同步电机调速系统原理及应用

(6.5)
BLDCM的数学模型（2）

BLDCM的转子磁阻不随转子位置变化，假定 电机三相对称，则有：
La Lb Lc L L ab L ba L cb L bc L ca L ac M
(6.5)式可重写为：
u a R 1 0 0 i a L M M i a e a u 0 R 0 i M L M p i e 1 b b b b u c 0 0 R 1 i c M M L i c e c

合成转矩分析：

K6K1K2导通时，电流从A相流入， B相C相流 出，且ib ＝ic=-0.5ia,则产生的转矩如下图a。

同样的分析，可得其它导通状况时产生的转矩 矢量，如上图b和上图c。
C:电机三相连接的两两导通方式

K1K2导通时，电流从A相流入，C相流出，且 ib ＝ic=-0.5ia,则产生的转矩如下图a。
两种变频调速方式
同步电机变频调速按控制方式可分为自控式和他控式 两种。 他控式；装置与电机是独立的。变频装置的输出频率 由转速给定决定，由于同步关系，这时系统一般为开 环，所依据的原理是VVVF。

控制简单，但存在转子振荡和失步问题。
自控式

自控式：变频装置与电机非独立，变频装置的输 出频率是依据电动机轴上所带的转子位置决定。 组成电源频率自动跟踪转子位置的闭环系统。 由于同步电机供电频率受转子位置的控制即定子 磁场转速与转子转速相等，始终保持同步，因此 不会出现转子振荡和失步的隐患。
(6.7)
BLDCM的数学模型（4）

电磁转矩方程为：
Te
1
(e a i a e b i b e c i c )
(6.8)
BLDCM的等效电路图为：
二、BLDCM控制系统

1、三相BLDCM的控制方式
A:电机三相Y连接的两两导通方式


两两导通方式是指每一瞬间最多只有两只开关导通， 每隔60度电角度换相一次，每次换相一个开关，每个 开关最多导通120度电角度。 正向时的导通顺序为： K1K2,K2K3,K3K4,K4K5,K5K6,K6K1,K1K2 反向时的导通顺序为： K1K2,K6K1,K5K6,K4K5,K3K4,K2K3,K1K2
本章内容 同步电机变频调速的原理 转子位置检测 几种同步电机变频调速系统

第七章 开关磁阻电机（SR）调速系统

7.1 SR的原理和特点
SR是一种新型可调速电机， 由磁阻电机、功率变换器、 转子位置Sensor和控制器 四部分组成。 SR的定子和转子都是凸极的， 由普通硅钢片叠压而成。 SR的定子和转子的极数不相 等，一般情况下定子极数 比转子多2极。
百度文库
(6.1)

定子合成磁势为：
Fjs W1 (i A ai B a 2i C ) W1
3 2
Ime
j( 0 )
F e
s
j( 0 )
(6.2)
起动分析（2）：

此时，同步电机的静止起动转矩为：
Te C m F F sin
s r
(6.3)
如果电机的起动转矩大于负载转矩，则电机开始转动。 电机起动后，角速度为，必须有：
调速原理：

式（6.3）
6.2 转子位置检测

准确可靠的转子位置检测是自控式同步电机变频调速 系统运行的必要条件。 转子检测一般采用无接触式，常用的转子检测型式： 电磁式、磁敏式、光电式和间接式等。 电磁式子位置检测方法 通过与转子同轴旋转的凸凹圆盘来改变检测元件 的电磁关系，从而达到检测转子位置的目的。 电磁检测方法又可分为差动变压器式和接近开关式 两种。
合成转矩分析：

K1K2导通时，电流从A相流入， C相流出，且 ia ＝-ic,则产生的转矩如下图a。

同样的分析，可得其它导通状况时产生的转矩 矢量，如上图b和上图c。
B:电机三相Y连接的三三导通方式
三三导通方式是指每一瞬间最多有三只开关导通，每 隔60度电角度换相一次，每次换相一个开关，每个开 关导通180度电角度。 正向时的导通顺序为： K1K2K3,K2K3K4,K3K4K5,K4K5K6,K5K6K1,K6K1K2 反向时的导通顺序为： K1K2K3,K6K1K2,K5K6K1,K4K5K6,K3K4K5,K2K3K4
图7.1
SR的原理和特点
转子既无绕组也无永磁体。 定子上有集中绕组，径向相对的两个绕组串联构成一 个两极磁极，称为一相。 研究表明，低于三相的SR电动机没有起动能力。 原理上，SR与步进电机相似，遵循“磁阻最小原 理”——磁通总是要沿着磁阻最小的路径闭合。 DABCD顺序通电时，转子逆时钟旋转。 SR是一种大步距角的步进电机。 相数多，步距角小，利于减小转矩脉动，但复杂度和 成本都会增加。

同样的分析，可得其它导通状况时产生的转矩 矢量，如上图b和上图c。
D:电机三相连接的三三导通方式

K6K1K2导通时，电流从A相流入，B相C相流 出，且ib ＝-ia,则产生的转矩如下图a。

同样的分析，可得其它导通状况时产生的转矩 矢量，如上图b和上图c。
2、BLDCM伺服系统设计
位置速度检测 PS 位置 调节器 速度 调节器 电流 调节器 PWM 发生器 逆变器 BLDCM

基本构成

SRD的基本构成为：
图7.2
SR功率变换器主电路图
图7.3
7.2 SR电动机的运行方式

采用图7.3电路供电，其电压方程为：
Us
d dt d dt
d dt
iR
di dt dL dt
（7.1）

dLi dt
L i
L d dt
L i
di dt
L i
第六章 同步电机调速系统
6.1 同步电机变频调速的原理 给同步电动机三相对称绕组通入三相对称电流会在 气隙中产生一旋转磁场，旋转磁场的同步转速为 n0。
同步电机有转子磁场（保证恒定），转子可以看成 一块磁铁。
两磁场的相同作用，驱动同步电机旋转 。 同步电机转速公式n=60f/np:变极调速和变频调速。 同步电机调速的主要方式是变频调速。

差动变压器式位置检测方法（1）
差动变压器式位置检测方法（2）
该方法装置结构简单，工作较为可靠，所以应用较广。
但这种位置检测是粗精度的。
光电式转子位置检测方法

就是利用光电元件进行位置检测。
1、简单式位置检测： 用光电元件代替电磁元件进行位置检测。
2、绝对式光电位置检测

采用绝对式光电码盘。

自控式系统构成：

自控式同步电机变频调速系统主要由同步电动机、 逆变单元、转子位置检测器和控制单元构成。
自控式同步电机的起动

电机起动之前，同步电机静止，转子位置检测器检测 出转子的初始位置，d轴与A轴的初始夹角为。
起动分析：

在三相绕组中通入如下电流：
i A I m cos( 0 ) i B I m cos( 0 120 ) i C I m cos( 0 120 )
间接式转子位置测量方法
通过利用电枢绕组的感应电动势间接检测转子的位置。 一般分两种：端电压检测法和电压模型法。 端电压法：用于负载换相系统，每相端电压在一个周 期内两次过零点，以此来检测转子位置。 电压模型法：根据模型计算出磁场的大小和方位，间 接获得转子位置。

6.3 同步电机调速系统举例
一、转子磁场定向的同步电机调速系统
二、 PMSM 变频调速系统
直流调节的PMSM调速系统
三、 负载换相的同步电机变频调速系统
采用晶闸管作为功率器件。 采用电流源型逆变器。 大容量。

6.4 无刷直流电动机（BLDCM）控制系统
一、无刷直流电动机BLDCM的数学模型
1、无刷直流电动机BLDCM的基本特点 BLDCM的构成： 定子三相绕组、转子、变频器和位置sensor。 转子采用永磁体（一般采用稀土永磁材料），经特殊 磁路设计，可获得梯形的气隙磁场，定子采用整距集 中绕组，由变频器供方波电流。
BLDCM的基本特点

气隙磁场感应的反电动势和供电电流关系：
气隙磁场感 应的反电动势波 形为梯形波，包 含较多的高次谐 波。
二、BLDCM的数学模型

由于稀土永磁材料的导磁率很低，转子的磁阻 很高，可忽略转子的影响，可得BLDCM的定 子电压平衡方程式为：
u a R 1 0 0 i a L a L ab L ac i a e a u 0 R 0 i L L b L bc p i b e b 1 b b ba u c 0 0 R 1 i c L ca L cb L c i c e c
(6.6)
BLDCM的数学模型（3）

由于电机三相对称，即：
ia ib ic 0 pMia pMia pMic 0
(6.6)式可简化为：
0 0 i a e a u a R 1 0 0 i a L M u 0 R 0 i 0 LM 0 p i b e b 1 b b u c 0 0 R 1 i c 0 0 L M i c e c
不产生电磁转矩。在－Us的作用下磁链和电流减小。

第五阶段： t>t4，在这一阶段若电流没有衰减到零，
电流产生制动转矩，电机进入制动状态。
电流斩波控制方式

在电机低速运行时，往往采用电流斩波控制方式来避 免过大的电流冲击。
7.3 PWM控制的SR调速系统设计

位置检测对系统性能十分重要。
系统框图

第二阶段： t1 <t<t2，
图7.6
L不断增大，存 在旋转电势， 电流变化规 律受导通角 影响较大。
角度位置控制方式（3）

第三阶段： t2 <t<t3，关断开关管。一方面在－Us的
作用下磁链和电流减小，另一方面L在继续增大，存在 旋转电势，电流下降更快。

第四阶段： t3 <t<t4，L基本不变，无旋转电势，电流
较适合于负载换相同步电机调速系统。
3、增量式光电码盘转子位置检测方法
增量式光电码盘位置检测

增量式光电码盘检测位置精度高，信号质量好，在 高性能同步电机调速中广泛应用。 但采用增量式光电码盘时初始位置的确定比较关键。 目前广泛采用的是：简单式＋增量式的方法。 增量式光电码盘还可用于电机速度的检测。 常用的速度检测方法有M法和T法。 M法：通过测量一定周期内脉冲的个数来计算转速， 适用于高速测量。 T法：通过测量脉冲的周期来计算电机的转速，适用 于低速测量。
di dt
L r
（7.2）

电压方程可改写为：
di U s L dt iR ir L
（7.3）

相绕组的电感随转子位置变化的规律为：
图7.4
角度位置控制方式：

角度位置控制是开关磁阻电机常用运行方式。
图7.5
角度位置控制方式（2）


角度相位控制分5个阶段：
第一阶段：0<t<t1:相电流基本线性上升。
课程内容回顾
第一章：变频调速的一些概念 第二章：坐标变换和异步电机数学模型 第三章：PWM方法 第四章：矢量控制和DTC控制 第五章：同步电机数学模型 第六章：同步电机调速系统 第七章：SR简介
i A I m cos(t 0 ) i B I m cos(t 0 120 ) i C I m cos(t 0 120 )
(6.4)
起动分析（3）:

起动过程为： 检测转子初始位置； 根据负载大小确定初始电流的大小和相位； 在起动过程中根据转子速度来给出定子电流频率，从 而保证正常起动。