同步电机原理全解课件

1、第五章 同步电机数学模型5.1 同步电机的基本结构和特点5.2 同步电机的一般方程式 5.3 d.q坐标下的同步电机方程5.4 转子磁场定向控制的同步电机数学模型 5.5 永磁同步电动机（PMSM）的模型5.6 气隙磁场定向控制的同步电机数学模型 5.1 同步电机的基本结构和特点同步电机由定子和转子组成。定子结构和异步电机定子结构基本相同，由定子铁芯、三相对称绕组、以及机座构成。 转子按其磁极形状可分为凸极式和隐极式两种。 基本结构和特点（2）同步电机转子：磁极铁芯，磁极绕组等组成。中大容量同步电机的励磁绕组由直流励磁绕组供电，一般做成无刷励磁系统。小容量同步电机转子常用永久磁铁励磁（永磁同步

2、机），其磁场可视为恒定。 基本结构和特点（3）凸极式转子：有明显磁极、气隙不均匀，造成直轴磁阻小，与之垂直的交轴磁阻大，两轴电感不等。 凸极转子的磁极极靴上一般装有阻尼绕组，其作用：恒频下运行时，用于起动，和抑制重载时容易发生的振震； 变频运行时，抑制变频器引起的谐波和负序分量；减小同步电动机的暂态电流，加速动态响应。基本结构和特点（4）在调速系统中采用同步电机有以下特点：1同步电机的转速与电源的基本频率之间保持着同步关系 转速精确控制。2同步电机比异步电机对负载（转矩）扰动具有更强的承受能力，能作出较快反应。3同步电机转子有励磁，即使在极低的频率下也能运行，调速范围宽。而异步电机：转子电流靠

3、电磁感应产生，频率极低时，难以很好励磁。4同步电机的功率因数：调节转子励磁，调节电机电流功率因数。=1损耗小 超前负载换流5.2 同步电机的一般方程式先作如下假定（1）电机铁芯的导磁系数为无穷大，不考虑磁滞、涡流影响，并且磁路不饱和：忽略磁场中的非线性因素，从而可利用叠加原理来计算合成磁场。 （2）定子对称。（3）定子所产生的磁场沿定子正弦分布，也就是略去磁场中所有的空间谐波分量。 （4）阻尼绕组的阻尼条及转子导磁体对转子d .q轴对称。电压方程式定子电压方程 ：(5.1) 励磁电压方程 ：(5.2) 直轴和交轴电压方程 ：(5.3) 磁场方程式(5.4)同步机绕组布置图 磁场方程式分析由于转

4、子旋转和转子凸极性的关系，定子绕组和转子绕组间的互感，定子绕组各相之间，甚至定子绕组本身的自感均随转子的位置变化.只有转子绕组自感、磁绕组与直轴阻尼回路之间的互感是常数，与转子位置无关。 同步电机磁链方程是一个随转子位置变化的变系数方程，求解相当困难。出路:坐标变换。53 d.q坐标下的同步电机方程 由于电机定子内腔是对称的, 对一个与转子一起转动的观察者来说, 不论转子位置如何, d轴和q轴绕组的磁路始终保持不变。因此在d.q坐标系中, 在磁势一定的条件下, 绕组的磁链就不再含有交变分量, 也就是电机的基本方程式中将具有常系数，这就带来分析研究的巨大简化。 dq 坐标系下同步电机的磁链方程采

5、用dq旋转坐标系, 经正交变换, 同步电机的磁链方程为: (5.5)dq 坐标系下同步电机的电压方程同异步电机分析，可得到电压方程为 ：(5.6)励磁和直轴、交轴阻尼绕组的方程式 ：(5.7)同步电机的等效模型 它相当于一台直轴和交轴上各有一对电刷的直流电机，但它的电枢绕组在定子上，在空间是静止的，而磁极和电刷是旋转的，电枢绕组通过换向器与电刷相连，其绕组的轴线决定于电刷的位置，它始终和转子的磁极轴线重合。 dq 坐标系下的数学模型电机的力矩方程为：(5.8)(5.9)5.4 转子磁场定向控制的同步电机数学模型由（5.8）第4行得:(5.10)数学模型(2)由(5.8)第五行得: (5.11)

6、数学模型(3)将(5.10)、(5.11)代入到(5.5),可得转子磁链方程: (5.12)数学模型(4)电机的力矩方程: (5.13)同步电动机转子磁链定向控制时：转矩只和转子磁链及定子电流的q轴分量成正比。转子磁链只和转子励磁电流以及定子电流的d轴分量有关与定子电流q轴分量无关。也就是转子磁链与力矩电流分量相互解耦, 彼此独立。 同步机就和他励式直流电机具有相同的品质。数学模型(5)由式(5.12)可以看到，转子磁链方程比较复杂。为了简化控制系统，可把定子电流矢量始终控制在q轴上，即定子电流无d轴分量。转子磁链方程为： (5.14)分析这样一来, 定子电流与转子励磁电流分别独立调节和控制,

7、与真正直流电机极为相似。 这种控制方式对小容量同步电机比较适合，目前交流伺服系统，特别是采用永磁同步机的系统，主要采用转子磁场是向控制。中大容量的同步电动机，一般不采用这种控制，而采用气隙磁场定向的控制方法。为什么? 因为气隙磁链随负载变化较大，引起电压比的波动。 5.5 永磁同步电动机（PMSM）的模型永磁同步机具有正弦形的反电动势，其定子电压、电流也应为正弦波，转子无阻尼绕组。在d.q坐标系下，永磁同步电动机定子磁链方程为： (5.15)PMSM定子电压方程PMSM定子电压方程为 :(5.16)PMSM转矩方程为 :(5.17)PMSM常用控制模型（1）在PMSM中, 由于转子磁链恒定不变

8、, 故通常采用转子磁场定向方式来控制。 在基速以下恒转矩运转中, 把定子电流矢量固定在q轴上，即定子电流中无d轴分量，这时：(5.18) 电压方程： 转矩方程 :(5.19)PMSM常用控制模型（2） 这种方法和永磁直流电动机控制极为相似：永磁转子提供磁场, 定子电流产生电磁力矩, 电磁力矩与定子电流矢量成正比。在基速以上, PMSM应运行在恒功率调速, 如何实现？ 定子弱磁方法 ：也就是令定子电流矢量超前q轴, 产生一个与转子磁场相反的分量,起去磁作用。由于定转子有效空隙大, 也就是较小，这种“电枢反应弱磁方法”需要一个较大的定子电流直轴分量，不宜长时间运行。 5.6 气隙磁场定向控制的同步

9、电机数学模型气隙磁场的定义（dq坐标系下写成分量形式）：气隙磁场定向：采用MT坐标系，气隙磁场定向在M轴上。(5.20)MT坐标系下的表示(1)M轴与d轴夹角为L:MT坐标系下的表示(2)于是：其中：(5.21)(5.22)(5.23)MT坐标系下的表示(3)进一步,重写式(5.21)：(5.24)或(5.25)MT坐标系下的表示(4)在M.T坐标系 中,同步电动机电压方程为 ：(5.26)由于:(5.27)MT坐标系下的表示(5)分离实部与虚部，得：(5.28)电磁转矩方程为：(5.29)若保持气隙磁场恒定， 结论 气隙磁场定向控制，要保证气隙磁场为恒值，由于不仅是定子电流M轴分量的函数，而且还是负载角L的数函数，这为系统