同步电动机变压变频调速系统课件

1、同步电动机变压变频调速系统运动控制系统运动控制系统第第6章章同步电动机变压变频同步电动机变压变频调速系统调速系统同步电动机变压变频调速系统概述概述n同步电动机直接投入电网运行时，存在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，曾一直制约着同失步与起动两大问题，曾一直制约着同步电动机的应用。同步电动机的转速恒步电动机的应用。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等于同步转速，所以同步电动机的调速只能是变频调速。只能是变频调速。同步电动机变压变频调速系统概述概述n变频调速的发展与成熟不仅实现了同步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，同时也解决了失步电动机的调

2、速问题，同时也解决了失步与起动问题，使之不再是限制同步电动与起动问题，使之不再是限制同步电动机运行的障碍。机运行的障碍。n同步电动机的调速可分为自控式和他控同步电动机的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。同步电动机变压变频调速系统内容提要内容提要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同步电动机变压变频调速系统 6.1同步电动机的基本特征与同步

3、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同步电动机变压变频调速系统 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子电源频率有确定的关系ppnnfn26060111（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 。同步电动机变压变频调速系统同步电动机的特点同步电动机的特点2.

4、 同步电动机除定子磁动势外，在转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，或者靠子侧还有独立的直流励磁，或者靠永久磁钢励磁。永久磁钢励磁。3. 同步电动机转子除直流励磁绕组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（或永久磁钢）外，还可能有自身短路的阻尼绕组。短路的阻尼绕组。同步电动机变压变频调速系统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，同步电动机则有隐极与凸极之分，隐极式电机气隙均匀，凸极式则不隐极式电机气隙均匀，凸极式则不均匀，磁极直轴的磁阻小，极间的均匀，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，交轴磁阻大，两轴的电

5、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。同步电动机变压变频调速系统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

6、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。同步电动机变压变频调速系统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

7、制成，无需直流励磁。成，无需直流励磁。 同步电动机变压变频调速系统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

8、可靠。同步电动机变压变频调速系统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）。）。同步电动机变压变频调速系统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

9、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）。）。同步电动机变压变频调速系统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

10、前）cos31ssMIUPP（6-2） 同步电动机变压变频调速系统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 sinsin3coscos3)cos(3cos31UIUIUIUIPPM将将sincoscossinssqqsssddssqssdUIxUEIxIIII同步电动机变压变频调速系统永磁同步电动机电磁功率永磁同步电动机电磁功率（6-4） 2sin2)(3sin3sincos) 11(3sin3sin)cos(3cossin3sin3cos3sinsin3coscos322qdqdsdssdqsdssdsssqssdssqssssssMxxxxUxEUxxUxEUxUEUxUUIU

11、IUIUIUP同步电动机变压变频调速系统电磁转矩电磁转矩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2sin2)(3sin32qdmqdsdmssexxxxUxEUT（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。同步电动机变压变频调速系统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。sUsE同步电动机

12、变压变频调速系统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， cqdxxx故隐极同步电动机电磁功率故隐极同步电动机电磁功率 sin30dsMxEUP（6-6） 电磁转矩电磁转矩sin30dmsexEUT （6-7） 同步电动机变压变频调速系统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2dmsexEUT0max3（6-8） 同步电动机变压变频调速系统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

13、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。同步电动机变压变频调速系统在在 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，2012011eT1LT111sin3dmssLexEUTT同步电动机变压变频调速系统在在 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，202LT222eT2LT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。222sin3dmssL

14、exEUTT同步电动机变压变频调速系统在在 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。2012011eT1LT图图6-3 在在20隐极同步电动机的矩角特性隐极同步电动机的矩角特性的范围内，的范围内，同步电动机变压变频调速系统在在 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，23323eT3LT333sin3dmssLexEUTT同步电动机变压变频调

15、速系统在在 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”。24LT4eT同步电动机变压变频调速系统在在 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。222图图6-4 在在隐极同步电动机的矩角特性隐极同步电动机的矩角特性的范围内，的范围内，同步电动机变压变频调速系统6.1.5 同步电动机的起动同步电动机的起动n

16、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sFpnn50601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。 00eT同步电动机变压变频调速系统同步电动机的起动同步电动机的起动n当当 时，电磁转时，电磁转矩矩 ，产生，产生制动作用，制动作用，角以角以2为周为周期变化，电磁期变化，电磁转矩呈正弦规转矩呈正弦规律变化，如图律变化，如图6-5所示。所示。20eT图6-5 同

17、步电动机在工频电源下起动转矩同步电动机变压变频调速系统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零，0eavT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 。同步电动机变压变频调速系统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

18、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。 pnfnn1160（6-9） 同步电动机变压变频调速系统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） mNssSkNfU44. 41同步电

19、动机变压变频调速系统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。同步电动机变压变频调速系统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

20、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。同步电动机变压变频调速系统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转速开环恒压频比控制的同步电动机群转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速系统调速系统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同步电动机变压变频调速系统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所示是转速开环恒压频比控制的同所示是转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速

21、系统。步电动机群调速系统。n多台永磁或磁阻同步电动机并联接在公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共的变频器上，由统一的频率给定信号同时调节各台电动机的转速。同时调节各台电动机的转速。同步电动机变压变频调速系统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这种开环调速系这种开环调速系统存在一个明显统存在一个明显的缺点，就是转的缺点，就是转子振荡和失步问子振荡和失步问题并未解决，因题并未解决，因此各台同步电动此各台同步电动机的负载不能太机的负载不能太大。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

22、速系统同步电动机变压变频调速系统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大功率的同大功率的同步电动机转步电动机转子上一般都子上一般都具有励磁绕具有励磁绕组，通过滑组，通过滑环由直流励环由直流励磁电源供电。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同步电动机变压变频调速系统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大功率的同步电动机采用变频调速，在大功率的同步电动机采用变频调速，在起动过程中，同步电动机定子电源频率起动过程中，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按斜坡规律变化，将动态转差限制在允许

23、的范围内，以保证同步电动机顺利起许的范围内，以保证同步电动机顺利起动。动。n在运行过程中，采用频率或转速的闭环在运行过程中，采用频率或转速的闭环控制，及时调整同步电动机定子电源频控制，及时调整同步电动机定子电源频率，将矩角限制在率，将矩角限制在 的范围内，有效的范围内，有效地抑制了失步现象。地抑制了失步现象。20同步电动机变压变频调速系统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控制方案可以是恒压频比控制，也可以控制方案可以是恒压频比控制，也可以是矢量控制。大功率的同步电动机一般是矢量控制。大功率的同步电动机一般采用转速闭环控制，除了转速闭环控制采用转速闭环控制，除了转速闭环控制外，还

24、带有电枢（定子）电流和励磁外，还带有电枢（定子）电流和励磁（转子）电流的闭环控制。（转子）电流的闭环控制。n图图6-7绘出了这种系统的结构图，系统控绘出了这种系统的结构图，系统控制器包括转速调节、定子电流和励磁电制器包括转速调节、定子电流和励磁电流控制。流控制。同步电动机变压变频调速系统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他控变频同步电动机调速系统变频器的他控变频同步电动机调速系统变频器的输出频率与转子位置无直接的关系，若输出频率与转子位置无直接的关系，若控制不当，仍然会造成失步。控制不当，仍然会造成失步。n如果能根据转子位置直接控制变频装置如果能根据转子位置直接控

25、制变频装置的输出电压或电流的相位，使矩角小于的输出电压或电流的相位，使矩角小于90，就能从根本上杜绝失步现象，这，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。就是自控变频同步电动机的初衷。同步电动机变压变频调速系统6.3.1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的特点是在电动机自控变频同步电动机的特点是在电动机轴端装有一台转子位置检测器轴端装有一台转子位置检测器BQ，由它，由它发出的转子位置信号控制变频装置，保发出的转子位置信号控制变频装置，保证转子转速与供电频率同步。证转子转速与供电频率同步。n由式（由式（6-10）可知，在基频以下调速时，）可知，在基频以下调

26、速时，需要电压频率协调控制。因此，除了变需要电压频率协调控制。因此，除了变频器频器UI外，还需要一套调压装置，为变外，还需要一套调压装置，为变频器提供可调的直流电源。频器提供可调的直流电源。同步电动机变压变频调速系统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 同步电动机变压变频调速系统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共有自控变频同步电动机共有4个部分组成：个部分组成：同步电动机同步电动机MS，与电动机同轴安装的转，与电动机同轴安装的转子位置检测器子位置检测器BQ，逆变器，逆变器UI和变频

27、控制和变频控制器。器。n由转子位置检测器发出的信号控制逆变由转子位置检测器发出的信号控制逆变器器UI输出电压或电流的频率及相位，使输出电压或电流的频率及相位，使电源频率与转速同步，可控整流器则完电源频率与转速同步，可控整流器则完成调压的功能。成调压的功能。同步电动机变压变频调速系统自控变频同步电动机自控变频同步电动机n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，逆变器逆变器UI的输出频率自动跟踪转速。虽的输出频率自动跟踪转速。虽然在表面上只控制了电压，实际上也自然在表面上只控制了电压，实际上也自动地控制了频率，故仍属于同步电动机动地控制了频率，故仍属于同步电动机的变

28、压变频调速。的变压变频调速。同步电动机变压变频调速系统自控变频同步电动机自控变频同步电动机n从电动机本身看，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步电动机，可以是永磁式的，是一台同步电动机，可以是永磁式的，容量大时也可以用励磁式的。但是如果容量大时也可以用励磁式的。但是如果把它和逆变器把它和逆变器UI、转子位置检测器、转子位置检测器BQ合合起来看，就象是一台直流电动机。从外起来看，就象是一台直流电动机。从外部看来，改变直流电压，就可实现调速，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。相当于直流电动机的调压调速。 同步电动机变压变频调速系统自控变频同步

29、电动机自控变频同步电动机n早期的自控变频同步电动机中的逆变器早期的自控变频同步电动机中的逆变器完成变频功能，而调压则由可控整流器完成变频功能，而调压则由可控整流器来完成，需要两套可控功率单元。来完成，需要两套可控功率单元。n现常用现常用PWM变频器取代原来的逆变器，变频器取代原来的逆变器，既完成变频功能，又实现调压，用不可既完成变频功能，又实现调压，用不可控整流器代替原来的控制整流，或直接控整流器代替原来的控制整流，或直接由直流母线供电，系统结构简单，只需由直流母线供电，系统结构简单，只需一套控制器。一套控制器。同步电动机变压变频调速系统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

30、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同步电动机变压变频调速系统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自控变频同步电动机因其核心部件的不同，略有差异：同，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。于带直流励磁的同步电动机。同步电动机变压变频调速系统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

31、为核心，构成的自弦波永磁同步电动机为核心，构成的自控变频同步电动机。正弦波永磁同步电控变频同步电动机。正弦波永磁同步电动机是指当输入三相正弦波电流、气隙动机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磁场为正弦分布，磁极采用永磁材料的同步电动机。同步电动机。同步电动机变压变频调速系统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，由于输为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，入方波电流，气隙磁场

32、呈梯形波分布，性能更接近于直流电动机，但没有电刷，性能更接近于直流电动机，但没有电刷，故称无刷直流电动机。故称无刷直流电动机。同步电动机变压变频调速系统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同步电动机变压变频调速系统

33、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同步电动机变压变频调速系统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，并三相桥式晶闸管可控整流电路相同，并按直流按直流PWM的方法对的方波进行调制，的方法对的方波进行调制，同时完成变压变频功能。同时完成变压变频功能。

34、同步电动机变压变频调速系统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同步电动机变压变频调速系统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

35、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同步电动机变压变频调速系统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

36、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同步电动机变压变频调速系统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 CBACBAsmmmsmmmsCBAsssCBAeeeiiidtdLLLLLLLLLiiiRRRuuu000000（6-11） 同步电动机变压变频调速系统梯形波永磁同步电动机的电压方梯形波永磁同步电

37、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） CBACBAmsmsmsCBAsssCBAeeeiiidtdLLLLLLiiiRRRuuu0000000000000CBAiii则则 同步电动机变压变频调速系统电磁转矩电磁转矩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pIpEpp

38、mIEP2pppppppmmmeInIEnnPPT22/（6-13） 同步电动机变压变频调速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。同步电动机变压变频调速系统梯形

39、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。 同步电动机变压变频调速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

40、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ApmspsBAedtdILLIRuu2)(22(6-14) 同步电动机变压变频调速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的调速n由于由于(6-15) dBAUuu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AdpmspseUdtdILLIR2)(22同步电动机变压变频调速系统状态方程状态方程状态方程状态方程)(2)(1msdmsAplpLLULLeITdtdI(6-16) 其中，其中，smslRLLT同步电动机

41、变压变频调速系统状态方程状态方程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eBAkeepepBBAApeIknieienT2)()(LepTTJndtd(6-17) (6-18) (6-19) 同步电动机变压变频调速系统状态方程状态方程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) )(2)(122msdmseplpLppepLLULLkITdtdITJnIkJndtd同步电动机变压变频调速系统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同步电动机变压变频调速系统6.4 同步电动机矢量控制系统同步电动机

42、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。同步电动机变压变频调速系统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

43、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。同步电动机变压变频调速系统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

44、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。同步电动机变压变频调速系统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同步电动机变压变频调速

45、系统电压方程电压方程 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dtdiRudtdiRudtdiRuCCsCBBsBAAsAdtdiRdtdiRdtdIRUrqrqrqrdrdrdffff00(6-22) (6-21) 同步电动机变压变频调速系统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二相旋转坐标二相旋转坐标系系 sdsqsqssqsqsdsdssddtdiRudtdiRu(6-23) 同步电动机变压变频调速系统

46、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 rqrqsqmqrqrdrdfmdsdmdrdrdmdffsdmdfrqmqsqsqsqrdmdfmdsdsdsdiLiLiLILiLiLILiLiLiLiLILiL(6-24) 同步电动机变压变频调速系统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)(sdsqsqsdpeiinTLpsdsqsqsdpLepTJniiJnTTJndtd)()(2(6-26) (6-25) 同步电动机变压变频调速系统转矩方程转矩方程n把式（把式（6-24）中的）中的

47、 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dd)()(sdrqmqsqrdmdpsqsdsqsdpsqfmdpeiiLiiLniiLLniILnT(6-27) 同步电动机变压变频调速系统转矩分析转矩分析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

48、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。同步电动机变压变频调速系统转矩分析转矩分析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。同步电动机变压变频调速系统同步电动

49、机的电压矩阵方程式同步电动机的电压矩阵方程式rqrdfsqsdrqmqrdmdmdmdfmdmqsqmdmdsdrqrdfsqsdrqrdfmdmdssdmqsqsfsqsdiiIiidtdLLLLLLLLLLLLLiiIiiRRRLLRLLLRUuu00000000000000000000000000000(6-28) 同步电动机变压变频调速系统运动方程运动方程 LpsdrqmqsqrdmdsqsdsqsdsqfmdpLepTJniiLiiLiiLLiILJnTTJndtd)()()(2(6-29) 同步电动机变压变频调速系统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

50、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。同步电动机变压变频调速系统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ssqsdLLLmmqmdLLL同步电动机变压变频调速系统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fsqs

51、dfmsmsfsqsdfmssssfsqsdIiidtdLLLLLIiiRLRLoLRUuu000000LpsqfmpLepTJniILJnTTJndtd2)(6-30) (6-31) 同步电动机变压变频调速系统隐极式同步电动机的状态方程 fmfsssdmfsmfmfsfssqmfsmfsdmfssmfsqsfsmsqsssdsqfmfsmsdmfsffmfsfmsqmfssfsdmfssfsdLpsqfmpLepULLLLuLLLLILLLRLiLLLLLiLLLRLdtdIuLILLiLRidtdiULLLLuLLLLILLLRLiLLLLLiLLLRLdtdiTJniILJnTTJndt

52、d222222222221)(6-32) 同步电动机变压变频调速系统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。 同步电动机变压变频调速系统6.4.

53、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。smistifmifIsifti同步电动机变压变频调速系统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

54、间矢量图可控励磁同步电动机空间矢量图同步电动机变压变频调速系统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sqsdstsmiiiicossinsincos0cossinsincosfftfmIii(6-37) (6-36) 同步电动机变压变频调速系统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， 0cossinsincosgmftmstmfmmsmmgqgdgtgmiLiLiLiLiL由此导出由此导出fts

55、tfmsmgiiiii(6-38) (6-39) 同步电动机变压变频调速系统逆变换逆变换n逆变换分别为逆变换分别为 stsmsqsdiiiicossinsincosgtgmgqgdcossinsincos(6-41) (6-40) 同步电动机变压变频调速系统电磁转矩电磁转矩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ftgmpstgmpeininT(6-42) 同步电动机变压变频调速系统电磁转矩电磁转矩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

56、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。同步电动机变压变频调速系统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gmfmsmgiii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

57、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。smi1cos 90s0smismi同步电动机变压变频调速系统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 22stsmsiiismstsiitg122ftfmfiiIfmstfmftiitgiitg11(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。fti同步电动机变压变频调速系统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dtr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sr(6-47) 同步电动机变压变频