运动控制系统同步电动机变压变频调速系统

运动控制系统同步电动机变压变频调速系统第1页/共111页概述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只能是变频调速。第2页/共111页概述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，同时也解决了失步与起动问题，使之不再是限制同步电动机运行的障碍。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。第3页/共111页内容提要6.1同步电动机的基本特征与调速方法6.2他控变频同步电动机调速系统6.3自控变频同步电动机调速系统

6.4同步电动机矢量控制系统第4页/共111页6.1同步电动机的基本特征与调速方法

讨论同步电动机的特点、分类同步电动机的矩角特性和稳定运行同步电动机的起动和调速第5页/共111页6.1.1同步电动机的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子电源频率有确定的关系（6-1）

同步电动机的稳态转速等于同步转速。第6页/共111页同步电动机的特点2.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，或者靠永久磁钢励磁。3.同步电动机转子除直流励磁绕组（或永久磁钢）外，还可能有自身短路的阻尼绕组。第7页/共111页同步电动机的特点4.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，造成数学模型上的复杂性。但凸极效应能产生转矩，单靠凸极效应运行的同步电动机称作磁阻式同步电动机。第8页/共111页同步电动机的特点5.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，在同样条件下，同步电动机的调速范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。第9页/共111页6.1.2同步电动机的分类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。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流励磁电流，改变输入功率因数，可以滞后，也可以超前。永磁同步电动机的转子用永磁材料制成，无需直流励磁。

第10页/共111页永磁同步电动机的优点1.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，因此容量相同的电机体积小、重量轻；2.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；3.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；4.结构紧凑，运行可靠。第11页/共111页永磁同步电动机正弦波永磁同步电动机——当输入三相正弦波电流、气隙磁场为正弦分布，磁极采用永磁材料时，就使用这个普通的名称或直接称作永磁同步电动机（PermanentMagnetSynchronousMotor，简称PMSM）。第12页/共111页永磁同步电动机梯形波永磁同步电动机——磁极仍为永磁材料，但输入方波电流，气隙磁场呈梯形波分布，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频同步电动机又称作无刷直流电动机（BrushlessDCMotor，简称BLDM）。第13页/共111页6.1.3同步电动机的矩角特性忽略定子电阻，图6-1是凸极同步电动机稳定运行且功率因数超前时的相量图，同步电动机从定子侧输入的电磁功率

图6-1凸极同步电动机稳定运行相量图（功率因数超前）（6-2）

第14页/共111页永磁同步电动机电磁功率将代入第15页/共111页永磁同步电动机电磁功率（6-4）第16页/共111页电磁转矩在式（6-4）两边除以机械角速度，得电磁转矩（6-5）

电磁转矩由两部分组成，第1部分由转子磁势产生的，第2部分是由于磁路不对称产生的。第17页/共111页功角特性和矩角特性在和恒定时，同步电动机的电磁功率和电磁转矩由确定，故称为功角或矩角。第18页/共111页隐极同步电动机对于隐极同步电动机，故隐极同步电动机电磁功率（6-6）

电磁转矩（6-7）

第19页/共111页隐极同步电动机的矩角特性当时，电磁转矩最大图6-2隐极同步电动机的矩角特性（6-8）

第20页/共111页6.1.4同步电动机的稳定运行以隐极同步电动机为例，分析同步电动机恒频恒压时的稳定运行问题。第21页/共111页在的范围内同步电动机运行于，，此时电磁转矩和负载转矩相平衡，第22页/共111页在的范围内当负载转矩加大为时，转子减速使角θ增加，当，电磁转矩和负载转矩又达到平衡，同步电动机仍以同步转速稳定运行。第23页/共111页在的范围内若负载转矩又恢复为，则角恢复为，电磁转矩恢复为。因此，在的范围内，同步电动机能够稳定运行。图6-3在隐极同步电动机的矩角特性的范围内，第24页/共111页在的范围内同步电动机运行于，，此时电磁转矩和负载转矩相平衡，第25页/共111页在的范围内当负载转矩加大为时，转子减速使角θ增加，电磁转矩减小，导致θ继续，最终，同步电动机转速偏离同步转速，这种现象称为“失步”。第26页/共111页在的范围内在的范围内，同步电动机不能稳定运行，将产生失步现象。图6-4在隐极同步电动机的矩角特性的范围内，第27页/共111页6.1.5同步电动机的起动当同步电动机在工频电源下起动时，定子磁动势以同步转速旋转，当时，电磁转矩，使电动机加速，由于机械惯性的作用，电动机转速具有较大的滞后，不能快速跟上同步转速。第28页/共111页同步电动机的起动当时，电磁转矩，产生制动作用，θ角以2π为周期变化，电磁转矩呈正弦规律变化，如图6-5所示。图6-5同步电动机在工频电源下起动转矩第29页/共111页同步电动机的起动在一个周期内，电磁转矩的平均值等于零，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动，接近同步转速时再通入励磁电流牵入同步。第30页/共111页6.1.6同步电动机的调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，所以同步电动机的调速只能是改变电源频率的变频调速。

（6-9）第31页/共111页同步电动机的调速若忽略定子漏阻抗压降，则定子电压约等于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。

（6-10）第32页/共111页他控变频调速系统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。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，但仍有可能产生失步现象。第33页/共111页自控变频调速系统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。自控变频调速系统严格保证电源频率与转速的同步，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据电动机反电动势波形推算转子的位置。第34页/共111页6.2他控变频同步电动机调速系统转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速系统大功率同步电动机调速系统第35页/共111页6.2.1同步电动机群调速系统图6-6所示是转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速系统。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同时调节各台电动机的转速。第36页/共111页多台同步电动机的恒压频比控制调速系统这种开环调速系统存在一个明显的缺点，就是转子振荡和失步问题并未解决，因此各台同步电动机的负载不能太大。图6-6多台同步电动机的恒压频比控制调速系统第37页/共111页6.2.2大功率同步电动机调速系统大功率的同步电动机转子上一般都具有励磁绕组，通过滑环由直流励磁电源供电。图6-7变压变频器供电的同步电动机调速系统第38页/共111页大功率同步电动机调速系统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按斜坡规律变化，将动态转差限制在允许的范围内，以保证同步电动机顺利起动。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率，将矩角限制在的范围内，有效地抑制了失步现象。第39页/共111页大功率同步电动机调速系统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采用转速闭环控制，除了转速闭环控制外，还带有电枢（定子）电流和励磁（转子）电流的闭环控制。图6-7绘出了这种系统的结构图，系统控制器包括转速调节、定子电流和励磁电流控制。第40页/共111页6.3自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变频器的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。如果能根据转子位置直接控制变频装置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，这就是自控变频同步电动机的初衷。第41页/共111页6.3.1自控变频同步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BQ，由它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。由式（6-10）可知，在基频以下调速时，需要电压频率协调控制。因此，除了变频器UI外，还需要一套调压装置，为变频器提供可调的直流电源。第42页/共111页自控变频同步电动机调速原理图图6-8自控变频同步电动机调速原理图

第43页/共111页自控变频同步电动机自控变频同步电动机共有4个部分组成：同步电动机MS，与电动机同轴安装的转子位置检测器BQ，逆变器UI和变频控制器。由转子位置检测器发出的信号控制逆变器UI输出电压或电流的频率及相位，使电源频率与转速同步，可控整流器则完成调压的功能。第44页/共111页自控变频同步电动机调速时改变直流电压，转速将随之变化，逆变器UI的输出频率自动跟踪转速。虽然在表面上只控制了电压，实际上也自动地控制了频率，故仍属于同步电动机的变压变频调速。第45页/共111页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，容量大时也可以用励磁式的。但是如果把它和逆变器UI、转子位置检测器BQ合起来看，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，相当于直流电动机的调压调速。

第46页/共111页自控变频同步电动机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来完成，需要两套可控功率单元。现常用PWM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，只需一套控制器。第47页/共111页改进的自控变频同步电动机及调速原理图图6-9改进的自控变频同步电动机及调速原理图第48页/共111页自控变频同步电动机自控变频同步电动机因其核心部件的不同，略有差异：1.无换向器电动机——由于采用电子换相取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。第49页/共111页自控变频同步电动机2.正弦波永磁自控变频同步电动机——以正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同步电动机。第50页/共111页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流电动机——以梯形波永磁同步电动机为核心的自控变频同步电动机，由于输入方波电流，气隙磁场呈梯形波分布，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。第51页/共111页6.3.2梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统无刷直流电动机实质上是一种特定类型的同步电动机，气隙磁场和感应电动势是梯形波的，由逆变器提供与电动势严格同相的方波电流。图6-10梯形波永磁同步电动机的电动势与电流波形图第52页/共111页梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统图6-11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第53页/共111页梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统为恒定的直流电压，PWM逆变器输出电压为120°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，并按直流PWM的方法对的方波进行调制，同时完成变压变频功能。第54页/共111页梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统为恒定的直流电压，PWM逆变器输出电压为120°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，并按直流PWM的方法对的方波进行调制，同时完成变压变频功能。图6-12PWM逆变器A相输出电压第55页/共111页梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统为恒定的直流电压，PWM逆变器输出电压为120°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，并按直流PWM的方法对的方波进行调制，同时完成变压变频功能。图6-12PWM逆变器A相输出电压第56页/共111页梯形波永磁同步电动机的转矩脉动由于PWM逆变器每隔换相一次，故实际的转矩波形每隔出现一个缺口，这样的转矩脉动使梯形波永磁同步电动机的调速性能低于真正的直流电动机。图6-13梯形波永磁同步电动机的转矩脉动第57页/共111页梯形波永磁同步电动机的电压方程为方便起见，在静止的A-B-C坐标上建立电机的数学模型，梯形波永磁同步电动机的电压方程（6-11）

第58页/共111页梯形波永磁同步电动机的电压方程由于三相定子绕组对称，故有（6-12）

则

第59页/共111页电磁转矩方波电流的峰值为，梯形波电动势的峰值为，在一般情况下，同时只有两相导通，从逆变器直流侧看进去，为两相绕组串联，则电磁功率为。忽略电流换相过程的影响，电磁转矩为（6-13）第60页/共111页梯形波永磁同步电动机的调速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，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。第61页/共111页梯形波永磁同步电动机的调速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，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PWM调制控制方波电流的幅值，进而控制无刷直流电动机的电磁转矩。第62页/共111页梯形波永磁同步电动机的调速不考虑换相过程及PWM波等因素的影响，当图6-11中的VT1和VT6导通时，A、B两相导通，而C相关断，则无刷直流电动机的动态电压方程为(6-14)

第63页/共111页梯形波永磁同步电动机的调速由于(6-15)

则无刷直流电动机的动态电压方程为第64页/共111页状态方程状态方程(6-16)

其中，第65页/共111页状态方程根据电机和电力拖动系统基本理论，可知(6-17)

(6-18)

(6-19)

第66页/共111页状态方程无刷直流电动机的状态方程(6-20)

第67页/共111页动态结构图图6-14无刷直流电动机的动态结构图第68页/共111页6.4同步电动机矢量控制系统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系统。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带有阻尼绕组。第69页/共111页6.4.1可控励磁同步电动机动态数学模型作如下假定：①忽略空间谐波，设定子三相绕组对称，在空间中互差120°电角度，所产生的磁动势沿气隙按正弦规律分布；②忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的；③忽略铁心损耗；④不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。第70页/共111页带有阻尼绕组的同步电动机物理模型定子三相绕组轴线A、B、C是静止的，转子以角速度旋转，转子励磁绕组流过励磁电流。沿励磁磁极的轴线为d轴，与d轴正交的是q轴，dq坐标系固定在转子上，与转子同步旋转，d轴与A轴之间的夹角为变量。阻尼绕组是多导条类似笼型的绕组，把它等效成在d轴和q轴各自短路的两个独立的绕组。第71页/共111页带有阻尼绕组的同步电动机物理模型图6-15带有阻尼绕组的同步电动机物理模型第72页/共111页电压方程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(6-22)

(6-21)

第73页/共111页定子电压方程按照坐标变换原理，将定子电压方程从ABC三相坐标系变换到dq二相旋转坐标系(6-23)

第74页/共111页磁链方程在dq两相旋转坐标系上的磁链方程(6-24)

第75页/共111页转矩和运动方程同步电动机在dq轴上的转矩和运动方程分别为(6-26)

(6-25)

第76页/共111页转矩方程把式（6-24）中的和代入式（6-25）的转矩方程，并整理后得(6-27)

第77页/共111页转矩分析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，是同步电动机主要的电磁转矩。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。第78页/共111页转矩分析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，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。第79页/共111页同步电动机的电压矩阵方程式(6-28)

第80页/共111页运动方程(6-29)

第81页/共111页凸极同步电动机动态数学模型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，提高了微分方程的阶次，而凸极效应则使得d轴和q轴参数不等，这无疑增加了数学模型的复杂性。第82页/共111页隐极式同步电动机隐极式同步电动机的dq轴对称，故第83页/共111页隐极式同步电动机动态数学模型忽略阻尼绕组的作用，则动态数学模型为(6-30)

(6-31)

第84页/共111页隐极式同步电动机的状态方程(6-32)

第85页/共111页同步电动机动态数学模型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无不及。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。第86页/共111页6.4.2可控励磁同步电动机按气隙磁链定向矢量控制系统定义mt坐标系，使m轴与气隙合成磁链矢量重合，t轴与m轴正交。再将定子三相电流合成矢量沿m、t轴分解为励磁分量和转矩分量，同样，将励磁电流矢量分解成和，参见图6-16，图中功率因数滞后。第87页/共111页可控励磁同步电动机空间矢量图图6-16可控励磁同步电动机空间矢量图第88页/共111页励磁分量和转矩分量将dq坐标系中的定子电流矢量、励磁电流矢量变换到mt坐标系，得到相应的励磁分量和转矩分量(6-37)

(6-36)

第89页/共111页按气隙磁链定向考虑到按气隙磁链定向，由此导出(6-38)

(6-39)

第90页/共111页逆变换逆变换分别为(6-41)

(6-40)

第91页/共111页电磁转矩将式（6-40）和式（6-41）代入式（6-34）并整理得到同步电动机的电磁转矩(6-42)

第92页/共111页电磁转矩按气隙磁链定向后，同步电动机的转矩公式与直流电动机转矩表达式相同。只要保证气隙磁链恒定，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。第93页/共111页气隙磁链恒定控制要保证气隙磁链恒定，只要使恒定即可，定子电流的励磁分量可以从同步电动机期望的功率因数值求出。一般说来，希望功率因数，即，也就是说，希望。因此，由期望功率因数确定的可作为矢量控制系统的一个给定值。第94页/共111页按气隙磁链定向由同步电动机空间矢量图6-16得出(6-45)

(6-44)

(6-46)

(6-43)

考虑到θ逆时钟为正，故在式（6-46）中前取负号。第95页/共111页按气隙磁链定向以A轴为参考坐标轴，则d轴的位置角可以通过电机轴上的位置传感器BQ测得或通过积分得到。于是，定子电流空间矢量与A轴的夹角为(6-47)

第96页/共111页按气隙磁链定向定子电流空间矢量与A轴夹