1、運動運動控制系統控制系統第第6章章同步電動機變壓變頻同步電動機變壓變頻調速系統調速系統概述概述n同步電動機直接投入電網運行時，存在同步電動機直接投入電網運行時，存在失步與起動兩大問題，曾一直制約著同失步與起動兩大問題，曾一直制約著同步電動機的應用。同步電動機的轉速恒步電動機的應用。同步電動機的轉速恒等于同步轉速，所以同步電動機的調速等于同步轉速，所以同步電動機的調速只能是變頻調速。只能是變頻調速。概述概述n變頻調速的發展與成熟不僅實現了同步變頻調速的發展與成熟不僅實現了同步電動機的調速問題，同時也解決了失步電動機的調速問題，同時也解決了失步與起動問題，使之不再是限制同步電動與起動問題，使之不再

2、是限制同步電動機運行的障礙。機運行的障礙。n同步電動機的調速可分為自控式和他控同步電動機的調速可分為自控式和他控式兩種，適用于不同的應用場合。式兩種，適用于不同的應用場合。內容提要內容提要n6.1 同步電動機的基本特征與調速方法同步電動機的基本特征與調速方法n6.2 他控變頻同步電動機調速系統他控變頻同步電動機調速系統n6.3自控變頻同步電動機調速系統自控變頻同步電動機調速系統 n6.4 同步電動機矢量控制系統同步電動機矢量控制系統 6.1同步電動機的基本特征與同步電動機的基本特征與調速方法調速方法 n討論同步電動機的特點、分類討論同步電動機的特點、分類n同步電動機的矩角特性和穩定運行同步電動

3、機的矩角特性和穩定運行n同步電動機的起動和調速同步電動機的起動和調速 6.1.1 同步電動機的特點同步電動機的特點n同步電動機具有以下特點：同步電動機具有以下特點：1. 交流電機旋轉磁場的同步轉速與定交流電機旋轉磁場的同步轉速與定子電源頻率有確定的關系子電源頻率有確定的關系ppnnfn26060111（6-1） 同步電動機的穩態轉速等于同步轉速同步電動機的穩態轉速等于同步轉速 。同步電動機的特點同步電動機的特點2. 同步電動機除定子磁動勢外，在轉同步電動機除定子磁動勢外，在轉子側還有獨立的直流勵磁，或者靠子側還有獨立的直流勵磁，或者靠永久磁鋼勵磁。永久磁鋼勵磁。3. 同步電動機轉子除直流勵磁繞

4、組同步電動機轉子除直流勵磁繞組（或永久磁鋼）外，還可能有自身（或永久磁鋼）外，還可能有自身短路的阻尼繞組。短路的阻尼繞組。同步電動機的特點同步電動機的特點4. 同步電動機則有隱極與凸極之分，同步電動機則有隱極與凸極之分，隱極式電機氣隙均勻，凸極式則不隱極式電機氣隙均勻，凸極式則不均勻，磁極直軸的磁阻小，極間的均勻，磁極直軸的磁阻小，極間的交軸磁阻大，兩軸的電感系數不等，交軸磁阻大，兩軸的電感系數不等，造成數學模型上的復雜性。但凸極造成數學模型上的復雜性。但凸極效應能產生轉矩，單靠凸極效應運效應能產生轉矩，單靠凸極效應運行的同步電動機稱作磁阻式同步電行的同步電動機稱作磁阻式同步電動機。動機。同步

5、電動機的特點同步電動機的特點5. 由于同步電動機轉子有獨立勵磁，在由于同步電動機轉子有獨立勵磁，在極低的電源頻率下也能運行。因此，極低的電源頻率下也能運行。因此，在同樣條件下，同步電動機的調速范在同樣條件下，同步電動機的調速范圍比異步電動機更寬。圍比異步電動機更寬。6. 同步電機只須加大功角就能增大轉矩，同步電機只須加大功角就能增大轉矩，同步電動機比異步電動機對轉矩擾動同步電動機比異步電動機對轉矩擾動具有更強的承受能力，動態響應快。具有更強的承受能力，動態響應快。6.1.2 同步電動機的分類同步電動機的分類n同步電動機按勵磁方式分為可控勵磁同步電動機按勵磁方式分為可控勵磁同步電動機和永磁同步電

6、動機兩種。同步電動機和永磁同步電動機兩種。n可控勵磁同步電動機在轉子側有獨立可控勵磁同步電動機在轉子側有獨立的直流勵磁，可以通過調節轉子的直的直流勵磁，可以通過調節轉子的直流勵磁電流，改變輸入功率因數，可流勵磁電流，改變輸入功率因數，可以滯后，也可以超前。以滯后，也可以超前。n永磁同步電動機的轉子用永磁材料制永磁同步電動機的轉子用永磁材料制成，無需直流勵磁。成，無需直流勵磁。 永磁同步電動機的優點永磁同步電動機的優點n1. 由于采用了永磁材料磁極，其磁能由于采用了永磁材料磁極，其磁能積高，可得較高的氣隙磁通密度，因積高，可得較高的氣隙磁通密度，因此容量相同的電機體積小、重量輕；此容量相同的電機

7、體積小、重量輕；n2. 轉子沒有銅損和鐵損，又沒有滑環轉子沒有銅損和鐵損，又沒有滑環和電刷的摩擦損耗，運行效率高；和電刷的摩擦損耗，運行效率高；n3. 轉動慣量小，允許脈沖轉矩大，可轉動慣量小，允許脈沖轉矩大，可獲得較高的加速度，動態性能好；獲得較高的加速度，動態性能好；n4. 結構緊湊，運行可靠。結構緊湊，運行可靠。永磁同步電動機永磁同步電動機n正弦波永磁同步電動機正弦波永磁同步電動機當輸入三相當輸入三相正弦波電流、氣隙磁場為正弦分布，磁正弦波電流、氣隙磁場為正弦分布，磁極采用永磁材料時，就使用這個普通的極采用永磁材料時，就使用這個普通的名稱或直接稱作永磁同步電動機名稱或直接稱作永磁同步電動

8、機（Permanent Magnet Synchronous Motor，簡稱，簡稱PMSM）。）。永磁同步電動機永磁同步電動機n梯形波永磁同步電動機梯形波永磁同步電動機磁極仍為永磁極仍為永磁材料，但輸入方波電流，氣隙磁場呈磁材料，但輸入方波電流，氣隙磁場呈梯形波分布，性能更接近于直流電動機。梯形波分布，性能更接近于直流電動機。用梯形波永磁同步電動機構成的自控變用梯形波永磁同步電動機構成的自控變頻同步電動機又稱作無刷直流電動機頻同步電動機又稱作無刷直流電動機（Brushless DC Motor，簡稱，簡稱BLDM）。）。6.1.3 同步電動機的矩角特性同步電動機的矩角特性n忽略定子電阻，圖忽

9、略定子電阻，圖6-1是凸是凸極同步電動機穩定運行且功極同步電動機穩定運行且功率因數超前時的相量圖，同率因數超前時的相量圖，同步電動機從定子側輸入的電步電動機從定子側輸入的電磁功率磁功率 圖6-1 凸極同步電動機穩定運行相量圖（功率因數超前）cos31ssMIUPP（6-2） 永磁同步電動機電磁功率永磁同步電動機電磁功率代入代入 sinsin3coscos3)cos(3cos31UIUIUIUIPPM將將sincoscossinssqqsssddssqssdUIxUEIxIIII永磁同步電動機電磁功率永磁同步電動機電磁功率（6-4） 2sin2)(3sin3sincos) 11(3sin3sin

10、)cos(3cossin3sin3cos3sinsin3coscos322qdqdsdssdqsdssdsssqssdssqssssssMxxxxUxEUxxUxEUxUEUxUUIUIUIUIUP電磁轉矩電磁轉矩n在式（在式（6-4）兩邊除以機械角速度，得電）兩邊除以機械角速度，得電磁轉矩磁轉矩2sin2)(3sin32qdmqdsdmssexxxxUxEUT（6-5） 電磁轉矩由兩部分組成，第電磁轉矩由兩部分組成，第1部分由轉子部分由轉子磁勢產生的，第磁勢產生的，第2部分是由于磁路不對稱部分是由于磁路不對稱產生的。產生的。功角特性和矩角特性功角特性和矩角特性 n在在 和和 恒定時，同步電動

11、機的電磁功恒定時，同步電動機的電磁功率和電磁轉矩由率和電磁轉矩由 確定，故稱為功角或確定，故稱為功角或矩角。矩角。sUsE隱極同步電動機隱極同步電動機 n對于隱極同步電動機，對于隱極同步電動機， cqdxxx故隱極同步電動機電磁功率故隱極同步電動機電磁功率 sin30dsMxEUP（6-6） 電磁轉矩電磁轉矩sin30dmsexEUT （6-7） 隱極同步電動機的矩角特性隱極同步電動機的矩角特性n當當 時，時，電磁轉矩最大電磁轉矩最大 圖圖6-2 隱極同步電動機的矩角特性隱極同步電動機的矩角特性2dmsexEUT0max3（6-8） 6.1.4 同步電動機的穩定運行同步電動機的穩定運行n以隱極

12、同步電動機為例，分析同步電動機以隱極同步電動機為例，分析同步電動機恒頻恒壓時的穩定運行問題。恒頻恒壓時的穩定運行問題。在在 的范圍內的范圍內 n同步電動機運行于同步電動機運行于 ， ，此時電磁，此時電磁轉矩轉矩 和負載轉矩和負載轉矩 相平衡，相平衡，2012011eT1LT111sin3dmssLexEUTT在在 的范圍內的范圍內 n當負載轉矩加大為當負載轉矩加大為 時，轉子減速使角時，轉子減速使角增加，當增加，當 ，電磁轉矩，電磁轉矩 和負載轉和負載轉矩矩 又達到平衡，又達到平衡，202LT222eT2LT同步電動機仍以同步轉速穩定運行。同步電動機仍以同步轉速穩定運行。222sin3dmss

13、LexEUTT在在 的范圍內的范圍內 n若負載轉矩又恢復若負載轉矩又恢復為為 ，則角，則角 恢恢復為復為 ，電磁轉矩，電磁轉矩恢復為恢復為 。n因此，在因此，在 的的范圍內，同步電動范圍內，同步電動機能夠穩定運行。機能夠穩定運行。2012011eT1LT圖圖6-3 在在20隱極同步電動機的矩角特性隱極同步電動機的矩角特性的范圍內，的范圍內，在在 的范圍內的范圍內 n同步電動機運行于同步電動機運行于 ， ，此時電磁，此時電磁轉矩轉矩 和負載轉矩和負載轉矩 相平衡，相平衡，23323eT3LT333sin3dmssLexEUTT在在 的范圍內的范圍內 n當負載轉矩加大為當負載轉矩加大為 時，轉子減

14、速使角時，轉子減速使角增加，電磁轉矩增加，電磁轉矩 減小，導致減小，導致繼續，繼續，最最終，同步電動機轉速偏離同步轉速，這種終，同步電動機轉速偏離同步轉速，這種現象稱為現象稱為“失步失步”。24LT4eT在在 的范圍內的范圍內n在在 的范圍的范圍 內，同步電動機不內，同步電動機不能穩定運行，將產能穩定運行，將產生失步現象。生失步現象。222圖圖6-4 在在隱極同步電動機的矩角特性隱極同步電動機的矩角特性的范圍內，的范圍內，6.1.5 同步電動機的起動同步電動機的起動n當同步電動機在工頻電源下起動時，定子當同步電動機在工頻電源下起動時，定子磁動勢磁動勢 以同步轉速以同步轉速sFpnn50601旋

15、轉，當旋轉，當 時，電磁轉矩時，電磁轉矩 ，使，使電動機加速，由于機械慣性的作用，電動電動機加速，由于機械慣性的作用，電動機轉速具有較大的滯后，不能快速跟上同機轉速具有較大的滯后，不能快速跟上同步轉速。步轉速。 00eT同步電動機的起動同步電動機的起動n當當 時，電磁轉時，電磁轉矩矩 ，產生，產生制動作用，制動作用，角以角以2為周為周期變化，電磁期變化，電磁轉矩呈正弦規轉矩呈正弦規律變化，如圖律變化，如圖6-5所示。所示。20eT圖6-5 同步電動機在工頻電源下起動轉矩同步電動機的起動同步電動機的起動n在一個周期內，電磁轉矩的平均值等于零，在一個周期內，電磁轉矩的平均值等于零，0eavT故同步

16、電動機不能正常起動。在工頻電源下故同步電動機不能正常起動。在工頻電源下起動時，先用轉子中的起動繞組按異步起起動時，先用轉子中的起動繞組按異步起動，接近同步轉速時再通入勵磁電流牽入動，接近同步轉速時再通入勵磁電流牽入同步同步 。6.1.6 同步電動機的調速同步電動機的調速n同步電動機的轉速等于同步轉速同步電動機的轉速等于同步轉速 而同步電動機的轉子據有固定的極對數，所而同步電動機的轉子據有固定的極對數，所以同步電動機的調速只能是改變電源頻率以同步電動機的調速只能是改變電源頻率的變頻調速。的變頻調速。 pnfnn1160（6-9） 同步電動機的調速同步電動機的調速n若忽略定子漏阻抗壓降，則定子電壓

17、約等若忽略定子漏阻抗壓降，則定子電壓約等于于同步電動機變頻調速的電壓頻率特性與異步同步電動機變頻調速的電壓頻率特性與異步電動機變頻調速相同，基頻以下采用帶定電動機變頻調速相同，基頻以下采用帶定子壓降補償的恒壓頻比控制方式，基頻以子壓降補償的恒壓頻比控制方式，基頻以上采用電壓恒定的控制方式。上采用電壓恒定的控制方式。 （6-10） mNssSkNfU44. 41他控變頻調速系統他控變頻調速系統n用獨立的變壓變頻裝置給同步電動機供電用獨立的變壓變頻裝置給同步電動機供電的稱作他控變頻調速系統。的稱作他控變頻調速系統。n他控變頻調速系統控制較為簡單，實現容他控變頻調速系統控制較為簡單，實現容易，能夠實

18、現多機拖動，但仍有可能產生易，能夠實現多機拖動，但仍有可能產生失步現象。失步現象。自控變頻調速系統自控變頻調速系統n根據轉子位置直接控制變壓變頻裝置換相根據轉子位置直接控制變壓變頻裝置換相時刻的稱作自控變頻調速系統。時刻的稱作自控變頻調速系統。n自控變頻調速系統嚴格保證電源頻率與轉自控變頻調速系統嚴格保證電源頻率與轉速的同步，從根本上避免了失步現象，但速的同步，從根本上避免了失步現象，但系統結構復雜，需要轉子位置檢測器或根系統結構復雜，需要轉子位置檢測器或根據電動機反電動勢波形推算轉子的位置。據電動機反電動勢波形推算轉子的位置。6.2他控變頻同步電動機調速系他控變頻同步電動機調速系統統n轉速開

19、環恒壓頻比控制的同步電動機群轉速開環恒壓頻比控制的同步電動機群調速系統調速系統n大功率同步電動機調速系統大功率同步電動機調速系統6.2.1同步電動機群調速系統同步電動機群調速系統n圖圖6-6所示是轉速開環恒壓頻比控制的同所示是轉速開環恒壓頻比控制的同步電動機群調速系統。步電動機群調速系統。n多臺永磁或磁阻同步電動機并聯接在公多臺永磁或磁阻同步電動機并聯接在公共的變頻器上，由統一的頻率給定信號共的變頻器上，由統一的頻率給定信號同時調節各臺電動機的轉速。同時調節各臺電動機的轉速。多臺同步電動機的恒壓頻比控制多臺同步電動機的恒壓頻比控制調速系統調速系統n這種開環調速系這種開環調速系統存在一個明顯統存

20、在一個明顯的缺點，就是轉的缺點，就是轉子振蕩和失步問子振蕩和失步問題并未解決，因題并未解決，因此各臺同步電動此各臺同步電動機的負載不能太機的負載不能太大。大。 圖圖6-6 多臺同步電動機的多臺同步電動機的恒壓頻比控制調速系統恒壓頻比控制調速系統6.2.2大功率同步電動機調速系大功率同步電動機調速系統統n大功率的同大功率的同步電動機轉步電動機轉子上一般都子上一般都具有勵磁繞具有勵磁繞組，通過滑組，通過滑環由直流勵環由直流勵磁電源供電。磁電源供電。 圖圖6-7 變壓變頻器供電變壓變頻器供電的同步電動機調速系統的同步電動機調速系統大功率同步電動機調速系統大功率同步電動機調速系統n大功率的同步電動機采

21、用變頻調速，在大功率的同步電動機采用變頻調速，在起動過程中，同步電動機定子電源頻率起動過程中，同步電動機定子電源頻率按斜坡規律變化，將動態轉差限制在允按斜坡規律變化，將動態轉差限制在允許的范圍內，以保證同步電動機順利起許的范圍內，以保證同步電動機順利起動。動。n在運行過程中，采用頻率或轉速的閉環在運行過程中，采用頻率或轉速的閉環控制，及時調整同步電動機定子電源頻控制，及時調整同步電動機定子電源頻率，將矩角限制在率，將矩角限制在 的范圍內，有效的范圍內，有效地抑制了失步現象。地抑制了失步現象。20大功率同步電動機調速系統大功率同步電動機調速系統n控制方案可以是恒壓頻比控制，也可以控制方案可以是恒

22、壓頻比控制，也可以是矢量控制。大功率的同步電動機一般是矢量控制。大功率的同步電動機一般采用轉速閉環控制，除了轉速閉環控制采用轉速閉環控制，除了轉速閉環控制外，還帶有電樞（定子）電流和勵磁外，還帶有電樞（定子）電流和勵磁（轉子）電流的閉環控制。（轉子）電流的閉環控制。n圖圖6-7繪出了這種系統的結構圖，系統控繪出了這種系統的結構圖，系統控制器包括轉速調節、定子電流和勵磁電制器包括轉速調節、定子電流和勵磁電流控制。流控制。6.3 自控變頻同步電動機調速系自控變頻同步電動機調速系統統 n他控變頻同步電動機調速系統變頻器的他控變頻同步電動機調速系統變頻器的輸出頻率與轉子位置無直接的關系，若輸出頻率與轉

23、子位置無直接的關系，若控制不當，仍然會造成失步?？刂撇划敚匀粫斐墒Р健如果能根據轉子位置直接控制變頻裝置如果能根據轉子位置直接控制變頻裝置的輸出電壓或電流的相位，使矩角小于的輸出電壓或電流的相位，使矩角小于90，就能從根本上杜絕失步現象，這，就能從根本上杜絕失步現象，這就是自控變頻同步電動機的初衷。就是自控變頻同步電動機的初衷。6.3.1自控變頻同步電動機自控變頻同步電動機n自控變頻同步電動機的特點是在電動機自控變頻同步電動機的特點是在電動機軸端裝有一臺轉子位置檢測器軸端裝有一臺轉子位置檢測器BQ，由它，由它發出的轉子位置信號控制變頻裝置，保發出的轉子位置信號控制變頻裝置，保證轉子轉速與

24、供電頻率同步。證轉子轉速與供電頻率同步。n由式（由式（6-10）可知，在基頻以下調速時，）可知，在基頻以下調速時，需要電壓頻率協調控制。因此，除了變需要電壓頻率協調控制。因此，除了變頻器頻器UI外，還需要一套調壓裝置，為變外，還需要一套調壓裝置，為變頻器提供可調的直流電源。頻器提供可調的直流電源。自控變頻同步電動機調速原理圖自控變頻同步電動機調速原理圖 圖圖6-8 自控變頻同步電動機調速原理圖自控變頻同步電動機調速原理圖 自控變頻同步電動機自控變頻同步電動機n自控變頻同步電動機共有自控變頻同步電動機共有4個部分組成：個部分組成：同步電動機同步電動機MS，與電動機同軸安裝的轉，與電動機同軸安裝的

25、轉子位置檢測器子位置檢測器BQ，逆變器，逆變器UI和變頻控制和變頻控制器。器。n由轉子位置檢測器發出的信號控制逆變由轉子位置檢測器發出的信號控制逆變器器UI輸出電壓或電流的頻率及相位，使輸出電壓或電流的頻率及相位，使電源頻率與轉速同步，可控整流器則完電源頻率與轉速同步，可控整流器則完成調壓的功能。成調壓的功能。自控變頻同步電動機自控變頻同步電動機n調速時改變直流電壓，轉速將隨之變化，調速時改變直流電壓，轉速將隨之變化，逆變器逆變器UI的輸出頻率自動跟蹤轉速。雖的輸出頻率自動跟蹤轉速。雖然在表面上只控制了電壓，實際上也自然在表面上只控制了電壓，實際上也自動地控制了頻率，故仍屬于同步電動機動地控制

26、了頻率，故仍屬于同步電動機的變壓變頻調速。的變壓變頻調速。自控變頻同步電動機自控變頻同步電動機n從電動機本身看，自控變頻同步電動機從電動機本身看，自控變頻同步電動機是一臺同步電動機，可以是永磁式的，是一臺同步電動機，可以是永磁式的，容量大時也可以用勵磁式的。但是如果容量大時也可以用勵磁式的。但是如果把它和逆變器把它和逆變器UI、轉子位置檢測器、轉子位置檢測器BQ合合起來看，就象是一臺直流電動機。從外起來看，就象是一臺直流電動機。從外部看來，改變直流電壓，就可實現調速，部看來，改變直流電壓，就可實現調速，相當于直流電動機的調壓調速。相當于直流電動機的調壓調速。 自控變頻同步電動機自控變頻同步電動

27、機n早期的自控變頻同步電動機中的逆變器早期的自控變頻同步電動機中的逆變器完成變頻功能，而調壓則由可控整流器完成變頻功能，而調壓則由可控整流器來完成，需要兩套可控功率單元。來完成，需要兩套可控功率單元。n現常用現常用PWM變頻器取代原來的逆變器，變頻器取代原來的逆變器，既完成變頻功能，又實現調壓，用不可既完成變頻功能，又實現調壓，用不可控整流器代替原來的控制整流，或直接控整流器代替原來的控制整流，或直接由直流母線供電，系統結構簡單，只需由直流母線供電，系統結構簡單，只需一套控制器。一套控制器。改進的自控變頻同步電動機及調改進的自控變頻同步電動機及調速原理圖速原理圖圖圖6-9 改進的自控變頻同步電

28、動機及調速原理圖改進的自控變頻同步電動機及調速原理圖自控變頻同步電動機自控變頻同步電動機n自控變頻同步電動機因其核心部件的不自控變頻同步電動機因其核心部件的不同，略有差異：同，略有差異：1. 無換向器電動機無換向器電動機由于采用電子換相取由于采用電子換相取代了機械式的換向器，因而得名，多用代了機械式的換向器，因而得名，多用于帶直流勵磁的同步電動機。于帶直流勵磁的同步電動機。自控變頻同步電動機自控變頻同步電動機2. 正弦波永磁自控變頻同步電動機正弦波永磁自控變頻同步電動機以正以正弦波永磁同步電動機為核心，構成的自弦波永磁同步電動機為核心，構成的自控變頻同步電動機。正弦波永磁同步電控變頻同步電動機

29、。正弦波永磁同步電動機是指當輸入三相正弦波電流、氣隙動機是指當輸入三相正弦波電流、氣隙磁場為正弦分布，磁極采用永磁材料的磁場為正弦分布，磁極采用永磁材料的同步電動機。同步電動機。自控變頻同步電動機自控變頻同步電動機3. 梯形波永磁自控變頻同步電動機即無刷直梯形波永磁自控變頻同步電動機即無刷直流電動機流電動機以梯形波永磁同步電動機以梯形波永磁同步電動機為核心的自控變頻同步電動機，由于輸為核心的自控變頻同步電動機，由于輸入方波電流，氣隙磁場呈梯形波分布，入方波電流，氣隙磁場呈梯形波分布，性能更接近于直流電動機，但沒有電刷，性能更接近于直流電動機，但沒有電刷，故稱無刷直流電動機。故稱無刷直流電動機。

30、6.3.2梯形波永磁同步電動機的梯形波永磁同步電動機的自控變頻調速系統自控變頻調速系統n無刷直流電動機實質無刷直流電動機實質上是一種特定類型的上是一種特定類型的同步電動機，氣隙磁同步電動機，氣隙磁場和感應電動勢是梯場和感應電動勢是梯形波的，由逆變器提形波的，由逆變器提供與電動勢嚴格同相供與電動勢嚴格同相的方波電流。的方波電流。圖圖6-10 梯形波永磁同步電動梯形波永磁同步電動機的電動勢與電流波形圖機的電動勢與電流波形圖梯形波永磁同步電動機的自控變梯形波永磁同步電動機的自控變頻調速系統頻調速系統圖圖6-11 梯形波永磁同步電動機的等效電路及逆變器梯形波永磁同步電動機的等效電路及逆變器主電路原理圖

31、主電路原理圖梯形波永磁同步電動機的自控變梯形波永磁同步電動機的自控變頻調速系統頻調速系統n為恒定的直流電壓，為恒定的直流電壓，PWM逆變器輸出電逆變器輸出電壓為壓為120的方波序的方波序列，換相的順序與三列，換相的順序與三相橋式晶閘管可控整相橋式晶閘管可控整流電路相同，并按直流電路相同，并按直流流PWM的方法對的的方法對的方波進行調制，同時方波進行調制，同時完成變壓變頻功能。完成變壓變頻功能。圖圖6-12 PWM逆變逆變器器A相輸出電壓相輸出電壓梯形波永磁同步電動機的轉矩脈梯形波永磁同步電動機的轉矩脈動動n由于由于PWM逆變逆變器每隔換相一次，器每隔換相一次，故實際的轉矩波故實際的轉矩波形每隔

32、出現一個形每隔出現一個缺口，這樣的轉缺口，這樣的轉矩脈動使梯形波矩脈動使梯形波永磁同步電動機永磁同步電動機的調速性能低于的調速性能低于真正的直流電動真正的直流電動機。機。圖圖6-13 梯形波永磁同步梯形波永磁同步電動機的轉矩脈動電動機的轉矩脈動梯形波永磁同步電動機的電壓方梯形波永磁同步電動機的電壓方程程 n為方便起見，在靜止的為方便起見，在靜止的A-B-C坐標上建立坐標上建立電機的數學模型，梯形波永磁同步電動機電機的數學模型，梯形波永磁同步電動機的電壓方程的電壓方程 CBACBAsmmmsmmmsCBAsssCBAeeeiiidtdLLLLLLLLLiiiRRRuuu000000（6-11）

33、梯形波永磁同步電動機的電壓方梯形波永磁同步電動機的電壓方程程 n由于三相定子繞組對稱，故有由于三相定子繞組對稱，故有 （6-12） CBACBAmsmsmsCBAsssCBAeeeiiidtdLLLLLLiiiRRRuuu0000000000000CBAiii則則 電磁轉矩電磁轉矩n方波電流的峰值為方波電流的峰值為 ，梯形波電動勢的，梯形波電動勢的峰值為峰值為 ，在一般情況下，同時只有兩，在一般情況下，同時只有兩相導通，從逆變器直流側看進去，為兩相相導通，從逆變器直流側看進去，為兩相繞組串聯，則電磁功率為繞組串聯，則電磁功率為 。n忽略電流換相過程的影響，電磁轉矩為忽略電流換相過程的影響，電磁

34、轉矩為pIpEppmIEP2pppppppmmmeInIEnnPPT22/（6-13） 梯形波永磁同步電動機的調速梯形波永磁同步電動機的調速n梯形波永磁同步電動機（即無刷直流電動梯形波永磁同步電動機（即無刷直流電動機）的轉矩與電流成正比，和一般的直流機）的轉矩與電流成正比，和一般的直流電動機相當。這樣，其控制系統也和直流電動機相當。這樣，其控制系統也和直流調速系統一樣，要求不高時，可采用開環調速系統一樣，要求不高時，可采用開環調速，對于動態性能要求較高的負載，可調速，對于動態性能要求較高的負載，可采用轉速、電流雙閉環控制系統。采用轉速、電流雙閉環控制系統。梯形波永磁同步電動機的調速梯形波永磁同

35、步電動機的調速n無論是開環還是閉環系統，都必須檢測轉無論是開環還是閉環系統，都必須檢測轉子位置，并根據轉子位置發出換相信號，子位置，并根據轉子位置發出換相信號，使變頻器輸出與電動勢嚴格同相的方波電使變頻器輸出與電動勢嚴格同相的方波電壓，而通過對方波電壓的壓，而通過對方波電壓的PWM調制控制調制控制方波電流的幅值，進而控制無刷直流電動方波電流的幅值，進而控制無刷直流電動機的電磁轉矩。機的電磁轉矩。 梯形波永磁同步電動機的調速梯形波永磁同步電動機的調速n不考慮換相過程及不考慮換相過程及PWM波等因素的影響，波等因素的影響，當圖當圖6-11中的中的VT1和和VT6導通時，導通時，A、B兩相導通，而兩

36、相導通，而C相關斷，則無刷直流電動相關斷，則無刷直流電動機的動態電壓方程為機的動態電壓方程為ApmspsBAedtdILLIRuu2)(22(6-14) 梯形波永磁同步電動機的調速梯形波永磁同步電動機的調速n由于由于(6-15) dBAUuu則無刷直流電動機的動態電壓方程為則無刷直流電動機的動態電壓方程為AdpmspseUdtdILLIR2)(22狀態方程狀態方程狀態方程狀態方程)(2)(1msdmsAplpLLULLeITdtdI(6-16) 其中，其中，smslRLLT狀態方程狀態方程n根據電機和電力拖動系統基本理論，可知根據電機和電力拖動系統基本理論，可知eBAkeepepBBAApeI

37、knieienT2)()(LepTTJndtd(6-17) (6-18) (6-19) 狀態方程狀態方程n無刷直流電動機的狀態方程無刷直流電動機的狀態方程 (6-20) )(2)(122msdmseplpLppepLLULLkITdtdITJnIkJndtd動態結構圖動態結構圖圖圖6-14 無刷直流電動機的動態結構圖無刷直流電動機的動態結構圖6.4 同步電動機矢量控制系統同步電動機矢量控制系統 n為了獲得高動態性能，應當從同步電動機為了獲得高動態性能，應當從同步電動機的動態模型出發，研究同步電動機的調速的動態模型出發，研究同步電動機的調速系統。系統。n同步電動機的定子繞組與異步電動機相同，同步

38、電動機的定子繞組與異步電動機相同，主要差異在轉子部分，同步電動機轉子為主要差異在轉子部分，同步電動機轉子為直流勵磁或永磁體，為了解決起動問題和直流勵磁或永磁體，為了解決起動問題和抑制失步現象，有些同步電動機在轉子側抑制失步現象，有些同步電動機在轉子側帶有阻尼繞組。帶有阻尼繞組。6.4.1可控勵磁同步電動機動態可控勵磁同步電動機動態數學模型數學模型n作如下假定：作如下假定：忽略空間諧波，設定子三相繞組對稱，在空間中忽略空間諧波，設定子三相繞組對稱，在空間中互差互差120電角度，所產生的磁動勢沿氣隙按正電角度，所產生的磁動勢沿氣隙按正弦規律分布；弦規律分布；忽略磁路飽和，各繞組的自感和互感都是恒定

39、的；忽略磁路飽和，各繞組的自感和互感都是恒定的；忽略鐵心損耗；忽略鐵心損耗；不考慮頻率變化和溫度變化對繞組電阻的影響。不考慮頻率變化和溫度變化對繞組電阻的影響。帶有阻尼繞組的同步電動機物理帶有阻尼繞組的同步電動機物理模型模型n定子三相繞組軸線定子三相繞組軸線A、B、C是靜止的，轉是靜止的，轉子以角速度旋轉，轉子勵磁繞組流過勵磁子以角速度旋轉，轉子勵磁繞組流過勵磁電流。沿勵磁磁極的軸線為電流。沿勵磁磁極的軸線為d軸，與軸，與d軸正軸正交的是交的是q軸，軸，dq坐標系固定在轉子上，與坐標系固定在轉子上，與轉子同步旋轉，轉子同步旋轉，d軸與軸與A軸之間的夾角為變軸之間的夾角為變量。阻尼繞組是多導條類

40、似籠型的繞組，量。阻尼繞組是多導條類似籠型的繞組，把它等效成在把它等效成在d軸和軸和q軸各自短路的兩個獨軸各自短路的兩個獨立的繞組。立的繞組。帶有阻尼繞組的同步電動機物理帶有阻尼繞組的同步電動機物理模型模型圖圖6-15 帶有阻尼繞組的同帶有阻尼繞組的同步電動機物理模型步電動機物理模型電壓方程電壓方程 n考慮同步電動機的凸極效應和阻尼繞組，考慮同步電動機的凸極效應和阻尼繞組，同步電動機的定、轉子電壓方程同步電動機的定、轉子電壓方程dtdiRudtdiRudtdiRuCCsCBBsBAAsAdtdiRdtdiRdtdIRUrqrqrqrdrdrdffff00(6-22) (6-21) 定子電壓方程

41、定子電壓方程n按照坐標變換原理，將定子電壓方程從按照坐標變換原理，將定子電壓方程從ABC三相坐標系變換到三相坐標系變換到dq二相旋轉坐標二相旋轉坐標系系 sdsqsqssqsqsdsdssddtdiRudtdiRu(6-23) 磁鏈方程磁鏈方程 n在在dq兩相旋轉坐標系上的磁鏈方程兩相旋轉坐標系上的磁鏈方程 rqrqsqmqrqrdrdfmdsdmdrdrdmdffsdmdfrqmqsqsqsqrdmdfmdsdsdsdiLiLiLILiLiLILiLiLiLiLILiL(6-24) 轉矩和運動方程轉矩和運動方程n同步電動機在同步電動機在dq軸上的轉矩和運動方程分軸上的轉矩和運動方程分別為別為

42、)(sdsqsqsdpeiinTLpsdsqsqsdpLepTJniiJnTTJndtd)()(2(6-26) (6-25) 轉矩方程轉矩方程n把式（把式（6-24）中的）中的 和和 代入式代入式（6-25）的轉矩方程，并整理后得）的轉矩方程，并整理后得dd)()(sdrqmqsqrdmdpsqsdsqsdpsqfmdpeiiLiiLniiLLniILnT(6-27) 轉矩分析轉矩分析n第一項是轉子勵磁磁動勢和定子電樞反應第一項是轉子勵磁磁動勢和定子電樞反應磁動勢轉矩分量相互作用所產生的轉矩，磁動勢轉矩分量相互作用所產生的轉矩，是同步電動機主要的電磁轉矩。是同步電動機主要的電磁轉矩。n第二項是

43、由凸極效應造成的磁阻變化在電第二項是由凸極效應造成的磁阻變化在電樞反應磁動勢作用下產生的轉矩，稱作反樞反應磁動勢作用下產生的轉矩，稱作反應轉矩或磁阻轉矩，這是凸極電機特有的應轉矩或磁阻轉矩，這是凸極電機特有的轉矩，在隱極電機中，該項為零。轉矩，在隱極電機中，該項為零。轉矩分析轉矩分析n第三項是電樞反應磁動勢與阻尼繞組磁動第三項是電樞反應磁動勢與阻尼繞組磁動勢相互作用的轉矩，如果沒有阻尼繞組，勢相互作用的轉矩，如果沒有阻尼繞組，或者在穩態運行時阻尼繞組中沒有感應電或者在穩態運行時阻尼繞組中沒有感應電流，該項都是零。只有在動態過程中，產流，該項都是零。只有在動態過程中，產生阻尼電流，才有阻尼轉矩，

44、幫助同步電生阻尼電流，才有阻尼轉矩，幫助同步電動機盡快達到新的穩態。動機盡快達到新的穩態。同步電動機的電壓矩陣方程式同步電動機的電壓矩陣方程式rqrdfsqsdrqmqrdmdmdmdfmdmqsqmdmdsdrqrdfsqsdrqrdfmdmdssdmqsqsfsqsdiiIiidtdLLLLLLLLLLLLLiiIiiRRRLLRLLLRUuu00000000000000000000000000000(6-28) 運動方程運動方程 LpsdrqmqsqrdmdsqsdsqsdsqfmdpLepTJniiLiiLiiLLiILJnTTJndtd)()()(2(6-29) 凸極同步電動機動態數

45、學模型凸極同步電動機動態數學模型n與籠型異步電動機相比較，勵磁繞組的存與籠型異步電動機相比較，勵磁繞組的存在，增加了狀態變量的維數，提高了微分在，增加了狀態變量的維數，提高了微分方程的階次，而凸極效應則使得方程的階次，而凸極效應則使得d軸和軸和q軸軸參數不等，這無疑增加了數學模型的復雜參數不等，這無疑增加了數學模型的復雜性。性。隱極式同步電動機隱極式同步電動機n隱極式同步電動機的隱極式同步電動機的dq軸對稱，故軸對稱，故ssqsdLLLmmqmdLLL隱極式同步電動機動態數學模型隱極式同步電動機動態數學模型n忽略阻尼繞組的作用，則動態數學模型為忽略阻尼繞組的作用，則動態數學模型為fsqsdfm

46、smsfsqsdfmssssfsqsdIiidtdLLLLLIiiRLRLoLRUuu000000LpsqfmpLepTJniILJnTTJndtd2)(6-30) (6-31) 隱極式同步電動機的狀態方程 fmfsssdmfsmfmfsfssqmfsmfsdmfssmfsqsfsmsqsssdsqfmfsmsdmfsffmfsfmsqmfssfsdmfssfsdLpsqfmpLepULLLLuLLLLILLLRLiLLLLLiLLLRLdtdIuLILLiLRidtdiULLLLuLLLLILLLRLiLLLLLiLLLRLdtdiTJniILJnTTJndtd222222222221)(6

47、-32) 同步電動機動態數學模型同步電動機動態數學模型n同步電動機也是個非線性、強耦合的多變同步電動機也是個非線性、強耦合的多變量系統，若考慮阻尼繞組的作用和凸極效量系統，若考慮阻尼繞組的作用和凸極效應時，動態模型更為復雜，與異步電動機應時，動態模型更為復雜，與異步電動機相比，其非線性、強耦合的程度有過之而相比，其非線性、強耦合的程度有過之而無不及。無不及。n為了達到良好的控制效果，往往采用電流為了達到良好的控制效果，往往采用電流閉環控制的方式，實現對象的近似解耦。閉環控制的方式，實現對象的近似解耦。 6.4.2可控勵磁同步電動機按氣可控勵磁同步電動機按氣隙磁鏈定向矢量控制系統隙磁鏈定向矢量控

48、制系統n定義定義mt坐標系，使坐標系，使m軸與氣隙合成磁鏈矢軸與氣隙合成磁鏈矢量重合，量重合，t軸與軸與m軸正交。再將定子三相電軸正交。再將定子三相電流合成矢量流合成矢量 沿沿m、t軸分解為勵磁分量軸分解為勵磁分量 和轉矩分量和轉矩分量 ，同樣，將勵磁電流矢量，同樣，將勵磁電流矢量 分解成分解成 和和 ，參見圖，參見圖6-16，圖中功率，圖中功率因數滯后。因數滯后。smistifmifIsifti可控勵磁同步電動機空間矢量圖可控勵磁同步電動機空間矢量圖圖圖6-16 可控勵磁同步電動機空間矢量圖可控勵磁同步電動機空間矢量圖勵磁分量和轉矩分量勵磁分量和轉矩分量n將將dq坐標系中的定子電流矢量、勵磁

49、電流坐標系中的定子電流矢量、勵磁電流矢量變換到矢量變換到mt坐標系，得到相應的勵磁分坐標系，得到相應的勵磁分量和轉矩分量量和轉矩分量sqsdstsmiiiicossinsincos0cossinsincosfftfmIii(6-37) (6-36) 按氣隙磁鏈定向按氣隙磁鏈定向n考慮到按氣隙磁鏈定向，考慮到按氣隙磁鏈定向， 0cossinsincosgmftmstmfmmsmmgqgdgtgmiLiLiLiLiL由此導出由此導出ftstfmsmgiiiii(6-38) (6-39) 逆變換逆變換n逆變換分別為逆變換分別為 stsmsqsdiiiicossinsincosgtgmgqgdcoss

50、insincos(6-41) (6-40) 電磁轉矩電磁轉矩n將式（將式（6-40）和式（）和式（6-41）代入式（）代入式（6-34）并整理得到同步電動機的電磁轉矩）并整理得到同步電動機的電磁轉矩ftgmpstgmpeininT(6-42) 電磁轉矩電磁轉矩n按氣隙磁鏈定向后，同步電動機的轉矩公按氣隙磁鏈定向后，同步電動機的轉矩公式與直流電動機轉矩表達式相同。只要保式與直流電動機轉矩表達式相同。只要保證氣隙磁鏈恒定，控制定子電流的轉矩分證氣隙磁鏈恒定，控制定子電流的轉矩分量就可以方便靈活地控制同步電動機的電量就可以方便靈活地控制同步電動機的電磁轉矩，問題是如何能夠保證氣隙磁鏈恒磁轉矩，問題是

51、如何能夠保證氣隙磁鏈恒定和準確地按氣隙磁鏈定向。定和準確地按氣隙磁鏈定向。氣隙磁鏈恒定控制氣隙磁鏈恒定控制n要保證氣隙磁鏈要保證氣隙磁鏈 恒定，只要使恒定，只要使gmfmsmgiii恒定即可，定子電流的勵磁分量恒定即可，定子電流的勵磁分量 可以可以從同步電動機期望的功率因數值求出。從同步電動機期望的功率因數值求出。n一般說來，希望功率因數一般說來，希望功率因數 ，即即 ，也就是說，希望，也就是說，希望 。n因此，由期望功率因數確定的因此，由期望功率因數確定的 可作可作為矢量控制系統的一個給定值。為矢量控制系統的一個給定值。smi1cos 90s0smismi按氣隙磁鏈定向按氣隙磁鏈定向 n由同

52、步電動機空間矢量圖由同步電動機空間矢量圖6-16得出得出 22stsmsiiismstsiitg122ftfmfiiIfmstfmftiitgiitg11(6-45) (6-44) (6-46) (6-43) n考慮到考慮到逆逆時鐘為正，時鐘為正，故在式（故在式（6-46）中）中 前取負號。前取負號。fti按氣隙磁鏈定向按氣隙磁鏈定向n以以A軸為參考坐標軸，則軸為參考坐標軸，則d軸的位置角軸的位置角dtr可以通過電機軸上的位置傳感器可以通過電機軸上的位置傳感器BQ測得或測得或通過積分得到。于是，定子電流空間矢量通過積分得到。于是，定子電流空間矢量與與A軸的夾角為軸的夾角為sr(6-47) 按氣隙磁鏈定向按氣隙磁