1、摘要： 采用電力電子裝置實現電壓-賓律協調控制，改變了同步電動機歷來只能恒速運行而不能調速的面貌，使它和異步電機一樣成為了可調速電機家族中的一員。起動費時、重載時震蕩或失步等問題已經不再是同步電機廣泛應用的障礙，同步電動機調速系統的應用正在飛速發展著。本文首先概括同步電機變壓變頻調速的特點及其基本類型，然后介紹了幾種應用較廣的系統，闡明了同步電機的多變量數學模型，最后討論了自控變頻同步電動機調速系統。關鍵詞：同步電機，變頻調速，目錄1 同步電動機變壓變頻調速的特點及其基本類型31.1概述31.2同步調速系統的特點42 他控變頻同步電動機調速系統52.1轉速開環恒壓頻比控制的同步電動機群調速系統

2、52.2由交-直-交電流型負載換流變壓變頻器供電的同步電動機調速系統62.3由交-交變壓變頻器供電的大型低速同步電動機調速系統72.4按氣隙磁場定向的同步電動機矢量控制系統83 自控變頻同步電動機調速系統113.1梯形波永磁同步電動機（無刷直流電動機）的自控變頻調速系統123.2正弦波永磁同步電動機的自控變頻調速系統14參考文獻151 同步電動機變壓變頻調速的特點及其基本類型歷史上最早出現的是直流電動機19世紀末，出現了交流電和交流電動機為了改善功率因數，同步電動機應運而生。同步電動機也是一種交流電機。既可以做發電機用，也可做電動機用，過去一般用于功率較大，轉速不要求調節的生產機械，例如大型水

3、泵，空壓機等。 最初的同步電動機只用于拖動恒速負載或用于改善功率因數的場合。在恒定頻率下運行的大型同步電動機又存在著容易發生失步和振蕩的危險，以及起動困難等問題。 因此，在沒有變頻電源的情況下，很難對同步電動機的轉速進行控制。 1.1概述同步電動機歷來是以轉速與電源頻率保持嚴格同步著稱的。只要電源頻率保持恒定，同步電動機的轉速就絕對不變。 采用電力電子裝置實現電壓-頻率協調控制，改變了同步電動機歷來只能恒速運行不能調速的面貌。起動費事、重載時振蕩或失步等問題也已不再是同步電動機廣泛應用的障礙。 同步電機的特點與問題： 優點： 

4、;（1）轉速與電壓頻率嚴格同步； （2）功率因數高到1.0，甚至超前。 存在的問題： （1）起動困難； （2）重載時有振蕩，甚至存在失步危險。 問題的根源： 供電電源頻率固定不變 解決辦法： 采用電壓-頻率協調控制，例如：對于起動問題而言，可以通過變頻電源頻率的平滑調節，使電機轉速逐漸上升，實現軟起動。對于振蕩和失步問題而言，可采用頻率閉環控制，同步轉速可以跟著頻率改變，于是就不會振蕩和失步了。同步電機的主要運行方式有三種，即作為發電機、電動機和補償機運行。  同步電動機的功率因數可以調節，在不

5、要求調速的場合，應用大型同步電動機可以提高運行效率。近年來，小型同步電動機在變頻調速系統中開始得到較多地應用。  同步電機的突出優點：控制勵磁來調節它的功率因數，可以使功率因數高到1.0，甚至超前。 同步電機還可以接于電網作為同步補償機。這時電機不帶任何機械負載，靠調節轉子中的勵磁電流向電網發出所需的感性或者容性無功功率，以達到改善電網功率因數或者調節電網電壓的目的。1.2同步調速系統的特點（1）交流電機旋轉磁場的同步轉速w1與定子電源頻率 f1 有確定的關系（1-1）異步電動機的穩態轉速總是低于同步轉速的，二者之差叫做轉差 ws ；同步電動機的穩態轉速等于同步轉

6、速，轉差 ws = 0。 （2）異步電動機的磁場僅靠定子供電產生，而同步電動機除定子磁動勢外，轉子側還有獨立的直流勵磁，或者用永久磁鋼勵磁。 （3） 同步電動機和異步電動機的定子都有同樣的交流繞組，一般都是三相的，而轉子繞組則不同，同步電動機轉子除直流勵磁繞組（或永久磁鋼）外，還可能有自身短路的阻尼繞組。（4）異步電動機的氣隙是均勻的，而同步電動機則有隱極與凸極之分，隱極式電機氣隙均勻，凸極式則不均勻，兩軸的電感系數不等，造成數學模型上的復雜性。但凸極效應能產生平均轉矩，單靠凸極效應運行的同步電動機稱作磁阻式同步電動機。（5）異步電動機由于勵磁的需要，必須從電源吸取滯后的無功電流，空載時功率因

7、數很低。同步電動機則可通過調節轉子的直流勵磁電流，改變輸入功率因數，可以滯后，也可以超前。當 cosj = 1.0 時，電樞銅損最小，還可以節約變壓變頻裝置的容量。 （6）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，在同樣條件下，同步電動機的調速范圍比異步電動機更寬。 （7）異步電動機要靠加大轉差才能提高轉矩，而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具有更強的承受能力，能作出更快的動態響應。2 他控變頻同步電動機調速系統與異步電動機變壓變頻調速一樣，用獨立的變壓變頻裝置給同步電動機供電的系統稱作他控變頻調速系統。2.1轉速開環恒壓頻比控制的同步電

8、動機群調速系統轉速開環恒壓頻比控制的同步電動機群調速系統，是一種最簡單的他控變頻調速系統，多用于化紡工業小容量多電動機拖動系統中。這種系統采用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同時調節各臺電動機的轉速。多臺永磁或磁阻同步電動機并聯接在公共的電壓源型PWM變壓變頻器上，由統一的頻率給定信號 f * 同時調節各臺電動機的轉速。PWM變壓變頻器中，帶定子壓降補償的恒壓頻比控制保證了同步電動機氣隙磁通恒定，緩慢地調節頻率給定 f * 可以逐漸地同時改變各臺電機的轉速。轉速開環恒壓頻比控制的同步電動機群調速系統如圖2-1所示。圖2-1多臺同步電動機的恒壓頻比控制調速系統

9、該調速系統優點是：結構簡單，控制方便，只需一臺變頻器供電，成本低廉。缺點是：由于采用開環調速方式，轉子振蕩和失步問題并未解決，因此各臺同步電動機的負載不能太大。2.2由交-直-交電流型負載換流變壓變頻器供電的同步電動機調速系統大型同步電動機轉子上一般都具有勵磁繞組，通過滑環由直流勵磁電源供電，或者由交流勵磁發電機經過隨轉子一起旋轉的整流器供電。對于經常在高速運行的機械設備，定子常用交-直-交電流型變壓變頻器供電，其電機側變換器（即逆變器）比給異步電動機供電時更簡單，可以省去強迫換流電路，而利用同步電動機定子中的感應電動勢實現換相。這樣的逆變器稱作負載換流逆變器（Load-commutated

10、Inverter，簡稱LCI）。如圖2-2，圖中系統控制器的程序包括轉速調節、轉差控制、負載換流控制和勵磁電流控制，FBS是測速反饋環節。由于變壓變頻裝置是電流型的，還單獨畫出了電流控制器（包括電流調節和電源側變換器的觸發控制）。 圖2-2由交-直-交電流型負載換流變壓變頻器供電的同步電動機調速系統LCI同步調速系統在起動和低速時存在換流問題，低速時同步電動機感應電動勢不夠大，不足以保證可靠換流；當電機靜止時，感應電動勢為零，根本就無法換流。這時，須采用“直流側電流斷續”的特殊方法，使中間直流環節電抗器的旁路晶閘管導通，讓電抗器放電，同時切斷直流電流，允許逆變器換相，換相后再關斷旁路晶閘管，使

11、電流恢復正常。用這種換流方式可使電動機轉速升到額定值的 3%5%，然后再切換到負載電動勢換流。 2.3由交-交變壓變頻器供電的大型低速同步電動機調速系統另一類大型同步電動機變壓變頻調速系統用于低速的電力拖動，例如無齒輪傳動的可逆軋機、礦井提升機、水泥轉窯等。該系統由交-交變壓變頻器（又稱周波變換器）供電，其輸出頻率為2025Hz（當電網頻率為50Hz時），對于一臺20極的同步電動機，同步轉速為120150r/min，直接用來拖動軋鋼機等設備是很合適的，可以省去龐大的齒輪傳動裝置。這類調速系統的基本結構畫在圖2-3中，可以實現4象限運行。控制器按需要可以是常規的，也可以采用矢量控制。圖2-3由交

12、-交變壓變頻器供電的大型低速同步電動機調速系統 2.4按氣隙磁場定向的同步電動機矢量控制系統為了獲得高動態性能，同步電動機變壓變頻調速系統也可以采用矢量控制，其基本原理和異步電動機矢量控制相似，也是通過坐標變換，把同步電動機等效成直流電動機，再模仿直流電動機的控制方法進行控制。但由于同步電動機的轉子結構與異步電動機不同，其矢量坐標變換也有自己的特色。同步電機的主要特點是：定子有三相交流繞組，轉子為直流勵磁或永磁。為了突出主要問題，先忽略次要因素，作如下假設：（1）假設是隱極電機，或者說，忽略凸極的磁阻變化； （2）忽略阻尼繞組的效應； （3）忽略磁化曲線的飽和非線性因素； （4）暫先忽略定子電

13、阻和漏抗的影響。其他假設條件和研究異步電動機數學模型時相同。這樣，二級同步電動機的物理模型便如圖2-4所示。圖2-4二極同步電動機的物理模型圖中，定子三相繞組軸線 A、B、C 是靜止的，三相電壓 uA、 uB、 uC 和三相電流 iA、iB、iC 都是平衡的，轉子以同步轉速w1旋轉，轉子上的勵磁繞組在勵磁電壓 Uf 供電下流過勵磁電流 If 。沿勵磁磁極的軸線為 d 軸，與 d 軸正交的是 q 軸，d-q 坐標在空間也以同步轉速 w1 旋轉，d 軸與 A 軸之間的夾角 q 為變量。在同步電動機中，除轉子直流勵磁外，定子磁動勢還產生電樞反應，直流勵磁與電樞反應合成起來產生氣隙磁通，合成磁通在定子

14、中感應的電動勢與外加電壓基本平衡。同步電動機磁動勢與磁通的空間矢量圖示于圖2-5。w1圖2-5同步電動機磁動勢與磁通的空間矢量圖將 Fs 除以相應的匝數即為定子三相電流合成空間矢量 is ，可將它沿M、T軸分解為勵磁分量 ism 和轉矩分量ist。同樣，Ff 與相當的勵磁電流矢量 If 也可分解成 ifm 和 ift 。由圖2-5得出下列關系式：在圖2-6中畫出了定子一相繞組的電壓、電流與磁鏈的時間相量圖。氣隙合成磁通 FR 是空間矢量，FR 對該相繞組的磁鏈 YRs 則是時間相量， YRs 在繞組中感應的電動勢 Es 領先于 YRs 90°。按照假設條件，忽略定子電阻和漏抗，則 E

15、s 與相電壓 Us 近似相等，于是圖2-6電壓、電流和磁鏈的時間相量圖在圖2-6中，is 是該相電流相量，它落后于 Us 的相角 j 就是同步電動機的功率因數角。根據電機學原理，FR 與 Fs 空間矢量的空間角差 qs 也就是磁鏈YRs 與電流 is 在時間上的相角差，因此 j = 90°- qs ，而且 ism和 ist 也是 is 相量在時間相量圖上的分量。由此可知：定子電流的勵磁分量 ism 可以從定子電流 is 和調速系統期望的功率因數值求出。最簡單的情況是希望 cosj = 1，也就是說，希望 ism = 0。這樣，由期望功率因數確定的 ism 可作為矢量控制系統的一個給定

16、值。3 自控變頻同步電動機調速系統3-1自控變頻同步電動機調速系統結構原理圖系統結構原理圖如圖3-1該系統的結構特點又如下幾點：（1）在電動機軸端裝有一臺轉子位置檢測器 BQ（見圖8-7），由它發出的信號控制變壓變頻裝置的逆變器 U I 換流，從而改變同步電動機的供電頻率，保證轉子轉速與供電頻率同步。調速時則由外部信號或脈寬調制（PWM）控制 UI 的輸入直流電壓。（2）從電動機本身看，它是一臺同步電動機，但是如果把它和逆變器 UI、轉子位置檢測器 BQ 合起來看，就象是一臺直流電動機。直流電動機電樞里面的電流本來就是交變的，只是經過換向器和電刷才在外部電路表現為直流，這時，換向器相當于機械式

17、的逆變器，電刷相當于磁極位置檢測器。這里，則采用電力電子逆變器和轉子位置檢測器替代機械式換向器和電刷。自控變頻同步電動機在其開發與發展的過程中，曾采用多種名稱，有的至今仍習慣性地使用著，它們是：無換向器電動機；三相永磁同步電動機（輸入正弦波電流時）；無刷直流電動機（采用方波電流時）。永磁電動機控制系統有以下幾個優點：由于采用了永磁材料磁極，特別是采用了稀土金屬永磁，因此容量相同時電機的體積小、重量輕；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；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； 結構緊湊，運行可靠。 3.1梯形波永磁同步電動機（無刷直流電動機）的自控變

18、頻調速系統無刷直流電動機實質上是一種特定類型的同步電動機，調速時只在表面上控制了輸入電壓，實際上也自動地控制了頻率，仍屬于同步電動機的變壓變頻調速。永磁無刷直流電動機的轉子磁極采用瓦形磁鋼，經專門的磁路設計，可獲得梯形波的氣隙磁場，定子采用集中整距繞組，因而感應的電動勢也是梯形波的。 由逆變器提供與電動勢嚴格同相的方波電流，同一相（例如A相）的電動勢 eA和電流波 iA 形圖如圖3-1所示。 圖3-1 梯形波永磁同步電動機的電動勢與電流波形圖 由于各相電流都是方波，逆變器的電壓只須按直流PWM的方法進行控制，比各種交流PWM控制都要簡單得多，這是設計梯形波永磁同步電動機的初衷。 然而由于繞組電

19、感的作用，換相時電流波形不可能突跳，其波形實際上只能是近似梯形的，因而通過氣隙傳送到轉子的電磁功率也是梯形波。如圖3-2所示，實際的轉矩波形每隔60°都出現一個缺口，而用 PWM 調壓調速又使平頂部分出現紋波，這樣的轉矩脈動使梯形波永磁同步電動機的調速性能低于正弦波的永磁同步電動機。圖3-2梯形波永磁同步電動機的轉矩脈動 3.2正弦波永磁同步電動機的自控變頻調速系統正弦波永磁同步電動機具有定子三相分布繞組和永磁轉子，在磁路結構和繞組分布上保證定子繞組中的感應電動勢具有正弦波形，外施的定子電壓和電流也應為正弦波，一般靠交流PWM變壓變頻器提供。正弦波永磁同步電動機一般沒有阻尼繞組，轉子

20、磁通由永久磁鋼決定，是恒定不變的，可采用轉子磁鏈定向控制，即將兩相旋轉坐標系的d軸定在轉子磁鏈 Yr 方向上，無須再采用任何計算磁鏈的模型。圖3-3按轉子磁鏈定向并使 id= 0 的PMSM自控變頻調速系統 按轉子磁鏈定向并使 id = 0 的正弦波永磁同步電動機自控變頻調速系統和直流電動機調速系統一樣，轉速調節器ASR的輸出是正比于電磁轉矩的定子電流給定值。由按轉子磁鏈定向的正弦波永磁同步電動機矢量圖可知：q 角是旋轉的d軸與靜止的A軸之間的夾角，由轉子位置檢測器測出，經過查表法讀取相應的正弦函數值后，與 is* 信號相乘，即得三相電流給定信號 iA*、iB*、iC* 。圖中的交流PWM變壓變頻器須用電流控制，可以用帶電流