第8章同步电动机变压变频调速系统1212a

1、电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统 运动控制系统运动控制系统第第8章章同步电动机变压变同步电动机变压变频调速系统频调速系统 同步电动机变压变频调速系统同步电动机变压变频调速系统l同步电动机直接投入电网运行时，同步电动机直接投入电网运行时，存在失步与起动困难两大问题，曾存在失步与起动困难两大问题，曾制约着同步电动机的应用。制约着同步电动机的应用。l同步电动机的转速恒等于同步转速，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只能是变频所以同步电动机的调速只能是变频调速。调速。同步电动机变压变频调速系统同步电动机变压变频调速系统l变频技术的发展与成熟不仅实现了同变频技术的发展与成熟不仅

2、实现了同步电动机的调速，同时也解决了失步步电动机的调速，同时也解决了失步与起动问题，使之不再是限制同步电与起动问题，使之不再是限制同步电动机运行的障碍。随着变频技术的发动机运行的障碍。随着变频技术的发展，同步电动机调速系统的应用日益展，同步电动机调速系统的应用日益广泛。广泛。l同步电动机调速可分为自控式和他控同步电动机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。内内 容容 提提 要要n同步电动机的稳态模型与调速方法同步电动机的稳态模型与调速方法n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同步

3、电动机矢量控制系统同步电动机矢量控制系统n同步电动机直接转矩控制系统同步电动机直接转矩控制系统8.1同步电动机的稳态模型同步电动机的稳态模型与调速方法与调速方法l同步电动机的基本特征与调速方法，讨同步电动机的基本特征与调速方法，讨论同步电动机的矩角特性和稳定运行，论同步电动机的矩角特性和稳定运行，分析同步电动机的失步与起动问题。分析同步电动机的失步与起动问题。l讨论同步电动机变频调速的机械特性。讨论同步电动机变频调速的机械特性。8.1.1 同步电动机的特点同步电动机的特点l同步电动机在转子侧有独立的直流励磁，同步电动机在转子侧有独立的直流励磁，或者靠永久磁钢励磁。还可能有自身短或者靠永久磁钢励

4、磁。还可能有自身短路的阻尼绕组。路的阻尼绕组。l同步电动机的稳态转速恒等于同步转速，同步电动机的稳态转速恒等于同步转速，机械特性硬机械特性硬11160602ppfnnn8.1.1 同步电动机的特点同步电动机的特点l同步电动机有隐极与凸极之分。隐极式电同步电动机有隐极与凸极之分。隐极式电机气隙均匀；凸极式则不均匀，磁极直轴机气隙均匀；凸极式则不均匀，磁极直轴磁阻小，极间交轴磁阻大，两轴的电感系磁阻小，极间交轴磁阻大，两轴的电感系数不等，使数学模型更复杂一些。数不等，使数学模型更复杂一些。8.1.1 同步电动机的特点同步电动机的特点l同步电动机转子有独立励磁，在极低的电同步电动机转子有独立励磁，在

5、极低的电源频率下也能运行，同步电动机的调速范源频率下也能运行，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。l异步电动机要靠加大转差才能提高转矩，异步电动机要靠加大转差才能提高转矩，而同步电机只须加大功角就能增大转矩，而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有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。更强的承受能力，动态响应快。8.1.1 同步电动机的分类同步电动机的分类 l同步电动机按励磁方式分为可控励磁同步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。电动机和永磁同步电动机两种。l可控励磁同步电动机在转子侧有

6、独立的直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，输入功率因数可流，改变输入功率因数，输入功率因数可以滞后，也可以超前。以滞后，也可以超前。l永磁同步电动机的转子用永磁材料制成，永磁同步电动机的转子用永磁材料制成，无需直流励磁。无需直流励磁。可控励磁同步电动机可控励磁同步电动机l可控励磁同步电动机在转子侧有独立的直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，输入功率因数可流，改变输入功率因数，输入功率因数可以滞后，也可以超

7、前。以滞后，也可以超前。永磁同步电动机的优点永磁同步电动机的优点l采用了永磁材料磁极，磁能积高，体积小、采用了永磁材料磁极，磁能积高，体积小、重量轻；重量轻；l转动惯量小，允许脉冲转矩大，可获得较转动惯量小，允许脉冲转矩大，可获得较高的加速度，动态性能好；高的加速度，动态性能好；l转子没有铜损和铁损，没有滑环和电刷的转子没有铜损和铁损，没有滑环和电刷的摩擦损耗，运行效率高；摩擦损耗，运行效率高；l结构紧凑，运行可靠。结构紧凑，运行可靠。永磁同步电动机气隙磁场分布永磁同步电动机气隙磁场分布l正弦波永磁同步电动机正弦波永磁同步电动机磁极采用永磁磁极采用永磁材料，输入三相正弦波电流时，气隙磁场材料，

8、输入三相正弦波电流时，气隙磁场为正弦分布，称作正弦波永磁同步电动机，为正弦分布，称作正弦波永磁同步电动机，或简称永磁同步电动机缩写为或简称永磁同步电动机缩写为PMSM。l 梯形波永磁同步电动机梯形波永磁同步电动机气隙磁场呈梯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。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，缩写为电动机又称作无刷直流电动机，缩写为BLDM。8.1.3 同步电动机的矩角特性同步电动机的矩角特性sEsUsEl在忽略定子电阻时，同步电动机从定子侧在忽略定子电阻时，同步电动机从定子侧输入

9、的电磁功率输入的电磁功率 (8-2)l其中其中 与与 间的相位角，间的相位角，l 与与 间的相位角。间的相位角。 在在 和和 恒定时，同步电动机的电磁功率恒定时，同步电动机的电磁功率和电磁转矩由和电磁转矩由确定，故称为功角或矩角。确定，故称为功角或矩角。 13cos3cos()3cos cos3sin sinMssssssssPPU IU IU IU IsIsEsUsEsE8.1.3 同步电动机的矩角特同步电动机的矩角特性性图图8-1 凸极同步电动机稳定运行相量图凸极同步电动机稳定运行相量图sincoscossinssqqsssddssqssdUIxUEIxIIII(8-3)8.1.3 同步电

10、动机的矩角特性同步电动机的矩角特性l电磁电磁 功率功率223cos cos3sin sin3cos3sinsin(cos )3cos3sin113sin3()cos sin3()3sinsin22MssssssqssdsssssqdsssdqdsdqssddqPU IU IU IU IUEUUUxxEUUxxxUxxU Exx x(8-4)8.1.3 同步电动机的矩角特同步电动机的矩角特性性l电磁转矩电磁转矩 2sin2)(3sin32qdmqdsdmssexxxxUxEUTl第第1部分由转子磁动势产生，是同步电动部分由转子磁动势产生，是同步电动机的主转矩；机的主转矩；l第第2部分由于磁路不对

11、称产生，称作磁阻部分由于磁路不对称产生，称作磁阻反应转矩。反应转矩。(8-5)8.1.3 同步电动机的矩角特性同步电动机的矩角特性要要换有凸极转矩波形的换有凸极转矩波形的图图8-2 凸极同步电动机的矩角特性凸极同步电动机的矩角特性8.1.3 同步电动机的矩角特同步电动机的矩角特性性l隐极同步电动机隐极同步电动机 l电磁功率电磁功率l电磁转矩电磁转矩 dqxx3sinssMdU EPx3sinssemdU ETx(8-7)(8-6)8.1.3 同步电动机的矩角特性同步电动机的矩角特性图图8-3 隐极同步电动机的矩角特性隐极同步电动机的矩角特性2电磁转矩最大电磁转矩最大 max3ssemdU ET

12、x(8-8)8.1.4 同步电动机的稳定运同步电动机的稳定运行行图图8-4 隐极同步电动机的矩角特性隐极同步电动机的矩角特性02能够稳定运行能够稳定运行8.1.4 同步电动机的稳定运行同步电动机的稳定运行图图8-5 隐极同步电动机的矩角特性隐极同步电动机的矩角特性不能稳定运行，不能稳定运行，产生失步现象产生失步现象。28.1.5 同步电动机的起动同步电动机的起动改图改图l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，定子磁动势以同步转速旋转，电动机转速具有磁动势以同步转速旋转，电动机转速具有较大的滞后，不能快速跟上同步转速；较大的滞后，不能快速跟上同步转速；l在一个周期内

13、，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，故同步电动机不能起动。故同步电动机不能起动。8.1.5 同步电动机的起动同步电动机的起动l同步电动机中同步电动机中转子加起动绕组转子加起动绕组，使电动机，使电动机按异步电动机的方式起动，当转速接近同按异步电动机的方式起动，当转速接近同步转速时再通入励磁电流牵入同步。步转速时再通入励磁电流牵入同步。l用变频器起动。用变频器起动。 8.1.同步电动机的功率因数调节同步电动机的功率因数调节图图8- 同步电动机的功率因数调节同步电动机的功率因数调节稳定运行，稳定运行，调节励磁电流调节励磁电流13sin3cosssMdssU EPxPU I

14、常数常数 8.1.同步电动机的功率因数调节同步电动机的功率因数调节图图8- 同步电动机的功率因数调节同步电动机的功率因数调节调节励磁电流调节励磁电流励磁电流增大，励磁电流增大，可以获得超前的可以获得超前的功率因数。功率因数。励磁电流减小，励磁电流减小，可以获得滞后的可以获得滞后的功率因数。功率因数。8.1.6 同步电动机的调速同步电动机的调速l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l同步电动机有确定的极对数同步电动机有确定的极对数l同步电动机的调速只能是改变电源频率的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。pnfnn11608.1.6 同步电动机的调速同步电动

15、机的调速l忽略定子漏阻抗压降，则定子电压忽略定子漏阻抗压降，则定子电压 l同步电动机变频调速的电压频率特性与异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。步电动机变频调速相同。l基频以下采用带定子压降补偿的恒压频比基频以下采用带定子压降补偿的恒压频比控制方式，基频以上采用电压恒定的控制控制方式，基频以上采用电压恒定的控制方式。方式。14.44SssNmUf N k8.1.6 同步电动机的调速同步电动机的调速图图8-6 同步电动机变频调速机械特性同步电动机变频调速机械特性基频以下基频以下 max3ssedmE UTx常数基频以上基频以上 max1311sNsemdmUETxn8.2

16、他控变频同步电动机调他控变频同步电动机调速系统速系统l他控变频调速的特点是电源频率与同步电他控变频调速的特点是电源频率与同步电动机的实际转速无直接的必然联系。动机的实际转速无直接的必然联系。l控制系统结构简单，可以同时实现多台同控制系统结构简单，可以同时实现多台同步电动机调速。步电动机调速。l缺点：没有从根本上消除失步问题。缺点：没有从根本上消除失步问题。8.2.1转速开环恒压频比控转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速系统制的同步电动机群调速系统l多台永磁或磁阻同步电动机并联接在公共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同时的变频器上，由统一的频率给定信号同时调

17、节各台电动机的转速。调节各台电动机的转速。l转子振荡和失步问题并未解决。转子振荡和失步问题并未解决。l各台同步电动机的负载不能太大，否则会各台同步电动机的负载不能太大，否则会造成负载大的同步电动机失步，进而使整造成负载大的同步电动机失步，进而使整个调速系统崩溃。个调速系统崩溃。8.2.1转速开环恒压频比控转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速系统制的同步电动机群调速系统图图8-7 多台同步电动机的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8.2.2大功率同步电动机调大功率同步电动机调速系统速系统l可以采用恒压频比控制，在起动过程中，可以采用恒压频比控制，在起动过程中，同步电动机定

18、子电源频率按斜坡规律变化，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围内，以保证将动态转差限制在允许的范围内，以保证同步电动机顺利起动。同步电动机顺利起动。l起动结束后，同步电动机转速等于同步转起动结束后，同步电动机转速等于同步转速，稳态转差等于零。速，稳态转差等于零。l也可以采用转速闭环控制的矢量控制或直也可以采用转速闭环控制的矢量控制或直接转矩控制。接转矩控制。8.2.2大功率同步电动机调大功率同步电动机调速系统速系统图图8-8 变压变频器供电的同步电动机调速系统变压变频器供电的同步电动机调速系统8.3自控变频同步电动机调自控变频同步电动机调速系统速系统l他控变频同步电

19、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转速或位置无直接的关系，出频率与转子转速或位置无直接的关系，若控制不当，仍然会造成失步。若控制不当，仍然会造成失步。l根据转子位置直接控制变频装置的输出电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，就能从根本上杜绝失步压或电流的相位，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。现象，这就是自控变频同步电动机的初衷。8.3.1自控变频同步电动机自控变频同步电动机图图8-9 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UI逆变器逆变器 BQ转子位置检测器转子位置检测器需要两套需要两套可控功率可控

20、功率单元，系单元，系统结构复统结构复杂。杂。8.3.1自控变频同步电动机自控变频同步电动机l在基频以下调速时，需要电压频率协调控在基频以下调速时，需要电压频率协调控制。制。l需要一套直流调压装置，为逆变器提供可需要一套直流调压装置，为逆变器提供可调的直流电源。调的直流电源。l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，逆变器的输出频率自动跟踪转速。逆变器的输出频率自动跟踪转速。l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，这就是自控变频同步电动机控制了频率，这就是自控变频同步电动机变压变频调速。变压变频调速。8.3.1自控变频

21、同步电动机自控变频同步电动机l采用采用PWM逆变器，既完成变频，又实现逆变器，既完成变频，又实现调压。调压。l可控整流器就可以用不可控整流器，或直可控整流器就可以用不可控整流器，或直接由直流母线供电，系统结构简单，只需接由直流母线供电，系统结构简单，只需一套可控功率单元。一套可控功率单元。8.3.1自控变频同步电动机自控变频同步电动机图图8-10 PWM控制的自控变频同步电动机及调速原理图控制的自控变频同步电动机及调速原理图8.3.1自控变频同步电动机自控变频同步电动机l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，

22、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。l把电动机和逆变器、转子位置检测器把电动机和逆变器、转子位置检测器BQ合起来看，如同是一台直流电动机。合起来看，如同是一台直流电动机。l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。8.3.1自控变频同步电动机自控变频同步电动机l在自控变频同步电动机中采用的电力电子在自控变频同步电动机中采用的电力电子逆变器和转子位置检测器就相当于电子式逆变器和转子位置检测器就相当于电子式换向器，用静止的电力电子电路代替了容换向器，用静止的电力电子电路代替了容

23、易产生火花的旋转接触式换向器，用电子易产生火花的旋转接触式换向器，用电子换向取代机械换向。换向取代机械换向。8.3.1自控变频同步电动机自控变频同步电动机l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，多用于带直流励磁代了机械式的换向器，多用于带直流励磁的同步电动机。的同步电动机。l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。这种电动机变频同步电动机。这种电动机(PMSM)是是指输入三相正弦波电流、气隙磁场为正弦指输入三相正弦波电流、气隙磁场为正弦分

24、布，磁极采用永磁材料的同步电动机。分布，磁极采用永磁材料的同步电动机。 8.3.1自控变频同步电动机自控变频同步电动机l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(BLDM)以梯形波永磁同步以梯形波永磁同步电动机为核心的自控变频同步电动机，性电动机为核心的自控变频同步电动机，性能更接近于直流电动机。但没有电刷，故能更接近于直流电动机。但没有电刷，故称无刷直流电动机。称无刷直流电动机。l尽管在名称上有区别，本质上都是一样的，尽管在名称上有区别，本质上都是一样的，所以统称作所以统称作“自控变频同步电动机自控变频同步电动机”。8.3.2梯形波永磁同步电动

25、梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统机的自控变频调速系统l无刷直流电动机无刷直流电动机(Brushless DC Motor)实质上是一种特定类型的永磁同步电动机，实质上是一种特定类型的永磁同步电动机，转子磁极采用瓦形磁钢，经专门的磁路设转子磁极采用瓦形磁钢，经专门的磁路设计，可获得梯形波的气隙磁场，感应的电计，可获得梯形波的气隙磁场，感应的电动势也是梯形波。动势也是梯形波。l逆变器提供与电动势严格同相的方波电流。逆变器提供与电动势严格同相的方波电流。8.3.2梯形波永磁同步电动梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统机的自控变频调速系统l增加结构图！增加结构图！l无刷直流电动机无刷直流电动机

26、(Brushless DC Motor)实质上是一种特定类型的永磁同步电动机，实质上是一种特定类型的永磁同步电动机，转子磁极采用瓦形磁钢，经专门的磁路设转子磁极采用瓦形磁钢，经专门的磁路设计，可获得梯形波的气隙磁场，感应的电计，可获得梯形波的气隙磁场，感应的电动势也是梯形波的。动势也是梯形波的。l逆变器提供与电动势严格同相的方波电流。逆变器提供与电动势严格同相的方波电流。8.3.2梯形波永磁同步电动梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统机的自控变频调速系统图图8-11 梯形波永磁同步电动机的电动势波形与近似的电梯形波永磁同步电动机的电动势波形与近似的电流波形图流波形图8.3.2梯形波永磁同步电

27、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图图8-11 梯形波梯形波永磁同步电动永磁同步电动机的电动势波机的电动势波形与近似的电形与近似的电流波形图流波形图8.3.2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图图8-12 梯形波永磁同步电动机的等效电路及逆变器主电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路原理图8.3.2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图图8-13 PWM逆变器输出电压逆变器输出电压8.3.2梯形波永磁同步电动梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统机的自控变频调速系统图图8

28、-14 梯形波永磁同步电动机的转矩脉动梯形波永磁同步电动机的转矩脉动8.3.2梯形波永磁同步电动梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统机的自控变频调速系统lPWM逆变器输出电压为调制方波序列，逆变器输出电压为调制方波序列，换相的顺序与三相桥式晶闸管可控整流电换相的顺序与三相桥式晶闸管可控整流电路相同，并按直流路相同，并按直流PWM的方法对方波进的方法对方波进行调制，同时完成变压变频功能。行调制，同时完成变压变频功能。l换相时电流波形不可能突跳，其波形实际换相时电流波形不可能突跳，其波形实际上只能是近似梯形的，上只能是近似梯形的，因而通过气隙传送因而通过气隙传送到转子的电磁功率也是梯形波到转子的

29、电磁功率也是梯形波?。8.3.2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l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l注意到相电动势波形为梯形波，我们不能注意到相电动势波形为梯形波，我们不能用常规的方法处理。用常规的方法处理。000000000000AsAAABsBBBCsCCCuRiLieduRiLiedtuRiLie(8-11)梯形波永磁同步电动机的模型梯形波永磁同步电动机的模型l梯形波永磁同步电动机的感应电动势梯形波永磁同步电动机的感应电动势 l在非换相情况下，同时只有两相导通，从在非换相情况下，同时只有两相导通，从逆变器直流侧看进去

30、，为两相绕组串联，逆变器直流侧看进去，为两相绕组串联，则电磁功率则电磁功率l电磁转矩电磁转矩 ppmIEP2222pppmepeppppmn E IPTn k InIpepEk (8-12)(8-16)8.3.2梯形波永磁同步电动梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统机的自控变频调速系统l不考虑换相过程及不考虑换相过程及PWM调制等因素的影调制等因素的影响，响，VT1和和VT6导通时，导通时，A、B两相导通，两相导通，而而C相关断。相关断。l无刷直流电动机的电压方程无刷直流电动机的电压方程 0ABpCiiIi ABpeeE 222pABsppdIuuR ILEdt(8-13)8.3.2梯形波永

31、磁同步电动梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统机的自控变频调速系统l采用采用PWM控制控制 l电压方程电压方程 l状态方程状态方程l电枢漏磁时间常数电枢漏磁时间常数 dBAUuu222pspdpdIR ILUEdt11(2)2ppdpldIIUEdtTL lsLTR(8-15)(8-14)8.3.2梯形波永磁同步电动梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统机的自控变频调速系统l根据电力拖动系统运动方程根据电力拖动系统运动方程 2()(2)2eLpepLpepppLJ dTTn k ITndtk nndITdtJJ写成微分方程形式：(8-18)8.3.2梯形波永磁同步电动机的梯形波永磁同步电动机

32、的自控变频调速系统自控变频调速系统TPTdLTsIUTXUYl无刷直流电动机的状态方程无刷直流电动机的状态方程l其中，状态变量：其中，状态变量：l 输入变量：输入变量： l 输出变量：输出变量：22112epppLpepdlssk nndITdtJJdIkIUdtTLL (8-19)8.3.2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图图8-15 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8.3.2梯形波永磁同步电动梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统机的自控变频调速系统图图8-16 无刷直流电动机调速系统无刷直流电动机调速系统lASR和和ACR均

33、为带有积分均为带有积分和输出限幅的和输出限幅的PI调节器，调调节器，调节器可参照直节器可参照直流调速系统的流调速系统的方法设计。方法设计。8.3.2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20120107图图8-17 无刷直流电动机调速系统结构图无刷直流电动机调速系统结构图8.4同步电动机矢量控制系统同步电动机矢量控制系统l通过坐标变换，把同步电动机等效成直流通过坐标变换，把同步电动机等效成直流电动机，再模仿直流电动机的控制方法进电动机，再模仿直流电动机的控制方法进行控制。行控制。l在同步电动机矢量控制系统中，为了准确在同步电动机矢量控制系统中，为了准确地定

34、向，需要检测转子位置。地定向，需要检测转子位置。l因此，同步电动机矢量控制变频调速也可因此，同步电动机矢量控制变频调速也可归属于自控变频同步电动机调速系统。归属于自控变频同步电动机调速系统。8.4.1可控励磁同步电动机动可控励磁同步电动机动态数学模型态数学模型l作如下假定：作如下假定：（1）忽略空间谐波，设定子三相绕组对称，）忽略空间谐波，设定子三相绕组对称，所产生的磁动势沿气隙按正弦规律分布；所产生的磁动势沿气隙按正弦规律分布；（2）忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都）忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的；是恒定的；（3）忽略铁心损耗；）忽略铁心损耗；（4）不考虑频率变化和温度变化对绕

35、组电阻）不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。的影响。8.4.1可控励磁同步电动机动可控励磁同步电动机动态数学模型态数学模型l定子三相绕组是静止的，转子以角速度旋转，定子三相绕组是静止的，转子以角速度旋转，转子上的励磁绕组在励磁电压供电下流过励转子上的励磁绕组在励磁电压供电下流过励磁电流。磁电流。l沿励磁磁极的轴线为沿励磁磁极的轴线为d轴，与轴，与d轴正交的是轴正交的是q轴，轴，dq坐标系固定在转子上，与转子同步旋坐标系固定在转子上，与转子同步旋转。转。l阻尼绕组是多导条类似笼型的绕组，等效成阻尼绕组是多导条类似笼型的绕组，等效成在在d轴和轴和q轴各自短路的两个独立的绕组。轴各自短路的两个

36、独立的绕组。8.4.1可控励磁同步电动机动可控励磁同步电动机动态数学模型态数学模型图图8-18 带有阻尼绕组的同步电动机物理模型带有阻尼绕组的同步电动机物理模型8.4.1可控励磁同步电动机动可控励磁同步电动机动态数学模型态数学模型l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，同步电动机的定子电压方程为步电动机的定子电压方程为 dtdiRudtdiRudtdiRuCCsCBBsBAAsA(8-20)8.4.1可控励磁同步电动机动可控励磁同步电动机动态数学模型态数学模型l转子电压方程转子电压方程 dtdiRdtdiRdtdIRUrqrqrqrdrdrdffff00(8

37、-21)8.4.1可控励磁同步电动机动可控励磁同步电动机动态数学模型态数学模型l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。l定子电压方程定子电压方程sdsqsqssqsqsdsdssddtdiRudtdiRu(8-22)8.4.1可控励磁同步电动机动可控励磁同步电动机动态数学模型态数学模型l在在dq两相旋转坐标系上的磁链方程为两相旋转坐标系上的磁链方程为rqrqsqmqrqrdrdfmdsdmdrdrdmdffsdmdfrqmqsqsqsqrdmdfmdsdsdsdiLiLiLILiLiLILi

38、LiLiLiLILiL(8-23)8.4.1可控励磁同步电动机动可控励磁同步电动机动态数学模型态数学模型l同步电动机在同步电动机在dq坐标系上的转矩和运动方程坐标系上的转矩和运动方程分别为分别为)(sdsqsqsdpeiinTLpsdsqsqsdpLepTJniiJnTTJndtd)()(2(8-24)(8-25)8.4.1可控励磁同步电动机动可控励磁同步电动机动态数学模型态数学模型l转矩方程整理后得转矩方程整理后得 l1.转子励磁磁动势和定子电流转矩分量所产生的转矩，是同步电动机主要的电磁转矩主要的电磁转矩。l2.由凸极效应造成的磁阻变化在定子磁动势作用下产生的转矩，称作磁阻转矩磁阻转矩。l

39、3. 定子磁动势与阻尼绕组磁动势作用产生的转矩定子磁动势与阻尼绕组磁动势作用产生的转矩。 ()()epmdf sqpsdsqsd sqpmd rd sqmq rq sdTn LI inLLi inL i iL i i(8-26)8.4.1可控励磁同步电动机动可控励磁同步电动机动态数学模型态数学模型l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。l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

40、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。矩或磁阻转矩。l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，仅在非稳态过程中存在，相互作用的转矩，仅在非稳态过程中存在，进入稳定运行时阻尼绕组中没有感应电流也进入稳定运行时阻尼绕组中没有感应电流也没有阻尼转矩。没有阻尼转矩。8.4.1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l对式对式(8-23)求导后，代入求导后，代入(8-21)和和(8-22)整理后可得同步电动机的电压矩阵方程式整理后可得同步电动机的电压矩阵方程式rqrdfsqsdrqmqrdmdmdmdf

41、mdmqsqmdmdsdrqrdfsqsdrqrdfmdmdssdmqsqsfsqsdiiIiidtdLLLLLLLLLLLLLiiIiiRRRLLRLLLRUuu00000000000000000000000000000(8-27)8.4.1可控励磁同步电动机动可控励磁同步电动机动态数学模型态数学模型l运动方程运动方程 l励磁绕组的存在，增加了状态变量的维数，励磁绕组的存在，增加了状态变量的维数，提高了微分方程的阶次，凸极效应使得提高了微分方程的阶次，凸极效应使得d轴轴和和q轴参数不等，增加了数学模型的复杂性。轴参数不等，增加了数学模型的复杂性。Lpsdrqmqsqrdmdsqsdsqsds

42、qfmdpLepTJniiLiiLiiLLiILJnTTJndtd)()()(2(8-28)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l隐极式同步电动机的隐极式同步电动机的dq轴对称轴对称 l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,sdsqsmdmqmLLL LLLfsqsdfmsmsfsqsdfmssssfsqsdIiidtdLLLLLIiiRLRLoLRUuu000000LpsqfmpLepTJniILJnTTJndtd2)(8-29)(8-30)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l隐极式同步电动机的状态方程隐极式同步电

43、动机的状态方程 l漏磁系数漏磁系数 2()1111pppeLmf sqLmfsdsmsdsqfsdfssfssfsqsmsdsqfsqsssffmsmmsdsqfsdfsfsfsffnnndTTL I iTdtJJJL RdiRLiiIuUdtLL LLL LdiRLiiIudtLLLdIRL RLLiiIuUdtL LLLL LL 21msfLL L (8-31)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图图8-19 隐极式同步电动机动态结构图隐极式同步电动机动态结构图8.4.1可控励磁同步电动机动可控励磁同步电动机动态数学模型态数学模型l小结：小结：l同步电动机也是个非线性、

44、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，若考虑阻尼绕组的作用和凸极效应时，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。l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。 8.4.2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l可以选择不同的磁链矢量作为定向坐标轴。可以选择不同的磁链矢量作为定向坐标

45、轴。l保持同步电动机的气隙磁链恒定，保持同步电动机的气隙磁链恒定，采用按气采用按气隙磁链定向隙磁链定向。l忽略阻尼绕组的作用，在可控励磁同步电动忽略阻尼绕组的作用，在可控励磁同步电动机中，除转子直流励磁外，定子磁动势还产机中，除转子直流励磁外，定子磁动势还产生电枢反应（基波电枢磁场），直流励磁与生电枢反应（基波电枢磁场），直流励磁与电枢反应合成起来产生气隙磁链。电枢反应合成起来产生气隙磁链。 8.4.2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l同步电动机气隙磁链是指与定子和转子交链同步电动机气隙磁链是指与定子和转子交链的主磁链，沿的主磁链，沿dq

46、轴分解得在轴分解得在dq坐标系的表坐标系的表达式达式l气隙磁链矢量可以用其幅值和角度来表示气隙磁链矢量可以用其幅值和角度来表示sqmgqfmsdmgdiLILiL22gqggdjarctgjgggdgqee(8-35)(8-32)8.4.2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l定子磁链定子磁链l上式代入式（上式代入式（8-24）得电磁转矩：）得电磁转矩： gqsqlssqmsqlssqgdsdlsfmsdmsdlssdiLiLiLiLILiLiL)(sdgqsqgdpeiinT(8-34)(8-33)8.4.2可控励磁同步电动机按气可控励磁同

47、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l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。轴正交。l将定子三相电流合成矢量和励磁电流矢量将定子三相电流合成矢量和励磁电流矢量沿沿m、t轴分解为励磁分量和转矩分量，轴分解为励磁分量和转矩分量，8.4.2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图图8-20 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8.4.2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l励磁分量和转矩分量与

48、在励磁分量和转矩分量与在dq坐标系中相应坐标系中相应分量的关系分量的关系 cossinsincosggsdsmggsqstiiiicossinsincos0fmggfftggiIi(8-37)(8-36)8.4.2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l按气隙磁链定向按气隙磁链定向l由此导出由此导出cossinsincos0gmgggdm smm fmm ggtgggqm stm ftL iL iL iL iL iftstfmsmgiiiii(8-39)(8-38)8.4.2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

49、链定向矢量控制系统l同步电动机的电磁转矩同步电动机的电磁转矩 l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。式与直流电动机转矩表达式相同。ftgmpstgmpeininT(8-34)8.4.2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l只要保证气隙磁链恒定，控制定子电流的只要保证气隙磁链恒定，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转矩分量就可以方便灵活地控制同步电动机的电磁转矩。机的电磁转矩。l当定子电压与电流都为三相对称正弦时，当定子电压与电流都为三相对称正弦时，电压相量与电流

50、相量的相位差等于合成矢电压相量与电流相量的相位差等于合成矢量的夹角，可得可控励磁同步电动机空间量的夹角，可得可控励磁同步电动机空间矢量和时间相量图。矢量和时间相量图。8.4.2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图图8-21 可控励磁同步电动机空间矢量图和时间相量可控励磁同步电动机空间矢量图和时间相量8.4.2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l要保证气隙磁链恒定，只要使要保证气隙磁链恒定，只要使 恒定即可。恒定即可。l定子电流的励磁分量可以从同步电动机期定子电流的励磁分量可以从同步电动机

51、期望的功率因数值求出。一般说来，希望功望的功率因数值求出。一般说来，希望功率因数率因数gsmfmiiicos1,2s0smi此时有：8.4.2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l按气隙磁链定向按气隙磁链定向 22122ssmststssmffmftftstgfmfmiiiitgiIiiiiarctgarctgii(8-48)(8-49)(8-50)(8-47)8.4.2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l以以A轴为参考坐标轴，则轴为参考坐标轴，则d轴的位置角为轴的位置角为可以通过电机轴上

52、的位置传感器可以通过电机轴上的位置传感器BQ测得或通测得或通过转速积分得到。过转速积分得到。l定子电流空间矢量与定子电流空间矢量与A轴的夹角轴的夹角 rdtrgs(8-51)8.4.2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l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l若使功率因数等于若使功率因数等于1 *ststrgsrfmsmiiarctgarctgii*2strgsrfmiarctgi(8-53)8.4.2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l由定子电流空间矢量的期

53、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*cos2cos()32cos()3AsBsCsiiiiii(8-54)8.4.2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图图8-22 同步电动机矢量运算器同步电动机矢量运算器定子电流空间矢量的旋转角速度定子电流空间矢量的旋转角速度l已知定子电流空间矢量已知定子电流空间矢量 与与A轴的夹角轴的夹角，对对求导，并将式（求导，并将式（8-48）至式（）至式（8-50）代入，得定子电流空间矢量的旋转角速度代入，得定子电流空间矢量的旋转角

54、速度(8-55)si22222222()()gsststrisfmsmfmfmststsmststsmfmstfmstsmstsmstddiiddddarctgarctgdtdtdtdtdtidtiididiiidiidiiidtiidtiidtiidtmt坐标系旋转角速度坐标系旋转角速度lmt坐标系旋转角速度为坐标系旋转角速度为l式（式（8-55）和式（）和式（8-56）表明：在动态过程中，）表明：在动态过程中，电流角频率、气隙磁链的角频率并不等于转子旋电流角频率、气隙磁链的角频率并不等于转子旋转角速度，只有达到稳态时，三者才相等，达到转角速度，只有达到稳态时，三者才相等，达到同步状态。同步

55、状态。(8-56)12222()gstrfmfmfmststfmstfmstdiddarctgdtdtdtiididiiiidtiidt8.4.2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图图8-23 可控励磁同步电动机基于电流模型的矢量控制系统可控励磁同步电动机基于电流模型的矢量控制系统8.4.2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l同步电动机常常是凸极的，其直轴和交轴同步电动机常常是凸极的，其直轴和交轴磁路不同，因而电感值也不一样。磁路不同，因而电感值也不一样。l转子中的阻尼绕组、定子绕组电阻

56、及漏抗转子中的阻尼绕组、定子绕组电阻及漏抗对系统性能有一定影响。对系统性能有一定影响。l实际系统矢量运算器的算法要复杂得多。实际系统矢量运算器的算法要复杂得多。l对于凸极式同步电动机除了对于凸极式同步电动机除了ism=0的控制外，的控制外，还有最大转矩还有最大转矩/电流控制、最大输出功率控电流控制、最大输出功率控制等其他控制方式制等其他控制方式48。 8.4.3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l正弦波永磁同步电动机正弦波永磁同步电动机(Permanent Magnet Synchronous Motor)具有定子具有定子三相分布绕组和永磁转子，在磁路结构和三相分

57、布绕组和永磁转子，在磁路结构和绕组分布上保证定子绕组中的感应电动势绕组分布上保证定子绕组中的感应电动势具有正弦波形，定子电压和电流也应为正具有正弦波形，定子电压和电流也应为正弦波。弦波。l永磁同步电动机一般没有阻尼绕组，转子永磁同步电动机一般没有阻尼绕组，转子由永磁体材料构成，无励磁绕组。由永磁体材料构成，无励磁绕组。l永磁同步电动机具有幅值恒定、方向随转永磁同步电动机具有幅值恒定、方向随转子位置变化的转子磁动势。子位置变化的转子磁动势。8.4.3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图图8- 表面贴装式永磁同步电动机表面贴装式永磁同步电动机8.4.3正弦波永磁同步电

58、动机矢正弦波永磁同步电动机矢量控制系统量控制系统图图8-24 永磁同步电动机物理模型永磁同步电动机物理模型8.4.3正弦波永磁同步电动机正弦波永磁同步电动机矢量控制系统矢量控制系统l假想假想转子由一般导磁材料构成，带有一个转子由一般导磁材料构成，带有一个虚拟的励磁绕组虚拟的励磁绕组，通以虚拟的励磁电流，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产生的转子磁动势与永磁同步电动机的转子磁动势相等。子磁动势相等。l永磁同步电动机可以与一般的电励磁同步永磁同步电动机可以与一般的电励磁同步电动机等效，唯一的差别是电动机等效，唯一的差别是虚拟励磁电流虚拟励磁电流恒定恒定。fI常数0fdIdt

59、fL虚拟励磁绕虚拟励磁绕组等效电感组等效电感 8.4.3正弦波永磁同步电动机正弦波永磁同步电动机矢量控制系统矢量控制系统l永磁同步电动永磁同步电动机定子电压：机定子电压：l考虑凸极效应考虑凸极效应时，磁链方程：时，磁链方程：sdsqsqssqsqsdsdssddtdiRudtdiRusdsd sdmdsqsq sqfmd sffdfL iLLIiIL iL(8-57)8.4.3正弦波永磁同步电动机正弦波永磁同步电动机矢量控制系统矢量控制系统l转矩方程转矩方程l将磁链方程代入电压方程将磁链方程代入电压方程 ()()epsd sqsq sdpmdsqsdsqsd sqfTniinLiLLi iI0

60、00sdsdsdsdssqsqsqsqsqsdsmfduiLiRLduiLLRdIiLt(8-59)(8-58)8.4.3正弦波永磁同步电动机正弦波永磁同步电动机矢量控制系统矢量控制系统l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l与电励磁的隐极式同步电动机相比较，隐与电励磁的隐极式同步电动机相比较，隐极式永磁同步电动机的数学模型阶次低，极式永磁同步电动机的数学模型阶次低，非线性强耦合程度有所减弱。非线性强耦合程度有所减弱。sqsqfsqmdsqsqssdsqsdsqsdsdsqsdsqsdsdssdLpsqsdsqsdsqfmdpLepuLILLiLRiLLdtdiuLiLLiLR