同步电机变频调速、矢量控制

2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道1第三章

同步电动机的变频调速电气与信息工程学院：黄守道2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道2

应用广泛：（1）功率覆盖面非常广大，从瓦级无刷直流电动机到万千瓦的大型轧机、窑炉传动电机，鼓风机电机。

（2）大型同步电机和超大型抽水蓄能电动发电机的变频起动也属于同步电动机变频调速之列。（3）近年来永磁同步电动机的迅速发展，使同步电动机变频调速技术的应用愈来愈多。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道3

优点：只要精确地控制变频电源的频率就能准确控制转速，无需速度反馈控制。可以实现多台同步电动机的集中控制、同步协同调速。转矩干扰只影响同步电动机的功角，不影响电机的转速，因而转动部分的惯性不会影响同步电动机对转矩的快速响应。可以在极低的转速下运行，调速范围较宽。可以调节转子励磁来调节电机的功率因数.损耗小，可降低变频器容量。运行在超前功率因数下，有可能利用电动机的反电势实现负载换流，克服强迫换流的弊病（晶闸管）。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道4

§3-1同步电动机的

结构形式和运行性能2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道5一、变频调速系统中应用的同步电动机

对于大、中容量的调速系统，一般采用普通的电励磁式结构；对于小型调速装置，采用磁阻式或者永磁式同步电机。1.特征2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道6年代材料名称最大磁积(兆高奥)(HB)特色曲线30年代铝镍钴、铁氧体差易去磁190年代铁氧体3.6~4.0价格低（稀土的1/10）260年代后期稀土永磁：SmC0524热稳定性好不怕去磁370年初期稀土永磁：SmC01733钴含量高、价格高

稀土永磁：钕铁硼Nd-Fe-B38~40我国储量世界第一，温度可达200℃？42.永磁同步电动机的材料第三代2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道7几种永磁材料的特性比较2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道8

3.永磁同步电动机的磁极结构

永磁同步电动机的磁极结构型式随永磁材料特性的不同和应用领域的差异，具有多种方案。按永磁材料的不同，可将永磁同步电动机分为三种类型：（1）铝鎳钴永磁同步电机；（2）铁氧体永磁同步电机；（3）稀土永磁同步电机；2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道9

（1）早期的铝鎳钴永磁同步电机沿用了传统同步电机结构形式。根据铝鎳钴材料矫顽力小，剩磁密度大的特点，磁极采用截面小，极身长的形状，如图3－2所示。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道10（2）铁氧体和稀土永磁同步电机

铁氧体矫顽力较大，剩磁密度较小，铁氧体永磁同步电机常采用如图3－3a）的磁极结构。而对于磁能积很大的稀土永磁电机，采用瓦片式结构，如图3－3b）和c）所示。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道11（3）磁阻电机磁阻电机，又称反应式同步电机，是一种无励磁的凸极式同步电动机，利用凸极转子磁路不对称，dq轴电抗差异来产生反应转矩。，其结构如图3－4所示。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道12电磁转矩（1）一般表达式（2）隐极同步电动机，dq轴同步电抗相等，反应转矩消失。（3）磁阻式同步电动机，无励磁，E＝0。二、同步电动机的运行性能2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道132.转矩特性曲线（1）凸极式同步电动机转矩特性曲线分析：它是由转子励磁产生的同步转矩2和凸极效应产生的反应转矩3两部分合成。其中同步转矩按功率角的正弦变化，反应转矩按其两倍频正弦变化。对于隐极同步电机而言，dq轴同步电抗相等，反应转矩消失，转矩特性如曲线2所示。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道14（2）永磁同步电动机转矩特性曲线分析：由于永磁体本身的导磁率一般较低，其q轴同步电抗反比d轴同步电抗大，使得反应转矩分量变负。可见永磁同步电动机产生最大转矩的功角大于电励磁式同步电动机，且大于90度。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道153.电励磁式同步电动机无功的调节——v形曲线2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道16

V形曲线的最低点过励时，电动机从电网吸收超前无功电流，即发出滞后无功。欠励时，电动机向电网发出超前无功电流，即吸收滞后无功欠励有最小励磁允许极限，越过将失步的V形曲线为同步调相机的v形曲线。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道17

永磁同步电动机不能像普通同步电机那样，只依靠装在转子上的起动绕组产生的异步转矩使电机达到亚同步速，再投入励磁使电机牵入同步。由于一开始，永磁转子上就存在磁场，会对起动过程产生不良影响，使起动过程中存在多种转矩（异步性质的平均转矩和同步性质的脉动转矩）。4.永磁式同步电动机的特殊问题——起动性能不佳2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道18Tc——基本异步起动转矩，由起动绕组产生。TD——逆序磁场产生的附加异步起动转矩（起动绕组不对称引起）。TM——永磁体旋转与定子绕组作用产生相当大的异步制动转矩。Ts——以上三种转矩的合成转矩。为平均转矩。（1）永磁同步电动机起动转矩曲线2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道19

除了异步性质的平均转矩外，还存在3个的磁场： 电枢磁场： 转子永磁体磁场

(1-S)

逆序磁场：(1-2S)

三者会相互作用产生同步脉动转矩（平均转矩为0），所有各种转矩起动时都发生作用，异步性质的平均转矩使电机加速，脉动转矩时而加速时而减速。起动完毕（牵入同步），异步转矩消失，同步脉动转矩成为同步转矩。在新型（钕铁硼）永磁同步电机中，TM可能很大，使电机很难牵入同步;由于同步电抗小，使异步起动时的电流达额定值的十倍以上。（2）起动过程磁场分析2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道20（3）解决方法：

外力拖入同步从静止开始作逐步升频的变频起动2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道21(1)他控式——变频器拖动特点： （a）运行频率由外界独立调节； （b）改变逆变器的输出频率实现对同步电机的调速； （c）运行情况决定于E和U之间的功率角。三、同步电动机变频调速的控制方式2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道22(2)自控式：无换向器电动机特点： （a）运行频率由转子转速决定； （b）电流周期与转子速度始终保持同步，不会出现失步现象； （c）通过调节输入电压进行调速，其特性类似于直流电动机。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道23§3-2自控式同步电机交—直—交变频调速系统（直流无换向器电机）

2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道24自控式同步电机变频调速系统又称为无换向器电机，一种新型机电一体化无级变速电机，

它是由一台带转子磁极位置检测器PS的同步电动机SM和一套功率半导体逆变器INV所组成。

优点：（1）直流电机调速特性（2）无换向器（3）结构简单（4）无须经常维护概述：2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道25无换向器电机有两种不同的系统结构形式：（1）直流无换向器电机，即自控式同步电机交－直－交变频调速系统。它是由电网交流电经可控整流器REC变成直流，然后再由晶闸管逆变器INV转换成频率可调的交流，供给同步电动机实现变频调速。其结构框图如图3－8所示。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道26（2）交流无换向器电机，即自控式同步电机交－交变频调速系统。它是利用晶闸管变频器直接把电网50Hz交流电转换为可变频率的交流供给同步电动机。其结构如图3－9所示。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道27（3）直流和交流无换向器电机的比较

直流无换向器电机系统简单，所用晶闸管元件少、耐压要求低，但因工作在直流电源上故有一个换向问题。交流无换向器电机的变频器晶闸管可靠电网交流电源换流，但所用元件数目多、耐压要求高，因此我们将重点讨论直流无换向器电机。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道28

（4）用途

适用范围广,如纺织、化工、水泥、制糖、矿山、军工等,易于做成高速大容量（数千千瓦，60000~90000转/分）国外轧钢机主传动用的无换向器电机单机容量超过5000千瓦；解决大型同步电机的起动问题:美国Racoon电站425兆伏安抽水发电发电机配套了20兆伏安无换向器电机起动装置；我国宝钢一号高炉的大型鼓风机驱动用48兆瓦同步电动机，也是采用无换向器电机方式起动。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道29一、无换向器电机的基本原理

1.等效直流电机模型无换向器电机实质就是一种通过半导体变流器把电源功率转变成可变频率交流电功率，对同步电动机进行变频调速的系统。但其输出频率不是独立调节的，而是受与同步电动机转子同轴安装的位置检测器的控制。其特点是能保证变频器的输出频率和电动机转速始终保持同步而不会发生振荡。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道30

我们从直流电机与无换向器电机相比较的角度来分析无换向器电机的等效直流电机模型。（1）直流电机特点 （a）定、转子磁场相对静止； （b）电枢绕组中通过的电流为交流； （c）电流换向通过换向器获得； （d）换流位置由电刷确定； （e）磁场不旋转。（2）无换向器电机特点 （a）定、转子磁场相对静止； （b）电枢绕组中通过的电流为交流； （c）无换向装置。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道31

（3）直流电机与同步电机的比较

相同点：

（a）定、转子磁场相对静止； （b）电枢绕组中通过的电流为交流。

不同点：

（a）直流电机多了一套换向装置，若没有换向装置，直流电动机就是同步电动机。 （b）直流电动机磁场静止，同步电动机磁场旋转。其实，无换向器电机和直流电机一样，本身就是一台同步电动机，只是直流电动机中用的是一个机械接触式的逆变器，而无换向器电机中是用晶闸管组成的半导体逆变器来代替。直流电机中用以控制换向位置的电刷，在无换向器电机中是用无接触式的位置检测器来代替。尽管两者构造不同，但他们的作用却完全相同，所以无换向器电动机和一般并激直流电动机具有相同的调速特性。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道322.电磁转矩的产生

假设转子励磁所产生的磁场在电机气隙中按正弦分布，如果定子一相绕组中通以持续的直流电流，则此电流和转子磁场作用下所产生的转矩也将随转子位置不同而按正弦规律变化，这种变化规律如图3－10所示。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道33

在无换向器电机，实际上每相绕组中通过的不是持续的直流而是只通电1/3周期的方波电流，这样每相电流和转子磁场作用所产生的转矩也只是正弦转矩曲线上相当于1/3周期长的一段，它的具体形状和绕组开始通电时的转子相对位置有关。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道34

图示位置是转子磁极轴线从某相绕组轴线转过30▫的位置，在此瞬间触发该相晶闸管，从产生转矩的角度看是最有利的。在此位置下，在绕组通电的1/3周期里，载流导体正好处于比较强的磁场中，所产生的转矩平均值最大，脉动最小。从时间相位上看，晶闸管触发瞬间正好是该感应电势交变过零之后的30▫相位处，习惯上将此点选作晶闸管触发相位的基准点，称为换流超前角。

在换流超前角为0的情况下，电枢三相绕组轮流通电产生的总转矩如图b）所示。当换流超前角为30▫，电机瞬时转矩有过零点，如图c）所示。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道35

左图为三相桥式逆变路的情况。在每一瞬时，三相绕组中一相通过正向电流而另一相通过反向电流，所产生的转矩如图a）所示，图b）为换向超前角为0时的合成转矩，换向超前角为60▫的情况如图c）所示，此时转矩曲线才有过零点。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道36

结论：

三相式，对转矩最为有利。矛盾：

晶闸管靠反电势自然换流，要求超前，目前常取，或按负载的动态调节。转矩脉动大：凸极式无换向电机中，还存在磁阻转矩，当超前时为负值，将使输出转矩减小。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道37二、逆变器晶闸管的换流问题问题的提出：直流无换向器电机的晶闸管直接接在直流电源上,导通后无法自行关断，换流困难。必须采取特殊的换流措施。解决：在过激状态下向逆变器提供超前的无功电流，可利用电机的反电势来实现自然换流。

2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道38反电势换流原理2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道39

分析思路：

a、c两相通电→b、c两相通电→A管关断、B管导通

B管开通后，利用反电势eab

使A管关断

前提：提前换向特点：无需辅助换流电路，但存在换流能力与力矩特性矛盾，且低速时无法实现换流（低速反电势小）2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道40图3-14为空载（实线）和负载时，晶闸管承受电压的情况。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道41

为保证可靠换流，要求负载时换流剩余角而，故只能通过增大或限制电机最大负荷，但转矩脉动增大，一般限制。断续电流法换流：解决起动和低速时换流问题。控制电源侧整流桥进入逆变状态（拉逆变），使逆变器输入电流下降为零，逆变器所有晶闸管自然关断。然后给换流后该导通的管子发触发脉冲，重新通电时，则实现了换流。常在直流环节接入平波电抗器以抑制谐波，并接入续流晶闸管S0，构成了电流源逆变器的性质。工程上实际上，加速了断流过程。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道42

结论：

低速时（5~10%额定转速以下）采用断续电流法换流，且为增大转矩使；高速时，采用反电势换流，为保证换流能力改

2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道43三、无换向器电机的工作特性1.调速特性无换向器电机可以看作一台直流电动机，可以采用分析直流电机的方法进行分析。

2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道44无换向器电机的调速方法： （1）改变直流电压ED。通过改变可控整 流桥触发角α来实现。 （2）改变励磁磁通或者励磁电流If

。 （3）改变换流超前角。实用中多采用改变直流电压的调速方法。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道45

当励磁及换流超前角恒定条件下，改变直流电压ED时的机械特性如图3——15所示。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道46

2.过载能力

无换向器电机的过载能力受晶闸管换流能力的限制，比一般直流电动机低，只有1.5～2倍。要提高过载能力，一方面尽量减少换流重迭角μ的数值，另一方面减小功角θ的影响。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道47提高过载能力的具体措施：（1）转子上装阻尼绕组或者采用整铸磁极，利用其阻尼作用减小换流电抗，从而减小换流重叠角。（2）减小交轴同步电抗。（3）在磁极上装交轴补偿绕组，使其中通过电流和成正比，由它产生的磁势完全补偿交轴电枢反应，使等效交轴电抗为零，换流超前角将不随负载变化，从而提高过载能力。（4）采用励磁电流随负载比例变化的控制方法，此时空载电势相应增大，整个矢量图按比例放大，功角将保持不变，从而显著提高电机的过载能力。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道48新型控制方法：

①保持换流剩余角恒定，调节换流超前角②恒角/变磁控制——无位置检测器的控制系统。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道49四、无换向器电机的调速系统（一）典型的无换向器电机控制系统结构2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道50（二）控制系统主要功能单元调速系统（1）双闭环：电流环和速度环（2）零电流检测单元（3）逻辑控制单元四象限运行控制系统（1）转子位置检测器（2）γ脉冲分配器转子位置检测器和γ脉冲分配器将是介绍的重点。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道513.转子位置检测器（1）作用

与电动机同轴安装，根据转子位置产生相应的信号，经逻辑分配器和放大后去触发控制逆变器。（2）位置检测器类型

a.霍尔元件式；b.光电式；

c.接近开关式；d.电磁感应式。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道52（3）电磁感应式转子位置检测器

电磁感应式转子位置检测器结构如图3－19所示，由一个带缺口的圆盘和三个小型开口变压器式的检测元件组成。图a）：带缺口的导磁（铁）圆盘。图b）：缺口随转子旋转盖住变压器3条腿，由于磁路对称，副绕组中不会感应电势。

图c）：圆缺口对准变压器而只盖住两条腿时，因磁路不对称在副绕组中感应出电势，发出转子位置信号。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道53（4）位置检测器输出信号的处理

在实际系统中，一般采用三个相隔120度电角度的检测元件A、B、C和一个带180度电角度缺口的铁圆盘组成位置检测器。配以简单的逻辑电路，可获得晶闸管触发信号。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道544.脉冲分配器（1）任务将转子位置检测器输出的六个信号根据电机的不同运行状态输送到不同的晶闸管。（2）信号分配要求电动机作四象限运行时，有八种不同的运行方式。信号分配如表3－1所示。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道552023/1/11电气与信息工程学院：黄守道56

将正、反转情况下各晶闸管的触发信号进行比较发现，实际加在各晶闸管上的不同的触发信号只有四种，脉冲分配器由一组简单的逻辑线路组成如图3－21所示。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道57§3-3同步电机矢量变换控制

2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道58一、同步电机矢量变换控制的基本思想

将电枢电流矢量分解成等效励磁电流和等效电枢电流分量。控制磁化电流使有效磁通保持恒定，那么同步电动机所产生的转矩就直接和电枢电流中的等效转矩分量成正比。且与相互垂直。M-T坐标系中又都是直流量，可以象直流电机一样灵活控制。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道59二、同步电动机矢量变换控制系统

图3－23为控制系统框图。同步电动机电枢绕组由交－交变频器供电，转子磁场绕组由可控整流器供电。电枢和磁场中均设有电流调节回路，此外还设有有效磁通和速度的调节回路。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道60(一)主要功能单元1、指令信号运算整个控制系统的主指令信号来自速度给定信号。（1）转矩电流给定值速度给定与实际转速相比较，误差信号控制速度调节器，输出为保持速度给定所需的转矩给定值。除以有效磁通即为电枢的等效转矩电流给定值。（2）磁化电流给定值

根据实际转速，按基频以下恒磁通（恒转矩），基频以上弱磁通（恒功率）的调节规律，由函数发生器给出有效磁通给定值。磁通调节器根据磁通给定和实际磁通的误差信号进行调节，输出磁化电流给定值。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道612、磁极位置运算器磁极位置运算器根据转子位置检测器检测的磁极位置，计算并输出转子磁极相对定子绕组的空间位置角度（以正弦和余弦函数形式给出），供坐标变换使用。3、磁通运算器磁通运算器是根据输入的电枢电流、磁通电流和磁极位置角来计算有效磁通的大小、位置和功率角。4、电流给定运算器它按电枢的等效磁化电流给定值、等效转矩电流给定值和磁通运算器的输出信号计算三相电枢电流和磁场给定值。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道62（二）磁通运算器1、坐标系

为进行有效磁通的计算，引入矢量的坐标变换，相应的坐标系如图3－24所示。包括以下坐标系：（1）α－β坐标系（2）M-T坐标系（3）d-q坐标系2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道632、磁通运算器框图2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道64相应的坐标变换如下所示：VR12023/1/11电气与信息工程学院：黄守道65VR2：

K/P:

VR3：2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道66VR4:

2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道67（三）电流给定值运算器2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道68（四）磁场电流给定运算：

由于im1为电枢电流中产生有效磁通的等效励磁电流分量，故是一个无功电流。如果需要保持同步电动机的功率因数为1则该项电流为零。此时的磁场绕组电流给定值应为：2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道69§3—4永磁同步电机的矢量控制2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道70一、概述

（一）应用永磁同步电机广泛应用于伺服驱动系统，中、小功率机床主轴驱动，机器人系统应用等。较大容量也应用于太阳能泵以及风能利用系统，用于船舶推进系统已达1MW的水平。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道71（二）永磁同步电动机伺服系统特点1、气隙磁密高；2、高的功率/质量比；3、大的转矩/惯量比；4、转矩脉动小，尤其在很低速并有高精度位置控制要求时；5、零转速时有控制转矩；6、能高速运行；7、短时间内快的加减速运行；8、高效率。高功率因数；9、装置紧凑；2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道72（三）理想条件1、不考虑磁路饱和效应，将永久磁铁等效为一个恒流源励磁，采用固定于转子dq坐标系统。2、转子上没有阻尼绕组，在使用表面磁铁型永磁同步电动机时，电机气隙较大，磁极的凸极效应可以忽略不计，因此直轴励磁电感等于交轴励磁电感。3、因为气隙较大，同步电感较小，电枢反应也可以忽略不计，由磁铁产生的、与定子绕组交链的磁链就等于励磁磁链空间矢量。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道73二、永磁同步电动机的电磁转矩1、空间矢量永磁同步电动机的定转子电流、磁链空间矢量图如图6－37所示。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道742、电磁转矩

永磁同步电动机的电磁转矩为：

式中αs-θr=β也叫转矩角。如果β＝90则单位定子电流产生转矩最大，转矩与isq成正比，如isq变化得快，随着也可获得转矩的快速响应。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道75三、永磁同步电动机

转子磁场定向矢量控制（一）定子电流与速度在定子电流给定的前提下，为最有效地产生转矩，定子电流只有交轴分量最好。但这与永磁同步电机的转速有关。1、基频范围内基频范围内电动运行和制动运行时的电流矢量如图6－38a)和b）所示。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道762023/1/11电气与信息工程学院：黄守道772、基频范围以上在超过基频以上运行时因永久磁铁的励磁磁链为常数，电机的感应电势将随电动机转速成正比增加，电动机断电压也随着提高，但是要受到与电机端相连的逆变器的电压上限的限制不能过高，所以要减弱磁场运行。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道78

减弱磁场是通过定子电流矢量的控制，图6－39所示为同步电动机在弱磁范围内运行时电流矢量图。

定子电流矢量除了有交轴分量外，还有直轴分量，其方向是d轴的负方向，与磁链方向相反。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道79（二）永磁同步电动机稳态向量图1、电压方程式将代入上式

稳态时用时间向量写出电压方程式2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道80在没有电流直流分量时存在直流分量时2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道812、向量图

无电流直轴分量和由电流直轴分量时的永磁电动机的向量图如图6－40a)和b）所示。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道82

从向量图可以知道Isd和电动机端电压的关系，即Isd需要多大时才能控制电机端电压不超过最大容许值。另一方面由于有了Isd分量使Is的幅值增大，但是Is幅值要受逆变器容量的限制，因此有直轴分量，交轴分量就要减小，即转矩减小了。这可以理解为为了弱磁运行，转矩角要增大，单位定子电流产生转矩要减小。由于定子电流增大，铜耗将增加，驱动系统效率降低，弱磁运行也限制在短时和轻载运行，最高转速取决于逆变器的电流定额。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道83（三）永磁同步电动机矢量控制框图2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道84

图示系统使用电流控制PWM逆变器驱动永磁同步电枢，检测转速信号一方面用于速度闭环，另一方面得到转角用于位置控制和旋转坐标变换所用。（1）电流限制环节定子电流最大值受逆变器承受能力限制，为满足弱磁运行要求，需要有直轴分量。有了直轴分量，交轴分量会减少，其最大值要受到限制。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道85（2）时间滞后补偿环节

在dq坐标系下是按电流矢量的幅值和角度作为电流矢量给定值加以控制的，但由于控制回路动作需要时间，当信号起作用时，电流矢量又向前旋转了一个角度，所以电流矢量给定值要进行时间滞后补偿。其时间滞后效应图见图6－43。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道86

补偿过程：假设电流矢量向前旋转了γ角，所以式中代入上式由于所以2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道87§3-5稀土永磁无刷

直流电动机2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道88基本结构稀土永磁无刷直流电动机的基本构成包括电动机本体、控制器和转子位置传感器三部分，如图3－1所示：2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道89功率开关管，从而控制电动机各项绕组按一定顺序工作，在电机气隙中产生跳跃式旋转磁场。

工作原理以图3-2、3－3来说明。图3-2中VF为逆变器REPMM为稀土永磁电动机本体，PS为与电动机本体同轴相联的转子位置传感器，控制电路对转子位置传感器检测的信号进行逻辑变换后产生脉宽调制PWM信号，经过驱动电路放大送至逆变器各工作原理2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道90以二相导通星形三相六状态无刷直流电动机为例来说明其工作原理。当转子稀土永磁体位于3-3(a)所示位置时，转子位置传感器输出磁极位置信号，经过控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使功率开关管V1、V6导通，及绕组A、B通电，A进B出，电枢绕组在空间的合成磁势Fa，如图3-3(a)所示，此时定转子磁场相互作用拖动转子顺时钟转动。电流流通路径为：电源正极->V1管->A相绕组->B相绕组->V6管->电源负极。依次类推,当转子继续沿顺时钟每转过60度电角度时，功率开关的导通逻辑为：V3V2->V3V4>V5V4->V5V6->V1V6->V2V1……图3-3(b)为转子转过60度时转子位置，则转子磁场始终受到定子合成磁场的作用并沿顺时针方向连续转动。2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道91稀土永磁方波电动机基本公式1、电枢绕组感应电动势

e=Lv(V)

式中－气隙磁感应强度；

L－导体的有效长度；

V－导体相对于磁场的线速度：2、电枢电流3、电磁转矩

为转矩常数

2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道924、转速5、电势系数与转矩系数电势系数为：转矩系数为：2023/1/11电气与信息工程学院：黄守道93稀土永磁无刷直流电动机运行与特性分析电枢反应的特点： 电机负载时的电枢磁场对主磁场的影响称为电枢反应。电枢反应与磁路的饱和程度、转向、电枢绕组联接方式、导通顺序和磁状态角的大小有关。两相导通星形三相六状态的电枢反应形成两相绕