.1.3 同步电动机的矩角特性忽略定子电阻，图6-1是凸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 将将永磁同步电动机电磁功率代入 将永磁同步电动机电磁功率永磁同步电动机电磁功率（6-4）永磁同步电动机电磁功率（6-4）电磁转矩电磁转矩n在式（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（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部分由转子部分由转子磁势产生的，第磁势产生的，第2部分是由于磁路不对称部分是由于磁路不对称产生的。产生的。电磁转矩在式（6-4）两边除以机械角速度，得电磁转矩（6-5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，同步电动机的电磁功恒定时，同步电动机的电磁功率和电磁转矩由率和电磁转矩由 确定，故称为功角或确定，故称为功角或矩角。矩角。功角特性和矩角特性 在 和 恒定时，同步电动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，故隐极同步电动机电磁功率故隐极同步电动机电磁功率（6-6）电磁转矩电磁转矩（6-7）隐极同步电动机 对于隐极同步电动机，故隐极同步电动机电磁功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（6-8）隐极同步电动机的矩角特性当 时，电磁转矩最大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。6.1.4 同步电动机的稳定运行以隐极同步电动机为例，分析在在 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，在 的范围内 同步电动机运行于 ，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，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。在 的范围内 当负载转矩加大为 时，转在在 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。图6-3 在在隐极同步极同步电动机的矩角特性机的矩角特性的范围内，的范围内，在 的范围内 若负载转矩又恢复为 ，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，在 的范围内 同步电动机运行于 ，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，继续，最最终，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”。在 的范围内 当负载转矩加大为 时，转在在 的范围内的范围内n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。图6-4 在在隐极同步极同步电动机的矩角特性机的矩角特性的范围内，的范围内，在 的范围内在 的范围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，定子当同步电动机在工频电源下起动时，定子磁动势磁动势 以同步转速以同步转速旋转，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，不能快速跟上同机转速具有较大的滞后，不能快速跟上同步转速。步转速。6.1.5 同步电动机的起动当同步电动机在工频电源下起动时同步电动机的起动同步电动机的起动n当当 时，电磁转矩时，电磁转矩 ，产生制动作，产生制动作用，用，角以角以2为周期变化，为周期变化，电磁转矩呈正电磁转矩呈正弦规律变化，弦规律变化，如图如图6-5所示。所示。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当 时，电磁转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，故同步电动机不能正常起动。在工频电源下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起动时，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动，接近同步转速时再通入励磁电流牵入同步同步。同步电动机的起动在一个周期内，电磁转矩的平均值等于零，故同步6.1.6 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以同步电动机的调速只能是改变电源频率的变频调速。的变频调速。（6-9）6.1.6 同步电动机的调速同步电动机的转速等于同步转速 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，则定子电压约等若忽略定子漏阻抗压降，则定子电压约等于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，基频以子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。上采用电压恒定的控制方式。（6-10）同步电动机的调速若忽略定子漏阻抗压降，则定子电压约等于同步电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。他控变频调速系统用独立的变压变频装置给同步电动机供电的称作他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。自控变频调速系统根据转子位置直接控制变压变频装置换相时刻的称6.2他控变频同步电动机调速系他控变频同步电动机调速系统统n转转速速开开环环恒恒压压频频比比控控制制的的同同步步电电动动机机群群调调速系统速系统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他控变频同步电动机调速系统转速开环恒压频比控制的同步电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所所示示是是转转速速开开环环恒恒压压频频比比控控制制的的同同步电动机群调速系统。步电动机群调速系统。n多多台台永永磁磁或或磁磁阻阻同同步步电电动动机机并并联联接接在在公公共共的的变变频频器器上上，由由统统一一的的频频率率给给定定信信号号同同时时调节各台电动机的转速。调节各台电动机的转速。6.2.1同步电动机群调速系统图6-6所示是转速开环恒压频比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这这种种开开环环调调速速系系统统存存在在一一个个明明显显的的缺缺点点，就就是是转转子子振振荡荡和和失失步步问问题题并并未未解解决决，因因此此各各台台同同步步电电动动机机的的负负载载不不能能太太大。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频比控制调速系统多台同步电动机的恒压频比控制调速系统这种开环调速系统存在一个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大大功功率率的的同同步步电电动动机机转转子子上上一一般般都都具具有有励励磁磁绕绕组组，通通过过滑滑环环由由直直流流励励磁电源供电。磁电源供电。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6.2.2大功率同步电动机调速系统大功率的同步电动机转子上一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大大功功率率的的同同步步电电动动机机采采用用变变频频调调速速，在在起起动动过过程程中中，同同步步电电动动机机定定子子电电源源频频率率按按斜斜坡坡规规律律变变化化，将将动动态态转转差差限限制制在在允允许许的的范范围内，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在在运运行行过过程程中中，采采用用频频率率或或转转速速的的闭闭环环控控制制，及及时时调调整整同同步步电电动动机机定定子子电电源源频频率率，将将矩矩角角限限制制在在 的的范范围围内内，有有效效地地抑抑制了失步现象。制了失步现象。大功率同步电动机调速系统大功率的同步电动机采用变频调速，在起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控控制制方方案案可可以以是是恒恒压压频频比比控控制制，也也可可以以是是矢矢量量控控制制。大大功功率率的的同同步步电电动动机机一一般般采采用用转转速速闭闭环环控控制制，除除了了转转速速闭闭环环控控制制外外，还还带带有有电电枢枢（定定子子）电电流流和和励励磁磁（转转子子）电电流的闭环控制。流的闭环控制。n图图6-7绘绘出出了了这这种种系系统统的的结结构构图图，系系统统控控制制器器包包括括转转速速调调节节、定定子子电电流流和和励励磁磁电电流流控制。控制。大功率同步电动机调速系统控制方案可以是恒压频比控制，也可以是6.3 自控变频同步电动机调速系自控变频同步电动机调速系统统 n他他控控变变频频同同步步电电动动机机调调速速系系统统变变频频器器的的输输出出频频率率与与转转子子位位置置无无直直接接的的关关系系，若若控控制制不当，仍然会造成失步。不当，仍然会造成失步。n如如果果能能根根据据转转子子位位置置直直接接控控制制变变频频装装置置的的输输出出电电压压或或电电流流的的相相位位，使使矩矩角角小小于于90，就就能能从从根根本本上上杜杜绝绝失失步步现现象象，这这就就是是自自控变频同步电动机的初衷。控变频同步电动机的初衷。6.3 自控变频同步电动机调速系统 他控变频同步电动机调速系6.3.1自控变频同步电动机自控变频同步电动机n自自控控变变频频同同步步电电动动机机的的特特点点是是在在电电动动机机轴轴端端装装有有一一台台转转子子位位置置检检测测器器BQ，由由它它发发出出的的转转子子位位置置信信号号控控制制变变频频装装置置，保保证证转转子转速与供电频率同步。子转速与供电频率同步。n由由式式（6-10）可可知知，在在基基频频以以下下调调速速时时，需需要要电电压压频频率率协协调调控控制制。因因此此，除除了了变变频频器器UI外外，还还需需要要一一套套调调压压装装置置，为为变变频频器提供可调的直流电源。器提供可调的直流电源。6.3.1自控变频同步电动机自控变频同步电动机的特点是在电动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调速原理图 图6-8 自控变频同步电动机自控变频同步电动机自控变频同步电动机n自自控控变变频频同同步步电电动动机机共共有有4个个部部分分组组成成：同同步步电电动动机机MS，与与电电动动机机同同轴轴安安装装的的转转子子位位置置检检测测器器BQ，逆逆变变器器UI和和变变频频控控制制器。器。n由由转转子子位位置置检检测测器器发发出出的的信信号号控控制制逆逆变变器器UI输输出出电电压压或或电电流流的的频频率率及及相相位位，使使电电源源频频率率与与转转速速同同步步，可可控控整整流流器器则则完完成成调调压的功能。压的功能。自控变频同步电动机自控变频同步电动机共有4个部分组成：同步电自控变频同步电动机自控变频同步电动机n调调速速时时改改变变直直流流电电压压，转转速速将将随随之之变变化化，逆逆变变器器UI的的输输出出频频率率自自动动跟跟踪踪转转速速。虽虽然然在在表表面面上上只只控控制制了了电电压压，实实际际上上也也自自动动地地控控制制了了频频率率，故故仍仍属属于于同同步步电电动动机机的的变变压变频调速。压变频调速。自控变频同步电动机调速时改变直流电压，转速将随之变化，逆变器自控变频同步电动机自控变频同步电动机n从从电电动动机机本本身身看看，自自控控变变频频同同步步电电动动机机是是一一台台同同步步电电动动机机，可可以以是是永永磁磁式式的的，容容量量大大时时也也可可以以用用励励磁磁式式的的。但但是是如如果果把把它它和和逆逆变变器器UI、转转子子位位置置检检测测器器BQ合合起起来来看看，就就象象是是一一台台直直流流电电动动机机。从从外外部部看看来来，改改变变直直流流电电压压，就就可可实实现现调调速速，相相当当于于直直流流电动机的调压调速。电动机的调压调速。自控变频同步电动机从电动机本身看，自控变频同步电动机是一台同自控变频同步电动机自控变频同步电动机n早早期期的的自自控控变变频频同同步步电电动动机机中中的的逆逆变变器器完完成成变变频频功功能能，而而调调压压则则由由可可控控整整流流器器来来完完成，需要两套可控功率单元。成，需要两套可控功率单元。n现现常常用用PWM变变频频器器取取代代原原来来的的逆逆变变器器，既既完完成成变变频频功功能能，又又实实现现调调压压，用用不不可可控控整整流流器器代代替替原原来来的的控控制制整整流流，或或直直接接由由直直流流母母线线供供电电，系系统统结结构构简简单单，只只需需一一套套控控制器。制器。自控变频同步电动机早期的自控变频同步电动机中的逆变器完成变频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改进的自控变频同步电动机及调速原理图图6-9 改进的自控变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同，自控变频同步电动机因其核心部件的不同，略有差异：略有差异：1.无换向器电动机无换向器电动机由于采用电子换相取由于采用电子换相取代了机械式的换向器，因而得名，多用于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。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因其核心部件的不同，略有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，构成的自控弦波永磁同步电动机为核心，构成的自控变频同步电动机。正弦波永磁同步电动机变频同步电动机。正弦波永磁同步电动机是指当输入三相正弦波电流、气隙磁场为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同步电动正弦分布，磁极采用永磁材料的同步电动机。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以正自控变频同步电动机自控变频同步电动机3.梯形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为以梯形波永磁同步电动机为核心的自控变频同步电动机，由于输入方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，性能更波电流，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，故称无接近于直流电动机，但没有电刷，故称无刷直流电动机。刷直流电动机。自控变频同步电动机3.梯形波永磁自控变频同步电动机即无刷直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6.3.2梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统无刷直流电动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频调速系统图6-11 梯形波永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n为恒定的直流电压，为恒定的直流电压，PWM逆变器输出电逆变器输出电压为压为120的方波序列，换相的顺序与三的方波序列，换相的顺序与三相桥式晶闸管可控整流电路相同，并按直相桥式晶闸管可控整流电路相同，并按直流流PWM的方法对的方波进行调制，同时的方法对的方波进行调制，同时完成变压变频功能。完成变压变频功能。梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统为恒定的直流电压，PW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n为恒定的直流电压，为恒定的直流电压，PWM逆变器输出电逆变器输出电压为压为120的方波序的方波序列，换相的顺序与三列，换相的顺序与三相桥式晶闸管可控整相桥式晶闸管可控整流电路相同，并按直流电路相同，并按直流流PWM的方法对的的方法对的方波进行调制，同时方波进行调制，同时完成变压变频功能。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自控变频调速系统为恒定的直流电压，PW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n为恒定的直流电压，为恒定的直流电压，PWM逆变器输出电逆变器输出电压为压为120的方波序的方波序列，换相的顺序与三列，换相的顺序与三相桥式晶闸管可控整相桥式晶闸管可控整流电路相同，并按直流电路相同，并按直流流PWM的方法对的的方法对的方波进行调制，同时方波进行调制，同时完成变压变频功能。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自控变频调速系统为恒定的直流电压，PW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逆变逆变器每隔换相一次，器每隔换相一次，故实际的转矩波故实际的转矩波形每隔出现一个形每隔出现一个缺口，这样的转缺口，这样的转矩脉动使梯形波矩脉动使梯形波永磁同步电动机永磁同步电动机的调速性能低于的调速性能低于真正的直流电动真正的直流电动机。机。图图6-13 梯形波永磁同步梯形波永磁同步电动机的转矩脉动电动机的转矩脉动梯形波永磁同步电动机的转矩脉动由于PWM逆变器每隔换相一次，梯形波永磁同步电动机的电压方梯形波永磁同步电动机的电压方程程 n为方便起见，在静止的为方便起见，在静止的A-B-C坐标上建立坐标上建立电机的数学模型，梯形波永磁同步电动机电机的数学模型，梯形波永磁同步电动机的电压方程的电压方程（6-11）梯形波永磁同步电动机的电压方程 为方便起见，在静止的A-B-梯形波永磁同步电动机的电压方梯形波永磁同步电动机的电压方程程 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）则则 梯形波永磁同步电动机的电压方程 由于三相定子绕组对称，故有 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，梯形波电动势的峰值为峰值为 ，在一般情况下，同时只有两，在一般情况下，同时只有两相导通，从逆变器直流侧看进去，为两相相导通，从逆变器直流侧看进去，为两相绕组串联，则电磁功率为绕组串联，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（6-13）电磁转矩方波电流的峰值为 ，梯形波电动势的峰值为 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（即无刷直流电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，子位置，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使变频器输出与电动势严格同相的方波电压，而通过对方波电压的压，而通过对方波电压的PWM调制控制调制控制方波电流的幅值，进而控制无刷直流电动方波电流的幅值，进而控制无刷直流电动机的电磁转矩。机的电磁转矩。梯形波永磁同步电动机的调速无论是开环还是闭环系统，都必须检测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两相导通，而两相导通，而C相关断，则无刷直流电动相关断，则无刷直流电动机的动态电压方程为机的动态电压方程为(6-14)梯形波永磁同步电动机的调速不考虑换相过程及PWM波等因素的影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)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梯形波永磁同步电动机的调速由于(6-15)则无刷直流电动机状态方程状态方程状态方程状态方程(6-16)其中，其中，状态方程状态方程(6-16)其中，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(6-17)(6-18)(6-19)状态方程根据电机和电力拖动系统基本理论，可知(6-17)(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)状态方程无刷直流电动机的状态方程(6-20)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动态结构图图6-14 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的动态模型出发，研究同步电动机的调速系统。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直流励磁或永磁体，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抑制失步现象，有些同步电动机在转子侧带有阻尼绕组。带有阻尼绕组。6.4 同步电动机矢量控制系统 为了获得高动态性能，应当从同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：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电角度，所产生的磁动势沿气隙按正弦规律分布；弦规律分布；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；忽略铁心损耗；忽略铁心损耗；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。6.4.1可控励磁同步电动机动态数学模型作如下假定：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电流。沿励磁磁极的轴线为d轴，与轴，与d轴正轴正交的是交的是q轴，轴，dq坐标系固定在转子上，与坐标系固定在转子上，与转子同步旋转，转子同步旋转，d轴与轴与A轴之间的夹角为变轴之间的夹角为变量。阻尼绕组是多导条类似笼型的绕组，量。阻尼绕组是多导条类似笼型的绕组，把它等效成在把它等效成在d轴和轴和q轴各自短路的两个独轴各自短路的两个独立的绕组。立的绕组。带有阻尼绕组的同步电动机物理模型定子三相绕组轴线A、B、C是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带有阻尼绕组的同步电动机物理模型图6-15 带有阻尼绕组的电压方程电压方程 n考虑同步电动机的凸极效应和阻尼绕组，考虑同步电动机的凸极效应和阻尼绕组，同步电动机的定、转子电压方程同步电动机的定、转子电压方程(6-22)(6-21)电压方程 考虑同步电动机的凸极效应和阻尼绕组，同步电动机的定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(6-23)定子电压方程按照坐标变换原理，将定子电压方程从ABC三相坐标磁链方程磁链方程 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(6-24)磁链方程 在dq两相旋转坐标系上的磁链方程(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轴上的转矩和运动方程分别为别为(6-26)(6-25)转矩和运动方程同步电动机在dq轴上的转矩和运动方程分别为(6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）的转矩方程，并整理后得(6-27)转矩方程把式（6-24）中的 和 代入式转矩分析转矩分析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，磁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。是同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，称作反枢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应转矩或磁阻转矩，这是凸极电机特有的转矩，在隐极电机中，该项为零。转矩，在隐极电机中，该项为零。转矩分析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，势相互作用的转矩，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或者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，产流，该项都是零。只有在动态过程中，产生阻尼电流，才有阻尼转矩，帮助同步电生阻尼电流，才有阻尼转矩，帮助同步电动机尽快达到新的稳态。动机尽快达到新的稳态。转矩分析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(6-28)同步电动机的电压矩阵方程式(6-28)运动方程运动方程(6-29)运动方程(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，提高了微分在，增加了状态变量的维数，提高了微分方程的阶次，而凸极效应则使得方程的阶次，而凸极效应则使得d轴和轴和q轴轴参数不等，这无疑增加了数学模型的复杂参数不等，这无疑增加了数学模型的复杂性。性。凸极同步电动机动态数学模型与笼型异步电动机相比较，励磁绕组的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，故隐极式同步电动机隐极式同步电动机的dq轴对称，故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(6-30)(6-31)隐极式同步电动机动态数学模型忽略阻尼绕组的作用，则动态数学模隐极式同步电动机的状态方程(6-32)隐极式同步电动机的状态方程(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，若考虑阻尼绕组的作用和凸极效量系统，若考虑阻尼绕组的作用和凸极效应时，动态模型更为复杂，与异步电动机应时，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相比，其非线性、强耦合的程度有过之而无不及。无不及。n为了达到良好的控制效果，往往采用电流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。闭环控制的方式，实现对象的近似解耦。同步电动机动态数学模型同步电动机也是个非线性、强耦合的多变量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。6.4.2可控励磁同步电动机按气隙磁链定向矢量控制系统定义m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可控励磁同步电动机空间矢量图图6-16 可控励磁同步电动机空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、励磁电流坐标系中的定子电流矢量、励磁电流矢量变换到矢量变换到mt坐标系，得到相应的励磁分坐标系，得到相应的励磁分量和转矩分量量和转矩分量(6-37)(6-36)励磁分量和转矩分量将dq坐标系中的定子电流矢量、励磁电流矢量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，由此导出由此导出(6-38)(6-39)按气隙磁链定向考虑到按气隙磁链定向，由此导出(6-38)逆变换逆变换n逆变换分别为逆变换分别为(6-41)(6-40)逆变换逆变换分别为(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(6-42)电磁转矩将式（6-40）和式（6-41）代入式（6-34）并电磁转矩电磁转矩n按气隙磁链定向后，同步电动机的转矩公按气隙磁链定向后，同步电动机的转矩公式与直流电动机转矩表达式相同。只要保式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证气隙磁链恒定，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量就可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磁转矩，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。定和准确地按气隙磁链定向。电磁转矩按气隙磁链定向后，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的功率因数值求出。从同步电动机期望的功率因数值求出。n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 。n因此，由期望功率因数确定的因此，由期望功率因数确定的 可作可作为矢量控制系统的一个给定值。为矢量控制系统的一个给定值。气隙磁链恒定控制要保证气隙磁链 恒定，只要使恒定即可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(6-45)(6-44)(6-46)(6-43)n考虑到考虑到逆逆时钟为正，时钟为正，故在式（故在式（6-46）中）中 前取负号。前取负号。按气隙磁链定向 由同步电动机空间矢量图6-16得出(6-4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，定子电流空间矢量通过积分得到。于是，定子电流空间矢量与与A轴的夹角为轴的夹角为(6-47)按气隙磁链定向以A轴为参考坐标轴，则d轴的位置角可以通过电机按气隙磁链定向按气隙磁链定向n定子电流空间矢量与定子电流空间矢量与A轴夹角的期望值轴夹角的期望值(6-48)若使功率因数若使功率因数 则则(6-49)按气隙磁链定向定子电流空间矢量与A轴夹角的期望值(6-48三相定子电流给定值三相定子电流给定值n由定子电流空间矢量的期望值和相位角的由定子电流空间矢量的期望值和相位角的期望值可以求出三相定子电流给定值期望值可以求出三相定子电流给定值(6-50)三相定子电流给定值由定子电流空间矢量的期望值和相位角的期望值同步电动机矢量运算器同步电动机矢量运算器图图6-17 同步电动机矢量运算器同步电动机矢量运算器同步电动机矢量运算器图6-17 同步电动机矢量运算器可控励磁同步电动机矢量控制可控励磁同步电动机矢量控制系统系统图图6-18 可控励磁同步电动机基于电流模可控励磁同步电动机基于电流模型的矢量控制系统型的矢量控制系统可控励磁同步电动机矢量控制系统图6-18 可控励磁同步电动6.4.3正弦波永磁同步电动机矢正弦波永磁同步电动机矢量控制系统量控制系统n正弦波永磁同步电动机具有定子三相分布正弦波永磁同步电动机具有定子三相分布绕组，在磁路结构和绕组分布上保证定子绕组，在磁路结构和绕组分布上保证定子绕组中的感应电动势具有正弦波形，外施绕组中的感应电动势具有正弦波形，外施的定子电压和电流也应为正弦波，一般靠的定子电压和电流也应为正弦波，一般靠交流交流PWM变压变频器提供。变压变频器提供。6.4.3正弦波永磁同步电动机矢量控制系统正弦波永磁同步电动永磁同步电动机物理模型永磁同步电动机物理模型 n永磁同步电动机一永磁同步电动机一般没有阻尼绕组，般没有阻尼绕组，转子由永磁体材料转子由永磁体材料构成，无励磁绕组。构成，无励磁绕组。永磁同步电动机具永磁同步电动机具有幅值恒定、方向有幅值恒定、方向随转子位置变化随转子位置变化（位于（位于d轴）的转轴）的转子磁动势。子磁动势。图图6-19 永磁同步电动机物理模型永磁同步电动机物理模型永磁同步电动机物理模型 永磁同步电动机一般没有阻尼绕组，转子虚拟励磁电流虚拟励磁电流n假想永磁同步电动机的转子由一般导磁材假想永磁同步电动机的转子由一般导磁材料构成，转子带有一个虚拟的励磁绕组，料构成，转子带有一个虚拟的励磁绕组，该绕组通以虚拟的励磁电流，产生的转子该绕组通以虚拟的励磁电流，产生的转子磁动势与永磁同步电动机的转子磁动势相磁动势与永磁同步电动机的转子磁动势相等。等。n虚拟励磁电流虚拟励磁电流 恒定，相当于虚拟励磁恒定，相当于虚拟励磁绕组由恒定的电流源供电。绕组由恒定的电流源供电。虚拟励磁电流假想永磁同步电动机的转子由一般导磁材料构成，转子永磁同步电动机的状态方程永磁同步电动机的状态方程n永磁同步电动机的状态方程为永磁同步电动机的状态方程为(6-56)永磁同步电动机的状态方程永磁同步电动机的状态方程为(6-56转矩方程式转矩方程式 n永磁同步电动机常采用按转子磁链定向控永磁同步电动机常采用按转子磁链定向控制，转矩方程式制，转矩方程式(6-58)转矩方程式 永磁同步电动机常采用按转子磁链定向控制，转矩方程按转子磁链定向n在基频以下的恒转矩工作区中，控制定子电流矢量使之落在q轴上，n永磁同步电动机按转子磁链定向时，磁链方程(6-59)按转子磁链定向在基频以下的恒转矩工作区中，控制定子电流矢量使转子磁链定向空间矢量图转子磁链定向空间矢量图图图6-20 永磁同步电动机转子磁链定向空间矢量图永磁同步电动机转子磁链定向空间矢量图a）恒转矩调速）恒转矩调速 b）弱磁恒功率调速）弱磁恒功率调速转子磁链定向空间矢量图图6-20 永磁同步电动机转子磁链定向三相电流给定值三相电流给定值n由图由图6-20a的空间矢量图可知，三相电流的空间矢量图可知，三相电流给定值为给定值为(6-61)三相电流给定值由图6-20a的空间矢量图可知，三相电流给定值永磁同步电动机矢量运算器永磁同步电动机矢量运算器图图6-21 按转子磁链定向的永磁同步电动机矢量运按转子磁链定向的永磁同步电动机矢量运算器算器永磁同步电动机矢量运算器图6-21 按转子磁链定向的永磁同永磁同步电动机矢量控制系统永磁同步电动机矢量控制系统图图6-22 按转子磁链定向永磁同步电动机按转子磁链定向永磁同步电动机矢量控制系统矢量控制系统永磁同步电动机矢量控制系统图6-22 按转子磁链定向永磁同