陳伯時(shí)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 第8章 同步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)

1、電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)第第8章章同步電動(dòng)機(jī)變壓變同步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)頻調(diào)速系統(tǒng) 同步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)同步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)l同步電動(dòng)機(jī)直接投入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)直接投入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，存在失步與起動(dòng)困難兩大問題，曾存在失步與起動(dòng)困難兩大問題，曾制約著同步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用。制約著同步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用。l同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速恒等于同步轉(zhuǎn)速，同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速恒等于同步轉(zhuǎn)速，所以同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速只能是變頻所以同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速只能是變頻調(diào)速。調(diào)速。同步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)同步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)l變頻技術(shù)的發(fā)展與成熟不僅實(shí)現(xiàn)了同變頻技術(shù)的發(fā)展與成熟不僅

2、實(shí)現(xiàn)了同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，同時(shí)也解決了失步步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，同時(shí)也解決了失步與起動(dòng)問題，使之不再是限制同步電與起動(dòng)問題，使之不再是限制同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的障礙。隨著變頻技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的障礙。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用日益展，同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛。廣泛。l同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速可分為自控式和他控同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速可分為自控式和他控式兩種，適用于不同的應(yīng)用場合。式兩種，適用于不同的應(yīng)用場合。內(nèi)內(nèi) 容容 提提 要要n同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型與調(diào)速方法同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型與調(diào)速方法n他控變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)他控變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)n自控變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)自控變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)n同步

3、電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)n同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)8.1同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型與調(diào)速方法與調(diào)速方法l同步電動(dòng)機(jī)的基本特征與調(diào)速方法，討同步電動(dòng)機(jī)的基本特征與調(diào)速方法，討論同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性和穩(wěn)定運(yùn)行，論同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性和穩(wěn)定運(yùn)行，分析同步電動(dòng)機(jī)的失步與起動(dòng)問題。分析同步電動(dòng)機(jī)的失步與起動(dòng)問題。l討論同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的機(jī)械特性。討論同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的機(jī)械特性。8.1.1 同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)l同步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子側(cè)有獨(dú)立的直流勵(lì)磁，同步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子側(cè)有獨(dú)立的直流勵(lì)磁，或者靠永久磁鋼勵(lì)磁。還可能有自身短或者靠永久磁鋼勵(lì)

4、磁。還可能有自身短路的阻尼繞組。路的阻尼繞組。l同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速恒等于同步轉(zhuǎn)速，同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速恒等于同步轉(zhuǎn)速，機(jī)械特性硬機(jī)械特性硬11160602ppfnnn8.1.1 同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)l同步電動(dòng)機(jī)有隱極與凸極之分。隱極式電同步電動(dòng)機(jī)有隱極與凸極之分。隱極式電機(jī)氣隙均勻；凸極式則不均勻，磁極直軸機(jī)氣隙均勻；凸極式則不均勻，磁極直軸磁阻小，極間交軸磁阻大，兩軸的電感系磁阻小，極間交軸磁阻大，兩軸的電感系數(shù)不等，使數(shù)學(xué)模型更復(fù)雜一些。數(shù)不等，使數(shù)學(xué)模型更復(fù)雜一些。l同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子有獨(dú)立勵(lì)磁，在極低的電同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子有獨(dú)立勵(lì)磁，在極低的電源頻率下也能運(yùn)行，同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范

5、源頻率下也能運(yùn)行，同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍比異步電動(dòng)機(jī)更寬。圍比異步電動(dòng)機(jī)更寬。8.1.1 同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)l異步電動(dòng)機(jī)要靠加大轉(zhuǎn)差才能提高轉(zhuǎn)矩，異步電動(dòng)機(jī)要靠加大轉(zhuǎn)差才能提高轉(zhuǎn)矩，而同步電機(jī)只須加大功角就能增大轉(zhuǎn)矩，而同步電機(jī)只須加大功角就能增大轉(zhuǎn)矩，同步電動(dòng)機(jī)比異步電動(dòng)機(jī)對轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)具有同步電動(dòng)機(jī)比異步電動(dòng)機(jī)對轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)具有更強(qiáng)的承受能力，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。更強(qiáng)的承受能力，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。8.1.1 同步電動(dòng)機(jī)的分類同步電動(dòng)機(jī)的分類 l同步電動(dòng)機(jī)按勵(lì)磁方式分為可控勵(lì)磁同步同步電動(dòng)機(jī)按勵(lì)磁方式分為可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)兩種。電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)兩種。l可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子側(cè)有

6、獨(dú)立的直可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子側(cè)有獨(dú)立的直流勵(lì)磁，可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的直流勵(lì)磁電流勵(lì)磁，可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的直流勵(lì)磁電流，改變輸入功率因數(shù)，可以滯后，也可流，改變輸入功率因數(shù)，可以滯后，也可以超前。以超前。l永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子用永磁材料制成，永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子用永磁材料制成，無需直流勵(lì)磁。無需直流勵(lì)磁。永磁同步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)永磁同步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)l采用了永磁材料磁極，磁能積高，體積小、采用了永磁材料磁極，磁能積高，體積小、重量輕；重量輕；l轉(zhuǎn)子沒有銅損和鐵損，沒有滑環(huán)和電刷的轉(zhuǎn)子沒有銅損和鐵損，沒有滑環(huán)和電刷的摩擦損耗，運(yùn)行效率高；摩擦損耗，運(yùn)行效率高；l轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，允許脈沖轉(zhuǎn)矩大，可獲得較轉(zhuǎn)動(dòng)

7、慣量小，允許脈沖轉(zhuǎn)矩大，可獲得較高的加速度，動(dòng)態(tài)性能好；高的加速度，動(dòng)態(tài)性能好；l結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)行可靠。結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)行可靠。氣隙磁場分布?xì)庀洞艌龇植糽正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)磁極采用永磁磁極采用永磁材料，輸入三相正弦波電流時(shí)，氣隙磁場材料，輸入三相正弦波電流時(shí)，氣隙磁場為正弦分布，稱作正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)，為正弦分布，稱作正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)，或簡稱永磁同步電動(dòng)機(jī)縮寫為或簡稱永磁同步電動(dòng)機(jī)縮寫為PMSM。l 梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)氣隙磁場呈梯氣隙磁場呈梯形波分布，性能更接近于直流電動(dòng)機(jī)。梯形波分布，性能更接近于直流電動(dòng)機(jī)。梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的自控變頻同步形

8、波永磁同步電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的自控變頻同步電動(dòng)機(jī)又稱作無刷直流電動(dòng)機(jī)，縮寫為電動(dòng)機(jī)又稱作無刷直流電動(dòng)機(jī)，縮寫為BLDM。8.1.3 同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩角同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩角特性特性l在忽略定子電阻時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)從定子側(cè)在忽略定子電阻時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)從定子側(cè)輸入的電磁功率輸入的電磁功率13cos3cos()3cos cos3sin sinMssssssssPPU IU IU IU I8.1.3 同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩角同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩角特性特性圖圖8-1 凸極同步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行相量圖凸極同步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行相量圖sincoscossinssqqsssddssqssdUIxUEIxIIII8.1.3 同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩角

9、同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩角特性特性l電磁功率電磁功率223cos cos3sin sin3cos3sinsin(cos )3cos3sin113sin3()cos sin3()3sinsin22MssssssqssdsssssqdsssdqdsdqssddqPU IU IU IU IUEUUUxxEUUxxxUxxU Exx x8.1.3 同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩角同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩角特性特性l電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩 2sin2)(3sin32qdmqdsdmssexxxxUxEUTl第第1部分由轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢產(chǎn)生，是同步電動(dòng)部分由轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢產(chǎn)生，是同步電動(dòng)機(jī)的主轉(zhuǎn)矩；機(jī)的主轉(zhuǎn)矩；l第第2部分由于磁路不對稱產(chǎn)生，稱作磁阻

10、部分由于磁路不對稱產(chǎn)生，稱作磁阻反應(yīng)轉(zhuǎn)矩。反應(yīng)轉(zhuǎn)矩。8.1.3 同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩角同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩角特性特性圖圖8-2 凸極同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性凸極同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性8.1.3 同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩角同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩角特性特性l隱極同步電動(dòng)機(jī)隱極同步電動(dòng)機(jī) l電磁功率電磁功率l電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩 dqxx3sinssMdU EPx3sinssemdU ETx8.1.3 同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩角同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩角特性特性圖圖8-3 隱極同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性隱極同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性2電磁轉(zhuǎn)矩最大電磁轉(zhuǎn)矩最大 max3ssemdU ETx8.1.4 同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行行圖圖8-4 隱極同步

11、電動(dòng)機(jī)的矩角特性隱極同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性02能夠穩(wěn)定運(yùn)行能夠穩(wěn)定運(yùn)行8.1.4 同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行行圖圖8-5 隱極同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性隱極同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性不能穩(wěn)定運(yùn)行，不能穩(wěn)定運(yùn)行，產(chǎn)生失步現(xiàn)象產(chǎn)生失步現(xiàn)象。28.1.5 同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)l當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)在工頻電源下起動(dòng)時(shí)，定子當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)在工頻電源下起動(dòng)時(shí)，定子磁動(dòng)勢以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速具有磁動(dòng)勢以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速具有較大的滯后，不能快速跟上同步轉(zhuǎn)速；較大的滯后，不能快速跟上同步轉(zhuǎn)速；l在一個(gè)周期內(nèi)，電磁轉(zhuǎn)矩的平均值等于零，在一個(gè)周期內(nèi)，電磁轉(zhuǎn)矩的平均值等于零，故同步電動(dòng)機(jī)不能起動(dòng)。故同步

12、電動(dòng)機(jī)不能起動(dòng)。l同步電動(dòng)機(jī)中轉(zhuǎn)子有起動(dòng)繞組，使電動(dòng)機(jī)同步電動(dòng)機(jī)中轉(zhuǎn)子有起動(dòng)繞組，使電動(dòng)機(jī)按異步電動(dòng)機(jī)的方式起動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速接近同按異步電動(dòng)機(jī)的方式起動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)再通入勵(lì)磁電流牽入同步。步轉(zhuǎn)速時(shí)再通入勵(lì)磁電流牽入同步。8.1.6 同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速l同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速l同步電動(dòng)機(jī)有確定的極對數(shù)同步電動(dòng)機(jī)有確定的極對數(shù)l同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速只能是改變電源頻率的同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速只能是改變電源頻率的變頻調(diào)速。變頻調(diào)速。pnfnn11608.1.6 同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速l忽略定子漏阻抗壓降，則定子電壓忽略定子漏阻抗壓降，則定子電壓 l

13、同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的電壓頻率特性與異同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的電壓頻率特性與異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速相同。步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速相同。l基頻以下采用帶定子壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比基頻以下采用帶定子壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制方式，基頻以上采用電壓恒定的控制控制方式，基頻以上采用電壓恒定的控制方式。方式。mNssSkNfU44. 418.1.6 同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速圖圖8-6 同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速機(jī)械特性同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速機(jī)械特性基頻以下基頻以下 max3ssedmE UTx常數(shù)基頻以上基頻以上 max1311sNsemdmUETxn8.2他控變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)他控變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)速系統(tǒng)l他控變頻調(diào)速的特點(diǎn)是電

14、源頻率與同步電他控變頻調(diào)速的特點(diǎn)是電源頻率與同步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速無直接的必然聯(lián)系。動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速無直接的必然聯(lián)系。l控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)多臺同控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)多臺同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速。步電動(dòng)機(jī)調(diào)速。l沒有從根本上消除失步問題。沒有從根本上消除失步問題。8.2.1轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的同步電動(dòng)機(jī)群調(diào)速系統(tǒng)制的同步電動(dòng)機(jī)群調(diào)速系統(tǒng)l多臺永磁或磁阻同步電動(dòng)機(jī)并聯(lián)接在公共多臺永磁或磁阻同步電動(dòng)機(jī)并聯(lián)接在公共的變頻器上，由統(tǒng)一的頻率給定信號同時(shí)的變頻器上，由統(tǒng)一的頻率給定信號同時(shí)調(diào)節(jié)各臺電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。調(diào)節(jié)各臺電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。l轉(zhuǎn)子振蕩和失步問題并未解決。轉(zhuǎn)子振蕩和失步問

15、題并未解決。l各臺同步電動(dòng)機(jī)的負(fù)載不能太大，否則會各臺同步電動(dòng)機(jī)的負(fù)載不能太大，否則會造成負(fù)載大的同步電動(dòng)機(jī)失步，進(jìn)而使整造成負(fù)載大的同步電動(dòng)機(jī)失步，進(jìn)而使整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)崩潰。個(gè)調(diào)速系統(tǒng)崩潰。8.2.1轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的同步電動(dòng)機(jī)群調(diào)速系統(tǒng)制的同步電動(dòng)機(jī)群調(diào)速系統(tǒng)圖圖8-7 多臺同步電動(dòng)機(jī)的恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)多臺同步電動(dòng)機(jī)的恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng)8.2.2大功率同步電動(dòng)機(jī)調(diào)大功率同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)速系統(tǒng)l可以采用恒壓頻比控制，在起動(dòng)過程中，可以采用恒壓頻比控制，在起動(dòng)過程中，同步電動(dòng)機(jī)定子電源頻率按斜坡規(guī)律變化，同步電動(dòng)機(jī)定子電源頻率按斜坡規(guī)律變化，將動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)差限制在允許的范

16、圍內(nèi)，以保證將動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)差限制在允許的范圍內(nèi)，以保證同步電動(dòng)機(jī)順利起動(dòng)。同步電動(dòng)機(jī)順利起動(dòng)。l起動(dòng)結(jié)束后，同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)起動(dòng)結(jié)束后，同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)差等于零。速，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)差等于零。l也可以采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的矢量控制或直也可以采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制。接轉(zhuǎn)矩控制。8.2.2大功率同步電動(dòng)機(jī)調(diào)大功率同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)速系統(tǒng)圖圖8-8 變壓變頻器供電的同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)變壓變頻器供電的同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)8.3自控變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)自控變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)速系統(tǒng)l他控變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)變頻器的輸他控變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)變頻器的輸出頻率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速或位置無直接的

17、關(guān)系，出頻率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速或位置無直接的關(guān)系，若控制不當(dāng)，仍然會造成失步。若控制不當(dāng)，仍然會造成失步。l根據(jù)轉(zhuǎn)子位置直接控制變頻裝置的輸出電根據(jù)轉(zhuǎn)子位置直接控制變頻裝置的輸出電壓或電流的相位，就能從根本上杜絕失步壓或電流的相位，就能從根本上杜絕失步現(xiàn)象，這就是自控變頻同步電動(dòng)機(jī)的初衷?，F(xiàn)象，這就是自控變頻同步電動(dòng)機(jī)的初衷。8.3.1自控變頻同步電動(dòng)機(jī)自控變頻同步電動(dòng)機(jī)圖圖8-9 自控變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速原理圖自控變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速原理圖UI逆變器逆變器 BQ轉(zhuǎn)子位置檢測器轉(zhuǎn)子位置檢測器需要兩套需要兩套可控功率可控功率單元，系單元，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。雜。8.3.1自控變頻同步電動(dòng)機(jī)自控變頻同步電動(dòng)

18、機(jī)l在基頻以下調(diào)速時(shí)，需要電壓頻率協(xié)調(diào)控在基頻以下調(diào)速時(shí)，需要電壓頻率協(xié)調(diào)控制。制。l需要一套直流調(diào)壓裝置，為逆變器提供可需要一套直流調(diào)壓裝置，為逆變器提供可調(diào)的直流電源。調(diào)的直流電源。l調(diào)速時(shí)改變直流電壓，轉(zhuǎn)速將隨之變化，調(diào)速時(shí)改變直流電壓，轉(zhuǎn)速將隨之變化，逆變器的輸出頻率自動(dòng)跟蹤轉(zhuǎn)速。逆變器的輸出頻率自動(dòng)跟蹤轉(zhuǎn)速。l在表面上只控制了電壓，實(shí)際上也自動(dòng)地在表面上只控制了電壓，實(shí)際上也自動(dòng)地控制了頻率，這就是自控變頻同步電動(dòng)機(jī)控制了頻率，這就是自控變頻同步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速。變壓變頻調(diào)速。8.3.1自控變頻同步電動(dòng)機(jī)自控變頻同步電動(dòng)機(jī)l采用采用PWM逆變器，既完成變頻，又實(shí)現(xiàn)逆變器，既完成變頻

19、，又實(shí)現(xiàn)調(diào)壓。調(diào)壓。l可控整流器就可以用不可控整流器，或直可控整流器就可以用不可控整流器，或直接由直流母線供電，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，只需接由直流母線供電，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，只需一套可控功率單元。一套可控功率單元。8.3.1自控變頻同步電動(dòng)機(jī)自控變頻同步電動(dòng)機(jī)圖圖8-10 PWM控制的自控變頻同步電動(dòng)機(jī)及調(diào)速原理圖控制的自控變頻同步電動(dòng)機(jī)及調(diào)速原理圖8.3.1自控變頻同步電動(dòng)機(jī)自控變頻同步電動(dòng)機(jī)l從電動(dòng)機(jī)本身看，自控變頻同步電動(dòng)機(jī)是從電動(dòng)機(jī)本身看，自控變頻同步電動(dòng)機(jī)是一臺同步電動(dòng)機(jī)，可以是永磁式的，容量一臺同步電動(dòng)機(jī)，可以是永磁式的，容量大時(shí)也可以用勵(lì)磁式的。大時(shí)也可以用勵(lì)磁式的。l把電動(dòng)機(jī)和逆變器、轉(zhuǎn)子

20、位置檢測器把電動(dòng)機(jī)和逆變器、轉(zhuǎn)子位置檢測器BQ合起來看，如同是一臺直流電動(dòng)機(jī)。合起來看，如同是一臺直流電動(dòng)機(jī)。l從外部看來，改變直流電壓，就可實(shí)現(xiàn)調(diào)從外部看來，改變直流電壓，就可實(shí)現(xiàn)調(diào)速，相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速。速，相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速。8.3.1自控變頻同步電動(dòng)機(jī)自控變頻同步電動(dòng)機(jī)l在自控變頻同步電動(dòng)機(jī)中采用的電力電子在自控變頻同步電動(dòng)機(jī)中采用的電力電子逆變器和轉(zhuǎn)子位置檢測器就相當(dāng)于電子式逆變器和轉(zhuǎn)子位置檢測器就相當(dāng)于電子式換向器，用靜止的電力電子電路代替了容換向器，用靜止的電力電子電路代替了容易產(chǎn)生火花的旋轉(zhuǎn)接觸式換向器，用電子易產(chǎn)生火花的旋轉(zhuǎn)接觸式換向器，用電子換向取代機(jī)械換向

21、。換向取代機(jī)械換向。8.3.1自控變頻同步電動(dòng)機(jī)自控變頻同步電動(dòng)機(jī)l無換向器電動(dòng)機(jī)無換向器電動(dòng)機(jī)由于采用電子換相取由于采用電子換相取代了機(jī)械式的換向器，多用于帶直流勵(lì)磁代了機(jī)械式的換向器，多用于帶直流勵(lì)磁的同步電動(dòng)機(jī)。的同步電動(dòng)機(jī)。l正弦波永磁自控變頻同步電動(dòng)機(jī)正弦波永磁自控變頻同步電動(dòng)機(jī)以正以正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)為核心，構(gòu)成的自控弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)為核心，構(gòu)成的自控變頻同步電動(dòng)機(jī)。變頻同步電動(dòng)機(jī)。8.3.1自控變頻同步電動(dòng)機(jī)自控變頻同步電動(dòng)機(jī)l梯形波永磁自控變頻同步電動(dòng)機(jī)即無刷直梯形波永磁自控變頻同步電動(dòng)機(jī)即無刷直流電動(dòng)機(jī)流電動(dòng)機(jī)以梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)為以梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)為核心的自控變頻

22、同步電動(dòng)機(jī)，性能更接近核心的自控變頻同步電動(dòng)機(jī)，性能更接近于直流電動(dòng)機(jī)。但沒有電刷，故稱無刷直于直流電動(dòng)機(jī)。但沒有電刷，故稱無刷直流電動(dòng)機(jī)。流電動(dòng)機(jī)。l盡管在名稱上有區(qū)別，本質(zhì)上都是一樣的，盡管在名稱上有區(qū)別，本質(zhì)上都是一樣的，所以統(tǒng)稱作所以統(tǒng)稱作“自控變頻同步電動(dòng)機(jī)自控變頻同步電動(dòng)機(jī)”。8.3.2梯形波永磁同步電動(dòng)梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)l無刷直流電動(dòng)機(jī)實(shí)質(zhì)上是一種特定類型的無刷直流電動(dòng)機(jī)實(shí)質(zhì)上是一種特定類型的永磁同步電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子磁極采用瓦形磁鋼，永磁同步電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子磁極采用瓦形磁鋼，經(jīng)專門的磁路設(shè)計(jì)，可獲得梯形波的氣隙經(jīng)專門的磁路設(shè)計(jì)，可獲得梯形波的氣隙磁

23、場，感應(yīng)的電動(dòng)勢也是梯形波的。磁場，感應(yīng)的電動(dòng)勢也是梯形波的。l逆變器提供與電動(dòng)勢嚴(yán)格同相的方波電流。逆變器提供與電動(dòng)勢嚴(yán)格同相的方波電流。8.3.2梯形波永磁同步電動(dòng)梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)圖圖8-11 梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢波形與近似的電梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢波形與近似的電流波形圖流波形圖8.3.2梯形波永磁同步電動(dòng)梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)圖圖8-12 梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的等效電路及逆變器主電梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的等效電路及逆變器主電路原理圖路原理圖8.3.2梯形波永磁同步電動(dòng)梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的自控變頻調(diào)

24、速系統(tǒng)機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)圖圖8-13 PWM逆變逆變器輸出電壓器輸出電壓圖圖8-14 梯形波永磁同步梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)8.3.2梯形波永磁同步電動(dòng)梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)lPWM逆變器輸出電壓為調(diào)制方波序列，逆變器輸出電壓為調(diào)制方波序列，換相的順序與三相橋式晶閘管可控整流電換相的順序與三相橋式晶閘管可控整流電路相同，并按直流路相同，并按直流PWM的方法對方波進(jìn)的方法對方波進(jìn)行調(diào)制，同時(shí)完成變壓變頻功能。行調(diào)制，同時(shí)完成變壓變頻功能。l換相時(shí)電流波形不可能突跳，其波形實(shí)際換相時(shí)電流波形不可能突跳，其波形實(shí)際上只能是近似梯形的，因而通

25、過氣隙傳送上只能是近似梯形的，因而通過氣隙傳送到轉(zhuǎn)子的電磁功率也是梯形波。到轉(zhuǎn)子的電磁功率也是梯形波。8.3.2梯形波永磁同步電動(dòng)梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)l梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程 000000000000AsAAABsBBBCsCCCuRiLieduRiLiedtuRiLie8.3.2梯形波永磁同步電動(dòng)梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)l在非換相情況下，同時(shí)只有兩相導(dǎo)通，從在非換相情況下，同時(shí)只有兩相導(dǎo)通，從逆變器直流側(cè)看進(jìn)去，為兩相繞組串聯(lián)，逆變器直流側(cè)看進(jìn)去，為兩相繞組串聯(lián)，則電磁功率則電磁功率

26、l電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩 ppmIEP2pppppppmmmeInIEnnPPT22/8.3.2梯形波永磁同步電動(dòng)梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)l不考慮換相過程及不考慮換相過程及PWM調(diào)制等因素的影調(diào)制等因素的影響，響，VT1和和VT6導(dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通時(shí)，A、B兩相導(dǎo)通，兩相導(dǎo)通，而而C相關(guān)斷相關(guān)斷l(xiāng)無刷直流電動(dòng)機(jī)的電壓方程無刷直流電動(dòng)機(jī)的電壓方程 0ABpCiiIi ABpeeE 222pABsppdIuuR ILEdt8.3.2梯形波永磁同步電動(dòng)梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)l采用采用PWM控制控制 l電壓方程電壓方程 l狀態(tài)方程狀態(tài)方程l電樞

27、漏磁時(shí)間常數(shù)電樞漏磁時(shí)間常數(shù) dBAUuu222pspdpdIR ILUEdt12ppdpldIEUIdtTLL lsLTR8.3.2梯形波永磁同步電動(dòng)梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)l根據(jù)電機(jī)和電力拖動(dòng)系統(tǒng)基本理論根據(jù)電機(jī)和電力拖動(dòng)系統(tǒng)基本理論 22()pepepppeppeLEknTE In k IndTTdtJ8.3.2梯形波永磁同步電動(dòng)梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)l無刷直流電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)方程無刷直流電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)方程2212ppepLpedplssnndk ITdtJJdIkUIdtTLL 8.3.2梯形波永磁同步電動(dòng)梯形波永磁同步電

28、動(dòng)機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)圖圖8-15 無刷直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖無刷直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖8.3.2梯形波永磁同步電動(dòng)梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)圖圖8-16 無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)lASR和和ACR均為帶有積分均為帶有積分和輸出限幅的和輸出限幅的PI調(diào)節(jié)器，調(diào)調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器可參照直節(jié)器可參照直流調(diào)速系統(tǒng)的流調(diào)速系統(tǒng)的方法設(shè)計(jì)。方法設(shè)計(jì)。8.3.2梯形波永磁同步電動(dòng)梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)圖圖8-17 無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖8.4同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)同步電

29、動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)l通過坐標(biāo)變換，把同步電動(dòng)機(jī)等效成直流通過坐標(biāo)變換，把同步電動(dòng)機(jī)等效成直流電動(dòng)機(jī)，再模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法進(jìn)電動(dòng)機(jī)，再模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法進(jìn)行控制。行控制。l在同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)中，為了準(zhǔn)確在同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)中，為了準(zhǔn)確地定向，需要檢測轉(zhuǎn)子位置。地定向，需要檢測轉(zhuǎn)子位置。l因此，同步電動(dòng)機(jī)矢量控制變頻調(diào)速也可因此，同步電動(dòng)機(jī)矢量控制變頻調(diào)速也可歸屬于自控變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。歸屬于自控變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。8.4.1可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型態(tài)數(shù)學(xué)模型l作如下假定：作如下假定：（1）忽略空間諧波，設(shè)定子三相繞組對稱，）忽略空間諧波，設(shè)

30、定子三相繞組對稱，所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢沿氣隙按正弦規(guī)律分布；所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢沿氣隙按正弦規(guī)律分布；（2）忽略磁路飽和，各繞組的自感和互感都）忽略磁路飽和，各繞組的自感和互感都是恒定的；是恒定的；（3）忽略鐵心損耗；）忽略鐵心損耗；（4）不考慮頻率變化和溫度變化對繞組電阻）不考慮頻率變化和溫度變化對繞組電阻的影響。的影響。8.4.1可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型態(tài)數(shù)學(xué)模型l定子三相繞組是靜止的，轉(zhuǎn)子以角速度旋轉(zhuǎn)，定子三相繞組是靜止的，轉(zhuǎn)子以角速度旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子上的勵(lì)磁繞組在勵(lì)磁電壓供電下流過勵(lì)轉(zhuǎn)子上的勵(lì)磁繞組在勵(lì)磁電壓供電下流過勵(lì)磁電流。磁電流。l沿勵(lì)磁磁極的軸線為沿勵(lì)磁磁極的軸線為d軸

31、，與軸，與d軸正交的是軸正交的是q軸，軸，dq坐標(biāo)系固定在轉(zhuǎn)子上，與轉(zhuǎn)子同步旋坐標(biāo)系固定在轉(zhuǎn)子上，與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)。l阻尼繞組是多導(dǎo)條類似籠型的繞組，等效成阻尼繞組是多導(dǎo)條類似籠型的繞組，等效成在在d軸和軸和q軸各自短路的兩個(gè)獨(dú)立的繞組。軸各自短路的兩個(gè)獨(dú)立的繞組。8.4.1可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型態(tài)數(shù)學(xué)模型圖圖8-18 帶有阻尼繞組的同步電動(dòng)機(jī)物理模型帶有阻尼繞組的同步電動(dòng)機(jī)物理模型8.4.1可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型態(tài)數(shù)學(xué)模型l考慮同步電動(dòng)機(jī)的凸極效應(yīng)和阻尼繞組，同考慮同步電動(dòng)機(jī)的凸極效應(yīng)和阻尼繞組，同步電動(dòng)機(jī)的定子電壓方程為步電動(dòng)機(jī)的定

32、子電壓方程為 dtdiRudtdiRudtdiRuCCsCBBsBAAsA8.4.1可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型態(tài)數(shù)學(xué)模型l轉(zhuǎn)子電壓方程轉(zhuǎn)子電壓方程 dtdiRdtdiRdtdIRUrqrqrqrdrdrdffff008.4.1可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型態(tài)數(shù)學(xué)模型l按照坐標(biāo)變換原理，將定子電壓方程從按照坐標(biāo)變換原理，將定子電壓方程從ABC三相坐標(biāo)系變換到三相坐標(biāo)系變換到dq二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。l定子電壓方程定子電壓方程sdsqsqssqsqsdsdssddtdiRudtdiRu8.4.1可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型

33、態(tài)數(shù)學(xué)模型l在在dq兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的磁鏈方程為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的磁鏈方程為rqrqsqmqrqrdrdfmdsdmdrdrdmdffsdmdfrqmqsqsqsqrdmdfmdsdsdsdiLiLiLILiLiLILiLiLiLiLILiL8.4.1可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型態(tài)數(shù)學(xué)模型l同步電動(dòng)機(jī)在同步電動(dòng)機(jī)在dq坐標(biāo)系上的轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動(dòng)方程坐標(biāo)系上的轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動(dòng)方程分別為分別為)(sdsqsqsdpeiinTLpsdsqsqsdpLepTJniiJnTTJndtd)()(28.4.1可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型態(tài)數(shù)學(xué)模型l轉(zhuǎn)矩方程整理后得轉(zhuǎn)矩方程整理

34、后得 ()()epmdf sqpsdsqsd sqpmd rd sqmq rq sdTn LI inLLi inL i iL i i8.4.1可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型態(tài)數(shù)學(xué)模型l第一項(xiàng)是轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁動(dòng)勢和定子電樞反應(yīng)磁第一項(xiàng)是轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁動(dòng)勢和定子電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢轉(zhuǎn)矩分量相互作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，是同動(dòng)勢轉(zhuǎn)矩分量相互作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，是同步電動(dòng)機(jī)主要的電磁轉(zhuǎn)矩。步電動(dòng)機(jī)主要的電磁轉(zhuǎn)矩。l第二項(xiàng)是由凸極效應(yīng)造成的磁阻變化在電樞第二項(xiàng)是由凸極效應(yīng)造成的磁阻變化在電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢作用下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，稱作反應(yīng)轉(zhuǎn)反應(yīng)磁動(dòng)勢作用下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，稱作反應(yīng)轉(zhuǎn)矩或磁阻轉(zhuǎn)矩。矩或磁阻轉(zhuǎn)矩。l第三項(xiàng)是電樞

35、反應(yīng)磁動(dòng)勢與阻尼繞組磁動(dòng)勢第三項(xiàng)是電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢與阻尼繞組磁動(dòng)勢相互作用的轉(zhuǎn)矩。相互作用的轉(zhuǎn)矩。8.4.1可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型態(tài)數(shù)學(xué)模型l同步電動(dòng)機(jī)的電壓矩陣方程式同步電動(dòng)機(jī)的電壓矩陣方程式rqrdfsqsdrqmqrdmdmdmdfmdmqsqmdmdsdrqrdfsqsdrqrdfmdmdssdmqsqsfsqsdiiIiidtdLLLLLLLLLLLLLiiIiiRRRLLRLLLRUuu000000000000000000000000000008.4.1可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型態(tài)數(shù)學(xué)模型l運(yùn)動(dòng)方程運(yùn)動(dòng)方程 l勵(lì)磁繞組的存在，增加了

36、狀態(tài)變量的維數(shù)，勵(lì)磁繞組的存在，增加了狀態(tài)變量的維數(shù)，提高了微分方程的階次，而凸極效應(yīng)使得提高了微分方程的階次，而凸極效應(yīng)使得d軸和軸和q軸參數(shù)不等，增加了數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜軸參數(shù)不等，增加了數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜性。性。LpsdrqmqsqrdmdsqsdsqsdsqfmdpLepTJniiLiiLiiLLiILJnTTJndtd)()()(28.4.1可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型態(tài)數(shù)學(xué)模型l隱極式同步電動(dòng)機(jī)的隱極式同步電動(dòng)機(jī)的dq軸對稱軸對稱 l忽略阻尼繞組的作用，則動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為忽略阻尼繞組的作用，則動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為,sdsqsmdmqmLLL LLLfsqsdfmsmsfsqs

37、dfmssssfsqsdIiidtdLLLLLIiiRLRLoLRUuu000000LpsqfmpLepTJniILJnTTJndtd2)(8.4.1可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型態(tài)數(shù)學(xué)模型l隱極式同步電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)方程隱極式同步電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)方程 l漏磁系數(shù)漏磁系數(shù) 2()1111pppeLmf sqLmfsdsmsdsqfsdfssfssfsqsmsdsqfsqsssffmsmmsdsqfsdfsfsfsffnnndTTL I iTdtJJJL RdiRLiiIuUdtLL LLL LdiRLiiIudtLLLdIRL RLLiiIuUdtL LLLL LL 21msfLL

38、 L 8.4.1可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型態(tài)數(shù)學(xué)模型圖圖8-19 隱極式同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖隱極式同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖8.4.1可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型態(tài)數(shù)學(xué)模型l同步電動(dòng)機(jī)也是個(gè)非線性、強(qiáng)耦合的多變量同步電動(dòng)機(jī)也是個(gè)非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，若考慮阻尼繞組的作用和凸極效應(yīng)時(shí)，系統(tǒng)，若考慮阻尼繞組的作用和凸極效應(yīng)時(shí)，動(dòng)態(tài)模型更為復(fù)雜，與異步電動(dòng)機(jī)相比，其動(dòng)態(tài)模型更為復(fù)雜，與異步電動(dòng)機(jī)相比，其非線性、強(qiáng)耦合的程度有過之而無不及。非線性、強(qiáng)耦合的程度有過之而無不及。l為了達(dá)到良好的控制效果，往往采用電流閉為了達(dá)到良好的控制效果，往往采用電流閉環(huán)控

39、制的方式，實(shí)現(xiàn)對象的近似解耦。環(huán)控制的方式，實(shí)現(xiàn)對象的近似解耦。 8.4.2可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)l保持同步電動(dòng)機(jī)的氣隙磁鏈恒定，采用按氣保持同步電動(dòng)機(jī)的氣隙磁鏈恒定，采用按氣隙磁鏈定向。隙磁鏈定向。l忽略阻尼繞組的作用，在可控勵(lì)磁同步電動(dòng)忽略阻尼繞組的作用，在可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)中，除轉(zhuǎn)子直流勵(lì)磁外，定子磁動(dòng)勢還產(chǎn)機(jī)中，除轉(zhuǎn)子直流勵(lì)磁外，定子磁動(dòng)勢還產(chǎn)生電樞反應(yīng)，直流勵(lì)磁與電樞反應(yīng)合成起來生電樞反應(yīng)，直流勵(lì)磁與電樞反應(yīng)合成起來產(chǎn)生氣隙磁鏈。產(chǎn)生氣隙磁鏈。 8.4.2可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系

40、統(tǒng)隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)l同步電動(dòng)機(jī)氣隙磁鏈?zhǔn)侵概c定子和轉(zhuǎn)子交鏈同步電動(dòng)機(jī)氣隙磁鏈?zhǔn)侵概c定子和轉(zhuǎn)子交鏈的主磁鏈，沿的主磁鏈，沿dq軸分解得在軸分解得在dq坐標(biāo)系的表坐標(biāo)系的表達(dá)式達(dá)式l氣隙磁鏈?zhǔn)噶靠梢杂闷浞岛徒嵌葋肀硎練庀洞沛準(zhǔn)噶靠梢杂闷浞岛徒嵌葋肀硎緎qmgqfmsdmgdiLILiL22gqggdjarctgjgggdgqee8.4.2可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)l定子磁鏈定子磁鏈l電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩 gqsqlssqmsqlssqgdsdlsfmsdmsdlssdiLiLiLiLILiLiL)(sdgqsqgdpeiinT8.

41、4.2可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)l定義定義mt坐標(biāo)系，使坐標(biāo)系，使m軸與氣隙合成磁鏈?zhǔn)篙S與氣隙合成磁鏈?zhǔn)噶恐睾希恐睾?，t軸與軸與m軸正交。軸正交。l將定子三相電流合成矢量和勵(lì)磁電流矢量將定子三相電流合成矢量和勵(lì)磁電流矢量沿沿m、t軸分解為勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，軸分解為勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，8.4.2可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)圖圖8-20 可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)空間矢量圖可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)空間矢量圖8.4.2可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)隙磁鏈

42、定向矢量控制系統(tǒng)l勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量與在勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量與在dq坐標(biāo)系中相應(yīng)坐標(biāo)系中相應(yīng)分量的關(guān)系分量的關(guān)系 cossinsincosggsdsmggsqstiiiicossinsincos0fmggfftggiIi8.4.2可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)l按氣隙磁鏈定向按氣隙磁鏈定向l由此導(dǎo)出由此導(dǎo)出cossinsincos0gmgggdm smm fmm ggtgggqm stm ftL iL iL iL iL iftstfmsmgiiiii8.4.2可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)隙磁鏈定向矢量

43、控制系統(tǒng)l同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 l按氣隙磁鏈定向后，同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩公按氣隙磁鏈定向后，同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式與直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩表達(dá)式相同。式與直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩表達(dá)式相同。ftgmpstgmpeininT8.4.2可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)l只要保證氣隙磁鏈恒定，控制定子電流的只要保證氣隙磁鏈恒定，控制定子電流的轉(zhuǎn)矩分量就可以方便靈活地控制同步電動(dòng)轉(zhuǎn)矩分量就可以方便靈活地控制同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。l當(dāng)定子電壓與電流都為三相對稱正弦時(shí)，當(dāng)定子電壓與電流都為三相對稱正弦時(shí)，電壓相量與電流相量的相位差等于合成矢

44、電壓相量與電流相量的相位差等于合成矢量的夾角，可得可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)空間量的夾角，可得可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)空間矢量和時(shí)間相量圖。矢量和時(shí)間相量圖。8.4.2可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)圖圖8-21 可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)空間矢量圖和時(shí)間相量可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)空間矢量圖和時(shí)間相量8.4.2可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)l要保證氣隙磁鏈恒定，只要使要保證氣隙磁鏈恒定，只要使恒定即可。恒定即可。l定子電流的勵(lì)磁分量可以從同步電動(dòng)機(jī)期定子電流的勵(lì)磁分量可以從同步電動(dòng)機(jī)期望的功率因數(shù)值求出。一

45、般說來，希望功望的功率因數(shù)值求出。一般說來，希望功率因數(shù)率因數(shù)gsmfmiiicos1,2s0smi8.4.2可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)l按氣隙磁鏈定向按氣隙磁鏈定向 22122ssmststssmffmftftstgfmfmiiiitgiIiiiiarctgarctgii8.4.2可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)l以以A軸為參考坐標(biāo)軸，則軸為參考坐標(biāo)軸，則d軸的位置角為軸的位置角為可以通過電機(jī)軸上的位置傳感器可以通過電機(jī)軸上的位置傳感器BQ測得或通測得或通過轉(zhuǎn)速積分得到。過轉(zhuǎn)

46、速積分得到。l定子電流空間矢量與定子電流空間矢量與A軸的夾角軸的夾角 dtrrgs8.4.2可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)l定子電流空間矢量與定子電流空間矢量與A軸夾角的期望值軸夾角的期望值l若使功率因數(shù)等于若使功率因數(shù)等于1 *ststrgsrfmsmiiarctgarctgii*2strgsrfmiarctgi8.4.2可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)l由定子電流空間矢量的期望值和相位角的由定子電流空間矢量的期望值和相位角的期望值，可以求出三相定子電流給定值期望值，可以求出三相

47、定子電流給定值*cos2cos()32cos()3AsBsCsiiiiii8.4.2可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)圖圖8-22 同步電動(dòng)機(jī)矢量運(yùn)算器同步電動(dòng)機(jī)矢量運(yùn)算器8.4.2可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)圖圖8-23 可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)基于電流模型的矢量控制系統(tǒng)可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)基于電流模型的矢量控制系統(tǒng)8.4.2可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣可控勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)按氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)l同步電動(dòng)機(jī)常常是凸極的，其直軸和交軸同步電動(dòng)機(jī)常常是凸極的，其直軸和交軸磁

48、路不同，因而電感值也不一樣。磁路不同，因而電感值也不一樣。l轉(zhuǎn)子中的阻尼繞組、定子繞組電阻及漏抗轉(zhuǎn)子中的阻尼繞組、定子繞組電阻及漏抗對系統(tǒng)性能有一定影響。對系統(tǒng)性能有一定影響。l實(shí)際系統(tǒng)矢量運(yùn)算器的算法要復(fù)雜得多。實(shí)際系統(tǒng)矢量運(yùn)算器的算法要復(fù)雜得多。8.4.3正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)矢正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)量控制系統(tǒng)l正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)具有定子三相分布正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)具有定子三相分布繞組和永磁轉(zhuǎn)子，在磁路結(jié)構(gòu)和繞組分布繞組和永磁轉(zhuǎn)子，在磁路結(jié)構(gòu)和繞組分布上保證定子繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢具有正弦上保證定子繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢具有正弦波形，外施的定子電壓和電流也應(yīng)為正弦波形，外施的定子電壓和

49、電流也應(yīng)為正弦波。波。l永磁同步電動(dòng)機(jī)一般沒有阻尼繞組，轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)一般沒有阻尼繞組，轉(zhuǎn)子由永磁體材料構(gòu)成，無勵(lì)磁繞組。由永磁體材料構(gòu)成，無勵(lì)磁繞組。l永磁同步電動(dòng)機(jī)具有幅值恒定、方向隨轉(zhuǎn)永磁同步電動(dòng)機(jī)具有幅值恒定、方向隨轉(zhuǎn)子位置變化的轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢。子位置變化的轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢。8.4.3正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)矢正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)量控制系統(tǒng)圖圖8-24 永磁同步電動(dòng)機(jī)物理模型永磁同步電動(dòng)機(jī)物理模型8.4.3正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)矢正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)量控制系統(tǒng)l假想轉(zhuǎn)子由一般導(dǎo)磁材料構(gòu)成，帶有一個(gè)假想轉(zhuǎn)子由一般導(dǎo)磁材料構(gòu)成，帶有一個(gè)虛擬的勵(lì)磁繞組，通以虛擬的勵(lì)磁電流，虛擬的

50、勵(lì)磁繞組，通以虛擬的勵(lì)磁電流，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢與永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢與永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢相等。子磁動(dòng)勢相等。l永磁同步電動(dòng)機(jī)可以與一般的電勵(lì)磁同步永磁同步電動(dòng)機(jī)可以與一般的電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)等效，唯一的差別是虛擬勵(lì)磁電流電動(dòng)機(jī)等效，唯一的差別是虛擬勵(lì)磁電流恒定恒定。fI常數(shù)0dtdIffL虛擬勵(lì)磁繞虛擬勵(lì)磁繞組等效電感組等效電感 8.4.3正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)矢正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)量控制系統(tǒng)l永磁同步電動(dòng)機(jī)定子電壓永磁同步電動(dòng)機(jī)定子電壓l考慮凸極效應(yīng)時(shí)，磁鏈方程考慮凸極效應(yīng)時(shí)，磁鏈方程sdsqsqssqsqsdsdssddtdiRudtdiRuffsdmdfsq

51、sqsqfmdsdsdsdILiLiLILiL8.4.3正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)矢正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)量控制系統(tǒng)l轉(zhuǎn)矩方程轉(zhuǎn)矩方程l將磁鏈方程代入電壓方程將磁鏈方程代入電壓方程 ()()epsd sqsq sdpmdf sqsdsqsd sqTniinLI iLLi i000sdsdsdsdssqfsqsqsqsqsdsmduiLiRLdIuiLiLRLdt8.4.3正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)矢正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)量控制系統(tǒng)l永磁同步電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)方程為永磁同步電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)方程為l與電勵(lì)磁的隱極式同步電動(dòng)機(jī)相比較，隱與電勵(lì)磁的隱極式同步電動(dòng)機(jī)相比較，隱極式永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型階

52、次低，極式永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型階次低，非線性強(qiáng)耦合程度有所減弱。非線性強(qiáng)耦合程度有所減弱。sqsqfsqmdsqsqssdsqsdsqsdsdsqsdsqsdsdssdLpsqsdsqsdsqfmdpLepuLILLiLRiLLdtdiuLiLLiLRdtdiTJniiLLiILJnTTJndtd11)()(28.4.3正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)矢正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)量控制系統(tǒng)l永磁同步電動(dòng)機(jī)常采用按轉(zhuǎn)子磁鏈定向控永磁同步電動(dòng)機(jī)常采用按轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制，制，l代入轉(zhuǎn)矩方程，得代入轉(zhuǎn)矩方程，得fsdmdffLiLI)(2sqsdsqsdsqsdfmdsqffmdpeiiLLiiLLiL

53、LnT8.4.3正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)矢正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)量控制系統(tǒng)l在基頻以下的恒轉(zhuǎn)矩工作區(qū)中，控制定子在基頻以下的恒轉(zhuǎn)矩工作區(qū)中，控制定子電流矢量使之落在電流矢量使之落在q軸上，即軸上，即l磁鏈方程為磁鏈方程為l電磁轉(zhuǎn)矩方程電磁轉(zhuǎn)矩方程 0sdissqiifffssqsqfmdsdILiLILsffmdpeiLLnT8.4.3正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)矢正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)量控制系統(tǒng)圖圖8-25 永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈定向空間矢量圖永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈定向空間矢量圖a）恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速）恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速 b）弱磁恒功率調(diào)速）弱磁恒功率調(diào)速8.4.3正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)矢正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)量控制系統(tǒng)l三相電流給定值三相電流給定值*cos()sin222cos()sin()23322cos()sin()233AsrsrBsrsrBsrsriiiiiiiii 8.4.3正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)矢正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)量控制系統(tǒng)圖圖8-26 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量運(yùn)算器按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量運(yùn)算器8.4.3正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)矢正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)量控制系統(tǒng)圖圖8-27 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的永磁同步電