1、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 运动控制系统内容提要内容提要 同步电动机变压变频调速的特点及其基本类型他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6.1 同步电动机的基本特征与调速方法同步电动机的基本特征与调速方法 本节提要本节提要概述同步调速系统的类型同步调速系统的特点1.概述概述 同步电动机历来是以转速与电源频率保持严格同步著称的。只要电源频率保持恒定，同步电动机的转速就绝对不变。采用电力电子装置实现电压-频率协调控制，改变了同步电动机历来只能恒速运行不能调速的面貌。起动费事、重载时振荡或失步等问题也已不再是同步电动机广泛应用的障碍。6.1.1 同步电机的特点
2、与问题同步电机的特点与问题l优点：（1）转速与电压频率严格同步；（2）功率因数高到1.0，甚至超前；l存在的问题：（1）起动困难；（2）重载时有振荡，甚至存在失步危险；n 解决思路解决思路l问题的根源：供电电源频率固定不变。l解决办法：采用电压-频率协调控制，可解决由固定频率电源供电而产生的问题。例如例如p对于起动问题：通过变频电源频率的平滑调节，使电机转速逐渐上升，实现软起动。p对于振荡和失步问题：由于采用频率闭环控制，同步转速可以跟着频率改变，于是就不会振荡和失步了。同步调速系统的特点同步调速系统的特点（1）交流电机旋转磁场的同步转速1与定子电源频率f1有确定的关系异步电动机的稳态转速总是
3、低于同步转速的，二者之差叫做转差s；同步电动机的稳态转速等于同步转速，转差s=0。（8-1）同步调速系统的特点（续）同步调速系统的特点（续）（2）异步电动机的磁场仅靠定子供电产生，而同步电动机除定子磁动势外，转子侧还有独立的直流励磁，或者用永久磁钢励磁。（3）同步电动机和异步电动机的定子都有同样的交流绕组，一般都是三相的，而转子绕组则不同，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。（4）异步电动机的气隙是均匀的，而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，两轴的电感系数不等，造成数学模型上的复杂性。但凸极效应能产生平均转矩，单靠凸极效应运
4、行的同步电动机称作磁阻式同步电动机。同步调速系统的特点（续）同步调速系统的特点（续）（5）异步电动机由于励磁的需要，必须从电源吸取滞后的无功电流，空载时功率因数很低。同步电动机则可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。当cos =1.0时，电枢铜损最小，还可以节约变压变频装置的容量。同步调速系统的特点（续）同步调速系统的特点（续）（6）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。（7）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，同步电动机比异步电动机对转矩扰动具有更
5、强的承受能力，能作出更快的动态响应。同步调速系统的特点（续）同步调速系统的特点（续）返回目录6.1.2.同步调速系统的类型同步调速系统的类型（1）他控变频调速系统他控变频调速系统 用独立的变压变频装置给同步电动机供电的系统。（2）自控变频调速系统自控变频调速系统 用电动机本身轴上所带转子位置检测器或电动机反电动势波形提供的转子位置信号来控制变压变频装置换相时刻的系统。6.1.3 同步电动机的矩角特性同步电动机的矩角特性同步交流电动机由于转速与磁势旋转速度相同一致，因此电机负载力矩的变化不会影响转速；否则就是失步。同步电动机的电磁力矩与定子磁势和转子磁势的夹角有关，反映在电路变量上是输入电压U与
6、电动势的夹角。同步电机原理简述同步电机原理简述同步电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成。一般分为转场式同步电机和转枢式同步电机。图15.1给出了最常用的转场式同步电机的结构模型，其定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。同步电动机结构原理图同步电动机结构原理图同步电机结构形式同步电机结构形式凸极式转子 凸极式转子上有明显凸出的成对磁极和励磁线圈，如图15.3 所示。当励磁线圈中通过直流励磁电流后，每个磁极就出现一定的极性，相邻磁极交替为 N 极和 S 极。对水轮发电机来说，由于水轮机的转速较低，要发出工频电能，发电机的极数就比
7、较多，做成凸极式结构工艺上较为简单。另外，中小型同步电机多半也做成凸极式。隐极式转子 隐极式转子上没有凸出的磁极，如图15.2b所示。沿着转子本体圆周表面上，开有许多槽，这些槽中嵌放着励磁绕组。在转子表面约1/3部分没有开槽，构成所谓大齿，是磁极的中心区。励磁绕组通入励磁电流后，沿转子圆周也会出现 N 极和 S 极。在大容量高转速汽轮发电机中，转子圆周线速度极高，最大可达170米/秒。为了减小转子本体及转子上的各部件所承受的巨大离心力，大型汽轮发电机都做成细长的隐极式圆柱体转子。考虑到转子冷却和强度方面的要求，隐极式转子的结构和加工工艺较为复杂。U=IZ+E=RI+jXI+E图图6-1 凸极同
8、步电动机稳定运行相量图（功率因数凸极同步电动机稳定运行相量图（功率因数超前）超前）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6,7,8 （6-2）由图6-1得 ，于是 （6-3）将代入式（6-3），（6-4）其中，其中，定子相电压有效值，定子相电流有效值，转子磁势在定子绕组产生的感应电势，定子直轴电抗，定子交轴电抗，功率因数角，与 间的相位角，与 间的相位角，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。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
9、，第2部分是由于磁路不对称产生的。式（6-4）和式（6-5）是凸极同步电动机的功角特性和矩角特性。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）图6-2为隐极同步电动机的矩角特性，当时，电磁转矩最大 （6-8）图图6-2 隐极同步电动机的矩角特性隐极同步电动机的矩角特性6.1.4 同步电动机的稳定运行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。1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，即 。当负载转矩加大为时，转子减速使角增加，当 ，电磁转矩和负载转矩又达到平衡，即 ，同步电动机仍以同步转速稳定运行，参见图
10、6-3。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。图图6-3 在在 的范围内，隐极同步电动机的矩角的范围内，隐极同步电动机的矩角特性特性2在在 的范围内的范围内同步电动机的运行于，假定电磁转矩和负载转矩相平衡。当负载转矩加大为时，转子减速使角增加，但随着角增加，电磁转矩反而减小，由于电磁转矩的减小，导致角继续增加，参见图6-4。最终，同步电动机转速偏离同步转速，这种现象称为“失步”。所以，在的范围内，同步电动机不能稳定运行，将产生失步现象。图图6-4 在在 的范围内，隐极同步电动机的矩角的范围内，隐极同步电动机的矩角特性特性6.1.5 同步电
11、动机的起动同步电动机的起动仍以隐极同步电动机为例讨论同步电动机的起动问题，分析同步电动机工作原理可知，角有双重意义。一是电动势与电压之间的相位角，这是时间电角度；另一层的含义是，产生电动势的转子磁动势与定子磁动势之间的夹角，这是个空间电角度。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；当时，电磁转矩，产生制动作用，角以为周期变化，电磁转矩呈正弦规律变化，如图6-5所示。在一个周期内，电磁转矩的平均值等于零，即，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
12、动，接近同步转速时再通入励磁电流牵入同步6,7,8。图图6-5 同步电动机在工频电源下起动转矩同步电动机在工频电源下起动转矩6.1.6 同步电动机的调速同步电动机的调速长期以来，同步电动机的失步和起动问题限制了其应用场合和范围，采用变频技术，不仅实现了同步电动机的调速，也解决了失步和起动问题。同步电动机的转速等于同步转速 （6-9）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。同步电动机的定子结构与异步电动机相同，若忽略定子漏阻抗压降，则定子电压约等于 （6-10）因此，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
13、的恒压频比控制方式，基频以上采用电压恒定的控制方式。同步电动机的变频调速方法有两种：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，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。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。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。6.2 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 与异步电动机变压变频调速一样，用独立的变压变频装置给同步电动机供电的系统称作他控变他控变频调速系统频调速
14、系统。本节提要本节提要转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速系统由交-直-交电流型负载换流变压变频器供电的同步电动机调速系统由交-交变压变频器供电的大型低速同步电动机调速系统按气隙磁场定向的同步电动机矢量控制系统同步电动机的多变量动态数学模型6.2.1 转速开环恒压频比控制的同步电动机转速开环恒压频比控制的同步电动机 群调速系统群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，是一种最简单的他控变频调速系统，多用于化纺工业小容量多电动机拖动系统中。这种系统采用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。系统组成图6-6多台同步电动机的恒压频
15、比控制调速系统l多台永磁或磁阻同步电动机并联接在公共的电压源型PWM变压变频器上，由统一的频率给定信号f*同时调节各台电动机的转速。lPWM变压变频器中，带定子压降补偿的恒压频比控制保证了同步电动机气隙磁通恒定，缓慢地调节频率给定f*可以逐渐地同时改变各台电机的转速。n系统控制系统控制n 系统特点系统特点l系统结构简单，控制方便，只需一台变频器供电，成本低廉。l由于采用开环调速方式，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。6.2.2 大功率同步电动机调速系统大功率同步电动机调速系统 概述概述另一类大型同步电动机变压变频调速系统用于低速的电力拖动
16、，例如无齿轮传动的可逆轧机、矿井提升机、水泥转窑等。该系统由交-交变压变频器（又称周波变换器）供电，其输出频率为2025Hz（当电网频率为50Hz时），对于一台20极的同步电动机，同步转速为120150r/min，直接用来拖动轧钢机等设备是很合适的，可以省去庞大的齿轮传动装置。n 系统组成系统组成图6-7由交-交变压变频器供电的大型低速同步电动机调速系统 这类调速系统的基本结构画在图6-7中，可以实现4象限运行。控制器按需要可以是常规的，也可以采用矢量控制，后者在下一小节再详细讨论。n 系统控制系统控制6.3 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 本节摘要本节摘要基本结构与原理
17、梯形波永磁同步电动机（无刷直流电动机）的自控变频调速系统正弦波永磁同步电动机的自控变频调速系统6.3.1 基本结构与原理基本结构与原理图6-8自控变频同步电动机调速系统结构原理图n 基本结构n 结构特点结构特点（1）在电动机轴端装有一台转子位置检测器BQ（见图6-8），由它发出的信号控制变压变频装置的逆变器UI换流，从而改变同步电动机的供电频率，保证转子转速与供电频率同步。调速时则由外部信号或脉宽调制（PWM）控制UI的输入直流电压。结构特点（续）结构特点（续）（2）从电动机本身看，它是一台同步电动机，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。直流电动机电枢里
18、面的电流本来就是交变的，只是经过换向器和电刷才在外部电路表现为直流，这时，换向器相当于机械式的逆变器，电刷相当于磁极位置检测器。这里，则采用电力电子逆变器和转子位置检测器替代机械式换向器和电刷。n 自控变频同步电动机的分类自控变频同步电动机的分类 自控变频同步电动机在其开发与发展的过程中，曾采用多种名称，有的至今仍习惯性地使用着，它们是：l无换向器电动机l三相永磁同步电动机（输入正弦波电流时）l无刷直流电动机（采用方波电流时）n 永磁电动机控制系统的优点永磁电动机控制系统的优点l由于采用了永磁材料磁极，特别是采用了稀土金属永磁，因此容量相同时电机的体积小、重量轻；l转子没有铜损和铁损，又没有滑
19、环和电刷的摩擦损耗，运行效率高；l转动惯量小，允许脉冲转矩大，可获得较高的加速度，动态性能好；l结构紧凑，运行可靠。8.3.2 梯形波永磁同步电动机（无刷直流电梯形波永磁同步电动机（无刷直流电 动机）的自控变频调速系统动机）的自控变频调速系统 1.概概 述述无刷直流电动机实质上是一种特定类型的同步电动机，调速时只在表面上控制了输入电压，实际上也自动地控制了频率，仍属于同步电动机的变压变频调速。n 电动势与电流波形电动势与电流波形永磁无刷直流电动机的转子磁极采用瓦形磁钢，经专门的磁路设计，可获得梯形波的气隙磁场，定子采用集中整距绕组，因而感应的电动势也是梯形波的。由逆变器提供与电动势严格同相的方
20、波电流，同一相（例如A相）的电动势eA和电流波iA形图如图6-10所示。电动势与电流波形（续）电动势与电流波形（续）图6-10梯形波永磁同步电动机的电动势与电流波形图 eAiAIPEPiAeAOt由于各相电流都是方波，逆变器的电压只须按直流PWM的方法进行控制，比各种交流PWM控制都要简单得多，这是设计梯形波永磁同步电动机的初衷。然而由于绕组电感的作用，换相时电流波形不可能突跳，其波形实际上只能是近似梯形的，因而通过气隙传送到转子的电磁功率也是梯形波。n 转矩脉动转矩脉动如图6-13所示，实际的转矩波形每隔60都出现一个缺口，而用PWM调压调速又使平顶部分出现纹波，这样的转矩脉动使梯形波永磁同
21、步电动机的调速性能低于正弦波的永磁同步电动机。转矩脉动（续）转矩脉动（续）图6-13梯形波永磁同步电动机的转矩脉动 n 逆变器电路逆变器电路图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2.稳态模型 逆变器工作方式逆变器工作方式由三相桥式逆变器供电的Y接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如图6-11所示，逆变器通常采用120导通型的，当两相导通时，另一相断开。对于梯形波的电动势和电流，不能简单地用矢量表示，因而旋转坐标变换也不适用，只好在静止的ABC坐标上建立电机的数学模型。当电动机中点与直流母线负极共地时，电动机的电压方程可以用下式表示n 电压方程电压方程电压方
22、程（续）电压方程（续）三相输入对地电压；三相电流；三相电动势；定子每相电阻；定子每相绕组的自感；定子任意两相绕组间的互感。（6-11）式中uA、uB、uC iA、iB、iC eA、eB、eC RsLsLm电压方程（续）电压方程（续）由于三相定子绕组对称，故有iA+iB+iC=0则Lm iB+Lm iC=-Lm iALm iC+Lm iA=-Lm iBLm iA+Lm iB=-Lm iC 电压方程（续）电压方程（续）代入式（6-11），并整理后得（6-12）n 转矩方程转矩方程设图6-10中方波电流的峰值为Ip，梯形波电动势的峰值为Ep，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
23、相绕组串联，则电磁功率为Pm=2 Ep Ip。忽略电流换相过程的影响，电磁转矩为（6-13）式中p 梯形波励磁磁链的峰值，是恒定值。由此可见，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，可采用双闭环控制系统。注意注意无论是开环还是闭环系统，都必须具备转子位置检测、发出换相信号、调速时对直流电压的PWM控制等功能。现已生产出专用的集成化芯片，比如：MC33033、MC33035等。3.动态模型动态模型l动态电压方程不考虑换相过程及PWM波等因素的影响，当图6-11
24、中的VT1和VT6导通时，A、B两相导通而C相关断，则可得无刷直流电动机的动态电压方程为 （6-14）动态模型（续）动态模型（续）在上式中，(uA uB)是A、B两相之间输入的平均线电压，采用PWM控制时,设占空比为，则uA uB=Ud，于是，式（6-14）可改写成（6-15）式中为电枢漏磁时间常数。n 转矩和电力拖动系统运动方程转矩和电力拖动系统运动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）n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 图6-14无刷直流电动机的动态结构图 6.4 同步电动机矢量控制系统同步电动机矢量控制系统 1.概概 述述为了获得
25、高动态性能，同步电动机变压变频调速系统也可以采用矢量控制，其基本原理和异步电动机矢量控制相似，也是通过坐标变换，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行控制。但由于同步电动机的转子结构与异步电动机不同，其矢量坐标变换也有自己的特色。2.系统模型系统模型 假定条件（1）假设是隐极电机，或者说，忽略凸极的磁阻变化；（2）忽略阻尼绕组的效应；（3）忽略磁化曲线的饱和非线性因素；（4）暂先忽略定子电阻和漏抗的影响。其他假设条件和研究异步电动机数学模型时相同，见第6.6.2节。n 二极同步电机物理模型二极同步电机物理模型 图6-15二极同步电动机的物理模型n 模型描述模型描述 图中，
26、定子三相绕组轴线A、B、C是静止的，三相电压uA、uB、uC 和三相电流iA、iB、iC都是平衡的，转子以同步转速1旋转，转子上的励磁绕组在励磁电压Uf 供电下流过励磁电流If 。沿励磁磁极的轴线为d轴，与d轴正交的是q轴，d-q坐标在空间也以同步转速1旋转，d轴与A轴之间的夹角 为变量。在同步电动机中，除转子直流励磁外，定子磁动势还产生电枢反应，直流励磁与电枢反应合成起来产生气隙磁通，合成磁通在定子中感应的电动势与外加电压基本平衡。同步电动机磁动势与磁通的空间矢量图示于图6-16。n同步电机的空间矢量 1 图6-16同步电动机近似的空间矢量图和时间相量图a）磁动势和磁通的空间矢量图同步电机的
27、空间矢量（续）同步电机的空间矢量（续）同步电机的空间矢量（续）同步电机的空间矢量（续）Ff、f转子励磁磁动势和磁通，沿励磁方向为d轴；Fs 定子三相合成磁动势；FR、R 合成的气隙磁动势和总磁通；sFs与FR间的夹角；f Ff与FR 间的夹角。图中：n 矢量变换矢量变换将Fs 除以相应的匝数即为定子三相电流合成空间矢量is，可将它沿M、T轴分解为励磁分量ism 和转矩分量ist。同样，Ff 与相当的励磁电流矢量If 也可分解成ifm 和ift。l 矢量变换公式矢量变换公式由图6-16不难得出下列关系式（6-4346）电压、电流和磁链的时间相量图n 定子电压方程定子电压方程 在下图中画出了定子一
28、相绕组的电压、电流与磁链的时间相量图。定子电压方程（续）定子电压方程（续）气隙合成磁通R 是空间矢量，R 对该相绕组的磁链Rs 则是时间相量，Rs 在绕组中感应的电动势Es 领先于Rs 90。按照假设条件，忽略定子电阻和漏抗，则Es 与相电压Us近似相等，于是n 电流关系分析电流关系分析在上图中，is 是该相电流相量，它落后于Us 的相角就是同步电动机的功率因数角。根据电机学原理，R 与Fs 空间矢量的空间角差s 也就是磁链Rs与电流is在时间上的相角差，因此 =90s，而且ism和ist也是is 相量在时间相量图上的分量。电流关系分析（续）电流关系分析（续）由此可知：定子电流的励磁分量ism
29、 可以从定子电流is 和调速系统期望的功率因数值求出。最简单的情况是希望cos=1，也就是说，希望ism=0。这样，由期望功率因数确定的ism 可作为矢量控制系统的一个给定值。n 定子电流方程定子电流方程以A轴为参考坐标轴，则d轴的位置角为=1dt，可以通过电机轴上的位置传感器BQ测得（见图6-18）。于是，定子电流空间矢量与A轴的夹角 便成为（6-47）定子电流方程（续）定子电流方程（续）由is的幅值|is|和相位角可以求出三相定子电流n 电磁转矩方程电磁转矩方程根据机电能量转换原理，同步电动机的电磁转矩可以表达为定子旋转磁动势幅值 由式（6-43）及式（6-45）可知 将定子旋转磁动势幅值
30、表达式（8-12）及式（8-13）代入式（8-11），整理后得式中3.同步电机矢量控制系统同步电机矢量控制系统图6-18同步电动机基于电流模型的矢量控制系统位置传感器n 工作原理工作原理同步电动机矢量控制系统采用了和直流电动机调速系统相仿的双闭环控制结构。l转速控制：ASR的输出是转矩给定信号Te*，按照式（6-42），Te*除以磁通模拟信号R*即得定子电流转矩分量的给定信号ist*，R*是由磁通给定信号*经磁通滞后模型模拟其滞后效应后得到的。l 磁通和电流控制磁通和电流控制（1）*乘以系数K 即得合成励磁电流的给定信号iR*，另外，按功率因数要求还可得定子电流励磁分量给定信号ism*。（2）
31、将iR*、ist*、ism*和来自位置传感器BQ的旋转坐标相位角 一起送入矢量运算器，计算出定子三相电流的给定信号iA*、iB*、iC*和励磁电流给定信号if*。（3）通过ACR和AFR实行电流闭环控制，可使实际电流iA、iB、iC 以及If 跟随其给定值变化，获得良好的动态性能。当负载变化时，还能尽量保持同步电动机的气隙磁通、定子电动势及功率因数不变。6.4.3 正弦波永磁同步电动机的矢量控制系统正弦波永磁同步电动机的矢量控制系统 正弦波永磁同步电动机具有定子三相分布绕组和永磁转子，在磁路结构和绕组分布上保证定子绕组中的感应电动势具有正弦波形，外施的定子电压和电流也应为正弦波，一般靠交流PW
32、M变压变频器提供。1.转子磁链定向控制模型转子磁链定向控制模型正弦波永磁同步电动机一般没有阻尼绕组，转子磁通由永久磁钢决定，是恒定不变的，可采用转子磁链定向控制，即将两相旋转坐标系的d轴定在转子磁链r方向上，无须再采用任何计算磁链的模型。磁链方程磁链方程其在d-q坐标上的磁链方程简化为 电压方程电压方程 电压方程简化为（6-23）转矩方程转矩方程转矩方程变成（6-54）式中后一项是磁阻转矩，正比于Lsd 与Lsq 之差。基频以下调速时的电机模型基频以下调速时的电机模型 在基频以下的恒转矩工作区中，控制定子电流矢量使之落在q轴上，即令id=0，iq=is，此时磁链、电压和转矩方程成为（6-59）
33、（6-60）由于r恒定，电磁转矩与定子电流的幅值成正比，控制定子电流幅值就能很好地控制转矩，和直流电动机完全一样。图6-20a绘出了按转子磁链定向并使id=0时PMSM的矢量图。同步电动机矢量图同步电动机矢量图 图8-12按转子磁链定向的正弦波永磁同步电动机矢量图a）恒转矩调速b）弱磁恒功率调速 这时控制方法也很简单，只要能准确地检测出转子d轴的空间位置，控制逆变器使三相定子的合成电流（或磁动势）矢量位于q轴上（领先于d轴90）就可以了，比异步电动机矢量控制系统要简单得多。2.矢量控制系统结构矢量控制系统结构图6-22按转子磁链定向并使id=0的PMSM自控变频调速系统 3.工作原理工作原理按
34、转子磁链定向并使id=0的正弦波永磁同步电动机自控变频调速系统和直流电动机调速系统一样，转速调节器ASR的输出是正比于电磁转矩的定子电流给定值。由图8-12a的矢量图可知（6-61）工作原理（续）工作原理（续）角是旋转的d轴与静止的A轴之间的夹角，由转子位置检测器测出，经过查表法读取相应的正弦函数值后，与is*信号相乘，即得三相电流给定信号iA*、iB*、iC*。图中的交流PWM变压变频器须用电流控制，可以用带电流内环控制的电压源型PWM变压变频器，也可以用电流滞环跟踪控制的变压变频器。基速以上的弱磁调速基速以上的弱磁调速如果需要基速以上的弱磁调速，最简单的办法是使定子电流的直轴分量id0，其
35、励磁方向与r相反，起去磁作用，这时的矢量图如图6-20b所示。但是，由于稀土永磁材料的磁阻很大，利用电枢反应弱磁的方法需要较大的定子电流直轴去磁分量，因此常规的正弦波永磁同步电动机在弱磁恒功率区运行的效果很差，只有在短期运行时才可以接受。4.系统的特点系统的特点优点：定子电流与转子永磁磁通互相独立，控制系统简单，转矩恒定性好，脉动小，可以获得很宽的调速范围，适用于要求高性能的数控机床、机器人等场合。n 缺点缺点（1）当负载增加时，定子电流增大，使气隙磁链和定子反电动势都加大，迫使定子电压升高。为了保证足够的电源电压，电控装置须有足够的容量，而有效利用率却不大。（2）负载增加时，定子电压矢量和电流矢量的夹角也会增大，造成功率因数降低。（3）在常规情况下，弱磁恒功率的长期运行范围不大。返回目录本章小结本章小结 通过本章学习，熟悉和了解同步电动机变压变频调速的基本类型和特点；掌握同步电动机调速的基本原理和控制方法。重点学习无刷直流电动机自控变频调速系统和三相同步电动机自控变频调速系统。课程开始
