(精品)第8章同步电动机变压变频调速系统(《电.ppt

电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统 运动控制系统运动控制系统第第8章章同步电动机变压变同步电动机变压变频调速系统频调速系统 同步电动机变压变频调速系统同步电动机变压变频调速系统l同同步步电电动动机机直直接接投投入入电电网网运运行行时时，存存在在失失步步与与起起动动困困难难两两大大问问题题，曾曾制约着同步电动机的应用。制约着同步电动机的应用。l同同步步电电动动机机的的转转速速恒恒等等于于同同步步转转速速，所所以以同同步步电电动动机机的的调调速速只只能能是是变变频频调速。调速。同步电动机变压变频调速系统同步电动机变压变频调速系统l变变频频技技术术的的发发展展与与成成熟熟不不仅仅实实现现了了同同步步电电动动机机的的调调速速，同同时时也也解解决决了了失失步步与与起起动动问问题题，使使之之不不再再是是限限制制同同步步电电动动机机运运行行的的障障碍碍。随随着着变变频频技技术术的的发发展展，同同步步电电动动机机调调速速系系统统的的应应用用日日益益广泛。广泛。l同同步步电电动动机机调调速速可可分分为为自自控控式式和和他他控控式两种，适用于不同的应用场合。式两种，适用于不同的应用场合。内内 容容 提提 要要n同步电动机的稳态模型与调速方法同步电动机的稳态模型与调速方法n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n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n同步电动机矢量控制系统同步电动机矢量控制系统n同步电动机直接转矩控制系统同步电动机直接转矩控制系统8.1同步电动机的稳态模型与同步电动机的稳态模型与调速方法调速方法l同同步步电电动动机机的的基基本本特特征征与与调调速速方方法法，讨讨论论同同步步电电动动机机的的矩矩角角特特性性和和稳稳定定运运行行，分分析析同步电动机的失步与起动问题。同步电动机的失步与起动问题。l讨论同步电动机变频调速的机械特性。讨论同步电动机变频调速的机械特性。8.1.1 同步电动机的特点同步电动机的特点l同同步步电电动动机机在在转转子子侧侧有有独独立立的的直直流流励励磁磁，或或者者靠靠永永久久磁磁钢钢励励磁磁。还还可可能能有有自自身身短短路路的阻尼绕组。的阻尼绕组。l同同步步电电动动机机的的稳稳态态转转速速恒恒等等于于同同步步转转速速，机械特性硬机械特性硬8.1.1 同步电动机的特点同步电动机的特点l同步电动机有隐极与凸极之分。隐极式电同步电动机有隐极与凸极之分。隐极式电机气隙均匀；凸极式则不均匀，磁极直轴机气隙均匀；凸极式则不均匀，磁极直轴磁阻小，极间交轴磁阻大，两轴的电感系磁阻小，极间交轴磁阻大，两轴的电感系数不等，使数学模型更复杂一些。数不等，使数学模型更复杂一些。l同步电动机转子有独立励磁，在极低的电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，同步电动机的调速范源频率下也能运行，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。8.1.1 同步电动机的特点同步电动机的特点l异步电动机要靠加大转差才能提高转矩，异步电动机要靠加大转差才能提高转矩，而同步电机只须加大功角就能增大转矩，而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。更强的承受能力，动态响应快。8.1.1 同步电动机的分类同步电动机的分类 l同步电动机按励磁方式分为可控励磁同步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。电动机和永磁同步电动机两种。l可控励磁同步电动机在转子侧有独立的直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，也可流，改变输入功率因数，可以滞后，也可以超前。以超前。l永磁同步电动机的转子用永磁材料制成，永磁同步电动机的转子用永磁材料制成，无需直流励磁。无需直流励磁。永磁同步电动机的优点永磁同步电动机的优点l采用了永磁材料磁极，磁能积高，体积小、采用了永磁材料磁极，磁能积高，体积小、重量轻；重量轻；l转子没有铜损和铁损，没有滑环和电刷的转子没有铜损和铁损，没有滑环和电刷的摩擦损耗，运行效率高；摩擦损耗，运行效率高；l转动惯量小，允许脉冲转矩大，可获得较转动惯量小，允许脉冲转矩大，可获得较高的加速度，动态性能好；高的加速度，动态性能好；l结构紧凑，运行可靠。结构紧凑，运行可靠。气隙磁场分布气隙磁场分布l正弦波永磁同步电动机正弦波永磁同步电动机磁极采用永磁磁极采用永磁材料，输入三相正弦波电流时，气隙磁场材料，输入三相正弦波电流时，气隙磁场为正弦分布，称作正弦波永磁同步电动机，为正弦分布，称作正弦波永磁同步电动机，或简称永磁同步电动机缩写为或简称永磁同步电动机缩写为PMSM。l 梯形波永磁同步电动机梯形波永磁同步电动机气隙磁场呈梯气隙磁场呈梯形波分布，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。梯形波永磁同步电动机构成的自控变频同步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，缩写为电动机又称作无刷直流电动机，缩写为BLDM。8.1.3 同步电动机的转矩角同步电动机的转矩角特性特性l在在忽忽略略定定子子电电阻阻时时，同同步步电电动动机机从从定定子子侧侧输入的电磁功率输入的电磁功率8.1.3 同步电动机的转矩角同步电动机的转矩角特性特性图图8-1 凸极同步电动机稳定运行相量图凸极同步电动机稳定运行相量图8.1.3 同步电动机的转矩角同步电动机的转矩角特性特性l电磁功率电磁功率8.1.3 同步电动机的转矩角同步电动机的转矩角特性特性l电磁转矩电磁转矩 l第第1部部分分由由转转子子磁磁动动势势产产生生，是是同同步步电电动动机的主转矩；机的主转矩；l第第2部部分分由由于于磁磁路路不不对对称称产产生生，称称作作磁磁阻阻反应转矩。反应转矩。8.1.3 同步电动机的转矩角同步电动机的转矩角特性特性图图8-2 凸极同步电动机的矩角特性凸极同步电动机的矩角特性8.1.3 同步电动机的转矩角同步电动机的转矩角特性特性l隐极同步电动机隐极同步电动机 l电磁功率电磁功率l电磁转矩电磁转矩 8.1.3 同步电动机的转矩角同步电动机的转矩角特性特性图图8-3 隐极同步电动机的矩角特性隐极同步电动机的矩角特性电磁转矩最大电磁转矩最大 8.1.4 同步电动机的稳定运同步电动机的稳定运行行图图8-4 隐极同步电动机的矩角特性隐极同步电动机的矩角特性能够稳定运行能够稳定运行8.1.4 同步电动机的稳定运同步电动机的稳定运行行图图8-5 隐极同步电动机的矩角特性隐极同步电动机的矩角特性不能稳定运行，不能稳定运行，产生失步现象产生失步现象。8.1.5 同步电动机的起动同步电动机的起动l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，定子磁动势以同步转速旋转，电动机转速具有磁动势以同步转速旋转，电动机转速具有较大的滞后，不能快速跟上同步转速；较大的滞后，不能快速跟上同步转速；l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，故同步电动机不能起动。故同步电动机不能起动。l同步电动机中转子有起动绕组，使电动机同步电动机中转子有起动绕组，使电动机按异步电动机的方式起动，当转速接近同按异步电动机的方式起动，当转速接近同步转速时再通入励磁电流牵入同步。步转速时再通入励磁电流牵入同步。8.1.6 同步电动机的调速同步电动机的调速l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l同步电动机有确定的极对数同步电动机有确定的极对数l同同步步电电动动机机的的调调速速只只能能是是改改变变电电源源频频率率的的变频调速。变频调速。8.1.6 同步电动机的调速同步电动机的调速l忽略定子漏阻抗压降，则定子电压忽略定子漏阻抗压降，则定子电压 l同同步步电电动动机机变变频频调调速速的的电电压压频频率率特特性性与与异异步电动机变频调速相同。步电动机变频调速相同。l基基频频以以下下采采用用带带定定子子压压降降补补偿偿的的恒恒压压频频比比控控制制方方式式，基基频频以以上上采采用用电电压压恒恒定定的的控控制制方式。方式。8.1.6 同步电动机的调速同步电动机的调速图图8-6 同步电动机变频调速机械特性同步电动机变频调速机械特性基频以下基频以下 基频以上基频以上 8.2他控变频同步电动机调速他控变频同步电动机调速系统系统l他他控控变变频频调调速速的的特特点点是是电电源源频频率率与与同同步步电电动机的实际转速无直接的必然联系。动机的实际转速无直接的必然联系。l控控制制系系统统结结构构简简单单，可可以以同同时时实实现现多多台台同同步电动机调速。步电动机调速。l没有从根本上消除失步问题。没有从根本上消除失步问题。8.2.1转速开环恒压频比控转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速系统制的同步电动机群调速系统l多台永磁或磁阻同步电动机并联接在公共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。调节各台电动机的转速。l转子振荡和失步问题并未解决。转子振荡和失步问题并未解决。l各台同步电动机的负载不能太大，否则会各台同步电动机的负载不能太大，否则会造成负载大的同步电动机失步，进而使整造成负载大的同步电动机失步，进而使整个调速系统崩溃。个调速系统崩溃。8.2.1转速开环恒压频比控转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速系统制的同步电动机群调速系统图图8-7 多台同步电动机的恒压频比控制调速系统多台同步电动机的恒压频比控制调速系统8.2.2大功率同步电动机调大功率同步电动机调速系统速系统l可以采用恒压频比控制，在起动过程中，可以采用恒压频比控制，在起动过程中，同步电动机定子电源频率按斜坡规律变化，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。同步电动机顺利起动。l起动结束后，同步电动机转速等于同步转起动结束后，同步电动机转速等于同步转速，稳态转差等于零。速，稳态转差等于零。l也可以采用转速闭环控制的矢量控制或直也可以采用转速闭环控制的矢量控制或直接转矩控制。接转矩控制。8.2.2大功率同步电动机调大功率同步电动机调速系统速系统图图8-8 变压变频器供电的同步电动机调速系统变压变频器供电的同步电动机调速系统8.3自控变频同步电动机调速自控变频同步电动机调速系统系统l他他控控变变频频同同步步电电动动机机调调速速系系统统变变频频器器的的输输出出频频率率与与转转子子转转速速或或位位置置无无直直接接的的关关系系，若控制不当，仍然会造成失步。若控制不当，仍然会造成失步。l根根据据转转子子位位置置直直接接控控制制变变频频装装置置的的输输出出电电压压或或电电流流的的相相位位，就就能能从从根根本本上上杜杜绝绝失失步步现象，这就是自控变频同步电动机的初衷。现象，这就是自控变频同步电动机的初衷。8.3.1自控变频同步电动机自控变频同步电动机图图8-9 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UI逆变器逆变器 BQ转子位置检测器转子位置检测器需要两套需要两套可控功率可控功率单元，系单元，系统结构复统结构复杂。杂。8.3.1自控变频同步电动机自控变频同步电动机l在在基基频频以以下下调调速速时时，需需要要电电压压频频率率协协调调控控制。制。l需需要要一一套套直直流流调调压压装装置置，为为逆逆变变器器提提供供可可调的直流电源。调的直流电源。l调调速速时时改改变变直直流流电电压压，转转速速将将随随之之变变化化，逆变器的输出频率自动跟踪转速。逆变器的输出频率自动跟踪转速。l在在表表面面上上只只控控制制了了电电压压，实实际际上上也也自自动动地地控控制制了了频频率率，这这就就是是自自控控变变频频同同步步电电动动机机变压变频调速。变压变频调速。8.3.1自控变频同步电动机自控变频同步电动机l采采用用PWM逆逆变变器器，既既完完成成变变频频，又又实实现现调压。调压。l可可控控整整流流器器就就可可以以用用不不可可控控整整流流器器，或或直直接接由由直直流流母母线线供供电电，系系统统结结构构简简单单，只只需需一套可控功率单元。一套可控功率单元。8.3.1自控变频同步电动机自控变频同步电动机图图8-10 PWM控制的自控变频同步电动机及调速原理图控制的自控变频同步电动机及调速原理图8.3.1自控变频同步电动机自控变频同步电动机l从从电电动动机机本本身身看看，自自控控变变频频同同步步电电动动机机是是一一台台同同步步电电动动机机，可可以以是是永永磁磁式式的的，容容量量大时也可以用励磁式的。大时也可以用励磁式的。l把把电电动动机机和和逆逆变变器器、转转子子位位置置检检测测器器BQ合起来看，如同是一台直流电动机。合起来看，如同是一台直流电动机。l从从外外部部看看来来，改改变变直直流流电电压压，就就可可实实现现调调速，相当于直流电动机的调压调速。速，相当于直流电动机的调压调速。8.3.1自控变频同步电动机自控变频同步电动机l在在自自控控变变频频同同步步电电动动机机中中采采用用的的电电力力电电子子逆逆变变器器和和转转子子位位置置检检测测器器就就相相当当于于电电子子式式换换向向器器，用用静静止止的的电电力力电电子子电电路路代代替替了了容容易易产产生生火火花花的的旋旋转转接接触触式式换换向向器器，用用电电子子换向取代机械换向。换向取代机械换向。8.3.1自控变频同步电动机自控变频同步电动机l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，多用于带直流励磁代了机械式的换向器，多用于带直流励磁的同步电动机。的同步电动机。l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为核心，构成的自控弦波永磁同步电动机为核心，构成的自控变频同步电动机。变频同步电动机。8.3.1自控变频同步电动机自控变频同步电动机l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为以梯形波永磁同步电动机为核心的自控变频同步电动机，性能更接近核心的自控变频同步电动机，性能更接近于直流电动机。但没有电刷，故称无刷直于直流电动机。但没有电刷，故称无刷直流电动机。流电动机。l尽管在名称上有区别，本质上都是一样的，尽管在名称上有区别，本质上都是一样的，所以统称作所以统称作“自控变频同步电动机自控变频同步电动机”。8.3.2梯形波永磁同步电动梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统机的自控变频调速系统l无无刷刷直直流流电电动动机机实实质质上上是是一一种种特特定定类类型型的的永永磁磁同同步步电电动动机机，转转子子磁磁极极采采用用瓦瓦形形磁磁钢钢，经经专专门门的的磁磁路路设设计计，可可获获得得梯梯形形波波的的气气隙隙磁场，感应的电动势也是梯形波的。磁场，感应的电动势也是梯形波的。l逆变器提供与电动势严格同相的方波电流。逆变器提供与电动势严格同相的方波电流。8.3.2梯形波永磁同步电动梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统机的自控变频调速系统图图8-11 梯形波永磁同步电动机的电动势波形与近似的电梯形波永磁同步电动机的电动势波形与近似的电流波形图流波形图8.3.2梯形波永磁同步电动梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统机的自控变频调速系统图图8-12 梯形波永磁同步电动机的等效电路及逆变器主电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路原理图8.3.2梯形波永磁同步电动梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统机的自控变频调速系统图图8-13 PWM逆变逆变器输出电压器输出电压图图8-14 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8.3.2梯形波永磁同步电动梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统机的自控变频调速系统lPWM逆逆变变器器输输出出电电压压为为调调制制方方波波序序列列，换换相相的的顺顺序序与与三三相相桥桥式式晶晶闸闸管管可可控控整整流流电电路路相相同同，并并按按直直流流PWM的的方方法法对对方方波波进进行调制，同时完成变压变频功能。行调制，同时完成变压变频功能。l换换相相时时电电流流波波形形不不可可能能突突跳跳，其其波波形形实实际际上上只只能能是是近近似似梯梯形形的的，因因而而通通过过气气隙隙传传送送到转子的电磁功率也是梯形波。到转子的电磁功率也是梯形波。8.3.2梯形波永磁同步电动梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统机的自控变频调速系统l梯形波永磁同步电动机的电压方程梯形波永磁同步电动机的电压方程 8.3.2梯形波永磁同步电动梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统机的自控变频调速系统l在在非非换换相相情情况况下下，同同时时只只有有两两相相导导通通，从从逆逆变变器器直直流流侧侧看看进进去去，为为两两相相绕绕组组串串联联，则电磁功率则电磁功率l电磁转矩电磁转矩 8.3.2梯形波永磁同步电动梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统机的自控变频调速系统l不不考考虑虑换换相相过过程程及及PWM调调制制等等因因素素的的影影响响，VT1和和VT6导导通通时时，A、B两两相相导导通通，而而C相关断相关断l无刷直流电动机的电压方程无刷直流电动机的电压方程 8.3.2梯形波永磁同步电动梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统机的自控变频调速系统l采用采用PWM控制控制 l电压方程电压方程 l状态方程状态方程l电枢漏磁时间常数电枢漏磁时间常数 8.3.2梯形波永磁同步电动梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统机的自控变频调速系统l根据电机和电力拖动系统基本理论根据电机和电力拖动系统基本理论 8.3.2梯形波永磁同步电动梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统机的自控变频调速系统l无刷直流电动机的状态方程无刷直流电动机的状态方程8.3.2梯形波永磁同步电动梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统机的自控变频调速系统图图8-15 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8.3.2梯形波永磁同步电动梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统机的自控变频调速系统图图8-16 无刷直流电动机调速系统无刷直流电动机调速系统lASR和和ACR均为带有积分均为带有积分和输出限幅的和输出限幅的PI调节器，调调节器，调节器可参照直节器可参照直流调速系统的流调速系统的方法设计。方法设计。8.3.2梯形波永磁同步电动梯形波永磁同步电动机的自控变频调速系统机的自控变频调速系统图图8-17 无刷直流电动机调速系统结构图无刷直流电动机调速系统结构图8.4同步电动机矢量控制系统同步电动机矢量控制系统l通过坐标变换，把同步电动机等效成直流通过坐标变换，把同步电动机等效成直流电动机，再模仿直流电动机的控制方法进电动机，再模仿直流电动机的控制方法进行控制。行控制。l在同步电动机矢量控制系统中，为了准确在同步电动机矢量控制系统中，为了准确地定向，需要检测转子位置。地定向，需要检测转子位置。l因此，同步电动机矢量控制变频调速也可因此，同步电动机矢量控制变频调速也可归属于自控变频同步电动机调速系统。归属于自控变频同步电动机调速系统。8.4.1可控励磁同步电动机动可控励磁同步电动机动态数学模型态数学模型l作如下假定：作如下假定：（1）忽略空间谐波，设定子三相绕组对称，）忽略空间谐波，设定子三相绕组对称，所产生的磁动势沿气隙按正弦规律分布；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）忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的；是恒定的；（3）忽略铁心损耗；）忽略铁心损耗；（4）不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻）不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。的影响。8.4.1可控励磁同步电动机动可控励磁同步电动机动态数学模型态数学模型l定定子子三三相相绕绕组组是是静静止止的的，转转子子以以角角速速度度旋旋转转，转转子子上上的的励励磁磁绕绕组组在在励励磁磁电电压压供供电电下下流流过过励励磁电流。磁电流。l沿沿励励磁磁磁磁极极的的轴轴线线为为d轴轴，与与d轴轴正正交交的的是是q轴轴，dq坐坐标标系系固固定定在在转转子子上上，与与转转子子同同步步旋旋转。转。l阻阻尼尼绕绕组组是是多多导导条条类类似似笼笼型型的的绕绕组组，等等效效成成在在d轴和轴和q轴各自短路的两个独立的绕组。轴各自短路的两个独立的绕组。8.4.1可控励磁同步电动机动可控励磁同步电动机动态数学模型态数学模型图图8-18 带有阻尼绕组的同步电动机物理模型带有阻尼绕组的同步电动机物理模型8.4.1可控励磁同步电动机动可控励磁同步电动机动态数学模型态数学模型l考考虑虑同同步步电电动动机机的的凸凸极极效效应应和和阻阻尼尼绕绕组组，同同步电动机的定子电压方程为步电动机的定子电压方程为 8.4.1可控励磁同步电动机动可控励磁同步电动机动态数学模型态数学模型l转子电压方程转子电压方程 8.4.1可控励磁同步电动机动可控励磁同步电动机动态数学模型态数学模型l按按照照坐坐标标变变换换原原理理，将将定定子子电电压压方方程程从从ABC三相坐标系变换到三相坐标系变换到dq二相旋转坐标系。二相旋转坐标系。l定子电压方程定子电压方程8.4.1可控励磁同步电动机动可控励磁同步电动机动态数学模型态数学模型l在在dq两相旋转坐标系上的磁链方程为两相旋转坐标系上的磁链方程为8.4.1可控励磁同步电动机动可控励磁同步电动机动态数学模型态数学模型l同同步步电电动动机机在在dq坐坐标标系系上上的的转转矩矩和和运运动动方方程程分别为分别为8.4.1可控励磁同步电动机动可控励磁同步电动机动态数学模型态数学模型l转矩方程整理后得转矩方程整理后得 8.4.1可控励磁同步电动机动可控励磁同步电动机动态数学模型态数学模型l第一项是转子励磁磁动势和定子电枢反应磁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。步电动机主要的电磁转矩。l第二项是由凸极效应造成的磁阻变化在电枢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，称作反应转反应磁动势作用下产生的转矩，称作反应转矩或磁阻转矩。矩或磁阻转矩。l第三项是电枢反应磁动势与阻尼绕组磁动势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。相互作用的转矩。8.4.1可控励磁同步电动机动可控励磁同步电动机动态数学模型态数学模型l同步电动机的电压矩阵方程式同步电动机的电压矩阵方程式8.4.1可控励磁同步电动机动可控励磁同步电动机动态数学模型态数学模型l运动方程运动方程 l励励磁磁绕绕组组的的存存在在，增增加加了了状状态态变变量量的的维维数数，提提高高了了微微分分方方程程的的阶阶次次，而而凸凸极极效效应应使使得得d轴轴和和q轴轴参参数数不不等等，增增加加了了数数学学模模型型的的复复杂杂性。性。8.4.1可控励磁同步电动机动可控励磁同步电动机动态数学模型态数学模型l隐极式同步电动机的隐极式同步电动机的dq轴对称轴对称 l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8.4.1可控励磁同步电动机动可控励磁同步电动机动态数学模型态数学模型l隐极式同步电动机的状态方程隐极式同步电动机的状态方程 l漏磁系数漏磁系数 8.4.1可控励磁同步电动机动可控励磁同步电动机动态数学模型态数学模型图图8-19 隐极式同步电动机动态结构图隐极式同步电动机动态结构图8.4.1可控励磁同步电动机动可控励磁同步电动机动态数学模型态数学模型l同同步步电电动动机机也也是是个个非非线线性性、强强耦耦合合的的多多变变量量系系统统，若若考考虑虑阻阻尼尼绕绕组组的的作作用用和和凸凸极极效效应应时时，动动态态模模型型更更为为复复杂杂，与与异异步步电电动动机机相相比比，其其非线性、强耦合的程度有过之而无不及。非线性、强耦合的程度有过之而无不及。l为为了了达达到到良良好好的的控控制制效效果果，往往往往采采用用电电流流闭闭环控制的方式，实现对象的近似解耦。环控制的方式，实现对象的近似解耦。8.4.2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l保保持持同同步步电电动动机机的的气气隙隙磁磁链链恒恒定定，采采用用按按气气隙磁链定向。隙磁链定向。l忽忽略略阻阻尼尼绕绕组组的的作作用用，在在可可控控励励磁磁同同步步电电动动机机中中，除除转转子子直直流流励励磁磁外外，定定子子磁磁动动势势还还产产生生电电枢枢反反应应，直直流流励励磁磁与与电电枢枢反反应应合合成成起起来来产生气隙磁链。产生气隙磁链。8.4.2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l同同步步电电动动机机气气隙隙磁磁链链是是指指与与定定子子和和转转子子交交链链的的主主磁磁链链，沿沿dq轴轴分分解解得得在在dq坐坐标标系系的的表表达达式式l气隙磁链矢量可以用其幅值和角度来表示气隙磁链矢量可以用其幅值和角度来表示8.4.2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l定子磁链定子磁链l电磁转矩电磁转矩 8.4.2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l定定义义mt坐坐标标系系，使使m轴轴与与气气隙隙合合成成磁磁链链矢矢量重合，量重合，t轴与轴与m轴正交。轴正交。l将将定定子子三三相相电电流流合合成成矢矢量量和和励励磁磁电电流流矢矢量量沿沿m、t轴分解为励磁分量和转矩分量，轴分解为励磁分量和转矩分量，8.4.2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图图8-20 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8.4.2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l励励磁磁分分量量和和转转矩矩分分量量与与在在dq坐坐标标系系中中相相应应分量的关系分量的关系 8.4.2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l按气隙磁链定向按气隙磁链定向l由此导出由此导出8.4.2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l同步电动机的电磁转矩同步电动机的电磁转矩 l按按气气隙隙磁磁链链定定向向后后，同同步步电电动动机机的的转转矩矩公公式式与直流电动机转矩表达式相同。与直流电动机转矩表达式相同。8.4.2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l只只要要保保证证气气隙隙磁磁链链恒恒定定，控控制制定定子子电电流流的的转转矩矩分分量量就就可可以以方方便便灵灵活活地地控控制制同同步步电电动动机机的的电磁转矩。电磁转矩。l当当定定子子电电压压与与电电流流都都为为三三相相对对称称正正弦弦时时，电电压压相相量量与与电电流流相相量量的的相相位位差差等等于于合合成成矢矢量量的的夹夹角角，可可得得可可控控励励磁磁同同步步电电动动机机空空间间矢矢量量和和时间相量图。时间相量图。8.4.2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图图8-21 可控励磁同步电动机空间矢量图和时间相量可控励磁同步电动机空间矢量图和时间相量8.4.2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l要保证气隙磁链恒定，只要使要保证气隙磁链恒定，只要使恒定即可。恒定即可。l定定子子电电流流的的励励磁磁分分量量可可以以从从同同步步电电动动机机期期望望的的功功率率因因数数值值求求出出。一一般般说说来来，希希望望功功率率因因数数8.4.2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l按气隙磁链定向按气隙磁链定向 8.4.2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l以以A轴为参考坐标轴，则轴为参考坐标轴，则d轴的位置角为轴的位置角为可可以以通通过过电电机机轴轴上上的的位位置置传传感感器器BQ测测得得或或通通过转速积分得到。过转速积分得到。l定子电流空间矢量与定子电流空间矢量与A轴的夹角轴的夹角 8.4.2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l定子电流空间矢量与定子电流空间矢量与A轴夹角的期望值轴夹角的期望值l若使功率因数等于若使功率因数等于1 8.4.2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l由由定定子子电电流流空空间间矢矢量量的的期期望望值值和和相相位位角角的的期期望值，可以求出三相定子电流给定值望值，可以求出三相定子电流给定值8.4.2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图图8-22 同步电动机矢量运算器同步电动机矢量运算器8.4.2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图图8-23 可控励磁同步电动机基于电流模型的矢量控制系统可控励磁同步电动机基于电流模型的矢量控制系统8.4.2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l同同步步电电动动机机常常常常是是凸凸极极的的，其其直直轴轴和和交交轴轴磁磁路不同，因而电感值也不一样。路不同，因而电感值也不一样。l转转子子中中的的阻阻尼尼绕绕组组、定定子子绕绕组组电电阻阻及及漏漏抗抗对对系统性能有一定影响。系统性能有一定影响。l实际系统矢量运算器的算法要复杂得多。实际系统矢量运算器的算法要复杂得多。8.4.3正弦波永磁同步电动机矢正弦波永磁同步电动机矢量控制系统量控制系统l正正弦弦波波永永磁磁同同步步电电动动机机具具有有定定子子三三相相分分布布绕绕组组和和永永磁磁转转子子，在在磁磁路路结结构构和和绕绕组组分分布布上上保保证证定定子子绕绕组组中中的的感感应应电电动动势势具具有有正正弦弦波波形形，外施的定子电压和电流也应为正弦波。外施的定子电压和电流也应为正弦波。l永永磁磁同同步步电电动动机机一一般般没没有有阻阻尼尼绕绕组组，转转子子由由永磁体材料构成，无励磁绕组。永磁体材料构成，无励磁绕组。l永永磁磁同同步步电电动动机机具具有有幅幅值值恒恒定定、方方向向随随转转子子位置变化的转子磁动势。位置变化的转子磁动势。8.4.3正弦波永磁同步电动机矢正弦波永磁同步电动机矢量控制系统量控制系统图图8-24 永磁同步电动机物理模型永磁同步电动机物理模型8.4.3正弦波永磁同步电动机矢正弦波永磁同步电动机矢量控制系统量控制系统l假想转子由一般导磁材料构成，带有一个虚假想转子由一般导磁材料构成，带有一个虚拟的励磁绕组，通以虚拟的励磁电流，产生拟的励磁绕组，通以虚拟的励磁电流，产生的转子磁动势与永磁同步电动机的转子磁动的转子磁动势与永磁同步电动机的转子磁动势相等。势相等。l永磁同步电动机可以与一般的电励磁同步电永磁同步电动机可以与一般的电励磁同步电动机等效，唯一的差别是虚拟励磁电流恒定动机等效，唯一的差别是虚拟励磁电流恒定。虚拟励磁绕虚拟励磁绕组等效电感组等效电感 8.4.3正弦波永磁同步电动机矢正弦波永磁同步电动机矢量控制系统量控制系统l永磁同步电动机定子电压永磁同步电动机定子电压l考虑凸极效应时，磁链方程考虑凸极效应时，磁链方程8.4.3正弦波永磁同步电动机矢正弦波永磁同步电动机矢量控制系统量控制系统l转矩方程转矩方程l将磁链方程代入电压方程将磁链方程代入电压方程 8.4.3正弦波永磁同步电动机矢正弦波永磁同步电动机矢量控制系统量控制系统l永磁同步电动机的状态方程为永磁同步电动机的状态方程为l与与电电励励磁磁的的隐隐极极式式同同步步电电动动机机相相比比较较，隐隐极极式式永永磁磁同同步步电电动动机机的的数数学学模模型型阶阶次次低低，非非线线性强耦合程度有所减弱。性强耦合程度有所减弱。8.4.3正弦波永磁同步电动机矢正弦波永磁同步电动机矢量控制系统量控制系统l永磁同步电动机常采用按转子磁链定向控制，永磁同步电动机常采用按转子磁链定向控制，l代入转矩方程，得代入转矩方程，得8.4.3正弦波永磁同步电动机矢正弦波永磁同步电动机矢量控制系统量控制系统l在在基基频频以以下下的的恒恒转转矩矩工工作作区区中中，控控制制定定子子电电流矢量使之落在流矢量使之落在q轴上，即轴上，即l磁链方程为磁链方程为l电磁转矩方程电磁转矩方程 8.4.3正弦波永磁同步电动机矢正弦波永磁同步电动机矢量控制系统量控制系统图图8-25 永磁同步电动机转子磁链定向空间矢量图永磁同步电动机转子磁链定向空间矢量图a）恒转矩调速）恒转矩调速 b）弱磁恒功率调速）弱磁恒功率调速8.4.3正弦波永磁同步电动机矢正弦波永磁同步电动机矢量控制系统量控制系统l三相电流给定值三相电流给定值8.4.3正弦波永磁同步电动机矢正弦波永磁同步电动机矢量控制系统量控制系统图图8-26 按转子磁链定向的永磁同步电动机矢量运算器按转子磁链定向的永磁同步电动机矢量运算器8.4.3正弦波永磁同步电动机矢正弦波永磁同步电动机矢量控制系统量控制系统图图8-27 按转子磁链定向的永磁同步电动机矢量控制系统按转子磁链定向的永磁同步电动机矢量控制系统8.4.3正弦波永磁同步电动机矢正弦波永磁同步电动机矢量控制系统量控制系统l系统到达稳态时，电压方程为系统到达稳态时，电压方程为l当当负负载载增增加加时时，定定子子电电流流增增大大，使使定定子子磁磁链和反电动势加大，迫使定子电压升高。链和反电动势加大，迫使定子电压升高。l定定子子电电压压矢矢量量和和电电流流矢矢量量的的夹夹角角也也会会增增大大，造成功率因数降低。造成功率因数降低。8.5 同步电动机直接转矩控制同步电动机直接转矩控制系统系统l同同步步电电动动机机也也可可采采用用直直接接转转矩矩控控制制，以以下下分分析析可可控控励励磁磁同同步步电电动动机机和和正正弦弦波波永永磁磁同同步电动机的直接转矩控制系统。步电动机的直接转矩控制系统。8.5.1 可控励磁同步电动机直可控励磁同步电动机直接转矩控制系统接转矩控制系统l可控励磁同步电动机定子磁链可控励磁同步电动机定子磁链l按按定定子子定定向向磁磁链链坐坐标标系系（仍仍称称作作mt坐坐标标系系），使使m轴轴与与定定子子合合成成磁磁链链矢矢量量重重合合，t轴轴与与m轴正交。轴正交。8.5.1 可控励磁同步电动机直可控励磁同步电动机直接转矩控制系统接转矩控制系统图图8-28 可控励磁隐极式同步电动机空间矢量图可控励磁隐极式同步电动机空间矢量图8.5.1 可控励磁同步电动机直可控励磁同步电动机直接转矩控制系统接转矩控制系统l考虑到按定子磁链定向考虑到按定子磁链定向 l由此导出由此导出l同步电动机的电磁转矩同步电动机的电磁转矩8.5.1 可控励磁同步电动机直可控励磁同步电动机直接转矩控制系统接转矩控制系统l定定子子磁磁链链定定向向坐坐标标系系（mt坐坐标标系系）的的状状态态方程方程8.5.1 可控励磁同步电动机直可控励磁同步电动机直接转矩控制系统接转矩控制系统l坐标系旋转角速度坐标系旋转角速度l定定子子电电压压矢矢量量对对磁磁链链和和转转矩矩的的控控制制作作用用于于异异步步电电动动机机相相同同，不不再再重重述述，着着重重讨讨论论励励磁电流的控制。磁电流的控制。8.5.1 可控励磁同步电动机直可控励磁同步电动机直接转矩控制系统接转矩控制系统l励磁电流励磁电流l励磁电流给定励磁电流给定 8.5.1 可控励磁同步电动机直可控励磁同步电动机直接转矩控制系统接转矩控制系统图图8-29 可控励磁隐极式同步电动机直接转矩控制系统可控励磁隐极式同步电动机直接转矩控制系统8.5.2永磁同步电动机直接转矩永磁同步电动机直接转矩控制系统控制系统l永磁同步电动机的状态方程永磁同步电动机的状态方程 8.5.2永磁同步电动机直接转矩永磁同步电动机直接转矩控制系统控制系统l转矩方程转矩方程8.5