学习手册(永磁同步电机控制技术)

您的学习任务
永磁同步电机的控制
学习永磁同步电机起动、调速以及制动方法。

相关知识
一、三相永磁同步电机起动三相同步电动机的主要缺点是自身没有启动转矩，因此无
法自己起动。

在永磁同步电机转子静止时，在其电源端加上三相额定频率的工作电源，永磁同步电机转子是无法正常起动的。

甚至电机转子转速不高，与同步转速相差比较大的情况下，在电机定子上加上额定频率的电源，同步电机转子也会静止下来。

同步电动机电枢接
入三相电网，电机内建立起旋转磁场。

转速ω
1
的建立过程用时很短，可以认为电枢绕组接通电源的瞬间，旋转磁场的转速立刻达到。

转子为永久磁场，其磁场与电枢边的旋转磁场之间作用产生磁力，企图使转子启动起来。

以一个定子磁场为观察对象，它以很高的转速经过转子极，对转子极作用，遇到异性磁极时产生吸引力，遇到同性磁极时产生排斥力。

由于转子机械惯量大，电磁力短暂的作用不可能使转子同步旋转。

因此，同步电动机电枢绕组的旋转磁势对转子直流励磁没有启动转矩，即同步电动机基本机是不会自启动的。

所以永磁电机必须采取一定的方法才能起动。

一般有三种起动法：拖动起动法、异步起动法、变频起动法。

1、拖动起动法
图4-15 同步电机拖动起动法
图4-15 为同步电机拖动起动法图。

在起动时，由异步电动机将同步电机拖入异步转速。

当电机进入较高速时，再由同步电机自行进入同步状态运行。

利用此方法起动时要求异步电机和同步电机的极对数是相同的。

这样异步电机可以将同步电机拖入与其同步转速相差不多
的转速。

异步电机的额定功率与同步电机功率P
异=（10%~20%）P
N。

在新能源汽车中，由于安
装问题，不能采用此种方法进行起动同步电机。

2、异步起动法
图4-16 同步电机异步起动法电气原理图
图4-16 为同步电动机的异步起动法原理图。

起动时将2QS 打到左边，将转子绕组电路中串入（5~10）R
f
起动电阻。

串入起动电阻的目的是降低起动电流。

此时即为绕线式异步电动机转子串电阻起动。

在起动后再把2QS 打到右边，将起动电阻抛开。

通过电源和Rf 给转子绕组通电励磁，在转子中产生磁场，将异步起动后的电机牵入同步转速。

但新能源汽车中一般使用的是永磁同步电机，也就是说电机转子中不存在励磁绕组，取而代之的是永久磁铁。

这时就可在转子表面加装笼型起动绕组。

在起动时就可按鼠笼型异步电机的方法进行起动，起动后再由于转子是永久磁铁，将其拖入同步转速。

由于汽车所带负载变化范围很大，例如汽车的上坡和下坡。

所带负载太大，有可能使同步电机失速而停止，所以在新能源汽车中，通常采用旋转变压器或者霍尔传感器来检测电动机转子位置，以便改变电机同步转速而不至于电机停止。

3、变频起动法
启动时变频器输出频率从0 开始上升到工作频率，电机则跟随变频器输出频率同步旋转。

此时由旋转变压器或其霍尔传感器等检测转子位置，从而可以决定电源频率的变化快慢。

如图4-17 所示。

图 4-17 同步电机变频起动图 在新能源汽车中，由动力电池提供直流电源。

再经电机控制器将直流电变为频率可调的三相交流电。

电机的转速 n=60f/p ，由于电机的极对数不易改变，同时改变极对数也只能是 有极调速，所以采用调节频率的方法。

当频率 f 由 0 开如往上变化时，电机转速也就随着频 率的增加而增大。

在此起动中，由于电机控制器的技术发展已经比较成熟，所以在新能源汽 车中一般采用此法。

二、三相永磁同步电机调速 同步电机的调速采用变频调速的方式进行调速。

就频率控制的方法而言，同步电动机变压变频调速系统可以分为他控变频和自控变频两大类。

1）他控式变频调速
和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为 他控变频调速系统。

①若保持 U/f=常数，则可以保持调速时过载能力不变。

即最大转矩 T M 不变。

②电源频率升高，则转速增大。

③电源频率小于额定频率，即 f<f N 时，可保持 U/f=常数； f>f N 时，电源电压不
能改变。

2）自控式变频调速 用电动机本身轴上所带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是自控变频调速系统。

采用自控式变频调速的同步电
动机称为自控式同步电动机，又称为无换向器电动机。

图 4-18 自控式变频调速原理图
在图 4-18 中，逆变器是将直流电源转化为三相交流电源的仪器，安装在电机控制器中。

通过逆变器输出的交流电频率连续可调节。

转子位置检测器通常采用旋转变压器或霍尔传感 器。

电机控制器可根据转子位置对输出频率进行调整。

三、三相永磁同步电机制动 一般采用能耗
制动。

如图 4-19 所示。

图 4-19 三相同步电机能耗制动原理图 对三相同步电动机来说能耗制动是种行之有效的电气制动方式。

运行时，开关 Q 置于图中“运行”位置。

制动时，将 Q 置于“制动”位置，电机从电源上断开，通过开关将制动电 阻 串入三相电枢电路。

当电机带摩擦类负载时，电动机在机械惯性作用下继续转动，电枢绕 组切割励磁磁通而产生感应电势和电流，电动机工作在发电状态，把系统的机械能转化为电 能，主要消耗在电阻 上，也可把电能储存起来。

在新能源汽车中，通常将 R b 改为大电容，通过电容将电能 储存起来。

再经过电
容将电回 充给蓄电池。

起到能量回收作用。

拓展学习。