第6章-同步电动机调速系统-《电机运动控制系统》课件.ppt

1、第第6章章 同步电动机调速系统同步电动机调速系统6.1 同步电机控制基础同步电机控制基础6.2 同步电动机变频调速系统和稳态控制同步电动机变频调速系统和稳态控制6.3 可控励磁同步电动机数学模型可控励磁同步电动机数学模型6.4 可控励磁同步电动机按气隙磁场定向可控励磁同步电动机按气隙磁场定向 的矢量控制系统的矢量控制系统 6.5 自控式无换向器电机变频调速系统自控式无换向器电机变频调速系统6.6 永磁同步电动机调速控制系统永磁同步电动机调速控制系统6.1 同步电机控制基础同步电机控制基础6.1.1 同步电机原理和分类同步电机原理和分类 一一 同步电机工作原理同步电机工作原理 同步电机由电枢和励

2、磁二同步电机由电枢和励磁二部分组成，电枢在定子上，部分组成，电枢在定子上，与异步电机相同是三相绕组与异步电机相同是三相绕组 励磁在转子上，励磁由直励磁在转子上，励磁由直流绕组流绕组F或永久磁铁产生或永久磁铁产生 转子上一般还有短路的阻转子上一般还有短路的阻尼绕组尼绕组Dd和和Dq 定子磁势转子绕组或永久定子磁势转子绕组或永久磁铁产生励磁磁势磁铁产生励磁磁势和和合成产合成产生气隙磁势都以相同的同步生气隙磁势都以相同的同步角速度角速度旋转旋转pnf112 电动机状态定子绕组接交流电源，定子磁势与转子磁势电动机状态定子绕组接交流电源，定子磁势与转子磁势合成产生气隙磁势合成产生气隙磁势 气隙磁势与转子

3、磁势的作用气隙磁势与转子磁势的作用，对转对转子产生电磁转矩带动转子和负载旋转子产生电磁转矩带动转子和负载旋转 在发电机状态时，转子由原动机拖动，转子励磁领先气隙在发电机状态时，转子由原动机拖动，转子励磁领先气隙磁势磁势，将原动机机械功转化为电能输出将原动机机械功转化为电能输出。F电动机状态电动机状态发电机状态发电机状态 同步电机由磁场的互相牵引产生转动，磁场的旋转速度就同步电机由磁场的互相牵引产生转动，磁场的旋转速度就是电机的转速，在电动状态，转速与电源频率成正比，改变是电机的转速，在电动状态，转速与电源频率成正比，改变频率就可以调节转速；在发电状态，原动机的转速决定了发频率就可以调节转速；在

4、发电状态，原动机的转速决定了发电机的输出频率，原动机转速稳定，发电机输出频率也是稳电机的输出频率，原动机转速稳定，发电机输出频率也是稳定的定的。同步电机的转子一般有隐极和凸极两种，隐极式转子同同步电机的转子一般有隐极和凸极两种，隐极式转子同步电机气隙均匀，凸极式转子气隙不均匀，直轴方向磁阻步电机气隙均匀，凸极式转子气隙不均匀，直轴方向磁阻小，交轴方向磁阻大，使直轴电枢反应电抗和交轴电枢反小，交轴方向磁阻大，使直轴电枢反应电抗和交轴电枢反应电抗不相同应电抗不相同 同步电机转子上可能有补偿绕组和阻尼绕组，补偿绕组同步电机转子上可能有补偿绕组和阻尼绕组，补偿绕组用以补偿直轴电枢反应，阻尼绕组用于减小

5、同步电机的振荡。用以补偿直轴电枢反应，阻尼绕组用于减小同步电机的振荡。阻尼绕组是转子上安装的短路导体，相当于异步电动机的笼阻尼绕组是转子上安装的短路导体，相当于异步电动机的笼型转子，因此同步电动机起动方式之一是利用阻尼绕组，使型转子，因此同步电动机起动方式之一是利用阻尼绕组，使同步电动机先以异步方式起动，在接近同步转速后再接通转同步电动机先以异步方式起动，在接近同步转速后再接通转子励磁使电机牵入同步，在达到同步转速后阻尼绕组的感应子励磁使电机牵入同步，在达到同步转速后阻尼绕组的感应电流为电流为0，阻尼绕组失去作用，阻尼绕组失去作用。二二 同步电机分类同步电机分类1.可控励磁同步电机可控励磁同步

6、电机 2.永磁同步电机永磁同步电机（1）正弦波永磁同步电机）正弦波永磁同步电机 定子绕组与一般交流电动机相同定子绕组与一般交流电动机相同为三相分布式绕组，在输入三相正弦交流电时，每相产生磁为三相分布式绕组，在输入三相正弦交流电时，每相产生磁场为正弦波，故称之正弦波永磁同步电机，一般永磁同步电场为正弦波，故称之正弦波永磁同步电机，一般永磁同步电机（机（Permanent magnet synchronous,PMSM）即是指正弦波）即是指正弦波永磁同步电机永磁同步电机。（2）梯形波永磁同步电机）梯形波永磁同步电机 定子一般采用集中式绕组，输入定子一般采用集中式绕组，输入三相矩形波交流电时，各相产

7、生的磁场为梯形波，故谓之三相矩形波交流电时，各相产生的磁场为梯形波，故谓之梯形波永磁同步电机。梯形波永磁同步电机是从直流电机梯形波永磁同步电机。梯形波永磁同步电机是从直流电机演化而来，它将直流电机转子上的电枢放到定子上，不再演化而来，它将直流电机转子上的电枢放到定子上，不再需要直流电机的电刷和换向器，因此梯形波永磁同步电机需要直流电机的电刷和换向器，因此梯形波永磁同步电机一般都称为无刷直流电机（一般都称为无刷直流电机（Brushless DC motor,BLDM）。）。可以通过直流励磁电流调节可以通过直流励磁电流调节.转子为直流励磁绕组，励磁转子为直流励磁绕组，励磁6.1.2 同步电机基本方

8、程同步电机基本方程一一 电压方程电压方程sasEsjxrUI)(1dsNkfjE11144.4sUsI-功率因数角功率因数角与与 的夹角的夹角e内功率因数角内功率因数角sEsI与与 的夹角的夹角功率角功率角sEsU的夹角的夹角二二 同步电机电磁功率和电磁转矩同步电机电磁功率和电磁转矩1.电磁功率（功角特性）电磁功率（功角特性）（1）凸极式同步电动机电磁功率）凸极式同步电动机电磁功率2sin)11(21sin2dqsdsexxmUxmEUP（2）隐极式同步电动机电磁功率）隐极式同步电动机电磁功率气隙均匀直轴和交轴磁阻相同气隙均匀直轴和交轴磁阻相同1xxxqdsin1xmEUPse同步电动机电磁功

9、率都是同步电动机电磁功率都是 角的正弦函数角的正弦函数，功率角功率角2.电磁转矩（矩角特性）电磁转矩（矩角特性）凸极式同步机电磁转矩凸极式同步机电磁转矩2sin)11(21sin11dqsdssexxmUxUmET隐极式同步机电磁转矩隐极式同步机电磁转矩sinsin111emsseeTxUmEPT同步电机转矩都是同步电机转矩都是角的正弦函数，角的正弦函数，也称转矩角也称转矩角也称转矩角 6.1.3 同步电机特殊问题同步电机特殊问题失步和功率因数控制失步和功率因数控制一一 同步电机的稳定运行和失步同步电机的稳定运行和失步A和和B交点上都有交点上都有LeTT，A是电机稳定工作点，是电机稳定工作点，

10、B是不稳定工作点是不稳定工作点LTLT在在B点，如负载从点，如负载从增加到增加到，由于，由于B点点 LeTT 功率角增加，使功率角增加，使360180 电机转速将下降电机转速将下降，180B在在 区间转矩都小于区间转矩都小于LT 在在360180电机转矩为电机转矩为“-”，电机继续处于减速状态电机继续处于减速状态，在，在90360360进入电机稳定进入电机稳定A点稳定工作点稳定工作。运行区，电机将在运行区，电机将在如果负载转矩如果负载转矩emLTT 电机转速下降将使同步电动机进入电机转速下降将使同步电动机进入“失步失步”状态。在状态。在“失步失步”状态，状态，3600角反复在角反复在之间循环，

11、之间循环，和转向都随和转向都随 变化变化电机转矩的大小电机转矩的大小电机发生剧烈的机械振动和电流振荡电机发生剧烈的机械振动和电流振荡失步现象失步现象 同样情况也会发生在负载急剧变化的时候，这是需要避同样情况也会发生在负载急剧变化的时候，这是需要避免的。在同步电机变频调速没有实现前，同步电机主要使免的。在同步电机变频调速没有实现前，同步电机主要使用在负载比较稳定的场合，如大功率风机和水泵。用在负载比较稳定的场合，如大功率风机和水泵。二二 功率因数控制功率因数控制 在同步电动机一定工作在同步电动机一定工作状态，电机电源电压状态，电机电源电压sU和电枢阻抗和电枢阻抗)(1jxra不变，不变，功率角功

12、率角 是固定的是固定的在负载不变时同步在负载不变时同步使定子电势使定子电势 与与的相位是一定的的相位是一定的，调节，调节励磁使励磁使 增加，增加，与与 的相位角的相位角 增加，增加，即功率因数变化，强励即功率因数变化，强励磁下，功率因数从滞后磁下，功率因数从滞后变为超前变为超前sEsUsEsIsU三三 同步电动机的起动同步电动机的起动 同步电动机起动时，如果直接合闸接通定子三相和转子励同步电动机起动时，如果直接合闸接通定子三相和转子励磁，定子磁场即以同步速旋转，但是转子速度是从零开始，磁，定子磁场即以同步速旋转，但是转子速度是从零开始，使转子励磁与定子磁场转速不能同步，电动机功率角使转子励磁与

13、定子磁场转速不能同步，电动机功率角 在在3600之间重复变化之间重复变化，不能起动。因此同步电机起动时一般需要由不能起动。因此同步电机起动时一般需要由一周期中电机产生的平均转矩为一周期中电机产生的平均转矩为0，再接通电源将电机转速牵入同步再接通电源将电机转速牵入同步。将同步电动机带到接近同步速时，将同步电动机带到接近同步速时，同步电动机同步电动机同步电机与直流电机比较同步电机与直流电机比较 二者二者都有电枢绕组和直流励磁绕组都有电枢绕组和直流励磁绕组，其它动力（如异步电动机等）其它动力（如异步电动机等）电枢绕组流通的都是电枢绕组流通的都是交流电交流电，两种电机本质相同两种电机本质相同。同步电机

14、没有换向器，定子绕组直接连接交流电源，因此同步电机没有换向器，定子绕组直接连接交流电源，因此交流电源频率就决定了电机转速（电动机状态）交流电源频率就决定了电机转速（电动机状态）同步电机和异步电机同步电机和异步电机比较比较 同步电机和异步电机有相同的定子结构，转子结构不同同步电机和异步电机有相同的定子结构，转子结构不同异步电动机异步电动机转子电流由定子绕组磁场感应产生转子电流由定子绕组磁场感应产生，定子磁场旋转定子磁场旋转速度与转子转速不同（异步），异步电动机转矩是转差的函速度与转子转速不同（异步），异步电动机转矩是转差的函数，电机转速随转矩变化。同步电动机转矩是功率角的函数，数，电机转速随转矩

15、变化。同步电动机转矩是功率角的函数，加大功率角就可以提高转矩但是转速不变，二者相比，同步加大功率角就可以提高转矩但是转速不变，二者相比，同步电动机对转矩扰动有更强的承受能力。异步电动机低速时因电动机对转矩扰动有更强的承受能力。异步电动机低速时因为定子阻抗压降，磁通减小，低速性能较差，而同步电动机为定子阻抗压降，磁通减小，低速性能较差，而同步电动机有独立的励磁，励磁不受转速影响，转速为稳定的同步速，有独立的励磁，励磁不受转速影响，转速为稳定的同步速，因此同步电动机较异步电动机有更宽的调速范围和更好的调因此同步电动机较异步电动机有更宽的调速范围和更好的调速性能速性能。6.2 同步电动机变频调速系统

16、和稳态控制同步电动机变频调速系统和稳态控制 同步电动机变频调速系同步电动机变频调速系统主要由变频器和同步电统主要由变频器和同步电动机组成，同步电动机电动机组成，同步电动机电压和频率也需要和异步电压和频率也需要和异步电动机一样进行协调控制，动机一样进行协调控制，即即VVVF控制。异步电动机控制。异步电动机VVVF控制的目的是保持气隙磁通不控制的目的是保持气隙磁通不变，同步电动机励磁是独立控制的，没有异步电动机的保持磁变，同步电动机励磁是独立控制的，没有异步电动机的保持磁通不变问题，同步电动机通不变问题，同步电动机VVVF控制的目的是，在变频调速中控制的目的是，在变频调速中保持同步电动机的最大转矩

17、不变。保持同步电动机的最大转矩不变。)(4221121111fUfELmnnfLfUmExUmETssdppdssssem6.2.2 同步电动机变频调速系统的分类同步电动机变频调速系统的分类1.它控式变频同步电动机调速系统它控式变频同步电动机调速系统 独立控制变频器的输出频率和电压，独立控制变频器的输出频率和电压，SPWM调制的逆变器，调制的逆变器，调节调制波的频率和幅值，就可以调节逆变器输出频率和电压。调节调制波的频率和幅值，就可以调节逆变器输出频率和电压。它控式变频同步电动机调速系统可以用于单机控制或多机群控它控式变频同步电动机调速系统可以用于单机控制或多机群控2.自控式变频同步电动机调速

18、系统自控式变频同步电动机调速系统 变频器输出频率变频器输出频率由由同步机转子位置控制的系统，它通过转同步机转子位置控制的系统，它通过转子轴上连接的位置编码器子轴上连接的位置编码器BQ输出信号来控制变频器的输出频输出信号来控制变频器的输出频率率，变频器输出频率与转速严格保持同步，因变频器输出频率与转速严格保持同步，因 此自控式同步此自控式同步电动机变频调速系统没有一般同步电机的失步和振荡问题。电动机变频调速系统没有一般同步电机的失步和振荡问题。因为频率是自动控制的，调压就能调速使用方便。自控式同因为频率是自动控制的，调压就能调速使用方便。自控式同步电动机应用很多，采用永久磁铁的矩形波永磁同步电动

19、机步电动机应用很多，采用永久磁铁的矩形波永磁同步电动机，通称直流无刷电动机通称直流无刷电动机。6.3 可控励磁同步电动机数学模型可控励磁同步电动机数学模型6.3.1 同步电机磁链方程同步电机磁链方程凸极式同步电机在二相凸极式同步电机在二相dq旋转坐标系上的磁链方程旋转坐标系上的磁链方程DqDqsqmqDqDdDdfmdsdmdDdDdmdffsdmdfDqmqsqsqsqDdmdfmdsdsdsdiLiLiLILiLiLILiLiLiLiLILiLmqmdLLsqsdLLlDqlDdLLDqDdLL对隐极式同步电机对隐极式同步电机：，；,6.3.2 同步电机在二相旋转坐标系上的电压方程同步电机

20、在二相旋转坐标系上的电压方程sd1sqsqssqsq1sdsdssdpiRupiRu转子励磁绕组和阻尼绕组在转子励磁绕组和阻尼绕组在dq坐标系上的电压方程坐标系上的电压方程DqDqDDdDdDffffpiRpiRpIRU00定子定子电压方程电压方程因为转子绕组定义在因为转子绕组定义在dq坐标系上，坐标系上，且随且随dq坐标系同步旋转，坐标系同步旋转，因此因此转子电压方程没有定子电压方程转子电压方程没有定子电压方程中的旋转电动势项，因为阻尼绕中的旋转电动势项，因为阻尼绕组是短路的，其电压组是短路的，其电压为为0凸极同步电机的电压方程凸极同步电机的电压方程（矩阵式）（矩阵式）DqDdfsqsdDq

21、DqmdDdDdmdmdmdffmdmdmdmdsqssdmqmdmdsqsdsfsqsdiiIiipLRpLpLRpLpLpLpLRpLpLLLpLRLLpLpLLpLRUuu000000000111116.3.3 同步电机转矩方程同步电机转矩方程)()()()()(sdDqmqsqDdmdpsqsdmqmdpsqfmdpsdDqmqsqDdmdpsqsdsqsdpsqfmdpsdsqsqsdpeiiLiiLniiLLniILniiLiiLniiLLniILniinT 6.4 可控励磁同步电动机按气隙磁场定向的可控励磁同步电动机按气隙磁场定向的矢量控制系统矢量控制系统 同步电动机气隙同步电动

22、机气隙磁场是转子励磁和定磁场是转子励磁和定子电枢磁场的合成，子电枢磁场的合成，转子励磁由励磁电流转子励磁由励磁电流控制是可确定的，而控制是可确定的，而定子电枢磁场受定子定子电枢磁场受定子电流影响，定子电流电流影响，定子电流与负载有关，因此气与负载有关，因此气隙磁场要通过定子电隙磁场要通过定子电流控制。流控制。6.4.1 气隙磁场定向和转矩控制气隙磁场定向和转矩控制 一一 气隙磁场定向气隙磁场定向s同步电动机矢量关系同步电动机矢量关系（不考虑阻尼绕组）（不考虑阻尼绕组）气隙磁链气隙磁链、励磁磁链励磁磁链 f 定子磁链定子磁链siifi1电流电流、都是空间旋转矢量，它们的都是空间旋转矢量，它们的旋

23、转速度都为旋转速度都为 f图中建立了两个旋转直角坐标系，其中图中建立了两个旋转直角坐标系，其中dq坐标系的坐标系的d轴与转子励轴与转子励磁磁方向重合，方向重合，MT坐标系的坐标系的M轴与气隙磁链轴与气隙磁链即按气隙磁链即按气隙磁链 方向定向。方向定向。方向重合，方向重合，三相静止坐标系三相静止坐标系A轴的位置轴的位置d可以通过转子位置检测器可以通过转子位置检测器，准确检测准确检测01dtd0t=0时转子初始位置时转子初始位置 二二 按气隙磁链定向的同步电机转矩按气隙磁链定向的同步电机转矩按气隙磁链定向，气隙磁链按气隙磁链定向，气隙磁链在在M轴上磁链轴上磁链 m在在T轴上分量轴上分量0t 0ft

24、mdstmdtfmmdsmmdmdmiLiLiLiLiL0ftsttmdfmsmmIiiLiIii不考虑阻尼绕组，按气隙磁链定向的同步电机转矩不考虑阻尼绕组，按气隙磁链定向的同步电机转矩ftpstpeininT6.4.2 按气隙磁场定向的可控励磁按气隙磁场定向的可控励磁 同步电动机矢量控制系统同步电动机矢量控制系统电流控制型变频器供电，电机励磁由转子可控整流器控制，位电流控制型变频器供电，电机励磁由转子可控整流器控制，位置检测器置检测器BQ和转速检测器和转速检测器FBS。转速和电流的双闭环控制，气隙磁链的开环控制转速和电流的双闭环控制，气隙磁链的开环控制一一 转子励磁控制转子励磁控制气隙磁通给

25、定环节根据转速确定气隙磁通给定值气隙磁通给定环节根据转速确定气隙磁通给定值由式由式6.14计算气隙磁链电流给定值计算气隙磁链电流给定值mdLI气隙电流励磁分量气隙电流励磁分量smfmIII 转子励磁调节器转子励磁调节器AFR根据根据励磁偏差励磁偏差偏差经励磁调节器偏差经励磁调节器AFR得得到励磁整流器的控制信号，通过整流器控制励磁电流到励磁整流器的控制信号，通过整流器控制励磁电流二二 按气隙磁链定向的转矩和定子电流控制按气隙磁链定向的转矩和定子电流控制 转速调节器转速调节器ASR根据转速根据转速偏差偏差产生转矩控制信号产生转矩控制信号，并由式并由式6.15计算定子电流转矩分量计算定子电流转矩分

26、量。定子电流的励磁分量采用给定方定子电流的励磁分量采用给定方式。经式。经2r/3s变换得到三相定子电流的给定值变换得到三相定子电流的给定值，定向角定向角dm三相电流的频率和相位随三相电流的频率和相位随 变化，变化，在负载使在负载使m转速出现波动时转速出现波动时ASR输出的转矩信号输出的转矩信号变化，变化，通过调节定子电流通过调节定子电流的转矩分量调节功率角的转矩分量调节功率角，控制定子电流保持转速不变。控制定子电流保持转速不变。三三 定子电流励磁分量和功率因数定子电流励磁分量和功率因数 采用交直交变频器时，采用交直交变频器时，不控整流器阻断了无功不控整流器阻断了无功的通路，整流器网侧无的通路，

27、整流器网侧无功不能控制，电动机的功不能控制，电动机的无功由变频器中间直流无功由变频器中间直流环节的大电容缓冲；当环节的大电容缓冲；当使用双使用双PWM变频器时，变频器时，网侧无功受网侧网侧无功受网侧PWM整整流器控制，两者网侧流器控制，两者网侧1cos0*smI功率因数都与电机功率因数无关，因此选择电机功率因功率因数都与电机功率因数无关，因此选择电机功率因数数 ，可取，可取定子电流在定子电流在M轴上的励磁分量轴上的励磁分量为为0，定子电流定子电流 中只含转矩分中只含转矩分量量，控制定子电流就控制了电机的转矩控制定子电流就控制了电机的转矩。6.5 自控式无换向器电机变频调速系统自控式无换向器电机

28、变频调速系统6.5.1 无换向器电机原理无换向器电机原理晶闸管整流器晶闸管整流器,逆变器逆变器,电感电感Ld用于平滑直流环节电流用于平滑直流环节电流Id和缓冲电动机无功。和缓冲电动机无功。晶闸管逆变器一般采用晶闸管逆变器一般采用120导通型导通型 提供三相方波电流提供三相方波电流为电动机为电动机 通过通过调节调节可控整流器可控整流器电压可调节直流环节电电压可调节直流环节电流，从而调节三相方波流，从而调节三相方波电流的幅值电流的幅值。晶闸管触发信号由电晶闸管触发信号由电动机轴上的转子位置动机轴上的转子位置检测器检测器BQ产生，对于一对极电机，转子每旋转一周位置检测产生，对于一对极电机，转子每旋转

29、一周位置检测器发出器发出6个脉冲信号，依次触发个脉冲信号，依次触发6个晶闸管个晶闸管与转速成正比，即逆变器输出频率与同步电动机转速成正比，与转速成正比，即逆变器输出频率与同步电动机转速成正比，逆变器输出频率受电机转速控制逆变器输出频率受电机转速控制，晶闸管触发周期晶闸管触发周期6.5.2 晶闸管逆变器的换流方式晶闸管逆变器的换流方式利用同步电动机定子绕组的三相感应电势为晶闸管提供关断利用同步电动机定子绕组的三相感应电势为晶闸管提供关断条件条件负载换流方式负载换流方式。定子绕组感应电动势定子绕组感应电动势1tBAee VT3受正向电压，触发受正向电压，触发VT3，VT3将导通。将导通。VT3导通

30、后形成导通后形成VT1导通时导通时BAeVTVTe31回路并产生环流回路并产生环流 ,hihi抵消了抵消了VT1的正向电流的正向电流dI使使VT1电流下降为电流下降为0而关断而关断 VT1和和VT3的换流必须在的换流必须在K点之前完成，并留有一定余量，点之前完成，并留有一定余量，VT3触发要领先触发要领先K点点换流重叠角换流重叠角 同步电动机转速较低时，定子绕组感应电势很小，换流时同步电动机转速较低时，定子绕组感应电势很小，换流时产生的环流不足以抵消晶闸管正向电流产生的环流不足以抵消晶闸管正向电流而关断而关断 一般采用电流断续换流的方法，使逆变器晶闸管在一般采用电流断续换流的方法，使逆变器晶闸

31、管在 状态下换流状态下换流，在需要换流时，先控制晶闸管整流器工作于逆在需要换流时，先控制晶闸管整流器工作于逆变状态呈下降趋势，电感感应电势方向变为右变状态呈下降趋势，电感感应电势方向变为右“+”左左“-”，这时触发这时触发VT0导通，导通，使电感电流使电感电流Id经经VT0续流，续流，逆变器直流侧逆变器直流侧输入电流为输入电流为0，如此逆变器晶闸管可以零电流状态换流，如此逆变器晶闸管可以零电流状态换流0dI6.5.3 无换向器电机调速系统无换向器电机调速系统转速调节器转速调节器ASR,电流调节器电流调节器ACR和触发器和触发器CF1组成整流器控组成整流器控制通道，根据转速偏差控制整流器输出电压

32、调节转速制通道，根据转速偏差控制整流器输出电压调节转速。逆变器晶闸管由转子位置检测器逆变器晶闸管由转子位置检测器BQ经触发器经触发器CF2产生脉冲触发。产生脉冲触发。6.6 永磁同步电动机调速控制系统永磁同步电动机调速控制系统永磁同步电动机转子励磁是永久磁钢，与可控励磁相比不需永磁同步电动机转子励磁是永久磁钢，与可控励磁相比不需要励磁控制装置，结构较简单要励磁控制装置，结构较简单(a)套筒型 (b)瓦片型 (c)嵌入型 (d)内埋型正弦波永磁同步电动机（常称永磁同步电动机）正弦波永磁同步电动机（常称永磁同步电动机）梯形波永磁同步电动机（常称无刷直流电动机）梯形波永磁同步电动机（常称无刷直流电动

33、机）通以三相正弦电流时产生圆形旋转磁场，转矩脉动较小通以三相正弦电流时产生圆形旋转磁场，转矩脉动较小 通以三相矩形波电流时产生六边型旋转磁场，转矩通以三相矩形波电流时产生六边型旋转磁场，转矩脉动较大，但是成本较低控制较为简单脉动较大，但是成本较低控制较为简单6.6.1 永磁同步电动机动态数学模型永磁同步电动机动态数学模型在二相在二相dq坐标系上定子磁链方程坐标系上定子磁链方程sqsqsqrsdsdsdiLiL电压方程：电压方程：r11sqssq1sdssdsdsdsqsqsqsqsdsdiLpiLiRuiLpiLiRu转矩方程转矩方程)()(sqsdsqsdsqrpsdsqsqsdpeiiLL

34、iniinT6.6.2 永磁同步电动机按转子位置定向永磁同步电动机按转子位置定向矢量控制系统矢量控制系统d 正弦波永磁同步电动机（正弦波永磁同步电动机（PMSM）矢量控制一般都采用按转）矢量控制一般都采用按转子磁链定向的方法，因为转子位置用光电编码器可以方便地检子磁链定向的方法，因为转子位置用光电编码器可以方便地检测测 设定定子电流的励磁分量设定定子电流的励磁分量0sdi由转速调节器由转速调节器ASR产生定子电流的转矩分量产生定子电流的转矩分量sqi定子电流的转矩分量和励磁分量经过电流调节器和定子电流的转矩分量和励磁分量经过电流调节器和2s/3s变换变换得到三相电压给定值得到三相电压给定值，经

35、变频器控制永磁同步电动机的定子三经变频器控制永磁同步电动机的定子三相电压。相电压。三相电压频率三相电压频率 受转子位置受转子位置 控制控制1d0dtnpd因此电压频率与转速同步，属于自控式变频同步电动机调速。因此电压频率与转速同步，属于自控式变频同步电动机调速。6.6.3永磁同步电动机矢量控制系统仿真永磁同步电动机矢量控制系统仿真isq*isdisqis0udthetan*nisdq0isd*0is0*iabcdq0sin_cosabcdq0_to_abcabcsin_cosdq0abc_to_dq0Transformationv+-gABC+-Universal BridgeTe*TeTmm

36、ABCPermanent MagnetSynchronous MachineSignal(s)PulsesPWM GeneratorG3Gain3G2Gain2G1Gain130/piGainDemuxDC In1Out1ASRIn1Out1ACR-qIn1Out1ACR-dIn1Out1ACR-0cos sin 永磁同步电动机按转子位置定向矢量控制系统仿真模型永磁同步电动机按转子位置定向矢量控制系统仿真模型00.050.10.150.20.250.3050010001500200025003000t/sn/rpm00.050.10.150.20.250.3-60-40-200204060t/

37、sia/A(a)转速 (d)A相电流00.050.10.150.20.250.3-60-40-200204060t/sisd,isq/Aisdisq00.050.10.150.20.250.3-60-40-200204060t/sib/A(b)电流dq轴分量 (e)B相电流空载起动，在空载起动，在0.05秒时电机加载秒时电机加载4N.m0.15秒时转速调整为秒时转速调整为1000rpm6.6.4 无刷直流电动机调速系统无刷直流电动机调速系统 120120 主电路一般采用不控整流和主电路一般采用不控整流和PWM逆变器，逆变器输出电压逆变器，逆变器输出电压为宽为宽的方波，在方波的的方波，在方波的范

38、围内进行范围内进行PWM斩波控制斩波控制 调节调节PWM占空比调节逆变器输出电压，从而调节电动机转速占空比调节逆变器输出电压，从而调节电动机转速转速电流的双闭环控制转速电流的双闭环控制，PWM根据根据ACR输出信号调节脉冲输出信号调节脉冲占空比占空比6.6.5无刷直流电动机调速系统仿真无刷直流电动机调速系统仿真uabthetapulse2npn*nicibiaecebeathetampulsegatecontrollerv+-gABC+-Universal BridgeTeTLTLTmmABCPermanent MagnetSynchronous MachineSignal(s)PulsesP

39、WM GeneratorG1Gain130/piGainDCBusSelectorIn1uc*ASR无刷直流电动机调速系统模型无刷直流电动机调速系统模型1gaten1Scope4Scope3Scope2Scope1floorRoundingFunction=RelationalOperator5=ANDANDANDANDANDAND1/(2*pi)Gain2u(2)-u(1)*2*pi12*piConstant55*pi/3Constant44*pi/3Constant3piConstant22*pi/3Constant1pi/3Constant2pulse1thetam Controller

40、模块结构模块结构00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.505001000150020002500t/sn/rpm0.30.310.320.330.340.350.360.370.380.390.4-6-4-20246t/sia/A(a)转速响应 (d)A相电流00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5-202468t/sTe/N.m0.30.310.320.330.340.350.360.370.380.390.4-6-4-20246t/sib/A(b)转矩响应 (e)B相电流0.30.310.320.330.340.350.360

41、.370.380.390.4-50050t/sea/V0.30.310.320.330.340.350.360.370.380.390.4-6-4-20246t/sic/A(c)A相绕组感应电动势 (f)c相电流 本章小结本章小结 同步电动机变频调速系统转速稳定，调速范围宽，自控式同步电动机变频调速系统转速稳定，调速范围宽，自控式变频调速，变频器频率受转子位置控制可以减小和避免振荡和变频调速，变频器频率受转子位置控制可以减小和避免振荡和失步问题，但是转速检测和转子定位的精度对同步电动机工作失步问题，但是转速检测和转子定位的精度对同步电动机工作有很大影响。有很大影响。起动是同步电动机的特殊问题，

42、除带阻尼绕组起动是同步电动机的特殊问题，除带阻尼绕组的同步电动机可以用异步方式起动外，一般需要外加的起动装的同步电动机可以用异步方式起动外，一般需要外加的起动装置，小功率同步电动机在空载下也可以低速起动。对自控式变置，小功率同步电动机在空载下也可以低速起动。对自控式变频调速要求在零速时也能产生驱动信号，静止时转子位置的检频调速要求在零速时也能产生驱动信号，静止时转子位置的检测也是位置传感器研究的课题。测也是位置传感器研究的课题。转子位置检测常用的方法是在轴上安装光电编码器，近年转子位置检测常用的方法是在轴上安装光电编码器，近年来无位置传感器技术有很大发展，如直接计算法，高频注入来无位置传感器技术有很大发展，如直接计算法，高频注入法等法等，同步电动机变压变频调速都使用电力电子变频器，大功率同步电动机变压变频调速都使用电力电子变频器，大功率系统可以使用交交变频器，高压大功率系统可以使用多电平系统可以使用交交变频器，高压大功率系统可以使用多电平逆变器，中小功率系统使用逆变器，中小功率系统使用PWM变频器较多。变频器较多。