《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)8同步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)8同步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)（101頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、2021-4-22 自 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) 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 內(nèi) 容 提 要 n 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 變 壓 變 頻 調(diào) 速 的 特 點(diǎn) 及其 基 本 類 型n 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) 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 8.1 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 變 壓 變 頻 調(diào) 速 的 特 點(diǎn) 及 其 基 本 類 型 本 節(jié) 提 要n 概 述n 同 步 調(diào) 速 系 統(tǒng) 的 類 型n 同 步 調(diào) 速 系 統(tǒng) 的 特 點(diǎn) 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制

2、 系 統(tǒng) 1. 概 述 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 歷 來 是 以 轉(zhuǎn) 速 與 電 源 頻 率 保持 嚴(yán) 格 同 步 著 稱 的 。 只 要 電 源 頻 率 保 持 恒定 ， 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 速 就 絕 對 不 變 。 采 用 電 力 電 子 裝 置 實(shí) 現(xiàn) 電 壓 -頻 率 協(xié) 調(diào) 控制 ， 改 變 了 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 歷 來 只 能 恒 速 運(yùn) 行不 能 調(diào) 速 的 面 貌 。 起 動(dòng) 費(fèi) 事 、 重 載 時(shí) 振 蕩或 失 步 等 問 題 也 已 不 再 是 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 廣 泛應(yīng) 用 的 障 礙 。 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) n同 步 電 機(jī) 的 特 點(diǎn)

3、與 問 題l 優(yōu) 點(diǎn) ：（ 1） 轉(zhuǎn) 速 與 電 壓 頻 率 嚴(yán) 格 同 步 ；（ 2） 功 率 因 數(shù) 高 到 1.0， 甚 至 超 前 ；l 存 在 的 問 題 ：（ 1） 起 動(dòng) 困 難 ；（ 2） 重 載 時(shí) 有 振 蕩 ， 甚 至 存 在 失 步 危 險(xiǎn) ； 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) n 解 決 思 路l 問 題 的 根 源 ： 供 電 電 源 頻 率 固 定 不 變 。l 解 決 辦 法 ： 采 用 電 壓 -頻 率 協(xié) 調(diào) 控 制 ， 可 解 決 由 固定 頻 率 電 源 供 電 而 產(chǎn) 生 的 問 題 。 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 例 如p對

4、 于 起 動(dòng) 問 題 ： 通 過 變 頻 電 源 頻 率 的 平 滑 調(diào) 節(jié) ， 使 電機(jī) 轉(zhuǎn) 速 逐 漸 上 升 ， 實(shí) 現(xiàn) 軟 起 動(dòng) 。p對 于 振 蕩 和 失 步 問 題 ： 由 于 采 用 頻 率 閉 環(huán) 控 制 ， 同 步 轉(zhuǎn) 速 可以 跟 著 頻 率 改 變 ， 于 是 就 不 會 振 蕩 和 失步 了 。 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 2. 同 步 調(diào) 速 系 統(tǒng) 的 類 型（ 1） 他 控 變 頻 調(diào) 速 系 統(tǒng) 用 獨(dú) 立 的 變 壓 變 頻 裝 置 給 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 供電 的 系 統(tǒng) 。 （ 2） 自 控 變 頻 調(diào) 速 系 統(tǒng) 用 電 動(dòng) 機(jī) 本 身

5、 軸 上 所 帶 轉(zhuǎn) 子 位 置 檢 測 器或 電 動(dòng) 機(jī) 反 電 動(dòng) 勢 波 形 提 供 的 轉(zhuǎn) 子 位 置 信號 來 控 制 變 壓 變 頻 裝 置 換 相 時(shí) 刻 的 系 統(tǒng) 。 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 3. 同 步 調(diào) 速 系 統(tǒng) 的 特 點(diǎn)（ 1） 交 流 電 機(jī) 旋 轉(zhuǎn) 磁 場 的 同 步 轉(zhuǎn) 速 1與 定 子電 源 頻 率 f1 有 確 定 的 關(guān) 系 異 步 電 動(dòng) 機(jī) 的 穩(wěn) 態(tài) 轉(zhuǎn) 速 總 是 低 于 同 步 轉(zhuǎn) 速的 ， 二 者 之 差 叫 做 轉(zhuǎn) 差 s ； 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 的穩(wěn) 態(tài) 轉(zhuǎn) 速 等 于 同 步 轉(zhuǎn) 速 ， 轉(zhuǎn) 差 s = 0。 p1

6、1 2nf （ 8-1） 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 同 步 調(diào) 速 系 統(tǒng) 的 特 點(diǎn) （ 續(xù) ）（ 2） 異 步 電 動(dòng) 機(jī) 的 磁 場 僅 靠 定 子 供 電 產(chǎn) 生 ，而 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 除 定 子 磁 動(dòng) 勢 外 ， 轉(zhuǎn) 子 側(cè) 還 有獨(dú) 立 的 直 流 勵(lì) 磁 ， 或 者 用 永 久 磁 鋼 勵(lì) 磁 。 （ 3） 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 和 異 步 電 動(dòng) 機(jī) 的 定 子 都 有 同樣 的 交 流 繞 組 ， 一 般 都 是 三 相 的 ， 而 轉(zhuǎn) 子 繞組 則 不 同 ， 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 轉(zhuǎn) 子 除 直 流 勵(lì) 磁 繞 組（ 或 永 久 磁 鋼 ） 外 ， 還

7、 可 能 有 自 身 短 路 的 阻尼 繞 組 。 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) （ 4） 異 步 電 動(dòng) 機(jī) 的 氣 隙 是 均 勻 的 ， 而 同 步 電動(dòng) 機(jī) 則 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 ， 兩 軸 的 電 感 系 數(shù) 不等 ， 造 成 數(shù) 學(xué) 模 型 上 的 復(fù) 雜 性 。 但 凸 極 效 應(yīng)能 產(chǎn) 生 平 均 轉(zhuǎn) 矩 ， 單 靠 凸 極 效 應(yīng) 運(yùn) 行 的 同 步電 動(dòng) 機(jī) 稱 作 磁 阻 式 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 。同 步 調(diào) 速 系 統(tǒng) 的 特 點(diǎn) （ 續(xù) ） 2021-4-22 自 動(dòng) 控

8、 制 系 統(tǒng) （ 5） 異 步 電 動(dòng) 機(jī) 由 于 勵(lì) 磁 的 需 要 ， 必 須 從電 源 吸 取 滯 后 的 無 功 電 流 ， 空 載 時(shí) 功 率 因數(shù) 很 低 。 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 則 可 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 以 超 前 。 當(dāng) cos = 1.0 時(shí) ， 電樞 銅 損 最 小 ， 還 可 以 節(jié) 約 變 壓 變 頻 裝 置 的容 量 。 同 步 調(diào) 速 系 統(tǒng) 的 特 點(diǎn) （ 續(xù) ） 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) （ 6） 由 于 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 轉(zhuǎn) 子 有 獨(dú) 立 勵(lì)

9、 磁 ， 在極 低 的 電 源 頻 率 下 也 能 運(yùn) 行 ， 因 此 ， 在 同樣 條 件 下 ， 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 的 調(diào) 速 范 圍 比 異 步電 動(dòng) 機(jī) 更 寬 。 （ 7） 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 ， 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 比 異 步 電 動(dòng) 機(jī) 對 轉(zhuǎn) 矩 擾 動(dòng)具 有 更 強(qiáng) 的 承 受 能 力 ， 能 作 出 更 快 的 動(dòng) 態(tài)響 應(yīng) 。 同 步 調(diào) 速 系 統(tǒng) 的 特 點(diǎn) （ 續(xù) ） 返 回 目 錄 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) *8.2 他 控 變

10、頻 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 調(diào) 速 系 統(tǒng) 與 異 步 電 動(dòng) 機(jī) 變 壓 變 頻 調(diào) 速 一 樣 ， 用 獨(dú)立 的 變 壓 變 頻 裝 置 給 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 供 電 的 系統(tǒng) 稱 作 他 控 變 頻 調(diào) 速 系 統(tǒng) 。 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 本 節(jié) 提 要n 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)n 由 交 -直 -交 電 流 型 負(fù) 載 換 流 變 壓 變 頻 器 供 電的 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 調(diào) 速 系 統(tǒng)n 由 交 -交 變 壓 變 頻 器 供 電 的 大 型 低 速 同 步 電動(dòng) 機(jī) 調(diào) 速 系 統(tǒng)n 按 氣 隙 磁

11、場 定 向 的 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 矢 量 控 制 系 統(tǒng)n 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 的 多 變 量 動(dòng) 態(tài) 數(shù) 學(xué) 模 型 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) *8.2.1 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) 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) ， 是 一 種 最 簡 單 的 他 控 變 頻 調(diào) 速系 統(tǒng) ， 多 用 于 化 紡 工 業(yè) 小 容 量 多 電 動(dòng) 機(jī) 拖動(dòng) 系 統(tǒng) 中 。 這 種 系 統(tǒng) 采 用 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

12、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 。 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) n 系 統(tǒng) 組 成 圖 8-1多 臺 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 的 恒 壓 頻 比 控 制 調(diào) 速 系 統(tǒng) 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) l 多 臺 永 磁 或 磁 阻 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 并 聯(lián) 接 在 公 共的 電 壓 源 型 PWM變 壓 變 頻 器 上 ， 由 統(tǒng) 一 的頻 率 給 定 信 號 f * 同 時(shí) 調(diào) 節(jié) 各 臺 電 動(dòng) 機(jī) 的 轉(zhuǎn)速 。l PWM變 壓 變 頻 器 中 ， 帶 定 子 壓 降 補(bǔ) 償 的 恒壓 頻 比 控 制

13、 保 證 了 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 氣 隙 磁 通 恒定 ， 緩 慢 地 調(diào) 節(jié) 頻 率 給 定 f * 可 以 逐 漸 地 同時(shí) 改 變 各 臺 電 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 速 。n系 統(tǒng) 控 制 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) n 系 統(tǒng) 特 點(diǎn)l 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 簡 單 ， 控 制 方 便 ， 只 需 一 臺 變 頻器 供 電 ， 成 本 低 廉 。l 由 于 采 用 開 環(huán) 調(diào) 速 方 式 ， 系 統(tǒng) 存 在 一 個(gè) 明顯 的 缺 點(diǎn) ， 就 是 轉(zhuǎn) 子 振 蕩 和 失 步 問 題 并 未解 決 ， 因 此 各 臺 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 的 負(fù) 載 不 能 太大 。 2021-4-22 自

14、 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) *8.2.2 由 交 -直 -交 電 流 型 負(fù) 載 換 流 變 壓 變 頻 器 供 電 的 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 調(diào) 速 系 統(tǒng)n概 述 大 型 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 轉(zhuǎn) 子 上 一 般 都 具 有 勵(lì)磁 繞 組 ， 通 過 滑 環(huán) 由 直 流 勵(lì) 磁 電 源 供 電 ，或 者 由 交 流 勵(lì) 磁 發(fā) 電 機(jī) 經(jīng) 過 隨 轉(zhuǎn) 子 一 起 旋轉(zhuǎn) 的 整 流 器 供 電 。 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 對 于 經(jīng) 常 在 高 速 運(yùn) 行 的 機(jī) 械 設(shè) 備 ， 定 子常 用 交 -直 -交 電 流 型 變 壓 變 頻 器 供 電 ， 其電 機(jī) 側(cè) 變 換 器 （

15、 即 逆 變 器 ） 比 給 異 步 電 動(dòng)機(jī) 供 電 時(shí) 更 簡 單 ， 可 以 省 去 強(qiáng) 迫 換 流 電 路 ，而 利 用 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 定 子 中 的 感 應(yīng) 電 動(dòng) 勢 實(shí)現(xiàn) 換 相 。 這 樣 的 逆 變 器 稱 作 負(fù) 載 換 流 逆 變器 （ Load-commutated Inverter， 簡 稱 LCI） 。 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) n 系 統(tǒng) 組 成 圖 8-2 由 交 -直 -交 電 流 型 負(fù) 載 換 流 變 壓 變 頻 器 供 電 的 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 調(diào) 速 系 統(tǒng) 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) n 系 統(tǒng) 控 制 在

16、圖 8-2中 ， 系 統(tǒng) 控 制 器 的 程 序 包 括 轉(zhuǎn) 速調(diào) 節(jié) 、 轉(zhuǎn) 差 控 制 、 負(fù) 載 換 流 控 制 和 勵(lì) 磁 電流 控 制 ， FBS是 測 速 反 饋 環(huán) 節(jié) 。 由 于 變 壓 變 頻 裝 置 是 電 流 型 的 ， 還 單 獨(dú)畫 出 了 電 流 控 制 器 （ 包 括 電 流 調(diào) 節(jié) 和 電 源側(cè) 變 換 器 的 觸 發(fā) 控 制 ） 。 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) n 換 流 問 題 LCI同 步 調(diào) 速 系 統(tǒng) 在 起 動(dòng) 和 低 速 時(shí) 存在 換 流 問 題 ， l 低 速 時(shí) 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 感 應(yīng) 電 動(dòng) 勢 不 夠 大 ，不 足 以 保

17、 證 可 靠 換 流 ；l 當(dāng) 電 機(jī) 靜 止 時(shí) ， 感 應(yīng) 電 動(dòng) 勢 為 零 ， 根 本就 無 法 換 流 。 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) n 解 決 方 案 這 時(shí) ， 須 采 用 “ 直 流 側(cè) 電 流 斷 續(xù) ” 的 特殊 方 法 ， 使 中 間 直 流 環(huán) 節(jié) 電 抗 器 的 旁 路 晶閘 管 導(dǎo) 通 ， 讓 電 抗 器 放 電 ， 同 時(shí) 切 斷 直 流電 流 ， 允 許 逆 變 器 換 相 ， 換 相 后 再 關(guān) 斷 旁路 晶 閘 管 ， 使 電 流 恢 復(fù) 正 常 。 用 這 種 換 流 方 式 可 使 電 動(dòng) 機(jī) 轉(zhuǎn) 速 升 到 額 定值 的 3%5%，

18、然 后 再 切 換 到 負(fù) 載 電 動(dòng) 勢 換流 。 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 8.2.3 由 交 -交 變 壓 變 頻 器 供 電 的 大 型 低 速 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 調(diào) 速 系 統(tǒng) n 概 述 另 一 類 大 型 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 變 壓 變 頻 調(diào) 速 系 統(tǒng)用 于 低 速 的 電 力 拖 動(dòng) ， 例 如 無 齒 輪 傳 動(dòng) 的可 逆 軋 機(jī) 、 礦 井 提 升 機(jī) 、 水 泥 轉(zhuǎn) 窯 等 。 該 系 統(tǒng) 由 交 -交 變 壓 變 頻 器 （ 又 稱 周 波 變換 器 ） 供 電 ， 其 輸 出 頻 率 為 2025Hz（ 當(dāng)電 網(wǎng) 頻 率 為 50Hz時(shí) ） ，

19、 對 于 一 臺 20極 的 同步 電 動(dòng) 機(jī) ， 同 步 轉(zhuǎn) 速 為 120150r/min， 直接 用 來 拖 動(dòng) 軋 鋼 機(jī) 等 設(shè) 備 是 很 合 適 的 ， 可以 省 去 龐 大 的 齒 輪 傳 動(dòng) 裝 置 。 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) n 系 統(tǒng) 組 成 圖 8-3 由 交 -交 變 壓 變 頻 器 供 電 的 大 型 低 速 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 調(diào) 速 系 統(tǒng) 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 這 類 調(diào) 速 系 統(tǒng) 的 基 本 結(jié) 構(gòu) 畫 在 圖 8-3中 ，可 以 實(shí) 現(xiàn) 4象 限 運(yùn) 行 。 控 制 器 按 需 要 可 以 是 常 規(guī) 的 ， 也

20、 可 以 采用 矢 量 控 制 ， 后 者 在 下 一 小 節(jié) 再 詳 細(xì) 討 論 。 n 系 統(tǒng) 控 制 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) *8.2.4 按 氣 隙 磁 場 定 向 的 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 矢 量 控 制 系 統(tǒng) 1. 概 述 為 了 獲 得 高 動(dòng) 態(tài) 性 能 ， 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 變 壓 變頻 調(diào) 速 系 統(tǒng) 也 可 以 采 用 矢 量 控 制 ， 其 基 本 原理 和 異 步 電 動(dòng) 機(jī) 矢 量 控 制 相 似 ， 也 是 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

21、進(jìn) 行 控 制 。 但由 于 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 子 結(jié) 構(gòu) 與 異 步 電 動(dòng) 機(jī) 不同 ， 其 矢 量 坐 標(biāo) 變 換 也 有 自 己 的 特 色 。 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 2. 系 統(tǒng) 模 型 n 假 定 條 件（ 1） 假 設(shè) 是 隱 極 電 機(jī) ， 或 者 說 ， 忽 略 凸 極 的 磁阻 變 化 ； （ 2） 忽 略 阻 尼 繞 組 的 效 應(yīng) ； （ 3） 忽 略 磁 化 曲 線 的 飽 和 非 線 性 因 素 ； （ 4） 暫 先 忽 略 定 子 電 阻 和 漏 抗 的 影 響 。 其 他 假 設(shè) 條 件 和 研 究 異 步 電 動(dòng) 機(jī) 數(shù) 學(xué) 模

22、 型 時(shí) 相同 ， 見 第 6.6.2 節(jié) 。 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) n 二 極 同 步 電 機(jī) 物 理 模 型 圖 8-4 二 極 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 的 物 理 模 型 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) n 模 型 描 述 圖 中 ， 定 子 三 相 繞 組 軸 線 A、 B、 C 是 靜止 的 ， 三 相 電 壓 uA、 uB、 uC 和 三 相 電 流 iA、iB、 iC 都 是 平 衡 的 ， 轉(zhuǎn) 子 以 同 步 轉(zhuǎn) 速 1旋 轉(zhuǎn) ，轉(zhuǎn) 子 上 的 勵(lì) 磁 繞 組 在 勵(lì) 磁 電 壓 Uf 供 電 下 流過 勵(lì) 磁 電 流 If 。 沿 勵(lì) 磁 磁 極

23、 的 軸 線 為 d 軸 ，與 d 軸 正 交 的 是 q 軸 ， d-q 坐 標(biāo) 在 空 間 也 以同 步 轉(zhuǎn) 速 1 旋 轉(zhuǎn) ， d 軸 與 A 軸 之 間 的 夾 角 為 變 量 。 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 在 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) 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 通 ， 合 成 磁通 在 定 子 中 感 應(yīng) 的 電 動(dòng) 勢 與 外 加 電 壓 基 本平 衡 。 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 磁 動(dòng) 勢 與 磁 通 的 空 間 矢 量 圖示 于 圖

24、8-5a。n 同 步 電 機(jī) 的 空 間 矢 量 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 1 圖 8-5 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 近 似 的 空 間 矢 量 圖 和 時(shí) 間 相 量 圖 a） 磁 動(dòng) 勢 和 磁 通 的 空 間 矢 量 圖同 步 電 機(jī) 的 空 間 矢 量 （ 續(xù) ） 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 同 步 電 機(jī) 的 空 間 矢 量 （ 續(xù) ）Ff 、 f 轉(zhuǎn) 子 勵(lì) 磁 磁 動(dòng) 勢 和 磁 通 ， 沿 勵(lì) 磁 方 向 為 d軸 ； Fs 定 子 三 相 合 成 磁 動(dòng) 勢 ； FR 、 R 合 成 的 氣 隙 磁 動(dòng) 勢 和 總 磁 通 ； s Fs與 FR間

25、的 夾 角 ； f Ff 與 FR 間 的 夾 角 。圖 中 ： 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) n 矢 量 變 換 將 Fs 除 以 相 應(yīng) 的 匝 數(shù) 即 為 定 子 三 相 電 流合 成 空 間 矢 量 is ， 可 將 它 沿 M、 T軸 分 解 為勵(lì) 磁 分 量 ism 和 轉(zhuǎn) 矩 分 量 ist。 同 樣 ， Ff 與 相當(dāng) 的 勵(lì) 磁 電 流 矢 量 If 也 可 分 解 成 ifm 和 ift 。 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) l 矢 量 變 換 公 式由 圖 8-5a不 難 得 出 下 列 關(guān) 系 式2st2sms iii 2ft2fmf iiI f

26、msmR iii （ 8-2） （ 8-3） （ 8-4） ftst ii sssm cosii fffm cosIi （ 8-5） （ 8-6） （ 8-7） 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 圖 8-5 b 電 壓 、 電 流 和磁 鏈 的 時(shí) 間 相 量 圖 n 定 子 電 壓 方 程 在 圖 8-5b中 畫 出 了 定 子 一 相 繞 組 的 電 壓 、電 流 與 磁 鏈 的 時(shí) 間 相 量 圖 。 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 定 子 電 壓 方 程 （ 續(xù) ） 氣 隙 合 成 磁 通 R 是 空 間 矢 量 ， R 對 該相 繞 組 的 磁 鏈 Rs 則 是

27、 時(shí) 間 相 量 ， Rs 在繞 組 中 感 應(yīng) 的 電 動(dòng) 勢 Es 領(lǐng) 先 于 Rs 90 。按 照 假 設(shè) 條 件 ， 忽 略 定 子 電 阻 和 漏 抗 ， 則 Es 與 相 電 壓 Us 近 似 相 等 ， 于 是 Rs1ss 44.4 fEU （ 8-8） 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) n 電 流 關(guān) 系 分 析 在 圖 8-5b中 ， is 是 該 相 電 流 相 量 ， 它 落 后于 Us 的 相 角 就 是 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 的 功 率 因 數(shù)角 。 根 據(jù) 電 機(jī) 學(xué) 原 理 ， R 與 Fs 空 間 矢 量 的空 間 角 差 s 也 就 是 磁 鏈 Rs

28、與 電 流 is 在 時(shí) 間上 的 相 角 差 ， 因 此 = 90 s ， 而 且 ism和 ist 也 是 is 相 量 在 時(shí) 間 相 量 圖 上 的 分 量 。 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 電 流 關(guān) 系 分 析 （ 續(xù) ） 由 此 可 知 ： 定 子 電 流 的 勵(lì) 磁 分 量 ism 可 以從 定 子 電 流 is 和 調(diào) 速 系 統(tǒng) 期 望 的 功 率 因 數(shù)值 求 出 。 最 簡 單 的 情 況 是 希 望 cos = 1，也 就 是 說 ， 希 望 ism = 0。 這 樣 ， 由 期 望 功 率 因 數(shù) 確 定 的 ism 可 作 為矢 量 控 制 系 統(tǒng)

29、的 一 個(gè) 給 定 值 。 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) n 定 子 電 流 方 程 以 A軸 為 參 考 坐 標(biāo) 軸 ， 則 d軸 的 位 置 角 為 = 1 dt ， 可 以 通 過 電 機(jī) 軸 上 的 位 置 傳 感器 BQ 測 得 （ 見 圖 8-6） 。 于 是 ， 定 子 電 流空 間 矢 量 與 A 軸 的 夾 角 便 成 為 sf （ 8-9） 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 定 子 電 流 方 程 （ 續(xù) ）由 的 幅 值 和 相 位 角 可 以 求 出 三 相 定 子 電 流cossA ii )120cos( sB ii )120cos(sC ii

30、 （ 8-10） 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) n 電 磁 轉(zhuǎn) 矩 方 程 根 據(jù) 機(jī) 電 能 量 轉(zhuǎn) 換 原 理 ， 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 的 電 磁 轉(zhuǎn)矩 可 以 表 達(dá) 為 ssR2pe sin2 FnT （ 8-11） 定 子 旋 轉(zhuǎn) 磁 動(dòng) 勢 幅 值 sp Nsss 23 in kNF 由 式 （ 8-2） 及 式 （ 8-6） 可 知 stsssin ii （ 8-12） （ 8-13） 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 將 定 子 旋 轉(zhuǎn) 磁 動(dòng) 勢 幅 值 表 達(dá) 式 （ 8-12）及 式 （ 8-13） 代 入 式 （ 8-11） ， 整 理 后 得s

31、tRme iCT （ 8-14） 式 中 Nsspm 23 kNnC 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 3. 同 步 電 機(jī) 矢 量 控 制 系 統(tǒng) 圖 8-6 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 基 于 電 流 模 型 的 矢 量 控 制 系 統(tǒng) 位 置 傳 感 器 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) n 工 作 原 理 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 矢 量 控 制 系 統(tǒng) 采 用 了 和 直 流電 動(dòng) 機(jī) 調(diào) 速 系 統(tǒng) 相 仿 的 雙 閉 環(huán) 控 制 結(jié) 構(gòu) 。 l 轉(zhuǎn) 速 控 制 ： ASR的 輸 出 是 轉(zhuǎn) 矩 給 定 信 號 Te*，按 照 式 （ 8-14） ， Te* 除 以 磁 通

32、模 擬 信 號 R* 即 得 定 子 電 流 轉(zhuǎn) 矩 分 量 的 給 定 信 號 ist* ，R* 是 由 磁 通 給 定 信 號 * 經(jīng) 磁 通 滯 后 模 型模 擬 其 滯 后 效 應(yīng) 后 得 到 的 。 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) l 磁 通 和 電 流 控 制（ 1） * 乘 以 系 數(shù) K 即 得 合 成 勵(lì) 磁 電 流 的給 定 信 號 iR*， 另 外 ， 按 功 率 因 數(shù) 要 求 還 可得 定 子 電 流 勵(lì) 磁 分 量 給 定 信 號 ism*。（ 2） 將 iR* 、 ist*、 ism* 和 來 自 位 置 傳 感 器BQ的 旋 轉(zhuǎn) 坐 標(biāo) 相 位 角

33、一 起 送 入 矢 量 運(yùn)算 器 ， 按 式 （ 8-7） 以 及 式 （ 8-9） 、 （ 8-10） 計(jì) 算 出 定 子 三 相 電 流 的 給 定 信 號 iA*、i B*、 iC* 和 勵(lì) 磁 電 流 給 定 信 號 if*。 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) （ 3） 通 過 ACR和 AFR實(shí) 行 電 流 閉 環(huán) 控 制 ，可 使 實(shí) 際 電 流 iA、 iB、 iC 以 及 If 跟 隨 其 給定 值 變 化 ， 獲 得 良 好 的 動(dòng) 態(tài) 性 能 。 當(dāng) 負(fù) 載變 化 時(shí) ， 還 能 盡 量 保 持 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 的 氣 隙磁 通 、 定 子 電 動(dòng) 勢 及 功

34、 率 因 數(shù) 不 變 。 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) *8.2.5 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 的 多 變 量 動(dòng) 態(tài) 數(shù) 學(xué) 模 型 n 假 定 條 件 ： 如 果 解 除 第 8.2.4小 節(jié) 中 所 作 的 第 1、 2、 4三 條 假 定 ， 即 考 慮 了 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 的 凸 極 效應(yīng) 、 阻 尼 繞 組 和 定 子 電 阻 與 漏 抗 ， 則 同 步電 動(dòng) 機(jī) 的 動(dòng) 態(tài) 電 壓 方 程 式 可 寫 成 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) n 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 的 動(dòng) 態(tài) 電 壓 方 程 式 tiR tiR tIRU tiRu tiRu tiRu dd0

35、dd0 dddddd d d QQQ DDD ffff CCsC BBsB AAsA （ 8-15） 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 方 程 說 明 式 中 前 三 個(gè) 方 程 是 定 子 A、 B、 C三 相 的電 壓 方 程 ， 第 四 個(gè) 方 程 是 勵(lì) 磁 繞 組 直 流 電壓 方 程 ， 永 磁 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 無 此 方 程 ， 最 后兩 個(gè) 方 程 是 阻 尼 繞 組 的 等 效 電 壓 方 程 。 實(shí)際 阻 尼 繞 組 是 多 導(dǎo) 條 類 似 籠 型 的 繞 組 ， 這里 把 它 等 效 成 在 d軸 和 q軸 各 自 短 路 的 兩 個(gè)獨(dú) 立 繞 組 。 所

36、有 符 號 的 意 義 及 其 正 方 向 都和 分 析 異 步 電 動(dòng) 機(jī) 時(shí) 一 致 。 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) n 坐 標(biāo) 變 換 將 A-B-C 坐 標(biāo) 系 變 換 到 d-q 同 步 旋 轉(zhuǎn) 坐 標(biāo)系 ， 并 用 p 表 示 微 分 算 子 ， 則 三 個(gè) 定 子 電 壓方 程 變 換 成 d1qqsq q1ddsd piRu piRu （ 8-16） 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 坐 標(biāo) 變 換 （ 續(xù) ） 三 個(gè) 轉(zhuǎn) 子 電 壓 方 程 不 變 ， 因 為 它 們 已 經(jīng)在 d-q 軸 上 了 ， 可 以 改 寫 成 QQQ DDD ffff00

37、 piR piR pIRU （ 8-17） 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) n 磁 鏈 方 程 在 兩 相 同 步 旋 轉(zhuǎn) （ d-q） 坐 標(biāo) 系 上 的 磁 鏈方 程 為 QrQqmqQ DrDfmddmdD Dmdfrfdmdf Qmqqsqq Dmdfmddsdd iLiL iLILiL iLILiL iLiL iLILiL （ 8-18） 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 磁 鏈 方 程 （ 續(xù) ）式 中 Lsd 等 效 兩 相 定 子 繞 組 d軸 自 感 ， Lsd= Lls+Lmd ； Lsq 等 效 兩 相 定 子 繞 組 q軸 自 感 ， Lsq= L

38、ls+Lmq ； Lls 等 效 兩 相 定 子 繞 組 漏 感 ； Lmd d軸 定 子 與 轉(zhuǎn) 子 繞 組 間 的 互 感 ， 相 當(dāng) 于 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 原 理 中 的 d軸 電 樞 反 應(yīng) 電 感 ； Lmq q軸 定 子 與 轉(zhuǎn) 子 繞 組 間 的 互 感 ， 相 當(dāng) 于 q軸 電 樞 反 應(yīng) 電 感 ； L rf 勵(lì) 磁 繞 組 自 感 ， Lrf = Llf + Lmd ； LrD d軸 阻 尼 繞 組 自 感 ， LrD = LlD + Lmd ； LrQ q軸 阻 尼 繞 組 自 感 ， LrQ = LlQ + Lmq ； 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) n

39、矩 陣 方 程 式 將 式 （ 8-18） 代 入 式 （ 8-16） 和 式 （ 8-17） ，整 理 后 可 得 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 的 電 壓 矩 陣 方 程 式 QDfqdrQQmq rDDmdmd mdrffmd mqmd1md1sqssd1 mq1mdmdsq1sdsfqd 000 00 0000 iiIiipLRpL pLRpLpL pLpLRpL pLLLpLRL LpLpLLpLRUuu （ 8-19） 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) n 轉(zhuǎn) 矩 和 運(yùn) 動(dòng) 方 程 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 在 d-q軸 上 的 轉(zhuǎn) 矩 和 運(yùn) 動(dòng) 方 程 為Lpdqqdpe dd)(

40、 TtnJiinT )()( dQmqqDmdpqdsqsdpqfmdpe iiLiiLniiLLniILnT （ 8-20） （ 8-21） 把 式 （ 8-18） 中 的 和 表 達(dá) 式 代 入 式 （ 8-20） 的 轉(zhuǎn)矩 方 程 并 整 理 后 得 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 表 達(dá) 式 的 物 理 意 義 l 第 一 項(xiàng) np Lmd If iq 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 步 電 動(dòng) 機(jī) 主 要 的 電 磁 轉(zhuǎn) 矩 。l 第 二 項(xiàng) np (Lsd - Lsq

41、) id iq 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) 矩 或 磁 阻 轉(zhuǎn) 矩 ， 這 是 凸 極 電 機(jī) 特 有 的 轉(zhuǎn) 矩 ，在 隱 極 電 機(jī) 中 ， L sd = Lsq ， 該 項(xiàng) 為 0。 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 表 達(dá) 式 的 物 理 意 義 （ 續(xù) ）l 第 三 項(xiàng) np(Lmd iD iq Lmq iQ id )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 ， 如 果沒 有 阻 尼 繞 組 ， 或 者 在 穩(wěn) 態(tài) 運(yùn)

42、行 時(shí) 阻 尼 繞 組中 沒 有 感 應(yīng) 電 流 ， 該 項(xiàng) 都 是 零 ， 只 有 在 動(dòng) 態(tài)中 ， 產(chǎn) 生 阻 尼 電 流 ， 才 有 阻 尼 轉(zhuǎn) 矩 ， 幫 助 同步 電 動(dòng) 機(jī) 盡 快 達(dá) 到 新 的 穩(wěn) 態(tài) 。 返 回 目 錄 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 8.3 自 控 變 頻 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 調(diào) 速 系 統(tǒng) 本 節(jié) 摘 要n 基 本 結(jié) 構(gòu) 與 原 理n 梯 形 波 永 磁 同 步 電 動(dòng) 機(jī) （ 無 刷 直 流 電 動(dòng) 機(jī) ）的 自 控 變 頻 調(diào) 速 系 統(tǒng)n 正 弦 波 永 磁 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 的 自 控 變 頻 調(diào) 速 系 統(tǒng) 2021-4-22 自

43、 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 8.3.0 基 本 結(jié) 構(gòu) 與 原 理圖 8-7 自 控 變 頻 同 步電 動(dòng) 機(jī) 調(diào) 速 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 原 理 圖n 基 本 結(jié) 構(gòu) 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) n 結(jié) 構(gòu) 特 點(diǎn) （ 1） 在 電 動(dòng) 機(jī) 軸 端 裝 有 一 臺 轉(zhuǎn) 子 位 置 檢 測器 BQ（ 見 圖 8-7） ， 由 它 發(fā) 出 的 信 號 控 制變 壓 變 頻 裝 置 的 逆 變 器 U I 換 流 ， 從 而 改變 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 的 供 電 頻 率 ， 保 證 轉(zhuǎn) 子 轉(zhuǎn) 速與 供 電 頻 率 同 步 。 調(diào) 速 時(shí) 則 由 外 部 信 號 或脈 寬 調(diào) 制 （ PWM

44、） 控 制 UI 的 輸 入 直 流 電壓 。 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 特 點(diǎn) （ 續(xù) ） （ 2） 從 電 動(dòng) 機(jī) 本 身 看 ， 它 是 一 臺 同 步 電 動(dòng)機(jī) ， 但 是 如 果 把 它 和 逆 變 器 UI、 轉(zhuǎn) 子 位 置檢 測 器 BQ 合 起 來 看 ， 就 象 是 一 臺 直 流 電動(dòng) 機(jī) 。 直 流 電 動(dòng) 機(jī) 電 樞 里 面 的 電 流 本 來 就是 交 變 的 ， 只 是 經(jīng) 過 換 向 器 和 電 刷 才 在 外部 電 路 表 現(xiàn) 為 直 流 ， 這 時(shí) ， 換 向 器 相 當(dāng) 于機(jī) 械 式 的 逆 變 器 ， 電 刷 相 當(dāng) 于 磁 極

45、位 置 檢測 器 。 這 里 ， 則 采 用 電 力 電 子 逆 變 器 和 轉(zhuǎn)子 位 置 檢 測 器 替 代 機(jī) 械 式 換 向 器 和 電 刷 。 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) n 自 控 變 頻 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 的 分 類 自 控 變 頻 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 在 其 開 發(fā) 與 發(fā) 展 的 過 程中 ， 曾 采 用 多 種 名 稱 ， 有 的 至 今 仍 習(xí) 慣 性 地 使用 著 ， 它 們 是 ： l無 換 向 器 電 動(dòng) 機(jī) l三 相 永 磁 同 步 電 動(dòng) 機(jī) （ 輸 入 正 弦 波 電 流 時(shí) ）l無 刷 直 流 電 動(dòng) 機(jī) （ 采 用 方 波 電 流 時(shí) ）

46、2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) n 永 磁 電 動(dòng) 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 的 優(yōu) 點(diǎn)l 由 于 采 用 了 永 磁 材 料 磁 極 ， 特 別 是 采 用 了稀 土 金 屬 永 磁 ， 因 此 容 量 相 同 時(shí) 電 機(jī) 的 體積 小 、 重 量 輕 ； l 轉(zhuǎn) 子 沒 有 銅 損 和 鐵 損 ， 又 沒 有 滑 環(huán) 和 電 刷的 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 較高 的 加 速 度 ， 動(dòng) 態(tài) 性 能 好 ； l 結(jié) 構(gòu) 緊 湊 ， 運(yùn) 行 可 靠 。 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 8

47、.3.1 梯 形 波 永 磁 同 步 電 動(dòng) 機(jī) （ 無 刷 直 流 電 動(dòng) 機(jī) ） 的 自 控 變 頻 調(diào) 速 系 統(tǒng) 1. 概 述 無 刷 直 流 電 動(dòng) 機(jī) 實(shí) 質(zhì) 上 是 一 種 特 定 類 型的 同 步 電 動(dòng) 機(jī) ， 調(diào) 速 時(shí) 只 在 表 面 上 控 制 了輸 入 電 壓 ， 實(shí) 際 上 也 自 動(dòng) 地 控 制 了 頻 率 ，仍 屬 于 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 的 變 壓 變 頻 調(diào) 速 。 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) n 電 動(dòng) 勢 與 電 流 波 形 永 磁 無 刷 直 流 電 動(dòng) 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 子 磁 極 采 用 瓦形 磁 鋼 ， 經(jīng) 專 門 的 磁 路 設(shè) 計(jì)

48、， 可 獲 得 梯 形波 的 氣 隙 磁 場 ， 定 子 采 用 集 中 整 距 繞 組 ，因 而 感 應(yīng) 的 電 動(dòng) 勢 也 是 梯 形 波 的 。 由 逆 變 器 提 供 與 電 動(dòng) 勢 嚴(yán) 格 同 相 的 方 波電 流 ， 同 一 相 （ 例 如 A相 ） 的 電 動(dòng) 勢 eA和電 流 波 iA 形 圖 如 圖 8-8所 示 。 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 電 動(dòng) 勢 與 電 流 波 形 （ 續(xù) ） 圖 8-8 梯 形 波 永 磁 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 的 電 動(dòng) 勢 與 電 流 波 形 圖 eAiAIPEPiAeAO t 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 由 于

49、 各 相 電 流 都 是 方 波 ， 逆 變 器 的 電 壓只 須 按 直 流 PWM的 方 法 進(jìn) 行 控 制 ， 比 各 種交 流 PWM控 制 都 要 簡 單 得 多 ， 這 是 設(shè) 計(jì) 梯形 波 永 磁 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 的 初 衷 。 然 而 由 于 繞 組 電 感 的 作 用 ， 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 過 氣 隙 傳 送 到 轉(zhuǎn) 子 的 電磁 功 率 也 是 梯 形 波 。 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) n 轉(zhuǎn) 矩 脈 動(dòng) 如 圖 8-9所 示 ， 實(shí) 際 的 轉(zhuǎn) 矩

50、波 形 每 隔 60都 出 現(xiàn) 一 個(gè) 缺 口 ， 而 用 PWM 調(diào) 壓 調(diào) 速 又使 平 頂 部 分 出 現(xiàn) 紋 波 ， 這 樣 的 轉(zhuǎn) 矩 脈 動(dòng) 使梯 形 波 永 磁 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 的 調(diào) 速 性 能 低 于 正弦 波 的 永 磁 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 。 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 轉(zhuǎn) 矩 脈 動(dòng) （ 續(xù) ） 圖 8-9 梯 形 波 永 磁 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 矩 脈 動(dòng) 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) n 逆 變 器 電 路圖 8-10 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2. 穩(wěn)

51、 態(tài) 模 型 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 逆 變 器 工 作 方 式 由 三 相 橋 式 逆 變 器 供 電 的 Y接 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 如 圖 8-10所 示 ， 逆 變 器 通 常 采 用 120導(dǎo) 通 型 的 ， 當(dāng) 兩 相 導(dǎo) 通 時(shí) ， 另 一 相 斷 開 。 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 對 于 梯 形 波 的 電 動(dòng) 勢 和 電 流 ， 不 能 簡 單地 用 矢 量 表 示 ， 因 而 旋 轉(zhuǎn) 坐 標(biāo) 變 換 也 不 適用 ， 只 好 在 靜 止 的 ABC坐 標(biāo) 上 建

52、立 電 機(jī) 的數(shù) 學(xué) 模 型 。 當(dāng) 電 動(dòng) 機(jī) 中 點(diǎn) 與 直 流 母 線 負(fù) 極 共 地 時(shí) ，電 動(dòng) 機(jī) 的 電 壓 方 程 可 以 用 下 式 表 示 n 電 壓 方 程 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 電 壓 方 程 （ 續(xù) ）三 相 輸 入 對 地 電 壓 ；三 相 電 流 ；三 相 電 動(dòng) 勢 ；定 子 每 相 電 阻 ；定 子 每 相 繞 組 的 自 感 ；定 子 任 意 兩 相 繞 組 間 的 互 感 。 CBACBAsmm msm mmsCBAsssCBA 00 00 00 eeeiiipLLL LLL LLLiiiRRRuuu （ 8-22） 式 中 uA、

53、uB 、 uC iA、 iB 、 iC e A、 eB 、 eC RsLsLm 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 電 壓 方 程 （ 續(xù) ） 由 于 三 相 定 子 繞 組 對 稱 ， 故 有 iA + iB + iC = 0則 Lm iB + Lm iC = - Lm iA Lm iC + Lm iA = - Lm iB Lm iA + Lm iB = - Lm iC 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 電 壓 方 程 （ 續(xù) ）代 入 式 （ 8-22） ， 并 整 理 后 得 CBACBAmsmsmsCBAsssCBA 00 00 0000 00 00 eeeiiipL

54、LLLLLiiiRRRuuu （ 8-23） 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) n 轉(zhuǎn) 矩 方 程 設(shè) 圖 8-8中 方 波 電 流 的 峰 值 為 Ip ， 梯 形 波 電 動(dòng)勢 的 峰 值 為 Ep， 在 一 般 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) ，則 電 磁 功 率 為 Pm = 2 Ep Ip。 忽 略 電 流 換 相 過 程 的影 響 ， 電 磁 轉(zhuǎn) 矩 為 ppp1 pppp1me 22 InIEnnPT （ 8-24） 式 中 p 梯 形 波 勵(lì) 磁 磁 鏈 的 峰 值 ， 是 恒

55、定 值 。 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 由 此 可 見 ， 梯 形 波 永 磁 同 步 電 動(dòng) 機(jī) （ 即無 刷 直 流 電 動(dòng) 機(jī) ） 的 轉(zhuǎn) 矩 與 電 流 成 正 比 ，和 一 般 的 直 流 電 動(dòng) 機(jī) 相 當(dāng) 。 這 樣 ， 其 控 制 系 統(tǒng) 也 和 直 流 調(diào) 速 系 統(tǒng) 一樣 ， 要 求 不 高 時(shí) ， 可 采 用 開 環(huán) 調(diào) 速 ， 對 于動(dòng) 態(tài) 性 能 要 求 較 高 的 負(fù) 載 ， 可 采 用 雙 閉 環(huán)控 制 系 統(tǒng) 。 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 注 意 無 論 是 開 環(huán) 還 是 閉 環(huán) 系 統(tǒng) ， 都 必 須 具 備轉(zhuǎn) 子 位 置

56、檢 測 、 發(fā) 出 換 相 信 號 、 調(diào) 速 時(shí) 對直 流 電 壓 的 PWM控 制 等 功 能 。 現(xiàn) 已 生 產(chǎn) 出 專 用 的 集 成 化 芯 片 ， 比 如 ： MC33033、 MC33035等 。 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 3. 動(dòng) 態(tài) 模 型l 動(dòng) 態(tài) 電 壓 方 程 不 考 慮 換 相 過 程 及 PWM波 等 因 素 的 影 響 ，當(dāng) 圖 8-10中 的 VT1和 VT6導(dǎo) 通 時(shí) ， A、 B兩 相 導(dǎo)通 而 C相 關(guān) 斷 ， 則 可 得 無 刷 直 流 電 動(dòng) 機(jī) 的 動(dòng) 態(tài)電 壓 方 程 為 AAmsAsBA 2)(22 epiLLiRuu （ 8-

57、25） 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 動(dòng) 態(tài) 模 型 （ 續(xù) ） 在 上 式 中 ， ( uA uB ) 是 A、 B 兩 相 之 間 輸 入 的平 均 線 電 壓 ， 采 用 PWM控 制 時(shí) ,設(shè) 占 空 比 為 ， 則 uA uB = Ud ， 于 是 ， 式 （ 8-25） 可 改 寫 成 AsAd )1(22 ipTReU l s msRLLTl （ 8-26） 式 中 為 電 樞 漏 磁 時(shí) 間 常 數(shù) 。 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) n 轉(zhuǎn) 矩 和 電 力 拖 動(dòng) 系 統(tǒng) 運(yùn) 動(dòng) 方 程根 據(jù) 電 機(jī) 和 電 力 拖 動(dòng) 系 統(tǒng) 基 本 理 論 ，

58、可 知eBA kee AepBBAApe 2)( iknieienT pnJTT pLe （ 8-27） （ 8-28） （ 8-29） 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) n無 刷 直 流 電 動(dòng) 機(jī) 的 動(dòng) 態(tài) 結(jié) 構(gòu) 圖 圖 8-11 無 刷 直 流 電 動(dòng) 機(jī) 的 動(dòng) 態(tài) 結(jié) 構(gòu) 圖 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 8.3.2 正 弦 波 永 磁 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 的 自 控 變 頻 調(diào) 速 系 統(tǒng) 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 上 保 證 定 子 繞 組

59、 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 ， 一 般 靠 交 流 PWM變 壓 變 頻 器 提 供 。 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 1. 轉(zhuǎn) 子 磁 鏈 定 向 控 制 模 型 正 弦 波 永 磁 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 一 般 沒 有 阻 尼 繞組 ， 轉(zhuǎn) 子 磁 通 由 永 久 磁 鋼 決 定 ， 是 恒 定 不變 的 ， 可 采 用 轉(zhuǎn) 子 磁 鏈 定 向 控 制 ， 即 將 兩相 旋 轉(zhuǎn) 坐 標(biāo) 系 的 d軸 定 在 轉(zhuǎn) 子 磁 鏈 r 方 向上 ， 無 須 再 采 用 任 何 計(jì) 算 磁 鏈 的

60、模 型 。 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 磁 鏈 方 程其 在 d-q坐 標(biāo) 上 的 磁 鏈 方 程 簡 化 為 qsqq rdsdd iL iL （ 8-30） 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 電 壓 方 程 式 （ 8-19） 的 電 壓 方 程 簡 化 為 r1dsd1qsqqsq qsq1dsddsd iLpiLiRu iLpiLiRu （ 8-31） 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 轉(zhuǎn) 矩 方 程式 （ 8-20） 的 轉(zhuǎn) 矩 方 程 變 成 )()( qdsqsdqrpdqqdpe iiLLiniinT （ 8-32） 式 中 后 一 項(xiàng) 是

61、磁 阻 轉(zhuǎn) 矩 ， 正 比 于 Lsd 與 Lsq 之 差 。 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 基 頻 以 下 調(diào) 速 時(shí) 的 電 機(jī) 模 型 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 q 軸 上 ， 即 令 id = 0，iq = is， 此 時(shí) 磁 鏈 、 電 壓 和 轉(zhuǎn) 矩 方 程 成 為 ssqq rd iL r1ssqssq q1ssq1d piLiRu iLu srpe inT （ 8-33） （ 8-34） （ 8-35） 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 由 于 r 恒 定 ， 電 磁 轉(zhuǎn) 矩 與

62、 定 子 電 流 的 幅值 成 正 比 ， 控 制 定 子 電 流 幅 值 就 能 很 好 地控 制 轉(zhuǎn) 矩 ， 和 直 流 電 動(dòng) 機(jī) 完 全 一 樣 。 圖 8-12a繪 出 了 按 轉(zhuǎn) 子 磁 鏈 定 向 并 使 id= 0時(shí) PMSM的 矢 量 圖 。 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 矢 量 圖 圖 8-12 按 轉(zhuǎn) 子 磁 鏈 定 向 的 正 弦 波 永 磁 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 矢 量 圖a） 恒 轉(zhuǎn) 矩 調(diào) 速 b） 弱 磁 恒 功 率 調(diào) 速 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 這 時(shí) 控 制 方 法 也 很 簡 單 ， 只 要 能 準(zhǔn) 確

63、 地檢 測 出 轉(zhuǎn) 子 d 軸 的 空 間 位 置 ， 控 制 逆 變 器使 三 相 定 子 的 合 成 電 流 （ 或 磁 動(dòng) 勢 ） 矢 量位 于 q 軸 上 （ 領(lǐng) 先 于 d 軸 90 ） 就 可 以 了 ，比 異 步 電 動(dòng) 機(jī) 矢 量 控 制 系 統(tǒng) 要 簡 單 得 多 。 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 2. 矢 量 控 制 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 圖 8-13 按 轉(zhuǎn) 子 磁 鏈 定 向 并 使 id= 0 的 PMSM自 控 變 頻 調(diào) 速 系 統(tǒng) 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 3. 工 作 原 理 按 轉(zhuǎn) 子 磁 鏈 定 向 并 使 id = 0 的 正

64、弦 波 永磁 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 自 控 變 頻 調(diào) 速 系 統(tǒng) 和 直 流 電動(dòng) 機(jī) 調(diào) 速 系 統(tǒng) 一 樣 ， 轉(zhuǎn) 速 調(diào) 節(jié) 器 ASR的 輸出 是 正 比 于 電 磁 轉(zhuǎn) 矩 的 定 子 電 流 給 定 值 。由 圖 8-12a的 矢 量 圖 可 知 sin)90cos( ssA iii （ 8-36） )120sin(sB ii )120sin(sC ii （ 8-37） （ 8-38） 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 工 作 原 理 （ 續(xù) ）n 角 是 旋 轉(zhuǎn) 的 d軸 與 靜 止 的 A軸 之 間 的 夾 角 ，由 轉(zhuǎn) 子 位 置 檢 測 器 測 出 ， 經(jīng) 過 查

65、 表 法 讀 取 相應(yīng) 的 正 弦 函 數(shù) 值 后 ， 與 is* 信 號 相 乘 ， 即 得 三相 電 流 給 定 信 號 iA*、 iB*、 iC* 。n 圖 中 的 交 流 PWM變 壓 變 頻 器 須 用 電 流 控 制 ，可 以 用 帶 電 流 內(nèi) 環(huán) 控 制 的 電 壓 源 型 PWM變 壓變 頻 器 ， 也 可 以 用 電 流 滯 環(huán) 跟 蹤 控 制 的 變 壓變 頻 器 。 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 基 速 以 上 的 弱 磁 調(diào) 速 如 果 需 要 基 速 以 上 的 弱 磁 調(diào) 速 ， 最 簡 單的 辦 法 是 使 定 子 電 流 的 直 軸 分 量 id

66、 0 ，其 勵(lì) 磁 方 向 與 r相 反 ， 起 去 磁 作 用 ， 這 時(shí)的 矢 量 圖 如 圖 8-12b所 示 。 但 是 ， 由 于 稀 土 永 磁 材 料 的 磁 阻 很 大 ，利 用 電 樞 反 應(yīng) 弱 磁 的 方 法 需 要 較 大 的 定 子電 流 直 軸 去 磁 分 量 ， 因 此 常 規(guī) 的 正 弦 波 永磁 同 步 電 動(dòng) 機(jī) 在 弱 磁 恒 功 率 區(qū) 運(yùn) 行 的 效 果很 差 ， 只 有 在 短 期 運(yùn) 行 時(shí) 才 可 以 接 受 。 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 4. 系 統(tǒng) 的 特 點(diǎn)n 優(yōu) 點(diǎn) ： 定 子 電 流 與 轉(zhuǎn) 子 永 磁 磁 通 互 相 獨(dú) 立 ， 控制 系 統(tǒng) 簡 單 ， 轉(zhuǎn) 矩 恒 定 性 好 ， 脈 動(dòng) 小 ， 可以 獲 得 很 寬 的 調(diào) 速 范 圍 ， 適 用 于 要 求 高 性能 的 數(shù) 控 機(jī) 床 、 機(jī) 器 人 等 場 合 。 2021-4-22 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) n 缺 點(diǎn) （ 1） 當(dāng) 負(fù) 載 增 加 時(shí) ， 定 子 電 流 增 大 ， 使 氣隙 磁 鏈 和 定 子 反 電 動(dòng) 勢 都 加 大 ， 迫