华中科技永磁同步电机

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1、永磁同步电动机设计与控制,华中科技大学,同步电机与异步电机的根本区别是旋转的转子通入直流电流励磁,S,N,n,ea,eb,ec,If,一、概述,同步电机一般采用旋转磁极式结构，根据磁极形状可分为隐极和凸极两种型式。,凸极同步电机气隙不均匀，适合于中速或低速旋转场合 隐极同步电机在不考虑齿槽效应时，气隙均匀，适合于 高速旋转,二、基本结构形式,三、气隙磁场的主要系数,磁通波形系数,四、电枢反应和电枢反应电抗,1. 定义,2. 电枢反应的性质,当取任一相绕组轴线作为时间参考轴，设三相对称负载时，相电流I滞后于E0 相角 。若在t0时，转子励磁磁动势正向轴线（d轴）超前参考相轴线90o（电角度），则

2、各时空矢量如图所示。,根据交流电机绕组理论磁动势原理，电枢三相电流产生的合成旋转磁动势基波矢量 与 重合。,(1)=0o时(负载为纯阻性) Fa=Faq,与Ff1正交，为交磁性质,(1) 隐极同步电机,3. 分析方法,不饱和时，,求出,气隙均匀， 处于任意位置上，产生的气隙磁场Ba大小相同，故可直接由：,(2) 凸极同步电机双反应理论,凸极电机气隙不均匀， 处于不同位置，产生的气隙磁场Ba不同，处于d，q轴上时，分别产生出如图所示的磁动势：,双反应理论：,当 处于任意位置且不计饱和时：,分解,或,分解,支路电动势,相电动势,线圈组电动势,线圈电动势,五、感应电势,1. 导体电动势,p对极电机，

3、气隙磁场空间分布为p个正弦波的磁场称为基波磁场，基波磁场在绕组中感应的电动势为基波电动势。,为感应电动势频率,当p对极的正弦分布磁场以转速n1切割导体时，在导体中感应电动势为正弦波，其有效值为,2. 线圈电动势与短距系数,短距系数,ky11 对于整距线圈 ky1=1,3. 线圈组电动势与分布系数,分布系数,kq11 对于集中绕组 kq1=1,4. 相电动势与绕组系数,相电动势等于并联支路的支路电动势。 每条支路所串联的各线圈组的电动势都是同大小、同相位，可以直接相加。 对于单层绕组，每相有p个线圈组，每条支路有p/a个线圈组；对于双层绕组，每相有2p个线圈组，每条支路有2p/a个线圈组。 基波

4、相电动势有效值E1为,相电动势统一计算式,六、稳态电磁关系,电压方程,向量图,电磁功率,无功调节和V形曲线,七、动态数学模型,同步电动机矢量控制思想的引入,1.电机是机、电、磁三种物理量相互关联的，以电磁场作为耦合场的机电能量转换装置。,从机的角度去看,从电的角度去看,从磁的角度去看,同步电动机及异步电动机的气隙磁场在空间分布是接近正弦的，其产生有效转矩的工作磁场是磁场的基波分量，这就使同步电动机及异步电动机分析及运算中对磁场可以采用空间矢量的方法来分析及运算，对电压、电流等可以采用时间相量的方法来分析及运算，这个条件也为这类电机采用矢量控制奠定了基础。,2.电机矢量的概念,对于交流电机来说，

5、气隙磁势沿气隙周长方向呈正弦分布，因此可以用空间磁势矢量来表示，这就是电机矢量的概念 。,八、永磁同步电机的矢量控制,自控式变频的同步电动机与他控式变频系统相比较具有不会失步等明显的优点。,因此，根据定子磁势的位置是由转子位置所决定的特点，使其与转子的磁极轴线（或气隙磁场轴线）保持一个 的恒定值，即使 与 垂直或使 与 垂直，则定子磁势的旋转速度（也即变频器的输出频率）是跟随转子旋转速度的变化而变化。这就是同步电动机的磁场定向控制或通常所说的“矢量控制”。,3. 自控式变频的优缺点,4. 矢量控制思想的引入,若能使电机定、转子磁势的夹角在任何时候都保持同一个值，那么只要定子电流恒定，其力矩也就

6、不再脉动。控制效果将更好。,六拍型供电的变频电路使电机定子磁势只有6个空间位置状态，定子旋转磁势是一个步进式的旋转磁势，每一个定子磁势要对应于转子60电角度的位置区域，可知，力矩的脉动也就不可避免 。,同步电动机的坐标变换,定子旋转磁势既可以由： 定子三相绕组通入对称的三相交流电流产生（静止的三相a、b、c系统）， 定子两相绕组通入对称的两相交流电流产生（静止的、 、0系统）， 定子直流励磁绕组生成固定磁场，把“定子”旋转起来产生（旋转的d、q、0系统），,a)静止的三相系统 b)静止的二相系统 c)旋转的二相系统,对产生同样旋转磁场的这些不同形式的绕组可以相互替换而不会影响电机的转矩、转速。

7、这种绕组的替换从数学概念上看是同一个旋转磁势在不同坐标系下的不同表示法而已，这种替换过程就是电机坐标变换。,综合矢量,电机学中已知，三相电机定子绕组中通入三相电流时，其相应的基波磁势在空间（圆周方向空间电角度 坐标）及时间（t 坐标）的二元表达式为:,当三相电流有效值 时，其合成磁势 是一个圆形旋转磁势：,上式在空间按正弦规律分布的磁势，可以用一个空间矢量 来表示，矢量的模表示磁势波的幅值， 在某个时刻所在的位置或方向表示磁势正波幅所在的地点。 在a、b、c 相轴 、 、 的投影就是 、 、 的瞬时值。,与 一样，在空间也是一个按正弦规律分布的量，因此也可以表示成空间矢量:,当三相电流对称时，

8、三相合成磁势为,两边同除以 ，即可得,可见，上式的右边是一个与空间旋转磁势类似的空间旋转电流，我们把这个空间旋转电流称之为综合电流矢量，并记作为 ：,式中： ， ， 分别称之为a、b、c三相的空间电流矢量。,推而广之，还可以引入“空间电压矢量”、“空间磁链矢量”等。 一般化而言，对m相系统中的某一物理量（电流、电压、磁链等）的m个变量x1、x2.xm，其大小可看成是空间矢量 、 、 的模，它们的空间位置（方向）分别处于各自绕组的轴线上，然后把这m个空间矢量按矢量方式相加并乘以2/m 得到的合成矢量即为该物理量的综合矢量 。,从电流的物理本质来说，电流只是一个时间相量（标量），它并不具备空间矢量

9、的要素，但电机中的电流在空间是与它的相轴联系在一起的，这就赋于了它在空间的位置特性，因此可仿照磁势的处理方式而定义出了“空间电流矢量”（综合电流矢量） 。 综合电流矢量 的实质是产生空间旋转磁势 的一个合成（综合）电流，是一个在空间旋转的空间正弦分布的电流片。,空间电压矢量,空间定子磁链矢量,空间转子磁链矢量,在、0 系统中，有,绕组有效匝数相等条件下变换关系,设不同绕组形式的电机其每相绕组有效匝数相等，那么若磁势相等，磁势除以相同的匝数，则其综合电流矢量也就相等。,1静止的a、b、c系统（3s）与静止的系统 、 、 系统（2s）的变换,在a、b、c系统中，有,式中，i0 是零序分量，该分量对

10、旋转磁势无影响。,因此就可以用综合电流矢量来作为坐标变换的中间桥梁。,当把 轴与 轴取在同一轴线上时， ，令实部、虚部分别相等，即可得,对 求逆即可得到 ，即,当已知综合电流矢量而要求得各相绕组电流瞬时值时，只需把综合电流矢量在各绕组轴线上投影即成 ，即：,a、b、c系统,、0系统,对三相无中线星形接法或三角形接法的电机， ，上式可化简得：,2静止的、0 系统与旋转的d、q 、0 系统（2r）的变换,设 轴与 轴之间的夹角为 ， ，则有,由此：,若 ，则可略去该 项。,3a、b、c系统与d、q、0系统间的变换,根据前述变换关系，利用矩阵乘法，立即可求得,4、直角坐标（、系统）与极坐标的变换关系

11、（k / P 变换）,设 与 轴之间的夹角为 ，则有 ，因此,同步电动机变频调速概述,1.同步电动机类型,普通同步电动机 (直流励磁),无刷结构,利用滑环及电刷把励磁电流通入旋转的转子,a.把交流电压感应到与转子同轴旋转的环形变压器副方绕组，通过同轴旋转的旋转整流器而变成直流,b.采用与转子同轴的励磁机，励磁机定子通入直流产生恒定磁场，转子所感应的交流电压经旋转整流器整流后供给同步机转子励磁,c.爪极式结构等,永磁励磁： 转子上不会产生铜耗，电机的效率较高； 转子磁场无法调节控制，弱磁控制又非常困难， 变频调速时进入高速区运行很难。,两类同步电动机特点：,直流励磁： 转子磁场的强弱可调，可以调

12、节同步电动机的功率因数角； 可以使变频调速系统中的同步电动机进入弱磁调速运行， 使电机能在高于额定转速的区域运行。,有刷结构:,永磁同步电动机：,转子磁场是由永磁体产生的，无刷结构。,2同步电动机的空间矢量图,下标的含义： s定子 f励磁磁场 R合成,根据空间矢量图的矢量关系，电机的电磁转矩T 为：,定子综合电流矢量,磁化分量,转矩分量,同步电动机励磁磁势 的方向是确定的，是在转子磁极轴线 轴上， 的大小在永磁电动机及励磁电流恒定的励磁同步机中也是恒定不变的。因此，只要能控制定子磁动势 的大小及方向，就能控制电机的转矩T，从而实现对电机转速 n 的控制。在控制时，若把 的大小与方向同时改变（或

13、调节）则比较麻烦，而且一般情况下也没有必要，因此通常把 的方向对某根轴线固定成一个确定的值，而只改变 ( )的大小来控制转矩，这就是同步电动机的磁场定向控制或称之为矢量控制。,（ ）的定向方式有两种：,3同步电动机矢量控制原理,同步电动机的磁场定向控制或矢量控制的基本思想：,按励磁轴线（d 轴）定向,按气隙磁势 的轴线定向,1)按励磁轴线（d 轴）定向,电机转矩表达式可写成：,若 恒定（永磁同步电动机），则转矩T 正比于 的大小， 在控制系统中由速度调节器输出的转矩指令 就可以直接作为综合电流大小 的指令 。,优点： 励磁磁势Ff 不控制，因此特别适用于永磁同步电动机。 与d 轴总是保持垂直，

14、因此， 相对于定子a轴的夹 角（ ）实际上也可以直接由位置检测器得到 ，因此采用这种控制方式时控制系统较为简单。,缺点： 当负载转矩变化时， 的大小也在变化，使电机气隙磁通也随着负载的变化 而变化，不能满足气隙磁通基本恒定的要求。 电机的功率因数 ，而且随着负载的增加，其 角也在增大，在输出 功率相等的条件下，变频器的伏安容量也要增加。,使 始终与 轴垂直，,缺点： 负载变化时，不仅要控制定子电流的大小，同时要控制转子励磁电流的大小， 因此它只能适用于励磁电流可控的同步电动机 的实际控制方向 要通过运算才能得到。 控制系统较为复杂。,电机转矩表达式可写成：,优点： 气隙磁势恒定。气隙磁通能保持

15、不变，电机的磁路不会 饱和，电机铁磁材料可充分得到利用。 电机的功率因数恒等于1，在输出功率相等的条件下变 频器的伏安容量最小。,若 的大小恒定，则转矩 T 正比于 的大小，控制 的大小 ，就可以控制转矩。由于 ，所以，要使FR保持恒定就必须在改变 大小的同时，对Ff 进行控制。,2)按气隙磁势 的轴线定向，使 与 垂直，,控制策略：控制综合电流矢量 的方向，使 与d 轴垂直； 根据速度指令与实际转速比较的结果控制 的大小 。,永磁同步电动机按励磁轴线定向的矢量控制调速系统,1控制原理及控制策略,控制原理：若使 ，则电机转矩 ，由于 Ff 是恒定的（永磁）， 所以， 有 ，控制 的大小就能控制电机的转矩，从而实现调速。,2实现方法,速度闭环，由速度环的速度调节器输出转矩指令 ，由于 ，所以 指 令可直接作为综合电流大小的指令 。,采用可连续检测角度位置信号的位置检测器，测得励磁磁极轴线(d 轴)与A相绕组轴线 (a 轴)之间的夹角 ，或者直接测得与a轴的夹角(=90) 。,根据 角的大小，把 分解成三相绕组电流的指令 、 、（这三个相电流指令是电流的