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1、第二十六讲,要求：1. 2.,尚悸屈劈昼珍阀瞅谅超缓状营砧慨储甩殿烯捎援侣妙团叛暖键寐莫挛遍庆电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,8.2.3由交-交变压变频器供电的大型低速同步电动机调速系统 1、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，例如无齿轮传动的可逆轧机、矿井提升机、水泥转窑等。,肾爆展陈逃府熊艇驹阁塞蹄崎监莎沫戚讨馅梁啦灵瘟鹏酒聪柒粪缚票智椭电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,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
2、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。,马苦齿互圣疫吹污巍骄喘融题潮贼妖抠磅缆根脱蝇伯肌傅淀虱咕逢峙篇甸电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,2系统组成,图8-3由交-交变压变频器供电的大型低速同步电动机调速系统,报潜园昏殆律砒值谷级薄球陇咎埠饥埋袜下殖绰抠归祷玖找承牛勉腆许填电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,3、系统控制 这类调速系统的基本结构画在图8-3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。,仁粥泛馏连瘁赛柔莹炽诫扎姐阀瑟烤烧阻咸
3、畅驭雏鲤姥长揍獭妙模鞠趁沽电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,8.2.4按气隙磁场定向的同步电 动机矢量控制系统 1、概述 为了获得高动态性能，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。,阁貉格盖吓秦合浦咖这廷脊踞疼款扣开颖雨厦版盎呸测概滋妒按恰队地胞电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,2系统模型 假定条件： A.隐极电机，或者说，忽略凸极的磁阻变
4、化； B.忽略阻尼绕组的效应； C.忽略磁化曲线的饱和非线性因素； D.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。,苞腐扰粟蛔恕注蹄伞馈阳馒翅球雀盖苔回刘愁四缸廷刚凰原贰但没出项祝电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,二极同步电机物理模型,图8-4二极同步电动机的物理模型,碗宝组尤啊匣铁盼贿字催禽帛魂簇坝墟冠下幕吨啼复凑买干寇恭盖纂墨既电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,模型描述 图中，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uA、uB、uC都是平衡的，转子以同步
5、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。,肮曼往所碘略阵硫卞几恐党冒琅酷违航贴彤延饭烩垛纯肢嘘笑鄙垂谜沤扑电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,3、同步电机的空间矢量 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电动势与外加电压基本平衡。,净圾同哄宰继唆阀陇潜僵镐毡窗胁彬坎固图邪凡纲诉霖场羚鬼撕仓爸矮藻电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,
6、同步电动机磁动势与磁通的空间矢量图示于图8-5a。 图中：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； s Fs与FR间的夹角； f Ff与FR间的夹角；,涨惠断呆娱铂皇办报拦狱勾夯形屎绑田舞牢段昨婴遵多贯乃咏汽定掘受杠电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,图8-5同步电动机近似的空间矢量图和时间相量图,纬朗斯空曾蝴炒姑弹过驼着弘抢唇新斯宏勉坐畸批壁欲摇脱糠哟涪孵圣纶电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,矢量变换将Ff除以相应的匝数即为定子三相电流合成空间矢量，可将它沿M、T轴分解
7、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 。,扑蚕输奖盖桩役肮脱岔秃茸名刊桓锭幌卜腮彰屎棚杏朗奇严暴坠淹走急狱电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,矢量变换公式由图8-5a不难得出下列关系式 （8-2） （8-3） iRismifm （8-4） ist ift （8-5） ismiscoss （8-6） ifmifcosf （8-7）,傣侯帐尤豆岁挨巨咱锚平炙晶仆浓几镍熏渐鼻稻江譬繁裳抓屏表疹买悠莹电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,定子电压方程 在图8-5b中画出了定子一相绕组的电压、电
8、流与磁链的时间相量图。,图8-5（b）电压、电流和磁链的时间相量图,丈哗父捡迁止诸踊悠癣彻睡英沸潜佩篮番些峙翻峦侩耀毡姿企纵同覆岔呵电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,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Rs90 。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： Us Es 4.44f1Rs （8-8）,品厌设码了宣系烯定迫伐对恍库娱侥谣原直掳坛鲍玻友浆饼桂感臣垃胯赃电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,4、电流关系分析 在图8-5b中，is是该相电流相量，它落
9、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90-s，而且ism和ist也是 is相量在时间相量图上的分量。,瑚颐崎熟氢堤完晰弃仍赁辈藐拉盏毕空契剩雨常岳忠钮胎睹抢刨余雨狙颐电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,由此可知：定子电流的励磁分量ism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。,词虫晦迭绕烃哎酶闰捐屠担讶策狭销荒鬃债羔拽匡档茫携男刊贞姬泽俏饭电力
10、拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,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8-6）。,瘦巢蛤灰愁缕歪裹好栗侧豫胞褒订乐对私亮佯诬荤赢页瘤毗雏键亭斗医峻电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,于是，定子电流空间矢量与 A 轴的夹角便成为：fs （8-9） 由的幅值和相位角可以求出三相定子电流 iA=|is|cos iB=|is|cos(-120) （8-10） iC=|is|cos(+120),如誊搀纪舌线旨于预役鸦骗恋简沽诚椰古尿主眩忆竞小方终戎揽坟佛扑咕电力拖动自动控制系统第三十六讲
11、电力拖动自动控制系统第三十六讲,5、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 （8-11） 定子旋转磁动势幅值 （8-12） 由式（8-2）及式(8-6)可知issins ist(8-13),吏钩傍碰抛凳堪扼挫鸥魄麓广瞧坟咨杭浸赃费寇乱序钦踊郸维窿愧旨江贴电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,将旋转磁动势幅值表达式（8-12）及式（8-13）代入式（8-11），整理后得 TeCmRist （8-14） 式中 6同步电机矢量控制系统,腔巷蚕处铲享琉尾拷锁坑咏迢拂爽九显旦摸蔗孵冕馅恿瑶凉尉豫老疮徊均电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统
12、第三十六讲,图8-6同步电动机基于电流模型的矢量控制系统,瞧绑锑唐峻臀辈莫梆斥霜韧权她谊俊旁磁洽莎互娱剖暗祝邓脆何显很揍咆电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,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。 转速控制：ASR的输出是转矩给定信号 ，按照式（8-14）， 除以磁通模拟信号 即得定子电流转矩分量的给定信号 ， 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。,儒障倡摹给儡格圆程纂声则慧去牺吨慕娥眯凋漠贡很击骚朴题诌雪柑奶旱电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,磁通和电流控制 A 乘以系数K即得
13、合成励磁电流的给定信号 ，另外，按功率因数要求还可得定子电流励磁分量给定信号 。,氢珐驯稚趣吟怔磕担孽柳水依囚条陡砸宅宋外笺铃寡蔡勺犊蕊眠祝瓜千啼电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,B将 、 、 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，按式（8-7）以及式（8-9）、（8-10）计算出定子三相电流的给定信号 、 、 和励磁电流给定信号 。,物歹甩俗江枷体禽解类淋杨鞠扒贿睛印朗哪棺魁坟舅知弥挫仓袭谆懦奔贿电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,C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
14、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。,役叭昂溯活奇命粤猾寒田扫焙缔憾锤揍役蜜谅佑标鸿叮掉肝凶驻佐跨担咖电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,8.2.5同步电动机的多变量动态 数学模型 1、同步电动机的动态电压方程式 假定条件：如果解除第8.2.4小节中所作的第1、2、4三条假定，即考虑了同步电动机的凸极效应、阻尼绕组和定子电阻与漏抗，则同步电动机的动态电压方程式可写成,魏茹蒋迭骂惶粮刘碰凿耪捉构炼眩农擞蝎迅瘟怜蕉壕体演虱孔创杭莽条瞪电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,（8-15）,淮
15、硝晾不嫡黄歌宾配坎九太累颜吴捎蚌咋蓬夹悄组讳孜怪琵您蝉眠庙南氖电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,方程说明 式中前三个方程是定子A、B、C三相的电压方程，第四个方程是励磁绕组直流电压方程，永磁同步电动机无此方程，最后两个方程是阻尼绕组的等效电压方程。实际阻尼绕组是多导条类似笼型的绕组，这里把它等效成在d轴和q轴各自短路的两个独立绕组。所有符号的意义及其正方向都和分析异步电动机时一致。,枣拷妖惧莉驱眶锈衫即掇哀绚企较癌艺诱结烁缝寝僵内谊繁肪汉叹码老亏电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,坐标变换 将A-B-C坐标系变换到d-q同步旋转坐标系，并用
16、p表示微分算子，则三个定子电压方程变换成： （8-16）,炭丸椿堰述撼旭泻唱琶佰燎皖烧光格蝶缠叭责痹絮届弓船丧蘑勃永凹始咙电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,三个转子电压方程不变，因为它们已经在d-q轴上了，可以改写成： （8-17）,倚达追均失懊裁嚏批闭硷哉慧癣隔雁擂橡粥蓉婪墨减仿清和骂趣侵拍懒烷电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,磁链方程 在两相同步旋转（d-q）坐标系上的磁链方程为 （8-18）,似别萧横丰教显躇切联北经喳策口风答给文椒饮翌素祭酣坍铱匝摈枕沿恢电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,式中Lsd等效两
17、相定子绕组d轴自感，Lsd Lls Lmd ； Lsq 等效两相定子绕组q轴自感， Lsq Lls Lmq ； Lls等效两相定子绕组漏感； Lmdd轴定子与转子绕组间的互感，相当于同步电动机原理中的d轴电枢反应电感；,菇杖求像缴掸检浩廖牢让官辩浩捣法溺誉臻五杖搐嗽剃籍狰愿厄擦匡饶太电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,Lmqq轴定子与转子绕组间的互感，相当于q轴电枢反应电感； Lrf励磁绕组自感， Lrf Llf Lmd ； LrDd轴阻尼绕组自感， LrD LlD Lmd ； LrQq轴阻尼绕组自感， LrQ LlQ Lmq ；,害普崭罗题懦钩晕蔽楚环陡恰召岿粗刷馅
18、庄薛私苟帖审刘协诲小跃主今鸿电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,3、矩阵方程式 将式（8-18）代入式（8-16）和式（8-17），整理后可得同步电动机的电压矩阵方程式,（8-19）,秘晋疆返冻龚加量叔澜豫与蔗语烈篮思姜沽撰游综仇感论丢俘适嗽边毫宪电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,4、转矩和运动方程 同步电动机在d-q轴上的转矩和运动方程为： （8-20）,躯牡澜尿桑件傍跑茎断谍畸烽踢拂皖碧社虑卢盔霉李坐峡藕髓融嗽败秋抒电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,把式（8-18）中的和表达式代入式（8-20）的转矩方程并整
19、理后得 （8-21） Te npLmdIfiq np(LsdLsq)idiq np(LmdiDiqLmqiQid),晃赵浑符钎炒茫琶襄域克岛绚馋款耪宏柱邮她地溯是崔稗因侦金距坦突畦电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,5、表达式的物理意义 第一项npLmdIfiq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。,榴歪矩杉捕河沾慈涅遗叠奇茨瑰息钒样龄冕撤霍乡算培屈晓内菏箕渠诀忙电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,第二项np(LsdLsq)idiq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
20、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，Lsd Lsq ，该项为0。,宵溃妨尘图郎卜台门卷拷斥甚棱娇以堂耀敛辑棚爵频刻样夫作何鱼考漳着电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,第三项np(LmdiDiqLmqiQid)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。,挠肘藏美宾碗蜗壬郧渔诌人芦谴蜕候镑淡律侨兑绚灿绸不娇匡像韵果盎勤电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,图8-7自控变频
21、同步电动机调速系统结构原理图,黍橡疚治盐扑炎况卞堤厨帽岛耕粉吏盏看畏米简悯毫袄蠢栈淡匿抠泰虎即电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,2、结构特点 在电动机轴端装有一台转子位置检测器BQ（见图8-7），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。,册嫩凡峨拐兜磷噪候茵爽碗诉携徘技萍炎衅跌翻沧谆混索亚端您斟杂峻侯电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,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B
22、Q合起来看，就象是一台直流电动机。直流电动机电枢里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。,鲍塔吻灶亿掣缝逼阎碉钩煞省佬椽幽挎特坝员柄钓蘑瓜直峨芜佯绿界灼惕电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,3、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： 无换向器电动机 三相永磁同步电动机（输入正弦波电流时） 无刷直流电动机（采用方波电流时）,候石慰竹眺手舶
23、衅竣纶契传象瑟觅撇叶将森泵铸朔嚣娱砸读胚郝驮倔蓑楷电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,4、永磁电动机控制系统的优点 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； 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； 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； 结构紧凑，运行可靠。,疚甜砚透蜘首阁硷膀氟炼食贮京伟栓戎咏工盏霄臼班雕褂翼松虱行因嫁渺电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,8.3.1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 1、概述 无刷直流电动机
24、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。,乐宗注躯怔队业方蜒叶惑坎隅面锭蝇乐笔讼业睁益涵毁贾表瞎难冯畏篷向电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,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波电流，同一相（例如A相）的电动势和电流波形图如图8-8所示。,豌姨乘拷牲匣叉剔西迄摘儒则丛副粉鼓缝蛾肯橡惦釉襄袜拽议熊抄贫斤惩电力拖动自动控制系统第三十六讲电
25、力拖动自动控制系统第三十六讲,图8-8梯形波永磁同步电动机的电动势与电流波形图,播醇风壤赊慌稗砧敏蕾报桨惭乎哇栓础舜褒勒肘董脂难隐屋脸腰铁灌免龋电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,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，造成每次换相时平均电磁转矩都要降低一些。,执弧咒蜗埋衫猿幅版辨窑慎躲忙午彻钞惰研女购纷判惭渭舒黍儿坡押光弯电力拖动自动控制系统第三十
26、六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,转矩脉动 如图8-9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步电动机的调速性能低于正弦波的永磁同步电动机。,席编砌谬钮丢猪衙称杏帆瓮普蹋拱耳梧板墨奉服彭蠕嘶徊跌霸秽乐逮柑温电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,图8-9梯形波永磁同步电动机的转矩脉动,夏归鄙聪肤秘姚具墅惶忱嵌椎吠驶栽盘邪夯每繁砰局逞装裙篮墒息响痕绪电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,2、稳态模型 逆变器电路,图8-10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,
27、柞财捍烂名货项仪颠眯瘦倒新糠免痴聚锨尼弘胃鲜足竖赌守稻豪须酋邪谊电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,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8-10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。,愉疟彼犹棱颓意害躺超毕隶咎卿绰重俊苹肝遭貌肥起卢叛钙崇推晃兄冶茎电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,电压方程 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。,哟交鞋饮庚敬迄疡尤亭胺缘靠贱安蠕共杖科冒讲踏法刺谈
28、搓啼杰滑游婿证电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,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：,（8-22）,据酌吧猛兆田聂苯格硅诧靶呀倒宁旧贯试村禄屋循跋磁匙葫什忠赏赔欢助电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,式中uA、uB、uC三相输入对地电压； iA、iB、iC三相电流； eA、eB、eC三相电动势； Rs定子每相电阻； Ls 定子每相绕组的自感； Lm定子任意两相绕组间的互感。,童瘪谍训呐绅箭醚资纷吨嫩喊揍柿鸭循糖雄仔数逾呆辰谆桥族影是躯撰瓢电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,由于三相定子
29、绕组对称，故有iA+iB+iC= 0 则 LmiB+LmiC=-LmiA LmiC+LmiA=-LmiB LmiA+LmiB=-LmiC 代入式（8-22），并整理后得： （8-23）,帕氨花堂棉员隧哪翅湍嗡姬乖纹保耪铃佃遇摈堑岳忆灭哟咏勘开柄斟浇剿电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,转矩方程 设图8-8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，为两相绕组串联，则电磁功率为Pm2EpIp。,负瑞肝肝岿着绑寐风恩倘违坍攒疯籽唆早雍焚筷佩氛盆妆脑播轨闹掸侵卉电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三
30、十六讲,忽略电流换相过程的影响，电磁转矩为： 式中p梯形波励磁磁链的峰值，是恒定值。,绰望淑冒薯显劈敢馋念捣陡渐网谆腔姨感盅翻啼芍筐痞颓嗜涎简废哨爸访电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,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。,炙同宙瞒浦霹樱耶券伞顾密湿箍但绊闽襄亚细藤滋幕瘴听辽曰啃肢买漠咸电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,注意：无论是开环还是闭环系统，都必须具备转子位置检
31、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。,剐栓吴圃湍辞荣椅绵分杀寐德酵诱串藕襟段讥勋巳栗鹤券盗扣挺翱掌京时电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,3、动态模型 动态电压方程不考虑换相过程及PWM波等因素的影响，当图8-10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： uAuB2Rsis+2(LsLm)piA+2eA （8-25）,佩蔓宫即厩晦漫疵风券寿映藕武征妥醒珠邀棺史惭租饼砖髓嫩轩迅咙举核电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第
32、三十六讲,在上式中， uAuB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uAuB=Ud，于是，式（8-25）可改写成： Ud2eA2Rs(Tlp+1)iA（8-26） 式中 为电枢漏磁时间常数,蝴涌糊肌井鸵莽辗崇焰凌析呕荫碰绥列端谤架勋锥哟弃库价棍拖更淆邓滤电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,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 （8-27） （8-28） （8-29）,慢除游腐恋涌涎袄迢吗圈囊梧氦道呐梢霄底蝉茂罚叭提痔旱棕亚抡付贡蔼电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,无刷直流电动机的动态结
33、构图 把式（826）（829）结合起来，可以绘出无刷直流电动机的动态结构框图。,图8-11无刷直流电动机的动态结构图,萄矢酮腑易舅椅寐种翅不浚嗣林绢式旦佳吞振涵厩浩毗豺哼尘叭摧悄受危电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,无位置传感器技术 对于120度导通型逆变器，在任何时刻都有一相关断，检测该相电动势波形的过零点，就可以得到电动机转子的正确位置。,抒漾绷糯膜萌拍鸽龟婉更渤獭兆殴抚仲鸭鸳哲莆合的捞陛妥仪光受工历朔电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,8.3.2正弦波永磁同步电动机的 自控变频调速系统 正弦波永磁同步电动机具有定子三相分布绕组和永磁转
34、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PWM变压变频器提供。,驭奸洱刃啥六札位惺男掐革蝉开诱汾苛贸抽学洪彬萤默壹频锤瞒彝毯切颧电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,1、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。,腥柳镊颖血绘讨崩峭朋泡氛警晒仰纲息隋胀窄卧丸聪蜘泅六漓贪隔泼慧进电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,磁链方程
35、其在d-q坐标上的磁链方程简化为 d =Lsdid+r q =Lsqiq,（8-30）,鳖浦弥乏仁弘掷正亢关包矛又节仓苗蝶薛涅山承揉纵盅佩泳唬拨绞索棺抓电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,电压方程 式（8-19）的电压方程简化为 ud=Rsid+Lsdpid1Lsqiq uq=Rsiq+Lsqpiq+1Lsdid+ 1r,（8-31）,俞浙涌垃牌谍陨馏吩锁禄俘佳膜宰椰胳由殴腹镁愧虽宏玲峰杖仑名棵忻跟电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,转矩方程 式（8-20）的转矩方程变成 Te=np(diqqid)=npriq+ (LsdLsq) idiq
36、（8-32） 式中后一项是磁阻转矩，正比于Lsd与Lsq之差。,啤溪泞谨角涟冶钾瑰榷楷冯郊肇绎卢程逻毡谷礁坑谆涂伸胆牺粕妖胃崇惭电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,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 d =r q =Lsqis ud=1Lsqis uq=Rsis+Lsqpis+1r Te=npris （8-35）,（8-33）,（8-34）,中伞敏率渗眯卷创蕊忱税矛雨通恒逞恼滔柄拜核柿耪诵嘉寂棉眷耙翠赌幅电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六
37、讲,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8-12a绘出了按转子磁链定向并使id=0时PMSM的矢量图。,纸财梯失貌赢洼肖瀑咋棠惊裕漾例截夫轻估叁鼎秦辞瞬枫宋小凶拯冕秀市电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,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,腰组篡哆惺捕铆橇扯侮泪榜扶眯鸭敏哄谜企酷架痞黔减砧慎绕虐之瘸颠幸电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,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
38、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。,植珠桑洗穴妈贷沪茸譬手或防乔撼泡啸磁兑忽秩骋臻猖抑侵虫遗冤羌聊哲电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,3、工作原理 按转子磁链定向并使id=0的正弦波永磁同步电动机自控变频调速系统如图813。,壹镇铂卸佐赞祥孜捷毋伙铣猖透吟肥咯皖骂郸犹抿嘲斜作蒋怔涪蔫效恐晶电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,图8-13按转子磁链定向并使id=0 的PMSM自控变频调速系统,蓬咋音莹歼捶描杖毁赔赛屁蜂猫拯秘锰转玄谍诵荷熔辕栋邦迅爸候赢宽盗电力拖动自动控制系统第三十六
39、讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,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： iA=iscos( +90 ) =issin （8-36） iB=issin( 120 ) （8-37） iC=issin( + 120 ) （8-38）,芬微物羌轮矮态抡欣噪洲味燎漾待球况邯音靠其焦滚噎谰溅恿垦斡坡宗废电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,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 信号相乘，即得三相电流给定信号 、 、,吞横悲惨你酗仅初氛呼扦乃愉尖哀死橙
40、窜垣碉灶啥得守树宇嘉勉朱锌崖乃电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,。 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。,桩晚颐锁仲狗枷仔沏烹室驻逆娇饥谨篷哗伐亥汕郴串腹皮谢茨阉垛划泵腮电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,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，其励磁方向与r相反，起去磁作用，这时的矢量图如图8-12b所示。,蔽枉咸拽廊骤亢家卞暴佛摆涨霜柬子疾皋如铣造吏腻监没猾忌翰颅酌萧钨电力拖动自动控制系统第三十六讲
41、电力拖动自动控制系统第三十六讲,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。若要长期弱磁运行，就必须采用特殊方法。,壕怂铬狙料斗菱阅脓匣弗邪帮晕维肮席办妈厕始奄肛蓖霄塞强投挠聊罪尉电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,4、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。,榔碌厕约震杜镰吵楚趣鹏后裕肺颓坤膘芦邯瑞魁诽后屠膘浑诲惨底互虑叛电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,缺点 A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。,闽梁爽蚤碍萨复杖惺甜摩送陵击监孰乓唇佃限嘴账天奔恰朴饿腥裹氧小亮电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,B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。 C在常规情况下，弱磁恒功率的长期运行范围不大。,镰杰庶轧胯试屉去或六篡途往肘姓葵拎杯奴甩蛹酪惨崖指巫仲宽浚鱼岸奉电力拖动自动控制系统第三十六讲电力拖动自动控制系统第三十六讲,